Содержание к диссертации
Введение
1. Методы определения фосфат-ионов 9
1.1. Объект исследования - фосфат-ионы в водных средах 10
1.2. Методы определения фосфат-ионов в водных средах 12
1.2.1. Редко используемые инструментальные методы 12
1.2.2. Фотометрические методы 13
1.2.3. Хроматографические методы 24
1.2.4. Полевые методы 26
1.2.5. Тест-методы 30
2. Используемые реагенты, применяемые приборы и оборудование 42
3. Выбор цветной реакции. Критерии выбора 44
3.1. Подбор реагентов для реакции с восстановленной молибдофосфорной кислотой (МФК) 46
3.2. Свойства восстановленной МФК и молибдованадофосфорной кислоты (МВФГПК) 47
3.2.1. Подбор восстановителя для МФК. Критерии выбора 48
3.2.2. Подбор вещества для создания высокой кислотности. Критерии выбора 51
3.3. Определение фосфат-ионов в воде и почвенных вытяжках с использованием гидросульфата калия в качестве кислотного средообразователя 62
4. Разработка тест-системы для определения фосфат-ионов 66
4.1. Нанесение реагентов на силикагель. Исследование свойств россыпи 68
4.1.1. Выбор и оптимизация условий нанесения реагентов на силикагель. Критерии выбора 68
4.1.2. Изучение свойств россыпей. Гигроскопичность и выбор условий хранения 72
4.2. Исследование составов растворов и их свойств при различных соотношениях масс компонентов россыпи и объемов испытуемых жидкостей 73
4.2.1. Исследование различных составов тест-системы при изменении соотношений компонентов (россыпей) 73
4.2.2. Цветометрические характеристики тест-системы 76
5. Применение аналитической реакции для полуколичественного определения фосфат-ионов 84
5.1. Разработка колористической шкалы с привлечением массовых измерений 85
5.2. Исследование россыпи применительно к почвенным вытяжкам, сточным водам и физиологическим жидкостям 97
6. Разработка методики количественного определения фосфта-ионов в сельскохозяйственных объектах, физиологических жидкостях. Блистерная колориметрия 101
6.1. Оптические свойства восстановленной МФК в растворе использованием тест-россыпи 102
6.2. Оптимизация условий проведения блистерно-колориметрического анализа 104
6.2.1. Определяющие факторы при разработке блистерно-колориметрического анализа 105
6.2.2. Методика блистерно-колориметрического определения фосфат-ионов 109
6.3. Определение фосфат-ионов в почвенных вытяжках и физиологических жидкостях 113
6.3.1. Определение фосфат-ионов с привлечение неопытных исполнителей. Сравнение предложенной методики со стандартной 115
Выводы 117
- Методы определения фосфат-ионов в водных средах
- Свойства восстановленной МФК и молибдованадофосфорной кислоты (МВФГПК)
- Исследование составов растворов и их свойств при различных соотношениях масс компонентов россыпи и объемов испытуемых жидкостей
- Оптимизация условий проведения блистерно-колориметрического анализа
Введение к работе
Актуальность работы. Тест-методы постепенно приобретают все большее значение во всех областях химического контроля. Чаще всего тест-методы используют для предварительной оценки наличия и содержания непосредственно на месте, то есть там, где находится анализируемый объект. Тест-методы сильно способствуют удешевлению и массовому распространению химического анализа как средства рационального решения задач и проблем.
Фосфор — один из наиболее часто определяемых элементов, и потому трудно переоценить важность быстрого и простого метода экспресс-определения фосфора. Сточные воды, почвенные вытяжки, физиологические жидкости, питьевая вода, пищевые продукты, а также вода прудов, рек и озер - вот неполный список объектов для определения фосфора.
В настоящей работе предложена готовая к использованию смесь реагентов на носителе для блистерного экспресс-анализа на фосфат-ионы в водных средах. Смесь может быть использована как для блистерного полуколичественного, так и для количественного фотометрического определения фосфат-ионов в той же или другой пробе. Концентрирование различных реагентов на поверхности сорбента - перспективный и успешно зарекомендовавший себя метод получения тест-систем. В настоящей работе в качестве носителя использован силикагель. Выбор силикагеля в качестве носителя стал результатом предварительных испытаний ряда других сорбентов. Высокая сорбционная способность силикагеля, его химическая и гидролитическая устойчивость, отсутствие собственной окраски, а также относительная доступность и дешевизна явились теми критериями, которые привели к его выбору.
Однако сведения о закреплении на поверхности силикагеля химических реагентов, необходимых для определения фосфора в виде восстановленной и
невосстановленной гетерополикислот, в литературе отсутствуют.
Исследование аналитической реакции на фосфор с образованием молибдофосфорной ГПК с применением россыпей силикагелей с химическими реагентами на них, а также получение этих россыпей представляет большой практический интерес. Цель работы состояла:
В разработке полуколичественного визуального тест-метода определения фосфат-ионов в малом объеме блистерной ячейки.
В подборе сухих и легко растворимых реагентов для осуществления тест-реакции в объеме капли.
В разработке цветовой шкалы.
В применимости разработанной россыпи для количественного анализа с использованием колориметра.
Достижение поставленных целей предусматривало решение следующих задач:
Выбор условий проведения цветной реакции с образованием синей формы молибдофосфорной гетерополикислоты - подбор носителя для реагентов, подбор сухих реагентов и их соотношений.
Изучение химико-аналитических свойств, смесей россыпей с нанесенными реагентами, кинетики реакции образования молибдофосфорной гетерополикислоты (восстановленной и невосстановленной) и условий устойчивости образующейся окраски.
Разработка цветной шкалы для тест-метода с привлечениением большого числа испытателей.
Изучение применимости россыпей для количественного фотоколориметрического определения фосфат-ионов из капельных объемов проб.
Научная новизна. В ходе работы экспериментально подтверждена возможность применения сорбированных на силикагеле реагентов для
проведения реакции образования молибдофосфорной гетерополикислоты в восстановленной и невосстановленной формах. Выявлены условия протекания аналитической реакции и условия хранения готовой россыпи. Показано, что в подобранных условиях реагенты сорбируются силикагелем, что предотвращает их преждевременное взаимодействие и способствует длительному хранению россыпи в состоянии стартовой готовности. Впервые изучена возможность применения "сухой" россыпи с использованием силикагеля для полуколичественного и количественного определения фосфора.
Предложен новый способ, а также оптимизированы условия изготовления химически модифицированного различными реагентами силикагеля. Установлено, что с поверхности силикагеля десорбирутся строго определенные количества реагентов. Растворы над поверхностью россыпей окрашиваются, что дает возможность исследовать оптическую плотность этих растворов для количественного определения фосфора.
Практическое значение работы. Проведена оценка аналитических возможностей нового блистерного визуально-капельного тест-метода определения фосфат-ионов в водных средах. Разработана и апробирована методика блистерного полуколичественного определения фосфора в виде фосфат-ионов. Апробация способа осуществлена на почвенных вытяжках, природных водах различного происхождения, пищевых продуктах, биологических жидкостях и водных растворах. Разработан способ построения колористической шкалы, который может быть применен при разработке других тест-систем. Погрешность разработанного способа изучена с привлечением более чем четырехсот испытателей, что позволило получить большой статистический материал по результатам, полученным с помощью данного метода.
Впервые предложен блистерно-колориметрический количественный метод определения фосфат-ионов из капельно малых (3 капли из глазной пипетки) объемов анализируемого раствора.
Положения, выносимые на защиту:
Химико-аналитические свойства тест-россыпей для визуального определения фосфат-ионов в блистерных ячейках.
Результаты испытаний визуально-колориметричесского экспресс-метода определения фосфат-ионов в малых объемах блистерных ячеек.
Способы получения тест-россыпей различных составов.
Методика построения и корреляции колористической шкалы для полуколичественного определения фосфат-ионов.
Свойства цветной колористической шкалы сравнения для определения содержания фосфат-ионов.
Методика количественного экспресс-метода определения фосфат-ионов из блистерно-малых объемов исследуемого раствора (блистерная колориметрия).
Апробация работы. Результаты работы доложены на V Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2003» (СПб, 2003); XVII Международной научно-технической конференции «Реактив 2004» (Уфа, 2004); Научной конференции молодых ученых и специалистов Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева (Москва, 2004); II Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (СПб, 2005); Международной научной конференции, посвященной 140-летию РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. (Москва, 2005). Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
Князев Д.А., Жевнеров А.В., Зайцев O.K., Шафаревич С.А., Маринов A.M. Методика построения градуировочной шкалы для визуального экспресс-анализа на фосфат-ион. // Изв.ТСХА Вып.1. 2004. С. 141-146.
Князев Д.А., Иванов В.М., Золотов Ю.А., Жевнеров А.В., Князев В.Д., Дайдакова И.В., Маркина В.М. Количественные колориметрические окончания блистерных экспресс-анализов из микропроб (нитрат-,
нитрит- и фосфат-анионы). / Тез. докл. II Всерос. конф. «Аналитические приборы». СПб.: СПбГУ, 2005. С.80-81.
Князев Д.А., Иванов В.М., Золотое Ю.А., Жевнеров А.В., Шафаревич С.А., Князев В.Д. Блистерный капельно-визуальный экспресс-тест на фосфат-ион. / Тез. докладов V Всеросс. конф. По анализу объектов окружающей среды. «Экоаналитика-2003». СПб.: СПбГУ, 2003. С.225.
Князев Д.А., Иванов В.М., Золотов Ю.А., Жевнеров А.В., Князев В.Д.. Дайдакова И.В. / Реагентная смесь на фосфат-ион для колориметрического и визуально-блистерного экспресс-анализа. / Тез. докладов XVII Международной научно-технической конф. «Реактив 2004». Т. 1. - Уфа: Государственное издательство научно-технической литературы «Реактив», 2004. С.24-25.
Князев Д.А., Жевнеров А.В., Иванов В.М., Князев В.Д. Блистерно-колориметрическое определение фосфат-ионов в воде, сельскохозяйственных объектах и биологических жидкостях. // Журн. аналит. химии. 2006 (в печати).
Князев Д.А., Жевнеров А.В., Иванов В.М., Князев В.Д. Построение и коррекция градуировочной шкалы для визуального полуколичественного экспресс-определения фосфат-ионов в сельскохозяйственных объектах. // Журн. аналит. химии. 2006 г (в печати).
Князев Д.А., Жевнеров А.В., Иванов В.М., В.Д. Князев. Определение фосфат-ионов в воде и сельскохозяйственных объектах с использованием тест-реагентной россыпи // Докл. ТСХА. Вып. 2006 (в печати).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав экспериментальной части, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 27 рис. и 20 табл. Список литературы содержит 168 работ.
Выражаю конкретную благодарность своему научному руководителю — д.х.н., проф. Д.А. Князеву и консультанту - д.х.н., проф. В.М. Иванову.
Методы определения фосфат-ионов в водных средах
Атомно-абсорбционным методом (ААС) определяют элементы, резонансные линии которых лежат в далеком ультрафиолете (углерод, фосфор, галогены и др.) [23]. Однако для определения фосфора методом ААС требуется очень трудоемкая подготовка к анализу, и использование дорогостоящих реактивов (соль лантана). Необходимость растворения пробы также можно рассматривать как недостаток, поскольку эта операция удлиняет анализ. Практикуются определения фосфатного фосфора на уровне десятых и сотых долей мкг/л после превращения его в молибдофосфорную кислоту. Определение методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой основано на определении количества фосфора, связанного в комплексное соединение молибдена [24]. Метод позволяет определять фосфор на уровне нг/л. Рентгено-флуоресцентный анализ перспективен для определения микроэлементов; требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, однако отличается универсальностью (возможность определения элементов от Mg до U), высокой точностью (погрешность « 1%), экспрессностью, позволяет анализировать образцы без разрушения. Так, предложена методика рентгеноспектрального определения фосфат-, арсенат-, силикат- и сульфат-ионов в водах с предварительным сорбционным концентрированием на волокне-ионообменнике [25]. В предложенной методике проанализировано три типа воды: морская, минерализованная и сбросовая (ТЭС). Содержание фосфора в сбросовой воде: 0,36±0,06 мг/л (n=4, Р=0,95), sT =0,19. Нижняя граница определяемых содержаний — 10 мкг в пересчете на фосфор. Вольтамперометрией также определяют содержание фосфат-ионов в водных средах. В работе [26] описан вольтамперометрический метод определения РО4 " ионов, основанный на регистрации вольтамперных кривых при линейной развертке потенциала в сильно кислом смешанном водно-ацетоновым растворе. Градуировочный график в координатах плотность анодного тока пика при потенциале пика - концентрация фосфат-ионов линеен в диапазоне от 10" до 1,510" М. В основе наиболее простых в исполнении и потому распространенных фотометрических и спектрофотометрических методов определения фосфора лежит реакция образования окрашенной желтой [27-29] или восстановленной синей форм гетерополикислот [29-34]. Появление желтого осадка происходит на холоду [27] в присутствии концентрированной азотной кислоты.
Эту реакцию применяют для количественного определения фосфора при больших концентрациях или для качественного анализа. Ионы [РМ012О402] и [РМ012О403] представляют собой глобулярный ион, который построен из октаэдров МоОб, соединенных вершинами и ребрами. В центре ионов имеется тетраэдрическая пустота, занятая атомами фосфора (рис.1) [35]. Молибденсодержащие ГПК часто претерпевают изомеризацию а- р. Отличие Р-изомера от а- в том, что одна группа МозОп повернута на 60. Образование форм в растворе зависит от соотношения [Ґ]/[Мо] [33]. ос-форма доминирует при [Н+]/[Мо] 1,5, Р-форма при [Н+]/[Мо] 1,5. р-форма неустойчива в водном растворе и необратимо переходит в сс-форму. В присутствии избытка молибдат-ионов превращение Р-формы в а-форму замедляется, при этом ускоряющее действие повышенной температуры и посторонних электролитов ослабляется. Обе формы окрашены в желтый цвет, однако светопоглощение а-формы меньше, чем Р-формы в видимой области спектра [35,36]. Поэтому Р-форму обычно чаще используют в аналитической практике, хотя а-форма более устойчива [37]. Протонирование восстановленных а- и Р-изомеров гетерополикислот приводит к различным изменениям в их электронных спектрах поглощения [37], а именно депротонирование сопровождается батохромным смещением максимума поглощения от 810 нм в сильнокислом растворе (2,5 М) до 930 нм при рН 7,0. При использовании различных восстановителей образуются восстановленные формы, отличающиеся по составу, что подтверждается их различающимися спектральными характеристиками: Восстановители: SnCI2 - 740нм, аскорбиновая кислота - 825 нм, гидразин сернокислый -825 нм, 1-амино-2-нафтол-4- сульфокислота - 825 нм. Кроме того, существует различие и в обратимости процесса при использовании различных восстановителей. Показано [34,38], что при использовании таких восстановителей, как аскорбиновая кислота, гидразинсульфат, эйкоген имеет место обратимое присоединение электронов. Для повышения чувствительности фотометрических определений используют экстракционно-фотометрические методы, позволяющие сконцентрировать окрашенные продукты реакции в небольшом объеме органического растворителя [39] и фотометрировать непосредственно экстракт. Для повышения чувствительности предложено [40] концентрирование фосфат-ионов на целлюлозных фильтрах в виде гидрофобных ионных ассоциатов гетерополикислот с последующим определением фосфора различными методами. Для определения фосфат-ионов используют реакцию образования молибдофосфорной гетерополикислоты и последующего ее восстановления до молибденовой сини [41]: Для спектрофотометрического определения фосфора, основанного на реакции образования сини, предложены различные методики [40-45]. Все эти методики дают хорошую воспроизводимость и позволяют определять фосфор на уровне до 0,001 мг/л в пересчете на Р2О5.
Предложена методика определения малых количеств фосфора [46] в насыщенных растворах трудно растворимых соединений [34]. Применяют проточно-инжекционное экстракционно-фотометрическое определение микроколичеств фосфат-ионов [47], сорбционно-спектроскопическое определение фосфатов [48]. Измерительное устройство фотометрического прибора имеет постоянную погрешность 5 в величине коэффициента пропускания Т во всем интервале его значений [49]. Относительная погрешность 8 будет уменьшаться с ростом концентрации и возрастать с ростом абсолютной погрешности 8. Кюветы с толщиной большей, чем 5 см для фотометрии не применялись ввиду потерь, связанных с рассеиванием света. Международный стандарт (ИСО 6878) [50] устанавливает спектроскопические методы определения соединений фосфора, содержащихся в грунтовых, поверхностных и сточных водах в различных концентрациях, как в растворенном, так и в нерастворенном состоянии. Сущность метода заключается во взаимодействии ортофосфат-ионов с раствором кислоты, содержащей молибдат-ионы и ионы сурьмы, до образования молибдофосфорной гетерополикислоты. Затем проводят восстановление кислоты аскорбиновой кислотой до образования сильно окрашенного комплекса молибденовой синей. Определение ортофосфат-ионов проводят фотометрически. Методы анализа применимы для всех типов воды, включая морскую и сточные воды. Содержание фосфора в концентрации от 0,005 до 0,8 мг/л (в виде Р) можно определить в таких пробах без разбавления. С помощью экстракции можно определять низкие концентрации фосфора - около 0,0005 мг/л. Мешающие влияния: Двуокись кремния. Концентрации до 5 мг/л двуокиси кремния в пересчете на кремний не создают помех. Более высокие концентрации вызывают увеличение поглощающей способности. Арсенат. Арсенат образует окрашивание, похожее на окрашивание, образуемое ортофосфатом. Данное влияние может быть устранено восстановлением арсената до арсенита тиосульфатом натрия. Сероводород. Концентрация сульфидов в пробе до 2 мг/л допускается. При более высоких концентрациях сульфиды восстанавливают до допустимого уровня путем пропускания газообразного азота через подкисленную пробу (подкисление проводят, как при определении гидролизованного фосфата [51]). Фтор. Допускается концентрация фтора до 70 мг/л. Концентрации выше 200 мг/л препятствуют образованию окрашивания. Нитрит. Если концентрация нитрита (в пересчете на азот) превышает 3,29 мг/л, раствор может обесцветиться.
Свойства восстановленной МФК и молибдованадофосфорной кислоты (МВФГПК)
В большинстве существующих методов фосфат-ионы определяют в виде молибдофосфорной кислоты и молибдованадофосфорной кислоты. Состав и строение гетерополикислот в настоящее время подробно изучены. В литературе описывается поведение их в водных и неводных растворах, механизм экстракции. На стадии предварительных испытаний мы исследовали реакцию образования молибдофосфорной гетерополикислоты (МФ ГПК) и молибдованадофосфорной гетерополикислоты (МВФ ГПК). Метод определения фосфат-ионов в виде МВФ ГПК основан на переведении фосфат-ионов в В образующейся гетерополикислоте мольное соотношение P:V:Mo равно 1:1:11. Оптимальная кислотность 0,5-1,0 М HNO3. Важным преимуществом по сравнению с широко используемым методом определения фосфат-ионов в виде МФ ГПК является достаточная прочность и устойчивость в широком диапазоне кислотности и постоянство интенсивности окраски в течение длительного времени. Однако при попытке составить россыпь на силикагеле возникали проблемы с одновременностью количественного перехода всех реагентов в раствор. Это обстоятельство сказывалось на воспроизводимости результатов определения. Точно так же оказалась затруднена разработка цветной шкалы для тест-метода. Желтый цвет имеет меньше визуально различимых оттенков, чем синий. По этим соображениям мы остановили выбор на методике образования МФ ГПК. Установлено, что в зависимости от природы восстановителя получаются различные продукты. Данными спектрофотометрических, полярографических и потенциометрических методов в работе [37] были отмечены различия в характере и поведении различных видов получаемых «синей». Это объяснялось неодинаковой степенью восстановления гетерополианиона восстановителями [47]. Синие продукты разбиты на два типа: - «сини», полученные действием восстановителей - метола, эйкогена, аскорбиновой кислоты, гидразинсульфата и молибденилхлорида, характер которых не зависит от концентрации восстановителя и времени существования продукта восстановления. - «сини», полученные действием солей олова(П), спектры поглощения которых зависят от концентрации восстановителя. 3.2.1. Подбор восстановителя для МФК. Критерии выбора Восстановление молибдофосфорной гетерополикислоты способствует значительному снижению определяемых концентраций фосфат-ионов [165]. Вместе с тем этот процесс требует соблюдения определенных условий, отступление от которых ухудшает воспроизводимость результатов. Даже разные мерные приборы, используемые для приготовления растворов, а также разные партии реактивов могут существенно влиять на кинетику образования восстановленной МФК. Необходимость приготовления градуировочных растворов каждый раз непосредственно перед проведением анализа усложняет методику определения.
При выборе восстановителя мы руководствовались несколькими критериями: устойчивость в кристаллическом состоянии и в виде растворов различных концентраций. Вещество не должно быть токсичным. Оно должно быстро и количественно растворяться в воде. Растворы не должны иметь собственной окраски и должны сочетаться с другими компонентами россыпи. рН этих растворов должны быть в пределах кислотного режима реакции образования МФК. Восстановлением молибдофосфорной кислоты получают интенсивно окрашенную синь. Использование такой формы позволяет разрабатывать высокочуствительные методики определения фосфат-ионов в растворах. Восстановление следует проводить в мягких условиях, для предотвращения восстановления присутствующих в растворе свободных молибдат-ионов. Среди многих используемых реагентов-восстановителей мы ограничивали свой выбор лишь на доступных и нетоксичных веществах. Так, в качестве восстановителя МФК бензидин ЇН2СбН5-СбН5-NH2 было решено не использовать ввиду его токсичности. Бензидин и промежуточные продукты, образующиеся при его производстве, -канцерогенные вещества (вызывают опухоль мочевого пузыря). По этой же причине непригоден для использования и гидразин. Гидразин — сильный восстановитель. Его стандартный потенциал Е = -1,16 В. Но и гидразин и его водные растворы сильно ядовиты и раздражают слизистую оболочку, глаза и дыхательные пути, поражают нервную систему и печень. Смертельная концентрация 1-2 мг/л. В ходе предварительных экспериментов была испытана соль Мора (NH4)2Fe(S04)2 I2H2O. Это вещество нетоксично. Легко растворяется в воде при комнатной температуре и негигроскопично. Однако растворы (NH4)2Fe(S04)2 нестабильны. Для сохранения восстановительных свойств требуется вводить в раствор значительное количество концентрированной H2SO4. Это обстоятельство снижает пригодность соли Мора как восстановителя. Нами были рассмотрены свойства россыпей с силикагелем с различными содержаниями (NH Fe C . Оказалось, что при насыщении силикагеля марки Chemapol Li 00/400 с зернением сорбента 0,037 - 0,140 мм, удельной поверхностью 100 м /г при комнатной температуре содержание (NH4)2Fe(S04)2 в силикагеле оказывается недостаточным для проведения анализа, а при проведении насыщения при повышенных температурах значительная часть ионов Fe2+ переходит в Fe3+. Оптическую плотность растворов с использованием соли Мора в качестве восстановителя контролировали через различные промежутки времени для различных масс россыпи с (NH4)2Fe(S04)2-Измерения проводили при ширине кюветы 2 см и длине волны 740 нм. ( п=3, Р=0.95), (ші=25 На основании вышеприведенных данных можно сделать вывод о непригодности соли Мора в качестве восстановителя с использованием ее в виде россыпи на силикагеле.
Это может быть связано либо с окислением Fe2+ до Fe3+ (Е = -0,440 В) на стадии перевода соли на поверхность силикагеля либо с медленной десорбцией соли из порового пространства в раствор. Кроме того, растворы соли Мора имеют незначительную окраску, что в случае малых концентраций фосфат-ионов и избытка соли может привести к завышению определяемых содержаний. При использовании различных восстановителей образуются восстановленные формы, отличающиеся по составу и оптическим характеристикам. При использовании аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя имеет место обратимое присоединение электронов [37]. Хорошие результаты дала реакция восстановления МФК с аскорбиновой кислотой в присутствии антимонилтартрата калия АТК. В ходе экспериментов были подобраны оптимальные условия нанесения аскорбиновой кислоты на силикагель ввиду ее неустойчивости при повышенных температурах. В случае же восстановления солями Sn(II) процесс необратим, что объясняется нарушением структуры исходного гетерополианиона ввиду образования соединения PMojoSn. Кроме того, раствор SnCb готовят с применением соляной кислоты, что затрудняет количественный переход из носителя при составлении тест-россыпи. Интенсивность окраски молибдофосфорной сини зависит от реагента, применяемого для создания кислой среды. В зависимости от кислотности водной фазы и концентрации входящих в структуру гетерополианиона (ГПА) элементов промежуточные продукты реакции в одних и тех же условиях могут быть различными. Так, в диапазоне рН от 1,5 до 0,45 образование 12-молибдосиликата происходит через стадию формирования ненасыщенного комплекса с соотношением Р:Мо=1:9. В интервале рН от 6,0 до 1,5 образование [РМ012О40]4 осуществляется взаимодействием НМо602і5" с фосфат-ионами [30]. Образование форм в растворе зависит от соотношения [ЬҐ]/[Мо] [31,33]. а-форма доминирует при [Н+]/[Мо] 1,5, Р-форма при [Н+]/[Мо] 1,5. Р-форма неустойчива в водном растворе и необратимо переходит в а-форму. МФК образуется в умеренно кислых растворах (рН 1,5-4,0). В сильно кислых растворах происходит кислотный гидролиз.
Исследование составов растворов и их свойств при различных соотношениях масс компонентов россыпи и объемов испытуемых жидкостей
Человеческое зрение чувствительно к небольшой абсолютной интенсивности света и чувствительно к оттенкам. Визуально можно не только сравнить два излучения, но и определить, какое из них интенсивнее. Сегодня методы определения цвета с применением компьютерных программ расчета находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, в пищевой. В аналитической химии этот метод применяется там, где аналитический сигнал может быть связан с # цветом определяемого соединения. Здесь, прежде всего, имеются в виду различные химические тест-методы анализа. При составлении различных вариантов мы руководствовались в первую очередь созданием россыпи, способной сочетать в себе физические свойства (содержание всех компонентов в стехиометрических соотношениях, способность к длительному хранению) и аналитические — соответствие определяемой концентрации фосфат-ионов и оттенка цвета на колористической шкале. Первоначально исследовали россыпи, содержащие парные реагенты. Так, исследовали составы (табл. 10). В ходе экспериментов было выявлено, что наилучшим вариантам россыпи является серия Р 3-12 и Р 12-14. Однако совмещение всех компонентов в одной россыпи приводило к развитию окраски раствора при отсутствии фосфат-ионов. Это происходило либо в течение нескольких минут после добавления испытуемого раствора, либо через несколько суток в сухой россыпи. Исследовали россыпи, составленные из индивидуальных компонентов. Каждый компонент универсальной силикагельной россыпи включал только один реагент, что позволяло полностью избежать нежелательного взаимодействия этих реагентов до начала аналитической реакции. Таким образом, была предпринята попытка изолировать каждый компонент в отдельной россыпи и, в то же время, контролировать дозирование компонентов при создании тест-системы для полуколичественного визуального тестирования и для количественного определения содержания фосфат-ионов в растворе. 4.2.2. Цветометрические характеристики тест- системы При определении фосфат-ионов более предпочтителен спектрофотометрический метод с применением восстановленной МФК. Однако исследования по созданию новых, более чувствительных, селективных, экспрессных методов определения фосфора и сегодня остаются одной из актуальных и сложных задач в аналитической химии.
Исследования цветометрических характеристик предложенного метода представляют тем больший интерес в связи с разработкой количественного метода определения фосфат-ионов. В основу количественной меры цвета положены три основных цвета: красный (R), зеленый (G) и синий (В), при сложении которых в определенном соотношении можно получить заданный цвет [166]. Переход из системы основных цветов RGB в систему XYZ осуществляют по следующим соотношениям: YG YB, ZRi ZG и ZB - координаты основных цветов международной цветовой системы в координатном пространстве RGB. Помимо координат X,Y,Z часто используют цветовой тон Т (А) и чистоту цвета Р, однозначно определяющие цветность излучения. Чистота цвета показывает, в каких соотношениях смешаны монохроматический и белый цвета. Чистота монохроматического излучения равна единице, а белого - нулю. Цветометрические характеристики тест-системы представляют интерес в плане расширения возможностей определения фосфат-ионов с использованием цветометрических функций. К этим функциям относятся координаты цвета. Известно, что использование цветометрических функций способствует повышению чувствительности по сравнению с фотометрическим методом и даже увеличению селективности реакции [69]. Это обстоятельство связано с тем, что цветометрические функции изменяются в более широких пределах, чем оптические плотности и коэффициенты диффузного отражения. В этой связи мы определили цветометрические функции восстановленной формы молибдофосфорной гетерополикислоты, которая образуется в растворе над россыпью. Эти функции определяли в оптимальных условиях фотометрического определения фосфат-ионов — в области линейности градуировочных графиков (от 0,5 до 80 мг/л в 2 мл раствора). В качестве рабочих использовали такие же растворы, что и при построении градуировочных графиков. В визуальной колориметрии используют различные методы исследований. В методе стандартных серий готовят серию растворов, содержащих исследуемое вещество в возрастающей концентрации. Помещают в пробирки одинакового диаметра. Исследуемый раствор наливают в пробирку такого же диаметра и сравнивают его окраску с окраской серии стандартов. Исследуемая концентрация равна концентрации того стандартного раствора, окраска которого совпадает с окраской исследуемого. В методе колориметрического титрования интенсивность окраски отмеренного объема анализируемого раствора сравнивают с окраской того же объема воды, к которому из бюретки приливают эталонный окрашенный раствор до уравнивания окраски в обоих сосудах. Этот метод не требует строгого соблюдения закона Бера, однако его применение возможно для таких колориметрических реакций, при которых изменение окраски происходит мгновенно. Применяют также метод уравнивания, при котором толщина наблюдаемых слоев растворов при одинаковых интесивностях окраски обратно пропорциональна их концентрации. Однако все эти методы имеют ряд недостатков по сравнению с предлагаемым — блистерно-колориметрическим. В предлагаемом методе в качестве реакционного сосуда используют блистерную ячейку и колористическую шкалу.
При этом исключается главная проблема воспроизведения измерений - отсутствие многочисленных подготовительных стадий. Необходимо лишь вскрыть ячейку, прибавить 3 капли исследуемого раствора и через 3-5 мин сравнить образующуюся окраску раствора с оттенком на колористической шкале. В отличие от визуального таблетно-колориметрического экспресс-определения нитрат- иона, где цветная шкала изменяет свой цвет в широком диапазоне, а именно от зеленовато-жёлтого при минимальных концентрациях до цвета спелой вишни при максимальных [164], шкала для фосфат-ионов имеет очень слабую зависимость цвета пробы от концентрации. Минимальные концентрации фосфат-ионов обладают слабо выраженными серовато-голубыми окрасками, а максимальные дают густой синий с чёрным отливом цвет. Это сильно снижает дифференцирующую способность визуального тестирования и увеличивает относительную погрешность таких определений. Сильно затруднённым оказалось и само построение цветной шкалы для фосфат-ионов и последующие операции по приданию ей и надлежащей чувствительности, и достаточной дифференцирующей способности для визуального тестировании. Это потребовало изменения методики всей работы по созданию шкалы. Поскольку методика создания цветных шкал для визуального таблетно-колориметрического экспресс-анализа в литературе вообще не описана, для простоты последующего изложения изложим сначала более простой вариант, пригодный в случае сильного изменения цвета проб при росте концентраций. В капельно-таблетном способе экспресс-анализа для проведения тест-реакции используют объём блистерной ячейки. Она же служит для визуальной оценки содержания определяемого компонента. При этом наблюдаемый спектр одновременно обладает чертами и спектра отражения, и спектра пропускания. Изменение концентрации определяемого компонента изменяет прозрачность окрашенной капли в ячейке, то есть количественная пропорция между двумя потоками света разной природы по этой причине непостоянна. В результате существенно затрудняется разработка непрозрачной цветной шкалы.
Оптимизация условий проведения блистерно-колориметрического анализа
Исходили из следующих предпосылок. Помещение тест-россыпи в герметизируемую пробирку или ампулу позволяет сохранять реагент длительное время. После вскрытия пробирки реагент готов к использованию. Количественное определение фосфат-ионов следует проводить при минимальном объеме исследуемого раствора, но достаточном для заполнения кюветы необходимой длины. Россыпь должна содержать все необходимые компоненты и полностью сохранять все аналитические свойства длительное время, поэтому необходимо предотвратить взаимодействие компонентов россыпи до основной реакции. Россыпи как форма, содержащая все необходимые реагенты, имеют ряд достоинств, что обусловливает их применение для изготовления тест-систем. Они представляют готовую к применению форму, действие россыпи начинается сразу после добавления испытуемого раствора, россыпи могут длительное время храниться при соблюдении условий хранения, содержат действующие вещества в строго дозированном количестве, что упрощает работу с ними и увеличивает безопасность при использовании людьми недостаточной квалификации. Изменение массы россыпи позволяет (в случае необходимости) изменить количество действующего вещества. Последнее свойство позволяет изменять объемы анализируемых жидкостей. Использовали реакцию образования восстановленной МФК с применением аскорбиновой кислоты с антимонилтартратом калия в качестве восстановителей и гидросульфата калия в качестве средообразующего компонента с добавлением винной кислоты для устранения образования черни. Поскольку модифицированный вариант исключает канцерогенные и агрессивные вещества, может быть выполнен при комнатной температуре, при одной постоянной кислотности раствора, мы остановились на нем. Носители для выполнения реакции. Учитывая ранее проводимые исследования [9,13], в качестве носителя для проведения аналитической реакции наилучшим оказался силикагель марки Chemapol L100/400. Этот сорбент оптимален во многих отношениях. Во-первых, отсутствие собственной окраски, во-вторых, быстрое оседание после взмучивания и, наконец, химическая инертность. Зернение сорбента 0,037 - 0,140 мм, удельная поверхность 100 м /г, кислотность водной вытяжки рН 6-7. негигроскопичность, нетоксичность, сыпучесть делают силикагель перспективным при изготовлении россыпи.
Раствор над поверхностью россыпи легко доступен для исследования. Выбор восстановителя для ФМК. Исследованы бензидин, хлорид олова(П), соль Мора и аскорбиновая кислота в присутствии антимонилтартрата калия. Выявлено, что SnCb в качестве восстановителя МФК в наших условиях непригоден. Он малорастворим в воде и поэтому не может быть количественно переведен с поверхности силикагеля в ф реакционный раствор. Кроме того, реакция с использованием SnCb имеет низкую воспроизводимость. В ходе реакции образуется муть. Бензидин подходит в качестве восстановителя, однако ввиду его высокой токсичности он не может быть использован в нашем случае, как не отвечающий вышеизложенным требованиям. Соль Мора содержит ионы Fe ,что вызывало проблемы, связанные с окислением до Fe3+ и образованием сини в отсутствие фосфора (изополикомплекс). Это сильно влияло на воспроизводимость и нижнюю границу определяемых концентраций. Хорошие результаты дала реакция восстановления МФК с аскорбиновой кислотой в присутствии антимонилтартрата калия (АТК). В ходе экспериментов были подобраны оптимальные условия нанесения аскорбиновой кислоты на силикагель ввиду ее неустойчивости при повышенных температурах. Влияние рН. Реакция образования и восстановления МФК хорошо изучена. Однако условия протекания этой реакции на поверхности силикагеля в литературе отсутствуют. Изучали изменение оптической плотности растворов при разбавлении до 2 мл после протекания реакции в объеме 5 капель при различных рН. Измеряли оптические плотности растворов с различной концентрацией фосфат-ионов при начальном рН (рН 1), при рН 2 и рН 3 (добавляли H2SO4). Результаты приведены на рис. 25. Из рис. 25 видно, что при увеличении кислотности зависимость оптической плотности от концентрации не имеет четкой линейной области. Следовательно, при разбавлении растворов из блистерных объемов лишь уменьшается интенсивность окраски, образовавшейся в ходе реакции в объеме 5 капель. Это позволяет говорить о полноте протекания реакции в начальной (блистерной) стадии и отсутствии необходимости добавления кислоты для компенсации рН при разбавлении. Состав россыпи определяется верхней и нижней границами определяемых - содержаний фосфатов. Учитывая необходимость снижения определяемых концентраций, состав россыпи подбирали таким образом, чтобы максимально снизить предел обнаружения. Диапазон определяемых концентраций зависит от содержания в россыпях основных компонентов — молибдата аммония, гидросульфата калия, винной кислоты, антимонилтартрата калия и аскорбиновой кислоты. Все эти компоненты предварительно наносили на силикагель. Исходя из состава каждой россыпи, составляли необходимое соотношение реагентов в тест-россыпи. Гомогенизация россыпи также являлась задачей исследования, так как зерна силикагеля имеют разные размеры и, следовательно, содержат разные количества реактивов.
Измельчение готовой россыпи растиранием в ступке приводит к негативным последствиям - россыпь плохо дозируется и темнеет. Перемешивают отмеренные компоненты россыпи при общей массе не менее 500 мг. Оптимизация времени выдержки растворов после разбавления для переноса в подходящую кювету для фотометрирования. Окраска, развившаяся в ходе реакции в объеме 5 капель, устойчива несколько часов. Для количественного определения определяли промежуток времени, перед фотометрированием растворов. На рис. 26 представлена зависимость изменения оптической плотности от времени экспозиции растворов: Построение градуировочного графика Уравнения градуировочных графиков имеют вид: А = 0.010с + 0,06 (1) А = 0.016с + 0,08 (2) А = 0.030с + 0,10 (3) А = 0,028с + 0,12 (4), где 1- сразу после разбавления, 2,3,4 - через 5,10 и 30 мин. после разбавления соответственно. Чувствительность определения увеличивается в ряду: 2 1 4 3. Следовательно, следует фотометрировать растворы через 10 мин после разбавления. Градуировочные графики строили с учетом измерений для 7 параллельных опытов, выполненных специалистами (табл. 18) и неопытными исполнителями (табл .19) (см. приложения). Уравнения градуировочного графика имеют вид: А = 0,038с + 0,067 и А = 0,036с + 0,029 для двух категорий исполнителей соответственно. Оптическую плотность измеряли на КФК-2 в кювете 0,5 см при 740 нм. В градуированную пробирку емк. 2 мл с россыпью реагентов массой 100 мг помещали 4 капли (0,10+0,01 мл) раствора КН2РО4 определенной концентрации, объем исследуемой пробы доводили до 2 мл бидистиллятом, оптическую плотность измеряли через 15 мин. Нами был предложен блистерно-колориметрический вариант определения фосфат-ионов в блистерной ячейке, содержащей смесь сухих реагентов в ф виде россыпи. Вариант позволяет количественно определять фосфор в различных объектах без приготовления растворов реагентов, используя россыпь, упакованную в ампулу или блистер. После вскрытия ампулы или блистерной ячейки и добавления нескольких капель испытуемой жидкости развивается окраска, интенсивность которой пропорциональна концентрации фосфат-ионов в растворе. Далее раствор разбавляют водой до 2 мл и фотометрируют. Разработаны состав россыпи и методика количественного определения фосфат-ионов, включающие образование и восстановление молибдофосфорной кислоты и вспомогательные реагенты.
