Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Формы нахождения фосфора и азота в водных средах 8
1.2. Проточные методы анализа
1.2.1. Непрерывный проточный анализ 12
1.2.2. Проточно-инжекционный анализ 13
1.2.3. Последовательный-инжекционный анализ 14
1.2.4. Циклический-инжекционный анали
1.3. Проточные методики определения фосфат-ионов 17
1.4. Проточные методики определения нитрат-, нитрит-ионов и ионов аммония
1.5. Заключение 28
Глава 2. Экспериментальная часть
1 Измерительные устройства, средства измерений, испытательное и 30
вспомогательное оборудование реактивы и материалы
1.1. Средства измерения 30
1.2. Испытательное оборудование 30
1.3. Вспомогательное оборудование 31
1.4. Реактивы и материалы 31
2 Подготовка к выполнению измерений
2.1. Приготовление растворов аналитов 32
2.2. Приготовление растворов фотометрических реагентов 32
2.3. Приготовление вспомогательных растворов 32
2.4. Приготовление аттестованных смесей (АС) для градуировки и контроля точности
2.4.1. Процедура приготовления АС для определения фосфат- 34
ионов
2.4.2. Процедура приготовления АС для определения нитрит-ионов 35
2.4.3. Процедура приготовления АС для определения нитрат-ионов 37
2.4.4. Процедура приготовления АС для определения ионов аммония
3 Экспериментальные результаты и их обсуждение
3.1. Исследование метрологических характеристик испытательной
3 9 установки ЦИА-1
3.2. Исследование метрологических характеристик аттестованных смесей
3.3. Циклическое инжекционное определение фосфат-, нитритнитрат-ионов и ионов аммония
3.3.1. Циклическое инжекционное фотометрическое определение фосфат-ионов
3.3.1.1.Выбор условий образования ВФМФК 46
I. Влияние кислотности на образование ВФМФК и устранение мешающего влияния силикат- и арсенат-ионов
П. Изучение скорости образования ВФМФК 48
III. Влияние концентрации аскорбиновой кислоты на образование ВФМФК
IV. Влияние концентрации парамолибдата аммония на образование ВФМФК
V. Изучение возможности определения фосфат-ионов по реакции образования ионного ассоциата ВФМФК с астрафлоксином в выбранных условиях образования ВФМФК
VI. Влияние концентрации астрафлоксина 51
3.3.1.2. Методика ЦИА определения фосфат-ионов 52
3.3.2. Циклическое инжекционное фотометрическое определение нитрит- и нитрат-ионов
3.3.2.1. Влияние температуры на образование аналитической формы
3.3.2.2. Скорость образования аналитической формы в реакционной емкости
3.3.2.3. Восстановление нитрат-ионов до нитрит-ионов на 60
кадмиевом редукторе
3.3.2.4. Методика ЦИА определения нитрит- и нитрат-ионов 60
3.3.3. Циклическое инжекционное потенциометрическое 64
определение ионов аммония в водных средах
3.3.3.1. Выбор состава донорного раствора 64
3.3.3.2. Выбор состава поглощающего раствора 65
3.3.3.3. Выбор схемы ЦИА для определения ионов аммония 65
3.3.3.4. Выбор времени выделения NH3 66
3.3.3.5. Методика ЦИА определения ионов аммония 68
3.4. Исследование метрологических характеристик методик измерений фосфат-, нитрит-, нитрат-ионов и ионов аммония методом ЦИА
3.4.1. Исследование метрологических характеристик методики 73 измерений фосфат-ионов
3.4.2. Исследование метрологических характеристик методики 79 измерений нитрит-ионов
3.4.3. Исследование метрологических характеристик методики 85 измерений нитрат-ионов
3.4.4. Исследование метрологических характеристик методики 90 измерений ионов аммония
3.5. Аналитические и метрологические характеристики 96
разработанных методик
Выводы 97
Список литературы
- Непрерывный проточный анализ
- Проточные методики определения нитрат-, нитрит-ионов и ионов аммония
- Приготовление аттестованных смесей (АС) для градуировки и контроля точности
- Циклическое инжекционное определение фосфат-, нитритнитрат-ионов и ионов аммония
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из важных задач экоаналитического контроля и экологического мониторинга природных вод является наблюдение за уровнем содержания в них биогенных элементов, в том числе фосфора и азота, которые играют существенную роль в метаболизме растительных и животных организмов, населяющих водоемы. Учитывая то, что определение фосфора и азота в природных водах относится к числу постоянно выполняемых массовых анализов, для реализации этой задачи предпочтительны автоматизированные методики с использованием принципов проточных методов анализа.
Известны автоматизированные методики фотометрического определения фосфора и азота в природных водах в вариантах проточно-инжекционного (ПИА) и последовательного инжекционного анализа (SIA). Предложенные автоматизированные методики имеют ряд существенных ограничений, связанных непосредственно с основополагающими принципами используемых методов ПИА и SIA. Кроме того, в случае ПИА и SIA сложно достичь оптимальной чувствительности из-за многоступенчатых кинетически замедленных реакций образования аналитических форм, к которым относятся реакции образования восстановленных форм молибдофосфорной гетерополикислоты и азосоединений, на которых основано определение фосфора (фосфат-ионов) и азота (нитрат и нитрит-ионов), соответственно. В таблице 1 представлены аналитические характеристики разработанных проточных методик определения рассматриваемых аналитов в природных водах не включающие стадию предварительного концентрирования аналитов. Видно, что методики ПИА и SIA обеспечивают относительно высокую производительность, а достигаемые ПО адекватны задачам экоаналитического контроля. Однако, разработанные методики требуют применения индивидуальных гидравлических схем. При переходе от одной методики к другой, необходима полная перекомпановка гидравлических схем, что существенно усложняет автоматизацию химического анализа.
Поэтому в современной аналитической химии, во многом ориентированной на решение экоаналитических задач, актуальным является поиск методических и инструментальных решений, которые позволили бы автоматизировать статические методики определения фосфора и азота в природных водах, сохранив их чувствительность при адаптации к условиям проточного анализа. Общим методическим решением, наиболее адекватным сформулированной задаче, является недавно предложенный новый метод проточного анализа - циклический инжекционный анализ (ЦИА). Актуальность расширения аналитических возможностей этого метода подтверждается, в частности,
поддержкой исследований в этом направлении со стороны Российского фонда фундаментальных исследований (грант 10-03-00007-а), Совета по грантам Президента РФ для молодых ученых (грант МК-512.2008.3).
Цель работы
Расширение возможностей автоматизации аналитического контроля природных вод на принципах циклического инжекционного анализа на область методик со специфическими способами пробоподготовки, связанными с необходимостью перевода аналитов в другие химические соединения на примерах разработки методик циклического инжекционного определения фосфат-, нитрат-, нитрит-ионов и ионов аммония в природных водах.
Научная новизна работы
Разработаны гидравлические схемы циклического инжекционного анализа для автоматизации методик, включающих стадию конверсии аналитов в удобные для определения аналитические формы: с конверсией на специальных устройствах, таких как кадмиевый редуктор для восстановления нитрат-ионов до нитритов и с конверсией в растворах в летучие формы, выделяемые методом газовой экстракции;
показана возможность автоматизации на принципах ЦИА методик определения аналитов с замедленной кинетикой образования аналитических форм с повышением чувствительности этих методик по сравнению с аналогами на принципах других проточных методов.
предложена реакция образования аналитической формы для фотометрического определения фосфат-ионов в водных средах, обеспечивающая более низкие пределы их обнаружения по сравнению с ранее известными аналогами, основанная на образовании ионного ассоциата восстановленной формы молибдофосфорного гетерополианиона с фотометрическим реагентом из класса полиметиновых красителей - астрафлоксином ([ 1,3,3-триметил-ЗН-индолий-2]-[ Г ,3' ,3' -триметил-3 'Н-индолий-2' ]-триметинцианина хлорид).
Практическая значимость работы
Разработаны методики циклического инжекционного определения, нитрат-, нитрит-, фосфат-ионов и ионов аммония, обеспечивающие нижние границы диапазонов определяемых концентраций, удовлетворяющие самым жестким требованиям к качеству природных вод, предъявляемым к водоемам рыбохозяйственного назначения. Проведены
испытания методик на реальных пробах природных вод и показано, что разработанные методики могут быть использованы для проведения автоматизированного химического контроля качества природных вод. Положения, выносимые на защиту
Гидравлические схемы методик циклического инжекционного анализа
включающие стадию пробоподготовки с конверсией аналитов в удобные для определения
аналитические формы.
Доказательство возможности оптимизации на принципах ЦИА условий
образования аналитических форм по температуре и необходимому для этого времени.
Аналитическая реакция для фотометрического определения фосфат-ионов в
природных водах, основанная на образовании ионного ассоциата восстановленной формы
молибдофосфорного гетерополианиона с астрафлоксином, позволяющая обнаруживать
присутствие в растворах микроколичеств фосфат-ионов от 20 мкг/л.
Высокочувствительные методики циклического инжекционного
фотометрического определения нитрит-, нитрат- и фосфат-ионов и потенциометрического
определения ионов аммония в водных средах с результатами их метрологической
аттестации.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на конференциях: Всероссийская конференция «Химический анализ» (Москва, 2010), Международная конференция FIA (Таиланд, 2010).
Публикация результатов
Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях в отечественных и зарубежных журналах и в форме тезисов докладов 2 конференций.
Объем и структура диссертации
Непрерывный проточный анализ
Дж. Ружичкой и Е. Маршалом был предложен метод непрерывного анализа, названный проточно-инжекционным (ПИА) [20-25], схема которого приведена на рис. 2. Метод основан на инжекции небольшого объёма пробы в непрерывный несегментированный ламинарный поток носителя, создаваемый перистальтическим насосом. Поток носителя с находящейся в нём зоной пробы объединяется с потоком раствора реагента в смесительной спирали и попадает в проточный детектор.
Инжектированный образец, взаимодействуя с реагентом, создаёт в потоке носителя окрашенную зону, границы которой контролируются диффузией, в процессе перемещения этой зоны по коммуникациям прибора происходит дисперсия пробы [26]. Отсюда трактовка ПИА, как проточного анализа с «контролируемой дисперсией пробы» [ЗЦ]. Дисперсия выражается соотношением D=Co/Cmax, где Со и Стах — концентрации, отвечающие начальной в пробе и максимальной, зарегистрированной детектором. В основном дисперсия принимает значения 3-10 и приводит к отклонению от теоретически рассчитанной прямоугольной формы пика регистрируемого сигнала и снижению чувствительности детектирования. Также недостатками метода являются необходимость ручной перекомпоновки гидравлических схем при переходе от одной методики анализа к другой, большое потребление реагентов. Метод легко поддаётся автоматизации, отличается высокой экспрессностью и производительностью. Строгая воспроизводимость условий выполнения измерений: времени прохождения пробы, гидродинамических условий, температуры, дисперсии пробы и пр. обеспечивает высокую воспроизводимость результатов анализа. Закрытая система позволяет предотвратить контакт реакционной системы с окружающей средой и даёт возможность генерировать реагент непосредственно в потоке [27, 28]. Основное требование к конструкции насосной системы - обеспечить строгое постоянство скорости и равномерности потока. Обычно используют скорости 0,4 - 3 мл/мин. Наибольшее распространение получили многоканальные перистальтические насосы с низким рабочим давлением (не более 0,1 МПа), которые могут одновременно обеспечить различную скорость прокачивания в разных каналах системы. Основной их недостаток — возникновение пульсаций и необходимость использования гибких шлангов, которые в процессе эксплуатации деформируются, в результате чего происходит изменение скорости потоков жидкостей [29]. Рис. 2. Принципиальная схема ПИА: 1 - перистальтический насос; 2 - кран дозатор; 3 - смесительная (термостатируемая) спираль; 4 - проточный детектор; а, б, в -потоки носителя, пробы и раствора реагентов, соответственно; г, д - сброс смешанного раствора (носителя) и пробы.
Разработано и разрабатывается большое количество методик, с использованием ПИА, для анализа различных объектов. Производительность ПИА может достигать 200 анализов в час. Объём образца - 10 - 300 мкл, потребление раствора реагента - 30 - 2000 мкл на каждое определение. Воспроизводимость не более 1 % [29]. ПИА позволяет автоматизировать фотометрические, электрохимические, атомно-абсорбционные методики анализа [23].
Один из вариантов проточных методов анализа - последовательный инжекционный анализ - Sequential injection analysis (SIA) [30-33], предложенный Дж. Ружичкой и Е. Маршаллом. В отличие от ПИА, в данном методе вместо "сети" трубок используется одна жидкостная линия, по которой с помощью реверсивного насоса движется поток растворов попеременно в двух противоположных направлениях. Гидравлическая схема SIA включает шприцевой или перистальтический реверсивный насос. Через входные каналы в систему последовательно всасываются дискретные порции промывного раствора, пробы и раствора реагента. При однократном или многократном реверсе насоса и прохождении зон пробы и растворов реагента через реакционную петлю обеспечивается их смешение. Далее смешанный раствор проходит через проточный детектор на сброс, а гидравлическая трасса промывается. На рис. 3 представлена гидравлическая схема SIA. Рис. 3. Схема SIA: 1 - многоходовой кран-переключатель (а, б, в, г - каналы подачи носителя, пробы и растворов реагентов, соответственно) ; 2 - удерживающая спираль; 3 -реверсивный насос; 4 - реакционная спираль; 5 - проточный детектор; д - сброс.
Достоинствами SIA является: уменьшение расхода растворов реагентов и увеличение надежности работы анализатора по сравнению с ПИА. Возможность остановки потока позволяет оптимизировать условия анализа по времени образования "аналитических форм". В то же время в SIA сохраняется необходимость сборки своей гидравлической схемы под каждую методику анализа. [28]. В SIA также происходит существенная дисперсия аналитического сигнала, что приводит к потере чувствительности методики по сравнению со стационарными автоматизируемыми методиками [19].
Преодолевающим вышеописанные проблемы шагом в развитии проточных методов анализа явился циклический инжекционный анализ (ЦИА) - Stepwise Injection analysis (SWIA) [19, 28, 34-36], предложенный А.Л. Москвиным, Л.Н. Москвиным и А.В. Мозжухиным [37] и развиваемый на кафедре аналитической химии СПбГУ. Идея ЦИА предполагает выполнение всех циклов, присущих стационарным методикам, в условиях анализа в потоке с сохранением всей совокупности стадий анализа, и выполнение их в оптимальных для каждой методики условиях (температура, время образования "аналитической формы"). В определенном смысле ЦИА (рис. 4) может рассматриваться как возврат к первоначальной схеме автоматизации химического анализа, основанной на воспроизведении ручных операций, выполняемых химиками-аналитиками, с помощью роботов [19], но с учётом опыта проточных методов анализа и отказом от сложных и недостаточно надежных механических устройств автоматизации химического анализа по "робототехнической" схеме. При этом остается главное достоинство робототехнического подхода - универсальность (возможность перехода от одной методики к другой без перекомпоновки гидравлических схем с помощью программного обеспечения ЦИА анализаторов). По сравнению с SIA в циклическом инжекционном анализе исключены удерживающие и реакционные петли, которые заменяются реакционной емкостью цилиндрической формы с воронкообразным входом с нижней стороны, что позволило существенно упростить и унифицировать схему коммуникаций. Один из входов крана-переключателя соединяется с атмосферой или с баллоном, наполненным инертным газом, обеспечивающим интенсивное перемешивание смеси пробы с раствором реагента в реакционной емкости, в результате чего устраняется дисперсия аналитического сигнала. Кроме того, схема ЦИА позволяет проводить выделение и концентрирование аналита из газовой фазы в водные растворы в реакционной емкости, что не требует применения специальных устройств и упрощает схему анализа.
Проточные методики определения нитрат-, нитрит-ионов и ионов аммония
Основным недостатком методик, основанных на использовании реакции Грисса, является двухстадийность. Первая стадия - реакция диазотирования первичного ароматического амина в кислой среде с образование соли диазония, затем реакция сочетания (вторая стадия) с фенолами или ароматическими аминами. С практической точки зрения двукратное введение реактивов, регулирование рН и температуры в процессе реакции неудобно, особенно при определении нитритов в потоке, когда количество операций при анализе является важнейшим лимитирующим фактором [78-80]. Кроме того, определению нитритов по этой методике мешают окрашенные вещества, сильные окислители и соединения меди. Зачастую задача устранения мешающего влияния не может быть полностью решена с помощью маскирования [81-84] и приходится прибегать к операции выделения, например, сорбируя примеси на активированном геле А1(ОН)з [85], что значительно усложняет и удлиняет анализ. В то же время подбор новых реагентов [82-84, 86] в рамках методики Грисса лишь отчасти сглаживает недостатки, объективно присущие классическому варианту этой методики.
Шинн предложил [87] использовать сульфаниламид и ІУ-(1-нафтил)зтилендиамин дигидрохлорид. Замена а-нафтиламина не только позволила избежать использования канцерогенного вещества, но и увеличила интенсивность окраски, а следовательно, и чувствительность метода на 20-25%. Эта реакция стала основой для множества спектрофотометрических ПИ-методик [78-94]. Та же реакция использовалась для определения следов нитритов в жидких образцах при помощи проточного оптического детектора [80] и в качестве пост-колоночной реакции в ионной хроматографии [95].
Наряду с определением нитритов по методике Грисса существует альтернативный подход, основанный на реакции нитрозирования нитрит-ионом в кислой среде активированных ароматических соединений, например, М,г [-диметиланилина [96], индола [97], 2,3-диаминонафталина [98] и других [99-104]. Привлекательной особенностью данной реакции является ее одностадийность, однако пределы, обнаружения аналитических методик с предлагавшимися ранее реагентами данного типа (десятки мкг/л) существенно ограничивает сферу их практического применения.
Максимум поглощения конечного продукта реакции находится в ближней ультрафиолетовой области (350 нм), где сам реагент практически не поглощает.
Так как реакция нитрозирования достаточно селективна, при определении нитритного азота в природных водах с ее помощью трудно ожидать существенного мешающего влияния со стороны примесей. Экспериментальная проверка подтвердила, что по крайней мере 104- кратные избытки сульфатов, нитратов, фосфатов, ионов Na, К, Са и Mg не мешают определению нитритов, так же, в отличие от методики Грисса, реагент и продукты реакции практически индифферентны к меди (II) (до Сси = 0.1 моль/л и более) [105]. Объясняется это качественно иным механизмом реакции и отсутствием среди образующихся соединений чувствительных к присутствию меди (II) диазопроизводных. Данное преимущество особенно существенно при определении нитратов по методике, основанной на их восстановлении до нитритов гальванической парой Cd/Cu.
Определению нитритов с помощью реагента IDAN мешают только сильные окислители. Их влияние сказывается при относительно высоких концентрациях и объясняется образованием продуктов окисления реагента, поглощающих излучение в спектральной области, характерной для продукта целевой реакции с нитритом.
Была предложена ПИ-методика определения нитритов и нитратов в природных водах, основанная на предварительном восстановлении их до N0 с последующим мембранным разделением и хемилюминесцентным детектированием. Восстановление проводят в кислой среде. Нитраты и нитриты восстанавливают с использованием Ті (III), только нитриты — йодидами, после чего полученный N0 переносится через мембрану в газовую фазу, в качестве хемилюминесцентной реакции используется реакция NO с озоном. Методика обладает рядом преимуществ, к которым относится отсутствие влияния веществ, в нормальных условиях содержащихся в природных водах, исключение составляет железо, влияющее на определение нитритов; пределы обнаружения нитратов и нитритов составляют 10" г/л и 5-10 г/л соответственно, а относительное стандартное отклонение равно 3,2% [106].
Другая методика, сочетающая фотолитическое восстановление нитратов до нитритов с использованием УФ облучения в режиме on-line с хемилюминесцентным определением нитритов, основана на реакции азотной кислоты, до которой окисляют нитриты, с люминолом. Пределы обнаружения нитритов и нитратов составляют Ю-7 г/л и 2-Ю-7 г/л соответственно [107].
Для определения ионов аммония в условиях SIA используют как фотометрические методики, использовавшиеся также в условиях ПИА (например реакция Бертло [108]), так и методики, включающие газофазное выделение ионов аммония в виде аммиака. Последние получили широкое распространение благодаря своей простоте, хорошей воспроизводимости и высокой производительности.
Так, была разработана простая SI-методика определения аммония с помощью . кондуктометрического детектора [109]. Образец и щелочной раствор последовательно направляются по каналу и перемешиваются в режиме остановленного потока. Образовавшийся аммиак проходит сквозь газопроницаемую мембрану в емкость с неподвижным акцепторным раствором. Изменения в электропроводности принимающего раствора зависит от концентрации ионов аммония в образце. Предел обнаружения может быть снижен до 0,1 мг/л при включении стадии предварительного концентрирования. Относительное стандартное отклонение составляет менее 3%.
Для определения как аммонийного азота, так и свободного аммиака была разработана методика, основанная на газовой диффузии с использование полупроницаемой мембраны и детектировании при помощи рН-метра [108]. Методика демонстрирует высокую производительность, а нижняя граница определяемых концентраций 6-Ю 3 мг/л.
Для определения нитритов методом последовательного инжекционного анализа чаще всего используют методики, основанные на применении реактива Грисса [108-111]. Пределы обнаружения составляют 3 и 10 мг/л для нитритов и нитратов, соответственно. Относительное стандартное отклонение составило 1,1 % и 1,3 % для нитритов и нитратов, соответственно. Производительность - 14 проб в час [111].
Также используются различные методики, основанные на реакции Шина. Была разработана автоматизированная SI-методика, основанная на реакции Шина [35]. Проба (10 мл) последовательно смешивается с растворами сульфаниламида и ІУ-(І-нафтил) этилендиамина дигидрохлорида. В системе SIA образуется азосоединение, которое выделяется на твердой фазе (связанный силикагель) в стеклянной колонке. Концентрат элюируют 80% метанолом и направляют в проточный детектор. Диапазон определения для пробы объемом 1 мл составляет 13 — 160 мкг/л, производительность — 15 определений в час. Диапазон определения для пробы объемом 10 мл составляет 0,8 - 20 мкг/л, производительность - 3 определения в час. Относительное стандартное отклонение составляет 4%.
Приготовление аттестованных смесей (АС) для градуировки и контроля точности
С целью оптимизации условий образования аналитической формы в конкретных условиях постановки эксперимента было изучено влияние температуры в термостате на величину оптической плотности раствора после смешения пробы с реагентом. Согласно схеме ЦИА, представленной на рис. 12, через кран-переключатель (7) с помощью реверсивного насоса (2) в термостатируемую реакционную емкость (3), температура в которой могла изменяться от 20 до 90 С, последовательно подавали 1 мл 15 мг/л раствора нитрит-ионов (а), 0,5 мл корректирующего раствора (б), 0,5 мл раствора реактива Грисса (в) и поток атмосферного воздуха со скоростью 5 мл/мин (г) в течение 10 мин, для перемешивания растворов в реакционной емкости. После перемешивания раствор из реакционной емкости (3) перекачивали в кювету фотометрического детектора (7) и измеряли оптическую плотность раствора в режиме остановленного потока, после чего раствор сбрасывали. Далее коммуникации системы промывали дистиллированной водой (д) и измеряли фоновый сигнал при заполнении кюветы детектора фоновым раствором, который получают при смешении в термостатируемой реакционной емкости (3) (60 С) 1 мл дистиллированной воды (д), 0,5 мл корректирующего раствора (б) и 0,5 мл раствора реактива Грисса (в). На рис. 13 представлены результаты исследования влияния температуры на;-. величину оптической плотности образующейся аналитической форм при определении нитрит-ионов. Из рисунка видно, что в реализованных условиях эксперимента, включая; постоянное время нахождения реакционной смеси растворов в РЕ, равное 5 минутам, при, подаче по линии пробы стандартного раствора нитрит-ионов с ..фиксированной . концентрацией 15 мг/л, максимальная величина аналитического сигнала достигается при 60 С. Эта температура и была выбрана в качестве оптимальной.
Для определения минимального времени, необходимого для завершения реакции образования аналитической формы в реакционной емкости используемой схемы ЦИА проводили следующий эксперимент. Согласно схеме ЦИА (рис. 12) через кран-переключатель (/) с помощью реверсивного насоса (2) в термостатируемую реакционную,. емкость (5), с температурой 60 С, последовательно подавали 1 мл 15 мг/л раствора нитрит-ионов (а), 0,5 мл корректирующего раствора (б), 0,5 мл раствора реактива Грисса (в) и поток атмосферного воздуха со скоростью 5 мл/мин (г), меняя время термостатирования от 2 до 12 мин, для перемешивания растворов в реакционной емкости. После перемешивания раствор из реакционной емкости (3) перекачивали в кювету фотометрического детектора (7) и измеряли оптическую плотность раствора в режиме остановленного потока, после чего раствор сбрасывали. Далее коммуникации системы промывали дистиллированной водой (д) и измеряли фоновый сигнал при заполнении кюветы детектора фоновым раствором, который получают при смешении в термостатируемой реакционной емкости (3) (60 С) 1 мл дистиллированной воды (д), 0,5 мл корректирующего раствора (б) и 0,5 мл раствора реактива Грисса (в).
Результаты изучения влияния времени протекания аналитической реакции в реакционной емкости на величину аналитического сигнала представлены на рис. 14. Видно, что для завершения фотометрической реакции в РЕ достаточно 5 мин. Приведенные на рис. 13 и 14 зависимости позволяют утверждать, что ЦИА по сравнению с проточными методами, не позволяющими оптимизировать процесс образования аналитических форм по температуре и времени обеспечивает, при прочих равных условиях, увеличение чувствительности приблизительно в 5 раз.
Влияние времени протекания аналитической реакции на величину оптической плотности образующейся аналитической формы. З 3.2.3. Восстановление нитрат-ионов до нитрит-ионов на кадмиевом редукторе
Для изучения эффективности восстановления нитрат-ионов до нитрит-ионов в кадмиевом редукторе в условиях ЦИА (рис. 12) в термостатируемую реакционную емкость (3) (60 С) последовательно подавали 1 мл раствора нитрат-ионов (10 или 50 мг/л) (а), 0,5 мл корректирующего раствора (б) и поток атмосферного воздуха со скоростью 5 мл/мин (г) в течение 30 с, для перемешивания растворов в реакционной емкости. После этого раствор из реакционной емкости (3) перекачивали через кадмиевый редуктор (5) во вспомогательную емкость (б) и обратно в реакционную емкость (3). Затем полученный раствор анализировали по описанной выше схеме определения нитрит-ионов при температуре 60 С и времени протекания фотометрической реакции в реакционной емкости 5 мин.
Установлено, что при выбранных размерах кадмиевого редуктора и скорости пропускания раствора 5 мл/мин полнота восстановления нитрат-ионов составляет 85 %, независимо от концентрации нитрат-ионов в исследуемом растворе вплоть до 50 мг/л. Учитывая, что концентрация нитрат-ионов в природных водах, как правило, существенно превышает концентрацию нитритов, достигнутой полноты восстановления нитрат-ионов достаточно для их автоматизированного определения, как при выполнении массовых анализов в лабораториях, так и при непрерывном контроле с помощью проточных анализаторов.
На предварительном этапе производится измерение фонового сигнала (Ао) при заполнении кюветы детектора (7) фоновым раствором, который получали при смешении в термостатируемой реакционной емкости (3) (60 С) 1 мл дистиллированной воды (д), 0,5 мл корректирующего раствора (б) и 0,5 мл раствора реактива Грисса (в).
На втором этапе измеряют оптическую плотность, соответствующей концентрации нитрит-ионов в пробе. Для этого в термостатируемую реакционную емкость (3) (60 С) подают 1 мл пробы (а), 0,5 мл корректирующего раствора (б), 0,5 мл раствора реактива Грисса (в) и поток воздуха со скоростью 5 мл/мин (г) в течение 5 мин, и образующийся раствор аналитической формы, направляют в проточный детектор (7), где и измеряют аналитический сигнал (А і). В качестве величины оптической плотности, соответствующей концентрации нитрит-ионов в пробе, используют разность: ЛАа =AI-AQ.
Для обеспечения порядка смешения, количества пробы и растворов реагентов, . последовательности и длительности всех стадий анализа была составлена матрица , (табл. 17), позволяющая управлять анализатором и задавать состояния исполнительных. / .; элементов прибора в каждый момент времени/ Каждая строка в этой матрице :,; соответствует определенной стадии, а столбцы отвечают положению каждого исполнительного элемента.
Циклическое инжекционное определение фосфат-, нитритнитрат-ионов и ионов аммония
Мутные пробы перед проведением анализа фильтруют через бумажный фильтр «синяя лента». Анализ проводят в двух параллельных пробах в условия строго идентичных выбранным при установлении градуировочной характеристики. Если оптическая плотность анализируемых растворов оказывается выше верхнего предела градуированного диапазона, то пробу разбавляют дистиллированной водой. Требуемая степень разбавления устанавливается экспериментально, начиная с 10-кратной.
Массовую концентрацию фосфат-ионов в каждой анализируемой пробе (Xt, мкг/дм3) считывают с дисплея компьютера из соответствующего файла результатов. За результат измерения массовой концентрации фосфат-ионов принимают значение, рассчитанное по формуле: где к - число измерений при определении массовой концентрации фосфат-ионов (к=2). В показаниях прибора концентрация выражена в пересчете на фосфат-ион, при необходимости выражения массовой концентрации в мкг/дм3 Р (в пересчете на фосфор) показания прибора умножают на коэффициент пересчета, равный 0,326.
Если перед измерением оптической плотности проба разбавлялась на стадии подготовки к измерению, то результат измерения умножают на степень разбавления, рассчитываемую по формуле: Дл - значение характеристики погрешности результатов измерений, установленное при реализации методики в лаборатории и обеспечиваемое контролем стабильности результатов измерений.
Примечание. Допустимо характеристику погрешности результатов измерений при внедрении методики в лаборатории устанавливать на основе выражения: Д, = 0,84 А с последующим уточнением по мере накопления информации в процессе контроля стабильности результатов измерений.
Результат определения должен оканчиваться тем же десятичным разрядом, что и погрешность измерений. Обеспечение достоверности измерений в пределах лаборатории организуют и проводят путем проведения проверки приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях повторяемости, воспроизводимости, оперативного контроля процедуры измерений и контроля стабильности результатов измерений в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-6. Проверка приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях повторяемости
Образцами для проверки приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях повторяемости, являются рабочие пробы воды.
Проверку приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях повторяемости, проводят по результатам параллельных измерений массовой концентрации фосфат-ионов в пробах воды.
Если условие (13.1) не выполняется, процедуру повторяют. При повторном превышении предела повторяемости выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам, и принимают меры по их устранению.
ТаблицаЗ- Значения предела повторяемости при доверительной вероятности Р=0, Диапазон измерений,массоваяконцентрация,мкг/дм Предел повторяемости(относительное значение допускаемого расхождения между двумярезультатами измерений, полученными в одной лаборатории вусловиях повторяемости), г, % от 60 до 150 вкл. св. 150 до 300 вкл. св. 300 до 600 вкл. 17 14 8
Если условие (13.1) не выполнено, процедуру повторяют. При повторном превышении предела повторяемости выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам, и принимают меры по их устранению.
Проверка приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях воспроизводимости Образцами для проверки приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях воспроизводимости, являются рабочие пробы воды. Проверку приемлемости результатов измерений, получаемых в условиях воспроизводимости (в разных лабораториях), проводят по результатам измерений массовой концентрации фосфат-ионов в рабочих пробах.
Если условие (13.2) не выполнено, процедуру повторяют. При повторном превышении предела воспроизводимости выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам, и принимают меры по их устранению.
Значения предела воспроизводимости при доверительной вероятности Р=0, Диапазон измерений, массовая концентрация,мкг/дм3 Предел воспроизводимости(относительное значение допускаемого расхождения междудвумя результатами измерений, полученными в разныхлабораториях), R, %
Контроль исполнителем процедуры выполнения измерений проводят путем сравнения результата отдельно взятой контрольной процедуры Кк с нормативом контроля К.
Образцами для контроля являются рабочие пробы и пробы с добавкой. Пробу анализируемой воды гомогенизируют и делят на две равные части. В одну из них вводят добавку фосфат-ионов и анализируют пробу и пробу с добавкой в точном соответствии с прописью методики.
Для введения добавки используют растворы фосфат-ионов, приготовленные из стандартных образцов и аттестованные по процедуре приготовления. Величина добавки должна составлять 100% от содержания компонента в исходной пробе. Если содержание фосфат-ионов в исходной пробе ниже минимально определяемой величины, величина добавки должна быть равна минимально определяемой массовой концентрации этого компонента по методике.
Все результаты получают в одних и тех же условиях с использованием одного и того же набора мерной посуды и одинаковых партий реактивов.
Результат контрольной процедуры Кк рассчитывают по формуле: кк=\х - х -q, где X — результат контрольного измерения массовой концентрации фосфат-ионов в пробе с известной добавкой, представляющий среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает предела повторяемости г. Значение г приведено в таблице 3. X — результат контрольного измерения массовой концентрации фосфат-ионов в рабочей пробе, представляющий среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает предела повторяемости г. С- величина добавки. Норматив контроля Кд рассчитывают по формуле: 125 где Лд ,, &лх значения характеристики погрешности результатов измерений, установленные в лаборатории при реализации методики, соответствующие содержанию фосфат-ионов в пробе с добавкой и в рабочей пробе, соответственно. Качество контрольной процедуры признают удовлетворительным при выполнении условия:
При невыполнении этого условия эксперимент повторяют. При повторном невыполнении выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам, и принимают меры по их устранению, периодичность оперативного контроля процедуры измерений, а также реализуемые процедуры контроля стабильности результатов измерений регламентируют в Руководстве по качеству лаборатории.
