6. Магнитная спектроскопия

В последнее время методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нашли широкое применение в аналитической химии. ЯМР основывается на использовании обусловленного ядерным магнетизмом резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемым веществом. ЭПР – использование явления резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными частицами в постоянном магнитном поле.

7. Атомно-абсорбционный метод

основывается на способности атомов металлов в газах пламени поглощать световую энергию при определенном значении длины волны. Атомно-абсорбционный метод разрешает определять примеси до 10^-12 %. Около 70 % элементов периодической системы Д. И. Менделеева определенные этим методом. Одна из японских фирм изготовляет приборы, которые разрешают одновременно определять больше 70 элемент.

3.1 Физико-химические методы измерения параметров окружающей среды

Физико-химические методы анализа основываются на изменении физических свойств исследуемой системы, которые происходят в результате определенных химических реакций.

В связи с загрязнением атмосферы и водных бассейнов выбросами токсичных газов и промышленными стоками необходимы чувствительные методы химического контроля степени очистки выпускаемых в реки, озера, моря, воздух и почву отходов производства. Развитие промышленности тяжелого органического синтеза, переработки нефти, газа, угля, производство особо чистых веществ требует надежных методов анализа сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов. Иногда нельзя обойтись без приемов дистанционного анализа, когда необходимо анализировать высокоагрессивные, космические или подземные объекты. Для управления технологическими процессами нужны экспрессные методы анализа, позволяющие контролировать ход процесса.

Классические химические методы анализа (гравиметрический и титриметрический) характеризуются низкой скоростью и недостаточной чувствительностью. Тогда как большинство инструментальных (физических и физико-химических) методов являются высокочувствительными и экспрессными. К тому же многие физико-химические свойства специфичны, что обеспечивает селективность инструментальных методов. Их использование позволяет провести полную автоматизацию анализа. Следует, однако, отметить, что большинство инструментальных методов менее точны, чем химические. Считается, что в физических методах анализа непосредственно измеряют с помощью прибора какие-либо физические параметры системы без предварительного проведения химической реакции (прямой инструментальный анализ). В физико-химических методах предварительно проводят химическую реакцию или следят за ее ходом с помощью прибора, регистрирующего физическое свойство.

Инструментальные методы классифицируют в соответствии со свойствами веществ, используемыми для измерений. Можно выделить следующие группы инструментальных методов анализа: 1) оптические – основаны на измерении оптических свойств веществ; 2) электрометрические (или электрохимические)- измеряют электрические параметры веществ; 3) резонансные – используют явления резонансного поглощения веществом электрического или магнитного поля; 4) радиометрические – количество веществ измеряют по их радиоактивности или с помощью радиоактивных индикаторов; 5) термические – измеряют тепловые эффекты, сопровождающие различные процессы; 6) хроматографические – применяется хроматографическое разделение в комбинации с детекторами разделенных веществ; 7) масс-спектрометрические – основаны на измерении массы ионизированных осколков молекул вещества; 8) ультразвуковые – измеряют скорость ультразвука в растворах веществ и другие методы.

Новым, интенсивно развивающимся направлением является применение сенсоров в анализе. Сенсорами называют чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналитический сигнал, интенсивность которого зависит от концентрации определяемого вещества в объекте. С помощью сенсора проводят инструментальное количественное измерение содержания вещества, предварительно проградуировав прибор по стандартам.

Сенсоры являются основными элементами нового поколения аналитических приборов, включающих устройство для ввода пробы, чувствительный элемент, обработку аналитического сигнала и выдачу конечного результата о концентрации компонента. Для них характерны малая масса (редко превышающая 200 г) и габариты примерно 100х50х20 мм, автономный, автоматизированный режим работы и малый расход энергии. Существует три типа сенсоров: физические, химические и биосенсоры. В физических сенсорах не происходят химические реакции, а под влиянием анализируемого вещества изменяются электрические, тепловые, магнитные или спектральные характеристики.

Отличительный признак химических и биосенсоров – наличие рецептора – слоя молекул или частиц вещества, участвующего в химических, биохимических или биологических процессах, протекающих при контакте сенсора с определяемым компонентом объекта. Другим необходимым элементом таких сенсоров является преобразователь энергии (трансдьюсер) указанных аналитических процессов в электрический или световой сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается в электронном блоке и подается на дисплей.

В химических сенсорах роль рецептора играют различные реагенты, которые изменяют оптические, электрохимические или другие характеристики при изменении рН раствора, взаимодействии с катионами, анионами или молекулами газов исследуемых сред.

Химические сенсоры дают прямую информацию о составе среды без отбора пробы и какой-либо ее предварительной подготовки.

Для повышения избирательности химических сенсоров перед химически чувствительным слоем обычно помещают ионообменные или другие мембраны, селективно пропускающие частицы определяемого вещества.

В биосенсорах рецепторами являются ферменты, антитела, антигены, биологические мембраны или микроорганизмы. Основная область применения биосенсоров – анализ в медицине, биотехнологии, химической, пищевой промышленности и окружающей среде. О содержании определяемого вещества в объекте часто судят по концентрации продуктов биохимической реакции, например, пероксида водорода, кислорода и т. д. Преимущества биосенсоров – высокая селективность и чувствительность определений, недостатки – невысокая стабильность, трудность получения биоорганического материала постоянного состава.

Трансдьюсерами в биосенсорах могут быть электрохимические и оптические преобразователи, калориметрические системы.

По способу регистрации аналитического сигнала сенсоры делят на электрические, электрохимические, оптические, чувствительные к изменению массы и т. д.

К электрическим сенсорам относят полупроводниковые устройства с электронной проводимостью на основе оксидов Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, W, V, органических полупроводников (хелаты фталоцианинов, порфиринов и другие органические соединения), полевых транзисторов. Измеряемыми величинами являются проводимость, заряд, емкость, разность потенциалов, которые изменяются при адсорбции или ином воздействии определяемого вещества. Наиболее распространены и перспективны полевые транзисторы; в них металлический контакт затвора (управляющего электрода) заменен химически чувствительным слоем и электродом сравнения. Главными достоинствами полевых транзисторов являются малые размеры (1-2 мм²) и масса, быстродействие и планарная модульная технология изготовления.

В электрохимических сенсорах химическое превращение и генерация аналитического сигнала протекает в миниатюрной электрохимической ячейке, выполняющей роль ионоселективного электрода с жидкой или твердой мембраной. Наиболее распространены потенциометрические и амперометрические сенсоры, мембраны которых могут содержать как химические, так и биохимические компоненты. С помощью электрохимических сенсоров определяют ионные и нейтральные соединения органической и неорганической природы, а также газы и биологически активные вещества в широком диапазоне концентраций (2-4 порядка).

Действие оптических сенсоров (оптодов – оптических электродов) основано на измерении поглощения и отражения падающего светового потока, люминесценции или теплового эффекта, сопровождающего поглощение света рецептором. В волоконно-оптических сенсорах фоточувствительный реагент может быть иммобилизован на поверхности волокна световода, изготовленного из кварца или других видов стекол, позволяющих работать в УФ-, видимой и ИК-области спектра. Разработаны оптические сенсоры для определения рН, ионов металлов, анионов, глюкозы, мочевины, пероксида водорода, газов, некоторых органических соединений в объектах окружающей среды, медицине, промышленности.

Сенсоры предназначены для прямого определения конкретного вещества в заданном диапазоне концентраций при фиксированных способах ввода пробы и обработки полученной информации. Они могут входить в состав более сложных аналитических приборов.

На основе сенсоров конструируют сенсорные анализаторы, представляющие собой батарею сенсоров, каждый из которых дает информацию о содержании отдельного компонента. Подключенная к компьютеру, такая батарея обеспечивает анализ сложных многокомпонентных смесей. Сенсорные анализаторы широко используются в различных областях промышленности, энергетике, транспорте, медицине, экологии, сельском хозяйстве. Большое значение имеет своевременное обнаружение взрывчатых, горючих, вредных веществ. Сенсоры дают возможность оптимизации работы двигателей по составу выхлопных газов, контролируют содержание многих органических и неорганических примесей в воздухе.