presentation of lectures on sample preparation

Особенности предварительной
подготовки проб объектов
окружающей среды и
биоматериалов
Автор: Слепченко Галина Борисовна,
проф. каф. ФАХ, науч. рук. НИЛ №506
Особенности предварительной
подготовки проб объектов окружающей среды и
биоматериалов
Презентация лекций по курсу:
Требования к методам анализа для определения
загрязнителей
 Высокая чувствительность (возможность
определения на уровне хотя бы 0,1 ПДК)
 Высокая селективность (возможность
определения изомеров, отличающихся по
токсичности)
 Специфичность (возможность определения
отдельных веществ в присутствии других)
 Экспрессность
 Наличие нормативно-технической
документации, регламентирующей
отдельные стадии анализа
 Метод должен отвечать требованиям по
контролю качества измерений и иметь
достаточные метрологические
характеристики
Присоединимся к мнению ведущих аналитиков:
1. Цель пробоподготовки - привести пробу и
определяемый элемент в физическую и химическую
форму, пригодную для измерения аналитического
сигнала с требуемыми метрологическими
характеристиками.






2. Выбор способа подготовки проб зависит от:
состава и структуры анализируемого объекта
(матрицы),
химических свойств аналита (А),
метода измерения сигнала,
метрологических требований к качеству анализа,
наличия приборов, их стоимости,
традиций, существующих в лаборатории и др.
Сравнение методик пробоподготовки As в
пищевых продуктах
Параметры
ГОСТ 26926-86
ГОСТ 51962-2002
(ИВ)
Навеска
25-50 г
0,1-2,0 г
Реактивы, объем
10-50 мл
0,5-2,0 мл
Оборудование
Специальная
аппаратура
1 кварц.
Стаканчик на
пробу
Время
подготовки
9 проб
От 6 до 12 час
Не более 3 час
Особенности
Вывод
Одновременное
определение 4-5
элементов;
варьирование фона,
электродов для анализа
одного раствора
Возможно многоэлементное
определение из одной
подготовленной пробы
Измерения в
микрообъемах, с
микроэлектродами, в
потоке
Упрощение анализа,
сокращение времени, полная
автоматизация процедур
анализа
Отсутствие влияния
солевого состава
Без ПРП – анализ на месте,
дистанционный, in vivo
Влияние ПАВ на ИВ-сигнал
Необходимость удаления ПАВ
или
изолирования поверхности
электрода
Вольтамперограммы цинка и меди в пробе водопроводной воды:
1) УФО-3 мин, 2) УФО-10 мин. РПЭ+ХСЭ. Фон-HCOOH. t=60 с.
Биологические объекты
Доля работ из 780 рефератов за 10 лет
Фармпрепа
раты
9%
Кровь
30%
Моча
16%
Волосы,
ногти
22%
Ткани
23%
Химические формы тяжелых металлов в
поверхностных водах
Cd
Cd (2+)
45%
Цитраты
30%
Фульваты
10%
Карбонаты,
сульфаты
5%
Гидратиров анные
ионы
10%
Hg
Hg (2+)
9%
Гидратиров а
нные ионы
9%
Неорганичес
кие
соединения
27%
Органические
соединения
55%
Pb
Pb(2+)
10%
Органические
соединения
65%
Гидратированные ионы
10%
Неорганические
соединения
15%
Cu
Карбонаты
10%
Гидратированные ионы
10%
Фульваты
80%
Основные способы пробоподготовки
пищевых продуктов к анализу методом ИВ
Химические процессы:
1.
2.
С озолением матрицы:

Мокрое озоление в открытых и закрытых
системах

Сухое озоление, в т.ч. с озоляющими добавками
Без озоления матрицы:

Применение известных методов разделения
концентрирования.

Использование вариантов ВА и
модифицированных электродов
Физические воздействия:
1. Возбуждение кислорода
(низкотемпературная плазма)
2. Микроволновой нагрев
3. Ультрафиолетовое облучение
4. Ультразвуковая обработка
5. Электрохимическая обработка
Таблица 2. Распределение публикаций по
способам пробоподготовки к ИВ –анализу с
1985 –2001г.г. (%, окр.)
Вид подготовки
За 10 лет (1985-1995)
105 рефератов по СА
(100%)
За 5 лет (19962001)
107 рефератов по
СА (100%)
Мокрое озоление
59
35
Микроволн.
нагрев
12
16
УФ-облучение
12
22
УЗ-воздействие
3
9
Сухое озоление
9
5
Без полного
разложения
5
13
Пример многоэлементного анализа биологически
активных добавок методом ИВ
Гомогенизация проб БАД
Навеска
для Zn, Cd, Pb,
Cu
Навеска
для As и Fe
Навеска
для Se
Пробоподготовка
Мокрое
озоление
для
Zn, Cd, Pb и Cu
Озоление
Mg(NO3)2
для As и Fe
УФО
для Se
Измерение методом ИВ
Zn, Cd, Pb, Cu
РПЭ
фон - НСООН
As и Fe
ЗГЭ
фон - трилон Б
Se
ЗГЭ
фон - HClO4
УЗ – это акустические волны с частотой выше
10 – 20 кГц, подчиняющиеся законам
распространения звуковых волн со своими
особенностями. При воздействии УЗ с
интенсивностью свыше 1 Вт/см2 возникают
нелинейные эффекты – акустические течения
и кавитации.
Акустические течения – смещения среды
вихревого характера . Колебания частиц
передаются среде, вызывая ее регулярное
движение. Это способствует интенсификации
массообменных процессов.
Кавитация – образование в жидкости пульсирующих
пузырьков, заполненных паром, газом и их смесью.
Когда давление пара в пузырьке становится больше
суммарного действия поверхностного натяжения и
давления жидкости выросший пузырек схлопывается,
при этом давление возрастает до 107 Па, а
температура 3000 К. На процессы кавитации влияют
свойства жидкости ( ее Т, Р, содержание газов…), а
также параметры УЗ – частота и интенсивность.
Кавитация приводит к протеканию хим.
реакций ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ – распад
на радикалы, взаимодействие с молекулами
газа и воды, а также сонолюминесценции
(свечению).
С помощью УЗ получают высокие
интенсивности энергии (на ед. площади
перпендикулярной направлению
распространения волн), что позволяет
интенсифицировать многие химические
процессы.
Микроволновое ( МВ) –разложение
МВ-излучение – вид электромагнитного излучения в
диапазоне частот 300 – 30000 МГц, вызывающий
движение ионов и вращение диполей и приводящий к
быстрому разогреву всего объема образца, поглощающего
МВ-энергию. Так, при частоте 2400 МГц ориентация
молекул и их возвращение в беспорядочное состояние
происходит 5.109 раз в секунду. МВ – излучение
нагревает весь объем жидкости, не нагревая сосуда
проницаемого для МВ (фторопласт, кварц). В результате
вместо 1-2 часов для полного разложения проб кислотой
требуется 10-15 мин, а Т кип достигается за 2 мин.
В закрытых сосудах с азотной кислотой основные
компоненты пищи разлагаются при температурах:
углеводы – 140 С, белки – при 150 С, жиры – при 160
С.
Недостатки МВ-разложения для ИВ:

Неполное разложение ароматических
нитросоединений, которые являются электрохимически
активными;

Необходима дополнительная обработка:
а) HCLO4 б)УФО;


Необходимо время для охлаждения проб;
Необходимость удаления концентрированных кислот
после МВ-разложения.
ФОТОХИМИЧЕСКАЯ ПРОБОПОДГОТОВКА
Ультрафиолет – свет с длиной волны  короче 400 нм:
Пример : источник УФ - ртутная лампа низкого давления с
наиболее интенсивными линиями = 180 и 254 нм
E=h= hc/ = 1,2.10-5/ кДж/моль
№

E
1
200
600
2
300
400
Е химической связи ( C- H, C-C, C-OH равна 250 – 500
кДж/моль
Е уфо  Е хим.св.
Под действием энергии УФО происходят первичные,
вторичные (в т.ч. каталитические) фотохимические
реакции.
Первичные фотохимические р-ции
(диссоциации, замещения, окисл./восст….).
Молекулы муравьиной кислоты, перекиси
водорода возбуждаются и распадаются на
радикалы :
HCOOH H.+ .OOH (радикалы R)
H2O2  2 .OH (радикалы R),
Вторичные фотохимические реакции ( с O2 ,
H2O2, O3 , R. )
R. + O2  RO2 . (или R+ + O2-. )
В пределе органические вещества распадаются
и минерализуются до CO2 , H2O, нитратов,
фосфатов, ионов металлов и др.
Интенсификация пробоподготовки к ИВ-анализу
различных объектов на содержание следов
неорганических веществ
Стадии пробоподготовки
Физическое воздействие
1. Размельчение,
гомогенизация, сушка
Нагрев, лиофилизация,
растирание
2. Растворение,
солюбилизация
Нагрев, катализатор, УЗ, СВЧ
3.Концентрирование
УЗ, СВЧ, перемешивание, в
примесей, отделение матрицы потоке
4. Разрушение органических
веществ
Электролиз, УФ, УЗ, СВЧ, плазма,
радиолиз, повышение
температуры, давления
5. Маскировка, изоляция ОВ
Мембраны
6. Перевод элемента в
аналитическую форму
УЗ, УФ, СВЧ
Пробоподготовка к ВА-анализу без минерализации
1. Отделение ионов металлов от органической матрицы
ТВЕРДАЯ МАТРИЦА
СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ
ЖИДКАЯ МАТРИЦА
ПРОЦЕССЫ
РАЗБАВЛЕНИЕ
РАСТВОРИТЕЛЕМ
СОРБЦИЯ
ЭКСТРАКЦИЯ
СООСАЖДЕНИЕ
ОТГОНКА
УСКОРЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ:
T, P, КАТАЛИЗАТОР
ОКИСЛИТЕЛИ (О3 ,H2O2 , O*)
УЛЬТРАЗВУК
УЛЬТРАФИОЛЕТ
Э/Х – ОБРАБОТКА
СВЧ-НАГРЕВ
Изоляция электрода от органической матрицы
Электрод
Одноразовые
Химическое
модифицирование
Эл/химическая
тренировка
Механическая
зачистка
Смена электролита
при формировании
сигнала
УЗ,
Лазер
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОДА
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ
В
 Электроактивные формы – I(1-) – иодид (устойчив при
рН 6) и I(5+)- иодат, IO3 – . В кислой среде: 5I (-1)
+IO3(–) + H(+) = 3I2 +3H2O, иод улетучивается. В
щелочной среде иодид и иодат устойчивы.
 Определение иодида методом катодной ИВ
 Пробоподготовка всех объектов: щелочное
окислительное плавление (KOH+KNO3 ) при T
480 C для разрушения органической матрицы,
последующее подкисление (рН 4-3) и восстановление
иодатов до иодида аскорбиновой кислотой.
Измерение. Фон – KNO3 + аскорбиновая кислота.
Электрод – РПЭ (3-х электродная ячейка)
Накопление иодида: 2Hg – 2e + I(1-) = Hg2Cl2 (осадок
на РПЭ)
Формирование сигнала (катодная развертка потенциала,
Еп= -0,24 В):
Hg2Cl2 +2е =2Hg +2СL(-)
Методика аттестована и опубликована //Химия и
хим. технология, 2003, Т.46., вып.5, с.74-76.
Слепченко Г.Б., Пичугина В.М.
Рис. Вольтамперограмма определения йода в фоновом электролите (1),
в пробе (2) и в пробе с добавкой (3) стандартного раствора
Методика анализа вод на содержание Se
Электроактивной формой является селен (4+), т.е. селенит, SeO32 
Подготовка проб вод состоит из двух стадий:
1)фотоокисление всех форм селена до селена (4+, 6+) в
присутствии H2O2
2) фотовосстановление Se(6+) до Se (4+) в том же стаканчике,
при рН 8-10
SeO42  SeO32  1 O2
2
Определение методом АНОДНОЙ ИВ на Au-C электроде на фоне–
HCLO4:
H 2 SeO32  4e  4 H   Se(0)  3H 2O
 Анодное растворение: Se(0)  3H O  SeO 2   4e
2
3
 Накопление:
 Для устранения мешающих ионов Cl-, NO2- используется
прием смены раствора с пробой на фон в стадии анодного
растворения.
 Методика аттестована и опубликована в Завод. лабор.
1999, т.65, с.3-6. Захарова Э.А., Филичкина О.Г., Слепченко
Г.Б.
Методика анализа пищевых
продуктов, биологических объектов
на содержание Se
Электроактивной формой является селен (4+)
Подготовка проб состоит из 2-х стадий:
1. Мокрое озоление с добавлением соли магния и
прокаливанием при 450 С
2. Восстановление селена (6+) до (4+) 6 М HCL (90 C)
Определение методом КАТОДНОЙ КВИВ на ртутнографитовом электроде.
 Фон – 0,6 М HCL + ионы ртути (2+) + ионы меди (2+).
 Селен накапливается на поверхности РГЭ в виде осадка
Cu2Se.
 Стадия формирования сигнала селена при катодной
развертке потенциала соответствует реакции:
Сu2Se + 2e + 2H (+)Cu(0)Hg + H2Se
 Методика аттестована и будет опубликована в ЖАХ, 2004
г, т.59, №3 с.1-6, Филичкина О.Г., Захарова Э.А.,
Слепченко Г.Б.
Основные преимущества разработанных ИВметодик
Характеристика
ИВ-методик
Высокая
производительность
Экологическая
безопасность
За счет чего достигается эффект
-Однотипная пробоподготовка для
одновременного определения нескольких
элементов (Zn, Cd, Pb, Cu), (Cu, Hg), (Fe, As, Cu).
- Использование анализаторов с 3-мя ячейками и
одновременным УФ-облучением растворов
- Автоматизация пробоподготовки (одновременно
9 проб) и измерения
- Не используются токсичные органические
растворители
- Устранены операции отгонки токсичных As, Hg,
Se
- Устранено использование взрывоопасной HClO4
- Не используются баллоны со сжатыми газами
при применении УФ-удаления кислорода
Особенности метода ИВ, существенные для
пробоподготовки (ПРП)
Особенности
Вывод
Высокая абсолютная
чувствительность
Использование малых
навесок,
минимума реактивов,
времени ПРП
Накопление
/концентрирование/
аналита на индикаторном
электроде путем:
электролиза, ионного
обмена, адсорбции,
осаждения, образования
ИМС и т.д.
Устранение специальной
операции
концентрирования ,
сокращение времени ПРП,
уменьшение холостой