23. Методы физико-химических иследований.

Для проведения санитарно-гигиенических исследований в настоящее время широко применяются физико-химические методы исследования: фотометрический анализ (колориметрия, фотоколориметрия, спектрофотометрия), нефелометрический, спектральный, потенциометрический, полярографический, радиологический анализы, хроматграфический и т.д. Они позволяют определить мироконцентрации вредных веществ в объектах окружающей среды: атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны, питьевой воде, пищевых продуктах, а также одновременно определять комплекс веществ, находящихся в одной пробе.

Фотометрический метод

Фотометрический анализ отличается простотой выполнения, достаточной точностью и высокой чувствительностью. Он основан на избирательном поглощении светового потока однородными средами, пропорциональной зависимостью между оптической плотностью веществ, его концентрацией и толщиной поглощающего слоя.

Существует определенное соотношение между цветом поглощаемого излучения и цветом анализируемого раствора.

Таким образом, спектральная область с длинами волн 400-435 нм имеет фиолетовый цвет и лучше всего поглощает раствор, окрашенный в желто-зеленый цвет.

Световой поток может иметь широкий участок излучения, порядка 20-30 нм, иногда 50 км с определенным максимумом пропускания. Такой характер излучения встречается в фотоэлектроколориметрах, где световой поток в определенном интервале длин волн выделяется с помощью светофильтров. Это полихроматический световой поток.

Световой поток может представлять собой узкий пучок света определенной длины волны. Такой световой поток называется монохроматическим. Монохроматическое излучение характерно для спектрофотометров, где монохроматизация достигается с помощью кварцевой диспергирующей призмы или дифракционной решетки, с помощью которой длина волны может регулироваться с точностью до 0,2 нм.

Спектрофотометрический анализ имеет ряд преимуществ по сравнению с фотоколориметрическим. При использовании спектрометрии оптическую плотность анализируемых растворов измеряют спектрофотометром с использованием монохроматического излучения, поэтому значительно увеличивается чувствительность и точность определения. Кроме того, спектрофотометрический метод применим как для анализа одного вещества в растворе, так и для анализа многокомпонентной системы веществ, не реагирующих химически друг с другом. Спектрофотометрия позволяет работать не только с окрашенными растворами, поглощающими свет в видимой области спектра, но и с прозрачными растворами, которые поглощают излучение УФ- или ИК- областях спектра.

Основной закон светопоглощения. Если световой поток пропустить через кювету с раствором, поглощающим свет, то выходящий световой поток будет менее интенсивным, чем входящий. Ослабление светового потока связано с частичным поглощением его и частичным отражением.

Соотношение между интенсивностями падающего светового потока Iо, светового поток, прошедшего через раствор I, поглощенного Iп и отраженного Iотр можно выразить следующим образом:

Io= I+ In Iomp

Интенсивность отраженной части светового потока невелика и ею можно пренебречь. Тогда Io = I + In. Непосредственно можно измерить интенсивность падающего светового потока и светового потока, прошедшего через раствор. Интенсивность поглощенного светового потока непосредственному измерению не поддается. Ее принято выражать величиной. Эта величина называется оптической плотностью и обозначается А. существует определенная зависимость между оптической плотностью, толщиной слоя и концентрацией вещества, выражаемая законом Бугера- Ламберта - Бера: А = KCL, где К - молярный коэффициент светопоглощения, С- концентрация раствора, моль/дм:3, L - толщина слоя раствора, через который проходит световой поток, см.

Молярный коэффициент светопоглощения К зависит от длины волны, температуры растворителя и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации растворенного вещества. Он отражает индивидуальные свойства вещества, для разных веществ он имеет различное значение. Величина молярного коэффициента светопоглощения является наиболее важной величиной и объективной характеристикой чувствительности фотометрического метода. Чем выше величина коэффициента, тем чувствительнее метод.

Величина оптической плотности зависит от длины волны и концентрации раствора. Поглощение света при разных длинах волн неодинаково, оно носит избирательный характер. Если измерить максимальное значение оптической плотности какого-либо раствора при различных длинах волн и выразить это графически, то можно получить спектр поглощения данного вещества: при определенной длине волн (а), на определенном участке длины волны (б), при двух значениях длин волн (в). Спектр поглощения является индивидуальной характеристикой данного вещества, он используется для идентификации веществ. Если получить спектры поглощения растворов исследуемого вещества, имеющих различную концентрацию, то кривые спектров поглощения будут иметь одну и ту же форму, положение максимума поглощения сохранится на всех аспектах при одной и той же длине волны.

Как уже было сказано, величина оптической плотности зависит от концентрации раствора. Чем больше концентрация раствора, тем больше величина оптической плотности.

Построение калибровочного графика. Предварительно необходимо подготовить посуду - мерные колбы, пробирки, пипетки, реактивы и растворы.

Для построения калибровочного графика готовят серию стандартных растворов, охватывающих диапазон измеряемых концентраций исследуемого вещества согласно методике.

Калибровочный график строят по 5-6 сериям шкал; количество концентраций в каждой шкале должно быть не менее 5. Резко отличающиеся значения оптической плотности не учитывают. Из остальных рассчитывают среднее арифметическое значение для каждой концентрации и строят график зависимости оптической плотности от концентрации вещества.

Примерный размер графика 20-25 * 30 см.; прямая должна проходить под углом приблизительно 45°. В идеальном случае все точки лежат на прямой, обычно часть точек располагается на прямой, засть выше и ниже ее, точки как бы чередуются.

На графике должны быть указаны условия фотометрирования: номер светофильтра или длина волны (нм), размер кюветы (мм), время фотометрирования. Кроме того, должна быть указана дата построения калибровочного графика. Калибровочный график необходимо периодически проверять по 2-3 концентрациям. Наиболее распространенными приборами являются фотоэлектроколориметр ФЭК -56М, колориметр фотоэлектрический однолучевой КФО, колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2, КФК-2МП с микропроцессорной системой «Электроника» и спектрофотометр СФ-46

Надежность результатов измерений при работе на фотоэлектроколориметрах и спектрофотометрах обеспечивается правильной установкой и эксплуатацией приборов. Поэтому приступать к измерениям можно только после тщательного ознакомления с описанием устройства прибора и правил его эксплуатации.

Полярографический метод

Полярографический метод анализа является одним из электрохимических методов. Он основан на расшифровке вольтамперных кривых, называемых полярограммами, которые получаются при электролизе исследуемого раствора в специальной электрополярографической ячейке. В этой ячейке в качестве одного электрода, называемого рабочим, используют ртуть, вытекающую из тонкого капилляра - катода с периодом капания 2-7 с и диаметром примерно 1 мм. Второй электрод - анод, является электродом сравнения. Он представляет собой слой ртути с большей поверхностью на дне судна.

От внешнего источника тока на электроды подается постепенно увеличивающееся напряжение. При наличии в анализируемом растворе веществ, способных окисляться или восстанавливаться, сила тока возрастает после достижения определенной величины приложенного напряжения, называемой потенциалом полуволны. Эта зависимость силы тока от приложенного напряжения выражается полярографической волной и регистрируется на самописце полярографа. Для количественного определения вещества используют прямопропорциональню зависимость между силой предельного тока, выраженной высотой полярографической волны и концентрацией вещества в растворе. Для получения строго количественных закономерностей в анализируемый раствор вводят избыток постороннего электролита - фон. В качестве фона применяют соли лития и другие разбавленные соли, кислоты, щелочи. Присутствие кислорода в анализируемом растворе мешает проведению анализа, поэтому его удаляют, пропуская через раствор инертный газ.

Для полярографии используют полярографы различных марок. Полярографированию поддаются почти все катионы металлов, многие анионы, неорганические и органические вещества, способные к электрохимическому окислению или восстановлению. Высокая чувствительность метода сочетается с достаточной точностью. Быстрота выполнения анализа, объективность получаемых результатов в сочетании с хорошей воспроизводимостью, выгодно выделяет полярографический метод среди других физико-химических методов исследования. Этот метод нашел широкое применение в санитарно-химическсм анализе для исследования пищевых продуктов на содержание солей тяжелых метилов, а также питьевых вод, поверхностных водоемов и сточных вод на содержание солей хрома, свинца, цинка, меди. В воздухе полярографическим методом определяют свинец, хром, марганец, цинк, кадмий, медь, формальдегид, и другие токсичные вещества.

Метод газовой хроматографии

Газовая хроматография- метод разделения смеси веществ, основанный на распределение компонентов между двумя несмешивающимися фазами. Подвижной фазой является инертный газ, неподвижной - жидкость или твердое тело. В газожидкостной хроматографии разделяемые компоненты перемещаются по колонке с помощью газа- носителя, распределяясь между ним и жидкой неподвижной фазой, нанесенной на твердый носитель.

Жидкие неподвижные фазы - эта вещества, которые в виде однородно пленки наносят на поверхность твердого инертного носителя. Они представляют собой жидкости, имеющие высокую температуру кипения, относящиеся к различным классам соединений.

Твердый носитель- инертное тело, на которое наносится жидкая фаза в виде однородной пленки. Сами носители не должны взаимодействовать с анализируемыми веществами.

Газ - носитель (гелий, аргон, азот) переносит анализируемую пробу через хроматографическую колонку.

Анализ смесей исследуемых компонентов выполняют на специальных приборах — хроматографах. Хроматографы состоят из регулятора расхода газов, системы ввода проб, термостатируемой колонки, детектора и регистрирующего устройства. Современные хроматографы построены по принципу блочной конструкции, включают набор детекторов и вычислительную технику для обработки хроматограммы.

Детектор регистрирует присутствие каждого компонента в пробе и позволяет измерить его количество. Детектор определяет точность и чувствительность метода. Регистрация вещества осуществляется за счет изменения свойства газового потока, выходящего из хроматографической колонки и преобразующегося в электронный сигнал.

Метод газовой хроматографии позволяет определить ничтожно малые количества вещества, не обладающий специфическими реакциями и анализировать смеси десятков и сотен компонентов с близкими свойствами. Разделенные вещества фиксируются в виде пиков на хроматограмме. Местоположение пика на хроматограмме характеризуется временем удерживания. Время удерживания компонента - это период от момента ввода в колонку анализируемой пробы до момента выхода (максимум пика). Размер пика на хроматограмме прямо пропорционален количеству анализируемого вещества, что позволяет проводить количественный анализ.

Метод газовой хроматографии является высокочувствительным, точным, универсальным, имеет большие преимущества по сравнению с другими методами; используется для определения смесей токсических веществ в воздухе, продуктах, воде и др

Люминесцентный метод

Люминесцентный метод основан на переводе молекул или атомов вещества в энергетическое возбужденное состояние и измерении интенсивности свечения, возникающего при возвращении молекул в состояние равновесия. Основным методом количественного химического люминесцентного анализа является флюориметрия - метод установления количества люминесцирующего вещества по интенсивности возникающей люминесценции. При этом существует определенная зависимость между интенсивностью люминесценции и концентрацией вещества. Флюометрические методы принципиально ничем не отличаются от фотометрических и представляют лишь разновидность оптических методов, однако имеют и свои специфические особенности.

Поглощая свет соответствующей энергии, атом вещества переходит из нормального состояния ЕО в возбужденное Е1, при это наблюдается свечение. Частоты поглощенного и излученного света равны (резонансное излучение). Во всех видах люминесценции проявляются характерные свойства веществ, что может служить основой для их распознавания и изучения, т.е. составляет предмет санитарно-химического анализа.

Флюометрические измерения выполняются визуально и с помощью объективных методов регистрации возникающего излучения.

Основными узлами любой флюометрической установки является источник возбуждающей реакции: первичное монохроматизирующее устройство и приемник лучистой энергии.

Наиболее простыми являются приборы, применяемы при выполнении качественного анализа визуальной флюометрии. Для качественного анализа существуют более сложные приборы - флюориметры. Для изучения спектров люминесценций и установления качественных характеристик люминесцентного излучения служат спектрофюориметры.

Люминесцентный анализ обладает исключительной чувствительностью: люминесценцию можно наблюдать при исследовании очень малых концентраций люминесцирующих веществ. Этот метод успешно конкурирует с большинством физико­химических методов.

Метод применят для определения нефтепродуктов в воде, смолистых веществ в воздухе рабочей зоны, бензилового спирта в атмосферном воздухе, витаминов, афлатоксинов в пищевых продуктах.