Основы качественного химического анализа. Методическое пособие с элементами практикума

Тест-форма - аналитическая форма реагента или комбинации реагентов и разного рода добавок, приспособленная к условиям тестирования и готовая к применению в этих условиях.

Классификация тест-методов по природе процессов,

используемых для получения аналитического сигнала. Тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические.

Классификация по форме используемого тест-реагента.

Тест-реагенты - это прежде всего готовые растворы, «сухие реагенты», нанесенные на твердый носитель, или просто порошки (таблетки) самих реагентов. Тест-реагенты на твердой матрице: индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании анализируемого газа. Реагенты на носителях различаются природой носителя (целлюлоза, синтетические полимеры, силикагель) и способом закрепления на носителях (адсорбционные, ковалентные).

Основные требования, предъявляемые к реагентам, которые используют в тест-методах, таковы:

1.Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме - в зависимости от поставленной задачи.

2.Достаточно высокая чувствительность - в зависимости от задачи. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения должен быть ниже предельно допустимой концентрации (ПДК) определяемого компонента или близок к ней.

3.При использовании цветных реакций — высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества.

4.Возможность введения реагентов в формы, пригодные для использования в тест-методах, например, привитии (с образованием ковалентных связей) на поверхность силикагеля или целлюлозы.

5.Устойчивость реагентов при хранении в форме, используемой в тест-методах.

6.Достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции) во времени.

Готовые растворы. Обычно используют водные растворы; изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течение длительного времени. Концентрация реагентов соответствует ожидаемой концентрации определяемого компонента; в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда растворы содержат не только реагент, но и другие

необходимые вещества. Примерами могут служить наборы фирм

«Merck» или «CHEMetrics».

Реагенты-добавки. Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества - восстановители или окислители, буферы, маскирующие агенты, смачивающие соединения, закрепители.

Реагенты на твердой матрице. Большее распространение имеют тест-средства, приготовленные на твердом носителе - бумаге, ткани, синтетических органических полимерах, силикагеле. Реагент удерживают (иммобилизуют) адсорбцией, испарением растворителя после пропитывания раствором реагента в этом растворителе, другими физическими или химическими методами. Относительно слабая фиксация «физически» закрепленных реагентов на поверхности носителя и, как следствие этого, частичное его смывание при контакте с раствором являются основным недостатком таких тест- систем. Увеличения прочности связывания реагента с носителем

добиваются путем образованием химических связей между ними (химическая иммобилизация). Однако «физическое» закрепление, как правило, проще, поэтому оно широко распространено.

Для создания тест-методов и тест-средств используют химические реакции всех основных типов:

-кислотно-основные,

-окислительно-восстановительные,

-комплексообразования,

-реакции органического синтеза.

Значительную роль в тест-методах играют каталитические реакции, преимущественно с использованием ферментов. Соответственно используются реагенты различной природы и различного механизма действия.

Кислотно-основные реакции имеют большое значение при определении величины pH. Определение кислотности при анализе природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей - одна из самых массовых аналитических операций. Несмотря на развитие потенциометрических методов определения pH, определение кислотности с помощью индикаторных бумаг остается распространенной процедурой. Этот способ имеет ряд достоинств: простота, экспрессность, отсутствие необходимости использования аппаратуры и связанная с этим дешевизна определений, возможность проведения анализа в любом месте. Использование индикаторов в тест-методах выдвигает свои требования и критерии. Если индикатор закрепляют на бумаге, существенное значение имеет способ закрепления. Широко распространенное адсорбционное закрепление не всегда обеспечивает несмываемость индикатора, поэтому контакт бумаги с анализируемым раствором должен быть очень коротким. Прямые (субстантивные) красители-индикаторы - конго красный или

бриллиантовый желтый - закрепляются путем адсорбции лучше, поскольку линейные молекулы красителей прочнее связываются с линейными макромолекулами целлюлозы.

Реакции окисления-восстановления также часто применяются. При использовании твердых реагентов необходимо знать, изменится ли окислительно-восстановительный потенциал при иммобилизации реагентов на твердой матрице, поскольку эта величина зависит от способа иммобилизации и природы матрицы. Установлено, что окислительно-восстановительный потенциал молибдофосфорной кислоты изменяется при иммобилизации этой кислоты в ксерогеле на основе кремниевой кислоты.

Примером окислительно-восстановительных реакций могут быть реакции восстановления золота и серебра солью Мора в присутствии комплексообразующих веществ до элементного состояния с образованием окрашенных пятен на бумаге: синего цвета в присутствии золота, коричневого - в присутствии серебра. Содержание элементов определяют по диаметру пятна, пропорциональному содержанию золота (4–24 мкг) или серебра (2–12 мкг).

Тест-реакция на кобальт с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН) протекает в кислой среде (pH=2–3) в присутствии KIO4, окисляющего кобальт(II) до кобальта(III) в комплексе с ПАН, комплекс окрашен в зеленый цвет. Эта реакция очень чувствительна: Смин = 0,004 мг/л кобальта, поскольку одновременно происходит концентрирование кобальта на силикагеле. Тест-вариант предусматривает использование таблетки из силикагеля, содержащей все необходимые компоненты. За время разрушения таблетки при контакте с исследуемой водной средой протекают реакции

комплексообразования кобальта(II) с ПАН, окисление кобальта в комплексе и сорбция его матрицей.

Реакции комплексообразования широко используют в многочисленных тест-методах на ионы металлов, реже — в методах определения органических веществ. Специфических реакций образования комплексных соединений практически не существует, поэтому во многих тест-средствах предусматривается регулирование pH, использование маскирующих веществ и другие способы повышения селективности.

Одним из широко используемых реагентов является дитизон. Он образует окрашенные комплексы многих металлов; по устойчивости их можно расположить в ряд: Ag > Hg > Pd > Pt > Au > Cu > Bi > In > Sn >Zn > Cd > Co > Pb> Ni > Fe(II) > Mg > Tl(I). Хотя дитизон является групповым реагентом примерно на 30 катионов, можно проводить селективное определение иона, используя зависимость реакции от pH раствора, маскирующие реагенты и реакции вытеснения. Например, дитизон используют в сочетании с тиомочевиной и ацетатом натрия при получении индикаторных бумаг для определения суммы тяжелых металлов; предел обнаружения - 0,5 мг/л катиона.

Для определения цинка предложена бумага, пропитанная раствором из 50 мг дитизона, 1 г тиомочевины, 8 г карбоната натрия, 2 г желатина, 50 мл этанола и 50 мл воды; предел обнаружения цинка - 0,5 мг/л.

Для определения ртути и кадмия используют пенополиуретановые кубики, пропитанные дитизоном и дитизонатом свинца. Определение проводят по фиксированию интенсивности окраски кубиков после их контакта с исследуемой жидкостью в диапазоне концентраций ртути 0,2–10 мг/л и кадмия 0,1–10 мг/л.

Потенциальными реагентами в тест-методах могут быть триоксифлуороны, оксимы, дитиокарбаминаты. Эти реагенты широко используют в фотометрии, они чувствительны, а при определенных условиях и селективны. Достаточно назвать в качестве примеров реакции диметилглиоксима с никелем, дитиокарбаминатов с медью, сульфосалициловой кислоты с Fe(III).

Из многочисленных реагентов, успешно используемых в тест- методах для определения ионов металлов, в качестве примера, можно назвать реагенты двух классов органических соединений - формазаны и гетероциклические азосоединения.

Реакции органического синтеза используют менее широко.

Однако известны примеры их применения в неорганическом анализе. Примером является определение нитрит-ионов, при котором реализуются реакции диазотирования и азосочетания.

Большое распространение в качестве матрицы для твердотельных тест-реагентов получили синтетические органические полимеры.

Основным способом нанесения реагентов на такие полимеры является физическая иммобилизация, однако известны примеры «химической прививки». Так, для определения pH тест-системы получают конденсацией полиакролеина с аминосоединениями (4- аминоазобензол, 4-амино-2,3-диметилазобензол), поликонденсацией фенолфталеина с формальдегидом, мочевиной и фенолом и полимеризацией 4-п-аминофенил-азофенилметакрилата и 4-п- диметилами-нофенилазометакрилата в присутствии азодиизобутиронитрила. Полученные тест-формы отличаются устойчивостью к кислой и щелочной средам и обратимостью действия.

Вкачестве матриц-носителей для органических реагентов в тест-методах широко используют пенополиуретаны (ППУ). Эти полимеры могут удерживать хелатообразующие реагенты, неорганические осадители, ферменты. После сорбции окрашенных соединений или их образования на поверхности пенополиуретаны приобретают окраску, характерную для определяемого соединения. Тесты с использованием ППУ выполняют в трех вариантах.

Первый основан на образовании окрашенного соединения в анализируемом растворе и последующей сорбции немодифицированным ППУ.

Вслучае второго варианта окрашенное соединение образуется

вфазе сорбента в результате взаимодействия между определяемым веществом и гидрофобным реагентом, иммобилизованным на ППУ.

Для определения следов металлов разработана большая группа систем на основе наполненных волокнистых материалов. Реагенты сорбционными силами закрепляются на ионообменнике. Меняя природу ионообменника и реагента, а также условия реакции, можно создать наиболее избирательную систему для сорбции и определения данного металла. Через полученный материал в виде тонкой пластины

симмобилизованным реактивом пропускают анализируемый раствор. Оптический сигнал измеряют визуально или инструментальным методом.

Одним из наиболее распространенных неорганических полимерных носителей реагентов являются силикагели. Их модифицируют различными реагентами и наполняют тест-трубки для анализа воздуха. Например, для определения метанола и этанола в воздухе, химического потребления кислорода в воде, используют оксид хрома(VI) в среде серной и фосфорной кислот; для определения SO2 в воздухе - бромкрезоловый зеленый; для определения хлора - флуоресцеин и бромид калия; для определения оксидов азота - иодид

калия и крахмал; для определения остаточного (5-10–5%) хлора в воде - о-толидин. Силикагели с иммобилизованным ксиленоловым оранжевым или пиридилазорезорцином применяются для определения железа и меди по длине окрашенных зон при пропускании исследуемой жидкости через слой сорбента.

Иммобилизованные гетероциклические азосоединения на кремнеземах используются в качестве тест-форм для определения

Co(II, III), U(VI), Fe(III), Cr(III), Mn(II), Ni(II), Zn(II). Концентрацию определяют по цвету сорбентов после их контакта с исследуемым раствором.

Вкачестве матриц иногда используют неорганические соединения, в том числе соли - карбонаты кальция, бария, магния, сульфат бария. Например, для обнаружения свободной воды в углеводородах на кристаллы соли наносят тонкий слой фуксина или метилового фиолетового. Модифицирование неорганическими реагентами проводят сорбцией или осаждением на сорбентах гидроксидов, оксидов или солей металлов.

Воснову применения тест-методов положена методология скрининга (просеивания), используемая для анализа большого числа образцов. Эта методология допускает неправильные положительные результаты на присутствие анализируемого компонента. В то же время она полностью исключает неправильные отрицательные результаты. По этой причине все пробы, давшие положительную реакцию, изучают с помощью более информативного физического или физико-химического метода, например, хроматографии. В свою очередь, все отрицательные результаты скрининга принимают как окончательные без какой-либо дополнительной проверки. В связи с этим к тест-методам предъявляются высокие требования по специфичности наблюдаемого отклика на присутствие определенных компонентов в анализируемых образцах.

При применение тест-методов погрешность анализа в области малых концентраций не превышает 30 %. Время анализа 5-15 мин. в зависимости от способа определения и концентрации анализируемого вещества.

Результаты анализа, выполненного тест-методами, не могут быть использованы государственными органами для выдачи официальных заключений о качестве анализируемых объектов. Однако они могут оперативно информировать о составе минерального сырья, биологического объекта, выявить источники загрязнений, установить ареалы распространения загрязняющих веществ, быстро устранить последствия аварий, и будут являться ориентирами при проведении анализа в лаборатории более точными методами.

Применение тест-методов можно проиллюстрировать следующими примерами.

Тест-средства и приемы анализа жидких сред

Основными средствами тестирования воды, водных растворов и других жидких средств являются бумажные индикаторные полоски, индикаторные трубки, таблетки и простейшие устройства для титрования. Известны и другие средства.

Бумажные полоски и их аналоги. Разнообразием способов изготовления тест-устройств и определения концентрации с их помощью отличаются тест-системы, в которых аналитический реагент иммобилизован на твердых носителях, особенно на целлюлозных бумагах. Содержание компонентов определяют:

1)по тону или интенсивности окраски, возникающей после контакта носителя с исследуемой жидкостью,

2)путем ее сравнения с цветной шкалой,

3) по площади окрашенной или обесцвеченной зон индикаторных бумаг.

Индикаторные бумаги для погружения в жидкость. Это самый простой способ определения концентрации. Например, фирмой «Мерк» выпускается множество тест-полос для анализа жидкостей, например серии Merckoquant (таблица 9.1).

Таблица 9.1 Тест-полосы Merckoquant (E.Merck) для анализа жидких сред