Аналитическая термолинзовая спектрометрия: разработка аппаратурного обеспечения и методов обработки результатов на примере определения органических соединений и катионов металлов в стационарных условиях и потоке тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

Химический факультет Кафедра аналитической химии

На правах рукописи УДК 543.420.62:535.8

ПРОСКУРНИН МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕРМОЛИНЗОВАЯ СПЕКТРОМВТРИЯ: РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ НА ПРИМЕРЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ В СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ И ПОТОКЕ

02.00.02 — Аналитическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва — 1993

Работа выполнена на кафедре аналитической химии химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Е.К. Иванова

Официальные < ппоненты: доктор физико-математических каук, профессор В.В.Фадеев

кандидат химических наук, доцент А.А. Горбатешсо

Ведущая организация: Научно-исследовательский

физико-химический институт им. Л.Я. Карпова.

Защита состоится 30 декабря 1993 г. на заседании специализированного совета Д.053.05.60 по химическим наукам при Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова в ауд. 337 химического факультета в 16 час.

Автореферат разослан 29 ноября 1993 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ.

Отзывы и замечания просьба направлять по адресу:

119899 ГСП-3. Москва В-234, Ленинские горы, МГУ, химический факультет, кафедра аналитической химии, ученому секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук

Т.В. Беляева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темг;

Одно из принципиально новых направлений высокочувствительного спектрального анализа основано на термооптических эффектах, заключающихся в изменении оптических характеристик среди, вызванном поглощением лазерного излучения. Количественная регистрация этих эффектов позволяет определять оптическую плотность' до уровня ю-8, содержания до Ю',г+10-,0м и детектировать до ~юг молекул поглощающих соединений в объеме ю-,а + ю-'5 л. В сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией, проточ-но-ипжекционным анализом и другими методами разделения термооптические эффекты дают возможность проводить селективное определение налах содержаний в разнообразных объектах.

Однако, распространение термооптических методов в значительной мере сдерживается отсутствием систематических исследований основных аспектов их использования в аналитической химии. Так, не выяснено влияние инструментальных параметров оптической схемы спектрометра и системы регистрации.сигнала на метрологические характеристики разрабатываемых методов. Большинство исследований ограничено модельными системами, поэтому методология и метрология эксперимента оказались недостаточно разработанными, явно узок круг определяемых веществ - до последнего времени основное внимание уделялось определению только тяжелых металлов.

Таким образом, для практического использования термооптических эффектов необходима прежде всего оптимизация инструментальных параметров используемых спектрометров, а также разработка термооптических методов определения различных веществ в реальных объектах с учетом актуальных направлений развития аналитической химии.

Цель работы ,

В работе исследован :аиболее распространенный и перспективный с точки зрения аналитического применения термооптический метод - термолинзовая спектрометрия (ТЛС). Целью работы являлось конструирование и апробация на модельных и реальных системах тер-

В руководстве работой принимал участие младший научный сотрудник кафедры аналитической химии Московского государственного университета А.Г. Аброскин.

молинзовых (ТЛ) спектрометров, удовлетворяющих требованиям аналитической практики - высокочувствительному, воспроизводимому и экспрессному определению широкого круга веществ в различных объектах какч в стационарных, так и проточных условиях. В рамках основной задачи работы планировалось: в Анализ режимов работы двухлучевого термолинзового спектрометра - выявление основных факторов, влияющих на правильность и воспроизводимость измерений, динамический диапазон сигнала, метрологические характеристики разрабатываемых методов; сравнение методов и алгоритмов регистрации ТЛ сигнала, в Конструирование для аналитической практики термолинзовых спектрометров с управлением режимами регистрации, сбором и обработкой данных при помощи персонального компьютера, о Экспериментальное тестирование термолинзовых спектрометров на модельных системах и определение основных аналитических характеристик при разработке методов определения органических и неорганических соединений в стационарных условиях, о Изучение основных факторов, влияющих на термолинзовое детектирование в проточных и хроматографических методах анализа и их учет на примере модельных исследований, в том числе выбор реагентов для определения катионов тяжелых металлов в потоке при помощи послеколоночных реакций.

Научная нояизна работы :

Для наиболее универсальной - двухлучевой - схемы термолинзового спектрометра проведено комплексное изучение режимов его работы, условий регистрации аналитического сигнала, алгоритмов обработки данных измерений. Осуществленная оптимизация оптической схемы спектрометров и режимов регистрации позволила достичь высокой чувствительности (величина минимальной детектируемой оптической плотности порядка vio-6, пределы обнаружения различных веществ на уровне, ю-юо пг/мл), минимальных величин относительного стандартного отклонения до 0.02 (для модельных систем -0.01), линейного динамического диапазона аналити еского сигнала до 5 порядков (соответствующий, диапазон оптических плотностей 10-6 - 10-').

Проведено сравнение чувствительности, воспроизводимости и линейного динамического диапазона "Для двух вариантов систем регистрации термолинзового сигнала - однокзнальной (измерение ин-

тенсивности в центре пробного луча) и многоканальной (измерение профиля пробного луча). Показано, что при прочих равных условиях многоканальная система обеспечивает больший линейный динамический диапазон сигнала, меньшие значения минимальной детектируемой оптической плотности и относительного стандартного отклонения, но обладает ббльшим (примерно на порядок) временем отклика, чем од-ноканальная система. Для каждой системы разработаны алгоритмы сбора и обработки данных (для одноканальной системы - в режиме реального времени).

Разработаны термолинзовые методы определения висмута иодид-ионами, молибдена роданид-ионами и ацетилхолина дипикриламином. Разработан новый фотометрический метод определения теофиллина, основанный на его окислении пероксидом водорода в среде соляной кислоты до производных амалиновой кислоты. По чувствительности и ширине диапазона определяемых содержаний разработанные Методы превосходят известные фотометрические, атомно-абсорбционные и электрохимические методы определения данных соединений.

Практическая ценность работы

Созданы многоцелевые аналитические термолинзовые спектрометры с одноканальной и многоканальной системами .регистрации, позволяющие проводить определение микроколичеств веществ в диапазоне оптических плотностей ю-' - ю-' как в стационарных условиях 0.02 + 0.05) . так И в потоке («?„„,„= О.ОЗ + 0.07). Разработаны алгоритмы обработки данных для одноканальной и многоканальной систем регистрации, на основе которых на языках программирования высокого уровня-создано программное обеспечение с дружественным интерфейсом пользователя, позволяющее проводить весь цикл регистрации, сбора и обработки экспериментальных данных (для одноканальной системы регистрации - в режиме реального времени) . '

■ Разработаны спектрофотометрический и термолинзовый методы определения теофиллина с пределами обнаружения 1 • ю-6 и г-ю-?, соответственно, из объемов исходных проб о.ог+о.г мл в диапазоне определяемых содержаний 5-ю-'- 8.4-ю-6 м. Методы применены при анализе нервных клеток моллюска.

Предложены термолинзовые методы определения висмута с пределом обнаружения ю пг/мл, молибдена с пределом обнаружения 7 пг/мл, ацетилхолина с пределом обнаружения 6-ю-» м. Диапазоны

определяемых содержаний для данных методов составляют не менее трех порядков, минимальное значение относительного стандартного отклонения - 0.02-0.05. Методы позволяют исследовать исходные образцы объемом 0.02 мл.

В работе защищаются следующие положения: ® Критерии выбора системы регистрации термолинзового сигнала -одноканальной и многоканальной; преимущества той и другой системырегистрации для различных режимов измерений, е Алгоритмы обработки аналитического сигнала в ТЛС, позволяющие проводить определение различных классов неорганических и органических веществ на уровне на5юграммовых или пикограммовых количеств в стационарных и проточных условиях, в Термолинзовые методы определения молибдена и висмута, спект-рофотометрические и термолинзовые методы определения те-офиллина и ацетилхолина; результаты использования этих методов при анализе различных объектов. о Результаты исследования факторов, влияющих на метрологические характеристики термолинзового определения тяжелых металлов в потоке с использованием фотометрических реагентов.

Апробация работы

Созданные ТЛ спектрометры и разработанные методы использованы при определении металлов и органических соединений в объектах различной природы в рамках Приоритетного направления развития химической науки и технологии №29 "Анализ" Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ (проект №08.01.25).

Основные результаты работы были представлены на xvn Межвузовской конференции молодых ученых "Инструментальные методы анализа" (Ленинград, 1990), Всесоюзной конференции "АНАЛИЗ-90" (Ижевск, 1990), международном симпозиуме "3rd iupac international Symposium on Analytical Chemistry in the Exploration, Mining, and Processing of Materials" (СЭНДТОН, ЮАР, 1992).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных 1бот в виде статей и тезисов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Во введении обосновывается актуальность работы и формулируется ее цель, содержатся защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость результатов исследований. В первой главе (обзор литературы) рассмотрены основные понятия термолинзовой спектрометрии, физические модели термолинзового эффекта, методы регистрации аналитического сигнала в стационарных условиях й потоке, а также аналитические приложения ТЛС. В последующих главах изложены экспериментальные данные. Вторая глава содержит описания техники эксперимента и стандартной аппаратуры. В третьей главе рассмотрены основные .аппаратурные характеристики и режимы работы сконструированных термолинзовых спектрометров с одноканальной и многоканальной системами регистрации, описаны алгоритмы сбора и обработки данных для каждой системы регистрации и проведено экспериментальное сравнение аналитических характеристик этих спектрометров.. В четвертой главе изложены данные о разработанных методах определения молибдена и висмута. Пятая глава посвящена методам определения органических соединений - теофиллина и ацетилхолина. В шестой главе приведены результаты термолинзового определения тяжелых металлов в потоке на модельных системах.

Диссертация изложена на 257 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков, 35 таблиц и список цитируемой литературы из 293 наименований.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использованы неорганические и органические реагенты квалификации х.ч. и ос.ч., бидистиллированная деионизованная вода (установка очистки воды hjiií-q), а также органические растворители квалификации ч.д.а. ос.ч. При необходимости проводили дополнительную очистку реагентов и растворителей согласно стандартным методикам.

Спектрофотометрические исследования проведены на спектрофотометре СФ-46. В качестве метода сравнения взят метод атомной абсорбционной спектроскопии с графитовым атомизатором (SpectrAA-40, Varían, США).

Термолинзовые спектрометры для аналитических целей

В качестве основы для конструирования термолинзовых спектрометров использована двухлучевая двухлазерная схема с параллельными лучами. Данный вариант ТЛС наиболее универсален, так как он позволяет проводить исследования как в стационарных, так и в проточных образцах пр.. регистрации статических или кинетических характеристик термолинзы. Оптимизация расположения элементов оптической схемы на модельных системах, выполненная в соответствии с результатами работы, проведенной ранее в лаборатории спектральных методов анализа кафедры аналитической химии МГУ, позволила добиться высокой чувствительности (минимально детектируемой оптической плотности) и широкого линейного динамического диапазона при малых величинах относительного стандартного отклонения. Это является необходимой основой для создания аналитического ТЛ спектрометра.

В ТЛС не существует универсальной системы регистрации - как одноканальная, так и многоканальная системы имеют свои преимущества и недостатки. Вследствие этого в работе проведен сравнительный анализ характеристик созданных ТЛ спектрометров (различаются системами регистрации) с точки зрения их применения в аналитической практике.

Блок-схемы термолинзовых спектрометров приведены на рис. I. Термолинза индуцировалась в образце излучением аргоновых ионных лазеров, Т31ш-М0да: Innova 90-6 (Coherent, США) И ILA-120 (Carl Zeiss, ГДР). В качестве зондирующего использовался h.-n» лазер SP-106-1 (Spectra Physics, США) С Лг.и= 632.8 HM (ТЕМ^-МОДа, Р я 20 мВт). Излучение индуцирующего лазера проходило через механический модулятор (прерыватель) Под. Часть энергии луча отводилась пластинками П, и П2 на фотодиод контроля мощности (ФД контр.лот-) и фотодиод синхронизации {ФД синхр. ) системы регистрации с режимом работы модулятора. Сведение лучей в схеме с од-ноканальной и многоканальной системами регистрации осуществлялось при'Помощи призмы Глана {Пр.Глапа) и дихроичного зеркала (ЛЗ), соответственно. Излучение индуцирующего лазера подавлялось светофильтром Ф. '

Рис. I. Блок-схемы двухлучевых термолинзовых спектрометров с одноканальной (а) и многоканальной (б) системами регистрации.

Л,, Лг - фокусирующие линзы излучения индуцирующего и пробного лазеров, соответственно; Л3 - цилиндрическая ' дефокусирующая линза; Пр.Глана - призма Глана; П,, П2 -отводящие плоско-параллельные пластинки фотодиода контроля мощности и фотодиода синхронизации, соответственно; П3 - плоско-параллельная пластинка для тонкой юстировки; 3 - зеркало; ДЗ - дихроичное зеркало; ФД -фотодиоды типа ФД-7К; Мод. - электромеханический модулятор; $> - светофильтр; Д - диафрагма

В случае спектрометра с одноканалыюй системой регистрации луч h.-n. лазера, несущий информацию о величине поглощения образца, проходил через диафрагму Д диаметром «Z мм,' находящуюся в дальней зоне на оптической оси системы и попадал на фотодиод регистрации сигнала (ФД сигн.) то есть измерялась интенсивность лазерного излучения в центре луча. Сигнал с фотодиода после усилителя (Усилия.I), подавался на плату АЦП-ЦАП компьютера типа ibm pc/at. Управление работой модулятора и общая синхронизация процесса измерения осуществлялись компьютером при помощи специально разработанной программы через плату АЦП-ЦАП и блок синхронизации (Блок синхрон. ).

В спектрометре с многоканальной схемой регистрации после образца луч зондирующего лазера проходил через цилиндрическую линзу Л,, которая дефокусировала луч в вертикальной плоскости, что давало возможность проводить измерения одномерного профиля луча при помощи линейки фотодиодов многоканального анализатора (ома-2, eg&g. США: 1024 фотодиода размером 25 мкмх 2.5мм). Управление модулятором и синхронизация работы ома-2 с процессом формирования термолинзы осуществлялись блоком синхронизации. Консоль ома-2 использовалась для накопления и первичной обработки данных одномерных профилей лучей. Через интерфейс rs-232C данные передавались в компьютер типа ibm pc/at для дальнейшей обработки.

Для каждой системы регистрации разработаны алгоритмы сбора и обработки данных, учитывающие особенности аппаратурного обеспечения спектрометров и области чх применения. На базе этих алгоритмов создано соответствующее программное обеспечение.

Блок-схема алгоритма для обработки данных одноканалъной системы регистрации представлена на рис. 2. В период м0 (отсутствие термолинзы) измерение сигнала проводилось по выборке из 300 +1000 точек (время измерения одной точки 35 +100 мкс). По этому массиву вычислялось среднее значение КО) и дисперсия выборки. Такой цикл повторялся до тех пор, пока регистрируемый сигнал не выходил на стационарное значение ко).

После этого подавалась команда на открывание модулятора и начинался режим регистрации ТЛ сигнала, соответствующий переходному периоду развития термолинзы (юо + зоо мс). Затем программа переходила в режим регистрации термолинзового сигнала 1(<в) (измерения в период дtœ, параметры и операции те же, что и в

периоде л(0). По достижении сигналом Кт) стационарного значения подавалась команда на закрывание модулятора.

Начало регистрации

Продолжение

регистрации

Вычисление Ко)

I Откр.мод. I

I Закр.мод. 1

Регистрация переходного ТЛ сигнала

Вычисление 1(а>)

Регистрация сигнала в период

Рис. 2. Блок-схема алгоритма регистрации и обработки данных термолинзовых измерений с одноканальной системой регистрации. м0: период регистрации Ко) - интенсивности в центре пробного луча в отсутствие термолинзы (индуцирующий луч блокирован); д{ю: период регистрации К«>) интенсивности в центре пробного луча при наличии равновесной термолинзы.

После завершения этих измерений рассчитывался аналитический сигнал - в, который с учетом текущей мощности излучения индуцирующего лазера приводился к его начальной мощности (фиксировалась перед началом эксперимента). Рассчитанное значение аналитического сигнала, а также и доверительный интервал выводились на дисплей в цифровом и графическом виде в координатах сигнал-время. После обработки и отображения данных одного цикла измерений (в отсутствие команды останова) программа приступала к измерению и обработке следующей по времени точки.

Помимо основного режима измерений в программе реализована первичная обработка данных (в том числе проверка на выпадающие значения); построение градуировочных кривых по данным эксперимента; поиск концентрации при помощи градуировочных кривых; расчет метрологических характеристик.

ТЛ спектрометр с одноканальной системой регистрации обладал временем отклика 0.5 + 2 с. Это позволило использовать его для детектования не только стационарных, но и проточных образцов.

Многоканальная систем регистрации с применявшейся обработкой данных позволяла исключать искажения, вносимые в регистрируемый сигнал интерференцией, дефектами оптических элементов схемы и т.д.. а также осуществлять в процессе измерений контроль юстировки оптической схемы (сведение лучей в образце).

Разработан алгоритм, реализующий предварительное сглаживание зарегистрированных профилей луча. Поскольку интерференционные пики, искажающие регистрируемые профили расположены эквидистантно по шкале каналов, наиболее подходяздм методом для их подавления являлась фильтрация спектра Фурье исходных данных методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Одновременно исключались высокочастотные шумовые компоненты из регистрируемого контура. Кроме этого анализ профиля луча пробного лазера позволял проводить внутренний контроль режима измерений (рассогласование лучей лазеров в кювете с образцом, исключение выпадающих результатов и т.д.). Расчет аналитического сигнала проводился по интенсивности в центре и радиусу луча пробного лазера по уровню 1/е'.

Сравнение ТЛ спектрометров (табл. I) показало, что многоканальная система регистрации при прочих равных условиях обеспечивает ббльшую чувствительность (д„и„) и меньшую величину я, из-за уменьшения вклада интерференции и других, в том числе случайных, эффектов за счет применения процедуры сглаживания и апроксимации. Вследствие этого, несмотря на то, что для модельной системы коэффициент чувствительности для ТЛ спектрометра с многоканальной системой регистрации в 3 раза ниже, величина см,„г для этого спектрометра в два раза меньше.

В целом, многоканальная система регистрации ТЛ сигнала, по сравнению с одноканальной, позволяет добиться лучших метрологических характеристик. С другой стороны, использовавшаяся многоканальная система регистрации обладала большим временем отклика и, в общем случае, не позволяла вести регистрацию сигнала' в режиме реального времени, то есть она практически не пригодна для анализа проточных образцов. Данные, представленные в табл. I получены при одинаковой мощности индуцирующего излучения (0.8 Вт), однако ббльшая максимальная мощность и лучший модовый состав излучения индуцирующего лазера, использовавшегося в 'спект-

и.

рометре с одноканальной системой регистрации позволили достичь лучших, чем для данной модельной системы, результатов.

Таблица I

Сравнение инструментальных параметров и метрологических характеристик для модельной системы (раствора мо- -лекулярного иода в хлороформе) для ТЛ спектрометров с - - одноканальной и многоканальной системами регистрации. /> = 0.8 Вт. а,м=514.5нм

Параметр Одноканальная Многоканальная

2-10-5 1 • 10-5

0.002 0.005

13 14

ин 0.01 0.008

0.5 5

Коэф.чувст., М-' 1.4-Ю7 4.1-10«

1 • 10-е 6-10-»

3-ю-» 1.5- Ю-"

св. м 2.1-10-5 2.8-10-5

Ам, - величина минимальной детектируемой оптической плотности;

- нижняя граница линейного динамического диапазона сигнала;

$т„, - верхняя граница линейного динамического диапазона сигнала;

- минимальная величина относительного стандартного отклонения;

4ОТ, - время отклика системы;

Аналитические характеристики созданных спектрометров, полученные на модельных систег.ах, а также их аппаратное и программное обеспечение позволили применить данные приборы при разработке высокочувствительных методов определения различных органических и неорганических соединений.

Термолинзовые методы определения неорганических веществ

I*

В качестве объектов гсследования выбраны молибден и висмут исходя из требований аналитической практики (отсутствие надежных методов определения на уровне менее 0.1 пг/мл из объемов проб 0.1 мл. При разработке термолинзовых методов в качестве базовых выбраны известные спектрофотометрические методы. В процессе работы изменены условия проведения фотометрической реакции (ря, количества и соотношения реагентов, объем пробы и т.п.) на основе поэтапного изменения условий проведения реакции и сравнение

значимости отличия коэффициентов градуировочных кривых, полученных для двух последовательных этапов. Во всех случаях исследовано влияние используемых реагентов на величину контрольного опыта и предложены способы его очистки. Разработаны методики определения висмута и молибдена в различных объектах.

Метод определения молибдена роданид-ионами

За основу взята реакция молибдена с роданид-ионами в присутствии восстановителя с последующей экстракцией образующегося комплекса органическим растворителем. В качестве последнего использован метилэтилкетон, так как он обеспечивал максимальную чувствительность термолинзовых измерений (высокое значение температурного градиента показателя преломления). Наилучший из исследованных восстановителей для термолинзового определения молибдена (1. ю-** — 1 • ю~эм), обеспечивающий быстрое развитие окраски и ее усточивость во времени, - аскорбиновая кислота (соотношение восстановителя и металла 1000:1). Для ТЛ определения необходим не менее чем 500-кратный избыток роданид-ионов.(для спектрофотомет-рического определения - 8 + ю кратный).

Вследствие наличия во всех реагентах железа (ш) в количествах, значимо влияющих на величину контрольного опыта, разработан способ дополнительной очистки реагентов, основанный на предварительной экстракции суммы примесей метилэтилкетоном, что позволило снизить величин;' контрольного опыта почти на два порядка.

Линейная зависимость и подчинение закону Бера соблюдается в интервале содержаний молибдена от 1.з*ю-'°М (1Эпг/мл) до 3.6 • lernt (З40пг/мл). Предел обнаружения составил 7- ю-"м (7пг/мл), нижняя граница определяемых содержаний - 2.1-ю-">м (20 пг/мл), от носительное стандартное отклонение измерений не превышало о.оэ. Таким образом, используя метод ТЛС, удалось снизить предел обнаружения молибдена роданид-ионами по сравнению с традиционным слектрофотометрическим методом в ю^ раз.

Исследовано мешающее влияние железа (III) на термолинзовое ~ определение молибдена. Найдено, что наилучшим маскирующим агентом являются тартрат-ионы, и для исключения влияния железа (ш) необходим их 1000-кратный избыток. Метрологические характеристики определения молибдена в присутствии железа (Iii) и маскирующего агента незначимо отличаются от найденных в их отсутствие.

Метод применен для определения молибдена в природных водах различных типов - морской (район выноса воды рекой Роной в Средиземное море) и водопроводной (табл. 2).

Таблица 2

Определение молибдена в природных водах (объем пробы 0,5-1,0 мл). Р = 0.95. п = 5

Объект Найдено, нг/мл

Водопроводная вода Морская вода О.ОЗО ± 0.002 О.зб ± 0.04 0.06 0.08

??етод определения висмута иодид-ионами

За основу взята реакция с иодид-ионами в присутствии восстановителя в водной среде. Найдено, что для ТЛ определения необходим 400-кратный избыток иодид-ионов (50 + 100 кратный для спектрофотометрического определения). Кроме того воспроизводимость термолинзового определения висмута резко снижается при соотношениях восстановителя и реагента, меньших, чем 2:1 (для спек-трофотометрическс. методики их количества зквимолярны).

Предел обнаружения - 5ио-"М (ю пг/мл), диапазон определяемых содержаний 2.а-ю-"- 4.а-ю-^м (500 пг/мл - юмкг/мл).

Исследовано мешающее влияние свинца (и), олова (и), меди (1,и) и сурьмы (ш) на определение висмута (табл.3). Видно, что присутствие основных сопутствующих элементов на уровне ю мкг/мл + ю мг/мл незначимо сказывается на всех метрологических характеристиках определения висмута. Селективность по отношению ко всем мешающим элементов возросла по сравнению со спектро-фотометрической методикой в 100 - 10000 раз.

Результаты исследования мешающего влияния сопутствующих элементов на термолинзовое определение висмута позволили разработать методики для определения содержания висмута в металлических рь, вп и вь квалификации "ч", взятых в качестве модельных объектов, без отделения основы (табл. 4).

Правильность определения проверена сравнением с результатами определения при помощи метода атомной абсорбционной спектрометрии с графитовым атомизатором. Видно, что данные, полученные двумя методами, находятся в хорошем согласии.

Таблица 3

Мешающее влияние сопутствующих элементов на термолинзовое определение висмута. />=1.5 Вт

Элемент Концентрация Коэф.чувст. Сг*п,Г с.

мкг/мл х 10-«, Ы-' к 10", М х 10a, U х 105, н

Си (I) 0. 1 6.1 5 3.0 4.8

1 6.1 6 2.9 4.8

10 6.1 50 9.0 tí/o

100 6.2 70.0 Н/о

Си(II) 1 6.1 5 . 2.9 4.8

10 6.1 7 з.о 4.8

40 6.1 70 12.0 4.7

РЬ (II) 40 6.2 5 2.9 4.8

100 6.2 6 з.о 4.8

200 6.1 7 2.9 н/о

400 6.2 9 2.9 11/0

500 6.1 50 4.9 н/о

Sb (III) 20 6.2 ' . 5 2.8 4.8

50 6.2 5 2.7 н/о

150 .6.2 6 2.9 4.8

1000 6.2 30 30.0 4.7

10000 6. 1 50 40.0 н/о

Sn (II) 0.1 6.2 5 2.7 4.8

1 ' 6.1 4 2.7 4.8

10 6.2 5 2.8 4.8

40 6. 1 5 2.9 4.8 •

100 6. 1 20 40.0 н/о

н/о - не определяли

Таблица 4

Определение висмута в в образцах рь, вп и вь квалификации "ч". Р *= 0.95; п = 5

Металл Содержание (ТЛС), st, tic Содержание (МС),

РЬ (1.6 * 0. 1) -10-' 0.04 (1.6 1 0. 1) • 10"'

Sb (1.77 i 0.09) -Ю"« 0.04 (1.84 i 0.06) - Ю-«

Sn (2.03 * 0.09)-10"' 0.03 (2.18 ± 0.06). 10"'

Методы термолинзового определения органических веществ

В качестве объектов исследования взяты теофиллин и ацетилхо-яин - алкалоиды, находящие все более широкое применение в биологии и медицине. В обоих случаях работа над термолинзовыми методиками потребовала предварительной разработки соответствующих спек-трофотометрических методов, которые в силу своей простоты, эксп-

рессности и метрологических характеристик имеют самостоятельное значение.

Определение микроколичеств теофиллина

Разработан новый фотометрический метод определения те-офиллина, основанный на взаимодействии алкалоидов пуринового ряда с окислителем (н,о,) с последующим добавлением водного раствора мн,, вызывающим образование пурпурной окраски, характерной для амалиновой кислоты и ее производных. В литературе описан только метод обнаружения. Найдены условия для количественного перевода теофиллина в производные амалиновой - кислоты в интервале содержаний алкалоида от 3.7нг до 0.9 мг и оптимальные условия определения теофиллина для спектрофотометрического и термолинзового уровней содержаний (табл. 5). Определение проводили в водно-аце-тоиовой среде (1:100), обеспечивающей устойчивость соединений и высокую чувствительность термолинзовых измерений. Метод обладает хорошей селективностью и в то же время позволяет определять суммарное количество теофиллина и его метаболитов. Как спектрофо-тометрическая, так и термолинзовая методики характеризуются хорошей воспроизводимостью, экспрессностью и простотой. Суммарный диапазон определяемых содержаний составляет более 7 порядков.

Таблица 5

Метрологические характеристики спектрофотометрических и термолинзовых методик определения теофиллина и ацетилхолина Я„м= 1.4 ВТ

Характеристика Теофиллин Ацетилхолин

Спектрофот. тле Спектрофот. тле

Коэф.чувст., М"' <W. м с„, и с„ м 1. 1-103 1.3-10-' 4.2-10« 2 • Ю-' 5-Ю-' 8. 4-Ю"6 3.2-10' 3 • ю-' 6.5-Ю'6 1.7-10"' 7.9-10« 6- Ю-» 2-10-° 1.5-10"6

Метод использован для определения теофиллина в цитоплазме моллюска Helix Ponati* (табл. 6). Другие компоненты клеток не мешают определению. Правильность определения проверена методом добавок и показано отсутствие систематической погрешности.

/

Таблица 6

Определение теофиллина в цитоплазме нервных клеток Helix Рота tie (Р = 0.9 5)

Метод Объем пробы, Введено, Найдено, Примечания

кол-во клеток мкг мкг

Спектрофот. 105 _ 10« 0 24 ± 1 без отделения

(п=3) 12 35 ± 2 основы

тле 102 _ 10J 0 0.47 1 0.02 экстракция хло-

(п = 5) 0.4 0.88 * 0.04 роформом и

изопентанолом

Метод определения ацетилхолина дипикриламином

В основу метода положена реакция между дипикриламином и ацетилхолином, дащая ионную пару, окраска которой обусловлена существованием системы двух сопряженных связей в молекуле дипик-риламина. Селективность метода объясняется тем, что образующееся соединение значительно менее растворимо в воде, чем ионные ассо-циаты многих других органических оснований, прежде всего холина, а также дипикриламинаты щелочных и щелочноземельных металлов.

В качестве растворителя взят дихлорметан. Найдены условия (рН, соотношения реагентов), обеспечивающие наибольшую селективность и чувствительность спектрофотометрического и термолинзового определения. Предложен способ минимизации величины. контрольного опыта, заключающийся в экстракции дихлорметаном суммы ионных ас-социатов мешающих соединений с дипикриламином. Метрологические характеристики методик приведены в табл. 5. Метод опробован при определении ацетилхолина в модельных объектах (®,.„„„= 0.02).

Термолинзовое детектирование в потока

Применение термолинзовой спектрометрии в проточных и хроматографических методах анализа ставит задачу не только изучения особенностей детектирования в потоке, но и выбора реагентов, которые могут быть использованы для послеколоночных реакций в ВЭЖХ (прежде всего в ионной хроматографии). В работе исследована возможность определения ряда катионов тяжелых металлов.

Исходя из анализа литературных данных и имеющихся возможностей для моделирования термолинзового детектирования в потоке в работе использована следующая система подэчи растворов (рис.3): перистальтический насос, инжектор, смеситель реагента и буерного раствора (носителя), реактор и проточная кювета

(термолинзовая ячейка). Данный вариант является достаточно универсальным для проведения модельных исследований в потоке и позволяет при соответствующем дополнении перейти к реальным хроматографическим или проточно-инжекциошшм системам.

Рис. 3. Блок-схема проточной системы для термолинзового детектирования.

. На ряде модельных систем изучено влияние скорости потока, 'температуры и природы растворителя на воспроизводимость и чувствительность термолинзовых измерений в потоке. Найдено, что оптимальная скорость потока (минимум я 1 мл/мин. Исследовано влияние на метрологические характеристики спектрофотометрического и термолинзового определения в потоке тяжелых металлов способа подачи растворов (непосредственно насосом, при помощи вытесни-тельных сосудов, под действием силы тяжести), формы, длины и температуры проточного реактора.

Исследование фотометрических реагентов для определения катионов тяжелых металлов в потоке проводилось в следующей последовательности;

- выбор оптимальных условий определения в стационарных, условиях на спектрофотометрическом уровне содержаний;

- оптимизация условий проведения реакций в потоке с последующим спектрофотометрическим детектированием;

- модельные ТЛ измерения при проведении реакций в стационарных условиях;

- оптимизация условий проведения реакций в потоке с последующим ТЛ детектированием. Найдено, что реагентами, обеспечивающими достаточную чувствительность и близкие характеристики полосы поглощения в области длин волн генерации индуцирующего лазера для всех исследуемых металлов, являются ксиленоловый оранжевый и 1-(2-тиазолилазо)-резорцин (табл. 7).

Таблица 7

Метрологические характеристики определения катионов тяжелых металлов в стационарных условиях и потоке (V = 1 мл/мин: л = 514.5нм, р = 1 Вт)

Стац.усл. Поток

Реагент Катион С1МН.Г С» Св

х 107, М

Ксиленоловый А! , •- 2 5 100 0.05

оранжевый в; (Ш) - 1 3 100 0.06

Со 2 1 4 100 0.04

Сг(ш) - 2 4 100 0.05

Си 0.5 7 12 100 0.05

F.dll) - 2 5 100 0.04

МП) 0.4 2 4 100 0.04

N<1 - 5 9 100 0.04

РЬ 0.5 3 5 100 0.04

Рг ___ 4 8 100 0.04

гп 0. 1 1 3 100 0.03

1-(г-Тиазолил- Со 0.4 1 3 50 0.05

азо)-резорцин Си 0.08 0.5 2 60 0.07

Г.Ш) 1 2 5 50 0.05

N1 0.7 5 9 50 0.03

Указанные в табл. 7 пределы обнаружения более, чем на порядок ниже, чем соответствующие величины для спектрофотометрическо-го детектора. Наиболее перспективным выглядит использование кси-ленолового оранжевого, поскольку он позволяет определять достаточно большое количество катионов и обеспечивает невысокое значение сигнала контрольного опыта и широкий диапазон определяемых содержаний. Другая из рассмотренных систем - 1-(2-тиазолилазо)-резорцин - интересна тем, что позволяет определять такие катионы, как си, n1, г., со в кислой среде, что невозможно, например, при использовании такого широко применяемого реагента, как 4-(2-приридилазо)-резорцин.

1.4

1.3

б)

1 1

3 3 3

2 2 2

750

1500

2250

, С

Рис. 4. Зависимость термолинзового сигнала от времени при определении марганца (II) в потоке при помощи ксилено-лового оранжевого (С = 1 • ю-5 М) до (а) и после (б) фильтрации шумов. Скорость потока 1 мл/мин. Объем пробы 80 мкл.

В ряде случаев вследствие достаточно сильных флуктуаций различной природы определение аналитического сигнала непосредственно из исходных данных представлялось затруднительным. Для решения этой проблемы проводилась предварительная фильтрация экспериментальных данных при помощи специального алгоритма с использованием БПФ. Такой подход давал положительные результаты (рис. 4), так как в системах подачи растворов, сходных с использовавшейся, достаточно большой вклад в пове,пние сигнала вносят флуктуации, имеющие по своей природе периодический характер (конвекция, пульсации насоса и т.п.), при этом частоты, соответствующие шумам и полезному сигналу, существенно отличаются. Фильтрация проводилась в три этапа: расчет Фурье-спеитра исходных данных (прямое БПФ); выделение частот, несущих полезную информацию, из полученного

спектра при помощи специальной функции-фильтра (подавление шумов); формирование массива сглаженных даннных (обратное БПФ).

ВЫВОДЫ

1. Создан двухлучевой термолинзовый спектрометр с использованием аргонового ионного лазера для индуцирования термолинзы и многоканальной системой регистрации сигнала на базе оптического анализатора омл-2. Осуществлено сопряжение спектрометра с персональным компьютером, разработан алгоритм обработки- данных многоканальной системы регистрации, включающий сглаживание экспериментальных данных методом быстрого преобразования Фурье, коррекцию на мощность излучения' индуцирующего лазера, расчет метрологических характеристик..Минимальная детектируемая оптическая плотность 1-Ю-5, линейный динамический диапазон аналитического сигнала 0.005 - 14, минимальная величина относительного стандартного отклонения о.ооа. Данный спектрометр может применяться для анализа стационарных образцов.

г. Создан двухлучевой термолинзовый спектрометр с использованием аргонового ионного лазера для индуцирования термолинзы и одно-канальной системой регистрации сигнала. Управление режимами работы, сбором, обработкой данных осуществлялось в режиме реального времени 'персональным компьютером (время отклика 0.5 - 2 с). Минимальная детектируемая оптическая плотность 1-ю-6, линейный динамический диапазон аналитического сигнала о.оог - 13, минимальная величина относительного стандартного отклонения 0.01. Данный спектрометр может применяться как для анализа стационарных, так и проточных образцов.

3, Для обеспечения автоматизации процесса термолинзового детектирования для созданных спектрометров разработан пакет » специального программного обеспечения. В программах предусмотрены специальные алгоритмы для процесса юстировки термолинзового спектрометра и двух режимов детектирования - в стационарных условиях (одноканалькая, многоканальная системы регистрации) и в потоке (одноканальная система). Программное обеспечение позволяет в достаточно полном объеме проводить статистическую обработку результатов.

4. Разработаны термолинзовые методы определения:

Молибдена роданид-ионами: предел обнаружения 7- ю-" м, диапазон определяемых содержаний ч.з-ю-10- з.б-ю-» м, минимальная величина относительного стандартного отклонения 0.03-0.05 (для различных объектов).

* Висяута иодид-ионами: предел обнаружения 5-ю-" м, диапазон определяемых содержаний 2.8-ю-»-4.8-ю-5 м, минимальная величина относительного стандартного отклонения 0.03-0.04 (для различных объектов).

Г' Теофиллина по реакции образования производных амалиновой ;:ислоты: предел обнаружения 2-ю-' н, диапазон определяемых содержаний 5-ю-9- 8.4-ю-6 н, минимальная величина относительного стандартного отклонения о.оз.

£ Ацетихолина дипикриламином, основанный на экстракции образующегося ионного ассоциата дихлорметансм: предел обнаружения б -ю-' м, диапазон определяемых содержаний 2-ю-«- 1.?-ю-«м, минимальная величина относительного стандартного отклонения о.ог. Диапазоны определяемых содержаний термолинзовых и соответствующих спектрофотометрических методов перекрываются, .что позволяет проводить определение соответствующих веществ в суммарном диапазоне концентраций не менее пяти порядков.

5. На ряде модельных систем изучено влияние скорости потока, температуры и природы растворителя на воспроизводимость и чувствительность термолинзовых измерений в потоке. Исследовано влияние способа подачи растворов, формы, длины и температуры проточного реактора на метрологические характеристики спектро-фотометрического и термолинзового определения в потоке тяжелых металлов (м, в:, Со, сг, Си, р. (ii, iii), Мп, иа, " ы;. рь, Рг, Хп) при помощи ксиленолового оранжевого и 1-(2-тиазолилазо)-резорцина в водных и водно-этанольных средах. На базе проведенных исследований предложены методы определения этих металлов с пределами обнаружения (о.5 + 7) • Ю-7 И, диапазоном определяемых содежаний 1.5 + 2

... порядка и минимальной величиной относительного стандартного отклонения 0.03 + 0.07.

Основные результаты диссертации изложена в следующих работах:

1. Аброскин А.Г., Проскурнин М.А., Филичкина В.А. Определение микроколичеств металлов методом лазерной термолинзовой спектрометрии / В сб. "Тезисы докладов xvii Межвузовской конференции молодых ученых "Инструментальные методы анализа". Л.: 1990. С. 12.

*г. Аброскин А.Г., Проскурнин М.А., Барбалат Ю.А., Иванова Е.К. Оптимизация параметров двухлучевого термолинзового спектрометра с многоканальной системой регистрации / В сб. "Тезисы докладов Всесоюзной конференции по аналитической химии". Донецк: 1990. С. 220.

3. Аброскин А.Г.. Проскурнин М.А., Барбалат Ю.А., Иванова Е.К. Двухлучевая термолинзовая спектрометрия с многоканальной системой регистрации // Журн.аналит. химии. 1991. Т. 4в. J5. Б С. 870-877.

4. Аброскин А.Г., Беляева Т.В., Иванова Е.К., Маякова С.Г.. Проскурнин М.А. Определение микроколичеств теофиллина методами спектрофотометрии и лазерной термолинзовой спектрометрии // Журн.аналит.химии. 1991. Т. 4S. Л. 6. С. II99-I205.

5. Abroskin A.G., Barbalat Yu.А., Belyaeva Т.V., Ivonova Е.К., Proskurnln Ы.А., Savostina V.M., Filichklna V.A. Application of Thermal Lens Spsctronetry to the Determination of Theophylline // Mend. Сокюип. 1991. V. 1. N. 2. P. 57-58.

6. Аброскин А.Г., Артемова С.И., Беляева Т.В., Иванова Е.К., Проскурнин М.А. Определение нанограммовых количеств молибдена а природной воде методом лазерной термолинзовой спектроскопии П Журн.аналит.химии. 1992. Т. 47. 3. С. 545-547.

7. Fillchkina V.A., Abroskin А. С., Proscurnin М.А., Savo3tina V.M. The Determination of Transition KetalB of 8th Group ic Pure Cadaiuia by Dual-Beam Thermal Lens Spectroiaetry. / In book "3rd IUPAC International Symposium on Analytical Choralstry in the Exploration, Mining, and Processing of Materials". UltJTEK, Johannesburg, South Africa; 1992. P. 105.

8. Abroskin A.G., Belyaeva Т. V., Fillchkina V.A., Ivanova E.K., Proscurnin U.K., Savostina V.M., Barbalat Yu.A. Thermal Lens Spectrometry In Trace Metal Analysis // Analyst. 1992. V. 117. N. 12. P. 1957-1962.