Тест-системи для індикації іонів важких металів в об`єктах навколишнього середовища

ДИПЛОМНА РОБОТА РОБОТА

ТЕСТ-СИСТЕМИ ДЛЯ ІНДИКАЦІЇ ІОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ОБ'ЄКТАХ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

Зміст

Введення

Актуальність проблеми

Спрощення та здешевлення засобів хімічного аналізу - завжди благо, але рішення багатьох аналітичних задач поки потребує складних і дорогих методів і приладів. На щастя, успіхи ряду областей хімії, фізики, електроніки, а також математики забезпечують можливість створення засобів аналізу, все більш мініатюрних, недорогих і легких з точки зору використання і в той же час порівнянних за своїми аналітичним характеристиками з сучасними інструментальними методами. Тест-системи, безсумнівно, можуть бути віднесені до таких засобів. Потреба в тест-наборах вельми значна. Уже створено багато тест-систем різного типу і різного призначення, в основі яких лежать чутливі і селективні хімічні реакції і результат аналізу може бути отриманий або візуально, або шляхом найпростіших вимірювань (довжина пофарбованої зони, число крапель), або з використанням мініпріборов, також вельми простих у використанні. Хоча тест-методи використовують в лабораторії, зокрема для скринінгу проб, найбільш доцільно застосовувати їх під внелабораторних умовах (on-site), тим більше що on-site аналіз являє собою важливу і дуже перспективний напрямок хімії.

Основними областями використання тест-систем є або можуть бути:

• контроль об'єктів навколишнього середовища, визначення найважливіших нормованих компонентів у воді, грунтових витяжках, повітрі (насамперед у польових умовах);

• контроль за якістю їжі, в тому числі питної води та напоїв, головним чином з точки зору наявності шкідливих речовин;

• аналіз крові, сечі, поту для цілей медицини, у тому числі в домашніх умовах;

• рішення задач криміналістики, охорони порядку, військової сфери (наркотики, алкоголь, вибухові речовини, отруйні речовини);

• контроль у промисловості, на транспорті, наприклад виявлення витоків газу;

• навчання хімії, екології та ін дисциплін у школі та інших навчальних закладах.

Тест-системи можуть стати незамінними в критичних ситуаціях, коли потрібно швидко визначити склад повітря, води та інших об'єктів після вибуху, промислової катастрофи чи природного катаклізму. Тест-системи зручні для широкомасштабного обстеження житлових і виробничих приміщень, наприклад на пари ртуті, формальдегіду, фенолу та ін речовини.

Для розробки надійних, чутливих і селективних тестів використовують досягнення класичної аналітичної хімії (реакції і реагенти). Однак, ще більш важливим є пошук нових підходів.

Наукова новизна роботи полягає в розробці високоспецифічний твердофазної тест-системи для виявлення іонів міді, нікелю і кобальту в об'єктах навколишнього середовища на основі діетілдііокарбамата свинцю, діметілгліоксіма і тіоціанат амонію, адсорбованих на твердому носії. Тест-система відрізняється експресному, доступністю і дешевизною.

Мета і завдання роботи

Мета роботи - розробка тест-системи для виявлення іонів міді, нікелю і кобальту в об'єктах навколишнього середовища.

Для досягнення зазначеної мети передбачалося вирішити наступні завдання:

- Отримати носій для визначення іонів кобальту, нікелю та міді методом модифікації поверхні силікагелю;

- Дослідити вплив концентрації визначаються іонів на довжину пофарбованої зони;

- Дослідити вплив маси сорбенту на сорбційну ємність;

- Дослідити вплив різнойменних іонів на специфічність тест-системи;

- Проаналізувавши отримані експериментальні дані, сформувати тест-систему для визначення іонів кобальту, нікелю та міді.

Глава I. Огляд літератури

1.1. Характеристика, класифікація та хімічні основи тест-систем

У сучасному світі хімічні тести широко використовуються в екологічній, промислової, клінічної або кримінальної сферах і забезпечують можливість простого і недорогого аналізу - якісного, напівкількісного і кількісного.

Тест - системи для хімічного аналізу представляють собою прості, портативні, легкі і дешеві аналітичні засоби і відповідні експресні методики для виявлення й визначення речовин без істотної пробопідготовки (іноді без відбору проб), без використання складних стаціонарних приладів, лабораторного обладнання, без самої лабораторії, без складної обробки результатів, а також підготовленого персоналу; в більшості випадків застосовують автономні засоби одноразового використання [1].

У книгах з історії хімії можна знайти безліч прикладів випробування речовин, які наводилися в сутності тест-методами. До тест-методів відноситься велика кількість хімічних методів якісного виявлення речовин. Деякі такі методи відомі з незапам'ятних часів. Пліній Старший (23-79 рр.. До н.е.) писав, що для виявлення заліза в оцті римляни застосовували екстракт дубильних горішків, яким просочували папірус. Цей же екстракт дозволяв відрізняти сульфат заліза від сульфату міді: появи чорного забарвлення говорило про присутність заліза, зеленою - про наявність міді. Виявлення заліза за допомогою екстракту дубильних горішків використовували дуже тривалий час. У 17 столітті Роберт Бойль, крім екстракту дубильних горішків, застосовував також екстракт фіалки для ідентифікації кислот і лугів: він зеленіє в лугах. Цей вчений використовував також екстракти волошок і кошенілі. Використовували і лакмус. Бойль зауважив, що інтенсивність чорного забарвлення екстракту дубильних горішків при взаємодії з залізом залежить від вмісту заліза; це був прямий шлях до колориметрическому аналізу. Одним з найстаріших і широко розповсюджених є спосіб визначення вмісту золота в сплавах і виробах за допомогою пробірного каменю. Метод в його вихідної (фізичної) формі описаний ще Теофрастом (372-287 рр.. До н.е.) в його творі «Про каміння». У середні століття метод був значно вдосконалений, на початку 16 ст. для калібрування було введено використання 23 голок з різним вмістом золота. Гален (бл. 200-130 рр.. До н.е.) використовував курячі яйця для грубого визначення вмісту солей, розчинених у воді, або, інакше, для визначення щільності солоної води. У 1767 р. Люіс отримав лакмусовий папір і використовував її для виявлення кислот і лугів.

Загальний принцип майже всіх хімічних тест-методів - це використання аналітичних реакцій і реагентів в умовах і формах, які забезпечують отримання візуально спостережуваного або легко вимірюваного ефекту; це, наприклад, інтенсивність забарвлення паперу або довжина пофарбованої частини трубки. Реагенти та добавки використовують у вигляді заздалегідь приготовлених розчинів (в ампулах або крапельницях) або іммобілізованими на твердому носії - папері, силікагелі, пінополіуретані і т.д. Як засоби для тест-методів хімічного аналізу можуть бути використані індикаторні папери, індикаторні порошки і трубки, таблетки та ін

Тест-методи дозволяють проводити широкий скринінг проб, наприклад, об'єктів навколишнього середовища. Проби, що дали позитивний результат, відокремлюють від тих, що показали відсутність компонента. У разі зразків, для яких результат був позитивний, передбачається в разі потреби і більш глибоке вивчення, у тому числі в лабораторії з використанням дорогих приладів.

Особливе значення мають тест-методи для аналізу «на місці» (on site), поза лабораторією. Справа в тому, що існують величезні, гострі потреби у поза лабораторному аналізі. Ось неповний список областей, де такий аналіз або вже робиться в широких масштабах, або абсолютно необхідний і в тій чи іншій мірі починається:

• Експрес - контроль технологічних процесів.

• Виявлення метану у вугільних шахтах.

• Виявлення витоків природного газу з газопроводу.

• Визначення монооксиду вуглецю і вуглеводнів в автомобільних вихлопах.

• Експрес-аналіз у поле для геологів - пошукачів.

• Швидкий аналіз грунтів (рН, азот, фосфор, калій).

• Контроль харчових продуктів на ринках.

• Виявлення алкоголю у видихуваному повітрі водіїв.

• Домашнє визначення цукру в крові та сечі діабетиків та інші якісні аналізи клінічного призначення.

• Оперативний аналіз води, в тому числі питної, безпосередньо споживачем.

• Аналіз повітря в робочій зоні і на вулиці.

• Контроль вмісту озону в стратосфері.

• Виявлення наркотиків в аеропортах, при обшуках.

• Виявлення бойових отруйних речовин.

Аналіз «на місці» має багато достоїнств. Економиться час і кошти на доставку проб у лабораторію і на сам аналіз (звичайно, більш дорогою). При аналізі на місці зазвичай знижуються вимоги до кваліфікації виконавця, оскільки використовуються більш прості засоби аналізу. Але головне полягає в тому, що часто аналіз в стаціонарній лабораторії взагалі нездійсненний або не має ніякого сенсу, оскільки, наприклад, змінюються форми існування компонентів.

У багатьох випадках тест-методи використовують для попередньої оцінки наявності та вмісту компонентів. У цьому випадку доречна методологія скринінгу. Дуже зручні тест-системи для оцінки узагальнених показників досліджуваного об'єкта, наприклад хімічного споживання кисню або суми важких металів у водах. У міру їх вдосконалення тест-методи все у великій мірі служать і будуть служити єдиним і остаточним засобом аналізу. Тест-засоби аналізу можна використовувати для управління дозуючими пристроями, наприклад, інсуліновим насосом для хворих на діабет. Особливу групу тест-засобів складають так звані хімічні дозиметри, призначені для оцінки сумарного визначення кількості речовини, що з'явився у досліджуваній середовищі за певний час. Протягом століть, з часів алхіміків, хімічний аналіз здійснювався в лабораторії. Це було пов'язано з необхідністю використовувати спеціальну хімічну посуд, спеціальне устаткування, наприклад, печі, а потім і вимірювальні прилади. Це було пов'язано із застосуванням не завжди нешкідливих хімічних речовин, що вимагало як мінімум хорошої вентиляції. Це визначалося тривалістю, складністю і трудомісткістю операцій розділення складних сумішей речовин. Значною мірою ці фактори діють і в даний час, тому сотні тисяч, мільйони хімічних аналізів проводяться аналітичних лабораторій, причому тепер не лише хімічних, а й фізичних і біологічних. Так, будь-дослідний інститут хімічного, геологічного або металургійного профілю має аналітичні лабораторії. Те ж саме можна сказати про будь-хімічному, нафтопереробному, фармацевтичному або металургійному заводі. І в цих лабораторіях звичайно багато складних і дорогих приладів. Останнім часом становище змінюється: хімічний аналіз поступово переміщається з лабораторій до тих місць, де знаходиться аналізований об'єкт. Це одна з найважливіших тенденцій розвитку аналітичної хімії. Ілюстрацією цієї тенденції можуть служити створення нового журналу, що висвітлює проблеми внелабораторного аналізу (Field Analytical Chemistry and Technology) або проведення з 1980 р. міжнародних конференцій з аналізу «на місці».

Класифікацій тест-систем для хімічного аналізу може бути декілька залежно від обраного класифікаційної ознаки.

Залежно від обраного класифікаційної ознаки Золотов Ю.А., Іванов В.М. [1] поділяють тест-системи наступним чином.

- За природою процесів, які використовуються для отримання аналітичного сигналу: тест-методи можуть бути розділені на фізичні, хімічні, біохімічні і біологічні.

Фізичних методів небагато, і вони не грають великої ролі в практиці хімічного аналізу.

Біохімічні звичайно засновані на використанні ферментів і іммуносістем. Виділені природні ферменти, особливо іммобілізовані, певною мірою набувають властивостей хімічних реагентів, тому, незважаючи на специфіку ферментів як хімічних сполук (особливості походження, умови зберігання, час збереження активності) ферментні методи можна віднести до хімічних.

Біологічні методи базуються на використанні мікроорганізмів, органів, тканин і навіть високоорганізованих організмів і цілих популяцій.

- За формою використовуваного тест-реагенту. Це, насамперед готові розчини та «сухі реагенти», тобто нанесені на твердий носій або просто порошки або таблетки самих реагентів. Ще більша розмаїтість надають тести на твердій матриці; найвідоміші приклади - індикаторні папери, що містять молекули-реагенти або активні атомні угрупування, і індикаторні трубки для аналізу газів, у яких носій містить хромогенних реагент, що змінює забарвлення при пропущенні потрібного газу.

Реагенти на носіях (матрицях) розрізняються природою носія (целюлоза, синтетичні полімери, силікагель тощо) і способом закріплення на носіях (адсорбційні, ковалентні).

Загальні вимоги до тестів, полягають у наступному:

• при оцінці наявності потрібного компонента краще помилкове «так», ніж помилкове «ні»;

• експресність;

• число операцій, здійснюваних при тестуванні, має бути мінімальним;

• при візуальній оцінці кордону розділу по-різному забарвлених зон мають бути чіткими, зміни забарвлення досить контрастними і т.д., тобто слід зводити до мінімуму можливість неоднозначного тлумачення результату.

Метрологічний аспект, звичайно, дуже істотний для розробки, виготовлення і використання тест-систем; результати тестів повинні бути досить надійними навіть у тих випадках, коли визначаються малі кількості речовин.

Правильність тест-методів зазвичай перевіряють порівнянням їх результатів з результатами, отриманими «інструментальними» методами. Це, звичайно, робиться при розробці тест-методів. Багато тест-системи не є універсальними і призначені для визначення компонентів тільки в певних об'єктах.

Хімія тест-методів заснована головним чином на кольорових реакціях, наприклад реакціях комплексоутворення або окислення - відновлення. «Ноу хау» розробників і виробників тест-систем зосереджується на підборі раціональної комбінації реагентів, стабілізації сумішей реагентів і розчинів, на зменшення заважають впливів шляхом додавання маскуючих агентів. Головна мета - розробити тест, який був би експресним і легким в здійсненні.

Крім реакцій, що призводять до появи забарвлення, використовують також хімічні взаємодії, результатом яких є поява люмінесценції.

Ефект вимірюють не тільки візуально, але і за допомогою простих у використанні портативних приладів. Особливо часто вимірюють пропускання світла, дифузне відбиття або люмінесценцію.

Вимоги, що пред'являються до реакцій, які використовують у тест-методах, полягають у наступному:

1. Селективність по відношенню до що виявляється (обумовлених) компонентів або їх сумі - залежно від поставленого завдання;

2. Досить висока чутливість. Наприклад, при аналізі об'єктів навколишнього середовища межа виявлення звичайно повинен бути нижче гранично допустимої концентрації потрібного компонента або близький до неї;

3. При використанні кольорових реакцій - висока контрастність і висока швидкість колірного переходу в присутності виявляємо або визначуваної речовини;

4. Можливість ввести реагенти в формі, придатній для використання в тест-методах, наприклад прищепити, з утворенням ковалентних зв'язків, на поверхні силікагелю або целюлози;

5. Стійкість реагентів при зберіганні і достатня стійкість аналітичного ефекту (забарвлення, люмінесценції і т.д.) у часі.

Для створення тест-методів і тест-засобів використовують хімічні реакції майже всіх основних типів:

1) кислотно-основні;

2) окисно-відновні;

3) комплексоутворення;

4) різні реакції органічного синтезу.

Значну роль у тест-методах грають займають дещо особливе становище каталітичні реакції, переважно з використанням ферментів. Відповідно, використовуються реагенти різного механізму дії і різної природи.

Кислотно-основні реакції мають велике значення при визначенні величини рН. Визначення концентрації водневих іонів при аналізі природних і стічних вод, технологічних розчинів, біологічних рідин - одна з наймасовіших аналітичних операцій. Незважаючи на розвиток потенціометричних методів визначення рН, визначення кислотності за допомогою кислотно-основних індикаторних паперів залишається досить поширеною процедурою. Цей спосіб має ряд переваг: простота аналізу, експресність, відсутність необхідності використовувати апаратуру і пов'язана з цим дешевизна визначень, можливість проводити аналіз практично в будь-якому місці.

Окисно - відновні реакції також вельми поширені. При використанні твердих реагентів істотно знати, чи зміниться окислювально-відновний потенціал при іммобілізації реагентів на твердій матриці. Тут немає спільного рішення, багато що залежить від способу іммобілізації, природи матриці і т.д. Прикладом окисно-відновних реакцій можуть бути реакції відновлення золота і срібла сіллю Мора в присутності комплексоутворюючих речовин.

Реакції комплексоутворення широко використовують в численних тест-методах на іони металів, рідше - в методах визначення органічних речовин. Специфічних реакцій утворення комплексних сполук майже немає, тому в багатьох тест-засобах передбачається регулювання рН, використання маскуючих речовин та інші способи підвищення селективності. Одним з широко використовуваних реагентів є дитизоном. [2] Він утворює забарвлені комплекси з багатьма іонами металів; по стійкості їх можна розташувати в ряд:

Ag> Hg> Pd> Pt> Au> Cu> Bi> In> Sn> Zn> Cd> Co> Pb> Ni> Fe (II)> Mg> Tl (I). Хоча дитизоном є реагентом на 30 катіонів, можна, використовуючи залежність реакції від рН, що маскують реагенти і реакції витіснення, проводити досить селективне визначення. Наприклад, у поєднанні з тіосечовини та ацетатом натрію дитизоном використаний при отриманні індикаторних паперів для визначення суми важких металів, межа виявлення 0,5 мг / л катіона.

Основними шляхами застосування аналітичних реагентів у тест-системах є:

1) їх використовують у вигляді заздалегідь приготовлених і фасованих розчинів;

2) вони іммобілізовані на тверду матрицю (носій);

3) їх використовують у формі заздалегідь зважених і упакованих доз у вигляді порошків, кульок, таблеток і т.д.

При використанні готових розчинів виробники тест-засобів поміщають їх в ампули, крапельниці, закриті пробірки. Реагенти в таких розчинах повинні бути стійкими протягом тривалого часу. Концентрація реагентів відповідає очікуваної концентрації визначуваного компонента; часто в набір входять розчини декількох концентрацій. Іноді розчин містить не тільки сам реагент, але також інші необхідні речовини.

Крім власне аналітичних реагентів у тест-засоби зазвичай вводять і інші речовини - відновники або окислювачі, буфери, що маскують агенти, змочувальні сполуки, закріплювачі та ін

Наприклад, один з варіантів реактивних паперів для визначення міді у воді готують з фільтрувального паперу, який спочатку просочують розчинів відновника (гідрохлорид гідроксиламіну, аскорбінова кислота або їх суміш) для відновлення міді (II) до міді (I), яку-небудь слабку кислоту, потім після сушки обробляють органічним розчином аналітичного реагенту на мідь (I) (купроін, неокупроін, батокупроін) разом з емульгатором. Можна вводити ще суміші Na ₂ B ₄ O ₇ - H ₃ BO ₃ або H ₂ CO ₃ - NH _3, які збільшують чутливість визначення міді [1].

Ймовірно, дещо більше поширення мають тест-засоби, приготовані на твердому носії - на папері, тканини, на синтетичних органічних полімерах, силікагелі та ін Природа носія, спосіб його приготування і спосіб іммобілізації реагентів на ньому мають досить істотне значення. Реагент иммобилизуют адсорбцією, випаровуванням розчинника після импрегнирования розчином реагенту в цьому розчиннику, іншими фізичними методами або хімічної - ковалентного - іммобілізацією. Відносно слабка фіксація «фізично» закріплених реагентів на поверхні носія і, як наслідок цього, часткове змивання його при контакті з розчином є основним недоліком таких тест-систем. Збільшення міцності зв'язування реагенту з носієм домагаються утворенням хімічних зв'язків між ними (хімічна іммобілізація). Однак «фізичне» закріплення, як правило, набагато простіше, тому воно дуже широко поширене.

Одними з найбільш поширених неорганічних полімерних носіїв реагентів є силікагелі .. Їх модифікують різними реагентами і часто наповнюють ними тест-трубки для аналізу повітря. Наприклад, для визначення метанолу і етанолу в повітрі, хімічного споживання кисню у волі використовують оксид хрому (VI) в середовищі сірчаної та фосфорної кислот [3,4]; для визначення SOi в повітрі використаний бромкрезолового зелений [5].

Силікагель (сілохром С-120) у вигляді таблеток з іммобілізованим 4 - (2-піріділазо) резорцином (ПАР), 4 - (2-тіазолілазо) резорцином (ТАР) або 1 - (2-піріділазо)-2-нафтолом (ПАН) запропонований для визначення Со, Hg, Pd і U з нижньою межею визначених змістів 0,003-0,1 мг / л [6,7].

1.2. Засоби і прийоми аналізу різних об'єктів навколишнього середовища з використанням тест-систем

Основними засобами тестування води, водних розчинів і інших рідких середовищ є паперові індикаторні смужки, індикаторні трубки, таблетки і найпростіші пристрої для тестування. Однак відомі й інші засоби. Застосовувані процедури залежать, природно, від типу засобів.

Різноманітністю способів виготовлення тест-пристроїв і визначення концентрації з їх допомогою відрізняються тест-системи, в яких аналітичний реагент іммобілізованих на твердих носіях, особливо на целюлозних паперах. Вміст компонентів визначають за тону або інтенсивності забарвлення, що виникає після контакту носія з досліджуваною рідиною, шляхом порівняння її з кольоровою шкалою, або за площею забарвленою або прозорої зон індикаторних паперів.

Індикаторні порошки являють собою або суміші необхідних реагентів для визначення речовин, або сипучі матеріали, на яких іммобілізовані реагенти. Вони можуть бути поміщені в прилади для тестування, представлені на малюнку 1. У першому випадку концентрацію визначають за інтенсивністю забарвлення рідини після внесення індикаторного порошку і його розчинення в аналізованому розчині. У другому випадку індикаторний порошок вносять в пробу, перемішують і визначають концентрацію за інтенсивністю забарвлення порошку [8].

Рисунок 1 - Прилади для тест-визначень з використанням індикаторних порошків

1-колориметрична трубка

2 - аналізований розчин

3 - індикаторний порошок

Використання індикаторних порошків дозволяє поєднувати сорбційне концентрування визначається компонента з розбавлених розчинів з його візуальним визначенням на поверхні. Висока прозорість індикаторних порошків забезпечує високу чутливість визначення. Встановлено, що зі збільшенням питомої площі поверхні чутливість визначення зростає.

Скляні індикаторні трубки (малюнок 2) заповнюють носієм із закріпленим на ньому реагентом. Через трубку пропускають певний обсяг аналізованої рідини; це можна робити за допомогою шприца, за рахунок гідростатичного тиску або за рахунок капілярних сил, опустивши трубку в аналізовану рідину і почекавши, коли рідина підніметься до кінця заповнює трубку шару сорбенту. В результаті взаємодії між закріпленим реагентом і аналітів утворюється з'єднання, має забарвлення, відмінну від забарвлення шару сорбенту. Довжина пофарбованої зони залежить від концентрації аналіту.

Рисунок 2 - Способи визначення концентрації за допомогою індикаторних трубок

а - з примусовим пропусканням аналізованої рідини;

б - методом занурення і підняття рідини за рахунок капілярних сил;

в - методом занурення з використанням гідростатичного тиску:

1 - аналізована рідина;

2 - індикаторна трубка;

3 - забарвлена ​​зона сорбенту.

Обсяг аналізованого розчину, пропущеного через індикаторну трубку, визначають за формулою [9,10]:

, Де

- Довжина і радіус капіляра з індикаторним порошком; - Довжина і радіус додаткової пластикової трубки.

Відносна довжина пофарбованої зони (R) індикаторного порошку залежить від обсягу пропущеного аналізованого розчину:

,

де S - довжина пофарбованої зони тест-трубки.

Для отримання індикаторних порошків використані [11,12,13] нековалентно іммобілізація аналітичних реагентів на звернення-фазових силікагель і їх включення в ксерогелі кремнієвої кислоти. Сформульовано вимоги до аналітичних реагентів, придатним для використання у методі індикаторних трубок: контрастність реакції, висока швидкість взаємодії з визначальним компонентом, міцне утримання реагенту і продукту реакції індикаторним порошком, чутливість і селективність. Вивчено вплив режиму введення аналізованого розчину в індикаторну трубку, фізико-хімічних характеристик індикаторних порошків, довжини і внутрішнього діаметра трубок, рН розчину на довжину пофарбованої зони.

Таким чином, використання індикаторних порошків і трубок, як технічний засіб при створенні тест-систем може спростити і здешевити хімічний аналіз. У цьому зв'язку є актуальним розробка нових тест-методів аналізу, що відрізняються селективністю, чутливістю і експресному.

Як об'єкти навколишнього середовища розглядаються вода і грунт. Існує безліч прийомів тестування вод різного походження і тому з різним вмістом забруднювачів - поверхневих прісних, морських, питних, підземних різної мінералізації, стічних вод різноманітних виробництв. При виборі реакції для тестування і тест кошти необхідно враховувати межа виявлення, а також можливий зміст інших компонентів. При аналізі грунтів визначають тільки забруднюючі компоненти. Зазвичай використовують витяжки з грунтів розчинами, обраними відповідно з поставленим завданням тестування.

Швидко оцінити якість досліджуваного об'єкта дозволяють узагальнені показники, такі як рН, кислотність, лужність, сумарне визначення важких металів, загальний вміст вуглецю та ін Так в роботах Амеліна В.Г. [14] описана процедура виготовлення індикаторних паперів для визначення жорсткості води, насамперед зумовлену наявністю кальцію і магнію, по довжині пофарбованої зони тест-смуги, або по інтенсивності забарвлення індикаторних паперів після пропускання через них певного обсягу досліджуваної рідини. Основою такої тест-системи є целюлозна папір, просочений водними розчинами 0,5-0,8 г / л еріохромового чорного Т або еріохромового синьо-чорного Р, 5-8 г / л тетраборату натрію і 0,3-0,4 г / л комплексонатів магнію, який вводять для більш чіткого переходу забарвлень зазначених реагентів у присутності іонів кальцію. Іони лужноземельних металів змінюють колір паперу з синьої в вишневу. Утворені комплекси іонів кальцію і магнію з ЕХЧТ добре адсорбуються на целюлозної папері і не вимиваються при пропущенні через них до 20 мл води. Час аналізу становить 10-15 хв. Діапазони визначених сумарних змістів іонів лужноземельних металів складають 0,05-40 мМ, довжина пофарбованої зони 1-70 мм.

Halamex E., Prikryl F. [15] запропонували метод сумарного визначення важких металів [Cu (II), Co, Ni, Cd, Zn, Pb, Mn (II)] за допомогою індикаторних трубок в питних, стічних, природних водах і атмосферних опадах. В основу визначення покладено кольорова реакція взаємодії іонів металів з ​​1 - (2-піріділазо)-2-нафтолом, нековалентно іммобілізованим гідрофобізованном силікагелі. Тест-засіб являє собою скляну трубку (довжина -50 мм, внутрішній діаметр-2 мм), заповнену індикаторним порошком. Вимірюють довжину пофарбованої в фіолетовий колір зони і визначають вміст металів за допомогою шкали довжин або за рівнянням градуювального графіка. Діапазон визначуваних змістів становить 0,01-1мМ. Відтворюваність і правильність методики перевірена методом «введено-знайдено" і аналізом стандартних розчинів суми металів.

Розроблено тести [22], засновані на реакції срібла з сульфідом кадмію. У Росії випускають реактивну папір «ІС-1» для напівкількісного визначення срібла в фіксажних розчинах в діапазоні 0,5-10 г / л. Для фіксажних розчинів запатентовані способи визначення срібла в діапазоні 0-10 г / л, засновані на освіті чорного Ag ₂ S на фільтрувальному папері [23,24]. Для визначення срібла в природних водах використана індикаторний папір, імпергірованная дітізонатом міді. Після пропускання за допомогою тест-пристрої 20 мл налізіруемого розчину через індикаторну папір інтенсивність забарвлення реакційної зони порівнюють з кольоровою шкалою в діапазоні 0,01-2 мг / л.

Всі відомі тест-методи визначення миш'яку засновані на виділенні його з води або грунтових витяжок у вигляді арсин з використанням цинку і сульфату міді. Миш'як (V) відновлюють до миш'яку (III) в кислому середовищі иодидом калію. При дії газоподібного AsH ₃ на фільтрувальний папір, просочену нітратом срібла або бромідом ртуті, вона забарвлюється в жовтий або коричневий колір [25]. Зміст миш'яку визначають за кольоровою шкалою в діапазоні 0,05-3 мг / л.

Запатентована методика експресного визначення 0,05-0,9 мг / л міді в рідинах з використанням імінодіацетатной смоли (ІС) і діетілдітіокарбаміната натрію як хелатообразующего реаг та [16]. Аналізований розчин (50-200 мл) з рН 2-7 пропускають зі ско рость 0,08-0,33 мл / с через скляну трубку, заповнену 15 мг ІС з розміром частинок 0,3-1 мм. Концентрацію міді в діапазоні 0,5-10 мг / л визначають порівнянням інтенсивності отриманої коричневого забарвлення з градуювальної шкалою.

Для визначення міді (II) в стічних, природних і питних водах, атмосферних опадах, техно логічних розчинах, озолятах харчових продуктів, біологічних рідинах запропоновані індикаторні трубки [17]. Тест-засіб являє собою сте кляну трубку (довжина - 50 мм, внутрішній діаметр - 1-2 мм), заповнену індикаторним порошком. При пропущенні аналізованої проби через трубку за допомогою медичного шприца в трубці виникає пофарбована зона. Дли на пофарбованої зони пропорційна концентрації міді. Цю концентрацію визначають за допомогою шкали довжин або рівняння градуювального графіка. В основу визначення покладено кольорова реакція взаємодії міді (II) з 1 - (2-піріділазо)-2-нафтолом, включеним до складу індикаторного порошку. Висока селективність визначення досягається за рахунок проведення реакції в кислому середовищі.

Діапазон визначуваних змістів 0,06-0,3 мг / л для трубок з внутрішнім діаметром 1,0 мм, 0,12-0,4 мг / л для трубок з внутрішнім діаметром 2,0 мм. Визначенню не заважають кратні кількості К, Na, (1 * 10 ^4), Са (300), Mg (75), Pb (50), Ni (40), Zn (30), Al (25), порівнянні кількості Mn ( II) і Co (II). Відтворюваність і правильність методики перевірена аналізом стандартного зразка суми металів і методом «введено - знайдено».

Визначення нікелю з допомогою таблеток на основі пінополіурета на [18]. Тест-засіб призначений для якісної і полуколичественной оцінки змісту нікелю в природних водах. Метод заснований на сорбції нікелю з аміачного буферного розчину таблеткою пінополіуретану, модифікують ванної діметілгліоксімом в присутності пластифікатора. Про наявність нікелю судять по зміні забарвлення таблетки пінополіуретану з білої в рожеву; вміст нікелю визначають, порівнюючи візуально інтенсивність забарвлення ки таблетки з наперед приготованою колірною шкалою. Можна визначати нікель в діапазоні від 0,2 до 4 мг / л.

Селективність методики характеризували граничним співвідношенням супутнє підключення: нікель, при якому похибка визначення розподілу не перевищує 15%. Визначенню 1 мг / л нікелю не заважають в крат кількостях Са, Mg, ацетат, тартрат (5 ∙ 10 ^3), фторид (10 ^3), ок салат (500), Cu (II), Zn (II), Cd ( II), Cr (II), Fe (III), гідрофосфат (100), Pb (II) (10), Со (II).

Тест-засіб дозволяє провести скринінг проб води на наявність нікелю і дати позитивну відповідь про його присутність у тому випадку, якщо його вміст перевищує 0,1 мг / л.

Правильність розробленої методики підтверджена аналізом стандартного зразка води ГСОРМ-2, що містить за паспортом по 1 мг / мл Со, Ni, Sr, С u, Сг, Fe і розбавленого в 1000 разів. Знайдено нікелю: 1,03 ± 0,06 мкг / мл (n = 6, s _r = 0,05).

Великородна А.А. і Морсанова Є.І. [19] запропонували тест на цинк з використанням поліуретанових пінопластів із закріпленим на них дитизоном. Кубик поліуретану з довжиною ребра 4 мм струшують з 1-2 мл аналізованого розчину при рН 6,2 протягом 1-2 хв. Зміна червоного кольору порівнюють з шкалою з кубиків. Межа виявлення цинку 0,05 мг / л.

Було запропоновано [20,21] визначення кобальту з допомогою таблеток на основі пінополіуретану. Тест-засіб призначений для якісної і полуколичественной оцінки концентрації кобальту в природних водах. Метод заснований на сорбції блакитних тіоціанатних комплексів таблеткою пінополіуретану. Про наявність кобальту судять по зміні забарвлення таблетки пінополіуретану з білої в блакитну; вміст кобальту визначають, порівнюючи візуально інтенсивність забарвлення таблетки з наперед приготованою колірною шкалою. Можна визначати кобальт в діапазоні від 0,1 до 4 мг / л. Селективність методики характеризували фактором селективності, тобто граничним співвідношенням супутнє підключення: кобальт, при якому похибка визначення не перевищує 15%. Визначенню кобальту не заважають у кратних кількостях Cr (III), Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Tl, Cu (II), Cd (II), Hg (II), Pb (II), Fe (III), Zn (II).

Для виявлення іонів кадмію існує багато методик. Так, Золотов Ю.А. [26] запропонував просочити пенополиуретановие кубики дитизоном. Кубики поміщають в 1-2 мл розчину, і в присутності кадмію вони змінюють колір із зеленого в оранжево-червоний. Напівкількісного визначення проводять в діапазоні 0,1-10 мг / л кадмію, використовуючи як шкали серію забарвлених кубиків з розміром ребра 4 мм. Для визначення 0,01-0,05 мг / л кадмію пропускають 100 мл розчину через колонку, заповнену кубиками. Заважають визначенню хром (VI), марганець (VII), срібло, цинк, свинець, ртуть і сульфіти.

Для визначення кадмію в питних, природних і стічних водах і атмосферних опадах запропонований індикаторний порошок [27]. Він являє собою нековалентно модифікований комплексоутворюючих аналітичним реагентом бромбензтіазо сорбент на основі оксиду кремнію. Після контакту з аналізованим розчином індикаторний порошок забарвлюється в синьо-фіолетовий колір. Інтенсивність забарвлення, пропорційна змісту кадмію в розчині, може бути оцінена візуально за допомогою колірних шкал, а також із застосуванням твердофазної спектрофотометрії Іллі спектроскопії дифузного відбиття. Діапазони визначених змістів та відносні стандартні відхилення становлять 0,05-0,5 мг / л і 0,06-0,11 при твердофазної-спектрофотометричним визначенні.

Для визначення свинцю у стічних та технологічних розчинах запропоновані індикаторні трубки [28]. В основу визначення покладено кольорова реакція свинцю з родізонатом натрію в розчині і сорбція утворився пофарбованого з'єднання в індикаторної трубки. Тест-засіб являє собою скляну трубку (довжина - 50 мм, внутрішній діаметр - 1 мм), заповнену індикаторним порошком. Після додавання комплексоутворюючою реагенту до аналізованої проби і пропускання за допомогою медичного шприца отриманого забарвленого розчину через індикаторну трубку в ній виникає пофарбована зона. Довжина пофарбованої зони прямо пропорційна вмісту свинцю в аналізованому розчині. Концентрацію свинцю визначають за допомогою шкали довжин або рівняння градуювального графіка. Діапазон визначуваних змістів становить 10-80 мг \ л. Відтворюваність і правильність методики перевірена методом «введено - знайдено" і зіставленням результатів аналізу з результатами визначення інструментальними методами. Проведене дослідження свідчить про хорошу правильності і відтворюваності визначення свинцю, порівнянними з правильністю і відтворюваністю інструментальних вимірів.

Хром (VI) можна визначати [29,30] з використанням таблеток на основі пінополіуретану. Тест-засіб призначений для якісної і полуколичественной оцінки вмісту хрому (VI) у природних водах. Метод заснований на сорбції хрому з 1 М розчину сірчаної кислоти, що містить 2 ∙ 10 ^-4 М тетрафенілбората натрію, таблеткою пінополіуретану, модифікованої дифенілкарбазидом в присутності пластифікатора. Про наявність хрому (VI) судять по зміні забарвлення таблетки пінополіуретану з світло-рожевого в синю; вміст хрому визначають, порівнюючи візуально інтенсивність забарвлення таблетки з наперед приготованою колірною шкалою. Визначенню хрому не заважають 10-кратні кількості Cu (II), Zn (II), Co (II), Ni (II), Cd (II), Fe (II). Тест-засіб дозволяє визначати від 0,01 до 0,2 мг / л хрому (VI).

Було запропоновано [31,32,33] визначення заліза (III) за допомогою таблеток на основі пінополіуретану. Тест-засіб призначений для якісної і полуколичественной оцінки вмісту заліза (II I) в природних водах. Метод заснований на сорбції забарвлених в червоний колір тіоціанатних комплексів таблеткою пінополіуретану. Про наявність заліза (II I) судять по зміні забарвлення таблетки з білої в червону; вміст заліза (III) визначають, порівнюючи візуально інтенсивність забарвлення таблетки з наперед приготованою колірною шкалою. Можна визначати від 0,02 до 1 мг / л залізо (III). Селективність методики характеризували граничним співвідношенням супутнє підключення: залізо (III), при якому похибка визначення не перевищують 15%. Тест-засіб дозволяє проводити скринінг проб води на наявність заліза (III) і дати позитивну відповідь про його присутність при його змісті вище 0,2 мг / л. При візуальному визначенні встановлено, що час появи характерної для тіоціанатних комплексів заліза (Ш) червоного забарвлення в таблетці пінополіуретану залежить від вмісту заліза (Ш) в аналізованій пробі. Кількісне вилучення аналітичної форми в таблетку пінополіуретану досягається через 15 хвилин. Відтворюваність візуального тест-визначення заліза (Ш) залежить від його вмісту в пробі. Відносне стандартне відхилення складає 0,10-0,20 при вмісті заліза (Ш) в пробі 0,05-0,2 мг / л. Правильність методики підтверджена аналізом розведеного в 1000 раз стандартного зразка води ГСОРМ-2.

Для визначення заліза (II) в природних і стічних водах, атмосферних опадах та технологічних розчинах можуть бути використані індикаторні трубки [34]. В основу визначення покладено окислювально-відновна реакція між залізом (П) і нековалентно іммобілізованим на силікагелі гідрофобізованном 2,6-діхлоріндофенолом. Тест-засіб являє собою скляну трубку, заповнену індикаторним порошком. Після додавання буферного розчину і маскуючого реагенту до аналізованої проби в отриманий розчин опускають індикаторну трубку. Розчин надходить в індикаторну трубку під дією капілярних сил. Після підняття фронту рідини на всю довжину індикаторної трубки вимірюють довжину безбарвної зони. Її довжин прямо пропорційна концентрації заліза. Вміст заліза визначають за допомогою шкали довжин або рівняння градуювального графіка.

Для виявлення ртуті використовують папір, просочену дифенілкарбазидом або діфенілкарбзоном, які дають зі ртуттю комплекс від фіолетового до синього кольору [35]. У нейтральних або слабокислих розчинах деякі важкі метали (мідь, залізо, кобальт і ін) заважають визначенню. Для підвищення вибірковості реакцію зазвичай проводять в 0,1 М розчині азотної кислоти. Межа виявлення 2 мг / л. Фільтрувальний папір, просочена иодидом міді (I), дає глибоке фарбування від червоного до помаранчевого при дії на них підкислених розчинів ртуті. Реакції 4 Cu J + Hg ^{2 +} → Cu ₂ [HgJ _4] + 2 Cu ⁺ є основою виборчого методу виявлення ртуті. Заважають визначенню солі срібла, золота, платини, вони взаємодіють з Cu J, виділяють частково метал у вигляді чорного нальоту. Межа виявлення 0,1 мг / л ртуті (II). Описана [36] експресна методика виявлення 0200000 ^-1 ртуті у водних розчинах при рН 1-6, заснована на зміні кольору поліуретанової піни, модифікованої дітізонатом свинцю. Запропоновано два варіанти визначення ртуті - статистичний і динамічний. У першому варіанті 1-2 мл аналізованого розчину перемішують з піною, у другому пропускають 100 мл аналізованого розчину через колонку, заповнену піною. Концентрацію визначають, порівнюючи колір піни зі стандартною шкалою, приготовленої з розрахунку 0,2-1,0-5,0-10 млн ^-1 ртуті (II). Заважають визначенню вісмут і срібло. Для визначення ртуті і діфенілртуті запропонована пінополіуретанова пластина розміром 35 * 10 * 2 мм, просочена дитизоном [37]. До 100 мл проби додають маскуючі речовини і струшують 10 хвилин з модифікованою дитизоном пластиною. Потім визначають її колір візуально або на спектрофотометрі при 485 нм. Межа виявлення ртуті 0,005 мг / л, діфенілртуті 0,01 мг / л. Дітізонати цинку, заліза, нікелю, кадмію, обложені на папері, руйнуються в кислому середовищі, але не руйнуються дітізонати міді. Враховуючи те, що визначення важких металів у природних і стічних водах бажано проводити в кислому середовищі, що сприяє руйнуванню комплексів з органічними речовинами, для визначення ртуті взяті дітізонати міді. Папір, імпергірованная дітізонатом міді, має сірий колір. У присутності ртуті (II) на тест-смузі, заклеєною в полімерну плівку, з'являється червона зона. В області 0,1-1 М HCl, H ₂ SO ₄ або HNO ₃ практично не змінюється довжина пофарбованої зони. При концентрації кислот вище 1 М спостерігається розпливчаста червона зона ртуті, а нижче 0,1 М зменшується довжина пофарбованої зони. Ця система відрізняється високою вибірковістю. Визначенню ртуті не заважають кратні кількості іонів лужних і лужноземельних елементів. Заважають визначенню срібло і сульфіди.

Для визначення марганцю (II) використовують його комплексоутворення з органічними реагентами, кінетичні реакції, в яких марганець (II) є каталізатором окислення органічних реагентів, і окислювання марганцю (II) до перманганату. У кінетичних методах використовують окислення малахітового зеленого періодатом калію, де марганець є каталізатором. У процесі аналізу вимірюється час, після закінчення якого спостерігається зміна забарвлення індикаторної зони. Тест застосований для визначення марганцю в питній воді в діапазоні 0,03-0,5 мг / л.

Паладій можна визначати шляхом візуальної оцінки інтенсивності забарвлення індикаторних паперів з хімічно іммобілізованими групами формазану або поліакрілнітрільное дисків, що містять нітрозодіетіланілін після пропускання через них 20 мл аналізованого розчину. Діапазон визначуваних змістів паладію 0,01-5 мг / л.

У результаті аналізу літературних даних нами зроблені висновки про актуальність розробки і побудови тест-систем, що відрізняються специфічністю і дають можливість скоротити час аналізу та виключити дороге устаткування.

Глава II. Матеріали та методи дослідження

2.1. Схема дослідження

Для досягнення поставлених цілей була розроблена схема дослідження:

Схема 1 - Схема дослідження

2.2. Перелік та характеристика хімічних реактивів, що застосовуються в дослідженнях

Всі дані представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Перелік та характеристика хімічних реактивів, що застосовуються в дослідженнях	Фірма-виробник	5	Московська хімічна компанія «Лаверна»	СтавНІПЧІ	Шосткинський завод хімреактивів	Шосткинський завод хімреактивів	Ленінградський завод «Червоний хімік»	Михайлівський завод хімреактивів	Черкаський завод хімреактивів
	Кваліфікація або артикул	4	ч	-	ч	ч	чда	Ч	хч
	№ ГОСТ або ТУ	3	ГОСТ 20478-75	ГОСТ 6709-72	ГОСТ 5828-77	ГОСТ 1705-85	ГОСТ 4528-78	ГОСТ 4955-78	ГОСТ 4038-79
	Найменування реактивів	2	Амоній роданистий	Вода дистильована	Діметігліоксім	Діетилдитіокарбамат свинцю (II)	Кобальт (II) хлористий 6-водний	Мідь (II) сірчанокисла 5-водна	Нікелю хлорид 6-водний
	№ п / п	1	1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.

Продовження

Фірма-виробник

5

Шосткинський завод хімреактивів

ЗАТ «Екос-1»

Ставропольський лікеро-горілчаний завод