Вольтамперометрический анализ для контроля качества и безопасности пищевых продуктов и биологических материалов Слепченко Галина Борисовна

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 15

1.1. Современное состояние методов аналитического контроля качества и безопасности пищевых продуктов и биоматериалов 15

1.1.1. Анализ неорганических элементов 15

1.1.2. Анализ органических веществ 20

1.2. Вольтамперометрические методы определения неорганических элементов и органических веществ 31

1.2.1. Вольтамперометрическое определение неорганических элементов 32

1.2.2. Вольтамперометрическое определение органических веществ 73

1.3. Пробоподготовка пищевых продуктов и биологических объектов для анализа методами вольтамперометрии 84

1.3.1. Пробоподготовка с озолением матрицы 87

1.3.2. Способы пробоподготовки без озоления матрицы 89

1.3.3. Применение микроволнового (MB) излучения в пробоподготовке 92

1.3.4. Фотохимическая подготовка 93

1.3.5. Применение ультразвука в ИВ-анализе 94

1.3.6. Электрохимическая обработка проб 95

1.3.7. Гибридные вольтамперометрические методы 96

1.4. Теория аналитического сигнала в методе инверсионной вольтамперометрии 98

2. Математическое моделирование аналитического сигнала в сложной электрохимической системе 106

2.1. Математическая модель аналитического сигнала элемента 106

2.2. Математическое моделирование процесса электроокисления сложных амальгамных систем с учетом адсорбции 113

2.3. Теоретическая оценка систематической погрешности при определении микроэлементов методом инверсионной вольтамперометрии 117

2.4. Математическое моделирование процесса электроокисления сложных амальгамных систем с учетом адсорбции 122

2.5. Экспериментальная проверка математической модели электроокисления сложных амальгамных систем с учетом адсорбционных процессов 129

3. Ряд особенностей вольтамперометрии органических соединений 133

3.1. Вольтамперометрия органических соединений с двумя стадиями переноса заряда и разделяющими их поверхностными стадиями 133

3.2. Закономерности адсорбции катодной вольтамперометрии органических соединений 138

4. Экспериментальная часть 142

4.1. Приборы, ячейки 142

4.2. Электроды 143

4.2.1. Индикаторные электроды 143

4.2.2. Электроды сравнения 145

4.3. Сравнительное изучение ВА-поведения микроколичеств цинка, кадмия, свинца и меди на вибрирующем и вращающемся ртутном пленочном электроде 145

5. Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения неорганических элементов и органических веществ 151

5.1. Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения неорганических элементов 154

5.1.1. Ртуть 154

5.1.2. Йод 158

5.1.3. Селен 161

5.1.4. Мышьяк 170

5.2. Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения органических веществ 177

5.2.1. Антибиотики 178

5.2.2. Витамины 192

5.2.3. Флавоноиды 202

6. Пробоподготовка пищевых продуктов и биологических объектов 208

6.1. Пробоподготовка пищевых продуктов и биообъектов на содержание токсичных элементов 209

6.1.1. Особенности поведения токсичных элементов в процессе пробоподготовки к определению методом инверсионной вольтамперометрии 210

6.1.2. Пробоподготовка при определении тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца, меди, марганца, висмута) в пищевых продуктах и биоматериалах 212

6.1.3. Пробоподготовка при определении мышьяка в пищевых продуктах и биоматериалах 220

6.1.4. Пробоподготовка пищевых продуктов и биоматериалов на содержание селена 224

6.1.5. Выбор и оптимизация условий пробоподготовки ртути 233

6.1.6. Подбор условий для разложения проб пищевых продуктов и биоматериалов при определении иодид-ионов методом инверсионной вольтамперометрии 23 8

6.2. Пробоподготовка пищевых продуктов и биообъектов на содержание органических веществ 248

7. Метрологическое обеспечение вольтамперометрического анализа 254

7.1. Средства измерений 255

7.2. Испытательное оборудование 256

7.3. Стандартные образцы 256

7.4. Методики выполнения измерений 257

7.5. Метрологическая аттестация методик анализа 258

7.6. Стандартизация методик КХА 265

7.7. Организация внутрилабораторного контроля 266

Заключение 273

• Вольтамперометрические методы определения неорганических элементов и органических веществ
• Математическое моделирование процесса электроокисления сложных амальгамных систем с учетом адсорбции
• Закономерности адсорбции катодной вольтамперометрии органических соединений
• Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения органических веществ

Введение к работе

Перед химиками-аналитиками ставится задача разработка новых, более совершенных методик анализа, позволяющих с высокой точностью и селективностью определять вещества на уровне 10"п-И0"10моль/дм3 и в более широких интервалах определяемых содержаний с небольшими материальными затратами. Методики должны быть предназначены для использования не только при научных исследованиях, но и в широкомасштабном серийном аналитическом контроле. Выборки результатов измерений должны обрабатываться средствами современной вычислительной техники, и получаемые данные соответствовать нормативным документам для федеральных служб контроля в области качества и безопасности пищевых продуктов. Это определяется тем, что питание — важный фактор, определяющий здоровье человека. Актуальной является проблема загрязнения продовольственного сырья и пищевых продуктов чужеродными веществами химического и биологического происхождения. Вопросы контроля безопасности продуктов питания и

продовольственного сырья требуют проведения необходимых мероприятий в рамках единой государственной политики. На решение этих задач направлен закон РФ № 29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» от 2 января 2000 г. Приняты правительственные общероссийские программы:

• «Обогащение пищевых продуктов микроэлементами»;

• «Концепция здорового питания населения России до 2005 года», утвержденная постановлением Правительства № 247, одним из разделов которой является «Разработка быстрых и надежных методов анализа пищевых продуктов и продовольственного сырья».

Выбор инструментального метода анализа для определения неорганических элементов и органических веществ в пищевых продуктах обусловлен рядом общих соображений, например: пределами обнаружения метода в зависимости от определяемых содержаний, требованием многоэлементности, допускаемой погрешностью, временными затратами, стоимостью анализа.

Таким требованиям наиболее полно удовлетворяют электрохимические методы и, в первую очередь, такие его высокочувствительные варианты, как вольтамперометрия и инверсионная вольтамперометрия (ИВ). Вольтамперометрические методы контроля в последние годы стали более активно использоваться для контроля качества пищевых продуктов и биообъектов. Большой вклад в развитие теории, исследование физико-химических закономерностей электрохимических процессов и применения вольтамперометрических методов для контроля окружающей среды, пищевых продуктов и биоматериалов внесли отечественные ученые Стромберг А.Г., Каплин А.А., Захаров М.С., Брайнина Х.З., Карбаинов Ю.А., Будников Г.К., Салихджанова Р.М-Ф., Майстренко В.Н., Рувинский О.Е., Темердашев З.А. и др.

Цель диссертационной работы . Развитие методологических основ вольтамперометрического анализа для определения широкого круга неорганических элементов и органических веществ в пищевых продуктах и биоматериалах.

Для достижения поставленной цели проводились исследования, направленные на решение следующих конкретных задач:

1. Углубленное исследование физико-химического поведения, выбор условий вольтамперометрического определения металлов, неметаллов и органических веществ. 2. Разработка различных подходов и аналитических приемов к повышению чувствительности и селективности определения микроколичеств элементов в сложной многокомпонентной системе.

3. Создание математической модели аналитического сигнала в сложной электрохимической системе с учетом активного сопротивления ячейки и адсорбционных процессов, протекающих на поверхности электрода.

4. Оптимизация способов пробоподготовки неорганических элементов и органических веществ с учетом особенностей вольтамперометрического метода анализа пищевых продуктов и биообъектов.

5. Разработка, метрологическая аттестация и стандартизация автоматизированных вольтамперометрических методик определения важнейших нормируемых компонентов в пищевых продуктах и биоматериалах.

Научная новизна

Развита методология вольтамперометрического анализа для определения микроколичеств металлов, неметаллов и органических веществ в пищевых продуктах и биологических материалах.

Создана универсальная математическая модель аналитического сигнала с учетом активного сопротивления ячейки и адсорбционных процессов на поверхности электрода. Изучено влияние кинетических (ks 5 pz и др.) и термодинамических (энергия взаимодействия, состав, свободная энергия процесса адсорбции) параметров электродного процесса, адсорбции, геометрии электрода, строения двойного электрического слоя на аналитический сигнал элемента.

Развиты вопросы теории многостадийных процессов разряда-ионизации для органических соединений на стационарных электродах, с учетом особенностей электрохимического поведения органических соединений различных классов в анализе пищевых продуктов и биообъектов.

На основе рассмотренной математической модели аналитического сигнала получены расчетные данные по влиянию емкости

электрохимической ячейки, двойного электрического слоя, ks и т.д. на величину и форму аналитического сигнала элемента, проведена теоретическая оценка систематической погрешности результатов определения компонентов в ИВ анализе.

Проведена численная оценка кинетических и термодинамических параметров адсорбционных процессов ряда органических соединений на стационарных электродах.

Разработан алгоритм подготовки проб в ИВ анализе, учитывающий природу неорганических и органических компонентов, состав определяемого объекта, а также требования нормативной документации.

Оптимизированы этапы пробоподготовки пищевых продуктов и биоматериалов путем выбора различных режимов озоления и физических ф воздействий. На примере методики определения микроколичества ртути в пищевых продуктах проведено многофакторное планирование эксперимента в выборе наиболее значимых параметров пробоподготовки, оказывающих влияние на результаты анализа.

Создано метрологическое обеспечение вольтамперометрических методик анализа для контроля пищевых продуктов и биообъектов, включающее создание программы для оценивания характеристик погрешности и назначения нормативов оперативного контроля точности 4» результатов анализа. Разработан комплекс стандартизованного методического обеспечения для вольтамперометрического анализа.

Практическая значимость работы

Разработаны и метрологически аттестованы более 20 вольтамперометрических методик определения ряда неорганических микроэлементов и органических веществ с улучшенными метрологическими характеристиками.

Предложенные методики количественного химического анализа нашли 1 применение при проведении сертификационных испытаний различных групп пищевых продуктов в более чем 500 аналитических испытательских лабораторий и центров Госстандарта, Госсанэпиднадзора, ветеринарии и др.

Впервые разработаны и утверждены 4 стандарта ГОСТ Р по определению микроколичеств цинка, кадмия, свинца, меди, железа, ртути и мышьяка в различных группах пищевых продуктов и питьевой воде методом инверсионной вольтамперометрии.

Положения, выносимые на защиту

• Теоретическая оценка влияния сопротивления электрохимической ячейки и адсорбционных процессов, протекающих на поверхности электрода, на аналитический сигнал элемента с использованием кинетических и термодинамических параметров процессов электрохимического окисления-восстановления сложной амальгамной системы.

• Расчет теоретической величины систематической погрешности при регистрации аналитических сигналов определяемых компонентов в вольтамперометрическом анализе с использованием предложенной математической модели аналитического сигнала.

• Основные физико-химические закономерности поведения металлов и неметаллов при их вольтамперометрическом определении.

• Особенности электрохимического поведения органических веществ (витаминов, антибиотиков, флавоноидов) на твердых и амальгамных электродах при их вольтамперометрическом определении.

• Алгоритм пробоподготовки пищевых продуктов и биоматериалов при вольтамперометрическом определении содержаний неорганических и органических компонентов с учетом особенностей поведения сложной органической матрицы и оптимизации основных этапов.

• Комплекс стандартизованного методического обеспечения для вольтамперометрического анализа.

Достоверность защищаемых положений

Математическая модель процессов электроокисления металлов на границе электрод — раствор с учетом емкостной составляющей тока подтверждена экспериментально.

Выполненные на основе математической модели теоретические расчеты вольтамперных кривых тяжелых металлов и органического вещества (стрептомицина), а также основные зависимости тока анодного пика от концентрации в растворе, от времени задержки потенциала и т.д. соответствуют экспериментальным зависимостям, полученных в аналогичных условиях с погрешностью, не превышающей 3%.

Характеристики случайной погрешности при проверке достоверности результатов измерений оценивались по большим (1 20) объемам их выборки. Характеристика систематической составляющей погрешности, т.е. показатель правильности результатов по разработанным ИВ-методикам определения неорганических и органических компонентов, оценивалась разными способами: методом «введено-найдено» в варианте сравнения со стандартными образцом или образцом для контроля; методом «введено-найдено» в варианте метода добавок аттестованной смеси (АС) элемента в пробу; методом варьирования навески пробы; методом разбавления с добавкой АС элемента; ф. методом сравнения с результатами, полученными по другой методике.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 45 публикациях, в том числе в 38 статьях в отечественных и зарубежных журналах, материалах на конференциях, в 4 введенных в действие ГОСТах Р, получено 3 патента.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 352 страницах машинописного текста; состоит из введения, 7 глав, 12 выводов, списка цитируемой литературы (423 назв.) и 34 стр. приложения; содержит Щ 50 рисунков, 45 таблиц.

В первой главе проведен анализ состояния развития метода инверсионной вольтамперометрии в анализе рассматриваемых объектов по библиографическим данным за последние пятнадцать лет по материалам РЖХим и десять лет по Chemical Abstracts. Выявлены основные тенденции развития вольтамперометрического метода контроля, в т. ч. особенности пробоподготовки этих объектов.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы по

математическому моделированию аналитического сигнала в сложной многокомпонентной системе с учетом сопротивления электрохимической ячейки и двойного электрического слоя, а также с учетом процесса адсорбции. Проведена экспериментальная проверка полученных моделей, а также предложена теоретическая оценка систематической погрешности результатов определения элементов в ИВ анализе.

В третьей главе отражены особенности вольтамперометрии органических соединений. Проведен анализ закономерностей катодной вольтамперометрии органических соединений, когда исходное соединение предварительно адсорбируется при Е = const на поверхности электрода в течение определенного промежутка времени. Затем, при линейном изменении потенциала в сторону его более отрицательных значений, происходит его электровосстановление.

Описание используемой аппаратуры, типов электродов и сравнение способа перемешивания раствора приведены в четвертой главе.

В пятой главе рассмотрено электрохимическое поведение и выбор условий вольтамперометрического определения неорганических элементов и органических веществ. Проведены исследования электрохимического поведения ряда основных микроэлементов (ртути, иода, селена, мышьяка и железа), а также органических веществ — антибиотиков (левомицетина, стрептомицина и тетрациклина), витаминов (Вь В2, С и Е) и флавоноидов ( квер-цетина и рутина), регламентированных нормативными документами. По экспериментальным данным выбраны рабочие условия их вольтамперометрического определения, на основе которых разработаны, метрологически аттестованы методики количественного химического анализа проб пищевых продуктов и биоматериалов на содержание этих элементов.

Шестая глава посвящена вопросам пробоподготовки пищевых продуктов и биологических объектов для вольтамперометрического определения микроэлементов и органических веществ. Проведены исследования по выбору приемов пробоподготовки в этих объектах, что позволило разработать, метрологически аттестовать более 20 методик анализа пищевых продуктов и биологических объектов на содержание рассмотренных микроколичеств веществ и элементов.

В седьмой главе проведены расчеты по оцениванию метрологических характеристик с учетом основных требований ГОСТ Р ИСО 5725-2002, МИ 2336-2002, МИ 2335-2003 метрологической службой, аккредитованной на право разработки и аттестации МВИ. Методики внесены в Федеральный Реестр (ФР) методик выполнения измерений, допущенных к применению в сферах распространения Закона РФ «Об обеспечении единства измерений».

В заключении проведен анализ полученных результатов и сформулированы основные выводы по работе.

В приложении к диссертации помещены акты о внедрении, свидетельства об аттестации МВИ, 4 ГОСТ Р.

Вольтамперометрические методы определения неорганических элементов и органических веществ

Основным направлением государственной политики в области здорового питания, обеспечения качества продукции и введением процедуры сертификации продукции и товаров в России является создание общей методологической базы и внедрение новых высокочувствительных методов анализа. Определяющим фактором таких методов является их точность и надежность. К числу таких методов относятся и вольтамперометрические методы, в т.ч. инверсионная вольтамперометрия. Если проследить количество публикаций по вольтамперометрии по годам, то можно отметить резкий скачок их увеличения, приходящийся на период разработки и принятия правительством Концепции политики здорового питания населения России. Метод инверсионной вольтамперометрии отличается высокой чувствительностью, что обеспечивает определение следов неорганических и органических примесей на требуемом уровне. Метод отличается экспрессностью и дешевизной анализа, автоматизацией и компьютеризацией операций при получении результатов анализа. В мировом масштабе интерес к вольтамперометрическим методам контроля достаточно высок. Если проанализировать количество опубликованных работ по странам, то лидирующие места занимают США, Китай, Япония. Исследования физико-химического поведения различных компонентов при электроокислении их на индикаторном электроде, подбор условий пробоподготовки и ИВ-измерений позволяет разработать и аттестовать ИВ-методики количественного химического анализа на содержание неорганических элементов и органических веществ и заложить основы для разработки новых методик. 1.2.1 Вольтамперометрическое определение неорганических элементов Марганец Марганец широко распространен в природе. Содержание его в земной коре в среднем - 1000 мг/кг, в почве - 600 900 мг/кг, в морской воде -2 мкг/дм3, в воде рек варьируется от сотых долей до 100мкг/дм3. Токсичное действие марганца проявляется в поражении центральной нервной системы, 1 Автор благодарит руководителя информационного центра ИОХ СО РАН Зибареву И.В. за помощь в сборе информации. появлением бронхиальной астмы, экземы, в тяжелых случаях — паркинсонизма.

Отравления человека марганцем связаны с профессиональной деятельностью (шахты, рудники) при вдыхании пыли, содержащей соединения марганца. Гигиенические нормативы: ПДК в атмосферном воздухе — 0,006 мг/м3, в водах водоисточников-0,1 мг/дм [30]. Для марганца характерны несколько степеней окисления: 0, +2, +4,+6, +7. Электрохимически активны в растворе ионы Мп , которые из водных нейтральных растворов восстанавливаются на РПЭ необратимо до Мп в области потенциалов от (- 1,5) В до (- 1,7) В. В щелочных растворах (+винная к-та) Мп окисляется на ртутном электроде при (— 0,4) В. На графитовых электродах марганец окисляется в области потенциалов от (+ 0,8) В до (— 0,9) В и накапливается в виде Мп02-Н20, после чего его определяют катодной ИВ [31]. Для определения марганца применяют адсорбционное концентрирование на СРКЭ с лигандами (эриохром черный Т, рН 12) с последующим восстановлением лиганда на электроде [32]. В таблице приведены условия определения марганца в различных объектах методом ИВ за последние 15 лет. Минеральные вещества играют важную роль в различных обменных процессах организма. Однако, попадая в организм в больших количествах, могут проявлять и токсичные свойства, поэтому их содержание в пищевых продуктах регламентируется [41]. Медь, Суточная потребность — 4 - - 5 мг. Дефицит меди приводит к анемии, недостаточности роста и др. Медь, цинк и железо оказывают синергетическое действие друг на друга, что нужно учитывать при составлении w рациона питания. Источниками меди являются: печень, орехи, какао, пивные дрожжи. Цинк. Суточная потребность в цинке составляет 10-М 5 мг, при беременности — 20 -г- 25 мг. Цинк входит в состав около 80 ферментов. Дефицит цинка способствует росту опухолей, нарушению роста волос и ногтей. Содержание цинка в пищевых продуктах, мг/кг: мясе — 20 40, яйцах — 15 - - 20, орехах, зерновых - 25 - - 30. Цинк и его соединения малотоксичны. Однако могут быть отравления цинком при использовании оцинкованной посуды при ф приготовлении пищи. Свинец. Один из самых распространенных и опасных токсикантов. Среднее содержание свинца в продуктах питания 0,2 мг/кг. СанПиН предусматривает содержание свинца в водопроводной воде не выше 0,03 мг/дм . Взрослый человек получает ежедневно с пищей 0,1 - 0,5 мг свинца, с водой - около 0,02 мг. Токсичное действие свинца определяется блокадой SH-групп белков в ферментах и антагонизмом кальцию. Кадмий. Токсичный микроэлемент. Антагонист цинка, кобальта, селена, Щ ингибирует активность ферментов, содержащих указанные металлы. Попадает в организм через загрязнение окружающей среды. В растительных продуктах содержание кадмия, мкг/кг: в зерновых — 28- -95, картофеле — 12- -50, растительном масле — 10 -=- 50, грибах — 100 - - 500, в яйцах - 20 - - 200. Вольтамперометрическое поведение этих элементов рассматривается совместно, так как в большинстве случаев удается определять их одновременно из одной ВА-кривой. Для всех указанных элементов характерна степень окисления (+2). Ионы их легко вступают в реакции комплексообразования с карбоновыми и оксикислотами, слабо гидролизуются.

В объектах окружающей среды цинк, кадмий, свинец, медь существуют в различных формах — неорганические и органические растворимые комплексы, коллоиды, соединения, адсорбированные на взвесях сульфидов, оксидов железа, марганца и др. Эти формы часто электрохимически не лабильны, поэтому для ИВ- анализа нужна соответствующая подготовка проб. Соли цинка, кадмия, свинца # и меди труднолетучи, кроме хлоридов. При фотолизе разрушаются их органические комплексы. Поэтому пробоподготовка к их ВА-определению состоит в минерализации — мокрым или сухим путем или фотохимическом облучении жидких сред. Все четыре элемента могут концентрироваться на ртутных электродах с образованием амальгам или адсорбироваться на поверхности электрода в виде комплексов с введенным в раствор реагентом. Применяют электроды в виде стационарной капли ртути или в виде пленки ртути на различных подложках Щ. (серебро, графит, стеклоуглерод). В последнем случае часто используют вращающиеся электроды. В качестве фонов применяют широкий круг электролитов: кислоты — неорганические и органические (карбоновые, оксикарбоновые), соли этих кислот, реже основания, учитывая образование осадков гидроксида [42]. Например, на фоне 0,1 М хлорида калия потенциалы анодных пиков цинка, кадмия, свинца, меди равны, соответственно (±0,05 В отн. ХСЭ): - 0,9; - 0,6; - 0,4; - 0,1 В. При комплексообразовании в растворе потенциалы У восстановления смещаются в отрицательную сторону, что необходимо учитывать при выборе потенциала накопления всех четырех элементов. Чувствительность определения этих элементов на РПЭ составляет примерно 0,1 -М мкг/дм3, или 10"9 -т- 10"8М. Она зависит от времени концентрирования и способе возбуждения потенциала при анодном растворении. Для устранения мешающего емкостного тока применяют дифференциально-импульсный или квадратно-волновой режимы. Для повышения чувствительности определения (до 10"ПМ) применяют адсорбционное концентрирование и катодную развертку потенциала. При одновременном ИВ-определении этих элементов мешают растворенный кислород, поверхностно-активные вещества (ПАВ). Для устранения кислорода применяют пропускание инертного газа или фотохимическое восстановление в присутствии карбоновых и оксикислот. Для устранения ПАВ проводят мокрое или сухое озоление или фотолиз в Щ присутствии пероксида водорода. В некоторых случаях (если матрица — инертные соли или спиртовые растворы, виски, ром) возможен ИВ-анализ без пробоподготовки. Анализу цинка, кадмия, свинца и меди в различных объектах посвящена огромная литература. В таблице приведены некоторые условия определений этих элементов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах, биообъектах, опубликованные за последние 15 лет.

Математическое моделирование процесса электроокисления сложных амальгамных систем с учетом адсорбции

Нами проведена экспериментальная проверка предложенной математической модели с использованием опытных значений CR, С& LRt W и известных для данного элемента в данном фоновом электролите значений табличных величин Ks„ Д z, DX) DA. Коэффициенты диффузии атомов в ртути и ионов в растворе определены в большом числе работ. В результате проведенных расчетов получена теоретическая вольтамперная зависимость кадмия и проведено сравнение с экспериментальной вольтамперной кривой этого элемента (рис.2.1). Как видно из графика, получено вполне удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных. Незначительные расхождения в нижних частях кинетической и диффузионной ветвей можно объяснить неучтенными сопутствующими электрохимическими процессами, протекающими на поверхности электрода. Проведены расчеты общего тока и его фарадеевской составляющей, а так же коэффициента эффективности фарадеевской составляющей от емкости двойного электрического слоя. Из рис.2.2 видно, что с увеличением емкости ДЭС общий ток возрастает, фарадеевская составляющая тока практически не меняется, что хорошо согласуется с уравнением общего тока заряжения представленный в [408]: f=dq/dt, где q=C f(E)-S(Em-E). Cf(E) - емкость двойного слоя на единице площади поверхности, Ет потенциал при котором q=0, S - площадь поверхности электрода. На рисунке 2.3 представлена теоретическая зависимость фарадеевского и общего токов от сопротивления электрохимической ячейки. Также представлена зависимость коэффициента эффективности фарадеевской составляющей от сопротивления электрохимической ячейки. Зависимость общего и фарадеевского токов от сопротивления ячейки наглядно показывает, что с увеличением сопротивления ячейки полезная составляющая, и общий ток в целом уменьшается на 3-7%. Проведены теоретические градуировочные зависимости общего тока кадмия и его составляющей при различных режимах развертки потенциала. На рисунке 2.4 показано, что режимы развертки не влияют как на общую величину тока элемента, так и на его фарадеевскую составляющую. Изучено влияние на основные параметры аналитического сигнала - ток и потенциал пиков, шага и задержки в ступенчатом режиме полярографирования. Теоретические и экспериментальные зависимости тока (а) и потенциала (б) элементов от времени задержки представлены на рис. 2.5. Незначительное влияние изменения времени задержки потенциала оказывает лишь на величину тока пика цинка, на остальные элементы задержка потенциала не влияет. При анализе пищевых продуктов и биологических материалов методом инверсионной вольтамперометрии электрохимический концентрат на ртутном или твердом электродах содержит два и более определяемых элемента, а также и сопутствующие примеси из органической матрицы, из-за которых возможет эффект изменения емкости двойного электрического слоя в приэлектродном пространстве. Эти сопутствующие примеси приводят к изменению емкостной составляющей тока и могут влиять на величины систематических погрешностей при измерении общих токов элементов.

Теоретическая оценка, в частности величины систематической погрешности в определении тока пика, а, следовательно, и концентрации элемента, представляет существенный практический интерес. На основании таких оценок можно обосновать выбор условий или полностью исключающих погрешность, или ограничивающих ее, приемлемой в условиях опыта, величиной. Теоретический подход к оценке влияния взаимодействия компонентов электрохимических концентратов сложного состава при их электроокислении на ртутных и ртутно-графитовых электродах на аналитические характеристики вольтамперограммы и систематическую погрешность развит в работах [387,409]. Изменение величины аналитического сигнала от параметров, учитывающих природу элемента и емкость двойного электрического слоя, приводит к изменению характеристик градуировочного графика, вносит систематическую погрешность в оценку концентрации элемента. При наличии такой систематической погрешности, зависящей от концентрации элемента, затруднено, а в ряде случаев неприемлемо, применение наиболее широко распространенного метода оценки концентрации - метода добавок стандартного раствора. В связи с этим теоретическая оценка величины систематической погрешности в определении величины общего тока ионизации элемента представляет интерес. На основе таких оценок может быть обоснован выбор условий, исключающих ошибку или ограничивающих ее, приемлемой в условиях определения, величиной. Ro =(Іф-Іо) h Используя полученную систему дифференциальных уравнений с учетом емкости двойного слоя, проведены расчеты систематической погрешности (Ro) от концентрации элементов в амальгаме на примере цинка, кадмия, свинца и меди. Результаты расчетов представлены на рис. 2.6. Адсорбции реагентов электрохимической реакции, влиянию этого процесса на формирование и строение двойного слоя посвящено много исследований. Результаты этих исследований подробно изложены, например в [382,410]. В то же время, в инверсионном вольтамперометрическом анализе влияние адсорбционных процессов, требует рассмотрения одновременно следующих неравновесных процессов: неравновесной адсорбции и десорбции реагентов электрохимической реакции, электрохимической реакции сопровождающейся протеканием тока и процессов подвода и отвода реагентов электрохимической реакции. Так же при больших концентрациях вещества в адсорбционном слое, необходимо учитывать влияние компонентов адсорбционной фазы между собой. В такой постановке в методе инверсионной вольтамперометрии задача не рассматривалась. В данной работе рассматривается случай, когда окисленные и восстановленные формы, находящиеся в адсорбционном слое, обмениваются электронами с электродом по следующей схеме для некоторого вещества А:

Закономерности адсорбции катодной вольтамперометрии органических соединений

Современные требования к контролю органических токсикантов в пищевых продуктах и биологических средах делает особо актуальной разработку новых эффективных методов их определения на уровне нано- и микроконцентраций. Особенно это касается метода инверсионной вольтамперометрии. Однако его успешное применение неразрывно связано с формированием теоретической модели электродного процесса, решением соответствующих краевых задач, выбором на этой основе, оптимальных условий получения аналитического сигнала. Данная работа посвящена анализу закономерностей катодной вольтамперометрии органических соединений, когда исходное соединение предварительно при Е = const адсорбируется на поверхности электрода в течение определенного промежутка времени, затем, при линейном изменении потенциала в сторону его более отрицательных значений, снимается катодная вольтамперограмма исследуемого соединения. Итак, схема электродного процесса: Вольтамперометрические измерения сопряжены с использованием высокочувствительных электрических приборов, регистрирующих силу тока, протекающего в электролитической ячейке, в зависимости от приложенного поляризующего напряжения. В работе использовали полярограф ПУ — 1 ГОСТ 22261-76 в комплекте с лабораторным компенсационным двухкоординатным прибором типа ЛКД-4 ТУ 25-05-1625-74 и цифровым вольтметром типа Ф-203 ТУ 25-04-1696-75, осуществляющим контроль текущего значения поляризующего напряжения в процессе снятия вольтамперных кривых. Диапазоны скоростей изменения потенциала и напряжения составляли (0,5 ч- 105) мВ/с и (0 ч- 4) В соответственно. Максимальная чувствительность полярографа 1-10"10 А/мм. Комплекс аналитический вольтамперометрический СТА ТУ 4215-001-20694097-98, представляющий собой прибор настольного исполнения, состоящий из электронного блока, измерительного блока с тремя электрохимическими ячейками и IBM-совместимого персонального компьютера с установленным пакетом программ "СТА".

Также для исследования механизмов электродных процессов использовали анализатор ВАМ - одноканальный вариант анализатора СТА с дополнительными возможностями в виде циклической развертки потенциала, дифференциально - импульсного режима съемки вольтамперограмм и возможностью выдачи результатов в виде текстовых файлов с целью последующей обработки результатов при помощи программ Microsoft Excel, Golden Software Grapher и др. В работе на вольтампрометрическом анализаторе использовали трехэлектродную схему измерений. В работе применялись самые разнообразные индикаторные электроды. Выбор их зависел от поставленной задачи, определяемого вещества, его концентрации, электролита. Индикаторными электродами служили ртутно - пленочный, графитовый и стеклоуглеродный электроды. Ртутно-пленочный электрод представляет собой фторопластовый стержень с запрессованной серебряной проволокой диаметром 2,0 мм и длиной 9-10 мм, площадь поверхности которой составляет около 15,0 мм2. Для исследования обратимости и механизма электровосстановления стрептомицина применяли вращающийся торцовый электрод, представляющий собой фторопластовый стержень, в который впаян серебряный диск диаметром 5,0 мм. Подготовку индикаторного электрода к работе осуществляли следующим образом. Наносили на поверхность серебра пленку ртути путем опускания рабочей части электрода в металлическую ртуть на 2 - 3 с, после этого ртуть растирали фильтровальной бумагой для равномерного распределения по поверхности серебра. Процедуру амальгамирования повторяли при появлении незаамальгамированных участков на поверхности электрода. Хранили электрод погруженным рабочей частью в бидистиллированную воду. Графитовый электрод. Характерной особенностью графита является его высокая пористость, достигающая 25-К30 % . Поры заполнены воздухом, в катодной области потенциала кислород может восстанавливаться, давая высокий остаточный ток. Указанный недостаток устраняли путем пропитки (импрегнирования) электродов различными составами под вакуумом. Состав нагревают до образования однородной массы при температуре не выше 100С. Переносят смесь в изогнутую под прямым углом пробирку, в горизонтальную часть ее помещают стержни, выточенные из спектрально чистого графита( длина 10-К5 мм, диаметр -2 мм). Откачивают воздух и сбрасывают заготовки для электродов в расплавленную смесь, систему выдерживают в вакууме в течение 6 -8 ч, поместив пробирку в глицериновую баню с температурой 110-420 С. Затем извлекают электроды, охлаждают, вставляют каждый в стеклянную или полиэтиленовую трубку, предварительно срезав торец. Боковую поверхность покрывают расплавленной смесью парафина и полиэтилена. Электрический контакт осуществляют с помощью металлической (медной, серебряной) проволочки и стандартного разъема. Стеклоуглеродный электрод представляет собой стеклоуглеродный стержень диаметром 1,5 + 2,0 мм, запрессованный во фторопластовый держатель диаметром 5 +6 мм так, чтобы длина выступающей части стержня (рабочей поверхности) стеклоуглерода составляла 8 -М2 мм. Контакт электрода с прибором осуществляли с помощью металлического токоподвода и стандартного разъема. Для подготовки электрода к работе отполировывали его алмазной пастой до зеркального блеска, обезжиривали этиловым спиртом и промывали бидистиллированной водой. Для повышения чувствительности и воспроизводимости измерений стеклоуглеродный электрод подвергали электрохимической обработке.

Для этого электрод выдерживали в электрохимической ячейке в растворе натрия гидроксида концентрации 0,1 моль/дм при потенциале (+2,0 ± 0,05) В в течение 15 - - 30 с. Электрохимическую обработку проводили по мере необходимости (при снижении воспроизводимости измерений). Электрохимически обработанный электрод хранили на воздухе. В качестве электрода сравнения использовали насыщенный хлоридсеребряный электрод. Это электрод второго рода, он состоит из серебряной проволоки (спираль), покрытой малорастворимой солью AgCl, и опущенной в раствор КС1 , точно известной концентрации. Для отделения электрода сравнения от испытуемого раствора трубочку закрывают диафрагмой из различного материала (фильтр, пористое стекло, асбестовое волокно) с небольшим сопротивлением. Потенциал ХСЭ зависит только от концентрации СГ -ионов и незначительно - от температуры. При 25 С потенциал ХСЭ равен (отн. н.в.э.): Е = 0,222 - 0,059/2 lgCcf , Хранили электрод, погрузив его в насыщенный раствор хлорида калия. Вспомогательным электродом служил платиновый. Удаление кислорода и перемешивание раствора осуществляли газообразным азотом с содержанием кислорода менее 0,001%. 4.3. Сравнительное изучение ВА-поведения микроколичеств цинка, кадмия, свинца и меди на вибрирующем и вращающемся ртутном пленочном электроде В настоящее время в России налажено производство различных вольтамперометрических анализаторов, в которых используются вращающиеся индикаторные электроды, например, АВС-1 -(«Вольта», С-Пб,), АВА- 1 («Алтей», С-Пб) или вибрирующие электроды: ТА-1, ТА-2 («Техноаналит», Томск), СТА («ИТМ», Томск). При разработке методик КХА на различных типах анализатора необходимо иметь сравнительные данные для выбора способа перемешивания раствора. В работе исследован один частный случай — широко используемый ртутно-пленочный электрод в виде амальгамированного серебряного стержня. Хотя для его конструкции оптимально использовать вибрацию, представляло интерес сравнить метрологические характеристики сигналов цинка, кадмия, свинца и меди, полученных на одном и том же электроде в режиме его вращения. Известно, что все 4 элемента определяются одновременно методом ИВ на многих фонах [31]. В работе применяли комплекс вольтамперометрический СТА (ООО «ИТМ», Томск, Госреестр №17933-98) [415], снабженный двумя стендами, позволяющими осуществлять различные способы перемешивания.

Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения органических веществ

Одним из радикальных путей повышения чувствительности определения многих органических соединений за счет фарадеевской составляющей тока является предварительное электрохимическое или адсорбционное концентрирование определяемого компонента раствора. Для контроля эффективности такого выделения подбирают индикаторный электрод, состав фонового электролита и значение потенциала электролиза. Левомицетин (хлорамфенил) является производным нитрофенола и его структурную формулу можно представить как D (-)-трео-2-Дихлорацетиламино-1 -(4-нитрофенил)пропан-1,3-диол: Впервые показана возможность использования ртутно-пленочных электродов для количественного определения антибиотиков стрептомицина и левомицетина. Левомицетин также восстанавливается на стеклоуглеродном (СУ) электроде. Использование СУ электрода обусловлено высокой химической и электрохимической устойчивостью графита, широким диапазоном рабочих потенциалов, как в водных, так и в неводных средах. На рис. 5.17 и 5.18 представлены вольтамперограммы восстановления стрептомицина и левомицетина на РП и СУ электродах. Несмотря на легкость восстановления левомицетина на СУ электроде, этот электрод оказался менее удобен в работе из-за худшей воспроизводимости аналитического сигнала, особенно при количественном определении левомицетина в пищевых продуктах. Кроме того, для получения воспроизводимых вольтамперограмм существует необходимость специальной предварительной подготовки поверхности СУЭ, включающую в себя механическую шлифовку и полировку с последующим наложением нескольких катодно-анодных циклов. В связи с этим в качестве ндикаторного электрода для определения левомицетина выбран РПЭ. С целью выбора оптимального фонового электролита использовали ряд веществ: NaOH, КОН, Na2HP04, Na3P04, NaC104 (концентрации от 0,01 до 0,1 моль/ дм3), буферные растворы Бриттона-Робинсона (рН 8,00 4-11,00), борно - щелочной Na2B407 - NaOH (рН 9,23 4- 11,02) (табл. 5.7). Все перечисленные электролиты можно использовать для количественного определения стрептомицина (рис.5.19). Однако лучшим -у фоновым электролитом является 0,01 моль/дм NaOH, на фоне которого регистрируются четко выраженные вольтамперограммы с хорошей 181 воспроизводимостью. Для количественного определения пригоден пик при Е =-(1,45 + 1,51) В. Линейная зависимость градуировочных графиков сохраняется в диапазоне концентраций стрептомицина 3,4-10"8 4-1,0-10"6 моль/дм3 (0,05 ч- 1,50 мг/дм3).

При концентрации выше 1-Ю 6 моль/дм3 наблюдали отклонение от линейности градуировочных графиков, что, по-видимому, связано с насыщением поверхности индикаторного электрода. Для количественного определения левомицетина оптимальными электролитами являются: ОД М аммоний лимоннокислый двузамещенный C6Hi407N2 (рН 4,7+ 5,1), ОД М сульфат аммония (NH SO ОД М КС1 (рис. 5.20). Кроме того, (NH SC одновременно является хорошим осадителем белковых примесей в пищевых продуктах. Линейность градуировочных графиков на указанных фонах сохраняется в диапазоне концентраций левомицетина 8,0-10"9 ч- 1,0-10"7 моль/ дм3 (2,8 4- 30,0 мкг/дм3) (табл. 5.8). Важным фактором при определении органических веществ является рН среды, который оказывает влияние не только на скорость электродного процесса, но и на его механизм. Зависимость потенциала максимума катодного пика стрептомицина от рН имеет сложный характер. Увеличение рН среды приводило к смещению потенциала в сторону более отрицательных значений, т. е. к затруднению процесса восстановления стрептомицина (рис. 5.21), что, по-видимому, связано с предшествующей протолитической реакцией депротонизации протонированных форм стрептомицина. Депротонизация может предшествовать стадии передачи электрона от электрода к молекуле деполяризатора или протекать одновременно с ней. Как известно, в водных растворах стрептомицин превращается в активные частицы и может существовать в форме заряженных трех-, двух- и одновалентных катионов (ВН33+, ВНг2+, BI-Ґ") в зависимости от рН среды. В интервале рН от 2,5 до 5,7, по-видимому, происходит распад трехосновной кислоты ВНз3+, катализируемый молекулами воды с образованием двухзарядных катионов, которые восстанавливаются при большем отрицательном значении потенциала: Точка перегиба графика зависимости Е —рН (рис. 5.21) при значениях рН от 7,2 до 9,2 соответствует равновесному процессу ионизации метиламиногруппы. При этих значениях в растворе стрептомицин существует в виде трех- и двухзарядных ионов. При рН 9,2 депротонизации подвергаются двухзарядные ионы: Потенциал восстановления также смещается в отрицательную область значений.

Очень щелочные растворы, рН которых более 9,8, затрудняют регистрацию вольтамперограмм, поэтому в качестве оптимального значения рН для количественного определения стрептомицина в водных растворах рекомендуем использовать 9,0 н- 9,5. С целью снижения предела обнаружения представляло интерес рассмотреть поведение стрептомицина в водно-органических средах, особенно это имеет значение при разработке методик количественного химического анализа пищевых продуктов. Часто использование органических сред позволяет существенно облегчить протекание процесса, а также судить о состоянии деполяризатора в растворе и механизме электродного процесса. В качестве растворителей использовали водно — органические смеси с ацетонитрилом (CH3CN) и фоновыми электролитами: хлорид ТМА (C4Hi2NCl) и гидроксид ТМА (C4H12NOH) (табл. 5.9, рис. 5.22). По-видимому, в неводных средах стрептомицин существует в незаряженной или слабозаряженной форме, поэтому потенциал пика смещается в отрицательную область, кроме того, изменение потенциала может быть обусловлено сольватацией деполяризатора молекулами апротонного растворителя и изменением вязкости среды, влияющей на скорость подачи веществ к электроду, а, следовательно, и на коэффициент диффузии. Нижняя граница определяемых содержаний зависит от режима съемки вольтамперных кривых. Регистрацию вольтамперограмм стрептомицина проводили при линейном и дифференциально-импульсном наложении потенциала. Параметры дифференциально-импульсного режима подобраны экспериментально и составляют: шаг развертки 4 мВ; амплитуда импульса 30 мВ; длительность импульса 40 мс. При таких условиях регистрируются удобные для измерения поляризационные кривые стрептомицина с четко выраженным максимумом и хорошей воспроизводимостью. На рис. 5.23 представлены зависимости величин катодного тока от концентрации стрептомицина в растворе при различных режимах съемки вольтамперограмм. Тангенс угла наклона градуировочных графиков максимален при дифференциально-импульсном и минимален при линейном режимах регистрации вольтамперограмм. Поэтому для количественного определения стрептомицина рекомендован вариант дифференциально-импульсной вольтамперометрии. Для записи вольтамперных кривых левомицетина также использовали дифференциальный режим, который позволяет регистрировать четкие воспроизводимые пики. При регистрации вольтамперограмм стрептомицина и левомицетина оптимальными являются скорости изменения потенциала соответственно 40- -50 мВ/с и 10+-25мВ/с. При более высоких скоростях чувствительность повышается, но при этом увеличивается остаточный ток. Использование меньших скоростей существенно снижает величину катодных токов стрептомицина и левомицетина.