ХНС

Відповідно до іншої класифікації методи визначення ділять:

I. Хімічні методи – ґрунтуються на хімічних, зокрема електрохімічних реакціях. Аналізовану пробу піддають хімічній взаємодії з аналітичним реагентом.

II. Фізико-хімічні методи.

III. Фізичні методи. Ґрунтуються на фізичних явищах і процесах (наприклад, взаємодія речовини з потоком енергії).

IV. Біологічні методи – ґрунтуються на явищі життя.

Ця класифікація достатньо умовна. Так, фотометричні методи можуть бути і фізико-хімічними і чисто фізичними. В ядерно-фізичних методах іноді важливу роль відіграють хімічні операції (радіохімічні методи). Друга і третя групи методів об'єднуються під загальною назвою

інструментальні методи аналізу.

1.2. Вчення про аналітичний сигнал. Біо- і хемосенсори

Будь-який з методів аналізу використовує певний сигнал, який в даних умовах дають конкретні елементарні об'єкти.

Аналітичний сигнал – це будь-який прояв хімічних або фізичних властивостей речовини, який можна використовувати для встановлення якісного складу аналізованого об'єкту або для кількісної оцінки компонентів, що містяться в ньому.

Це фундаментальна характеристика речовини, така як заряд ядра атома, атомна маса та ін. Аналітичний сигнал – носій як якісної, так і кількісної інформації.

Класифікація аналітичних сигналів: 1. Фізичні сигнали.

Наприклад, випромінювання або поглинання світлового випромінювання речовинами при високих температурах. В результаті цього спостерігається спектр. Положення лінії в спектрі, яке можна

охарактеризувати довжиною хвилі λ або частотою ν, вказує на присутність того або іншого елементу. Наприклад, попадання кухонної солі на газовий пальник вдома на кухні веде до забарвлення полум'я в жовтий колір. Довжина хвилі світла є якісною інформацією і свідчить про наявність в кухонній солі натрію. В той же час інтенсивність лінії випромінювання (I) дає інформацію про кількість аналіту. До фізичних аналітичних сигналів відносяться плавлення речовини (характеристика – tпл), кипіння (tкип), обертання площини поляризації світла (показник заломлення) і ін.

2. Хімічні сигнали.

11

Наприклад, випадання осаду – це якісний аналітичний сигнал, а його маса – це кількісний сигнал. До хімічних сигналів відносяться також зміна кольору, виділення газу, зміна температури розчину і ін.

Приведемо приклади хімічних аналітичних сигналів: Pb2+ + 2I– Ù PbI2↓ – випадає жовтий осад;

Co2+ + 4SCN– Ù [Co(SCN)4]2– – поява блакитного забарвлення розчину в присутності етанолу. Тобто для прояву окремих сигналів необхідно створювати особливі умови.

Fe3+ + 4SCN− Ù [Fe(SCN)4]– – криваво-червоне забарвлення розчину. Іноді аналітичний сигнал не проявляється або зникає в присутності деяких речовин. Наприклад, якщо додати до криваво-червоного розчину

роданідного комплексу заліза фторид-іони, відбудеться знебарвлення: [Fe(SCN)4]− + 6F− Ù FeF63− + 4 SCN−

Не з'явиться також червоне забарвлення розчину, якщо перед додаванням роданіду амонію в розчин солі заліза(III) ввести фосфат-іони. Це явище подавлення аналітичного сигналу називається маскуванням.

Сигнал, який відрізняється від інших високою селективністю, отримано при визначенні нікелю(П) за допомогою органічного реактиву, запропонованого в 1905 р. Л.О. Чугаєвим. Хімічний реактив називається

диметилгліоксим (позначається H2Dm) або реактив Чугаєва:

Ni2+ + 2H2Dm + 2NH3 Ù Ni(HDm)2↓ + 2NH4+ – утворюється осад диметилгліоксимату нікелю(П) яскраво-червоного кольору.

3. Біологічні сигнали.

Ці аналітичні сигнали часто використовують для загального токсикологічного контролю об'єктів навколишнього середовища, тобто для біотестування. До біологічних сигналів відносяться:

–швидкість споживання кисню мікроорганізмами;

–зміна фотосинтетичної активності і флуоресценції водоростей;

–зміна рухової активності, частоти дихання і серцебиття дафній;

–зміна статичного стану медичної п'явки на динамічне і ін. Біологічні аналітичні сигнали часто використовують в моніторингу. Моніторинг – спеціальна інформаційно-аналітична система

спостереження, контролю і оцінки стану природного середовища. На основі біологічних сигналів сконструйовано біосигналізатори токсичності СБ-1, СБР-1. Пристрій складається з робочих акваріумів з рибами і електродами, фотодатчиків, що фіксують перехід риб з однієї зони в іншу. Якщо контрольована вода не токсична, риби не йдуть із зони надходження води. Якщо у воді містяться токсиканти, то риби переходять в безпечну зону акваріума, куди додатково подається чиста вода. Сигнал про токсичність подається у разі переходу не менш 3-х риб з п'яти за даний проміжок часу (5-25 хвилин). Щоб риби не адаптувалися до низьких концентрацій токсикантів, акваріуми по черзі змінюють.

12

Безперервний біоконтроль здійснюють за допомогою біосигналізатора, сконструйованого на основі акваріуму, в якому розміщено 10 молюсків, стулки раковин яких сполучені з датчиками переміщення, що формують дискретні сигнали, відповідні двом положенням стулок “відкрито” або “закрито”. Сигнал про токсичність води, що подається до акваріуму, формується при одночасному закриванні стулок раковин не менше, ніж у 70% молюсків. Біологічний аналітичний сигнал – складне поняття, для нього характерна властивість адаптивності.

Одним з нових напрямів в аналітичній хімії є використання мікроелектроніки і комп'ютерів. Цей напрям включає розробку хемо- і біосенсорів. Хімічний сенсор – це невеликий пристрій, здатний безперервно визначати концентрацію хімічних складових в рідинах або газах і перетворювати цю інформацію на електричний або оптичний сигнал в режимі реального часу, як це показано на рис. 1.1:

Відгук

сенсора

Час Рис. 1.1. Зміна сигналу сенсора в часі

Біосенсори - це безреагентна система, що містить специфічну до визначуваної речовини поверхню, покриту біомолекулами, що розпізнають молекулярні ділянки або їх аналоги. Біосенсори можна порівняти з біорецепторами (датчиками живого організму), які перетворюють всі типи сигналів з навколишнього середовища в електричні. В основі біосенсорів лежать ферменти – біологічні каталізатори. Фермент каталізує тільки один тип реакцій або тільки одну реакцію взагалі.

Наприклад, візьмемо датчик кисню (спеціальний кисневий електрод Кларка). Покриємо його плівкою, що містить фермент глюкозооксидазу, і опустимо в аналізований розчин. У присутності кисню можливе

глюкозоксидаза

Чим більше глюкози в розчині, тим більше кисню витрачається і тим менше струм в ланцюзі. Ніяку іншу речовину, окрім глюкози, цей датчик не визначає. Тобто можна обстежувати хворих на цукровий діабет. Замість датчика можна взяти іоночутливий транзистор. Принцип той самий, але головна перевага такого біосенсора – невеликі габарити і

13

багатофункціональність. Так, в Японії виготовляють багатоканальний сенсор на сечовину, глюкозу і калій розміром всього 2×6×0,4 мм. Зараз чисті ферменти в біосенсорах не застосовують, а використовують препарати тканин багатоклітинних рослин і тварин. Адже вони теж містять ферменти, але отримувати їх набагато простіше і дешевше. Наприклад, концентрацію аскорбінової кислоти в пробі можна визначити за допомогою електроду на кисень, нанизавши на нього шматочок свіжого огірка або гарбуза – джерела ферменту аскорбіноксидази. Зараз відомі сенсори на десятки речовин.

Другий напрям – це реалізація цілих аналітичних схем в межах мікроелектронного плоского чіпа (мікросхеми). Ідея була висловлена Террі в 1979 році. Вона обіцяла перспективу істотного здешевлення аналізу. Недавно описана мініатюризована схема загального хімічного аналізу для контролю об'єктів навколишнього середовища. В межах однієї мікросхеми здійснюється підготовка проби, розділення компонентів, подальша реєстрація (все – автоматично). На кремнієвій або скляній пластинці методами фотолітографії або нарощування плівок наноситься потрібна система комунікацій. Наприклад, для електрофоретичного визначення використаний капіляр діаметром 10-30 мкм довжиною 9,6 см, на якому реалізується 70 тис. теоретичних тарілок (метод капілярного електрофорезу, що інтенсивно розвивається).

Пошук нових аналітичних сигналів продовжується. Так, на кафедрі аналітичної хімії Донецького національного університету професором Шевчуком І.О. було відкрито новий аналітичний сигнал. При кристалізації з органічних розчинників трибензиламін і інші органічні речовини утворюють ритмічні і хвилеві структури, характерні для кожного розчинника і речовини. Утворення хвильових кристалізаційних структур відбувається спонтанно при випаровуванні розчинника. У розчинах трибензиламіну в органічних розчинниках утворюється до 50 центрів кристалізації на 1 мм2. При випаровуванні розчинника навколо центрів кристалізації утворюються концентричні кола. Зовнішні хвилі від різних центрів кристалізації стикаються одна з одною. Залежність відстані між концентричними колами від концентрації трибензиламіну С має лінійний характер l=kС+b. Цей сигнал ґрунтується на явищі ритмічної самоорганізації асоціатів і мікрокристалів.

1.3. Властивості аналітичного сигналу

Аналітичні сигнали можна зобразити графічно. Зобразимо сигнали 4- х елементарних об'єктів (рис. 1.2).

При певних значеннях величини х, що є константами для даної речовини (tкип, tпл, λ), з'являються аналітичні сигнали. Компоненти 1 і 2 дають роздільні сигнали, які можуть бути використані для їх якісного

14

виявлення (по величині х) або для кількісного визначення по величині у. Сигнали компонентів 3 і 4 перекриваються, тому якісне виявлення і кількісне визначення неможливі. Один компонент заважає виявленню іншого. Говорять, що сигнали 1 і 2 специфічні, а сигнали 3 і 4

неспецифічні.

x

Рис. 1.2. Сигнали чотирьох різних елементарних об'єктів:

y – інтенсивність аналітичного сигналу (маса осаду, інтенсивність випромінювання світла і ін.); x – змінна величина, постійна для даного елементарного об'єкту, тобто його якісна характеристика (довжина хвилі світла, що випромінюється, температура плавлення і ін.)

Рис. 1.2 ілюструє першу властивість аналітичного сигналу –

специфічність.

Якщо сигнали неспецифічні, то їх селективність (специфічність) можна підвищити наступними прийомами.

1. Маскування. Після маскування і виявлення визначуваного компонента створюють умови, в яких компонент знову дає сигнал, – демаскують цей компонент. Наприклад, у разі маскування сигналу іона Fe(III) в присутності фторид-іонів способом демаскування може бути

підкислення розчину з подальшим видаленням леткої HF: F– + H+ HF↑

кип’ятіння

2.Попереднє розділення визначуваного компонента та компонента, що заважає.

3.Використання іншого методу (або сигналу).

Зобразимо аналітичний сигнал в інших координатах (рис. 1.3). Інтенсивність аналітичного сигналу у залежить від кількості n елементарних об'єктів, що викликають цей сигнал (це може бути концентрація С, кількість молей ν, масова частка ω і т.д.).

15

виповнити один раз). У відносних методах параметри градуювальної функції (коефіцієнт чутливості та сигнал фону) слід кожен раз визначати експериментально наново. Методи, що основані на фізичних явищах, як правило, є відносними і потребують градуювання.

Зменшення кількості елементарних об'єктів, що викликають аналітичний сигнал, спричиняє зменшення інтенсивності сигналу. Якщо інтенсивність нижча за якесь визначене і характерне для даного методу значення, у ряді паралельних дослідів сигнал вдається зміряти, а в інших – ні. Говорять, що в таких умовах аналітичний сигнал упевнено виявити не можна. Цьому положенню на рис. 1.5 відповідають інтенсивності сигналу в заштрихованій області.

y

Рис. 1.5. Визначення межі виявлення сигналу

Нижче за цю область виявлення не вдається ні в одному з паралельно проведених дослідів. Верхня межа заштрихованого інтервалу визначає величину межі виявлення. Межа виявлення – це третя властивість аналітичного сигналу.

Межа виявлення – це найменша концентрація Смін (або nmin), яку можна виявити з довірчою імовірністю Р:

де yмін – граничне значення аналітичного сигналу, яке ще можна виміряти на даному приладі; yхол – середнє значення цього параметру в

холостому досліді; S – коефіцієнт чутливості. Для оцінки yмін використовують статистичні критерії – k (коефіцієнт, який характеризує довірчу імовірність) та Sхол (стандартне відхилення холостого досліду):

yмін = yхол + k· Sхол

Коефіцієнт k приймають рівним 2, 3 і вище (зазвичай 3). Чим більше значення k, тим вище межа надійного виявлення сигналу.

Значення межі виявлення залежить від:

1. Величини чутливості S – чим більше чутливість, тим краще (тобто менше) межа виявлення (рис. 1.6).

17

З погляду теорії аналітичного сигналу при класифікації аналітичних методів характер процесу, що обумовлює виникнення аналітичного сигналу, повинен грати першорядну роль.

На цій основі методи аналізу можна розділити на хімічні, електрохімічні, спектроскопічні і радіохімічні (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Класифікація методів аналізу

19

1.4.Способи визначення концентрації речовин

1.Метод градуювального графіка. В координатах інтенсивність аналітичного сигналу y – вміст компонента С з використанням стандартних розчинів або зразків порівняння з точно відомим вмістом визначуваного

компонента будують градуювальний графік, за яким потім визначають Сх – концентрацію компонента в аналізованому розчині або зразку (рис. 1.8).

y

yх

Сх C

Рис. 1.8. Градуювальний графік 2. Метод стандартів (може бути застосований тільки для лінійної

градуювальної функції).

Вимірюють аналітичний сигнал в зразку порівняння (еталонному зразку) з відомим вмістом компонента і в аналізованій пробі.

yст = S·Ccт yx = S·Cx,

де S – чутливість методу. Звідси

C= Cст yx

xyст

3.Метод добавок – дозволяє врахувати вплив матриці (може бути

застосований тільки для лінійної градуювальної функції). У цьому випадку градуювальну функцію будують не окремо від зразку, використовуючи серію спеціально приготовлених розчинів різної концентрації, а безпосередньо додають відомі кількості визначуваного компонента для окремих порцій розчину зразку.

3.1. Розрахунковий. Беруть 2 аліквоти розчину аналізованої проби. В одну з них вводять добавку визначуваного компонента відомого вмісту. Вимірюють величину аналітичного сигналу в розчині без добавки і з добавкою.

20