III. Стандартные образцы

Воспроизводимость метода, можно оценить при помощи любого до­ступного образца, тогда; как для оценки правильности необходимо рас­полагать стандартным образцом.

Стандартные вещества должны быть по составу как можно более близки к пробам. Кроме того, состав стандарта должен быть известен с исключительно высокой степенью надежности; материал должен быть стабильным, т.е. его состав не должен изменяться со временем.

Для многих аналитических методов в качестве стандартов можно использовать чистые (>99,9%) стабильные химические соединения. Подобные образцы, для которых содержание вещества (практически» равное 100%) можно гарантировать, называют эталонами. Эталонами,, например, являются хлорид натрия, бихромат калия, кислый фталат калия, безводный карбонат натрия, иодат калия, металлический цинк и так далее. Эти эталоны широко используются в титриметрическом анализе.

Для проверки методик более сложных анализов, например для оп­ределения легирующих добавок в образцах металлов или минерального состава пород, чистые реактивы не являются хорошими эталонами. В этих случаях используют стандартные образцы, которые выпускаются различными службами стандартизации. Они подвергаются повторным испытаниям различными методами и снабжаются аттестатами, в кото­рых указана возможная ошибка приводимых значений.

Подобные стандарты обычно дороги, поэтому многие организации» создают коллекцию вторичных стандартов. Это вещества, состав кото­рых тщательно определен после калибровки метода по эталонам или стандартам, имеющим аттестацию.

Другой подход к изготовлению вторичных стандартов—метод «ле­гирования» — введение известного количества чистого вещества в под­ходящую основу. Так, можно сплавить известные количества металла А. с известным избытком металла В, получив таким образом серию спла­вов А с В. Другая возможность—размельчить до определенного раз­мера частиц два порошка и затем смешать их. В обоих случаях нужно обеспечить такие условия, чтобы при затвердевании расплава или при хранении порошкообразных веществ не возникала сегрегация.

Метод «легирования» близок к так называемому методу добавок. В простейшем виде метод состоит в добавлении известного количества» чистого реагента к аликвотной части раствора, подготовленного для анализа. Затем проводят одновременные анализы аликвот пробы и аликвот, содержащих известные количества добавленного элемента. Ме­тод добавок широко используется в полярографии.

Специально подго­товленные аналитические растворы (раствор образца с добавленными электролитом) исследуют на полярографе и получают зависимость тока от приложенного напряжения. К этому проанализированному раствору добавляют небольшой объем раствора, содержащего известное количе­ство того же восстанавливаемого вещества. После того как добавка рас­творится в исследуемом растворе, вновь измеряют значение тока на том же полярографе. Изменение силы тока позволяет определить концент­рацию определяемого элемента, поскольку количество введенного веще­ства известно.

IV. Калибровка оборудования

Необходимость регулярно калибровать установки и другое оборудование широко известна. Однако существует тенденция не следовать этому принципу. Например, пипетка конструируется таким образом, что она должна выдавать определенный объем жидкости за определен­ное время. Пока она еще новая и чистая, выдаваемый объем очень бли­зок к данным, обозначенным на стекле; но при непрерывном использо­вании острие может обломаться, выходной канал — уменьшиться из-за отложения жира или грязи, а внутренняя поверхность, может: загрязниться проходящими через пипетку растворами. К сожалению, многие химики не умеют учитывать ошибки, которые вносятся при использова­нии загрязненной или поврежденной стеклянной посуды. Для большин­ства из них калибровка посуды представляет собой утомительную ра­боту, которую иногда приходится выполнять против желания, как сту­дентам последнего курса. Некоторые решают эту проблему, используя высококачественную калиброванную посуду с заданными пределами ошибок, и при этом забывают, что аттестат на точность посуды не осво­бождает химика от необходимости своевременной очистки и периодиче­ской проверки этой посуды.

Одним из основных типов аналитического оборудования являются весы с набором гирь. Хотя применение современных одночашечных ве­сов в значительной степени снизило необходимость регулярной провер­ки взаимного соответствия отдельных гирь, оно не исключило потреб­ности в периодической проверке отсчетов при помощи стандартного на­бора гирь.

Для большинства приборов калибровка представляет собой простой процесс — снимают показания прибора, соответствующие стандартно­му веществу, и сравнивают с заданными показаниями измерительных приборов или положениями рукояток.

Например, шкалу длин волн спектрофотометра (в ультрафиолето­вой, видимой или инфракрасной области) проверяют, сравнивая спект­ры, полученные с помощью прибора для различных чистых веществ, с опубликованными спектрами этих веществ. Отсчеты потенциала на электрохимическом, оборудовании сравнивают со стандартным значени­ем, которое получают подключением нормального элемента. Калибров­ку приборов для измерения показателя преломления проводят по опу­бликованным значениям для выбранных растворителей и так далее.

Калибровка аппаратуры позволяет убедиться в том, что ошибки, вносимые приборами, минимальны. Но при массовом анализе проб не­известного состава могут возникнуть и другие отклонения. Для их вы­явления проводят этими же методами анализы стандартов, состав ко­торых близок к составу проб.

V. НЕПОСТОЯННЫЕ ЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С УСЛОВИЯМИ ЭКСПЕРИМЕНТА

На правильность и воспроизводимость результатов анализа могут влиять кроме уже обсуждавшихся по крайней мере еще пять перемен­ных величин.

А. ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Степень загрязнения, вносимого на стадии измерения, бывает значительной. Загрязнения могут быть связаны с неэффективностью пред­варительного разделения, например с неполным осаждением мешаю­щего вещества, или с «эффектом памяти» оборудования. Под эффек­том памяти, подразумевают случайное сохранение в использующемся приборе некоторого количества предыдущего вещества. Например, иногда трудно полностью освободить масс-спектрометр от следовых ко­личеств малолетучего вещества; в газо-жидкостной хроматографии од­на из составляющих смеси может столь медленно мигрировать через колонку, что она неожиданно появляется в виде пика после прохождения нескольких образцов; остатки растворителя в кювете могут приве­сти к искажению инфракрасных спектров при последующих исследова­ниях. Большую часть эффектов загрязнения можно исключить при со­блюдении необходимых мер предосторожности; тем не менее с этой причиной связаны многие неожиданно неверные результаты.

Б. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПОКАЗАНИЙ ПРИБОРОВ

Многие ошибки в инструментальных методах связаны с неверной калибровкой. В частности, невоспроизводимые результаты часто вызва­ны использованием прибора вне тех пределов, для которых он предна­значен. Это положение можно иллюстрировать очень простым приме­ром. Для массового титрования вполне удовлетворительна бюретка ем­костью 50 мл, которая выдает жидкость с точностью ±0,10 мл от объе­ма, указанного маркировкой. С другой стороны, при исследовательской работе часто приходится учитывать результаты титрования, отличаю­щиеся не более чем на 0,05 мл. В этом случае следует пользоваться ка­либрованной посудой более высокого класса точности.

Для снижения стоимости анализов приборы, используемые во мно­гих лабораториях, обычно настолько просты, насколько это позволяет их обычное применение, но использовать это оборудование для более сложных и точных анализов необходимо с осторожностью.

Например, при определении содержания ионов натрия в растворе простой соли с помощью фотометрии пламени слабое излучение других составляющих обычно экранируют, используя соответствующий фильтр. Интенсивность постороннего излучения, прошедшего через фильтр, не­значительна по сравнению с интенсивностью желтого света натрия. Ес­ли этот же прибор использовать с более горячим пламенем для иссле­дования более трудновозбудимых элементов, через фильтр будет про­ходить значительное количество излучения от нескольких различных типов атомов. При этом уменьшается чувствительность, нарушается ли­нейность калибровочных графиков и в ряде случаев получаются невос­производимые результаты.

Аналогичные эффекты наблюдаются в абсорбционной спектроско­пии. Диапазон частот или полоса излучения, которые характеристиче­ски поглощаются данным образцом, обычно достаточно узкие. Однако из-за общей конструкции щелей и диспергирующего устройства прибо­ра на образец обычно попадает излучение с более широким диапазоном частот, чем те, которые действительно необходимы для селективного поглощения. Это приводит к искажению сигнала, снижению чувстви­тельности прибора и к нелинейности калибровочных кривых.

При работе с подобными приборами можно добиться некоторого компромисса. Например, уменьшая ширину щели спектрофотометра, можно увеличить селективность за счет некоторого снижения чувстви­тельности прибора. Однако при этом уменьшается интенсивность про­пускаемого излучения и могут создаться условия, когда она станет слишком слабой для того, чтобы вызвать необходимую реакцию детек­тирующего устройства.

Другим примером может служить влияние скорости потока газа-но­сителя и температуры на эффективность разделения в газовой хроматографии. Увеличение этих двух переменных величин ускоряет процесс, но поскольку разделение основано на многократном распределении, уве­личение скорости потока газа-носителя может привести к неполному разделению и некоторые составляющие не будут зарегистрированы.

Необходимо помнить, что ошибка измерения обычно минимальна в так называемой линейной области, т.е. в диапазоне, в котором показа­ния прибора пропорциональны определяемой концентрации. Поэтому в абсорбционной спектроскопии предпочтительно контролировать условия таким образом, чтобы поглощающая способность образца [lg(P₀/P)] находилась в пределах 0,3—0,8 (здесь Р₀ — интенсивность излучения, входящего в образец, а Р — интенсивность прошедшего излучения).

Потенциальным источником ошибок является также снятие отсче­тов со шкалы прибора, точность которого зависит от того, правильно ли расположен глаз наблюдателя по отношению к шкале. Здесь относи­тельная ошибка зависит и от того, в какой части шкалы берется отсчет. Пусть, например, при отсчете с помощью бюретки неточность составля­ет 0,05 мм. Тогда при расходовании. 2,0 мл титранта относительная ошибка будет составлять 2,5%, а при расходовании 50,0 мл титранта— всего 0,1 %.

В. ВТОРИЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Типичные примеры невоспроизводимости, связанной с вторичными эффектами, можно привести из практики аналитических методов, кото­рые основаны на измерении излучения, испускаемого веществом.

В одном из методов образец нагревают в горячем пламени, кото­рое получают сжиганием газа. При этом обычно только небольшая до­ля от -всего числа присутствующих атомов возбуждается и испускает излучение; на пути этого излучения по направлению к детектирующему устройству некоторая его часть может быть поглощена «более холодны­ми» (невозбужденными) атомами. Уменьшение интенсивности излуче­ния, вызванное подобным процессом «самопоглощения», приводит к уве­личению нелинейности графика, причем искажение тем больше, чем выше концентрация атомов, присутствующих в области источника. В пламени может происходить также образование соединений (напри­мер, окислов металлов). Это ведет к возбуждению частиц различных типов, не дающему аналитических сигналов, и снижению интенсивно­сти излучения исследуемых атомов.

Если первичное возбуждение частиц осуществляется вследствие поглощения рентгеновских лучей, может наблюдаться эффект каскад­ного, или многократного, возбуждения. При облучении высокоэнергетичными рентгеновскими квантами некоторые типы атомов в образце испускают характеристическое рентгеновское излучение с меньшей энергией. Вторичные рентгеновские лучи могут быть поглощены атома­ми других элементов, входящих в состав образца. Это приводит к сни­жению интенсивности высокоэнергетичных составляющих и увеличению интенсивности низкоэнергетичного излучения, поскольку при поглоще­нии высокоэнергетичного вторичного излучений могут быть последова­тельно возбуждены атомы нескольких элементов.

Г. ЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С РАСТВОРИТЕЛЯМИ

В электрохимических методах многие из наблюдаемых отклонений можно связать с некоторыми свойствами исследуемых растворов. На­пример, потенциометрические измерения позволяют определять актив­ность частиц в растворе. Активность, в свою очередь, связана не только с концентрацией исследуемых частиц, но и с полной концентрацией электролитов в растворе. Изменение диэлектрической проницаемости растворителя (связанное ,с добавлением другой смешивающейся жидко­сти, например спирта, ацетона) также вызывает изменение показаний прибора.

Растворенные вещества могут диссоциировать или полимеризоваться в растворе; степень изменения зависит, от концентрации присутству­ющего вещества и от вида растворителя. Простым примером могут слу­жить растворы бихромата калия. При растворении в одной порции рас­творителя все больших количеств бихромата он превращается в хромат. Поэтому если откладывать зависимость поглощающей способности рас­твора (при фиксированной длине волны) от полной концентрации хро­ма, присутствующего в растворе, зависимость скажется нелинейной.

В любом методе, предназначенном для работы с жидкими образца­ми, необходимо учитывать возможные последствия, вызываемые взаимо­действием растворенного вещества с растворителем.

Д. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Если аналитический метод основан на поглощении энергии или диффузии частиц, показания регистрирующего прибора могут зависеть от температуры. Так, для того чтобы компенсировать флуктуации тем­пературы, которые могут возникать при возбуждении образцов элект­рическими разрядами, было признано необходимым сравнивать интен­сивность характеристической линии спектра испускания определяемого элемента с интенсивностью некоторой выбранной линии спектра веще­ства основы либо внутреннего стандарта.

Чрезвычайно велико влияние температуры в газо-жидкостной хроматографии. В полярографии диффузионный ток зависит не только от концентрации восстанавливаемых атомов или молекул, но и от темпера­туры, хотя последний аспект иногда не учитывают начинающие рабо­тать в этой области.

Изменения температуры могут также вызвать нарушение настройки измерительного прибора, что приводит к необходимости его новой ка­либровки.