Тест-системы для химического анализа

Реакции комплексообразования широко используют в многочисленных тест-методах на ионы металлов, реже - в методах определения органических веществ. Специфических реакций образования комплексных соединений почти нет, поэтому во многих тест-средствах предусматривается регулирование рН, использование маскирующих веществ и другие способы повышения селективности. Одним из широко используемых реагентов является дитизон. [2] Он образует окрашенные комплексы со многими ионами металлов; по устойчивости их можно расположить в ряд:

Ag>Hg>Pd>Pt>Au>Cu>Bi>In>Sn>Zn>Cd>Co>Pb>Ni>Fe(II)>Mg>Tl(I). Хотя дитизон является реагентом на 30 катионов, можно, используя зависимость реакции от рН, маскирующие реагенты и реакции вытеснения, проводить довольно селективное определение. Например, в сочетании с тиомочевинной и ацетатом натрия дитизон использован при получении индикаторных бумаг для определения суммы тяжёлых металлов, предел обнаружения 0,5 мг/л катиона.

1.5. Способы использования реагентов

Основными путями применения аналитических реагентов в тест-системах являются:

1) их используют в виде заранее приготовленных и фасованных растворов;

2) они иммобилизованы на твёрдую матрицу (носитель);

3) их используют в форме заранее взвешенных и упакованных доз в виде порошков, шариков, таблеток и т.д.

При использовании готовых растворов изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течении длительного времени. Концентрация реагентов соответствует ожидаемой концентрации определяемого компонента; часто в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда раствор содержит не только сам реагент, но также другие необходимые вещества.

Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества - восстановители или окислители, буферы, маскирующие агенты, смачивающие соединения, закрепители и др.

Например, один из вариантов реактивных бумаг для определения меди в воде готовят из фильтровальной бумаги, которую вначале пропитывают растворов восстановителя (гидрохлорид гидроксиламина, аскорбиновая кислота или их смесь) для восстановления меди (II) до меди (I), какую-либо слабую кислоту, затем после сушки обрабатывают органическим раствором аналитического реагента на медь (I) (купроин, неокупроин, батокупроин) вместе с эмульгатором. Можно вводить ещё смеси Na2B4O7 - H3BO3 или H2CO3 - NH3 , которые увеличивают чувствительность определения меди [1].

Вероятно, несколько большее распространение имеют тест-средства, приготовленные на твёрдом носителе - на бумаге, ткани, на синтетических органических полимерах, силикагеле и др. Природа носителя, способ его приготовления и способ иммобилизации реагентов на нём имеют весьма существенное значение. Реагент иммобилизуют адсорбцией, испарением растворителя после импрегнирования раствором реагента в этом растворителе, другими физическими методами или химической - ковалентной - иммобилизацией. Относительно слабая фиксация «физически» закреплённых реагентов на поверхности носителя и, как следствие этого, частичное смывание его при контакте с раствором являются основным недостатком таких тест-систем. Увеличения прочности связывания реагента с носителем добиваются образованием химических связей между ними (химическая иммобилизация). Однако «физическое» закрепление, как правило, намного проще, поэтому оно весьма широко распространено.

Одними из наиболее распространенных неорганических полимерных носителей реагентов являются силикагели.. Их модифицирую различными реагентами и часто наполняют ими тест-трубки для анализа воздуха. Например, для определения метанола и этанола в воздухе, химического потребления кислорода в воле используют оксид хрома (VI) в среде серной и фосфорной кислот [3,4]; для определения SOi в воздухе использован бромкрезоловый зеленый [5].

Силикагель (силохром С-120) в виде таблеток с иммобилизованным 4-(2-пиридилазо)резорцином (ПАР), 4-(2-тиазолилазо)резорцином (ТАР) или 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН) предложен для определения Со, Hg, Pd и U с нижней границей определяемых содержаний 0,003-0,1 мг/л [6,7].

1.6. Средства и приёмы анализа объектов окружающей среды

Основными средствами тестирования воды, водных растворов и других жидких сред являются бумажные индикаторные полоски, индикаторные трубки, таблетки и простейшие устройства для тестирования. Однако известны и другие средства. Применяемые процедуры зависят, естественно, от типа средств.

1.6.1. Бумажные полоски и их аналоги

Разнообразием способов изготовления тест-устройств и определения концентрации с их помощью отличаются тест-системы, в которых аналитический реагент иммобилизован на твёрдых носителях, особенно на целлюлозных бумагах. Содержание компонентов определяют по тону или интенсивности окраски, возникающей после контакта носителя с исследуемой жидкостью, путём сравнения её с цветной шкалой, либо по площади окрашенной или обесцвеченной зон индикаторных бумаг.

1.6.2. Индикаторные порошки

Индикаторные порошки представляют собой либо смеси необходимых реагентов для определения веществ, либо сыпучие материалы, на которых иммобилизованы реагенты. Они могут быть помещены в приборы для тестирования, представленные на рисунке 1. В первом случае концентрацию определяют по интенсивности окраски жидкости после внесения индикаторного порошка и его растворения в анализируемом растворе. Во втором случае индикаторный порошок вносят в пробу, перемешивают и определяют концентрацию по интенсивности окраски порошка [8].

Рисунок 1 - Приборы для тест-определений с использованием индикаторных порошков

1-колориметрическая трубка

2- анализируемый раствор

3- индикаторный порошок

Использование индикаторных порошков позволяет сочетать сорбционное концентрирование определяемого компонента из разбавленных растворов с его визуальным определением на поверхности. Высокая прозрачность индикаторных порошков обеспечивает высокую чувствительность определения. Установлено, что с увеличением удельной площади поверхности чувствительность определения возрастает.

1.6.3. Индикаторные трубки

Стеклянные индикаторные трубки (рисунок 2) заполняют носителем с закрепленным на нем реагентом. Через трубку пропускают определенный объем анализируемой жидкости; это можно делать с помощью шприца, за счет гидростатиче-ского давления или за счет капиллярных сил, опустив трубку в анали-зируемую жидкость и подождав, когда жидкость поднимется до конца заполняющего трубку слоя сорбента. В результате взаимодействия между закрепленным реагентом и аналитом образуется соединение, имеющее окраску, отличную от окраски слоя сорбента. Длина окрашенной зоны зависит от концентрации аналита.

Рисунок 2 - Способы определения концентрации с помощью индикаторных трубок

а - с принудительным пропусканием анализируемой жидкости;

б - методом погружения и поднятия жидкости за счет капиллярных сил;

в - методом погружения с исполь-зованием гидростатического давления:

1 -- анализируемая жидкость;

2 -- индикаторная трубка;

3 -- окрашенная зона сорбента.

Объем анализируемого раствора, пропущенного через индикаторную трубку, определяют по формуле [9,10]:

, где

-- длина и радиус капилляра с индикаторным порошком;-- длина и радиус дополнительной пластиковой трубки.

Относительная длина окрашенной зоны (R) индикаторного порошка зависит от объема пропущенного анализируемого раствора:

,

где S - длина окрашенной зоны тест-трубки.

Для получения индикаторных порошков использованы [11,12,13] нековалентная иммобилизация аналитических реагентов на обращенно-фазовых силикагелях и их включение в ксерогели кремниевой кислоты. Сформулированы требования к аналитическим реагентам, пригодным для использования в методе индикаторных трубок: контрастность реакции, высокая скорость взаимодействия с определяемым компонентом, прочное удерживание реагента и продукта реакции индикаторным порошком, чувствительность и селективность. Изучено влияние режима ввода анализируемого раствора в индикаторную трубку, физико-химических характеристик индикаторных порошков, длины и внутреннего диаметра трубок, рН раствора на длину окрашенной зоны.

Таким образом, использование индикаторных порошков и трубок, как техническое средство при создании тест-систем может упростить и удешевить химический анализ. В этой связи является актуальным разработка новых тест-методов анализа, отличающихся селективностью, чувствительностью и экспрессностью.

1.7. Тест-системы определения металлов в объектах окружающей среды

В качестве объектов окружающей среды рассматриваются вода и почва. Существует множество приёмов тестирования вод различного происхождения и поэтому с разным содержанием загрязнителей - поверхностных пресных, морских, питьевых, подземных различной минерализации, сточных вод разнообразных производств. При выборе реакции для тестирования и тест средства необходимо учитывать предел обнаружения, а также возможное содержание других компонентов. При анализе почв определяют только загрязняющие компоненты. Обычно используют вытяжки из почв растворами, выбранными в соответствии с поставленной задачей тестирования.

Быстро оценить качество исследуемого объекта позволяют обобщённые показатели, такие как рН, кислотность, щелочность, суммарное определение тяжёлых металлов, общее содержание углерода и др. Так в работах Амелина В.Г. [14] описана процедура изготовления индикаторных бумаг для определения жёсткости воды, прежде всего обусловленную наличием кальция и магния, по длине окрашенной зоны тест-полосы, либо по интенсивности окраски индикаторных бумаг после пропускания через них определённого объёма исследуемой жидкости. Основой такой тест-системы является целлюлозная бумага, пропитанная водными растворами 0,5-0,8 г/л эриохромового чёрного Т или эриохромового сине-чёрного Р, 5-8 г/л тетрабората натрия и 0,3-0,4 г/л комплексоната магния, который вводят для более чёткого перехода окрасок указанных реагентов в присутствии ионов кальция. Ионы щелочноземельных металлов изменяют цвет бумаги из синей в вишнёвую. Образующиеся комплексы ионов кальция и магния с ЭХЧТ хорошо адсорбируются на целлюлозной бумаге и не вымываются при пропускании через них до 20 мл воды. Время анализа составляет 10-15 мин. Диапазоны определяемых суммарных содержаний ионов щелочноземельных металлов составляют 0,05-40 мМ, длина окрашенной зоны 1-70 мм.

Halamex E., Prikryl F. [15] предложили метод суммарного определения тяжёлых металлов [Cu (II), Co, Ni, Cd, Zn, Pb, Mn (II)] с помощью индикаторных трубок в питьевых, сточных, природных водах и атмосферных осадках. В основу определения положена цветная реакция взаимодействия ионов металлов с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом, нековалентно иммобилизованным гидрофобизованном силикагеле. Тест-средство представляет собой стеклянную трубку (длина -50 мм, внутренний диаметр- 2 мм), заполненную индикаторным порошком. Измеряют длину окрашенной в фиолетовый цвет зоны и определяют содержание металлов с помощью шкалы длин или по уравнению градуировочного графика. Диапазон определяемых содержаний составляет 0,01-1мМ. Воспроизводимость и правильность методики проверена методом «введено-найдено» и анализом стандартных растворов суммы металлов.

Запатентована методика экспрессного определения 0,05-0,9 мг/л меди в жидкостях с использованием иминодиацетатной смолы (ИС) и диэтилдитиокарбамината натрия в качестве хелатообразующего реаген-та [16]. Анализируемый раствор (50-200 мл) с рН 2-7 пропускают со ско-ростью 0,08-0,33 мл/с через стеклянную трубку, заполненную 15 мг ИС с размером частиц 0,3-1 мм. Концентрацию меди в диапазоне 0,5-10 мг/л определяют сравнением интенсивности полученной коричневой окраски с градуировочной шкалой.

Для определения меди (II) в сточных, природных и питьевых водах, атмосферных осадках, технологических растворах, озолятах пищевых продуктов, биологических жидкостях предложены индикаторные трубки [17]. Тест-средство представляет собой сте-клянную трубку (длина -- 50 мм, внутренний диаметр -- 1--2 мм), заполненную индикаторным порошком. При пропускании анализируемой пробы через трубку с помощью медицинского шприца в трубке возникает окрашенная зона. Дли-на окрашенной зоны пропорциональна концентрации меди. Эту концентрацию определяют с помощью шкалы длин или уравнения градуировочного графика. В основу определения положена цветная реакция взаимодействия меди (II) с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом, включенным в состав индикаторного порошка. Высокая селективность определения достигается за счет проведения реакции в кислой среде.

Диапазон определяемых содержаний 0,06--0,3 мг/л для трубок с внутренним диаметром 1,0 мм, 0,12-0,4 мг/л для трубок с внутрен-ним диаметром 2,0 мм. Определению не мешают кратные количества К, Na, (1 * 104), Са (300), Mg (75), Pb (50), Ni (40), Zn (30), Al (25), сопоставимые количества Mn(II) и Co(II). Воспроизводимость и правильность методики проверена анализом стандартного образца суммы металлов и методом «введено -- найдено».

Определение никеля с помощью таблеток на основе пенополиурета-на [18]. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки содержания никеля в природных водах. Метод основан на сорбции никеля из аммиачного буферного раствора таблеткой пенополиуретана, модифициро-ванной диметилглиоксимом в присутствии пластификатора. О наличии никеля судят по изменению окраски таблетки пенополиуретана из белой в розовую; содержание никеля определяют, сравнивая визуально интенсивность окрас-ки таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определять никель в диапазоне от 0,2 до 4 мг/л.

Селективность методики характеризовали предельным соотно-шением сопутствующее соединение: никель, при котором погрешность опре-деления не превышает 15 %. Определению 1 мг/л никеля не мешают в крат-ных количествах Са, Mg, ацетат, тартрат (5•103), фторид (103), оксалат (500), Cu(II), Zn(II), Cd(II), Cr(II), Fe(III), гидрофосфат (100), Pb(II) (10), Со(II).

Тест-средство позволяет провести скрининг проб воды на наличие никеля и дать положительный ответ о его присутствии в том случае, если его содержание превышает 0,1 мг/л.

Правильность разработанной методики подтверждена анализом стандартного образца воды ГСОРМ-2, содержащего по паспорту по 1 мг/мл Со, Ni, Sr, Сu, Сг, Fe и разбавленного в 1000 раз. Найдено никеля: 1,03 ±0,06 мкг/мл (n = 6, sr = 0,05).

Великородный А.А. и Морсанова Е.И. [19] предложили тест на цинк с использованием полиуретановых пенопластов с закрепленным на них дитизоном. Кубик полиуретана с длиной ребра 4 мм встряхивают с 1-2 мл анализируемого раствора при рН 6,2 в течение 1-2 мин. Изменение красного цвета сравнивают со шкалой из кубиков. Предел обнаружения цинка 0,05 мг/л.

Было предложено [20,21] определение кобальта с помощью таблеток на основе пенополиуретана. Тест-средство предназначено для качественной и полуколичественной оценки концентрации кобальта в природных водах. Метод основан на сорбции голубых тиоцианатных комплексов таблеткой пенополиуретана. О наличии кобальта судят по изменению окраски таблетки пенополиуретана из белой в голубую; содержание кобальта определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определять кобальт в диапазоне от 0,1 до 4 мг/л. Селективность методики характеризовали фактором селективности, т.е. предельным соотношением сопутствующее соединение: кобальт, при котором погрешность определения не превышает 15%. Определению кобальта не мешают в кратных количествах Cr (III), Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Tl, Cu (II), Cd (II), Hg (II), Pb (II), Fe (III), Zn (II).

В результате анализа литературных данных нами сделаны выводы об актуальности разработки и построения тест-систем, отличающихся специфичностью и дающих возможность сократить время анализа и исключить дорогостоящее оборудование.

Страницы: 1, 2, 3