Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проточно-инжекционный анализ (ПИА) в современной аналитической химии 10
1.1. Теоретические основы ПИА 10
1.2. Рабочие принципы ПИА 13
1.3. Роль ПИА в экологической аналитической химии 20
Глава 2. Способы усиления и локализации аналитического сигнала в ПИА 26
2.1. Современные подходы и концепции в теории ПИА 26
2.2. Инструментальное и химическое усиление аналитического сигнала. Локализация сигнала в ПИА 29
2.3. Способы улучшения избирательности 37
Глава 3. Методы определения нитритов и нитратов .. 38
3.1. Особенности нитритов и нитратов, существенные для их аналитической химии 38
3.2. Обзор используемых методов 40
3.3. ПИА для определения нитритов и нитратов 44
Глава 4. Реактивы. оборудование. приборы. техника выполнения эксперимента. алгоритмы расчетов ... 53
4.1. Реактивы и растворы, методика работы. Стандартизация. Контроль качества результатов анализа 53
4.2. Аппаратура 61
4.2.1. Установка для проточно-инжекционного анализа с аналоговой регистрацией сигнала 62
4.2.2. Установка для проточно-инжекционного анализа с цифровой регистрацией сигнала 65
4.2.3. Установки для фотовосстановления нитратов 67
4.3. Способы обработки экспериментальных данных 69
Глава 5. Реакция образования мононитрозотиоцианатов в статическом и проточном режимах 72
5.1. Химизм взаимодействия тиоцианатов с нитритами 72
5.2. Устойчивость мононитрозо-Б-тиоцианатов и особенности стационарного состояния при их детектировании в потоке 85
5.3. Проточно-инжекционное определение нитритов 91
Глава 6. Взаимодействие нитрит-ионов сазиновыми красителями 101
6.1. Исследование взаимодействия азиновых красителей с аминогруппами, способными диазотироваться с нитрит-ионами в кислых средах 102
6.2. Специфика взаимодействия азиновых красителей с нитритом в потоке 121
6.3. Определение нитритов по реакции их взаимодействия с трипафлавином в потоке 130
Глава 7. Использование исследованных аналитических реакций в анализе системы нитрит-нитрат и практическое применение разработанных способов 141
7.1. Избирательность определения нитритов 141
7.2. Способы понижения предела обнаружения нитритов в системах нитрит - тиоцианат и нитрит - трипафлавин 147
7.3. Пробоподготовка и сравнение химического и фотохимического 169 способов восстановления нитратов в нитрит
7.4. Определение нитритов в реальных объектах 176
Выводы 182
Литература 185
Приложение 212
- Рабочие принципы ПИА
- Инструментальное и химическое усиление аналитического сигнала. Локализация сигнала в ПИА
- ПИА для определения нитритов и нитратов
- Установка для проточно-инжекционного анализа с аналоговой регистрацией сигнала
Введение к работе
Актуальность темы. Определение нитритов в объектах окружающей среды, например в природных, сточных и питьевых водах, - актуальная задача современного химического анализа [1,2] . Интерес к их массовому определению возрастает в связи с загрязнением окружающей среды оксидами азота, негативно сказывающемуся на биогеохимическом цикле азота: протоплазма -аминокислоты - аммиак - нитрит- нитрат [3]. Причиной повышенного интереса к нитритам является их высокая токсичность, обусловленная способностью к взаимодействию с гемоглобином крови с образованием метгемоглобина, что приводит к нарушению дыхания на клеточном уровне, и, кроме того, к ферментативному синтезу особенно опасных канцерогенных и мутагенных нитрозоа-минов [2].
Анализ содержания обзоров [1] и [2] свидетельствует о том, что в последнюю декаду существенно возросло внимание к проточно-инжекционному методу (ПИА): актуальность проблемы диктует необходимость мониторинга, когда роль автоматизированного анализа очевидна [2]. Среди различных методов регистрации сигналов при определении нитритов ПИА, к которым относятся спектрофотометрия, флуориметрия, хемилюминесценция, амперометрия и некоторые др. [2] преобладающее значение имеют спектрофотометрические способы, отличающиеся низкими пределами обнаружения и достаточной избирательностью используемых реакций. Здесь наиболее часто используют классический метод Грисса-Илосвая, основанный на реакциях синтеза азокрасителей, и связанный с последовательным осуществлением достаточно медленных реакций диазотирования подходящих ароматических аминов и азосочетания образующихся диазосоединєнии с различными азосоставляющими, что сдерживает производительность анализа.
Ориентируясь на спектрофотометрическую регистрацию сигнала с учетом обеспечения чувствительности и избирательности, в ПИА при определении нитритов целесообразно использовать существенно более быстрые химические процессы. Для решения этой задачи необходимо найти другие быстропроте -кающие аналитические реакции, отличающиеся высокими чувствительностью и избирательностью.
Выполнение работы поддерживалось грантом РФФИ № 04-03-32360.
Цель работы. Исследование быстрых, избирательных и чувствительных реакций, пригодных для определения нитритов проточно-инжекционным методом со спектрофотометрической регистрацией сигнала.
Конкретные задачи состояли в следующем:
Экспериментальное и теоретическое исследование спектрофотометрической реакции взаимодействия нитритов с тиоцианатами, выяснение природы образующейся аналитической формы, и обеспечение ее устойчивости, использование полученных результатов в проточно-инжекционном методе для высокопроизводительного и чувствительного определения малых концентраций нитритов, в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) и на основе сочетания этой реакции с on-line концентрированием нитритов на анионообменнике.
Исследование существенных для ПИА неравновесных особенностей протекания необратимых реакций диазотирования азиновых красителей в статическом и проточно-инжекционном режимах. Изучение специфики взаимодействия азиновых красителей, содержащих аминогруппы, способные диазотироваться нитритом в проточных условиях в присутствии органических растворителей и ПАВ. Разработка прямого и обращенного способов ПИА для определения нитритов с использованием реакций их взаимодействия с азиновыми красителями в потоке на основе образования диазо-соединений. Сочетание прямого варианта ПИА с on-line концентрированием нитритов на анионообменнике.
Разработка избирательных, чувствительных и экспрессных методик прямого определения нитритов проточным методом с тиоцианатами и азиновыми красителями с целью решения актуальных практических задач.
--Приложение разработанных приемов проточно-инжекционной спектрофо-тометрии нитритов к анализу системы нитрит — нитрат.
Научная новизна. Предложено использовать взаимодействие нитритов с тиоцианатами для проточно-инжекционного определения нитритов. Установлено, что продуктом реакции является неустойчивый окрашенный мононитрозотиоциа-нат, пригодный для его избирательного детектирования в ПИА. Квантово-химическими расчетами подтверждена стабилизация мононитрозотиоцианата за счет его гидратации и образования аддуктов с сильными кислотами.
Систематически исследовано взаимодействие 4 азиновых красителей с нитрит-ионами в статическом и проточном режимах. Экспериментально, с использованием данных спектрофотометрии, стехиометрии, данных модельного синтеза азокрасителей и их исследования методом ПМР установлено и с помощью квантово-химических расчетных методов подтверждено, что в проточных условиях исследовавшиеся реакции протекают с образованием интенсивно окрашенных диазосоединений, спектры поглощения которых характеризуются сильным батохромным сдвигом. Это позволяет эффективно использовать эти быстрые реакции в проточной аналитической химии нитритов, когда наилучшим реагентом среди азиновых красителей оказывается трипафлавин.
Разработан способ on-line ионообменного концентрирования нитритов на анионообменнике, осуществляемый во время элюирования. Проработано его сочетание с исследованными аналитическими реакциями. Это позволяет достигать пределов обнаружения до 1,5 нг/мл (3s) при использовании реакции взаимодействия нитритов с тиоцианатами и 75 пг/мл (3s) для реакции взаимодействия нитритов с трипафлавином. Исследовано взаимодействие нитритов в присутствии поверхностно-активных веществ, что позволяет достигать пределов обнаружения до 0,1 мкг/мл (3s) при использовании реакции взаимодействия нитритов с тиоцианатами и 52 пг/мл (3s) для реакции взаимодействия нитритов с трипафлавином. Предложены избирательные и высокопроизводительные ме тодики для проточно-инжекционного определения нитритов и нитратов в различных водах и атмосферных осадках.
Практическая значимость. Предложены спектрофотометрические реакции для определения нитритов с тиоцианатами и трипафлавином проточно-инжекционным методом. Разработаны новые методики высокоизбирательного и высокопроизводительного определения нитритов и выполнена их метрологическая оценка. Методики характеризуются низкими пределами обнаружения -до 1 — 0,05 нг/мл, рациональными диапазонами определяемых содержаний, высокой избирательностью, хорошей воспроизводимостью и правильностью результатов.
Апробация работы и публикации. Результаты работы представлены на Всероссийской конференции по аналитической химии "Аналитика России" (г. Москва, сентябрь 2004 г.), XVIII Международной конференции молодых ученых "Успехи в химии и химической технологии" (г. Москва, декабрь 2004 г.), II Международном симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (г. Краснодар, сентябрь 2005 г.), I Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии (г. Москва, октябрь 2005 г.). По материалам диссертации опубликованы 1 статья в "Журнале аналитической химии" и 4 статьи в сборниках трудов "Успехи в химии и химической технологии".
Положения, выносимые на защиту:
Результаты исследования взаимодействия нитрит-ионов с тиоцианатами в статических и проточных условиях и доказательство стабилизации мо-нонитрозотиоцианата в растворах сильных кислот. Данные об аналитическом использовании этой избирательной реакции в проточно-инжекционной спектрофотометрии нитритов, включая ее сочетание с on-line концентрированием на анионообменнике.
Данные об исследовании спектрофотометрических реакций диазотиро-вания азиновых красителей, доказательство идентификации образующихся -окрашенных продуктов как диазосоединений без протекания процессов их самосочетания с избытком реагента. Сравнение протекания этих реакций в статических и динамических условиях, выбор трипафлавина как лучшего реагента, подбор оптимальной конфигурации проточной системы и выбор соответствующих гидродинамических параметров. Применение прямого и обращенного вариантов ПИА для определения нитритов по реакции их взаимодействия стрипафлавином.
Результаты аналитического применения исследованных реакций для проточно-инжекционного определения нитритов в широком диапазоне концентраций, сочетание этих реакций с on-line концентрированием на анио-нобменниках с последующим осуществлением аналитических реакций в процессе элюирования, достижение предела обнаружения нитритов до 1,5 нг/мл (реагент - тиоцианат) и до 75 пг/мл (реагент - трипафлавин). Понижение предела обнаружения до 0,1 мкг/мл (3s) при использовании реакции взаимодействия нитритов с тиоцианатами и 52 пг/мл (3s) для реакции взаимодействия нитритов с трипафлавином в присутствии ПАВ. Примеры практического применения новых методик в анализе реальных объектов, иллюстрирующие их избирательность, удовлетворительную метрологию и гибкость при использовании в анализе различных вод и атмосферных осадков.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 211 стр. печатного текста, состоит из 7 глав, 77 рисунков, 31 таблицы, списка литературы из 294 наименований и приложений.
Автор выражает глубокую признательность за оказанное содействие и помощь в расшифровке спектров к.х.н. Кудрявцеву А.Б., проведении синтезов магистру Шереметьеву СВ., предоставлении оборудования и проведении фотовосстановительных экспериментов к.х.н. Щербаковой Г.С.
Рабочие принципы ПИА
Проточно-инжекционный анализ (ПИА) основан на образовании контролируемого градиента концентрации компонентов жидкого образца в специально организованном потоке носителя (реагента). Нередко этот подход называют анализом с контролируемой дисперсией образца, стремясь избежать слова "инжекционный", так как в современных проточно-инжекционных анализаторах осуществляют не инжекцию, а включение образца в поток носителя в виде жидкой пробки. Основные принципы, на которых базируется ПИА можно сформулировать следующим образом [4, 33-38]: введение дискретных микрообъемов пробы (образца) в ламинарный поток носителя (реагента); стабильное продвижение зоны образца в системе, сопровождающееся протеканием различных физико-химических процессов (перемешивание, разбавление, химическая реакция, диффузия, диализ, экстракция и др.); контроль процесса дисперсии (размывания и физического разбавления) образца, введенного в систему в процессе его транспортировки через систему носителем, определяемой схемой геометрическими и гидродинамическими параметрами; строгое постоянство времени пребывания пробы в системе; непрерывная регистрация во времени отклика детектора в гидродинамических условиях при не достижении состояния термодинамического равновесия в ней, регистрируемое как аналитический сигнал.
Принципиальная схема проточно-инжекционного анализа изображена на рис. 1.1. Конструктивно заложенные в блочную структуру ПИА возможности позволяют подбирать необходимую для решения конкретной аналитической задачи конфигурацию (рис. 1.2). Во-первых, можно приспособить проточную систему для наилучшего проведения аналитической реакции (рис. 1.2, / -III), сделать ее двухканальной, трехканальной и т.д. Добавив в конфигурацию системы механический смеситель, можно осуществлять титрование в потоке (рис. 1.2, IV). В проточную схему можно включить устройства, выполняющие различные аналитические процедуры: ионный обмен или сорбционное концентрирование (рис. 1.2, V), экстракцию (рис. 1.2, VI), диализ или диффузию растворенных газов через полупроницаемые мембраны, облучение проб высокоэнергетическим ультрафиолетовым и микроволновым излучением (рис. 1.2, VII), включение в проточную систему химических реакторов (рис. 1.2, V) и, возможно, другие элементы. Это существенно расширяет возможности этого метода анализа. Даже, если аналитическая реакция протекает медленно, то ее тоже можно использовать в ПИА — достаточно остановить поток носителя в момент нахождения пробы в детекторе и дождаться, пока сигнал не достигнет постоянного значения.
Конечно, это должен быть фирменный анализатор, работающий под контролем компьютера [6]. В непрерывном проточном анализе определенные микрообъемы жидкой пробы {Vo) вводятся в создаваемый перистальтическим насосом неразрывный (несегментированный) ламинарный поток индифферентного носителя, содержащего необходимые для протекания аналитической реакции компоненты, который, сливаясь с потоком раствора реагента, непрерывно прокачивается по отдельным потокораспределительным гибким микротрубопроводам с постоянной скоростью. При этом в потоке возникает узкая зона (сегмент) пробы, с двух сторон ограниченная носителем (реагентом), которая по мере продвижения по направлению к детектору разбавляется этим носителем и изменяет свой профиль (рис. 1.3). Каждый сегмент, заключенный между двумя воздушными стенками, представляет собой "индивидуальную пробу", которая и смешивается с растворами реагентов. Объединенный (реакционный) поток поступает в проточную ячейку детектора, непрерывно регистрируется величина светопогло-щения или любого другого физического параметра в проточном растворе. В результате смешивания сегмента пробы с реагентом в течение заданного времени ta в ней протекает химическая (индикаторная) реакция, сопровождающаяся образованием или потреблением детектируемых частиц. Эти изменения четко фиксируются в виде сигнала в момент прохождения реакционной зоны (сегмента) пробы через проточную ячейку детектора [4, 7,33-37]. Рис. 1.3. Изменение концентрационного профиля вещества при движении пробы в ламинарном потоке носителя [7]. Сигнал регистрируется в виде пика (рис. 1.1, 1.4) и зависит как от начальной концентрации (со) определяемого вещества в системе, так и от скорости протекания аналитической реакции и динамических свойств детектора. Регистрируемый сигнал характеризуется такими параметрами, как Н — высота и 1ъ — ширина основания пика, значения которых определяются рядом временных параметров проточной системы. Это - общее время пребывания пробы в системе (7), время движения пробы от точки ввода до детектора {ta), время нахождения пробы в проточной ячейке детектора (At), время возвращения измеряемой величины к фоновому значению, то есть "нулевая" линия (tc). Эти результирующие параметры ПИ системы зависят от первичных (рабочих) параметров, к которым относятся скорости потоков v, объем инжектируемой пробы Vo, общая длина / и внутренний диаметр d проточной линии, включая реакционную спираль (L —длина спирали), температура и др. [4, 33—37]. Механизм формирования аналитического сигнала в неравновесных ПИ условиях весьма сложен. Во-первых, когда разбавленная зона образца достигает детектора, ни процессы разбавления, ни химические реакции, как правило, не завершаются, так как в большинстве случаев время пребывания пробы в системе может составлять всего несколько секунд. Во-вторых, если время ди --намического отклика детектора больше времени нахождения в измерительной ячейке инжектированной зоны образца, то аналитический сигнал также является переходным. Восходящий и нисходящий участки пика (кроме начальной фазы запаздывания) являются экспоненциальными [4, 5]: (где у — текущий аналитический сигнал, Е - максимум сигнала, t - время, b - ширина пика).
Зависимость концентрации от времени имеет вид [7]: где сст и с, - концентрации, относящиеся ко времени достижения стационарного равновесия и к моменту времени /, соответственно; к - константа системы. Вид нисходящего участка регистрируемого пика зависит от скорости вымывания пробы из проточной ячейки и инерционности отклика детектора. Таким образом, степень достижения стационарного состояния не зависит от концентрации, следовательно, аналитическую реакцию не обязательно, хотя и очень желательно проводить до ее завершения, а достаточно поддерживать постоянной константу системы Е, что достигается конфигурированием системы. Проблема создания высокоэффективных проточно-инжекционных методов анализа, как правило, связана с поиском быстропротекающих индикаторных аналитических реакций, характеризующихся высокой чувствительностью и избирательностью по отношению к определяемому иону, а также с использованием детекторов, удовлетворяющих требованиям к измерению сигнала в гидродинамических условиях. Выбор схемы и динамических параметров системы (скорости потока, объема инжектируемой пробы, длины спирали, диаметра микротрубопровода) каждой конкретной проточной системы определяется спецификой аналитической задачи, характером используемых химических реакций и рабочими характеристиками детектора [38-46].
Инструментальное и химическое усиление аналитического сигнала. Локализация сигнала в ПИА
На сигнал ПИА влияет кинетика двух процессов: физической дисперсии зоны образца в потоке носителя (реагента) и скорость химической реакции образования детектируемых частиц. В связи с этим теория ПИА основана на сочетании гидродинамических представлений о смешивании жидкостей в непрерывно движущихся потоках и теории неравновесной химической кинетики [4, 7, 33]. Существование границы раздела образец - носитель в потоке приводит к частичному размыванию (разбавлению) зоны образца по мере ее продвижения через проточно-инжекционную систему, — наблюдается физическая дисперсия пробы. Параметры регистрируемого пика в ПИА являются функцией концентрации образца и коэффициента дисперсии D, характеризующего степень размывания (дисперсию) образа в потоке [33]. В случае отсутствия дисперсии детектор зарегистрировал бы прямоугольный пик, как это показано на рис. 1.3, но регистрируемый пик размывается и на практике регистрируется некая несимметричная кривая с максимумом. Коэффициент дисперсии D может быть рассчитан по одному пику, либо по формуле D- ——, где с0 и спюх — концентрации, отвечающие Стах начальной в пробе и максимальной реальной, зарегистрированной детектором. Типичное значение коэффициента дисперсии в реальных системах 3 - 10. Это отвечает средним значениям D. Как правило, системы с D 10 используются только тогда, --если пробу необходимо разбавить, например в случае применения ионометриче-ских детекторов. Установлено, что в математической форме контур выходной кривой лучше всего описывается уравнением гамма-функции.
Степень дисперсии вдоль зоны образца неодинакова. В двух крайних частях зоны она является результатом молекулярной диффузии и конвекции. Дисперсия может проходить как в радиальном, так и в аксиальном направлениях. Характер и степень дисперсии определяются, главным образом, физическими параметрами системы, а также физико-химическими свойствами раствора. Для одной и той же ПИ системы коэффициент дисперсии пробы можно изменять, варьируя её физические параметры: объём пробы, длину и внутренний диаметр смесительных спиралей и всей проточной системы в целом, скорость потока. Существует типичная зависимость: высота пика и коэффициент дисперсии увеличивается с увеличением вводимой пробы. И, наоборот, с уменьшением длины спирали или всей проточной линии значение коэффициента уменьшается. Эти способы позволяют воздействовать на коэффициент дисперсии в небольшой степени; так как полностью не преодолевается физическое разбавление, а, следовательно, не понижается предел обнаружения. Поэтому в ПИА (прикладных работах) большое внимание уделяется различным способам математической и цифровой обработке аналитического сигнала.
Таким образом, при прочих равных условиях, чем меньше коэффициент дисперсии, тем более узкие и высокие пики удается получить и, следовательно, можно достичь повышения чувствительности анализа в ряде случаев даже по сравнению с результатами анализа в равновесных условиях и, кроме того, повышается производительность анализа. Рекомендуется использовать систе мы с коэффициентом дисперсии 2,6 - 2,7 [97]. Оригинальным способом улучшения регистрации аналитического сигнала в ПИА системах с одним детектором является различная скорость уменьшения интенсивности пиков при различной скорости разбавления [98]. Для ПИА характерна строгая воспроизводимость условий выполнения измерений - время нахождения пробы в проточной системе и постоянство гидродинамических условий в ней и в детекторе, что гарантирует хорошую воспроизводимость аналитических результатов. Относительное стандартное отклонение (отношение случайной погрешности результата к среднему арифметическому) здесь составляет не более 0,005 (доли процента от измеряемой величины). Совместное воздействие на коэффициент дисперсии физического разбавления и скорости протекания химической реакции в системе, приводит к уменьшению высоты пика (рис. 2.5, а). Поэтому важно отметить, что коэффициент дисперсии зависит от таких факторов, как объем вводимой пробы, геометрия и конфигурация проточной системы, длина и внутренний диаметр смесительной спирали, объемная скорость потока. Примеры их воздействия приведены на рис. 2.5 {б, в). Исходя из подобных данных было установлено, что наилучшие результаты получаются, если объем пробы составляет 10 - 100 мкл, диаметр соединительных трубок проточной системы 0,05 - 0,1 см, объемная скорость потока 0,4 - 2 мл/мин. Производительность системы в зависимости от скорости аналитической реакции, наличия процедур экстракции, диффузии через мембраны и т.д. при этом будет в интервале 30-300 проб/ч. В мировой литературе описано чрезвычайно большое число разнообразных методик определения с помощью ПИА, заметно меньше работ по теории метода. Если методическая компонента представлена уже четырьмя поколениями ПИА (стандартный, обращенный, с иммобилизованными реагентами, лаборатория в клапане), то предметы теоретических разработок, как правило, традиционны и немногочисленны.
Это — математическое описание явления )Нісперсии_ (физического, разбавления) .пробы..в коммуникациях анализатора, использование ПИА для определения констант скорости реакций, чаще с обработкой зарегистрированных сигналов в аналоговом или электронном варианте. Отсюда становится понятным использование таких математических приемов, как Кальман-фильтрация, преобразования Фурье и Адамара [98-104], блочного метода наименьших квадратов, вейвлет-преобразования [105], Фурье свертки [20], нейронных сетей [15, 16], дифференцирование пика, новая работа по второй производной и некоторые другие [106]. Однако подобные нередко очень мощные приемы способны описать лишь фрагмент всей системы анализа, в то время как центральное место в нем должна занимать химическая реакция, осуществляемая в неравновесных условиях - сложность совокупности всех процессов требует применения нетрадиционных математических подходов [107]. Большей общностью отличаются исследования по описанию ПИА с помощью метода графов, однако в них не учтена неравновесная природа проте --кающих процессов. Граф можно задать с помощью матрицы смежности, что применительно к проточному анализу подробно рассмотрено в работе [107]. Из матрицы смежности легко конструируется матрица достижимости и собственно граф - схема, предписывающая маршруты разрабатываемого алгоритма. В общем виде получение аналитической информации в проточном спек-трофотометрическом анализаторе можно отобразить схематически в виде ориентированного графа, как это показано на рис.2.6 на примере иона металла М с реагентом R (заряды для простоты опущены) [101] M + R MR:
ПИА для определения нитритов и нитратов
Сравнительный анализ содержания обзоров [1] и [2] свидетельствует о том, что в последнюю декаду существенно возросло внимание к проточно-инжекционному методу: актуальность проблемы диктует необходимость мониторинга, когда роль автоматизированного анализа и особенно ПИА очевидна [1]. Среди различных методов регистрации сигналов при определении нитритов методом ПИА - спектрофотометрия, флуориметрия, хемилюминесценция, амперо-метрия и некоторые др. [194—202], преобладающее значение имеют спектрофо-тометрические способы, отличающиеся столь необходимыми низкими пределами обнаружения и достаточной высокой избирательностью используемых реакций.
Здесь наиболее часто используют классический метод Грисса-Илосвая, основанный на реакциях синтеза азокрасителей, и связанный с последовательным осуществлением достаточно медленных реакций диазотирования различных ароматических аминов и азосочетания образующихся диазосоединений с различными азосоставляющими, что существенно сдерживает производительность анализа. Так, последовательный сэндвич-ПИА на основе реакции сочетания диа-зония 1М-фенил-4-феннлендиамина с Ы -диметиланилином позволяет достигать предела обнаружения 0,5 Ммоль/л [203], или 0,01 мг/л при производительности 20 проб/ч в час [204]. При использовании комбинации системы 4-нитроанилина (диазосоставляющая) - Н-1-(нафтил)этилендиамин предел обнаружения составляет 0,1 мкг/мл при той же производительности [205]. В то же время регистрация сигнала окрашенного диазония, например сафранина, дает предел обнаружения только в 20 нг/мл [206]. Удовлетворительные пределы обнаружения достигаются и при использовании иных цветных реакций. Так, катализ нитритами окислительного сочетания М-фенил-4-фенилендиамина с М,Ы -диметиланилином позволяет определять до 2 нг/мл нитрита с производительностью 30 проб/час [207], а каталитическое окисление кристаллического фиолетового броматом в присутствии нитритов - до 0,3 нг/мл, однако с производительностью лишь 32 пробы/ч [208]. Окисление синего --молибденофосфорного комплекса нитритом в проточном режиме приводит к пределу обнаружения 0,01 мкг/мл, но при производительности до 25 проб/ч [209].
Образование диазосафранина позволяет достигнуть предела обнаружения 0,2 мкг/л; производительность способа составляет 72 пробы/ч [210] с последующим косвенным определением его со спектрофотометрической регистрацией сигнала позволяет достигнуть предела обнаружения 1 мкг/мл. Тушение нитритом флуоресценции 3,6-диаминоакридина позволяет достигнуть предела обнаружения 1,1 нг/мл [211], для сравнения - спектрофотометрия диазония, образующегося при взаимодействии с нитритом диазония 3,6-диаминоакридина, -лишь 0,06 мг/л [212]. Более низкий предел обнаружения 2-Ю"9 М/л дает регистрация сигнала хемилюминесценции, возникающей при взаимодействии вследствие реакции продукта окисления нитрита — пероксиазотистой кислоты - с лю-минолом [213]. Амперометрическое детектирование сигнала позволяет приблизиться к таким низким пределам обнаружения, но все же уступает каталитическим методам.
Так, регистрация тока каталитического окисления нитрита на модифицированном CuPtCU стеклоуглеродном электроде дает предел обнаружения — Я. 5-Ю М [214], а электростатическая иммобилизация такого же электрода тет-рарутенатом порфирина кобальта дает в проточной конфигурации предел обнаружения 0,1 ммоль [215]. При определении нитратов и нитритов проточно-инжекционным методом с регистрацией аналитического сигнала с использованием систем жидкостной хроматографии при неплохой производительности в 60 проб/ч предел обнаружения составляет 5 мг/л [236]. А проточно-инжекционное опредление с биам-перометрической регистрацией сигнала, дает, как правило, достаточно высокие пределы обнаружения 25 и 40 мг/л, так и достаточно низкую производительность - 15 и 25 проб/ч [238, 239]. Определение нитратов, нитритов и анализ их смесей проточно-инжекционным методом с различными способами регистрациии аналитического сигнала сопоставлено в табл. 3.4 - 3.6. Во введении обоснована актуальность темы, изложены научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе описаны теоретические основы, рабочие принципы проточно-инжекционного анализа и роль ПИА в экологической аналитической химии. Во второй главе рассмотрены современные подходы и концепции в теории ПИА, способы инструментального и химического усиления и локализации аналитического сигнала, а также способы улучшения избирательности. В третьей главе обсуждены особенности нитритов и нитратов, характерные для их аналитической химии, рассмотрены и сопоставлены спектро-фотометрические, электрохимические, хроматографические, в том числе, про-точно-ижекционные методы с различными способами регастрации аналитического сигнала для определения нитритов, нитратов и анализа их смесей.
Установка для проточно-инжекционного анализа с аналоговой регистрацией сигнала
Конфигурацию с аналоговой регистрацией сигнала применяли при определении нитритов на основе их реакции с тиоцианатами. Для выполнения проточных измерений использовали одноканальную установку ПИА стандартной конфигурации с дозированием проб по времени (рис. 4.2). Установка состояла из двух перистальтических насосов, коммуникаций и аксессуаров. Коммуникации системы и смесительная спираль длиной 50 см и диаметром витка 2 см были --выполнены из полиэтиленовых трубок с внутренним диаметром 0,5 мм. Проточную кювету, емкостью 10 мкл и толщиной поглощающего слоя 0,5 см, помещали в кюветное отделение абсорбциомера ЛМФ-72М. Попеременная работа насосов обеспечивалась электронным таймером-программатором, задававшим цикл ввод пробы - прокачка. Выходной сигнал регистрировали быстродействующим самопишущим потенциометром КСП-4 на 20 мВ, подключенным к выходу спектрофотометра через делитель напряжения и контролировали цифровым милливольтметром В7-16. Рабочее излучение монохроматизировали комплектными для ЛМФ-72М светофильтрами с X: 330 ± 5 нм, 365 ± 10 нм, 420 ± 2 нм, 490 ± 5 нм, 560 ± 2 нм. Оптический нуль устанавливали при заполненной раствором реагента проточной кювете. Оптимальная объемная скорость носителя составляла 3,7 мл/мин, объем инжектируемой пробы 500 мкл. Анализируемую пробу вводили в движущийся по узким трубкам непрерывный поток регента ЇІЛИ инертного носителя. После смешения этого потока с пробой зона образца продвигалась по смесительной спирали и поступала в проточную кювету спектрофотометра. После построения градуировочных зависимостей концентрацию определяемого вещества в пробе находили по высоте зарегистрированного пика (гл. 5, гл. 6). Методика выполнения измерений: Определения выполняли по следующей схеме. Программатор включал первый насос на 25 с, в течение которых, смесительная спираль и проточная кювета заполнялись раствором реагента (0,01 М раствор KSCN или NH4SCN, 0,01 М раствор NH4F, 0,1 М раствор НС1).
Далее программатор отключал первый насос, но включался второй насос на 5 с, в течение которых инжектировали пробу. При последующем включении первого насоса проба перемещалась в смесительную спираль, протекала быстрая аналитическая реакция и окрашенная "пробка" поступала в проточную кювету фотометра. При этом суммарное время подачи носителя и заполнения дозатора всегда воспроизводимо составляло 30 с. Конструкция управляющего блока-программатора позволяла работать с различной продолжительностью включения каждого из насосов, но так --чтобы весь цикл четко воспроизводился. Это обеспечивало автоматический ввод пробы с частотой 2 образца в минуту, характерной для стандартной конфигурации ПИА - анализаторов. Поглощение измеряли с использованием интерференционного светофильтра, соответствующего диапазону длин волн 365 ± 10 нм. Выходной сигнал регистрировали в виде пика. Во всем диапазоне исследовавшихся концентраций хорошо воспроизводилась стандартная форма и высота пиков. Описанная схема работы позволяла достигнуть производительности до 300 проб/ч. Для понижения предела обнаружения определения нитритов применяли on-line концентрирование на анионообменниках.
Для этого в стандартной конфигурации одноканальной установки ПИА вместо смесительной спирали устанавливали концентрирующую колонку размером 5x10 мм, заполненную предварительно подготовленным слабоосновным анионообменником, что иллюстрирует рис. 4.2. Установку с цифровой регистрацией аналитического сигнала применяли для определения нитритов с использованием их реакций с азиновыми красителями. Для выполнения проточных измерений использовали одноканальную установку ПИА стандартной конфигурации с дозированием проб по времени с цифровой регистрацией сигнала на основе спектрофотометра КФК-32-01БШ2.855.021, интерфейс RS-232 (рис. 4.3). Установка состояла из двух перистальтических насосов, коммуникаций, переходников и аксессуаров. Коммуникации системы и смесительная спираль длиной 50 см и диаметром витка 2 см выполнены из силиконовых и полиэтиленовых трубок с внутренним диаметром 0,5 мм. Проточную кювету, емкостью 10 мкл и толщиной поглощающего слоя 0,5 см, помещали в кювет-ное отделение спектрофотометра. Попеременная работа насосов обеспечивалась электронным программатором. Конструкция управляющего электронного блока программатора позволяла работать с различной продолжительностью включения каждого из насосов, но так чтобы весь цикл четко воспроизводился. Оптический нуль устанавливали при заполненной раствором реагента проточной кювете. Оптимальная объемная скорость носителя составляла 0,7 мл/мин, объем инжектируемой пробы 120 мкл. Для улучшения гидродинамических условий в потоке в раствор реагента добавляли немного неионогенного раствора ПАВ АЛМ-10. Методика выполнения измерений:
Электронный программатор обеспечивал попеременную работу насосов, включая сначала первый насос на 70 с. В течение данного времени смесительная спираль и проточная кювета заполнялись раствором реагента. Далее первый насос отключался, но включался второй насос на 6 с, в течение которых инжектировалась проба. Проба при последующем включении первого насоса перемещалась в смесительную спираль, протекала аналитическая реакция и окрашенная "пробка" поступала в проточную кювету фотометра. Поглощение измеряли при оптимальной для каждого реагента длине волны — нейтральный красный — 640 им, риванол - 525 нм, сафранин - 600 нм, трипафлавин - 555 нм. Выходной сигнал регистрировали в виде пика. Цифровую регистрацию аналитического сигнала и обработку результатов измерений осуществляли с использованием персонального компьютера под управлением Windows 98. Полученные данные сохраняли в виде файла, автоматически переводили в Excel (trial version) для последующей обработки, либо сразу распечатывали рисунки или скрин-шоты.
