Підготовка проб ґрунту та рослинної продукції
до лабораторних аналізів
Проблема елементного аналізу агрохімічних об'єктів і сільськогосподарської продукції обумовлена необхідністю жорсткого контролю їх складу і якості. Актуальною є інтенсифікація досліджень, спрямованих на пошук можливостей підвищення родючості ґрунтів і збільшення врожайності, враховуючи реалії сьогоднішнього дня, а також для проведення агроекологічного моніторингу біологічних і харчових ланцюгів через зростаюче забруднення біосфери. Проведення агрохімічних і екологічних досліджень супроводжується великими об'ємами аналітичних робіт, що включають визначення елементного складу всіх присутніх в екологічному і біологічному ланцюзі об'єктів: від вод і ґрунтів через рослини, повітря, живі організми до тканин людини. Важливим завданням є забезпечення аналітичного елементного моніторингу функціонування агроландшафтів для основних природно-сільськогосподарських зон України.
Рішення цих завдань здійснюється на основі нових концепцій аналітичного контролю: дослідження спрямовані на створення перспективних наукоємних технологій, нового покоління пробопідготовчих аналітичних приладів для агропромислового комплексу і високоефективних екологічних комбінованих методів елементного аналізу.
Пробопідготовка – одна з найважливіших стадій аналітичного циклу. Основним завданням стадії є кількісне переведення елементів, що визначаються, в розчин, виключення втрат летючих компонентів, усунення контакту аналітиків з агресивними речовинами і, що дуже важливо, раціональне поєднання з інструментальними методами. Пробопідготовча стадія, як правило, лімітує тривалість аналізу і його метрологічні параметри. Тому трудомісткі класичні методи хімічної деструкції і мінералізації аналітичної проби у відкритих системах доцільно замінювати більш екологічними і продуктивними інструментальними методами автоклавної пробопідготовки.
Для цієї мети ефективне використання автоклавної техніки з резистивним або мікрохвильовим нагрівом, які раціонально доповнюють один одного в лабораторіях широкого профілю.
Лабораторією хімічної пробопідготовки і комбінованих методів аналізу вирішена задача методичного і апаратурного забезпечення цієї стадії аналізу, розроблена конструкторська документація і організований серійний випуск аналітичних модулів автоклавної пробопідготовки з резистивним нагрівом МКП-04 і МКП-05, які дозволяють швидко і надійно в стерильних умовах герметично замкнутого реактора виконати стадію мінералізації аналітичної проби і отримання аналітичного концентрату мікрокомпонентів (аналіту) в раціональній для вибраного інструментального методу формі [10, 14]. Метод автоклавної мінералізації забезпечує швидку і високу ефективність деструкції органічних і елементорганічних речовин при підвищених температурах і тиску, практично повне виключення втрат летючих компонентів, використання малих кількостей окиснюючих агентів, потрібних при мінералізації, отримання представницького аналізованого розчину. Встановлено, що швидкість мінералізації проб і повнота окислення органічної матриці забезпечується завдяки підтримці необхідної протягом всього періоду мінералізації щільності пари, окиснюючих сумішей і продуктів їх взаємодії з пробою. При цьому в системі реалізується необхідне значення окисно-відновного потенціалу, досягається ефективна мінералізація органічної складової об'єктів аналізу і високий ступінь виключення залишків не мінералізованих речовин.
З урахуванням складу аналізованих проб розроблені методи термодинамічного моделювання процесів автоклавної мінералізації і пристрої для контролю тиску і температур в реакторі.
Реалізація ряду сприятливих кінетичних і термодинамічних чинників робить автоклавну деструкцію ефективною для агрохімічних об'єктів і сільськогосподарської продукції, дозволяє отримувати аналітичні концентрати елементів, селективно і кількісно виділених в рідку фазу. Раціональне поєднання автоклавної мінералізації проби з високочутливими методами визначення елементів дозволило значно розширити коло об'єктів аналізу, поліпшити метрологічні характеристики, забезпечити повноту і необхідну чистоту стадії мінералізації, запобігти втратам легколетючих компонентів, скоротити час деструкції проби і концентрації досліджуваних елементів, виключити ряд проміжних операцій, понизити витрату реактивів, зменшити енергоємність і трудомісткість, поліпшити умови роботи за рахунок виключення викиду у повітряне середовище пари токсичних і агресивних речовин, підвищити продуктивність праці аналітиків.
Аналітичні модулі автоклавної пропідготовки з резистивним нагрівом МКП-04 і МКП-05 є на сьогодні найбільш технічно допрацьованим і доступним для вітчизняних користувачів устаткуванням хімічної мінералізації проб.
До теперішнього часу в світовій аналітичній практиці широке розповсюдження знаходять мікрохвильові автоклавні мінералізатори фірм Perkin Elmer (рис. 1.1) і СЕМ (США), Мilestone (Італія), Prolabo (Франція). Вартість цих установок на сьогодні складає 25 – 45 тис. $ США (у 10 – 20 разів вище за вартість модулів МКП-04 і МКП-05).
Рисунок 1.1 – Мікрохвильовий автоклавний мінералізатор фірми Perkin Elmer (США)
При розробці нових технологій стадії пробопідготовки до хімічного аналізу вельми перспективним є використання мікрохвильових полів як в цілях нагріву хімічних середовищ, так і в цілях направленої зміни структурного стану цих середовищ.
Роботи в цій області ведуться вже більше двох десятиліть, розроблений ряд установок, що дозволяють проводити нагрів хімічних середовищ в резонансних камерах, енергія в які подається від мікрохвильового генератора. Виникла і інтенсивно розвивається нова область хімії – мікрохвильова хімія, що займається питаннями інтенсифікації кислотного розчинення і мінералізації проб, зміни швидкості і спрямованості хімічних реакцій, структурних змін середовищ і т. д.
Проте питання взаємодії мікрохвильового випромінювання з дисипативними хімічними середовищами на електронний-молекулярному рівні досліджені ще недостатньо. Зміна швидкості хімічних реакцій за рахунок дії температури і тиску супроводжується одночасно руйнуванням структури розчинюючих і окиснюючих агентів навколо реагуючих частинок, утворенням вільних радикалів і електронів, змінами масопереносу, ступені агрегатування і окислення реагуючих частинок, перерозподілом електронної щільності в молекулах і т. д. Всі ці процеси роблять величезний вплив на результати хімічних реакцій. Зміна макроскопічних властивостей середовища в часі, особливо за наявності фазових переходів в процесі нагріву середовища мікрохвильовим полем і взаємодія поля з середовищем сильно впливають на ступінь ефективності роботи мікрохвильових установок. Мікрохвильовий генератор установки спільно з навантаженням, яким є дисипативне середовище в камері нагріву, утворюють складну коливальну систему з реакцією відгуку генератора, що запізнюється, на зміну параметрів середовища. Робота магнетронного генератора в таких установках супроводжується цілим поряд небажаних явищ: стрибкоподібною зміною частоти, що генерується, виникненням шумових коливань, зменшенням вихідної потужності і ККД генератора, порушенням теплового режиму і т.д. Ці явища позначаються на техніко-економічних показниках установок, знижуючи їх довговічність і приводячи до ускладнення і дорожчання за рахунок введення додаткових засобів захисту генератора від змін параметрів навантаження. До того ж, порушується процес взаємодії мікрохвильового поля з хімічним середовищем.
Концепція створення мікрохвильового мінералізатора для агрохімічних об'єктів і сільськогосподарської продукції прийнята з урахуванням реалій фінансової і матеріально-технічної бази. Знайдено рішення, що забезпечує необхідні технічні і аналітичні характеристики процесу мікрохвильової мінералізації.
Розроблений комплекс комбінованих аналітичних методик, що раціонально поєднують автоклавну пробопідготовку з методами атомної спектрометрії: (АЕС-ІСП, ЕТААС, полум'яна ААС), інверсійною вольтамперометрії і спектрофотометрії [3, 6, 10].
Згідно медико-біологічним вимогам розроблені методики визначення токсичних елементів, зокрема важких металів: Hd, Pb, Cd, As, Cu, Zn, Fe і Sn. Методики визначення Mn, Cr, Ni, Co, Bi, Se, Te, Tl і Be розроблені з урахуванням актуальних екологічних і токсикологічних (Cr, Ni) проблем, що виникають при промисловому моніторингу, медико-біологічних обстеженнях населення і контролі якості сировини харчової продукції. Безперечний інтерес представляє дослідження рослинних об'єктів на вміст мікроелементів з метою виявлення ефективності їх використання як лікарських засобів. Фармакологічна активність рослин обумовлена присутністю необхідних для організму мікроелементів в певних поєднаннях, співвідношеннях і інтервалах вмісту. Наприклад, певне поєднання таких мікроелементів, як мідь, цинк, марганець і хром, може володіти кардіотонічною дією [4].
Важливим чинником є органічне поєднання автоклавної мінералізації з інструментальними методами аналізу.
Вітчизняне приладобудування дозволяє оснастити аналітичні лабораторії порівняно дешевою апаратурою з гарними параметрами: комп'ютеризованими атомною абсорбцією спектрометрами, полярографами, блоками проточно-інжекційної концентрації, гідридними приставками для визначення миш'яку та інших елементів.
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ТА ПРИЛАДИ ВИЗНАЧЕННЯ КІЛЬКІСНОГО ВМІСТУ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ В ҐРУНТАХ ТА ПРОДУКЦІЇ РОСЛИННИЦТВА
Важкі метали відносяться до токсичних елементів, тому їх визначення є обов'язковим при проведенні екологічних і санітарно-гігієнічних оцінок рівня забруднення ґрунтів.