Особенности предварительной подготовки проб объектов окружающей среды и биоматериалов Автор : Слепченко Галина Борисовна, проф. каф. ФАХ, науч. рук. НИЛ 506 Презентация лекций по курсу: Особенности предварительной подготовки проб объектов окружающей среды и биоматериалов

Требования к методам анализа для определения загрязнителей Высокая чувствительность (возможность определения на уровне хотя бы 0,1 ПДК) Высокая селективность (возможность определения изомеров, отличающихся по токсичности) Специфичность (возможность определения отдельных веществ в присутствии других) Экспрессность Наличие нормативно-технической документации, регламентирующей отдельные стадии анализа Метод должен отвечать требованиям по контролю качества измерений и иметь достаточные метрологические характеристики

Присоединимся к мнению ведущих аналитиков: 1. Цель пробоподготовки - привести пробу и определяемый элемент в физическую и химическую форму, пригодную для измерения аналитического сигнала с требуемыми метрологическими характеристиками. 2. Выбор способа подготовки проб зависит от: состава и структуры анализируемого объекта (матрицы), химических свойств аналита (А), метода измерения сигнала, метрологических требований к качеству анализа, наличия приборов, их стоимости, традиций, существующих в лаборатории и др.

Сравнение методик пробоподготовки As в пищевых продуктах ПараметрыГОСТ ГОСТ (ИВ) Навеска25-50 г0,1-2,0 г Реактивы, объем10-50 мл0,5-2,0 мл ОборудованиеСпециальная аппаратура 1 кварц. Стаканчик на пробу Время подготовки 9 проб От 6 до 12 часНе более 3 час

ОсобенностиВывод Одновременное определение 4-5 элементов; варьирование фона, электродов для анализа одного раствора Возможно многоэлементное определение из одной подготовленной пробы Измерения в микрообъемах, с микроэлектродами, в потоке Упрощение анализа, сокращение времени, полная автоматизация процедур анализа Отсутствие влияния солевого состава Без ПРП – анализ на месте, дистанционный, in vivo Влияние ПАВ на ИВ-сигналНеобходимость удаления ПАВ или изолирования поверхности электрода

Вольтамперограммы цинка и меди в пробе водопроводной воды: 1) УФО-3 мин, 2) УФО-10 мин. РПЭ+ХСЭ. Фон-HCOOH. t=60 с.

Биологические объекты Доля работ из 780 рефератов за 10 лет

Химические формы тяжелых металлов в поверхностных водах

Основные способы пробоподготовки пищевых продуктов к анализу методом ИВ Химические процессы: 1.С озолением матрицы: Мокрое озоление в открытых и закрытых системах Сухое озоление, в т.ч. с озоляющими добавками 2.Без озоления матрицы: Применение известных методов разделения концентрирования. Использование вариантов ВА и модифицированных электродов

Физические воздействия: 1.Возбуждение кислорода (низкотемпературная плазма) 2.Микроволновой нагрев 3.Ультрафиолетовое облучение 4.Ультразвуковая обработка 5.Электрохимическая обработка

Таблица 2. Распределение публикаций по способам пробоподготовки к ИВ –анализу с 1985 –2001г.г. (%, окр.) Вид подготовкиЗа 10 лет ( ) 105 рефератов по СА (100%) За 5 лет ( ) 107 рефератов по СА (100%) Мокрое озоление5935 Микроволн. нагрев 1216 УФ-облучение1222 УЗ-воздействие 39 Сухое озоление 95 Без полного разложения 513

Пример многоэлементного анализа биологически активных добавок методом ИВ

УЗ – это акустические волны с частотой выше 10 – 20 кГц, подчиняющиеся законам распространения звуковых волн со своими особенностями. При воздействии УЗ с интенсивностью свыше 1 Вт/см2 возникают нелинейные эффекты – акустические течения и кавитации. Акустические течения – смещения среды вихревого характера. Колебания частиц передаются среде, вызывая ее регулярное движение. Это способствует интенсификации массообменных процессов.

Кавитация – образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом и их смесью. Когда давление пара в пузырьке становится больше суммарного действия поверхностного натяжения и давления жидкости выросший пузырек схлопывается, при этом давление возрастает до 107 Па, а температура 3000 К. На процессы кавитации влияют свойства жидкости ( ее Т, Р, содержание газов…), а также параметры УЗ – частота и интенсивность.

Кавитация приводит к протеканию хим. реакций ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ – распад на радикалы, взаимодействие с молекулами газа и воды, а также сонолюминесценции (свечению). С помощью УЗ получают высокие интенсивности энергии (на ед. площади перпендикулярной направлению распространения волн), что позволяет интенсифицировать многие химические процессы.

Микроволновое ( МВ) –разложение МВ-излучение – вид электромагнитного излучения в диапазоне частот 300 – МГц, вызывающий движение ионов и вращение диполей и приводящий к быстрому разогреву всего объема образца, поглощающего МВ-энергию. Так, при частоте 2400 МГц ориентация молекул и их возвращение в беспорядочное состояние происходит раз в секунду. МВ – излучение нагревает весь объем жидкости, не нагревая сосуда проницаемого для МВ (фторопласт, кварц). В результате вместо 1-2 часов для полного разложения проб кислотой требуется мин, а Т кип достигается за 2 мин.

В закрытых сосудах с азотной кислотой основные компоненты пищи разлагаются при температурах: углеводы – 140 С, белки – при 150 С, жиры – при 160 С. Недостатки МВ-разложения для ИВ: Неполное разложение ароматических нитросоединений, которые являются электрохимически активными; Необходима дополнительная обработка: а) HCLO 4 б)УФО; Необходимо время для охлаждения проб; Необходимость удаления концентрированных кислот после МВ-разложения.

ФОТОХИМИЧЕСКАЯ ПРОБОПОДГОТОВКА Ультрафиолет – свет с длиной волны короче 400 нм: Пример : источник УФ - ртутная лампа низкого давления с наиболее интенсивными линиями = 180 и 254 нм E=h= hc/ = 1,2.10-5/ кДж/моль Е химической связи ( C- H, C-C, C-OH равна 250 – 500 кДж/моль Е уфо Е хим.св. Под действием энергии УФО происходят первичные, вторичные (в т.ч. каталитические) фотохимические реакции. E

Первичные фотохимические р-ции (диссоциации, замещения, окисл./восст….). Молекулы муравьиной кислоты, перекиси водорода возбуждаются и распадаются на радикалы : HCOOH H.+.OOH (радикалы R) H 2 O 2 2.OH (радикалы R), Вторичные фотохимические реакции ( с O 2, H 2 O 2, O 3, R. ) R. + O 2 RO 2. (или R+ + O 2 -. ) В пределе органические вещества распадаются и минерализуются до CO 2, H 2 O, нитратов, фосфатов, ионов металлов и др.

Интенсификация пробоподготовки к ИВ-анализу различных объектов на содержание следов неорганических веществ Стадии пробоподготовкиФизическое воздействие 1. Размельчение, гомогенизация, сушка Нагрев, лиофилизация, растирание 2. Растворение, солюбилизация Нагрев, катализатор, УЗ, СВЧ 3.Концентрирование примесей, отделение матрицы УЗ, СВЧ, перемешивание, в потоке 4. Разрушение органических веществ Электролиз, УФ, УЗ, СВЧ, плазма, радиолиз, повышение температуры, давления 5. Маскировка, изоляция ОВМембраны 6. Перевод элемента в аналитическую форму УЗ, УФ, СВЧ

Пробоподготовка к ВА-анализу без минерализации 1. Отделение ионов металлов от органической матрицы РАЗБАВЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЕМ СОРБЦИЯ ЭКСТРАКЦИЯ СООСАЖДЕНИЕ ОТГОНКА ТВЕРДАЯ МАТРИЦА СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ ЖИДКАЯ МАТРИЦА T, P, КАТАЛИЗАТОР ОКИСЛИТЕЛИ (О 3, H 2 O 2, O*) УЛЬТРАЗВУК УЛЬТРАФИОЛЕТ Э/Х – ОБРАБОТКА СВЧ-НАГРЕВ ПРОЦЕССЫУСКОРЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ:

Изоляция электрода от органической матрицы Электрод Одно- разовые Эл/химическая тренировка Химическое модифици- рование Смена электролита при формировании сигнала Механи- ческая зачистка УЗ, Лазер

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОДАВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ Электроактивные формы – I(1-) – иодид (устойчив при рН 6) и I(5+)- иодат, IO 3 –. В кислой среде: 5I (-1) +IO 3 (–) + H(+) = 3I 2 +3H 2 O, иод улетучивается. В щелочной среде иодид и иодат устойчивы. Определение иодида методом катодной ИВ Пробоподготовка всех объектов: щелочное окислительное плавление (KOH+KNO 3 ) при T 480 C для разрушения органической матрицы, последующее подкисление (рН 4-3) и восстановление иодатов до иодида аскорбиновой кислотой.

Измерение. Фон – KNO 3 + аскорбиновая кислота. Электрод – РПЭ (3-х электродная ячейка) Накопление иодида: 2Hg – 2e + I(1-) = Hg 2 Cl 2 (осадок на РПЭ) Формирование сигнала (катодная развертка потенциала, Еп= -0,24 В): Hg 2 Cl 2 +2е =2Hg +2СL(-) Методика аттестована и опубликована //Химия и хим. технология, 2003, Т.46., вып.5, с Слепченко Г.Б., Пичугина В.М.

Рис. Вольтамперограмма определения йода в фоновом электролите (1), в пробе (2) и в пробе с добавкой (3) стандартного раствора

Методика анализа вод на содержание Se Электроактивной формой является селен (4+), т.е. селенит, Подготовка проб вод состоит из двух стадий: 1)фотоокисление всех форм селена до селена (4+, 6+) в присутствии H 2 O 2 2) фотовосстановление Se(6+) до Se (4+) в том же стаканчике, при рН 8-10 Определение методом АНОДНОЙ ИВ на Au-C электроде на фоне– HCLO 4 : Накопление: Анодное растворение: Для устранения мешающих ионов Cl-, NO 2 - используется прием смены раствора с пробой на фон в стадии анодного растворения. Методика аттестована и опубликована в Завод. лабор. 1999, т.65, с.3-6. Захарова Э.А., Филичкина О.Г., Слепченко Г.Б.

Методика анализа пищевых продуктов, биологических объектов на содержание Se Электроактивной формой является селен (4+) Подготовка проб состоит из 2-х стадий: 1.Мокрое озоление с добавлением соли магния и прокаливанием при 450 С 2.Восстановление селена (6+) до (4+) 6 М HCL (90 C) Определение методом КАТОДНОЙ КВИВ на ртутно- графитовом электроде. Фон – 0,6 М HCL + ионы ртути (2+) + ионы меди (2+). Селен накапливается на поверхности РГЭ в виде осадка Cu 2 Se. Стадия формирования сигнала селена при катодной развертке потенциала соответствует реакции: Сu 2 Se + 2e + 2H (+)Cu(0)Hg + H 2 Se Методика аттестована и будет опубликована в ЖАХ, 2004 г, т.59, 3 с.1-6, Филичкина О.Г., Захарова Э.А., Слепченко Г.Б.

Основные преимущества разработанных ИВ- методик Характеристика ИВ-методик За счет чего достигается эффект Высокая производительность -Однотипная пробоподготовка для одновременного определения нескольких элементов (Zn, Cd, Pb, Cu), (Cu, Hg), (Fe, As, Cu). - Использование анализаторов с 3-мя ячейками и одновременным УФ-облучением растворов - Автоматизация пробоподготовки (одновременно 9 проб) и измерения Экологическая безопасность - Не используются токсичные органические растворители - Устранены операции отгонки токсичных As, Hg, Se - Устранено использование взрывоопасной HClO4 - Не используются баллоны со сжатыми газами при применении УФ-удаления кислорода

Особенности метода ИВ, существенные для пробоподготовки (ПРП) ОсобенностиВывод Высокая абсолютная чувствительность Использование малых навесок, минимума реактивов, времени ПРП Накопление /концентрирование/ аналита на индикаторном электроде путем: электролиза, ионного обмена, адсорбции, осаждения, образования ИМС и т.д. Устранение специальной операции концентрирования, сокращение времени ПРП, уменьшение холостой