Лекция 1: ПРОЦЕСС ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Аннотация. В лекции рассматривается классификация физико-химических методов исследования и основные этапы процесса физико-химического исследования: пробоотбор, пробоподготовка, измерение, обработка результатов, составление отчета. Приведены требования, которые должны соблюдаться на каждом из этапов исследования для получения достоверных данных.

Ключевые слова: элементный анализ, вещественный анализ, структурный анализ, качественный анализ, количественный анализ, аналитический сигнал, валовый анализ, локальный анализ, проба аналитическая, проба представительная, пробоотбор, пробоподготовка, концентрирование, экстракция, ионный обмен.

Рассматриваемые вопросы:

1 вопрос. Классификация физико-химических методов исследования.

2 вопрос. Пробоотбор.

3 вопрос. Пробоподготовка.

4 вопрос. Разделение и концентрирование.

5 вопрос. Измерение (определение), обработка данных, выводы и отчет.

Модульная единица 1. Процесс физико-химического исследования.

Цели и задачи изучения модульной единицы. В результате изучения данной модульной единицы студенты должны освоить классификацию методов физико-химических исследований и последовательность основных этапов процесса физико-химического исследования. В результате изучения классификации физико-химических методов исследования студенты должны научиться решать сложную задачу выбора оптимального метода. В результате изучения этапов процесса физико-химического исследования студенты должны усвоить значение каждого из этапов исследования, уделяя основное внимание способам предотвращения погрешностей.

1. Классификация физико-химических методов исследования.

   1. Физико-химические методы исследования и физико-химические методы анализа.

В настоящее время физико-химические методы исследования являются главным средством изучения состава и свойств объектов окружающей среды (воздуха, природных и сточных вод, почв, растительных и животных тканей) и сельскохозяйственных объектов. Трудно провести границу между физико-химическими методами исследования и физико-химическими методами анализа. Главная задача обеих дисциплин – всестороннее изучение свойств веществ и состоящих из них объектов. Свойства объектов определяются содержанием в них основных компонентов и примесей, а также равномерностью распределения компонентов по объему и по поверхности изучаемого объекта. Главная цель физико-химических методов анализа как раздела аналитической химии состоит в определении качественного и количественного состава объектов. Задачи физико-химических методов исследования более широкие. Однако в настоящее время в круг задач, решаемых аналитической химией включают также установление структуры твердых тел и контроль состояния окружающей среды. Тем самым границы между физико-химическими методами исследования и физико-химическими методами анализа становятся трудно определимыми: одни и те же методы могут использоваться и как методы исследования и как методы анализа.

В современных физико-химических методах исследования и анализа широко используют идеи из области физики, измерительной техники, информатики, биологии и генной инженерии.

1.1.2. Классификация физико-химических методов исследования.

Если необходимо определить, из каких химических элементов состоит объект, то речь идет об элементом анализе. Если требуется установить, из каких веществ состоит объект, то прибегают к услугам вещественного анализа. Если нужно установить структуру молекул или твердых тел, то говорят о структурном анализе. Важнейшие физико-химические методы элементного анализа, включая самые новые и перспективные, представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Методы элементного анализа

1. Рентгеноспектральный анализ (рентгено-флуоресцентный)

2. Нейтронно-активационный анализ (радиоактивационный анализ)

3. Оже-спектрометрия (англ. Auger electron spectroscopy)

4. Аналитическая атомная спектрометрия — совокупность методов, основанных на преобразовании анализируемых проб в состояние отдельных свободных атомов, концентрации которых затем измеряются спектроскопически (иногда сюда же относят рентгено-флуоресцентный анализ, хотя он не основан на атомизации пробы и не связан со спектроскопией атомного пара):

а)масс-спектрометрия с регистрацией масс атомарных ионов:

• масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой;

• ЛА-ИСП-МС — масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией;

• лазерно-искровая масс-спектрометрия; см. лазерная абляция (пример коммерческой реализации: ЛАМАС-10М);

• масс-спектрометрия вторичных ионов(SIMS);

• термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS);

• Высокоэнергетическая масс-спектрометрия на ускорителях частиц (AMS)

б) атомно-абсорбционная спектрометрия:

• атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической атомизацией;

• спектроскопия времени затухания резонатора (CRDS);

• внутрирезонаторная лазерная спектроскопия

в) атомно-эмиссионная спектрометрия:

• искра и дуга как источники излучения;

• атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой ;

• лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия(LIBS или LIPS);

г) атомно-флуоресцентная спектрометрия:

• атомно-флуоресцентная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (приборы фирмы Baird);

• лазерная атомно-флуоресцентная спектрометрия;

• атомно-флюоресцентная спектрометрия на лампах с полым катодом (пример коммерческой реализации: AI3200);

д) атомно-ионизационная спектрометрия:

• лазерная атомно-ионизационная спектроскопия (англ. Laser Enhanced Ionization, LEI);

• лазерная резонансно-ионизационная масс-спектрометрия;

• оптогальваника (лазерная оптогальваническая спектроскопия).

При определении элементного и вещественного состава образца задача может заключаться в определении природы содержащихся в нем компонентов, т.е. в установлении того, какие компоненты входят в состав образца. В этом случае говорят о качественном анализе. Если же нужно определить не только какие компоненты входят в состав образца, но и их количество, то прибегают к услугам количественного анализа. Следует заметить, что в настоящее время граница, разделяющая качественный и количественный анализы, становится все менее четкой. Для доказательства наличия или отсутствия искомого компонента в пробе необходим объективный критерий. Таким критерием служит предел обнаружения данного компонента данным методом. Если масса или концентрация искомого компонента в пробе меньше предела обнаружения для данного метода, то можно утверждать только то, что присутствие этого компонента в изучаемом образце нельзя обнаружить данным методом, но нельзя утверждать, что этого компонента в образце нет вовсе. Предел обнаружения – это наименьшее количество или наименьшая концентрация вещества, которые могут быть обнаружены при помощи данного метода.

Задачей количественного анализа является определение количества, массы, концентрации или массовой доли определяемого элемента или вещества в образце. В основе количественного анализа лежит точное соответствие величины аналитического сигнала содержанию определяемого компонента в пробе. Аналитическим сигналом может служить масса (в гравиметрическом анализе), интенсивность окраски раствора (в колориметрическом анализе), интенсивность излучения (в пламенной фотометрии) и т.д. Аналитический сигнал нужно измерять с максимально возможной точностью.

Если объектом анализа является вся проба целиком и в ней определяют среднее содержание элемента или соединения, то речь идет о валовом анализе. Если же нужно выяснить состав небольшой части образца, с тем чтобы составить карту распределения определяемого элемента по глубине или по поверхности образца, то прибегают к локальному анализу, который называют также распределительным анализом.

Знание классификации физико-химических методов анализа помогает осуществить выбор метода анализа, позволяющего оптимальным образом решить поставленную перед исследователем задачу.

2. Пробоотбор.

1.2.1. Основные этапы анализа.

Рассмотрим процесс анализа на примере исследования почвы с целью установления ее качества СЛАЙД 1. Совместно с заказчиком следует решить, какие компоненты требуется определить в почве, какие общепризнанные, надежные методики анализа для этого следует применить, какие, возможно, в них следует внести изменения и в какой форме пред­ставить результаты. Точная постановка аналитической задачи — необходимое усло­вие того, что результаты анализа будут применены с пользой для дела.

Затем начинается собственно аналитическая работа. Необходи­мо отобрать пробу почвы (пробоотбор) и подготовить ее для анализа (пробоподготовка). Подготов­ленную пробу следует проанализировать с помощью выбранной ме­тодики (измерение). В заключение следует обработать полученные результаты и представить их в отчете.

Стандартная схема процесса анализа начинается с превращения задачи в форме, поставленной потребителем, в собственно аналитическую задачу. Затем нужно из объекта исследования, в дан­ном случае почвы, отобрать пробу. После этого следуют стадии пробоподготовки и затем измерения. Завершает процесс анализа обра­ботка результатов, их сведение воедино, представление в отчете и передача потребителю (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая схема процесса анализа.

Следует различать принцип анализа, метод анализа методику анализа.

Принцип анализа — это некоторое явление природы, кото­рое может предоставить аналитику интересующую его информа­цию. Типичные примеры — взаимодействие электромагнитного из­лучения с веществом применительно к спектроскопии или явление разделения веществ в хроматографии. При этом следует понимать, какой именно конкретный тип взаимодействия может дать требуемую информацию о данной пробе. Применительно к процессу анализа прин­цип анализа можно охарактеризовать согласно способу измерения.

Метод анализа характеризует ход анализа с точки зрения его важнейших стадий в соответствии с тем или иным принципом ана­лиза. В частности, метод анализа определяет характер и способ пробоподготовки и обработки результатов при анализе определенного типа пробы и определении в ней того или иного компонента.

Методика анализа — это полное описание всего хода анализа. В ней в форме подробных прописей оговариваются все детали ана­лиза, включая отбор пробы и представление результатов. Особенно строгие требования предъявляются к описаниям стандартных ме­тодик.

Рассмотрим подробнее важнейшие стадии процесса анализа — пробоотбор, пробоподготовку, измерение и обработку результатов.

1.2.2. Пробоотбор.

Общая стратегия пробоотбора и собственно анализа должна гарантировать, что конечная цель анализа будет достигнута, а полученные результаты будут правильными. Важность стадии пробоотбора невозможно пере­оценить. Если проба не является представительной, то полученные результаты нельзя ни при каких условиях отнести к исходному материалу анализа, какой бы прекрасный метод анализа не был использован и как бы тщательно анализ не был выполнен. Пробоотбор всегда является источником погрешностей, ве­личина которых зависит главным образом от степени гомогенности исходного материала. Оптимальную стратегию пробоотбора следует разрабатывать сов­местно с заказчиком (потребителем результатов анализа). Способ отбора про­бы тесно связан со способом последующего ее анализа; при его разработке очень важно творческое мышление и здравый смысл.

Чтобы избежать ошибочного обнаружения, переопределения компонента или неверной интерпретации результатов, важно разработать стратегию про­боотбора и для контрольных образцов. Последние часто бывают необходимы в целях сравнения. Это могут быть, например, образцы почв, не загрязнен­ные определяемым компонентом.

Любое изменение состава пробы в ходе пробоотбора должно быть доку­ментировано и удостоверено. При этом следует принимать во внимание специ­фические свойства определяемого компонента. Летучесть, чувствительность к свету, термическая нестабильность, склонность к биодеградации, высокая хи­мическая реакционная способность — все это следует серьезно учитывать при разработке стратегии пробоотбора и выборе оптимального способа его осу­ществления. Все оборудование и средства, используемые для отбора пробы, должны быть задокументированы.

а) Отбор проб жидкостей.

Отбор жидкой пробы фактически сводится к помещению ее в закры­тый сосуд из стекла, кварца или полиэтилена. Чтобы избежать не­ желательных фотохимических превращений, часто используют со­суды из темного стекла. Жидкие пробы можно консервировать физическим способом, охлаждая их до 2 — - 5°С или замораживая до —15— —20°С, Для хи­мической стабилизации проб воды их часто подкисляют до значения рН ниже 2 или добавляют специальные консервирующие реактивы, например, хлорид ртути для предотвращения биохимических про­цессов.

Используемые для хранения жидкостей сосуды характеризуются, как правило, большим отношением внутренней поверхности стенок сосуда к объему. Из-за этого возможны заметные потери компонентов образца за счет адсорбции. Для предотвращения этих потерь проводят операцию уравновешивания, т.е. длительного ополаскивания сосуда анализируемой жидкостью.

б) Отбор проб газов СЛАЙД 2.

При отборе проб воздуха и других газов следует исходить из того, требуется ли анализ самой газовой фазы или содержащихся в ней аэрозольных частиц, например, частиц пыли.

Рис. 1.2. Устройство для отбора проб газов.

Для непосредственного отбора пробы газа служит устройство, изображенное на рис. 1.2. Газ, подлежащий анализу, прокачивают насосом в течение определенного времени через сосуд, который по­сле этого закрывают. Отбор проб из этого сосуда можно осуществить через вентили или с помощью шприца через прокладку (из силиконовой резины). При отборе проб газов, так же как и при отборе проб жидкостей нужно осуществлять операцию уравновешивания.

Газы, поглощаемые жидкостями, можно улавливать, пропуская их через капилляр или пористый стеклянный фильтр (рис. 1.3). При использовании стеклянного фильтра достигается более полное поглощение газа вследствие меньшего размера пузырьков, образую­щихся в этом случае.

Рис. 1.3. Поглощение газов жидкостями.

Для отбора проб воздуха в полевых условиях используют адсор­бирующие патрончики разнообразных конструкций (рис. 1.4). Газы или пары, содержащиеся в воздухе, адсорбируются на активной по­верхности адсорбента. Для анализа их смывают подходящим рас­творителем. В частности, пары бензола можно эффективно адсор­бировать на активированном угле.

Рис. 1.4. Адсорбирующий патрончик.

Для сбора взвешенных частиц и аэрозолей можно использовать фильтры (рис. 1.5). В качестве материалов фильтров обычно ис­пользуют тефлон или стекло. При этом собираются все частицы независимо от их размера. Для фракционированного пробоотбора используют каскадные фильтры (ипмакторы). Ток воздуха прохо­дит через каскадный фильтр, содержащий систему насадок с разным диаметром отверстий. Таким образом, частицы сортируются по их размеру. Для снятия частиц с фильтра используют кислот­ное разложение, вымывание или экстракцию, например, в аппарате Сокслета.

Рис. 1.5. Фильтр для отбора взвешенных частиц из воздуха.

в) Отбор твердых проб.

Твердые тела лишь в редких случаях (например, стекло) являют­ся гомогенными. Руды, горные породы, почвы всегда в большей или меньшей степени неоднородны. Если неоднородность пробы (наличие в ней раз­личных фаз) видна на глаз, то качество гомогенизации может определять каче­ство результатов анализа в целом. В общем случае, чем более неоднороден объ­ект, тем больше должна быть отбираемая проба. Для гомогенизации пробы ее размалывают, растворяют или разлагают, а также спла­вляют в стеклообразную массу. Стандартные рабочие методики, описываю­щие стадию подготовки пробы, должны предусматривать разнообразные спо­собы гомогенизации.

Очень важной стадией анализа является сокращение (уменьшение) пробы — отбор точно известной порции общей (генеральной) пробы, доставленной в ла­бораторию. При сокращении пробы необходимо учитывать всю информацию о степени ее неоднородности. Сокращенная проба должна быть во всех отношениях подобна всему объ­екту анализа в целом. Погрешность, связанную с сокращением пробы, можно оценить количественно методами статистики на основе резуль­татов анализа большого числа порций пробы. Количество сокращенной пробы лучше всего определять гравиметрически. Навески анализируемого материала и контрольных проб в хо­де взвешивания следует обрабатывать в точности одинаково и одновременно с сокращенными пробами.

При оценке общей погрешности результатов необходимо количественно оценить погрешность, связанную со стадией сокращения пробы. Последняя погрешность определяет число сокращенных проб, которые следует проанализировать, чтобы достичь требуемой точности результатов анализа.

Очень часто погрешность пробоотбора превосходит погрешно­сти всех последующих стадий анализа. Ее обязательно нужно учи­тывать при оценке общей погрешности результатов анализа.

г) Требования к пробе СЛАЙД 3.

К пробе предъявляются следующие требования:

1) Проба должна быть представительной по отношению к объекту анализа. Для этого она должна быть однородной (гомогенной). Любая проба, доставленная в лабораторию, нуждается в дополнительной гомо­генизации. В противном случае ее представительность не может быть гарантирована. Если неоднородность пробы (наличие в ней раз­личных фаз) видна на глаз, то качество гомогенизации может определять каче­ство результатов анализа в целом.

2) Проба не должна содержать посторонних примесей. Следует предотвра­щать возможность проникновения в пробу примесей из устройства для пробо­отбора, из материала контейнера для хранения пробы, из воздуха, из консер­вирующего реактива.

3) Проба должна быть устойчивой. Следует предотвращать выделение ве­ществ из пробы, проникновение посторонних веществ внутрь пробы, протека­ние химических и биохимических реакций. Иногда для этого ее приходится консервировать.

4) Количество пробы должно быть достаточным для анализа. Количество пробы определяется погрешностью пробоотбора и требуемой точностью ре­зультатов.

5) Проба должна быть пронумерована. Все действия с ней - запротоколиро­ваны.

д) Количество пробы.

Проба должна быть представительной, но по экономическим соображениям ее размер не должен быть больше, чем это строго необходимо. Размер пробы зависит от требуемой точности анализа, степени неоднородности материала и размеров его частиц. Иногда для обеспечения представительности требуются пробы массой несколько килограммов или даже сотен килограммов. Такую большую пробу необходимо измельчить, просеять и гомогенизировать перед сокращением ее до лабораторной пробы подходящих размеров.

Необходимый размер пробы зависит от диапазона определяемых содержаний компонента. Диапазон от наименьшего до наибольшего содержания, определя­емого данным методом, называется рабочим диапазоном. Диапазон масс определяемого компонента m_A, называемый абсолют­ным, и диапазон масс матрицы m_M в сумме составляют диа­пазон масс пробы Р:

P =

Масса пробы может изменяться от нескольких килограммов до нанограммов и менее.

Диапазон содержаний компонента представляет собой отноше­ние массы компонента к массе пробы:

 =

Содержание компонентов в твердом образце выражают либо в виде отношения масс компонента и образца (г/г, кг/кг, г/кг и т.п.) либо в виде массовой доли, чаще всего в процентах. Содержание следовых компонентов в аноглоязычной литературе выражают в следующих единицах:

1 ppm (англ. part per million = часть на миллион) = 1/10⁶ = 10^-4%

1 ppb (англ. part per billion = часть на миллиард) = 1/10⁹ = 10^-7%

1 ppt (англ. part per trillion = часть на триллион) = 1/10¹² = 10^-10%

Концентрацию определяемого компонента выражают как молярную концентрацию (моль/л) или как массовую концентрацию (г/л).

1.3. Пробоподготовка.

1.3.1. Физические методы пробоподготовки.

Наиболее распространенными физическими методами пробоподготовки являются: удаление влаги, измельчение и обработка поверхности.

а) Удаление влаги чаще всего осуществляют путем простого высушивания на воздухе. Однако эта процедура может занят несколько суток, поэтому часто используют высушивание при повышенной температуре. Недостаток этого способа удаления влаги заключается в возможности потерь массы вследствие удаления газообразных веществ и испарения части пробы. Этого недостатка лишено лиофильное высушивание, т.е. высушивание в замороженном состоянии при температурах до -85С.

б) Измельчение твердых проб осуществляют при помощи мельниц, в которых проба превращается в порошок с определенным размером частиц. Для предотвращения загрязнения пробы детали мельниц изготавливают из твердых инертных материалов.

в) В ряде методов, в которых осуществляется непосредственный анализ твердых образцов, проводят тщательную очистку поверхности проб, поверхность пробы шлифуют или полируют.

1.3.2. Физико-химические и химические методы пробоподготовки.

Эти методы пробоподготовки используют для перевода пробы в физическое состояние, нужное для осуществления анализа по выбранной методике (рис. 1.6).

а) Растворение твердых проб осуществляют с использованием воды, кислот, растворов щелочей или органических растворителей. При анализе почв проводят элюирование (выщелачивание).

б) Разложение (вскрытие) проб СЛАЙД 4 проводят при нормальном и повы­шенном давлении, а также используют «сухое» разложение (рис. 1.7). В открытых системах для разложения используют жидкие реаген­ты, обычно окислители или восстановители. Например, разложение проб почв и донных отложений для определения в них металлов можно проводить путем кипячения с царской водкой с обратным холодильником. Поскольку разлагаю­щий реагент берется в большом избытке, к его чистоте предъявля­ются повышенные требования.

Рис. 1.7. Методы разложения пробы.

Для разложения можно использовать микроволновые печи, излу­чающие обычно при 2-45 ГГц, или УФ-излучение ртутной лампы высокого давления. В последнем случае к пробе обычно добавляют небольшие количества пероксида водорода и кислот.

Биологические материалы, продукты питания, пластмассы, угли, смазочные масла требуется разлагать в особо жестких условиях. Для этого служат методы разложения при повышенном давлении. В устройстве Кнаппа (рис. 1.8) твердая проба пребывает в тече­ние нескольких часов в автоклаве в атмосфере азота под давлением 13 МПа при температуре до 320°С в контакте с концентрированной азотной кислотой. По окончании процесса и охлаждении пробы в кварцевом сосуде для разложения остается давление порядка 2 МПа. При стравливании избыточного давления из сосуда удаляется азот, диоксид углерода, оксиды азота и остается прозрачный раствор, окрашенный в темно-зеленый цвет за счет остаточных количеств растворенных оксидов азота.

Рис. 1.8 Устройство Кнаппа для разложения пробы под давлением.

Разложение под давлением можно ускорить, если использовать мик­роволновые печи. Однако полнота разложения при этом может ока­заться ниже.

Помимо применения жидких реагентов, для разложения исполь­зуют и «сухие» способы, например, сжигание пробы или ее плавле­ние. Для элементного анализа органических веществ пробу можно сжигать в токе кислорода при 950°С. Органические ве­щества, экстрагируемые пентаном или гексаном, можно полностью сжечь в кислородно-водородном пламени методом Викбольда. При озолении в холодной плазме пробу обрабатывают атомарным кисло­родом, образующимся в высокочастотном электромагнитном поле. В таком состоянии кислород является особенно сильным окислите­лем. При определении мышьяка, сурьмы, теллура и селена в органи­ческих и биологических пробах можно использовать их способность образовывать легколетучие соединения.

г) Разделение и концентрирование. Как для отделения определяемого компонента от матрицы, так и для его концентрирования можно применять одни и те же спосо­бы. Концентрированием называется процесс, в результате которого возрастает концентрация компонента в растворе либо его доля по отношению к матрице по сравнению с исходной пробой.

Важнейшими методами разделения и концентрирова­ния являются:

• отгонка летучих компонентов;

• осаждение или соосаждение компонента на коллекторе;

• экстракция и ионный обмен;

• электролитическое выделение;

• колоночная хроматография и сорбция.

Разделение и концентрирование газовых проб можно осуществить непо­средственно в ходе пробоотбора, используя абсорбцию жидко­стью (рис. 1.3) или адсорбцию твердой фазой (рис. 1.4). Так, на тенаксе — разновид­ности активированного угля — хорошо адсорби­руются пары спиртов, сложных эфиров, кетонов и ароматических соединений.

Выделение легколетучих органических веществ из водных рас­творов можно осуществить с помощью следующего приема. Раствор пробы кипятят на водяной бане и продувают потоком газа-носителя (гелий), поступающим на адсорбционную колонку. После термиче­ской десорбции адсорбирован­ные компоненты определяют методом газовой хроматографии.

Можно определять легколетучие вещества и непосредственно в паровой фазе. Сосуд с анализируемым раствором плотно закры­вают. Через некоторое время между определяемым компонентом, находящимся в растворе, и его парами устанавливается равнове­сие. С помощью соответствующей градуировки можно установить зависимость между содержанием паров в газовой фазе и концентра­цией вещества в растворе. В этом методе определяемый компонент и матрица разделяются сами собой. Такой способ пробоподготовки используют, например, при определении летучих углеводородов в водах или содержания алкоголя в крови.

д) Удаление матрицы можно осуществлять при помощи тех же методов, которые применяют для разделения и концентрировании. На прак­тике наиболее распространен сорбционный метод. Жидкую (или переведенную в раствор) пробу пропускают через стеклянную или пластмассовую колонку, заполненную соответствующим сорбентом; при этом компоненты пробы сорбируются. Мешающие компоненты матрицы затем удаляют путем промывания колонки подходящим элюентом. Затем другим элюентом вымывают из колонки опреде­ляемый компонент.