ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 97 УДК 541.49+
реклама
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ФИЗИКА. ХИМИЯ 97 2008. Вып. 2 УДК 541.49+543.420.62+546.881.5 Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛЕЗО(III)ПРОТОПОРФИРИНА IX С БИОЛИГАНДАМИ В ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРАХ В ПРИСУТСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Спектрофотометрическим методом исследованы процессы комплексообразования железо(III)протопорфирина IX с имидазолом и гистидином в водно-органических растворах и в мицеллярных растворах катионного, анионного и неионогенного ПАВ. Ключевые слова: железо(III)протопорфирин IX (гемин), имидазол, гистидин, поверхностно-активные вещества (ПАВ), солюбилизация, комплексообразование. Интерес исследователей к макрогетероциклическим соединениям класса порфиринов обусловлен уникальной жизненно важной ролью, которую они играют в природе в составе гемоглобина, цитохромов, витамина B12 и других хромопротеинов. Наличие надёжной информации о механизмах процессов межмолекулярных взаимодействий, протекающих с участием металлопорфиринов, создаёт хорошую базу для использования результатов научных исследований в практических целях, например при создании эффективных кровезаменителей, искусственных коэнзимов, селективных сорбентов при гемосорбции, лекарственных противораковых препаратов [1; 2]. Изучение реальных биологических систем затруднено, поскольку металлопорфирины участвуют в нескольких типах последовательных и параллельных специфических взаимодействий. Поэтому исследования механизмов биохимического поведения металлопорфиринов проводятся на упрощенных модельных системах. Рассматриваемая в данной работе модельная система включает Fe(III)протопорфирина IX (гемин) и активные молекулярные биолиганды – имидазол и гистидин. Гемин – соединение трехвалентного железа. Координационные возможности иона Fe3+, координированного с четырьмя атомами азота пиррольных колец в плоскости порфиринового макрокольца, не исчерпаны, и гемин сохраняет способность к связыванию дополнительных лигандов, обладающих выраженными электронодонорными свойствами [3]. В качестве таких биолигандов были выбраны имидазол и гистидин, поскольку в природных железопорфиринах в качестве аксиально-координированного лиганда выступает имидазольная группа α-аминокислоты гистидина. Процессы образования комплексов гемина с имидазолом достаточно полно изучены в органических растворителях [4-6]. Практически нет сведений о комплексообразовании гемина c гистидином. Отсутствуют данные о процессах комплексообразования с участием железо(III)протопорфирина IX в водных растворах. Поэтому целью данной работы являлось изучение взаимодействия гемина с PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 98 Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ имидазолом и гистидином в водных растворах и исследование влияния ПАВ на процессы комплексообразования металлопорфирина с биолигандами, а также исследование влияния ПАВ на процессы комплексообразования. Раствор гемина готовили растворением точной навески препарата хлорида железо(III)протопорфирина IX марки «х.ч.» в диметилсульфоксиде (ДМСО). Рабочий раствор гемина с концентрацией 10-5 моль/л получали путём разбавления дистиллированной водой исходного концентрированного диметилсульфоксидного раствора с концентрацией 10-3 моль/л. Раствор имидазола готовили из препарата марки «х.ч.» растворением точной навески в дистиллированной воде. Раствор гистидина готовили растворением точной навески препарата солянокислого гистидина с 98%-м массовым содержанием основного вещества HHis·HCl·H2O в дистиллированной воде в присутствии эквивалентного количества NaOH. Растворы ПАВ готовили по точным навескам, рабочие растворы получали разбавлением исходных. Необходимое значение рН растворов создавали добавлением соответствующих количеств HCl и NaOH. Постоянство ионной силы (I=0,1) поддерживали при помощи раствора NaCl. Значение рН регистрировали иономером марки ИПЛ-301 со стеклянным электродом марки ЭС-10601/7. Электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод марки ЭСр-10101. Оптические спектры поглощения были измерены на спектрофотометре СФ-46. В работе использовались стеклянные кюветы длиной 1,0 см. Результаты и их обсуждение Исследование комплексообразования гемина в водных растворах сильно осложняется малорастворимостью и димеризацией пигмента, приводящей к появлению сложного набора частиц [7; 8]. Растворимость гемина можно повысить добавлением в водные растворы органического растворителя, что приводит к образованию частиц пигмента определенного состава, например димера. Изучение процесса комплексообразования гемина с биолигандами начато с исследования состояния гемина в водно-органических растворах, так как большое влияние на реакции и физические свойства железо(III)протопорфирина IX оказывает природа растворителя, в качестве которого был выбран диметилсульфоксид. Влияние растворителя на состояние гемина можно проследить по характеру изменения спектров поглощения (рис.1). При 1%-м содержании ДМСО (кривая 1) спектр гемина имеет размытый максимум поглощения при 395 нм, что характерно для димерной формы железопорфирина. По мере увеличения концентрации ДМСО происходит смещение первоначального максимума в длинноволновую область спектра и наблюдается значительный рост оптической плотности. Узкая полоса поглощения при 402 нм (кривые 4-7) указывает на существование гемина в виде мономера. В данной работе представляло интерес изучение комплексообразования гемина с биолигандами в водных растворах, поэтому для дальнейших исследований использовался 1%-й диметилсульфоксидный раствор, который можно практически считать водным. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX ФИЗИКА. ХИМИЯ 99 2008. Вып. 2 А 5 4 0,8 3 2 0,4 1 0 340 390 440 490 540 λ, нм Рис.1. Спектры поглощения гемина в водно-органических растворах с различным содержанием ДМСО. СHem=10-5 M. ω(ДМСО) = 1% (1); 20% (2); 40% (3); 60% (4); 80% (5). СNaC l= 0,1 М; l = 1 см Для повышения растворимости и разрушения димеров пигмента перспективно использовать растворы ПАВ. В данной работе использовались ионогенные: катионное (децилпиридиний хлорид), анионное (додецилсульфат натрия) и неионогенное (додецилмальтозид) ПАВ. При концентрациях ПАВ выше ККМ вещества, нерастворимые в воде, солюбилизируются в водных мицеллярных растворах. ККМ является одной из наиболее важных химических констант, величину которой определяют экспериментально, изучая зависимость физико-химических свойств растворов (электрической проводимости, поверхностного натяжения, светорассеяния или светопоглощения) от концентрации ПАВ [9]. Для спектрофотометрического определения ККМ ПАВ были приготовлены серии водных растворов с концентрациями децилпиридиний хлорида (ДПХ), додецилсульфата натрия (SDS) и додецилмальтозида (ДДМ) близкими к значениям критических концентраций мицеллообразования и с постоянным содержанием железо(III)порфирина 10-5 М. Концентрации ПАВ в полученных растворах изменялась в пределах от 2,5·10-4 до 6·10-2 М для додецилсульфат натрия, от 2·10-3 до 3·10-1 М для децилпиридиний хлорида, от 10-5 до 6·10-3 М для додецилмальтозида. Спектр поглощения водного раствора гемина при различном содержании додецилсульфат натрия представлен на рис.2. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева 100 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ А 6 5 4 0,8 3 0,6 2 1 0,4 0,2 0 340 390 440 λ, 540 нм 490 Рис.2. Спектры поглощения гемина в водно-органических растворах с различным содержанием додецилсульфат натрия. СHem = 10-5 М. СSDS = 5,0·10-4 М (1); 2,0·10-3 М (2); 7,2·10-3 М (3); 1,0·10-2 М (4); 2,0·10-2 М (5); 5,9·10-2 М (6). рН ≈ 7; l = 1 см A 0,95 0,75 0,55 0,35 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 СSDS, M Рис.3. Зависимость оптической плотности водно-органического раствора гемина от концентрации додецилсульфат натрия. СHem = 10-5 М; λ = 402 нм PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX ФИЗИКА. ХИМИЯ 101 2008. Вып. 2 Увеличение концентрации ПАВ в водных растворах пигмента приводит к постепенному смещению первоначального максимума поглощения в длинноволновую область спектра, которое сопровождается ростом оптической плотности. Величина сдвига максимума поглощения и значение оптической плотности зависят от природы ПАВ. Постепенное повышение содержания додецилсульфата натрия в водно-органическом растворе гемина вызывает смещение максимума поглощения в длинноволновую область спектра от 395 нм до 402 нм. В случае децилпиридиний хлорида батохромный сдвиг наблюдается в меньшей степени – от 395 до 397 нм. В мицеллярном растворе додецилмальтозида гемин имеет максимум поглощения при 405 нм. По полученным результатам были построены кривые зависимости оптической плотности растворов гемина от содержания поверхностно-активных веществ (рис.3). Во всех случаях наблюдается первоначальный рост светопоглощения, которое далее достигает предельного значения. При концентрациях, соответствующих ККМ, на графиках наблюдается перегиб, обусловленный образованием сферических мицелл. Точка пересечения, полученная экстраполяцией двух прямолинейных участков, позволяет приблизительно оценить значение ККМ – 3,0·10-2 М для ДПХ, 8,5·10-2 М для SDS, 1,4·10-4 М для DDM. Найденные значения ККМ близки к литературным данным: 8,1·10-3 М (SDS) и 6,0·10-2 М (ДПХ), 1,7·10-4 М (ДДМ) [10]. А 0,8 4 3 0,6 2 1 0,4 0,2 0 340 390 440 490 540 λ, нм 590 Рис. 4. Спектры поглощения водно-органических растворов гемина при отсутствии ПАВ (1) и в присутствии ДПХ (2), DDM (3), SDS (4) . СНem=10-5M, CДПХ=10-1M, СDDM=10-3 М, CSDS=2·10-2 M. pH≈7; CNaCl=0,1 M; l =1 см PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 102 Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ Проведенное исследование показало, что во всех растворах ПАВ при концентрациях выше ККМ происходит солюбилизация гемина. На рис.4 представлены спектры поглощения водно-органических растворов гемина при отсутствии и в присутствии ПАВ. Спектр поглощения гемина в водноорганическом растворе при отсутствии ПАВ характеризуется размытым максимумом при 395 нм (кривая 1). В присутствии ПАВ наблюдаются отчётливые изменения в характере спектров поглощения. Электронные спектры поглощения гемина в растворах ПАВ имеют ярко выраженные максимумы поглощения и характеризуются значительным возрастанием оптической плотности по сравнению со спектром раствора гемина (кривые 2-4). Кроме того, следует отметить тот факт, что более резкие изменения в спектральных характеристиках наблюдаются в водно-органическом растворе в присутствии SDS. Подобные изменения во всех системах связаны с переходом гемина из водорастворимого состояния в солюбилизированное. Таким образом, гемин в присутствии ПАВ находится в мономерной форме. В дальнейшем исследование комплексообразования гемина с биолигандами в присутствии ПАВ проводились при содержании ДПХ, SDS и ДДМ выше ККМ. Для выявления влияния ПАВ на комплексообразующие свойства гемина изучено взаимодействие пигмента с имидазолом и гистидином в растворах ПАВ и для сравнения в водно-органических растворах при отсутствии ПАВ. На рис.5 представлены спектры поглощения растворов гемина при отсутствии ПАВ с различным содержанием имидазола. При увеличении содержания имидазола от 10-5 до 10-3 моль/дм3 наблюдается уменьшение оптической плотности в максимуме поглощения 395 нм и его смещение в длинноволновую область. При концентрации более 10-3 моль/дм3 появляется максимум при 440 нм, а также небольшие максимумы при 550 и 570 нм. Затем проводилось исследование комплексообразования в растворах ПАВ. На рис.6 представлен спектр поглощения гемина в растворе додецилсульфат натрия с различным содержанием имидазола. При увеличении содержания имидазола от 10-5 до 5·10-4 моль/дм3 происходит уменьшение оптической плотности при 402 нм и постепенное смещение данного максимума в длинноволновую область, при концентрации свыше 5·10-4 М появляется максимум при 415 нм. Дальнейшее увеличение содержания имидазола вызывает рост оптической плотности без смещения максимума поглощения. Спектры поглощения во всех изучаемых системах имеют общий характер изменения. Процессы комплексообразования сопровождаются смещением первоначального максимума поглощения в длинноволновую область при постепенном увеличении содержания биолигандов и появлением нового максимума, в котором наблюдается рост оптической плотности. Батохромный сдвиг максимума поглощения указывает на связывание гемина в комплекс. В растворах с добавлением ПАВ для образования комплексов требуется меньшее количество лигандов. Необходимо отметить, что введение значительного количества гистидина в растворы гемина, солюбилизированного в мицеллах PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX ФИЗИКА. ХИМИЯ 103 2008. Вып. 2 децилпиридиний хлорида, не вызывает существенных изменений в характере спектров поглощения, поэтому вести обсчёт данных нецелесообразно. A 1 2 3 4 6 5 0,35 0,25 0,15 0,05 340 390 440 490 540 λ,590 нм Рис.5. Спектры поглощения водно-органических растворов гемина при отсутствии ПАВ с различным содержанием имидазола. СHem = 10-5 M. CIm = 0M (1); 1∙10-5 M (2); 2∙10-3 M (3); 3∙10-3 M (4); 5∙10-3 M (5); 1∙10-1 M (6). pH = 7,3; CNaCl = 0,1 M; l = 1см A 1,2 6 5 1 4 1 0,8 2 3 0,6 0,4 0,2 0 340 390 440 490 540 590 λ,нм Рис.6. Спектры поглощения в системе гемин-имидазол в водно-органическом растворе додецилсульфата натрия. СHem = 10-5 M; CSDS = 1∙10-2 M. CIm = 0 M (1); 5∙10-5 M (2); 1∙10-4 M (3); 2∙10-4 M (4); 5∙10-4 M (5); 1∙10-3 M (6). pH = 7,4 ; CNaCl = 0,1 M; l = 1 см PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 104 Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ Для математической обработки экспериментальных данных по методу Бента-Френча предположен механизм процесса комплексообразования, который можно представить следующими уравнениями: пи отсутствии ПАВ: Hem2(H2O)n + 2mL ↔ 2HemLm + nH2O ; в присутствии ПАВ: Hem + mL ↔ HemLm. Установлено, что в растворах гемина при отсутствии ПАВ и в мицеллярных растворах протекает процесс комплексообразования с имидазолом и гистидином. Расчёты показали, что гемин координирует две молекулы имидазола и гистидина с образованием экстракомплексов. L N M N N N L Для гистидина возможно образование комплексов с мольным соотношением как 1:2, так и 1:1. Вероятно, что механизм взаимодействия железо(III)порфирина с имидазолом и гистидином одинаков. В связывании иона железа Fe3+ принимает участие пиридиновый атом азота молекул имидазола и гистидина. Возможность образования комплексов гемина с изучаемыми биолигандами обусловливается тем, что они являются более сильными основаниями и нуклеофилами, чем вода. Избытки имидазола и гистидина, введённые в раствор гемина, способствуют конкуренции лигандов с молекулами воды за координационное место центрального иона макроцикла. Выявлено, что прочность комплексов гемина с имидазолом выше, чем с гистидином. Вторая частная константа устойчивости HemHis2 в воде очень мала, так как присоединение второй молекулы гистидина затруднено вследствие стерических препятствий и взаимным отталкиванием карбоксильной группы гистидина с группами-заместителями в макроцикле гемина. Результаты математической обработки экспериментальных данных представлены в таблице. Константы устойчивости комплексных соединений гемина с имидазолом и гистидином в водно-органических и мицеллярных растворах ПАВ Комплексная частица Среда lg K Нem(Im)2 Вода 3,90 ± 0,21 SDS 7,62 ± 0,12 ДПХ 4,59 ± 0,20 ДДМ 4,16 ± 0,15 HemHis Вода 3,26 ± 0,14 Hem(His)2 Вода 2,94 ± 0,18 SDS 4,15 ± 0,45 ДПХ – ДДМ 3,73 ± 0,22 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Исследование комплексообразования железо(III)протопорфирина IX ФИЗИКА. ХИМИЯ 105 2008. Вып. 2 Анализ полученных результатов показал, что константы устойчивости образующихся комплексных соединений гемина с биолигандами в мицеллярных растворах выше, чем в водно-органических растворах при отсутствии ПАВ, и их значения зависят от природы ПАВ. Можно сделать вывод о том, что реакционная способность гемина в присутствии ПАВ повышается, что связано с переходом железо(III)порфирина из димерного в мономерное состояние. Влияние молекул ПАВ объясняется также тем, что полярность среды в мицеллярном слое меньше, чем в водном, и уменьшение диэлектрической проницаемости среды усиливает электростатическое взаимодействие реагентов. Разный характер процесса солюбилизации гемина в различных по природе ПАВ обусловливает различие в константах устойчивости образующихся комплексов. Можно предположить, что взаимодействие пигмента, солюбилизированного в мицеллах децилпиридиний хлорида и додецилмальтозида, с биолигандами затруднено вследствие стерических препятствий, поскольку молекулы данных ПАВ являются более объёмными, чем молекула додецилсульфат натрия. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Досон Р. Справочник биохимика / Р. Досон, Д. Элиот. – М.: Мир, 1991. – 543 с. Абросимов В.К. Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность / В.К. Абросимов, А.В. Агафонов, Р.В. Чумакова. – М.: Наука, 2001. – 403 с. 3. Трифонова И.П. и др. Координация азагетероциклов макрогетероциклическими металлокомплексами в амфипротонных средах // Журн. общ. химии. – 2005. – Т. 75, вып. 8. – С. 1360-1364. 4. Pasternack R.F. Kinetics and thermodynamics of the reaction of two iron(III) porphyrins with imidazole and 1-methylimidazole in dimethyl sulfoxide / R.F. Pasternack, B.S. Gillies, J.R. Stahlbush // J. Am. Chem. Soc. – 1978. – Vol. 100. – P. 2613-2619. 5. Qing-jin M. A mechanistic study of the reaction of iron(III) porphyrins with imidazoles. Hydrogen bonding by the propionic acis side chains in hemin chloride / M. Qing-jin, G.A. Tondreau, J.O. Edwards, D.A. Sweigart // J. Chem. Soc., Dalton Trans. – 1985. – P. 2269-2276. 6. Кропачева Т.Н. Комплексообразование железо(III)протопорфирина IX с имидазолом в модельных системах // Вестн. Удм. Ун-та. – 2003. – №8. – C. 95-105. 7. Блинова И.А. Синтез, димеризация и фосфоресцентные свойства новых водорастворимых порфиринов платины(II) и палладия(II) / И.А. Блинова, В.В. Васильев // Журн. неорг. химии. – 1998. – Т.43, № 12. – С. 2005-2009. 8. White W.J. The Porphyrins / W.J. White, D. Dolphin. N.Y.: Academic Press, 1979. – Vol. 5. – P. 303. 9. Гельфман М.И. Коллоидная химия. СПб.: Лань, 2005. – 336 с. 10. Саввин С.Б. Поверхностно-активные вещества. – М.: Наука, 1991. – 251 с. 1. 2. Поступила в редакцию 28.05.08 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 106 Н.Б. Перевощикова, А.Н. Мальцева 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ N.B. Perevotshikova, А.N. Maltseva Study on the complexation of iron(III)protoporphyrin IX with bioligands in water-organics solutions in the presence of surfactants The complexation of iron(III)protoporphyrin IX with imudazol and histidin in waterorganics solutions and in micellar solutions of cationic, anionic and nonionic surfactants has been studied by the spectrophotometric method. Перевощикова Наталья Борисовна Мальцева Анастасия Николаевна ГОУВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп. 1) E-mail: [email protected] PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 112 ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ УДК 543.53 Л.В. Трубачева, Н.В. Купцова ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (КАДМИЯ, СВИНЦА И МЕДИ) В ПОЧВАХ МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ Методом инверсионной вольтамперометрии определено содержание подвижных форм Pb, Cu и Cd в четырех почвенных образцах различного типа. Результаты сопоставлены с величинами ПДК исследуемых металлов в почве. Ключевые слова: анализ почв, инверсионная вольтамперометрия, подвижные формы тяжелых металлов. В настоящее время в условиях сильного антропогенного воздействия на окружающую среду одной из важнейших задач является сохранение экологической чистоты почв, водных источников и получаемой земледельческой продукции [1]. К группе основных загрязнителей, исследованию которых должно уделять особое внимание, Всемирной организацией здравоохранения отнесены тяжелые металлы (ТМ) [2]. Медь в соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 [3] относится к умеренно опасным веществам, тогда как кадмий, свинец являются высокоопасными химическими веществами антропогенного происхождения. Для оценки количества доступных для растений ТМ, а также для оценки экологического состояния почв, как правило, определяют наличие подвижных форм металлов в почве [4]. Высокая токсичность ТМ обусловливает их низкие значения предельно допустимых концентраций [5], что требует применения чувствительных методов аналитической химии. Одним из методов, отвечающих требованиям определения ТМ в соответствии с низкими значениями пределов обнаружения и широкими диапазонами определяемых концентраций, является инверсионная вольтамперометрия (ИВА). Возможность одновременного определения нескольких элементов, высокая чувствительность, относительно небольшое время проведения анализов, хорошая адаптация к автоматизации и компьютеризации, сравнительно низкая стоимость оборудования делают ИВА конкурентоспособным и перспективным методом для проведения повседневных массовых анализов [6]. Материалы и методика исследований Для проведения исследования использованы четыре образца, которые относятся к следующим типам почв: глинистой (Г), песчаной (П), болотной (Б), дерновой среднеподзолистой (ДП). Образцы почв отобраны нами в Камбарском и Кизнерском районах Удмуртии. Этапы проведенного исследования можно представить в виде схемы: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Определение содержания подвижных форм… ФИЗИКА. ХИМИЯ 113 2008. Вып. 2 Пробоотбор Пробоподготовка Измерение аналитического сигнала Расчеты результатов измерений Расчет характеристики погрешности Пробоотбор. Отбор почвенных проб проводился на рабочих пробных площадках 10x10 м, которые на почвах намечали по координатной сетке с равными расстояниями. Точечные пробы отбирали из нескольких слоев почвы глубиной 0-5 и 5-20 см массой не менее 200 г каждая. Пробоотбор проводился известным методом конверта [7]. Объединенную пробу получали путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. Масса каждой объединенной пробы составила 5 кг [8]. Пробоподготовка [9] состояла из следующих этапов: 1) высушивания почвы на воздухе; объединенную пробу почвы раскладывали на кальке слоем 15 – 20 мм; высушивание продолжали до тех пор, пока потеря массы пробы почвы не менялась более чем на 5 % за 24 часа; 2) измельчения почвы после удаления посторонних включений пестиком в фарфоровой ступке, пока размеры частиц не превысили 1 мм; 3) тщательного перемешивания пробы в измельчителе; 4) получения лабораторной пробы методом квартования [10]. Готовые почвенные образцы хранились в эксикаторе над слоем осушителя хлорида кальция. Приготовление вытяжек из почв и их обработка осуществлялись согласно МВИ содержания кадмия, свинца, меди в почве методом инверсионной вольтамперометрии, предназначенным для определения содержания ТМ (кадмия, свинца и меди) в почве, а также их валового содержания. Для экстракции подвижных форм ТМ из почвенных образцов использовали ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) со значением рН 4,8. В колбу с притертой пробкой помещали навеску воздушно-сухой пробы почвы массой (5±0,01) г и при постоянном перемешивании осторожно приливали 50 см3 ААБ. Пробу почвы в ААБ выдерживали в течение 24 часов при комнатной температуре, за это время вытяжку почвы перемешивали 5-7 раз. Через 24 часа почву с раствором отфильтровывали через складчатый бумажный фильтр «синяя лента» в колбу, измеряя затем объем фильтрата мерным цилиндром. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 114 Л.В. Трубачева, Н.В. Купцова 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ Фильтрат подвергался дальнейшей обработке: в два кварцевых стакана вносили по 2,0 см3 ацетатно-аммонийной (АА) вытяжки почвы и проводили операции в следующей последовательности: а) добавляли по 0,2 см3 HNO3(конц.)(ос.ч.) и выпаривали при Т=100-1100С до влажных солей; б) к остатку добавляли по 0,2 см3 Н2О2 30% («х.ч.») и по 0,2 см3 HNO3(конц.) («ос.ч.»), упаривали на электроплитке при Т=100-1100С до влажных солей; в) для удаления паров кислот вносили по 5,0 см3 бидистиллированной воды и упаривали на электроплитке при Т=100-1100С, эту операцию проделывали дважды. К полученному остатку добавляли по 5,0 см3 азотнокислого фонового раствора для поддержания значения рН 2-3. Выдерживали пробы в фоновом растворе в течение 20-30 мин, количественно переносили в мерные цилиндры и доводили фоновым раствором объем приготовленных для измерения проб до 10 см3 . После проведенных операций АА вытяжка почвы готова к измерению на приборе. Вольтамперограммы обработанных проб регистрировали с помощью вольтамперометрического анализатора «АВА-2» (производство ОАО «НПП«Буревестник», СПб.; свид-во о поверке №14297 от 30.11.2007) по трехэлектродной схеме. Рабочим электродом служил углеситалловый электрод, вспомогательным электродом – платиновый, в качестве электрода сравнения – хлорсеребряный электрод. Все эксперименты проводили при комнатной температуре (20 ± 2 0С). В процессе электролиза исследуемого раствора, в который предварительно добавляется капля раствора нитрата ртути(II) (х.ч.), на торцевой части рабочего электрода образуется ртутная пленка: Hg2+ + 2е– → Hg. (1) На пленке концентрируются ионы Cu2+, Pb2+ и Cd2+ в виде амальгамы: Cd2+ + 2е– → Cd(Hg); (2) Pb2+ + 2е– → Pb(Hg); (3) Cu2+ + 2е– → Cu(Hg). (4) Электрохимическое катодное накопление элементов на вращающемся твердом ртутном тонкопленочном электроде происходит при отрицательном потенциале, а последующее анодное растворение (процессы – обратные (2),(3),(4)) – при развертке потенциала в положительную область. В этом случае происходит инверсия процесса на электроде [11]. Вольтамперограммы регистрируются на стадии растворения металлов с электрода. Одновременное электрохимическое концентрирование ионов Cu2+, Pb2+, 2+ Cd проводили при -1200 мВ на азотнокислом фоновом растворе в течение 60 с. Результаты и их обсуждение На начальной стадии работы осуществлен контроль точности результатов измерений при использовании анализатора «АВА -2». Для этого была создана аттестованная смесь (АС) на азотнокислом фоновом растворе из госу- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Определение содержания подвижных форм… ФИЗИКА. ХИМИЯ 115 2008. Вып. 2 дарственных стандартных образцов (ГСО) растворов состава ионов меди, свинца и кадмия. Результаты, представленные в табл. 1, показали, что электрохимическая аппаратура работает удовлетворительно и можно приступать к анализу почвенных образцов. Таблица 1 Проверка точности результатов измерений по контрольным пробам Элементы Введено САС, мкг/дм3 Cd Pb Cu 20 20 20 Найдено X , мкг/дм3 18 22.5 22.4 Результат контрольной процедуры (| X – САС|), мкг/дм3 2 2.5 2.4 Норматив контроля К, мкг/дм3 3 3 3 Полученные нами вольтамперограммы представлены на рисунке. После идентификации пиков элементов на вольтамперограмме компьютером регистрируются концентрации металлов (в мкг/дм3) в анализируемой пробе с учетом их концентрации в фоновом растворе. Для пересчета содержания металлов на 1 кг почвы использовали формулу С1 = 10–3 С1' ⋅ V1 ⋅ V3 ⋅ Vвыт , V 2 ⋅ V4 ⋅ m где С1 – массовая концентрация металла в почве, мг/кг; С1’ – массовая концентрация металла в растворах параллельных проб, мкг/дм3; V1 – объем раствора в стаканчике электрохимической ячейки до ввода добавки, см3; V2 – объем вытяжки, взятый для обработки, см3; V3 – объем раствора, приготовленного из минерализованной пробы, см3; V4 – объем раствора, отобранный из V3 для проведения измерений на приборе (аликвота пробы), см3; Vвыт – объем анализированной вытяжки, см3; m – масса навески почвы, г. Каждый образец почвы проанализирован не менее 10 раз в двух параллельных измерениях. Результаты исследований почвенных образцов представлены в табл. 2. Характеристики погрешности результатов анализа определяли по формуле Δ = 0,01. δ . С , где δ – показатель точности (границы относительной погрешности) при Р = 0,95, %. Для подвижных форм кадмия, свинца и меди в соответствии с использованной методикой δ = 35 %. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Л.В. Трубачева, Н.В. Купцова 116 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ Рис. Вольтамперограммы ионов Cd2+, Pb2+, Cu2+ в азотнокислом фоновом растворе , Еэ = - 1.2 В, tэ = 60 с, индикаторный электрод – углеситалловый; 1 – фон, 2 – проба, 3 – проба с добавкой АС Для всех случаев рассчитан предел повторяемости. За результат измерений принимали среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, если выполнялось условие приемлемости 2 ⋅ С1 − С 2 ⋅ 100 (С1 + С 2 ) ≤r , где С1, С2 – результаты параллельных определений, мг/кг; r – значение предела повторяемости, %, Р = 0,95, n = 2. По МВИ для кадмия и меди r = 21 %, для свинца r = 25 %. Из табл. 2 видно, что концентрация кадмия в почве меньше предела обнаружения использованной методики [12]. Концентрация меди в болотной почве не определена, поскольку пик меди раздваивается и расплывается. Это связано с тем, что гуминовые и фульвокислоты, которые присутствуют в болотной почве в больших концентрациях, являются хорошими комплексообразователями. Поэтому с медью образуются прочные комплексы, снижающие концентрацию свободного, несвязанного металла в растворе и тем самым мешающие электрохимическому осаждению ионов меди на электроде [12]. Концентрации свинца и меди в глинистом почвенном образце на порядок меньше, чем в других образцах. Это связано прежде всего с мощным почвенным поглощающим комплексом (ППК) глины, которая обладает хорошей способностью закреплять в форме труднорастворимых соединений ионы, поступающие в раствор [13]. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Определение содержания подвижных форм… ФИЗИКА. ХИМИЯ 117 2008. Вып. 2 Таблица 2 Результаты анализа определения подвижных форм меди, свинца и кадмия в исследуемых почвенных образцах С(Ме), мг/кг почвы Г П Cd < 0,01 < 0,01 Pb 0,04±0,01 Cu 0,07±0,03 Тип почвы Б ДП ПДК, мг/кг < 0,01 < 0,01 0,7 0,33±0,11 0,40±0.14 0,47±0,17 6,0 0,19±0,06 Невозможно опред-ть колич-но 0,23±0,08 3,0 В почвенном растворе происходит катионный обмен: ППКNa2+ + M2+ ↔ ППКM2+ + 2Na+. Таким образом, носителем катионообменной способности почв является ППК. Он представляет собой совокупность минеральных, органических и органоминеральных компонентов твердой части почвы, обладающих ионообменной способностью [14]. В табл. 2 также представлены ПДК [5] подвижных форм ТМ в почве. По сравнению с ними значения концентраций меди и свинца, а также кадмия, в исследуемых почвенных образцах много меньше, следовательно, исследуемые нами почвенные образцы являются экологически чистыми относительно содержания в них этих элементов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ковриго В.П. Почвы Удмуртской Республики. –- Ижевск: РИО ИжГСХА, 2004. – 409с. 2. Соколков С.В. Портативные электрохимические анализаторы / С.В. Соколков, П.Н. Загороднюк // Рос. хим. журн. – 2001. – Т. 65, №5-6. – С.78-82. 3. ГОСТ 17.4.1.02 -83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. Введен с 01.01.85. – М.: Изд-во стандартов, 2000. 4. Методы определения микроэлементов в природных объектах / под ред. П.К. Агасяна и др. – М.: Наука, 1976. – 200с. 5. Перечень ПДК и ОДК № 6229 – 91. Дополнение №1. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94. – М.: Информ.-изд. центр Госкомсанэпиднадзора России, 1991. – 8 с. 6. Методические указания. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Свид-во об аттестации №2.1.7.730-99. Утв. Мин. здравоохранения РФ. – М., 1999. – 29 с. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 118 Л.В. Трубачева, Н.В. Купцова 2008. Вып. 2 ФИЗИКА. ХИМИЯ 7. Фомин Г.С. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: справочник / Г.С. Фомин, А.Г. Фомин. – М.: Протектор, 2001. – 304с. 8. ГОСТ 17.4.3.01 – 83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Введен с 01.07.84. – М.: Изд-во стандартов, 2000. 9. ГОСТ 17.4.4.02 – 84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Введен с 01.01.86. – М.: Изд-во стандартов, 2000. 10. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. – 489 с. 11. Выдра Ф. Инверсионная вольтамперометрия / Ф. Выдра, К. Штулик, Э. Юлакова. – М.: Изд. Мир, 1980. – 278 с. 12. Брайнина Х.З. Инверсионные электроаналитические методы / Х.З. Брайнина, Е.Я. Нейман. – М.: Химия, 1988. – 239с. 13. Ковриго В.П. Почвоведение с основами геологии / В.П. Ковриго, И.С. Кауричев, Л.М. Бурлакова. – М.: Колос, 2000. – 416 с. 14. Орлов Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, Н.И. Суханова. – М.: Высш. шк., 2005. – 558 с. Поступила в редакцию 20.05.08 L.V. Trubacheva, N.V. Kuptsova Determination of the content of mobile forms of heavy metals (Pb, Cd, Cu) in soils by inversion voltamperometry method The content of mobile form of Cd, Pb, Cu has been determined in the four soil samples by the inversion voltamperometry method. The results have been compared with the LAC values of metals in soil. Трубачева Лариса Викторовна Купцова Надежда Валерьевна ГОУВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп.1) E-mail: [email protected] PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
