Тест-метод определения ионов Fe(III) и его метрологические характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тест-метод определения ионов Fe(III) и его метрологические характеристики

Фомина Евгения Сергеевна,

Косырева Ирина Владимировна,

Доронин Сергей Юрьевич

Институт химии. Саратовского государственного

университета им. Н.Г. Чернышевского

Аннотация

Предложен тест-метод определения Fe(III), основанный на применении индикаторной бумаги с иммобилизованными тиоцианатом калия и хлоридом цетилпиридиния. Определены метрологические характеристики тест-метода с применением методики обнаружения с бинарным откликом: нижняя граница определяемых содержаний Fe(III) - 1^.10^-4 М, интервал ненадежности реакции 1^.10^-4 М - 1^.10^-5 М и с_min(Fe³⁺) = (3.5±0.2)·10^-5 М.

Ключевые слова: тест-метод, Fe(III), поверхностно-активные вещества, методика бинарного отклика.

Введение

Востребованность в тест-методах анализа различных объектов является следствием неуклонно растущих запросов быстрого и простого определения компонентов пробы на месте («on-site»). Тест-методы, удовлетворяющие указанным условиям, не требуют сложной пробоподготовки; применения дорогостоящего, громоздкого оборудования; высококвалифицированного персонала. Поэтому в обиход прочно вошли понятия «тестирование», «тест-средства», «тест-система», «тест-методика», «тест-форма» [1-5].

Для скрининговых исследований наиболее удобными для тест-определения различных аналитов являются визуальные химические тест-методы анализа. О присутствии определяемого компонента судят, чаще всего по изменению окраски тест-средства после взаимодействия его с компонентами анализируемой системы, как правило, раствором. Для количественной оценки содержания аналита, в этом случае, применяют цветовую шкалу сравнения - набор тест-образцов, соответствующих точно известным концентрациям аналита.

Определение ионов Fe(III) и Fe(II) является одним из важнейших показателей качества как питьевой, так и природных вод. Общее содержание железа в природных водах, превышающее величину ПДК (0.3 мг/дм³ [6]), указывает на загрязнения от промышленных сточных вод, металлообрабатывающих предприятий и т.д. Такие концентрации в водных объектах ионов Fe(III) и Fe(II) вызывают технические затруднения при подготовке воды для питьевых и хозяйственных нужд [7].

В настоящей работе приводятся результаты оценки применения методики бинарного отклика для тест-определения ионов Fe(III) в водных объектах, основанного на получении реактивной индикаторной бумаги, модифицированной тиоцианатом калия и поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые позволяют улучшить метрологические характеристики исследуемой аналитической реакции.

Экспериментальная часть

В работе применяли следующие реактивы и приборы: (NH₄)₂Fe(SO₄)₂^.6H₂O, x.ч.; KCNS, х.ч.; лимонную кислоту (C₆H₈O₇^.H₂O), ГОСТ 908-2004; NaOH, ГОСТ 2263-79; хлорид N-цетилпиридиния, ЦПХ (С₂₁Н₃₈NСl^.2Н₂О) ТУ-6-09-15-121-74, х.ч.; ацетатно-аммиачные буферные растворы; HCl, ГОСТ 3118-77, х.ч.; бумажные обеззоленные фильтры (красная лента), ТУ 6-09-1678-86, диаметр 11 см. Все растворы готовили на дистиллированной воде, используя реактивы с квалификацией не ниже «ч.д.а». Исходный рабочий раствор Fe(III) готовили из навески соли Мора, окисляя Fe(II) пероксидом водо-рода в сернокислой среде. Применяли рабочие растворы 1^.10^-2 М ЦПХ, 10%-ный KSCN. рН растворов контролировали на рН-метре-милливольтметре марки рН-121.

Для получения цветных цифровых изображений, индикаторные бумаги сканировали сканером Epson Perfection V330 Photo. Обработку цифровых изображений осуществляли с помощью программы Photoshop CS3; электронные спектры поглощения регистрировали на cпектрофотометрe UV-1800 (SHIMADZU, Япония), диапазон 350-750 нм. Электронные спектры диффузного отражения регистри-ровали на спектрофотометре UV-2550 (SHIMADZU, Япония), приставка для измерения СДО, диапазон 350-750 нм, интервал измерения длин волн - 1 нм.

Для изучения реакции взаимодействия ионов Fe(III) с тиоцианатом калия на поверхности бумаги на фильтр с красной лентой размером 9Ч9 см наносили 1 мл тиоцианата калия 10%-ого, высушивали при температуре 100 °С в течение 10 минут в сушильном шкафу, добавляли 1 мл 10^-2 М раствора ПАВ (ЦПХ), высушивали при температуре 100 °С в течение 10 минут в сушильном шкафу, после высушивания наносили каплю раствора соли Fe(III) с заданными концентрациями в интервале 1·10^-5М - 1·10^-2 М.

Результаты и их обсуждение

Для тест-определения ионов Fe(II, III) в качестве носителей применяют кремнеземы, индикаторные бумаги, пенополиуретаны, пластинки, тест-полосы, на которые иммобилизуют реагенты: тиоцианаты щелочных металлов (аммония), 1,10-фенантролин, батофенантролин, гексацианоферраты(II, III) калия (меди, свинца, кобальта, серебра), фенилфлуорон в присутствии ЦПХ, этилендиаминдигидроксибензилфосфониевую кислоту. Диапазоны определяемых содержаний Fe(II) достигают интервалов значений от 0.02 до 3.0 мг/л; для Fe(III) от 0.2 до 1000 мг/л; для суммарного содержания Fe(II, III) - (0.01-200) мг/л [8-15].

Тиоцианаты щелочных металлов или аммония образуют с солями Fe(III) красный тиоцианат железа. Обычно эту реакцию представляют схемой: 3KSCN + FeCl₃ > [Fe(SCN)₃] + 3KCl. Однако возможно образование одновременно нескольких комплексов Fe(III) с тиоцианат-ионами, которые находятся в динамическом равновесии: [Fe(SCN)]²⁺, [Fe(SCN)₂]⁺, [Fe(SCN)₃], [Fe(SCN)₄]-, [Fe(SCN)₅]^2-, [Fe(SCN)₆]^3-. Реакция достаточно чувствительна и селективна (ее применяют в аналитической химии для обнаружения трехвалентного железа), однако предел обнаружения Fe(III) этой реакции не позволяет его контролировать на уровне ПДК. Поэтому нами предложен вариант тест-определения Fe(III) по реакции его взаимодействия с тиоцианатом калия в среде ПАВ.

Предварительно спектрофотометрически (рис. 1) и с помощью спектроскопии диффузного отражения (рис. 2, 3) изучена реакция взаимодействия ионов Fe(III) с тиоцианатом калия в отсутствии и с добавкой ПАВ различных типов. Для этого получали индикаторную бумагу обработкой фильтров разной пористости водным раствором тиоцианата калия, содержащего ПАВ с концентрациями выше «критической концентрации мицеллообразования» (додецил-сульфата натрия, цетилпиридиния хлорида, ОП-10), а также их смесей при варьировании: концентраций реагентов и ПАВ, последовательности обработки фильтров, соотношения ре-агент: ПАВ, pH.

Рис. 1. Спектры поглощения системы Fe³⁺ - SCN^- в присутствии ПАВ различных типов. с_Fe(III) = 5·10^-3 М; КSCN 10%; рН = 1.7; 1 - ОП-10, ЦПХ; 2 - ЦПХ; 3 - ДДС.

Рис. 2. Влияние ПАВ на спектры диффузного отражения в виде функции Гуревича-Кубелки-Мунка (F) систем Fe³⁺ - SCN^- на бумаге. c_Fe(III) = 5·10^-2М; КSCN 10%, pH = 1.7. 1 - без ПАВ; 2 - ЦПХ; 3 - ЦПХ + ОП-10.

Рис. 3. Спектры диффузного отражения системы Fe³⁺ - SCN^- в присутствии ЦПХ на бумаге. c_Fe(III): 1 - контр. 2 - 1·10^-3 М; 3 - 2·10^-3 М; 4 - 5·10^-3М; 5 - 1·10^-2 М; 6 - 2·10^-2 М; КSCN 10%, pH = 1.7; c_ЦПХ = 1·10^-4 М; фильтр с красной лентой.

Из рис. 1-3 видно, что в растворе (рис. 1) и на поверхности бумаги (рис. 2, 3) идет аналогичное комплексообразование в системе ионы Fe(III) - KSCN и ПАВ катионного типа (смеси с неионным ПАВ) с образованием одной аналитической формы с максимумом поглощения при 480 нм. Наилучший аналитический эффект достигается применением в качестве модификатора реакции тиоцианат-иона с ионам Fe(III) индивидуального ПАВ - ЦПХ.

Разработаны тест-методики в варианте индикаторных бумаг с иммобилизованными тиоцианатом калия и ЦПХ для определения ионов Fe(III) (диапазон определяемых содержаний 1·10^-4-5·10^-2 М). Концентрацию ионов Fe(III) определяли визуально по интенсивности окраски индикаторной бумаги по сравнению со стандартной цветовой шкалой и по параметрам цвета (R, G, B) с применением сканер-технологии и программы Adobe Photoshop CS3 при обработке полученных тест-средств. Для данного тест-варианта определения ионов Fe(III) получены линейные зависимости в координатах параметр цвета - lgc (R-канал, y = 27.4х +72.2, коэффициент корреляции r² = 0.97) (рис. 4), что позволяет фиксировать уровень ПДК Fe(III) в водных объектах.

В последнее время при создании тест-методов анализа применяют методику с бинарным откликом, которая дает возможность определять содержание аналита меньше определяемой концентрации. Этот метод скорее качественный, чем количественный. Он позволяет отбирать образцы по установленным критериям (образцам сравнения). В этом случае ответом на вопрос будет «да» - «нет» или «больше» - «меньше» установленных концентраций. Эта задача решается с помощью нескольких наблюдателей, которым задают вопрос - «совпадают ли цвета проб с цветами образца сравнения?». Впоследствии отрицательные образцы отсеиваются и с ними больше не работают, а с образцами, показавшими положительный результат, проводят дальнейший количественный анализ с помощью уже разработанных методик [12, 16].

Рис. 4. Зависимость интенсивности параметра R от pc(Fe³⁺) для индикаторной бумаги на основе KSCN и ЦПХ

Некоторые метрологические характеристики методик обнаружения с бинарным откликом: положительный результат - наличие аналитического сигнала (отличие сигналов анализируемого и холостого образцов); отрицательный результат - отсутствие аналитического сигнала (совпадение сигналов анализируемого и холостого образцов); уверенно открываемый минимум (абсолютная чувствительность) - минимальное количество открываемого иона, кото-рое дает во всех случаях вполне отчетливый положительный эффект реакции при оптимальных условиях ее проведения.

Ниже приведена схема алгоритма оценки предела обнаружения для тест-методик с визуальной индикацией. Алгоритм оценки c_min, реализовывали следующим образом [12, 16]:

Прежде всего, выявлен интервал ненадежности определяемых концентрации Fe(III) с помощью группы из 7 человек независимых наблюдателей. Для этого готовили нормируемый образец и образцы с меньшими концентрациями (образцы сравнения). Наблюдателям зада-вали вопрос: «Отличается ли интенсивность окраски образца сравнения от окраски нормируемого образца?» и получали ответы «Да» или «Нет». Концентрацию, для которой получали только положительные ответы, принимали за нижнюю границу интервала ненадежности.

Выявленный интервал ненадежности (в диапазоне от 1^.10^-4 М до 1^.10^-5 М) разбивали на концентрации с шагом Дc, который превышал стандартное отклонение приготовления растворов s_н. Для каждого значения c_k получили по две выборки, состоящей из 50 результатов. Таким образом, были подготовлены 2 выборки с концентрациями Fe(III) от 1^.10^-2 М до 1^.10^-4 М, f также 2 выборки в диапазоне концентраций Fe(III) от 1^.10^-4 М до 1^.10^-5М. Готовили по 50 цветовых шкал в каждом концентрационном интервале и вычисляли частоты обнаружений различий в окраске образцов для концентрации c_k: P(c_k) = n_k: N_k, где n_k - число положи-тельных ответов наблюдателей о появлении окраски, N_k - общее число испытаний в серии.

Усредняли значения частоты по сериям, находя P(c_k); вычисляли дисперсию (s_k²) и стандартное отклонение (s_k) частоты. Для каждого значения с_k получали по две выборки, состоящие из 25 результатов четырех серий наблюдений.

Вычисляли частоты обнаружения для концентрации с_k в каждой серии: P(c) = n_k/N_k, где n_k - число положительных наблюдений, N_k - общее число испытаний в серии. Выявляли по Q-критерию и исключали промахи, усредняя частоты по сериям, находя среднее P(c_k), дисперсию (s_k²) и стандартное отклонение (s_k) соответствующей частоты.

Для получения пороговой оценки предела обнаружения объединили результаты двух выборок P(c_k), предварительно сопоставляя их по F- и t-критериям, если выборки оказывались неоднородными, эксперимент пополняли, добиваясь возможности объединения.

Из объединенной выборки объемом 100 элементов получали следующую оценку предела обнаружения c_{min,объед.}. Отличие c_{min,объед.} от c_min не превысило ±3s_k, поэтому ее приняли за окончательный предел обнаружения. Таким образом, рассчитаны дисперсия (s_k² = 1.37), стандартное отклонение (s_k = 1.17) частоты и с_min(Fe³⁺) = (3.5·± 0,2)·10^-5 М.

Для оценки пороговой концентрации аналита в образце сравнения, которая обеспечивает заданную надежность бинарного тестирования, исследовали диапазон концентраций, в кото-ром вероятность обнаружения различий сигналов от образца сравнения и нормируемого образца, Р(с), меняется от 0 до 1. То есть, для части идентичных проб при ответе на вопрос: «Видите ли Вы различие в окраске, мутности, запахе или др. от образца сравнения и нормируемого образца?»- часть наблюдателей отвечает «Да», а часть наблюдателей - «Нет». Этот интервал ненадежности «сверху» будет ограничен предельной концентрацией, а внутри интервала с₁ - с_пред. будет выполняться условие 0 < Р(с) < 1.

Построена «кривая эффективности» - зависимость Р(с) в интервале ненадежности для оценки пороговой концентрации. Если подобрать математическую функцию, аппроксимирующую эмпирическую зависимость частот обнаружения различий сигналов (Р^эмп) от концентрации, то искомое значение с_сравн. можно рассчитать, задавая, например, Р(с) = 0.95 (в данном случае 1^.10^-5 М).

При этом надежность бинарного тестирования будет соответствовать 95%, а вероятность пропуска ложных отрицательных результатов не превысит 5% (рис. 5).

Рис. 5. Выбор пороговой концентрации в образце сравнения (с_сравн). n_k - Число положительных ответов наблюдателей, N_k - общее число испытаний, 0 < Р(с) < 1, P(c_k) = n_k /N_k, N_k = 100.

тест ион индикаторный

Метро тест ион индикаторный логическими характеристиками тест-методик с визуальной индикацией также являются «предел обнаружения» (с_min) и «нижняя граница определяемых концентраций» (с_н). Визуальная индикация анализируемого компонента - процесс, подверженных действию случайных погрешностей, причем вероятность обнаружения аналита зависит от его концентрации. Поэтому проверяли соответствие распределения значений P(c_k) функциям распределений, обычно используемым в исследованиях (нормального, логнормального, экспоненциального и распределения Вейбулла) (табл. 1, рис. 6).

Табл. 1. Функции распределения на согласие с которыми исследовались результаты тест-определения

- функция, обратная функции нормального распределения

Рис. 6. Зависимость ln(1/(1-P(c)) - c. Закон распределения - экспоненциальный.

Показано, что применением нормального, логнормального законов распределения и закона распределения Вейбула линейные закономерности не установлены. Функция распределения результатов предложенного тест-определения ионов Fe(III) согласуется с экспоненциальным законом распределения, что подтверждается линейной зависимостью, полученной в координатах ln(1/(1-P(c)) - c, которая может быть представлена уравнением вида: y = -47100^.x - 4.05, R² = 0.9321 (рис. 6).

Получены результаты выявления по ²-критерию значимого отклонения от аддитивности общего цветового различия предложенных тест-средств. Общее цветовое различие -

, .

Выполнение данного неравенства свидетельствует о согласии эмпирического распределения P(c) с теоретическим. Рассчитан критерий Колмогорова-Смирнова:

.

Расхождение между эмпирическим и теоретическим распределением считается значимым, если вероятность получения данной величины Р() ? 40%, в данном случае Р() = 51%.

Выводы

1. Разработан тест-метод определения Fe(III) в водных объектах с улучшенными метрологическими характеристиками, основанный на применении индикаторной бумаги с иммобилизованными тиоцианатом калия и хлоридом цетилпиридиния с последующей цветометрической обработкой тест-средств.

2. Применена методика с бинарным откликом для оценки метрологических характеристик тест-системы: целлюлозная матрица - иммобилизованный тиоцианат калия и цетилпиридиния хлорид. Показано, что функции распределения результатов тест-определения Fe(III) согласуется с экспоненциальным законом распределения (получена линейная зависимость в координатах ln(1/(1-P(c)) - c; y = -47090^.x-4.05; R² = 0.9321). Определены метрологические характеристики тест-метода: нижняя граница определяемых содержаний Fe(III) - 1^.10^-4 М, интервал ненадежности реакции 1^.10^-4 М - 1^.10^-5 М и с_min(Fe³⁺) = (3.5·± 0.2)·10^-5 М.

Литература

1. Золотов Ю.А. Скрининг массовых проб. Журн. аналит. химии. 2001. Т.56. №8. С.794.

2. Золотов Ю.А. О тест-методах. Журн. аналит. химии. 1996. Т.51. №10. С.1029.

3. Евгеньев М.И. Тест-методы и экология. Соросовский образоват. Журн. 1999. №11. С.29.

4. Меркушев В.А., Моросанова Е.И. Возможности и перспективы применения тест-систем. Партнеры и конкуренты. 2005. №9. С.23.

5. Yu.A. Zolotov, V.M. Ivanov, V.G. Amelin. Test methods for extra-laboratory analysis. Trends Anal. Chem. 2002. Vol.21. №4. P.302.

6. СанПИН 2.1.4. 1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: Минздрав России. 2002. 104с.

7. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа. 1979. 340с.

8. Амелин В.Г. Тест-определение железа (II,III) с использованием индикаторных бумаг. Журн. аналит. химии. 1999. Т.54. №9. С.991.

9. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. М.: Едиториал УРСС. 2002. 304с.

10. Островская В.М., Аксенова М.С, Медведева Р.Л. Экспрессное определение железа (II,III) с помощью реактивной индикаторной бумаги РИБ ОХИХКГ-6-Ц. Журн. аналит. химии. 1987. Т.42. №12. С.2201.

11. Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К., Черновская М.М. Вода. Индикаторные системы. М.: ФГУПВТИИ. 2002. 266с.

12. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Н.П., Островская В.М. Предел обнаружения в тест-методах анализа с визуальной индикацией. Влияющие факторы. Журн. аналит. химии. 2005. Т.60. №10. С.1102.

13. Островская В.М., Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Пантелеймонов А.В., Холин Ю.В. Тест-метод определения суммы металлов реактивной индикаторной бумагой и его метрологические характеристики. Журн. аналит. химии. 2004. Т.59. №10. С.1101.

14. Амелин В.Г. Устройства и способы определения компонентов тест-методом. Журн. аналит. химии. 1998. Т.53. №9. С.958.

15. Иванов В.М., Фигуровская В.Н., Чинь Тхи Тует Май, Ершова Н.И., Барбалат Ю.А. Вестник Московского университета. Химия. 2004. Т.45. №5. С.309.

16. Мильман Б.Л., Конопелько Л.А. Неопределенность результатов качественного химического анализа. Общие положения и бинарные тест-методы. Журн. аналит. химии. 2004. Т.59. №12. С.1244.

Размещено на Allbest.ru