Современные методы анализа металлов, используеме в аналитической и токсикологической химии (краткий обзор)

В настоящее время для целей аналитической и токсикологической химии при исследовании на металлы используются как химические, так и физико–химические (инструментальные) методы анализа.

Эти методы дополняют друг друга. К достоинствам химических методов можно отнести простоту исполнения, малую стоимость реактивов и оборудования, наглядность получаемых результатов. Химический метод анализа может быть поставлен даже в слабо оснащённой лаборатории.

Физико–химические методы стали активно внедряться в практику аналитической химии приблизительно с 30–х годов 20 века, а начиная с 60–х годов в повседневную практику передовых химических лабораторий внедряется и электронно–вычислительная техника.

В результате стремительного развития инструментального анализа стало возможным регистрировать присутствие соединений, содержание которых не превышает 10–12 г.

Наиболее часто в анализе металлов используются методы атомной спектроскопии. Среди них следует выделить традиционные:

1) атомно–эмисcионную спектроскопию, которой исследуют линейчатые спектры возбуждённых (тем или иным способом) атомов, определяя при-роду и количество отдельных элементов;

2) атомно–абсорбционную спектроскопию, с помощью которой измеряют резонансное поглощение излучения определённой длины волны.

В основе последнего метода лежит закон излучения Кирхгофа, согласно которому элемент поглощает излучение той же длины волны, которое он испускает в возбуждённом состоянии.

В каждом из методов проба переводится в атомарное состояние с помощью различных источников (пламя, дуга, искра, лазер, лампа с полым катодом, печь с графитовыми стержнями).

В атомно–эмиссионной спектроскопии атомы, находясь в возбуждённом состоянии, излучают свет разной длины волны. Для выделения характеристического излучения используют разные оптические приспособления, основанные на явлениях дифракции и интерференции. А также преломления и фокусировки света.

Разложенный свет содержит собственные окрашенные возбуждённые компоненты – фон спектра, на котором чётко выделяются более яркие линии возбуждённых атомов анализируемого вещества.

Если ещё совсем недавно спектры регистрировались на бумаге, обработанной светочувствительными красителями, на которой нанесены положения линий некоторых известных элементов, то внедрение компьютеров позволяет использовать для идентификации вещества не только несколько отдельных характеристических линий, а весь спектр, разрешённый с точностью до нанометра.

По сути явление атомизации пробы и возбуждения образовавшихся атомов, в эмиссионной спектроскопии, можно рассматривать как единый процесс, протекающий в одном устройстве прибора.

В отличие от этого вида спектроскопии в атомно–абсорбционной спектроскопии атомизированная проба освещается от внешнего источника световым потоком. При прохождении пробы интенсивность светового потока уменьшается, так как атомы определяемого элемента поглощают свет определённой длины волны. Так как измерить изменение интенсивности белого света довольно сложно, используется монохроматор. Однако, в настоящее время используется другое техническое решение проблемы: свет должен исходить от возбуждённых атомов того самого элемента, который необходимо обнаружить в пробе. Для этой цели используются лампы с полым катодом. Внутри катодной полости, покрытой металлом или сплавом требуемого элемента, создаётся высоковольтный разряд, и атомы материала катода начинают излучать характеристические фотоны. Когда излучение пропускают через газообразную (атомизированную) пробу, его интенсивность уменьшается, и по разности в интенсивностях определяют содержание элемента в пробе. Так как для каждого элемента требуется своя катодная лампа, этот метод рентабелен лишь для серийных анализов. В современных приборах часто применяют многоэлементные катодные лампы, хотя, для возможных комбинаций элементов существуют известные ограничения.

Оба метода высокочувствительны и специфичны. Предел обнаружения лежит в интервале 10–4 – 10–12 г в зависимости от определяемого элемента и используемой разновидности метода. (Разница в методах определяется способом атомизации и технической конструкцией прибора). Методы могут использоваться как для качественного, так и для количественного анализа. В количественных определениях применяют метод градуировочного графика и метод добавок. Следует отметить, что воспроизводимость результатов в количественных расчётах в методе атомно–абсорбционной спектроскопии выше, чем атомно–эмиссионной.

Ещё более чувствительным и универсальным является активационный анализ. В настоящее время известно несколько методов: фотонный активационный анализ, активационный анализ с помощью заряженных частиц и нейтронно–активационный анализ.

Наиболее часто используется нейтронно–активационный анализ, который требует для своего проведения сложного оборудования, однако принцип, лежащий в основе этого метода прост. Большинство химических элементов в обычных условиях не являются радиоактивными, но после облучения становятся радиоактивными. Для облучения используют нейтральные частицы – нейтроны атомного реактора, либо другие радиоактивные нейтронные генераторы или радиобериллиевые излучатели. Два последних источника характеризуются значительно более слабым нейтроннным потоком, чем реакторы.

Ядра стабильного элемента, взаимодействуя с нейтронами, превращаются в ядра радиоактивного элемента и испускают излучение с характерной энергией. Регистрируя это излучение, можно установить, какому радиоактивному элементу оно принадлежит. Измеряют, в основном, g–излучение, электромагнитное по своей природе и имеющее аналогию с видимым светом, но отличающимся от него более высокой энергией.

В g–спектре легко выделить отдельные пики, различающиеся между собой по энергии излучения; каждый пик может указывать на присутствие определённого элемента. Аналитические определения, как правило, проводят с помощью стандартов, которые облучают вместе с образцом. Измерение интенсивности пиков позволяет получить достоверные сведения о концентрации искомых элементов.

Лишь очень немногие методы анализа допускают возможность исследования пробы без какой–либо предварительной подготовки, в исходном состоянии. Тем более, что это утверждение в большей мере справедливо для ограниченно компонентных и однородных образцов. Такой же сложный объект исследования как биологический материал, содержащий 65 элементов, из которых известна роль только половины, представляет определённые, порой очень большие трудности в анализе данными методами и нуждается в тщательной предварительной подготовке проб.

Однако, если технические затруднения в конечном итоге преодолимы, то экономическая проблема, связанная с дороговизной и рентабельностью оборудования, используемого в методах, делает оснащение этими приборами большинства химико–токсикологическихи криминалистических лабораторий невозможным.

В связи с этим, некоторый интерес представляют электрохимические методы анализа, стоимость оборудования в которых значительно ниже. Так например, вольтамперометрия (полярография) пригодна для определения почти всех неорганических катионов, а её разновидность – инверсионная вольтамперометрия (инверсионная полярография) к тому же очень чувствительна (10–9 – 10–10 моль/л). В основе этого метода лежит концентрирование определяемого вещества на поверхности или в массе электрода с последующей регистрацией анодной вольтамперной кривой. Таким образом, весь процесс состоит из двух стадий:

1) накопление определяемого элемента на электроде (электролиз);

2) получение вольтамперограммы (развёртка потенциала).

Для проведения электролиза широко применяют различные типы рабочих электродов: ртутноплёночные различной формы, так как для повышения чувствительности метода необходимо уменьшить объём ртути; платиновые; золотые; стеклоуглеродные; стеклографитовые и другие.

Ртутно–плёночный электрод на серебряной подложке представляет собой тонкую плёнку ртути (20 – 100 мкм), нанесённую на отшлифованную серебряную проволоку или путём погружения её в чистую ртуть, или путём электролиза. Серебряная подложка крепится в инертном материале – стекле, фторопласте или полиэтилене. Поверхностная плёнка ртути тщательно растирается (калькой, фильтром) по серебру для предотвращения контакта серебра с рабочим раствором. Стеклоуглеродный, стеклографитовый, золотой и другие электроды представляют собой стеклянные полые стержни, в которые запакованы под вакуумом медная проволока с прикреплённым серебряным стержнем, выполняющим функции проводника и служащим для закрепления электрода в приборе, а также соответствующей рабочей поверхностью, которая помещается в рабочий раствор.

Электродом сравнения служит хлорсеребряный. Хлорсеребряный электрод изготавливают путём нанесения хлористого серебра разными способами на серебряную поволоку. При электрохимическом способе очищенную серебряную спираль погружают в 0,01-0,1 моль/л раствор кислоты хлороводородной и присоединяют её к положительному полюсу сухой батареи на 1,5 В. К отрицательному полюсу через реостат и миллиамперметр присоединяют погружённую в кислоту платиновую проволочку. С помощью реостата регулируют силу тока (1 - 10) мА и пропускают ток в течение нескольких минут, чтобы на поверхности серебряного анода образовался тонкий слой серебра хлорида. После электролиза электрод помещают во фторопластовую трубочку с раствором калия хлорида соответствующей концентрации и отделяют от анализируемого раствора пористой пробкой (из стекла, керамики и т.д.).

На рабочий электрод подают потенциал на несколько десятых долей вольта отрицательнее полуволны определяемого иона (см. полярографию) и катионы металла начинают восстанавливаться на поверхности электрода до свободного металла. Обычно в процессе концентрирования выделяется только часть определяемого вещества, поэтому для получения количественных результатов необходимо не только контролировать потенциал, приложенный к рабочему электроду, но и тщательно воспроизводить размер электрода, продолжительность электролиза и скорость перемешивания как анализируемого, так и стандартного раствора, применяемого для калибровки.

В конечном итоге, чувствительность вольтамперометрического метода, используемого на завершающей стадии анализа, определяется продолжительностью стадии электролиза. По окончании электролиза перемешивание прекращают и дают раствору успокоиться в течение примерно 30 секунд. Затем потенциал, приложенный к рабочему электроду, линейно с заданной скоростью изменяют (разворачивают) в анодном (положительном) направлении и наблюдаемое изменение тока, проходящего через электролитическую ячейку, регистрируют как функцию наложенного потенциала. Ток пика вещества (или высота пика) после поправки на остаточный ток прямо пропорционален его концентрации. Концентрацию вещества находят по калибровочному графику, построенному по стандартным растворам или методом внутреннего стандарта.

Следует отметить перспективность использования таких методов как хроматография (тонкослойная, бумажная), электрофорез, принципы которых должны быть вам хорошо знакомы. Основное назначение этих методов – разделение веществ. Чувствительность качественного анализа электрофорезом и хроматографией определяется чувствительностью химических реакций обнаружения, которые используются для проявления электрофореграмм и хроматограмм. С целью повышения чувствительности анализа указанными методами рекомендуется проявлять металлы люминесцентными реакциями, основанными на способности многих катионов изменять характер люминесценции различных органических реагентов. Кроме того, меняя рН среды с помощью буферных растворов, можно одним и тем же реактивом провести обнаружение катионов и анионов в смеси. Например, 8–оксихиноляты металлов флюоресцируют при различных значениях рН.