Тест-системы для индикации ионов тяжёлых металлов в объектах окружающей среды

Тест-системы для индикации ионов тяжёлых металлов в объектах окружающей среды

46

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА РАБОТА

ТЕСТ-СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНДИКАЦИИ ИОНОВ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Содержание

Введение

Актуальность проблемы

Упрощение и удешевление средств химического анализа - всегда благо, но решение многих аналитических задач пока требует сложных и дорогих методов и приборов. К счастью, успехи ряда областей химии, физики, электроники, а также математики обеспечивают возможность создания средств анализа, всё более миниатюрных, недорогих и лёгких с точки зрения использования и в то же время сопоставимых по своим аналитическим характеристикам с современными инструментальными методами. Тест-системы, несомненно, могут быть отнесены к таким средствам. Потребность в тест-наборах весьма значительна. Уже создано много тест-систем разного типа и разного назначения, в основе которых лежат чувствительные и селективные химические реакции и результат анализа может быть получен либо визуально, либо путём простейших измерений (длина окрашенной зоны, число капель), либо с использованием миниприборов, также весьма простых в использовании. Хотя тест-методы используют в лаборатории, в частности для скрининга проб, наиболее целесообразно применять их во внелабораторных условиях (on-site), тем более что on-site анализ представляет собой важное и весьма перспективное направление химии.

Основными областями использования тест-систем являются или могут быть:

· контроль объектов окружающей среды, определение важнейших нормируемых компонентов в воде, почвенных вытяжках, воздухе (прежде всего в полевых условиях);

· контроль за качеством пищи, в том числе питьевой воды и напитков, главным образом с точки зрения наличия вредных веществ;

· анализ крови, мочи, пота для целей медицины, в том числе в домашних условиях;

· решение задач криминалистики, охраны порядка, военной сферы (наркотики, алкоголь, взрывчатые вещества, отравляющие вещества);

· контроль в промышленности, на транспорте, например обнаружение утечек газа;

· обучение химии, экологии и др. дисциплинам в школе и других учебных заведениях.

Тест-системы могут стать незаменимыми в критических ситуациях, когда нужно быстро определить состав воздуха, воды и др. объектов после взрыва, промышленной катастрофы или природного катаклизма. Тест-системы удобны для широкомасштабного обследования жилых и производственных помещений, например на пары ртути, формальдегида, фенола и др. вещества.

Для разработки надёжных, чувствительных и селективных тестов используют достижения классической аналитической химии (реакции и реагенты). Однако, ещё более важным является поиск новых подходов.

Научная новизна работы состоит в разработке высокоспецифичной твёрдофазной тест-системы для обнаружения ионов меди, никеля и кобальта в объектах окружающей среды на основе диэтилдииокарбамата свинца, диметилглиоксима и тиоцианата аммония, адсорбированных на твёрдом носителе. Тест-система отличается экспрессностью, доступностью и дешевизной.

Цель и задачи работы

Цель работы - разработка тест-системы для обнаружения ионов меди, никеля и кобальта в объектах окружающей среды.

Для достижения указанной цели предполагалось решить следующие задачи:

- получить носитель для определения ионов кобальта, никеля и меди методом модификации поверхности силикагеля;

- исследовать влияние концентрации определяемых ионов на длину окрашенной зоны;

- исследовать влияние массы сорбента на сорбционную ёмкость;

- исследовать влияние разноимённых ионов на специфичность тест-системы;

- проанализировав полученные экспериментальные данные, сформировать тест-систему для определения ионов кобальта, никеля и меди.

Глава I. Обзор литературы

1.1. Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

В современном мире химические тесты широко используются в экологической, промышленной, клинической или криминальной сферах и обеспечивают возможность простого и недорогого анализа - качественного, полуколичественного и количественного.

Тест - системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, лёгкие и дешёвые аналитические средства и соответствующие экспрессные методики для обнаружения и определения веществ без существенной пробоподготовки (иногда без отбора проб), без использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования, без самой лаборатории, без сложной обработки результатов, а также подготовленного персонала; в большинстве случаев применяют автономные средства однократного использования [1].

В книгах по истории химии можно найти множество примеров испытания веществ, которые приводились в сущности тест-методами. К тест-методам относится большое число химических методов качественного обнаружения веществ. Некоторые такие методы известны с незапамятных времён. Плиний Старший (23-79 гг. до н.э.) писал, что для обнаружения железа в уксусе римляне применяли экстракт дубильных орешков, которым пропитывали папирус. Этот же экстракт позволял отличать сульфат железа от сульфата меди; появление чёрной окраски говорило о присутствии железа, зелёной - о наличии меди. Обнаружение железа с помощью экстракта дубильных орешков использовали очень длительное время. В 17 веке Роберт Бойль, помимо экстракта дубильных орешков, применял также экстракт фиалки для идентификации кислот и щелочей: он зеленеет в щелочах. Этот учёный использовал также экстракты васильков и кошенили. Использовали и лакмус. Бойль заметил, что интенсивность чёрной окраски экстракта дубильных орешков при взаимодействии с железом зависит от содержания железа; это был прямой путь к колориметрическому анализу. Одним из самых старых и широко распространённых является способ определения содержания золота в сплавах и изделиях с помощью пробирного камня. Метод в его исходной (физической) форме описан ещё Теофрастом (372-287 гг. до н.э.) в его сочинении «О камнях». В средние века метод был значительно усовершенствован; в начале 16 в. для калибровки было введено использование 23 игл с различным содержанием золота. Гален (ок. 200-130 гг. до н.э.) использовал куриные яйца для грубого определения содержания солей, растворённых в воде, или, иначе, для определения плотности солёной воды. В 1767 г. Льюис получил лакмусовую бумагу и использовал её для обнаружения кислот и щелочей.

Общий принцип почти всех химических тест-методов - это использование аналитических реакций и реагентов в условиях и формах, обеспечивающих получение визуально наблюдаемого или легко измеряемого эффекта; это, например, интенсивность окраски бумаги или длина окрашенной части трубки. Реагенты и добавки используют в виде заранее приготовленных растворов (в ампулах или капельницах) или иммобилизованными на твёрдом носителе - бумаге, силикагеле, пенополиуретане и т.д. В качестве средств для тест-методов химического анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, индикаторные порошки и трубки, таблетки и др.

Тест-методы позволяют проводить широкий скрининг проб, например, объектов окружающей среды. Пробы, давшие положительный результат, отделяют от тех, что показали отсутствие компонента. В случае образцов, для которых результат был положителен, предполагается в случае необходимости и более глубокое изучение, в том числе в лаборатории с использованием дорогостоящих приборов.

Особое значение имеют тест-методы для анализа «на месте» (on site), вне лаборатории. Дело в том, что существуют огромные, острые потребности во вне лабораторном анализе. Вот неполный список областей, где такой анализ либо уже делается в широких масштабах, либо совершенно необходим и в той или иной мере начинается:

· Экспресс - контроль технологических процессов.

· Обнаружение метана в угольных шахтах.

· Обнаружение утечек природного газа из газопровода.

· Определение монооксида углерода и углеводородов в автомобильных выхлопах.

· Экспресс-анализ в поле для геологов - поисковиков.

· Быстрый анализ почв (рН, азот, фосфор, калий).

· Контроль пищевых продуктов на рынках.

· Обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей.

· Домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие качественные анализы клинического назначения.

· Оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем.

· Анализ воздуха в рабочей зоне и на улице.

· Контроль содержания озона в стратосфере.

· Обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках.

· Обнаружение боевых отравляющих веществ.

Анализ «на месте» имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам анализ (конечно, более дорогой). При анализе на месте обычно снижаются требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые средства анализа. Но главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, поскольку, например, изменяются формы существования компонентов.

Во многих случаях тест-методы используют для предварительной оценки наличия и содержания компонентов. В этом случае уместна методология скрининга. Очень удобны тест-системы для оценки обобщённых показателей изучаемого объекта, например химического потребления кислорода или суммы тяжёлых металлов в водах. По мере их совершенствования тест-методы всё в большой степени служат и будут служить единственным и окончательным средством анализа. Тест-средства анализа можно использовать для управления дозирующими устройствами, например, инсулиновым насосом для больных диабетом. Особую группу тест-средств составляют так называемые химические дозиметры, предназначенные для оценки суммарного определения количества вещества, появившегося в изучаемой среде за определённое время. На протяжении столетий, со времён алхимиков, химический анализ осуществлялся в лаборатории. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, например, печи, а затем и измерительные приборы. Это было связано с применением не всегда безвредных химических веществ, что требовало как минимум хорошей вентиляции. Это определялось длительностью, сложностью и трудоёмкостью операций разделения сложных смесей веществ. В значительной мере эти факторы действуют и в настоящее время, поэтому сотни тысяч, миллионы химических анализов проводятся аналитических лабораторий, причём теперь не только химических, но и физических и биологических. Так, любой исследовательский институт химического, геологического или металлургического профиля имеет аналитические лаборатории. То же самое можно сказать о любом химическом, нефтеперерабатывающем, фармацевтическом или металлургическом заводе. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов. В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находится анализируемый объект. Это одна из важнейших тенденций развития аналитической химии. Иллюстрацией этой тенденции могут служить создание нового журнала, освещающего проблемы внелабораторного анализа (Field Analytical Chemistry and Technology) или проведение с 1980 г. международных конференций по анализу «на месте».

Классификаций тест-систем для химического анализа может быть несколько в зависимости от выбранного классификационного признака.

В зависимости от выбранного классификационного признака Золотов Ю.А., Иванов В.М. [1] разделяют тест-системы следующим образом.

- По природе процессов, используемых для получения аналитического сигнала: тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические.

Физических методов немного, и они не играют большой роли в практике химического анализа.

Биохимические обычно основаны на использовании ферментов и иммуносистем. Выделенные природные ферменты, особенно иммобилизованные, в известной мере приобретают свойства химических реагентов, поэтому, несмотря на специфику ферментов как химических соединений (особенности происхождения, условия хранения, время сохранения активности) ферментные методы можно отнести к химическим.

Биологические методы базируются на использовании микроорганизмов, органов, тканей и даже высокоорганизованных организмов и целых популяций.

- По форме используемого тест-реагента. Это, прежде всего готовые растворы и «сухие реагенты», т.е. нанесённые на твёрдый носитель или просто порошки или таблетки самих реагентов. Ещё большее разнообразие предоставляют тесты на твёрдой матрице; самые известные примеры - индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, и индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании нужного газа.

Реагенты на носителях (матрицах) различаются природой носителя (целлюлоза, синтетические полимеры, силикагель и др.) и способом закрепления на носителях (адсорбционные, ковалентные).

Общие требования, предъявляемые к тестам, состоят в следующем:

· при оценке наличия нужного компонента предпочтительнее ошибочное «да», чем ошибочное «нет»;

· экспрессность;

· число операций, осуществляемых при тестировании, должно быть минимальным;

· при визуальной оценке границы раздела по-разному окрашенных зон должны быть чёткими, изменения окраски достаточно контрастными и т.д., т.е. следует сводить к минимуму возможность неоднозначного толкования результата.

Метрологический аспект, конечно, очень существенен для разработки, приготовления и использования тест-систем; результаты тестов должны быть достаточно надёжными даже в тех случаях, когда определяются малые количества веществ.

Страницы: 1, 2, 3, 4