Микрофотометр отражения для определения приоритетных экотоксикантов

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, тяжелые металлы относятся к числу важнейших. Немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации.

На сегодняшний день существуют огромные, острые потребности во внелабораторном анализе. Целью данной работы является разработка и проектирование малогабаритного универсального микрофотометра отражения для определения приоритетных экотоксикантов на качественном и количественном уровне, т.е. на уровне ПДК, а также выше и ниже этого уровня. Принцип действия фотометра основан на сравнении потока излучения, прошедшего через «холостую пробу» (растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение) и потока излучения, прошедшего через исследуемый раствор.

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ - продуктов хозяйственной деятельности. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Поведение металлов в природных средах во многом зависит от специфичности миграционных форм и вклада каждой из них в общую концентрацию металла в экосистеме. Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Cu > Zn > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al.

Особенностью металлов как загрязнителей является то, что в отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению. Металлы-токсиканты в различных формах способны загрязнять все три области биосферы - воздух, воду и почву.

В атмосфере тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть).

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами. Для неорганических соединений - это галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты и др. Среди органических лигандов наиболее прочными являются комплексы гуминовых и фульвокислот (преимущественно низкомолекулярных), входящих в состав гумусовых веществ почвы и природных вод. Следует заметить, что значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.

Сорбция металлов донными отложениями зависит от особенностей их состава и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в придонных осадках и в биоте, в то время как в самой воде они остаются в сравнительно небольших концентрациях.

Уровни содержания тяжелых металлов в почвах зависят от окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств последних, водно-теплового режима и геохимического фона территории. Установлено, что тяжелые металлы в почвах содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочноадсорбированных формах.

Значительное обогащение природной среды тяжелыми металлами наряду с низким природным уровнем этих металлов в биосфере и высокой токсичностью требует постоянного контроля за их содержанием в объектах окружающей среды.

Известно огромное разнообразие методов контроля исследуемых объектов. Используемые для этого методы можно разделить на весовые, спектральные и электрохимические. Первые, к сожалению, требуют много времени, – определение содержания тяжелых металлов в пробе производится путем перевода ее в раствор или сплавления осадков с подходящим флюсом с последующим выщелачиванием водой. После этого соединение искомого металла переводится в осадок добавлением соответствующего реагента. Концентрация тяжелых металлов определяется взвешиванием на аналитических весах и пересчетом на исходное содержание в пробе. При квалифицированном применении этот метод дает наиболее точные данные об их содержании.

Менее продолжительными являются спектральные и электрохимические методы. Электрохимические методы определения концентрации примесей, основанные на титровании проб исследуемой воды, включают в себя полярографический (вольтамперометрический), потенциометрический, кулонометрический и кондуктометрический. Они позволяют определять концентрации примесей с высокой точностью, но также требуют много времени и аккуратности при проведении анализа.

Спектральные – основаны на исследовании электромагнитного излучения атомов. Обычно для этих целей используют атомный эмиссионный и абсорбционный анализы, спектрофотометрию, масс-спектрометрию, спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и рентгеноспектральный анализ. Самый распространенный из них – атомно-абсорбционная спектрометрия. Существуют также методы, позволяющие проводить определение концентраций сразу нескольких соединений тяжелых металлов. К ним относятся атомно-эмиссионная спектрометрия (ICP-AES) и масс-спектрометрия (ICP-MS) с индуктивно связанными плазмами. Первая основана на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе при возбуждении светом, в качестве его источников используют пламя горелки или различные виды плазмы. Это экспресс-метод, достоинством которого является возможность одновременного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с высокой точностью. Вторая, где источником ионов служит плазма, позволяет диагностировать наличие очень низких концентраций металлов и неметаллов (до 10-6 мг/л).

Обычно в воде присутствуют примеси нескольких тяжелых металлов. Поэтому наиболее удобным является метод рентгенофлуоресцентного анализа, который позволяет определять содержание одновременно ряда элементов в концентрациях от 0,3 мг/л. При осуществлении такого спектрального анализа сначала проводится подготовка пробы исследуемой воды, заключающаяся в извлечении примесей, находящихся в ней, твердым сорбентом на основе ацетилцеллюлозы. Такая методика позволяет определять содержание Bi, Pb, Zn, Сu (II), Ni, Co, Mn (II), Cr (III) и V. Однако наличие примесей железа (более 1,5 мг/л) и марганца (свыше 1,0 мг/л) может привести к исчерпанию ионообменной емкости сорбента, в конечном счете, – к неверным результатам. Среди достоинств спектральных методов – высокая чувствительность; к недостаткам можно отнести трудоемкость подготовки образца к анализу.

Разработанный микрофотометр отражения позволяет проводить фотометрический анализ веществ. Предлагаемый микрофотометр смонтирован на опорной стойке. К ней прикреплён корпус на базе фотометрического шара, предназначенного для интегрального фокусирования света на фотоприемник. Фотометрический шар состоит из двух полусфер, на первой из половин имеется крепление, одновременно являющееся каналом фотоприёмника. На внешнюю сторону корпуса крепится Z-образная кюветная пластина и измерительная пластина. Светоизлучающее устройство, в котором формируется световой поток определенной длины волны, прикрепленное к фотометрическому шару, содержит: барабан светоизлучателей с кодовой пластиной, коллекторные пластины, блок излучателей. Принцип действия фотометра основан на сравнении потока излучения, прошедшего через «холостую пробу» (растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение) и потока излучения, прошедшего через исследуемый раствор. Световой поток от источника света фокусируется на зеркальной измеряемой пластине с образцом. Прошедший свет отражается, от зеркальной поверхности проходит снова через образец и рассеивается в шаре. Свет собирается в фотоприемнике, расположенном вне оси источника света.

Преимущества предлагаемого прибора перед аналогами и прототипами следующие:

- устройство портативно: общий вес фотометрического шара и блока с амперметром и источником питания не превышает 2,5 кг.

-прибор удобен в эксплуатации, есть возможность проводить замеры на любом участке тела.

-имеется возможность проводить замеры в узких спектральных интервалах с шириной около 10 нм с помощью интерференционных светофильтров, длины волн которых лежат в области 450-1100 нм.

-не требует затемнения помещения, так как фотометрический шар при измерении накрывает исследуемый участок, на который падает свет только от галогеновой лампы.

-фотометрическая сфера создает такие условия, при которых возможно проводить измерения независимо от шероховатостей и неровностей изучаемого участка, так как любой отраженный световой сигнал, многократно преломившись о стенки измерительной сферы, в любом случае попадает на фотодиод.

Файзуллин И.З., Мусин И.Н., Вольфсон С.И.

«Казанский национальный исследовательский технологический университет

им. Туполева – КАИ»