Рис.1.Классификацияметодов анализа

Кроме трех основных групп, существуют гибридные методы. На рис.1. они не показаны. В гибридных методахразделение, идентификация и определение компонентов органично сочетаются в одном приборе (или в едином приборном комплексе). Важнейшимиз таких методов является хроматографический анализ. В специальном приборе (хроматографе) компоненты исследуемой пробы (смеси) разделяются, поскольку они с разной скоростью двигаются сквозь колонку, заполненную порошком твердого вещества (сорбента). По времени выхода компонента из колонки судят о его природе и таким образом опознают все компоненты пробы. Вышедшие из колонки компоненты по очереди попадают в другую часть прибора, где специальное устройство – детектор - измеряет и записывает сигналы всех компонентов. Нередко тут же проводится автоматическое отнесение сигналов тем или иным веществам, а также расчет содержания каждого компонента пробы. Понятно, что хроматографический анализ нельзя считать только методом разделения компонентов, или только методом количественного определения, это именногибридный метод.

1.4. Методики анализа и требования к ним

Не следует путать понятия метода и методики .

Методика- это четкое и подробное описаниетого, как следует выполнятьанализ, применяянекоторый метод для решения конкретной аналитической задачи.

Обычно методика разрабатывается специалистами, проходит предварительную проверку и метрологическую аттестацию, официально регистрируется и утверждается.В названии методики указывают используемый метод, объект определенияи объект анализа

Чтобы подобрать оптимальную (лучшую) методику, в каждомслучае надо учитывать целый ряд практических требований.

1. Точность . Это главное требование. Оно означает, что относительная или абсолютная погрешность анализа не должна превышать некоторого предельного значения

2. Чувствительность . Этим словом в разговорной речи заменяютболее строгиетермины “предел обнаружения” и “нижняя граница определяемых концентраций ”. Высокочувствительные методики - это те, по которым мы можем обнаружить и определить компонент даже при низком его содержании в исследуемом материале. Чемниже ожидаемое содержание, тем более чувствительная методика требуется.

3. Селективность (избирательность). Важно, чтобы на результат анализа не оказывали влияниепосторонние вещества, входящие в состав пробы.

4. Экспрессность . Речь идет о продолжительности анализа одной пробы - от пробоотбора до выдачи заключения. Чем быстрее будут получены результаты, тем лучше.

5.Стоимость. Эта характеристика методики не требует комментариев. В массовом масштабе могут применяться лишь относительно недорогие анализы. Стоимость аналитического контроля в промышленностиобычно не превышает 1% стоимости продукции. Очень дорого стоят уникальные по своей сложности и редко выполняемые анализы.

Существуют и другие требования к методике -безопасность выполнения анализа, возможность проводить анализ без непосредственного участия человека,устойчивость результатов к случайным колебаниямусловий, и т.п.

1.5. Основные стадии (этапы) количественного анализа

Методику количественного анализа можно мысленно разделить на несколько последовательных стадий (этапов), причем практически любая методика имеет одни и те же стадии. Соответствующая логическая схема анализа показана на рис.1.2.Основнымиэтапами при проведении количественного анализа являются: постановка аналитической задачи и выбор методики, пробоотбор , пробоподготовка , измерение сигнала, расчет и оформлениерезультатов .

Постановка аналитической задачи и выбор методики. Работа специалиста-аналитикаобычно начинается с получения заказа на проведение анализа. К появлению такого заказа обычно приводит профессиональная деятельность других специалистов, возникновение какой-то проблемы . Такой проблемой может быть, например, постановка диагноза, выяснение причины брака в ходе производства некоторой продукции,определение подлинностимузейного экспоната,возможность присутствия некоторого токсичного вещества в водопроводной воде и т.п. На основе информации, полученной от специалиста (химика-органика, инженера-технолога, геолога, врача-стоматолога, следователя прокуратуры, агронома, археолога и т.п.), аналитик должен сформулировать аналитическую задачу . Естественно, надо учесть возможности и пожелания «заказчика». Кроме того, надо собрать дополнительную информацию (прежде всего о качественном составе того материала, который придется анализировать).

Постановка аналитической задачи требует очень высокой квалификации аналитика и является наиболее трудной частью предстоящего исследования. Недостаточно определить, какой материал придется анализировать и что именно надо в нембудет определять. Надо понять, на каком концентрационном уровне придется вести анализ, какие посторонние компоненты будут присутствовать в пробах,как часто надо будет проводить анализы, сколько времени и средств можно будет затратить на один анализ, можно ли будет доставлять в лабораторию пробы или придется выполнять анализ непосредственно «на объекте», не возникнут ли ограничения по массе и воспроизводимости свойствисследуемого материала и т.п. Асамое главное, надо понять:какую точность результатов анализа надо будет обеспечить и каким образомможно будетдобиться такой точности!

Четко сформулированная аналитическая задача является основой для выбора оптимальной методики. Поиск ведут, пользуясь сборниками нормативных документов (в т. ч. стандартных методик), справочниками,обзорами по отдельным объектам или методам. Например, если собираются определять фотометрическим методом содержание нефтепродуктов в сточной воде, то просматривают монографии, посвященные,во-первых, фотометрическому анализу, во-вторых, методам анализа сточных вод,в-третьих, разнымспособам определения нефтепродуктов. Существуют серии книг, каждая из которых посвящена аналитической химии какого-либо элемента. Выпущены руководства по отдельным методам и по отдельным объектам анализа. Если в справочниках и монографияхподходящих методик найти не удалось,поискпродолжают, пользуясь реферативными и научными журналами, поисковыми системами Интернета, консультациями специалистов и т. п. После отбора подходящих методик выбирают ту, что наилучшим образом отвечает поставленной аналитической задаче.

Нередко длярешения конкретной задачине только несуществует стандартных методик, но и вообще нет ранее описанных техническихрешений (особо сложные аналитические задачи, уникальныеобъекты). С такой ситуациейчасто приходится сталкиваться при проведении научных исследований.В этихслучаяхприходитсяразрабатывать методику анализа самостоятельно. Но, выполняя анализы по собственной методике, следует особо тщательно проверятьправильность получаемых результатов.

Отбор пробы. Разработать метод анализа, который позволял бы измерять концентрацию интересующего нас компонента непосредственно в исследуемом объекте, удается довольно редко. Примером может быть датчик содержания углекислого газа в воздухе, который устанавливают в подводных лодках и в других замкнутых помещениях.Гораздо чаще из исследуемого материала отбирают небольшую часть - пробу - и доставляют еедля дальнейшего исследования ваналитическую лабораторию. Проба должна быть представительной (репрезентативной), то есть ее свойства и состав должныприблизительно совпадать со свойствами и составом исследуемого материала в целом.Для газообразных и жидкихобъектов анализавзять представительную пробу довольно легко, поскольку они гомогенны. Надо лишь правильно выбрать время и место отбора. Например, при отборе проб воды из водоемовучитывают, что водаповерхностного слоя отличается по своему составу от воды из придонного слоя, вода вблизи берегов загрязнена сильнее,составречной водыв разное время годы неодинаков и т.п. В больших городахпробы атмосферного воздуха отбирают с учетом направления ветра и размещения источников выброса примесей. Пробоотбор не вызывает проблем и в том случае, когда исследуются чистые химические вещества, даже твердые, или однородные мелкодисперсные порошки.

Гораздо труднее правильно отобрать представительную пробунеоднородного твердого вещества (почвы, руды, угля, зерна и т.п.). Если взять пробы почвыв разных местах одного и того же поля, или с разной глубины,или в разное время - результаты анализа однотипных проб окажутся неодинаковыми. Они могут отличатьсяв несколько раз, особенно если сам материал был неоднороден, состоял из частиц разного состава и размера.

Дело осложняется тем, что пробоотбор зачастую проводит не сам аналитик, а недостаточно квалифицированные работники или, что гораздо хуже, - лица,заинтересованные в получении определенного результата анализа. Так, в рассказах М.Твена и Брет Гарта красочно описано, как перед продажей золотоносного участкапродавец стремился выбирать для анализа кусочки породы с явными вкраплениями золота, а покупатель -пустую породу. Не удивительно, что результаты соответствующих анализов давали противоположную, но в обоих случаях неправильнуюхарактеристику исследуемого участка.

Для обеспечения правильности результатов анализа для каждой группы объектов разработаны и приняты специальные правила и схемы пробоотбора . Примером может быть анализ почвы. В этом случае следует отбирать несколько больших порций исследуемого материала в разных местахисследуемого участкаи затем объединять их. Заранее рассчитывается, сколько должно быть точек пробоотбора , на каком расстоянии друг от друга должны располагаться эти точки. Указывается, с какой глубины должна быть взята каждая порция почвы, какой она должна быть массы, и т.п.Существует даже специальная математическая теория, позволяющая рассчитать минимальную массуобъединенной пробы с учетом размера частиц,неоднородности их состава и т.п. Чем больше масса пробы, тем она представительнее, поэтому для негомогенного материала общая масса объединенной пробы может достигать десятков и даже сотен килограммов. Объединенную пробу высушивают, измельчают, тщательно перемешивают и начинают постепенно уменьшать количество исследуемого материала (для этой цели существуют специальные приемы и устройства).Но даже после многократногоуменьшениямасса пробы может достигать нескольких сот граммов. Уменьшенную пробу в герметически закрытой таре доставляют в лабораторию. Там продолжают измельчение и перемешивание исследуемого материала (с целью усреднения состава), и лишь затемберут на аналитических весахнавеску усредненной пробыдля проведениядальнейшей пробоподготовки и последующего измерения сигнала.

Пробоотбор - важнейшая стадия анализа, поскольку ошибки, возникающие на этой стадии, очень трудно исправить или учесть. Часто ошибки пробоотбора вносят основной вклад в общую погрешность анализа. При неверном пробоотборе не сможет помочь даже идеальное выполнение последующихопераций - получить правильный результат уже не удастся.

Пробоподготовка . Это собирательное название всех операций, которым в лаборатории подвергают доставленную туда пробу перед измерением аналитического сигнала. В ходе пробоподготовки проводят самые разные операции:упаривание, высушивание, прокаливание или сжигание пробы,ее растворение в воде, кислотах или органических растворителях, предварительное окисление или восстановление определяемого компонента специально добавляемыми реагентами, удаление или маскированиемешающих примесей. Часто приходится проводить концентрирование определяемого компонента - из пробы большого объема компонент количественно переводят в малый объем раствора (концентрат), где и проводят потом измерение аналитического сигнала. Близкие по свойствам компоненты пробы в ходе пробоподготовки стараются отделить друг от друга, чтобы легче было определить концентрацию каждого в отдельности. Пробоподготовка требует большего времени и труда, чем другие операции анализа; ее довольно трудно автоматизировать. Следует помнить, что каждаяоперацияпробоподготовки - это дополнительный источник погрешностей анализа. Чем меньше будет таких операций, тем лучше. Идеальными являются методики, вовсе не включающие стадию пробоподготовки (“пришел, измерил, рассчитал”), но таких методик сравнительно немного.

Измерение аналитического сигнала требует использования соответствующих средств измерения, прежде всего точных приборов (весы, потенциометры, спектрометры, хроматографы и т.п.), а также предварительно прокалиброванной мерной посуды. Средства измерений должны быть аттестованы («поверены »), то есть должно быть заранее известно, какую максимальную погрешность может дать измерение сигнала с помощью данного прибора. Кроме приборов,для измерения сигнала во многих случаях требуются эталоны известного химического состава (образцы сравнения, например, государственные стандартные образцы). По ним ведут градуировку методики (см. гл.5), поверяют и настраивают приборы. Результат анализа также рассчитывают с помощью эталонов.

Расчет и оформление результатов - самая быстрая и легкая стадия анализа. Надо только выбратьподходящийспособ расчета (по той или иной формуле, по графику и т.п.). Так, для определения урана в урановой руде сопоставляют радиоактивность пробы с радиоактивностью стандартного образца (руды с известным содержаниемурана), а затем содержание урана в пробе находят, решая обычную пропорцию. Однако этот простой способ годится далеко не всегда, а применение неподходящего расчетного алгоритма может привести к серьезным ошибкам. Некоторые способы расчета весьма сложны и требуют применения компьютера. В последующих главахбудут детально охарактеризованы способы расчета, применяемые в разных методах анализа,ихпреимущества, условия применимости каждого способа. Результаты анализа должны быть статистически обработаны. Все данные, относящиеся к анализу данной пробы, отражают в лабораторном журнале, а результат анализа вносят в специальный протокол. Иногда сам аналитик сопоставляет результаты анализа несколькихвеществдруг с другомили с некоторыминормативамии делает содержательные выводы. Например, о соответствии или несоответствии качества исследуемого материала установленным требованиям (аналитический контроль ).

Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы

Ответы:

Криминалисты определяют состав веществ, причины смерти и личность человека. Археологи определяют возраст и состав артефактов при раскопках. Медики определяют химический состав крови или мочи, и таким образом проводят диагностику заболеваний человека. Искусствоведы определяют возраст предметов старины и устанавливают их подлинность. ­­­­ С помощью химического анализа криминалисты могут по пятнам определить качественный состав жидкости, которая оставила это пятно. Например, была ли эта жидкость кровью или вином и т.д. По следам и остаткам грунта могут определить где по какой почве проходил человек или проезжала машина и зная составы окрестных грунтов определить в каких местах проходил человек или проезжала машина. С помощью химического анализаархеологи могут определять, как жили, из чего строили, что носили люди в данную эпоху, по остаткам пиши оставленной в черепках и сосудах могут определять, чем питались люди. С помощью химического анализакачественного и количественного в, медицине, сравнивая с нормой анализы крови, мочи и др. жидких сред организма человека, можно поставить диагноз и проводить курс лечение под контролем, отслеживая динамику изменения анализов, наблюдать успешность или не успешность данного курса лечения и при необходимости корректировать курс лечения. Старые мастера сами готовили краски, лаки. Зная, какие составы готовил конкретный мастер, искусствоведы с помощью химического анализа, могут с большой долей уверенностью утверждать – авторство художественного произведения. Реставраторы так же пользуются химическим анализом и открывают секреты древних мастеров.’ Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы? Подготовьте сообщение об этом, используя дополнительную литературу. Криминалисты определяют состав веществ, причины смерти и личность человека. Археологи определяют возраст и состав артефактов при раскопках. Медики определяют химический состав крови или мочи, и таким образом проводят диагностику заболеваний человека. Искусствоведы определяют возраст предметов старины и устанавливают их подлинность. ­­­­ С помощью химического анализа криминалисты могут по пятнам определить качественный состав жидкости, которая оставила это пятно. Например, была ли эта жидкость кровью или вином и т.д. По следам и остаткам грунта могут определить где по какой почве проходил человек или проезжала машина и зная составы окрестных грунтов определить в каких местах проходил человек или проезжала машина. С помощью химического анализаархеологи могут определять, как жили, из чего строили, что носили люди в данную эпоху, по остаткам пиши оставленной в черепках и сосудах могут определять, чем питались люди. С помощью химического анализакачественного и количественного в, медицине, сравнивая с нормой анализы крови, мочи и др. жидких сред организма человека, можно поставить диагноз и проводить курс лечение под контролем, отслеживая динамику изменения анализов, наблюдать успешность или не успешность данного курса лечения и при необходимости корректировать курс лечения. Старые мастера сами готовили краски, лаки. Зная, какие составы готовил конкретный мастер, искусствоведы с помощью химического анализа, могут с большой долей уверенностью утверждать – авторство художественного произведения. Реставраторы так же пользуются химическим анализом и открывают секреты древних мастеров.’

В основе химических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трех типов: кислотно-основные, ОВР и комплексообразования. Наибольшее значение имеют гравиметрический и титриметрический.

Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании.

Чаще всего выделение проводят осаждением. Недостатком гравиметрических методов является длительность определения, особенно при серийных анализах большого числа проб, а также неселективность – реагенты-осадители редко бывают специфичными, поэтому часто необходимо предварительные разделения.

Титриметрический анализ заключается точном определении объема раствора химического реактива с известной концентрацией, который необходим для полного протекания реакции с данным объемом анализируемого раствора.

Титриметрический анализ широко применяется в клинических и санитарно-гигиенических лабораториях для анализа крови, желудочного сока, мочи, пищевых продуктов, питьевых и сточных вод.

Физико-химические методы

Помимо химических методов качественного анализа известны другие методы идентификации химических элементов и их соединений. Так, то или иное вещество можно обнаружить физическими методами анализа, не прибегая к химическим реакциям, или физико-химическими методами путем изучения и наблюдения физических явлений, происходящих при химических реакциях.

К таким методам, называемым часто инструментальными, относятся следующие методы качественного анализа:

Спектральный;

Люминесцентный;

Хроматографический;

Полярографический

некоторые другие.

Очень часто химические методы сочетают с физическими и физико-химическими методами анализа, что обеспечивает более высокую чувствительность и более точные результаты анализа. Повышение чувствительности и избирательности методов имеет большое значение для анализа особо чистых веществ, содержащих следовые количества примесей. Для определения малых количеств (следов) примесей используют методы предварительного выделения, концентрирования (обогащения) микропримесей. К числу этих методов относятся:

хроматографические методы;

экстрагирование;

соосаждение;

дистилляция (отгонка) летучих соединений и некоторые другие методы.

Сочетая те или иные методы концентрирования с физическими или физико-химическими методами анализа, можно достичь высокой степени чувствительности, во много раз превышающей чувствительность отдельных методов.

Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и измеренный, может служить аналитическим сигналом.

Различают прямые и косвенные электрохимические методы . В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождение конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.

Существуют различные способы классификации электрохимических методов.

Классификация электрохимических методов анализа по измеряемому параметру электрохимической ячейки.

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Аналитическая химия. Задачи и этапы химического ана­лиза. Аналитический сигнал. Классификации методов анали­ за. Идентификация веществ. Дробный анализ. Системати­ческий анализ.

Основные задачи аналитической химии

Одной из задач при проведении природоохранных меро­приятий является познание закономерностей причинно-след­ственных связей между различными видами человеческой деятельности и изменениями, происходящими в природной среде. Анализ - это главное средство контроля за загрязнен­ностью окружающей среды. Научной основой химического ана­лиза является аналитическая химия. Аналитическая химия - наука о методах и средствах определения химического состава веществ и материалов. Метод - это достаточно универсаль­ный и теоретически обоснованный способ определения состава.

Основные требования к методам и методикам аналити­ческой химии:

1) правильность и хорошая воспроизводимость;

2) низкий предел обнаружения - это наименьшее содержа­ние, при котором по данной методике можно обнаружить присутствие определяемого компонента с заданной дове­рительной вероятностью;

3) избирательность (селективность) - характеризует ме­шающее влияние различных факторов;

4) диапазон измеряемых содержаний (концентраций) с по­мощью данного метода по данной методике;

5)экспрессность;

6) простота в анализе, возможность автоматизации, экономичность определения.

Химический анализ - это сложный многостадийный про цесс, представляющий собой совокупность готовых приемов и соответствующих служб.

Задачи анализа

1. Идентификация объекта, т.е. установление природы объекта (проверка присутствия тех или иных основных компонентов, примесей).

2. Количественное определение содержания того или иногокомпонента в анализируемом объекте.

Этапы анализа любого объекта

1. Постановка задачи и выбор метода и схемы анализа.

2. Отбор проб (грамотный отбор части пробы позволяет сделать правильный вывод о составе всей пробы). Проба - эточасть анализируемого материала, представительно отра жающая его химический состав. В отдельных случаях в качестве пробы используют весь аналитический материал. Время хранения отобранных проб должно быть минималь ным. Условия и способы хранения должны исключать не контролируемые потери легколетучих соединений и любые другие физические и химические изменения в составе анализируемого образца.

3. Подготовка проб к анализу: переведение пробы в нужное состояние (раствор, пар); разделение компонентов или от­деление мешающих; концентрирование компонентов;

4. Получение аналитического сигнала. Аналитический сиг­нал - это изменение любого физического или физико-химического свойства определяемого компонента, функци­онально связанное с его содержанием (формула, таблица, график).

5. Обработка аналитического сигнала, т.е. разделение сигнала и шумов. Шумы - побочные сигналы, возникающие в из­мерительных приборах, усилителях и других аппаратах.

6. Применение результатов анализа. В зависимости от свой­ства вещества, положенного в основу определения, методы анализа подразделяются:

На химические методы анализа, основанные на хими­ческой аналитической реакции, которая сопровожда­ется ярко выраженным эффектом. К ним относятся гравиметрический и титриметрический методы;

- физико-химические методы, основанные на измере­нии каких-либо физических параметров химической системы, зависящих от природы компонентов системы и изменяющихся в процессе химической реакции (на­пример, фотометрия основана на изменении оптиче­ской плотности раствора в результате реакции);

- физические методы анализа, не связанные с исполь­зованием химических реакций. Состав веществ уста­навливается по измерению характерных физических свойств объекта (например, плотность, вязкость).

В зависимости от измеряемой величины все методы делятся на следующие виды.

Методы измерения физических величин

Идентификация веществ основывается на методах качественного распознавания элементарных объектов (атомом, молекул, ионов и др.), из которых состоят вещества и материалы.

Очень часто анализируемую пробу вещества переводят в форму, удобную для анализа, путем растворения в подходящем растворителе (обычно это вода или водные растворы кислот) или сплавления с каким-либо химическим соединением с последующим растворением.

Химические методы качественного анализа основаны на использовании реакций идентифицируемых ионов с опреде­ленными веществами - аналитическими реагентами. Такие реакции должны сопровождаться выпадением или растворением осадка; возникновением, изменением или исчезновением окраски раствора; выделением газа с характерным запахом; образованием кристаллов определенной формы.

Реакции, протекающие в растворах, по способу выполнения классифицируются на пробирочные, микрокристаллоскопичсеские и капельные. Микрокристаллоскопические реакции проводят на предметном стекле. Наблюдают образование кристаллов характерной формы. Капельные реакции выполняют на фильтровальной бумаге.

Аналитические реакции, применяемые в качественном анализе, по области применения делятся:

1.) на групповые реакции - это реакции для осаждения целой группы ионов (применяется один реагент, который называется групповым);

2;) характерные реакции:

а) селективные (избирательные) - дают одинаковые или сходные аналитические реакции с ограниченным числом ионов (2~5 шт.);

б) специфичные (высокоселективные) - избирательны по отношению к одному компоненту.

Селективных и специфичных реакций немного, поэтому их применяют в сочетании с групповыми реакциями и со специальными приемами для устранения мешающего влиянии компонентов, присутствующих в системе наряду с определяемым веществом.

Несложные смеси ионов анализируют дробным методом, без предварительного отделения мешающих ионов с помощью характерных реакций определяют отдельные ионы. Мешающий ион - это ион, который в условиях обнаружения искомого дает сходный аналитический эффект с тем же реак­тивом либо аналитический эффект, маскирующий нужную ре­акцию. Обнаружение разных ионов в дробном анализе проводят в отдельных порциях раствора. При необходимости устранения мешающих ионов пользуются следующими способами отделе­ния и маскировки.

1. Перевод мешающих ионов в осадок. В основе лежит раз­личие в величине произведения растворимости получаю­щихся осадков. При этом ПР соединения определяемого иона с реагентом должно быть больше, чем ПР соединения мешающего иона.

2. Связывание мешающих ионов в прочное комплексное соединение. Получаемый комплекс должен обладать необ­ходимой устойчивостью, чтобы осуществить полное связы­вание мешающего иона, а искомый ион - совсем не реаги­ровать с вводимым реагентом либо его комплекс должен быть непрочным.

3. Изменение степени окисления мешающих ионов.

4. Использование экстракции. Метод основан на извлечении из водных растворов мешающих ионов органическими растворителями и разделении системы на составные части (фазы), чтобы мешающий и определяемый компоненты были в разных фазах.

Преимущества дробного анализа:

Быстрота выполнения, так как сокращается время на дли­тельные операции последовательного отделения одних ионов от других;

Дробные реакции легко воспроизводимы, т.е. их можно повторять несколько раз. Однако в случае трудности под­бора селективных (специфических) реакций обнаружения ионов, маскирующих реагентов, расчета полноты

удаления ионов и других причин (сложность смеси) прибегают к выполнению систематического анализа.

Систематический анализ - это полный (подробный) анализ исследуемого объекта, который проводится путем разделения всех компонентов в пробе на несколько групп в определенной последовательности. Деление на группы идет на основе сходства (внутри группы) и различия (между группами) аналитических свойств компонентов. В выделенной группе анализа применяется ряд последовательных реакций разделения, пока в одной фазе останутся лишь компоненты, дающие характер­ные реакции с селективными реагентами (рис. 23.1).

Разработано несколько аналитических классификаций ка тионов и анионов на аналитические группы, в основе которых лежит применение групповых реагентов (т.е. реагентов для выделения в конкретных условиях целой группы ионов). Группповые реагенты в анализе катионов служат как для обнаружения, так и для разделения, а в анализе анионов - только для обнаружения (рис. 23.2).

Анализ смесей катионов

Групповыми реагентами в качественном анализе катионов являются кислоты, сильные основания, аммиак, карбонаты, фосфаты, сульфаты щелочных металлов, окислители и восстановители. Объединение веществ в аналитические группы осно­вано на использовании сходства и различий в их химических свойствах. К наиболее важным аналитическим свойствам отно­сятся способность элемента образовывать различные типы ионов, цвет и растворимость соединений, способность вступать в те или иные реакции.

Групповые реагенты выбирают из общих реактивов, по­скольку необходимо, чтобы групповой реагент выделял относи­тельно большое число ионов. Основной способ разделения - осаждение, т.е. деление на группы, основано на различной раст­воримости осадков катионов в определенных средах. При рас­смотрении действия групповых реагентов можно выделить следующие группы (табл. 23.2).

Кроме того, остаются три катиона (Na + , К + , NH4), не обра­зующие осадков с указанными групповыми реагентами. Их так­же можно выделить в отдельную группу.

Группы катионов

Помимо указанного общего подхода, при выборе групповых реагентов исходят из значений произведений растворимости осадков, так как, варьируя условия осаждения, можно разделить вещества из группы действием одного и того же реагента.

Наибольшее распространение получила кислотно-ocновная классификация катионов. Достоинства кислотно-основного метода систематического анализа:

а) используются основные свойства элементов - их отношение к кислотам, щелочам;

б) аналитические группы катионов в большей степени со ответствуют группам периодической системы элементов Д.И. Менделеева;

в) значительно сокращается время проведения анализа посравнению с сероводородным методом. Исследование начинают с предварительных испытаний, в которых устанавливают рН раствора по универсальному индикатору и обнаруживают ионы NH 4 , Fe 3+ , Fe 2+ специфическими и селективными реакциями.

Разделение на группы. Общая схема деления на группы дана в табл. 23.3. В анализируемом растворе прежде всего отделяют катионы I и II групп. Для этого 10-15 капель раствора помещают в пробирку и добавляют по каплям смесь 2М HCl и 1М H 2 S0 4 . Оставляют осадок на 10 мин, затем его центрифугируют и промывают водой, подкисленной НС1. В осадке остается смесь хлоридов и сульфатов Ag + , Pb 2+ , Ва 2+ , Са 2+ . Возможно присутствие основных солей сурьмы. В растворе - катионы III-vi групп.

Из раствора отделяют III группу прибавлением несколь­ких капель 3%-ного Н 2 0 2 и избытка NaOH при нагревании и пе­ремешивании. Избыток пероксида водорода удаляют кипяче­нием. В осадке - гидроксиды катионов IV-V групп, в раство­ре - катионы III и VI групп и частично Са 2+ , который может неполностью осадиться в виде CaS0 4 при отделении I и II групп.

Из осадка отделяют катионы V группы. Осадок обрабаты­вают 2н Na 2 CO 3 и затем избытком NH 3 при нагревании. КатионыV группы переходят в раствор в виде аммиакатов, в осадке - карбонаты и основные соли катионов IV группы.

Достоинство систематического анализа - получение достаточно полной информации о составе объекта. Недостаток - громоздкость, длительность, трудоемкость. Полностью схемы систематического качественного анализа осуществляются редко. Обычно их используют частично, если есть сведения о происхождении, приблизительном составе образца, a так же в учебных курсах аналитической химии.

Гидроксид магния растворяется в смеси NH 3 + NH 4 C1. Таким образом, по­сле разделения катионов на группы получили четыре пробирки, содержа­щие а) осадок хлоридов и сульфатов катионов I-П групп; б) раствор смеси катионов III и VI групп; в) раствор аммиакатов катионов V группы; г) осадок карбонатов и основных солей катионов IV группы. Каждый из этих объек­тов анализируют отдельно.

Анализ смесей анионов

Общая характеристика изучаемых анионов. Aнионы образуются в основном элементами групп IV, V, VI и VII периодической системы. Один и тот же элемент может образовывать несколько анионов, отличающихся своими свойствами. Haпример, сера образует анионы S 2 -, S0 3 2 ~, S0 4 2 ~, S 2 0 3 2 ~ и др.

Все анионы является составной частью кислот и соот ветствующих солей. В зависимости от того, в состав какого вещества входит анион, свойства его существенно меняются. Например, для иона SO 4 2 " в составе концентрированной cepной кислоты свойственны реакции окисления-восстановления, а в составе солей - реакции осаждения.

Состояние анионов в растворе зависит от среды раствора. Некоторые анионы разлагаются при действии концентрированных кислот с выделением соответствующих газов: С0 2 (анион СО 2- 3), H 2 S (анион S 2 "), N0 2 (анион N0 3) и др. При действии разбавленных кислот анионы МоО 4 2- , W0 4 2 ~, SiO 3 2 " образуют не растворимые в воде кислоты (H 2 Mo0 4 , H 2 W0 4 * H 2 0, H 2 Si О 3 ). Анионы слабых кислот (С0 3 2 ~, Р0 4 ", Si0 3 2 ~, S 2 ") в водных растворах частично или полностью гидролизуются, например:

S 2 " + H 2 0 →HS" + OH _ .

Большинство элементов, образующих анионы, обладают переменной валентностью и при действии окислителей или восстановителей изменяют степень окисления, при этом меняется состав аниона. Хлорид-ион, например, можно окислить до С1 2 , СlО", СlO 3 , СlO 4 . Иодид-ионы, например, окисляются до I 2 , IO 4 ; сульфид-ион S 2 ~ - до S0 2 , SO 4 2- ; анионы N0 3 можно восстано-вить до N0 2 , NO, N 2 , NH 3 .

Анионы-восстановители (S 2 ~, I - , CI -) восстанавливают в кислой среде ионы Мп0 4 - , вызывая их обесцвечивание. Ионы-окислители (NO 3 , CrO 4 2 ", V0 3 - , Mn0 4 ~) окисляют иодид-ионы в кислой среде до свободного иона, окрашивают дифениламин в синий цвет.Эти свойства используются для качественного анализа, окислительно-восстановительные свойства хромат-, нитрат-, йодид-, ванадат-, молибдат-, вольфрамат-ионов лежат в основе их характерных реакций.

Групповые реакции анионов. Реагенты по своему действию па анионы разделяют на следующие группы:

1) реактивы, разлагающие вещества с выделением газов. К таким реактивам относятся разбавленные минеральные кислоты (НС1, H 2 S0 4);

2) реактивы, выделяющие анионы из растворов в виде мало-растворенных осадков (табл. 23.4):

а) ВаС1 2 в нейтральной среде или в присутствии Ва(ОН) 2 осаждает: SO 2- , SO, 2 ", S 2 0 3 2 ~, СО 3 2 ", РО 4 2 ", В 4 0 7 2 ~, As0 3 4 ", SiO 3 2 ";

б) AgNO 3 в 2н HNO 3 осаждает: СГ, Br - , I - , S 2- (SO 4 2 только в концентрированных растворах);

3) реактивы-восстановители (KI) (табл. 23.5);

4) реактивы-окислители (КМп0 4 , раствор I 2 в KI, НNО 3(конц) , H 2 S0 4).

Анионы при анализе в основном не мешают обнаружению друг друга, поэтому групповые реакции применяют не для раз­деления, а для предварительной проверки наличия или отсут­ствия той или иной группы анионов.

Систематические методы анализа смеси анионов, основан­ные на делении их на группы, используются редко, главным обра­зом для исследования несложных смесей. Чем сложнее смесь анионов, тем более громоздкими становятся схемы анализа.

Дробный анализ позволяет обнаружить анионы, не мешаю­щие друг другу, в отдельных порциях раствора.

В полусистематических методах имеет место разделение анионов на группы с помощью групповых реактивов и последующее дробное обнаружение анионов. Это приводит к сокра­щению числа необходимых последовательных аналитических операций и в конечном итоге упрощает схему анализа смеси анионов.

Современное состояние качественного анализа не ограни­чивается классической схемой. В анализе как неорганических, так и органических веществ часто используются инструмен­тальные методы, такие как люминесцентный, абсорбционно-спектроскопический, различные электрохимические методы, «которые варианты хроматографии и т.д. Однако в ряде слу­чаев (полевые, заводские экспресс-лаборатории и др.) класси­ческий анализ ввиду простоты, доступности, дешевизны не утратил своего значения.

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2014, том 69, № 4, с. 359-362

СТАТЬИ ОБЩЕГО ХАРАКТЕРА

ХИМИЧЕСКИМ АНАЛИЗ И МЕДИЦИНА © 2014 г. Ю. А. Золотов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 3 Поступила в редакцию 27.06.2013 г., после доработки 14.10.2013 г.

Рассмотрены основные направления использования химического анализа в медицине: при диагностике заболеваний, санитарно-гигиеническом контроле, допинг-контроле, прямой идентификации микроорганизмов, ДНК-анализе и др.

Ключевые слова: химический анализ в медицине, медицинская диагностика, санитарно-гигиенический контроль, допинг-контроль, геномный анализ.

DOI: 10.7868/S0044450214040173

Тема "Химический анализ и медицина" слишком широка, чтобы ее можно было осветить сколько-нибудь детально. Однако она выбрана сознательно: хотелось бросить общий взгляд на эту область, попытаться ее оконтурить и классифицировать, вычленить важнейшие направления.

Объектами химического анализа в рассматриваемой области являются биологические жидкости (кровь, моча, пот, слюна, слезы, грудное молоко, желудочный сок и другие); волосы, срезы ногтей; мягкие ткани; выдыхаемый воздух; газы, выделяемые организмом через кожу. Ну и, конечно, лекарственные вещества. Что касается болезней, при профилактике, диагностике и лечении которых применяется химический анализ, то это практически все патологические состояния (да и нормальные тоже, если речь идет о диспансеризации, о массовом скрининге). Однако особенно нужен анализ в случае социально опасных заболеваний - диабета, рака, сердечно-сосудистых и легочных болезней. Перечень веществ (аналитов), которые нужно обнаруживать и количественно определять, включает химические элементы и формы их существования (причем последние - чем дальше, тем больше); некоторые неорганические вещества, особенно газообразные и пероксид водорода, многочисленные низкомолекулярные органические соединения - глюкозу, холестерин, жирные кислоты, катехоламины и другие; биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т.д.); субстанции лекарств и примеси в фармпрепаратах.

Методы анализа, используемые для решения медицинских задач, конечно, разнообразны по принципам действия и аналитическим характеристикам. Однако в ряде случаев существует стремление применять методы, "мягко" действу-

ющие на объект, как, например, ионизация электрораспылением в масс-спектрометрии по сравнению с электронной ионизацией. Кроме того, существенна нацеленность на неинвазивные методы, а также на методы, пригодные для массового применения, в том числе, с одной стороны, за счет автоматизации, а с другой, путем широкого использования простых и недорогих тестов. В ряде случаев существует стремление к "миниатюрным" методам и средствам, особенно для анализа in vivo, и даже к дистанционно действующим. Разумеется, очень востребованы и самые мощные современные методы анализа, как, скажем, ГХ-МС, ЖХ-МС, МС-ИСП, особенно в научных исследованиях.

Направления самой медицины, использующие химический анализ, довольно многочисленны, хотя и неодинаковы по важности. Рассмотрим их.

Химический анализ как средство диагностики.

Существо этого направления заключается в нахождении, обычно совместно с медиками, ве-ществ-мйркеров, появление которых или существенное изменение их содержания, или изменение соотношения, например, в биожидкостях или выдыхаемом воздухе, свидетельствуют о патологии. Коль скоро такие вещества найдены, практика будет состоять в определении этих веществ в конкретных образцах.

Чтобы найти вещества, содержание которых может служить показателем заболевания, обычно требуется систематическое исследование большого числа здоровых и больных людей (их органов, тканей, биологических жидкостей), набор большого массива данных, их математическая обработка, теперь, как правило, средствами хемо-метрики. Например, чтобы найти мйркеры рака

яичников, исследовали содержание 169 белков в плазме крови больших групп здоровых и больных женщин; было установлено, что концентрация четырех белков (лептина, пролактина и др.) у здоровых и больных отличается. На этой основе разработан диагностический тест; если результаты показывают, что концентрация, по крайней мере, двух белков из этих четырех лежит за пределами нормы, это с вероятностью 95% говорит о заболевании. Или еще один пример из сотен других: проанализированы пробы мочи 62 женщин, больных раком молочной железы, и 100 здоровых женщин на содержание измененных нуклеози-дов. Статистическая обработка результатов показала, что для этих групп женщин наблюдаются различия в содержании нуклеозидов, и диагностическая ценность этих различий достаточно высока.

Обычный клинический лабораторный анализ и массовый биохимический анализ сформировались на основе подобных объемистых исследований, проводившихся в течение десятилетий, и накопленного опыта.

Маркерами, индикаторами болезни могут служить низкомолекулярные неорганические и органические соединения (NO, NH3, CO, CH4, углеводороды, катехоламины, ацетон, сахара, органические кислоты); высокомолекулярные соединения органической природы - пептиды, многочисленные белки; отдельные химические элементы.

Значительный опыт накоплен, к примеру, по диагностике диабета путем контроля содержания глюкозы сначала в моче, потом в крови. Первые тесты на сахар в моче были созданы еще в XIX веке. Так, в 1841 г. Треммер предложил определять глюкозу в моче по реакции восстановления ме-ди(11) глюкозой в горячем щелочном растворе. Позднее для той же цели использовали бумагу, импрегнированную индигокармином; перед использованием бумажку смачивали щелочью. Потом были созданы гораздо более эффективные химические тест-средства, которые в ХХ веке выпускали многие фирмы. Современные же глюкоз-ные анализаторы имеют своим прародителем электрод Кларка - электрохимический сенсор для определения кислорода. В конце 50-х годов Кларк ввел в свой электрод глюкозоксидазу, что позволило определять глюкозу в крови с высокой чувствительностью. Первый массовый прибор для продажи создала фирма Yellow Springs Instrument. В настоящее время домашние глюкометры для определения глюкозы в крови составляют 95% мирового рынка электрохимических приборов. Известно, что при этом требуется очень малый объем крови, особенно в микрокулономет-рических глюкометрах, созданных А. Хеллером в Техасском университете (Остин, США). Решается, пока без особого успеха, задача определения

сахара в крови неинвазивным методом, т.е. вообще без отбора крови.

Для диагностики легочных заболеваний (да и не только легочных) перспективен анализ выдыхаемого воздуха. Еще древние врачи старались по запаху выдыхаемого воздуха определить, чем болен человек. Состав выдыхаемого воздуха начинал исследовать Лавуазье. В XIX веке в этом воздухе уже находили ацетон и этанол; большое число летучих органических веществ определял в выдыхаемом воздухе Лайнус Полинг в 70-х годах прошлого столетия, используя микроконцентрирование. Давно известно, что наличие ацетона в выдыхаемом воздухе служит признаком диабета. В последние годы анализу выдыхаемого воздуха уделяют много внимания и аналитики, и медики. Привлекаются разные методы, прежде всего газовая хромато-масс-спектрометрия, отчасти газовая хроматография с другими детекторами, а также лазерная спектроскопия.

Задача такого анализа довольно сложна, как минимум, по двум взаимосвязанным причинам. Во-первых, вещества, являющиеся маркерами заболеваний, могут находиться и в наружном воздухе, которым дышит пациент. Это означает, что необходимо не только проводить контрольные эксперименты, но и оценивать очень небольшие изменения в содержании этих веществ. Во-вторых, абсолютные количества выделяемых веществ-маркеров обычно очень малы, и обнаружить их можно лишь самыми чувствительными методами. Тем не менее, подобные определения не только возможны, но и уже осуществляются; данному направлению посвящены сотни работ.

При использовании хроматографических методов проблему решают, используя чаще всего сорбцию определяемых веществ, последующую термодесорбцию и определение газовой хромато-масс-спектрометрией. В исследовательском центре Менссана Рисерч (США) были исследованы пробы выдыхаемого воздуха нескольких десятков человек и обнаружено 3500 соединений, но только 27 из них были общими для всех обследованных людей. Самым распространенным летучим органическим компонентом выдыхаемого воздуха оказался изопрен - промежуточный продукт синтеза холестерина. Практически всегда в пробах присутствуют алканы, в том числе с большой молекулярной массой. Американское Агентство по пищевым продуктам и лекарственным препаратам (Food and Drug Administration) уже давно одобрило применение анализа выдыхаемого воздуха как теста для оценки состояния больных, перенесших операции на сердце.

С анализом выдыхаемого воздуха связывают и перспективы ранней диагностики рака легких. У больных в выдыхаемом воздухе возрастает концентрация алканов и метилалканов (С4-С20). Для

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И МЕДИЦИНА

диагностики достаточно определить девять углеводородов: бутан, пентан, 3-метилтридекан, 7-метил-тридекан, 4-метилоктан, 3-метилгексан, гептан, 2-метилгексан, 5-метилдекан. Эти углеводороды присутствуют на уровне нано- или пикомолей, поэтому для их определения требуется предварительное концентрирование на адсорбентах, не поглощающих влагу.

Физики-спектроскописты для анализа выдыхаемого воздуха используют диодные лазеры, излучающие в ИК-диапазоне (Институт общей физики РАН). Этими методами можно определять, прежде всего, низкомолекулярные простые соединения, включая оксиды азота, аммиак, монооксид углерода, пероксид водорода, а также метан, метанол, этанол, сероуглерод и другие соединения в диапазоне от 0.1 до 10 мг/м3, а также проводить изотопный анализ (13С/12С).

Много работ посвящается оценке окислительного (оксидативного) стресса. Это та область, где профессиональные аналитики в России в последние годы активно работают.

БРУСНИКИНА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА, ПЕСКОВ АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ - 2014 г.