Лекция 7. Обзор методов анализа. Электрохимические инструментальные методы анализа (рН-метрия и ионселективная потенциометрия). Обзор методов анализа.
Методов, используемых в современной аналитической химии довольно много (несколько десятков), но в рутинных измерениях при процедурах мониторинга окружающей среды (МОС) и при оценке ее качества их принято группировать по принципу эффекта, дающего аналитический сигнал, подразделяя на: химические, физические, биологические, физико-химических, биохимические и биофизические методы. Среди них физико-химические методы анализа (ФХМА) являются наиболее разнообразными и широко применяемыми. Однако все эти методы основаны на количественных определениях содержания загрязняющих веществ в объектах ОС.
Рассмотрим их классификацию и дадим краткий обзор.
1. Классификация и важнейшие характеристики методов анализа, применяемых в мониторинге ос
В рамках используемых в экологическом мониторинге методов аналитической химии применяемые сегодня методы чаще всего группируют и называют по сущности эффектов, на которых они основаны (см. табл. 1, где указаны их типичные буквенные сокращенные обозначения).
Главными группами аналитических методов современные ученые-аналитики [1] считают три: спектральные (оптические), хроматографические и электрохимические. Далее в табл. 2 даются их развернутая классификация и главные характеристики (предел обнаружения, точность и область применения в анализе объектов ОС).
Таблица 1
Классификация методов анализа по виду измерений
Группа методов |
Наименование метода измерения |
Оптико-спектральные |
Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) |
Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) |
|
Атомно-флуоресцентная спектроскопия (АФС) |
|
Спектрофотометрия УФ и видимая (УФС и ВС) |
|
Инфракрасная спектроскопия (ИКС) |
|
Люминесцентная спектроскопия (ЛМС) |
|
Хемилюминесцентный (ХЛ) |
|
Пламенно-фотометрический (ПФ) |
|
Турбидиметрический (Т) |
|
Рентгеновские |
Рентгено-флуоресцентные (РФ) |
Рентгено-спектральные (РС) |
|
Активацион-ные |
Нейтронно-активационный (НА) |
Резонансные |
Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) Электронно-парамагнитный резонанс (ЭПР) |
Масс-метод |
Масс-спектрометрия (МС) |
Хроматогра-фические |
Газовая хроматография (ГХ) |
Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ) |
|
Жидкостная хроматография (ЖХ) |
|
Ионная хроматография (ИХ) |
|
Тонкослойная хроматография (ТСХ) |
|
Электрохими-ческие |
Кондуктометрический (Кн) |
Потенциометрический (Пт) |
|
Кулонометрический (Кл) |
|
Полярография (Пл) и вольтампаерометрия (ВА) |
|
Инверсионно-вольтамперометрический (ИВА) |
|
Радиохимичес-кие |
Радиометрический (РМ) |
Химические |
Гравиметрический (Г) или весовой (В) |
Титриметрический (Тм) |
|
Кинетические |
Хронометрия (Хр) |
Каталиметрия (Кт)
|
|
Биохимические |
Ферментные (Ф) |
Иммуно-ферментные (ИФ) |
|
Биологические |
Биоиндикация (БИ) и Биотестирование (БТ) |
Органолептические (Ол) |
|
Гибридные |
Хроматомасс-спектрометрия (ХМС) ЖХ с фотометрированием (ЖХФ) Экстракционно-фотометрический (ЭФ) и др. |
На основании таких группировок строится более детальная «практическая» классификация методов, результаты которой представлены в табл. 2.
Таблица 2
Классификация и важнейшие характеристики методов аналитических измерений
№ |
Аналити-ческий метод |
Предел обнару-жения, % |
Точность, % |
Определяемые компоненты (основные) |
Примечания |
1. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ |
|||||
1.1 |
Гравиметрия (весовой анализ) |
1–10 мкг |
0,1 |
Макрокомпоненты (пыль) |
Точны и надежны, но длительны и низкочувствительны |
1.2 |
Титриметрия (объемный химический анализ) |
10-6–10-4 моль/л |
1,0 |
Макро- и полумикрокомпо-ненты (все) |
|
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ |
|||||
2.1 |
Физико-химическая (электро-, оптико- и т.д.) титри метрия |
10-6–10-4 |
0,3–1 |
Широкий круг соединений |
Традиционно широко распространены |
2.2 |
Полярография(вольтамперометрия и инверсион-ная ВА) |
10-7–10-3 |
30–50 |
Следы солей металлов, восстановителей |
Специфичны, но средней чувствительности |
2.3 |
Молекулярная спектроскопия (фотометрия и спектро-фотометрия в видимой и УФ области) |
10-7–10-3 |
15–20 |
Микрокомпоненты (следы солей металлов), органические соединения |
Просты и широко применяемы, но средней чувствительности |
2.4 |
Люминесцентные методы (спектро-флуоримет-рия, хеми-люминометрия и др.) |
10-8–10-3 |
1–10 |
Микрокомпоненты (металлы и органические соединения) |
Высокочув-ствительны |
2.5 |
Кинетичес-кие методы (хрономет-рия, каталиметрия) |
10-9–10-4 |
10–50 |
Ультрамикроком-поненты (соли металлов и органические в-ва) |
Особо чувствитель-ны, но не точны |
2.6 |
Газовая хроматогра-фия |
10-6–10-2 |
5–300 |
Летучие органические соединения и отдельные неорг. в-ва |
Высокоспе-цифичны, очень широко применимы для анализа органичес-ких соединений и смесей |
2.7 |
Жидкостная (ионная) и га-зожидкостная хроматогра-фия |
10-7–10-4 |
2–20 |
Органические вещества и некоторые ионы |
|
3. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ |
|||||
3.1. |
Инфракрасная спектроско-пия |
10-3–10-2 |
5–10 |
Органические вещества, газы |
Высокоспе-цифичны |
3.2 |
Атомно-аб-сорбционная спектроско-пия |
10-7–10-5 |
5–10 |
Переходные металлы и др. элементы |
Технически сложны, но селективны |
3.3 |
Атомно-флуоресцентная спектро-скопия |
10-9–10-6 |
5–10 |
Щелочные, щелочноземельные и некоторые пере-ходные элементы |
Высокочувствительны и селективны, но сложны |
3.4 |
Нейтронно-активацион-ный анализ |
до 10-7 |
2–10 |
Многие элементы и органические соединения |
Требуют специальных условий работы и техники безопасности (ТБ) |
3.5 |
Рентгено-флу-оресцентная спектромет-рия |
10-3–10-2 |
1–2 |
Полумикрокомпо-ненты в почвах |
|
3.6 |
Радиометрия |
10-8–10-3 |
1–10 |
Следы элементов и орган. соединений |
|
3.7 |
Ядерный и электронный магнитный резонанс |
10-3 |
1–5 |
Макрокомпоненты |
Специфичны, но низкочув-ствительны |
3.8 |
Масс-спектромет-рия |
10-7–10-4 |
0,5–20 |
Следы элементов |
Точны и высокочув-ствительны
|
3.9 |
Методы кон-роля физичес-ких факторов (ФФ) |
— |
0,5–10 |
Уровни шума, освещенности, ЭМИ, вибрации и др. ФФ |
|
4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ |
|||||
4.1 |
Биологичес-кие, микро-биологичес-кие (биоинди-кация, органо-лептические) |
очень высокочув-ствительны |
Качествен-ное обнару-жение |
Биологически активные вещества и сами биообъекты |
Специфичны и высокочув-ствительны, но не коли-чественны |
4.2 |
Ферментатив-ные |
10-9–10-4 |
1–30 |
Ультрамикроком-поненты (металлы и орг. соединения) |
Высокочув-ствительны, но длительны |
4.3 |
Иммуно-ферментные |
10-10–10-5 |
10–40 |
Ультрамикрокомпоненты |
Особо чув-ствительны и избирательны но не точны |
5. ГИБРИДНЫЕ МЕТОДЫ |
|||||
5.1 |
Экстракциион-ные (в соче-тании с фи-зико-химическими мето-дами) |
10-9–10-6 |
10–30 |
Следы различных соединений на загрязненном фоне |
Высокочув-ствительны, специфичны, но длительны |
5.4 |
Хромато-масс-спектромет-рия |
10-10– 10-5 |
1–20 |
Следы элементов и органических соединений |
Особо высокочув-ствительны, точны и из-бирательны |
Эффективность любого из вышеперечисленных методов измерений характеризуется набором показателей, среди которых важнейшими считают [2, с.25]: чувствительность определения и предел обнаружения вещества (элемента), селективность (специфичность) и точность определения, воспроизводимость получаемых результатов, а также экспрессность выполнения анализа. Кроме того, к методам измерений, лежащим в основе методов ФХМА, также часто предъявляются требование применимости в широком интервале концентраций (от следовых в природной среде до высоких в источниках воздействий на нее).
Указанные выше методы измерений могут применяться как в «контактных», так и «дистанционных» методах мониторинга ОС, однако чаще и шире они используются именно в контактном варианте (см. рис. 1).
Наиболее распространена обширная группа физико-химических методов анализа, из которых примерно 50% относится к оптико–спектроскопическим и по 20–25% к электрохимическим и хроматографическим методам анализа. Рассмотрим их, начав с электрохимических.