Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
Вольтамперная кривая описывается уравнением
Гейровского-Ильковича
Е= E
(знак "+" для анодного, "-" для катодного процессов), где Е и E
± (RT/nF) lnI/(Iпр -I) (5.14)
l/2
1/2
— потенциал в любой точке полярографической волны и на
половине ее высоты, соответственно, n - число электронов,
участвующих в электрохимической реакции, Iпр и I —
предельный диффузионный ток и ток для выбранного значения
напряжения Е.
Полярограмма содержит ценную аналитическую
информацию: потенциал полуволны Е
является качественной
1/2
характеристикой деполяризатора, в то время как предельный
диффузионный ток линейно связан с концентрацией его в
объеме раствора. Эта зависимость при использовании ртутного
капающего микроэлектрода выражается уравнением Ильковича:
= 607 n D
I
пр
1/2 m2/3 t1/6
C (5.15)
или
Iпр = KC , (5.16)
где D — коэффициент диффузии деполяризатора, см2/с , m —
масса ртути, вытекающей из капилляра за секунду, г/с, т —
время жизни ртутной капли, с, С — объемная концентрация
деполяризатора, моль/л.
Для твердого микроэлектрода в отсутствие
принудительного перемешивания раствора уравнение
концентрационной зависимости тока принимает вид
Iпр = SnFDC/δ, (5.17)
где S –площадь микроэлектрода, см2, δ – толщина
диффузионного слоя, см.
Если в растворе присутствует несколько электрохимически
активных соединений, на полярограмме наблюдается
соответствующее число волн. Потенциалы полуволн и значения
предельных диффузионных токов, зарегистрированных на такой
полярограмме, совпадают с аналогичными величинами,
181
полученными для растворов индивидуальных соединений такой
же концентрации.
Полярограммы могут быть искажены за счет
полярографических максимумов - резкого возрастания тока
выше его предельного значения с последующим спадом.
Причины возникновения максимумов различны, и могут быть
связаны с неравномерной поляризацией ртутной капли и
тангенциальным движением ее поверхности, что приводит к
дополнительному перемешиванию раствора. Такого рода
максимумы можно устранить введением в полярографический
раствор ПАВ, красителей (метиловый красный, фуксин и др.),
высокомолекулярных соединений (агар-агар, желатин). ПАВ
адсорбируются на поверхности ртутной капли, изменяя ее
поверхностное натяжение, и тем самым устраняют
неравномерное движение приповерхностных слоев. Кроме того,
на полярограммах возникают кислородные максимумы.
Интерпретация полярограммы, осложненной волнами
восстановления кислорода, затруднительна, поэтому перед
полярографированием из анализируемого раствора кислород
удаляют, продувая анализируемый раствор азотом или аргоном.
Величина Е
служит качественной характеристикой
1/2
полярографически активного вещества, ее можно определить
графически. Более точно значение Е
определяют расчетным
1/2
путем, используя уравнение полярографической волны
Гейровского—Ильковича. Количественной характеристикой
анализируемого соединения в полярографии является
предельный диффузионный ток или высота волны (пика),
которая в соответствии с уравнением (5.16) является линейной
функцией концентрации.
Определить концентрацию определяемого вещества можно
одним из следующих методов: метод градуировочного графика,
метод добавок, метод стандартов. Во всех случаях используют
стандартные растворы, состав которых должен быть
182
максимально приближен к составу анализируемого раствора,
условия полярографирования стандартных и анализируемого
растворов должны быть одинаковыми.
Полярография органических соединений.
Полярографирование органических соединений позволяет не
только идентифицировать их и количественно определять, но и
решать целый ряд задач из области теоретической и прикладной
органической химии: оценить СН-кислотность углеводородов,
влияние заместителей на свойства соединений, определить
потенциалы ионизации, константы скорости гидролиза,
протонизации и др.
В электрохимическом процессе может участвовать
отдельная функциональная группа органического соединения
(восстановление, например нитрогруппы) или в процесс может
быть вовлечена система сопряженных связей молекул в целом
(восстановление ароматических углеводородов). Поскольку
распределение электронной плотности по электрохимически
активной функциональной группе связано со структурой и
природой всей молекулы, потенциал Е
не является величиной
1/2
строго постоянной и для аналитических целей используется
редко. По сдвигу Е
можно получить информацию о строении
1/2
и реакционной способности органических соединений. Для
количественных определений органических соединений
используют зависимость предельного диффузионного тока от
концентрации.
При полярографировании органических соединений
возникает ряд трудностей, связанных с подбором растворителя и
фонового электролита. При выборе растворителя учитывают его
растворяющую способность, диэлектрическую проницаемость и
протогенные свойства, поскольку большая часть органических
соединений восстанавливается на катоде с участием протонов.
Этим требованиям отвечают диметилформамид,
диметилсульфоксид, ацетонитрил, тетрагидрофуран и др.
183
Полярографическую активность проявляет небольшая
часть органических соединений. Целые классы соединений
(амины, гидроксисоединения, непредельные углеводороды без
сопряжения между двойными связями, предельные
углеводороды и др.) не восстанавливаются на ртутном
капающем электроде и полярографических волн не дают, или
восстанавливаются в далекой отрицательной области
потенциалов, не доступной для анализа. Для определения такого
типа соединений используют косвенные приемы: путем
предварительных реакций комплексообразования,
галогенирования, окисления и других переводят их в
полярографически активные формы, используют эффект
количественного влияния этих соединений на условия
полярографирования других веществ. Такие приемы позволяют
проводить полярографический анализ органических соединений
различных классов: алифатических углеводородов с
сопряженными двойными и тройными связями, пероксидов,
гидропероксидов, фенолов, галогенпроизводных, альдегидов,
кетонов, азометинов, аминов, нитросоединений, карбоновых
кислот, серосодержащих соединений, гетероциклических
соединений, полимеров и др.
Метод вольтамперометрического анализа используют в
качестве детектора при определении неорганических и
органических соединений различного состава. Интервал
-2
определяемых концентраций - 10
—10-6 моль/л, нижний предел
определения достигает 10-9 моль/л. При определении малых
концентраций относительная погрешность не превышает 3%.
184
6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
(БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ)
Загрязнение воздуха, воды и почв неизбежно приводит к
появлению токсичных веществ в пищевой продукции. Поэтому
необходимы методы мониторинга состояния окружающей
среды.
Химические и физико-химические методы анализа не в
состоянии охватить все многообразие загрязняющих веществ,
которые претерпевают в окружающей среде сложные
трансформации, образуя еще более токсичные вещества.
Количественный анализ какой-либо примеси сам по себе не дает
ответа на вопрос о ее биологической опасности. Поэтому
необходимы методы интегральной оценки качества среды, такие
как биоиндикация и биотестирование, которые составляют
основу биологического мониторинга.
Биологический мониторинг - система наблюдений, оценки
и прогноза любых изменений в биоте, вызванных
антропогенными факторами.
В рамках биологического мониторинга принято
рассматривать три вида деятельности: разработку систем
раннего оповещения, диагностику и прогнозирование. Создание
систем раннего оповещения о токсичности предполагает отбор
подходящих организмов, конструирование приборов, способных
с большой чувствительностью выделить сигнал биологического
отклика на фоне "шума".
Задачей диагностического мониторинга является
обнаружение, идентификация и определение содержания
загрязняющих веществ с использованием индикаторных организмов (организмов-мониторов).
Для получения прогноза состояния биотической составляющей окружающей среды используют биотестирование.
185
Биотестирование – прием исследования, в котором о качестве
среды, о факторах, действующих самостоятельно или в
сочетании с другими, судят по выживаемости, состоянию и
поведению специально помещенных в эту среду организмов –
тест-объектов.
Биоиндикация – близкий к биотестированию прием,
использующий организмы, обитающие в исследуемой среде.
При этом присутствие, количество или особенности развития
организмов служат показателями естественных процессов,
условий или антропогенных изменений среды.
Основные требования к биоиндикаторам:
• присутствие биоиндикаторов в исследуемой среде в
большом количестве, их доступность, простота
культивирования;
возможность четкой индикации биологического эффекта;
•
• высокая чувствительность эффекта;
• воспроизводимость, достоверность биологического отк-
лика. Обычно требуется, чтобы погрешность биоиндикации
была не выше 20%;
• доступность датчиков токсического эффекта, простота их
технического исполнения.
Биоиндикация может осуществляться на уровне молекулы,
клетки, органа (систем органов), организма, популяции или даже
биоценоза. Естественно, что повышение уровня организации
приводит к усложнению, неоднозначности взаимосвязи
биологического отклика с антропогенными факторами среды,
поскольку на них могут накладываться природные факторы.
Для биотестирования подбирают в биоценозе наиболее
чувствительные к исследуемым загрязнителям организмы.
Рассмотрим биоиндикацию и биотестирование на
различных уровнях организации живой природы.
Молекулярный уровень биоиндикации. Экологические
системы обладают некоторым запасом устойчивости
186
(гомеостаз). Организмы также способны в определенных
пределах адаптироваться к изменениям условий среды
(проявляется закон толерантности). Физиологическая
толерантность и экологическая потенция организма определяют
его индикаторную ценность. В то же время биохимические
реакции гораздо менее стабильны к воздействию внешних
условий. Поэтому для распознавания нарушений на возможно
ранней стадии техногенного воздействия, предотвращения
необратимого изменения экосистемы используют отклик
биохимических реакций (молекулярный уровень
биоиндикации). Это связано с тем, что биохимические и
физиологические параметры значительно чувствительнее и
изменение их часто происходит при очень незначительных
концентрациях экстремальных факторов среды – стрессоров. К
примеру, внешнее воздействие (например, психологическое) не
всегда приводит к видимым изменениям. Но последствия такого
воздействия можно легко установить на молекулярнобиологическом и биохимическом уровне по повышению
содержания адреналина в крови человека.
Большая часть биохимических реакций происходит в
пространстве, ограниченном биомембранами, которые также
осуществляют направленный транспорт внутри клетки. Чтобы
повлиять на физиолого-биохимические реакции, стрессор в
активной форме должен проникнуть через эти структуры. Так,
влияние SO
на биохимические реакции связано с проник-
2
новением в клетку, превращением в сернистую кислоту и
влиянием на буферную емкость клетки. Поскольку
каталитические функции ферментов зависят от рН, снижение
буферной емкости может привести к значительным нарушениям обмена веществ. С мембранами хлоропластов связаны
пигменты, обладающие фотосинтетической активностью. Эти
тонко структурированные мембраны могут легко разрушаться
под действием SO
и других токсикантов. Интактные хлоро-
2
187
пласты, в том числе и хлорофилл, обладают способностью к
флуоресценции. Эта способность хлорофилла используется как
индикаторный признак нарушений, вызванных у растений при
воздействии газодымовых выбросов. Двухчасовое воздействие
SO2 (25 млн-1), например, радикально меняет интенсивность
флуоресценции хлоропластов.
Изменения в окраске листьев являются наиболее характерным признаком влияния на растения газодымовых выбросов
и связаны с уменьшением содержания хлорофилла под
действием стрессоров. Такие изменения можно зарегистрировать после экстракции пигментов ацетоном хроматографиическим и спектрофотометрическим методами. Так, при превращении хлорофилла в феофитин под действием стресс-соров
спектральные характеристики экстракта меняются. Измерение
светопоглощения при длинах волн 645 и 663 нм позволяет
количественно оценить степень антропогенного воздействия.
Наблюдение за функциональным состоянием растений
(например, одноклеточных водорослей – фитопланктона) под
действием антропогенного фактора можно проследить по их
способности продуцировать кислород в процессе фотосинтеза.
Угнетение фотосинтетической активности под действием
различных загрязнителей вызывает уменьшение по сравнению с
контролем количества кислорода, продуцируемого в единицу
времени. Концентрация кислорода в воде измеряется
химическим методом (по Винклеру), либо с помощью
электрохимического (кислородного) сенсора.
За биохимическими и физиологическими реакциями
живых организмов на действие антропогенных стрессоров
можно проследить по изменениям активности определенных
фер-ментов, которые служат индикаторами метаболических
нару-шений. При этом у многих ферментов при низких концентрациях стрессора нередко наблюдается стимуляция актив-
188
ности. При дальнейшем повышении концентрации токсиканта
уже происходит ингибирование ферментативных реакций.
Биоиндикация на клеточном уровне затруднительна в
экспериментальном отношении и используется сравнительно
редко. Длительные наблюдения влияния загрязнителей
мирового океана на представителей морской фауны показывают,
что загрязнение воды приводит к повреждениям клеток
эпидермы (наружного поверхностного слоя кожи) и гиподермы
(слоя эпителия под хитиновым покровом) ракообразных.
Последние служат основной пищей представителей морской
фауны. Действие газообразных выбросов (диоксидов серы,
окислов азота) вызывает уменьшение размеров клеток
эпидермиса листьев некоторых деревьев.
Действие различных ксенобиотиков, например,
хлорорганических инсектицидов, сказывается на уровне
популяции и выражается в снижении их плодовитости.
Первичные механизмы влияния их, однако, проявляются на
молекулярном и клеточном уровнях и хорошо объяснимы. Как
оказалось, действие хлорорганических препаратов, таких как
ДДТ, линдан и др., связано с женскими стероидными
гормонами. Так, ДДТ конкурирует с естественными эстрогенами
за рецепторы, расположенные в ядрах клеток яйцеводов.
В целом основное ограничение, связанное с
использованием биоиндикации на клеточном уровне для ранней
диагностики загрязнений окружающей среды, заключается в
том, что микроскопические симптомы появляются либо
одновременно с хорошо заметными макроскопическими
признаками, либо немного раньше их.
Биоиндикация на тканевом уровне основана на
фиксации морфологических отклонений от нормы при
воздействии антропогенных стрессоров. Исторически именно
морфологические реакции организмов на техногенные факторы
являлись первыми, которые были использованы для
189
биоиндикации. Так, еще в середине XIX века описаны факты
повреждений растений дымом вокруг бельгийских и английских
фабрик.
К морфологическим отклонениям высших растений
относятся изменение окраски листьев, хлороз, пожелтение,
некроз (омертвление), увядание листвы и ее опадание.
Оценить такие реакции зачастую сложно, диагноз может
быть ложным. Кроме того, наблюдаемые отклики могут
вызываться воздействием климатических колебаний, времени
года, вредителей, стадии развития растения. Но некоторые
показатели морфологических нарушений разработаны
достаточно детально. Так, эрозия плавников у рыб возникает изза дефицита растворенного в воде кислорода в присутствии
химических загрязнителей, а также вследствие вторичного
бактериального заражения. Повышенные концентрации
хлорированных углеводородов, ионов тяжелых металлов в воде
способствуют появлению аномалий в скелетах рыб.
Для некоторых стрессовых факторов испытаны или
специально подобраны различные морфологические
индикаторы, которые позволяют проводить кратко- или
долгосрочную индикацию как низких, так и высоких доз
антропогенного воздействия. В ряде стран (Нидерланды и др.)
морфологические индикаторы используются в национальной
системе экологического мониторинга. Представление о
практическом применении биоиндикации на морфологическом
уровне можно рассмотреть на следующих примерах.
Табак сорта BEL W3 был специально выведен для мониторинга озона в атмосфере. Он настолько восприимчив к
содержанию озона, что в промышленно развитых странах его
невозможно было бы выращивать. Уже слабое воздействие
озона вызывает по всей листовой пластинке табака появление
серебристых некротических пятен. Для сравнения рядом с этим
сортом табака высаживают его озоноустойчивый аналог BEL B.
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]