РЕАГЕНТНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ БЛИСТЕРНОГО ЭКСПРЕСС-ТЕСТИРОВАНИЯ И ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФАТ-ИОНОВ ИЗ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ ВОДНЫХ ПРОБ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

-з

На правах рукописи

ЖЕВНЕРОВ Алексей Валерьевич

РЕАГЕНТНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ БЛИСТЕРНОГО

ЭКСПРЕСС-ТЕСТИРОВАНИЯ И ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФАТ-ИОНОВ ИЗ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ ВОДНЫХ ПРОБ

Специальности: 02.00.01 - неорганическая химия, 02.00.02 - аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре неорганической и аналитической химии Российского государственного аграрного университета РГ АУ-МСХА имени К А Тимирязева

Научный руководитель Консультант

доктор химических на\'к, профессор Д А Князев доктор химических наук, профессор В М Иванов

Официальные оппоненты

доктор химических на\тс, профессор Ю М Дедков кандидат химических наук, старший научный сотрудник А В Михайлова

Ведущая организация Российскии химико-технологический

университет имени ДII Менделеева

Защита диссертации состоится /3 июня 2006 г в ' {5" часов 00 минут на заседании диссертационного совета К220 043 04 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К А Тимирязева по адресу 127550, Москва, Тим»" < ая ул, 49

С диссертацией можно о" >ся в библиотеке РГАУ-МСХА имени К А

Тимирязева

Автореферат ^ > і -/І- ' мая ' '> г Ученый секретарь диссертационного Сч, ;га

Кандидат химических наук Г П Токмаков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Тест-методы постепенно приобретают все большее значение во всех областях химического контроля. Чаще всего тест-методы используют для предварительной оценки наличия и содержания химических веществ непосредственно там, где находится анализируемый объект. Фосфор — один из наиболее часто определяемых элементов и потому разработка быстрого и простого метода его определения очень нужна. Почвенные вытяжки, физиологические жидкости, питьевая вода, сточные воды а также вода прудов, рек и озер — вот неполный список объектов определения фосфора.

В настоящей работе предложена готовая к использованию смесь реагентов для блистерного псшуколичественного экспресс-определения фосфат-ионов в водных средах. Она может быть также использована для количественного фотометрического, определения фосфат-ионов. Концентрирование сухих аналитических реагентов на поверхности сорбента - перспективный и успешно зарекомендовавший себя метод получения тест-систем. В качестве носителя использован силикагель, выбор которого как носителя стал результатом предварительных испытаний ряда других сорбентов и был определен его высокой сорбционной способностью в отношении реагентов, его химической и гидролитической устойчивостью, отсутствием собственной окраски, а также доступностью и дешевизной.

Цель работы. Основная цель работы состояла в разработке полуколичественного визуального тест-метода определения фосфора в малом объеме блистерной ячейки. В ходе работы выявлена возможность применения разработанной тест-россыпи для количественного спектрофотометрического определения. Достижение этих целей предусматривало решение следующих задач: ► Выбор условий проведения цветной реакции с образованием синей

гетерополи кислоты при условии при генения сухЙГА подбор сухтр

реагентов, их соотношений и носителя I лядеапййШ! А'. 1"{1миРязвва

^ ЦНБ имени «.И. Железнова

ияжкт_

► Изучение химико аналитических свойств, смеси россыпей реагентов, кинетики реакции образования молибдофосфорной гетерополикистоты (МФК) (восстановленной и невосстановленной), а также условий сохранения образующейся окраски

► Разработка цветной шкалы для тест метода с привлечением ботьшого числа испытателей

► Изучение применимости россыпей для количественного фотоколориметрического определения фосфат-ионов

Научная новизна. Изучена возможность применения ' сухой" россыпи с использованием силикагеля для полуколичествешюго и количественного определения фосфора Экспериментально подтверждена возможность применения сорбированных на силикагеле реагентов для проведения реакции образования МФК в восстановленной и невосстановленной формах Выявлены условия протекания аналитической реакции и условия хранения ютовой россыпи Показано, что в подобранных устовиях реагенты сорбируются силикагелем, что предотвращает их преждевременное взаимодействие и способствует длительному хранению смешанной россыпи в состоянии стартовой готовности Оптимизированы условия изготовления химически модифицированного различными реагентами силикш'еля

Практическая значимость работы. Впервые предложен блистерно-колориметрическии ко ютественный метод определения фосфат-ионов из малых (3 капли из глазной пипетки) объемов анализируемого раствора Проведена оценка аналитических возможностей нового блистерного визуально-капельного тест-анализа на фосфат-ионы в водных средах Апробация разработанного блистерного полуколичественного тест-метода на фосфат-ионы осущесгвлена на почвенных вытяжках, природных водах различного происхождения, пищевых продуктах, биологических жидкостях и водных растворах В ходе выполнения работы разработан способ построения колористической шкалы, который может быть применен для разработки других тест-систем Разработанный способ

воспроизведен с привлечением свыше четырехсот испытателей, что позволило судить о правильности получаемых с его помощью результатов. Положения, выносимые на защиту:

► Свойства реагентных россыпей для получения восстановленной формы МФК,

применяемой для блистерного экспресс-определения фосфат-ионов в блистерных ячейках.

► Изучение условий протекания реакции образования и восстановления МФК с применением щдросульфата калия в качестве кислотообразующего вещества.

► Оптические и цветометрические характеристики восстановленной МФК, полученной с использованием реагентной россыпи.

► Способы получения тест-россыпей различных составов и составы смешанных реагентных россыпей для экспресс-тестирования.

►Методика построения и корреляции колористической шкаты для

полуколичественного определения 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. По материалам диссертации опубликована 1 статья и 3 тезисов докладов. Две статьи прошли рецензирование в журнале аналит. химии и находятся 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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Обзор литературы

Обсуждены имеющиеся способы определения фосфат-ионов в различных объектах с применением инструментальных, полевых и тест методов Кратко проанализированы возможности спектрофотометрических, хроматографических и других инструментальных методов определения фосфора. Особое внимание уделено фотометрическому анализу и экспресс-тестированию Рассмотрены границы определения количественного содержания и влияние мешающих примесей при проведении спектрофотометрических опредетснии с использованием восстановленной формы МФК

Экспериментальная часть

Поиск реакции, способа и условий визуального тестирования фосфат-ионов. Исходной идеей работы являлось совмещение тест россыпи с проведением тест-определения непосредственно в малом объеме ячейки и гшстера Ввиду плохой различимости желтых оттенков с самого начала было решено использовать восстаношюнную форму МФК Более яркий синий цвет восстановленной МФК по сравнению с невосстановленной позволял предполагать, что будет возможно ее использование в гест-методе с достаточно малым объемом пробы (1-4 капель исстсдуемой жидкости)

В основу взята реакция образования восстановленной формы МФК, состоящая из двух основных стадий 1 Образование невосстановленной МФК в кислои среде 2 Восстановление МФК.

При выборе восстановите м были учтены следующие критерии 1 устойчивость в кристаллическом состоянии и в виде растворов различных концентраций, 2

вещество не должно быть токсичным; 3. оно должно быстро и количественно растворяться в воде, 4; растворы не должны иметь собственной окраски и должны сочетаться с другами компонентами россыпи; 5. рН этих растворов должны быть в пределах кислотного режима реакции образования МФК.

Рассматривали также следующее три возможности создания кислой среды:

1. Сильное изменение коэффициентов активности за счет увеличения ионной силы (присутствия аниона [М07О24]6") позволяло надеяться, что органические кислоты средней силы в этих условиях могут сильно увеличить кислотность (концентрацию Н*).

2. Высокие концентрации ионов НГ, получали также путем вытеснения этих ионов из двухосновных органических кислот при хелагообразовании с участием бесцветных катионов (Ре2+, Мп2+, 2л2+).

3. Третья возможность состояла в отыскании кристаллической соли в которой не все ионы водорода замещены нонами щелочных металлов (№*, К*) или в нахождении таких солей поликислот, которые при гидролизе поставляют в раствор ионы Н\

В ходе исследований было показано, что гидросульфат натрия обеспечивает хорошую динамику образования восстановленной МФК и воспроизводимость результатов определения фосфат-ионов в водных растворах.

Россыпи с гидросульфатом натрия хорошо сохранялись и сочетались с другими компонентами россыпи. Было оценено время для завершения реакции в оптимизированных условиях. Оно составляет 5 мин (рис. 1.). В дальнейшем подбор других компонентов россыпей осуществляли только с применением

ЫаШ04.

0,6

А

Рис. 1. Зависимость оптической плотности А от концентрации сСРО,)3") с экспозицией »1, А5 и «20 мин при рН 1,4.

о

0 2 4 6 8 10 12 И 16 С фосфат-мюа, ж!л

Исследованы бензидин, хлорид олова(П) соль Yfopa и аскорбиновая кислота в присутствии антимонилтартрата калия Выявлено, что SnLl- в качестве восстановителя МФК в наших условиях непригоден Он мало растворим в воде, и поэтому не может быть количественно переведен с поверхности силикате тя в реакционный раствор Кроме того, реакция с использованием SnCl2 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 1-е'* ,что вызывало проблемы, связанные с окислением до Feu и образованием сини в отсутствие фосфора (изоноликомплекс) 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 »кспериментов были подобраны оптимальные условия нанесения аскорбиновой кислоты на силикагель ввиду ее неустойчивости при повышенных температурах

Определяли содержание фосфат-ионов в воде и почвенных вытяжках с использованием гидросутьфата калия в качестве кислотообразующего реагента (табл 1)

Уравнения градуировочных графиков

А = 2,1231с - 0,0013 (стандартная методика слектрофотометрического

опретеления) А =2 0729с 0,0099 (предложенная методика)

Таблица 1. Результаты определения фосфора (РО<3 мг/ЮОг) в почвенных вытяжках (n=5, Р = 0,95)

кризангемы

________.__J

Стандартная I 0047*000194 | О^П^ОООЗЧ | 0026*000207 Видоизмененная j О05""i-000144 ! 0^)^00039 .' 0Q28±0002W I

No 4 розы

хризантемы

Выбор условий нанесения реагентов на силикагель. Критерии выбора.

При сорбции реагентов на силикагеле важно было найти оптимальные режимы сорбции веществ в виде водных или неводных растворов. Для силикагелей характерны большая величина поверхности (5-800 м2/г) и высокая пористость, хорошая термостойкость, незначительная собственная каталитическая активность и экологичность.

Силикагель был использован ранее в качестве носителя для создания россыпей и таблеток различного состава для полуколичественного определения ИОз" и ЫСЬ" • При иммобилизации реактивов на поверхности силикагеля важно выбрать правильный температурный режим, а также время вакуумирования силикагеля, время выдерживания силикагеля при данной температуре. В ходе экспериментов мы пришли к выводу о необходимости раздельного насыщения силикагелей индивидуальными реагентами, с последующим их порционированием в тест-россыпь. Это вызвано необходимостью исключить преждевременный контакт и взаимодействие реагентов друг с другом.

Выбор температуры нанесения основывали на температурном ходе растворения индивидуальных веществ — увеличение концентрации при более высоких температурах позволяет сорбировать большое количество вещества.

Нанесение реагентов на поверхность силикагеля позволяет изолировать каждый из реагентов до момента протекания химической реакции. В то же время важным обстоятельством является кинетика перехода сорбированных реагентов из сорбента в раствор, а также количественные соотношения всех реагентов в растворе.

Было выявлено, что вакуум ирование в течение 10 мин способствует выделению пузырьков газа при прибавлении к россыпи анализируемых растворов. Это позволило обойтись без перемешивания системы во время проведения тест-определения и тем самым упростить процедуру.

Исследование составов и свойств тест-россыпи, при различных соотношениях масс компонентных россыпей. Составление комбинированного тест-реагента. Для выявления сроков хранения тест-россыпей исследовали свойства россыпей в течение 6-ти месяцев с периодичностью контроля — одна

нечата В ходе эксперимента изучали не точько физические свойства, но и аналитические характеристики тест россыпи С этой целью герметично закрытые порции россыпи вскрывали, описывали внешние изменения и проводили тест-определение фосфат-ионов с применением колористической шкалы

В ходе экспериментов было выявлено, что наилучшим вариатам россыпи являются серии Р 3-12 и Р 12-14 (табл 3) Однако совмещение всех компонентов в одной россыпи приводило к развитию окраски раствора при отсутствии фосфат-ионов Это происходило чибо в течение нескольких минут ІІОС1Є добавления испытуемого раствора, чибо через несколько суток в сухой россыпи Исследовали россыпи, составленные из индивидуальных компонентов

Каждый компонент универсальной силикате іьной россыпи включал топь ко один реагент, что позволяло полностью избежать нежелательного взаимодействия этих реагентов до начала аналитической реакции Таким образом, была предпринята попытка изолировать каждый компонент в отдечьной россыпи и в то же время контролировать дозирование компонентов при создании тест-системы для полу количественного визуального тестирования и для количественного определения содержания фосфат-ионов в растворе

Цветометрпчсские характеристики тесг-сисгемы. Цветометрические характеристики тест-системы представляют интерес в плане расширения возможностей опредетения фосфат-ионов с использованием цветометрических функций (ЦФ) К этим функциям относятся координаты цвета Методом наименьших квадратов были линеаризованы зависимости и вычислены уравнения прямых ЦФ ~ а - ее и найдены коэффициенты уравнений Интерес представляют все приведенные функции, в частности белизна — (табл 2) Таблица 2 Коэффициенты уравнения ЦФ — а^ Ьс для растворов фосфат-ионов

IЦФ |К |Г У 2 I |1 |В 15 |0 , № Г— —I______I

а I

О 8731 I 8744 ! 91 58 I 103 З I 9735 ■ 3 93 ' 3 70 ^295 і 1489 ' 96 і'

О-

¡в | -0 006 і -05* I -ОК | 0-39 0.28 -007 | -0 20 [о 160 т^ 060 [-032 ( 1 18

6 56

Использование цветометрических функций позволяет повысить чувствительность определения фосфат-ионов по сравнению с фотометрическим методом. Это в первую очередь связано с тем, что коэффициенты а на несколько порядков превышают молярные коэффициенты светопоглощения е. Эти коэффициенты позволяют корректировать диапазон определяемых концентраций фосфат-ионов.

Таблица 3. Некоторые варианты составов россыпей для экспресс-тестирования __РР43' на основе гомогенизированных смесей._

Компоненты или свойства Состав россыпи, в масс. %

РЗ-12 Р 4-10 Р 12-14 Р 16-13 Р 18-22

Реагенты (КНчУИоЛ^НзО . 2,5 4,0 4,0 5,5 4,0

К(5ЬО)С4Н406»0,5Н2 о 0,48 0,55 0,55 0,8 0,85

КНБО, 12,5 12,5 18,6 18.6 18,6

Виннокаменная кислота С4Нб08 1,25 1,55 0,8 0,0 0,8

Аскорбиновая кислота с6н«о6 1,25 0,85 1,0 из 1,25

КаНБО, 14.2 14,2 24,2 24,2 24,2

Носитель Снпикагель марки СЬетаро1 Ькхмоо 64,3 66,5 58,2 52,4 53,8

Результаты испытаний Экспозиция, сутки 21 21 21 60 90

Гигроскопичность нет нет нет нет Нет

рН 1,4-1,6 1,4-1,6 1,4-1,8 1,8-2,1 1,8-2,0

Окраска с 3 каплями раствора РО/\ 80 мг;л Темно-синяя Темно-серо-синяя Темно-синяя Черно- СИНЯЯ Черно-синяя

Окраска с 3 каплями раствора РО,!", 0 мг/л Бледно-голубая СвЁая бгето готубая Голубая Бледно-голубая Бледно-голубая

Примечание Окраоа рвяшвэтся втечэде первой Оибая описка Окраоа ргв№йета В 1КДОЧО Вмрапламяи КЗДНфОфОСГ окреоси Вкроткжяи нодяодтъ окраски

Применение аналитической реакции для полуколнчественного определения фосфат-ионов. В предлагаемом методе в качестве реакционного сосуда используют блистерную ячейку, а в качестве эталона - колористическую шкалу. При этом исключается главная проблема измерений — отсутствие многочисленных подготовительных стадий. Необходимо лишь вскрыть ячейку и прибавить 3 капли исследуемого раствора и через 3-5 мин сравнить образующуюся окраску раствора с оттенком на колористической шкале.

Сильно затрудненным оказались построение цветной шкалы для фосфат-ионов и последующие операции по приданию ей надлежащей чувствительности и достаточной дифференцирующей способности при визуальном тестировании Это потребовало изменения методики всей работы по созданию шкалы Поскольку методика создания цветных шкал доя визуального табчетно-колориметрического экспресс-опредетения в титературе вообще не описана, для простоты последующего изложения изложим сначала более простой вариант, пригодный в случае сильного изменения цвета проб при росте концентраций

В предварительном исследования было найдено что отношение различимых концентраций приблизительно постоянно в интервале от 0 50 до 30 мг/л по оксиду фосфора (V) Это отвечает практическим целям нашей разработки, так как верхний [федел концентраций фосфат-ионов в почвах близок к 50 мг/т, то есть к содержанию в тепличных образцах почв под культурами с высокой потребностью в усвояемом фосфате (подразумевается применение стандартной водной вытяжки)

Следовало убедиться, что различимость цвета - реальное свойство человеческого зрения Поэтому было принято решение провести массовое испытание следующей шкалы концентраций 0,5, 1,0, 2,5, 5,0, 10, 20, 30 мг/т Р04'. При этом объективную оценку свойств градуировочной шкалы мопо дать только привлечение большого числа "наивных' наблюдателей, то есть студентов

На первом этапе градуировочная шкала не обладала требуемыми свойствами Числа попадания оценок в графы с положительными и отрицательными номерами шага располагались асимметрично, хотя увеличение номера шага и в тевой, и в правой частях эмпирических распределений для каждой концентрации не имеет значимых отклонений от монотонного хода с ростом номера шага Главными препятствиями на пути к этим целям являлись незнание закона распределения погрешностей и неопределенность природы аргумента «х» функции распределения погрешностей 1Р(х) Чтобы принять ту или иную гипотезу о законе распределения погрешностей, была построена гистограмма, на оси абсцисс которой откладывали номер шага, а по оси ординат - нормированную по числу измерений сумму чисел отклонений по всем концентрациям Эта гистограмма показана на рис 2 Она близка

к лошормальному распределению, хотя число измерений было не очень большим (около 200)

В рамках гипотезы о логнормальном распределении мы осуществили коррекцию положения центра тяжести гистограммы Его положение было найдено как среднее арифметическое средних точек шагов (-1) и (+1) х(иетр)=0,5х(-0,99+1,32)=0,16

1

: -«fí- -

1—

Г CL

fe" , tof i -

......1.... .... itfSvw.t..". ь

Рис. 2 Гис-отрамча графического распределения погрешностей при

Поскольку экспериментальная

гистограмма близка к тогнормальному

и i 1 » 1 t»4 распределению, был сделан вывод о

приемлемости этой гипотезы для дальнейшего изучения функции vF(íog t)

На основании полученных результатов было предпринято расширенное изучение функции распреде тения погрешностей с откорректированной шкалой абсцисс Эю также проводившееся с гтривлечением наивных наблюдателей - студентов исследование име ю следующие отличия от прокомментированной первой стадии

1 Сглаженная градуировочная цветная шкала получила смещенную вправо разметку концентрации на 0,16 в единицах десятичных чогарифмов концентраций (О 16 lg<_) стем,

чтобы избежать систематических завышений концентраций наблюдателями

2 Был установлен вдвое меньший шаг, равный 0,1505 = 0,Slg2 с тем, чтобы попытаться повысить дифференцирующую способность способа и снизить его погрешность Соответственно было у неточено чисто окрашенных бумажных полос

3 Диапазон измеряемых концентраций был расширен в сторону их высоких значений, чтобы попытаться увеличить область возможных применений способа Таким образом, рабочий интервал шкалы разумно определить как [0 5, 61,7] и дальнейшее рассмотрение и обработку ограничить только им Как видно из табл 4

и рис.3, удовлетворительно описать экспериментальную кривую распределения погрешностей удалось лишь в предположении полимодального логнормального распределения (рис.4).

РисЗ. Кривая распределения погрешностей. Гистограмма - экспериментальные результаты. Аппроксимирующая кривая построена по уравнению (1).

4 4 J

Рис. 4. Разложение суммарной аппроксимирующей кривой на слагаемые составляющие правой части уравнения (1). —»

т [

\

Л \

f

S \\

к

Эта полимодальная функция имеет следующий общий вид: Ч4х}=0,31¥{3х/ст} +0,47Р{х/а} + 0,11Ч'{0.8(3-хУа} + 0,11Ч'{0,8(3+хУ<у} (1) где х = Ige, ст = 0,51g2 = 0,1505, а функции суть стандартные функции нормального распределения погрешностей. vF(t)=2/(27t) exp(-t/2)dt

Первое слагаемое правой части уравнения (1) вносит основной вклад вблизи нуля, то есть при малых значениях аргумента х, а второе при больших. Первое слагаемое обусловливает приподнятость функции распределения вблизи нуля. Оно и является причиной того, что экспериментальная кривая лучше соответствует задаче точного визуального определения концентраций, чем это следует из простого логнормального закона. Третье и четвёртое слагаемые свидетельствуют о наличии существенного рассеяния визуальных тест-определений на левом и правом краях основного массива тестов. Вероятно, присутствие этих слагаемых является свидетельством недостаточной ответственности части наблюдателей, но вряд ли они говорят об отсутствии у них способности различать оттенки. Аналогично

первое слагаемое, по-видимому, указывает на присутствие среди наблюдателей ответственных людей с высокой способностью различать оттенки синих и голубых тонов. Выраженные предположения о причинах полимодального характера рассеяния неточных определений нельзя считать, сколько ни будь доказательными.

Это скорее постановка вопросов. Их решение требует дополнительных исследований, сопряжённых с необходимостью предварительного обследования зрения наблюдателей и с выявлением желающих участвовать в этой работе.

Таблица 4. Результаты исследования распределения погрешностей при визуальном определении концентраций фосфат-ионов "наивными" наблюдателями с помощью исправленной шкалы. ___

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

1 1 4 8 20 50 17 7 3 3 1

\ 4 3 4 14 51 17 10 4 6 3

1 2 8 10 15 43 17 9 5 2 -

4 4 11 14 48 15 4 9 2 1

1 5 4 10 12 54 14 10 4 6 1

- 4 10 14 43 12 4 8 2

1 - 8 6 13 51 14 9 б 2

1 4 6 8 14 49 13 10 6 -

3 4 6 ¡2 54 12 6 8 2

1 - 4 10 13 42 12 8 5 2

1 4 - 5 14 53 12 4 6 1

1 3 - 6 12 43 11 9 4 2 -

4 3 9 14 42 15 13 4 8 2

1 - 3 7 14 45 12 4 9 4 1

1 - 4 7 12 50 13 6 6 - 2

Примечание. Каждая концентрация шага соответствует изменению концентрации в 1.4 раза. Отрицательные шаги свидетельствуют о занижении концентрации, а положительные — о завышении концентрации.

Разработка методики количественного определения фосфат-ионов в сельскохозяйственных объектах и физиологических жидкостях. Блистерная колориметрия. Исследован процесс образования восстановленной МФК при взаимодействии реагентов, находящихся в универсальной тест-россыпи в объеме блистерной ячейки (рис.5) и определены оптимальные объемы анализируемого раствора и соотношения индивидуальных россыпей—реагентов. Оптимизированы

количества компонентов россыпи для определения фосфат-ионов в объеме, необходимом для заполнения кюветы, толщиной 5 мм.

Измерения проводили, используя кювету толщиной 1 см на спекгофотометре

Бресопі М40.

Рис. 5. Спектры поглощения растворов с различным содержанием фосфат-ионов при использовании реатентной россыпи. 1- 0,5; 2 - 1,0; 3 - 3,0; 4 - 6,0; 5 -10,0; 6 -12,0 и 7-

15,0мг/лРО4 .

Максимум поглощения находится в области 820 нм. Переведя концентрации фосфора в молярную концентрацию, получаем следующие значения молярных коэффициентов поглощения: 8=1608 (5,0мг/лЮ43"). «= 14Ю (10,0мг/дРО,3"), е=1495 (18,0мг/лРО43") Для количественного определения находили оптимальный промежуток времени перед фотометрированием растворов. На рис. 6 представлена зависимость изменения оптической плотности от времени экспозиции растворов.

0.6 0.5

М

«аз 0.2 0.1 о

4 6 8 10 12 С фосфгт-жжов, мг/л

Рис. 6. Зависимость оптической плотности от концентрации фосфат-иона: ♦ - сразу после разбавления, - — через 5 мин, Ж- через 10 мин, ■через 30 мин.

При спектрофотометрія еском

определении фосфат-ионов в виде восстановленного МФК оценивали мешающие

влияния посторонних ионов. С этой целью исследовали растворы фосфат-ионов с добавлением и без добавления мешающих компонентов и без. Результаты изучения

селективности реакции приведены в табл. 5. Силикат-ионы не создают помех при концентрациях до 5 мг/л. Более высокие концентрации завышают результат. Арсенат-ионы вызывают окрашивание, подобное окрашиванию от фосфата.

Таблица 5. Влияние посторонних ионов на блистерно-колориметрическое определение фосфат-ионов ( введено 2 мг/л РО43", п=3, Р= 0,95).

Посторонний ион Концентрация, мг/л Найдено фосфат-иона, мг/л

БЮ/ 5.0 2.1±0.1 0.05

82- 2.0 1.9*0.1 0.05

Г 70.0 1.9±0.1 0.05

N02" 3.0 0.8±0.1 0.1

IV- 20.0 2.ЫХ1 0.01

Влияние можно устранить восстановлением арсената до арсенита тиосульфатом натрия. До 2 мг/л допустимо присутствие растворимых сульфидов; до 70 мг/л фторидов. При концентрации нитрита (в пересчете на азот) выше 3,3 мг/л, раствор обесцвечивается. Для устранения влияния нитрита вводят небольшой избыток сульфаминовой кислоты. Железо незначительно влияет на интенсивность окраски (при содержании железа до 20 мг/л погрешность меньше 5%). До 25 мг/мл железа можно маскировать ЭДТА.

Определение фосфат-ионов в почвенных вытяжках и физиологических жидкостях. Разработанную методику можно использовать для определения фосфат-ионов в почвенных вытяжках, физиологических жидкостях и в продуктах питания. По разработанной методике проанализированы образцы почв, питьевая вода и образцы мочи.

Вода. Используя подход «введено — найдено», определяли фосфат-ионы в воде с применением стандартной [45] методики и методики, предложенной нами. Результаты приводятся ниже.

Введено Р043" мг/л 0 1,0 2,0 5,0 15,0

Найдено Р043" мг/л 0,5 1,1 ±0,06 2,1 ±0,1 5,2 ± 0,3 16,0 ±0,4

Почвенные вытяжки. В почвенных вытяжках фосфат-ионы определяли, используя предложенную методику, и контролировали правильность с применением стандартной методики (табл. 6). Образцы почв брали из теплиц с хризантемами - (почва № 1 и №2) и розами (№3).

Таблица 6. Результаты определения фосфат-ионов в образцах почв (п = 3, Р = 0,95).

Почва Стандартный метод Предлагаемый метод

Найдено, мкг/кг Найдено, мкг/кг

Почва №1 225 2,40 0,066

Почва №2 4,20 4,15 0,011

Почва №3 4,80 4,95 0.031

Моча. При определении фосфат-ионов в моче ее предварительно разбавляли в 20 раз. В результате стандартным методом в моче (суточный сбор) было определено 240 мг/л, предлагаемым 245 мг Р043\

Напитки. Содержание фосфорной кислоты, добавляемой при изготовлении газированных напитков определяли с помощью предлагаемой методики. Так, в напитке "Sprite" (разбавление в 100 раз) стандартным методом определено 800 мг/л РОД предлагаемым — 820 мг/л, в воде "Колокольчик" (разбавление в 100 раз) стандартным методом определили 1050 мг/л ЮД предлагаемым - 1080 мг/л, sr -0,025 и 0,028 соответственно.

Из приведенных результатов видно, что различия в содержаниях фосфат-ионов, определенных стандартными методами и предложенным, незначительны. Это позволяет утверждать, что разработанная методика пригодна для количественного определения фосфора в различных объектах — почве, физиологических жидкостях, пищевых продуктах.

ВЫВОДЫ

1. В результате систематического анализа литературных данных по методам определения фосфора показано, что наибольший практический интерес представляют фотометрические методы определения фосфат-ионов в растворах и прежде всего — фотометрия восстановленной молибдофосфорной

18

гететерополикислоты (МФ ГПК) Сведения о свойствах восстановленной форме МФ ГПК хорошо изучены в различных литературных источниках

2. Показана возможность использования гидросутьфата калия в качестве кислотообразующего реагента найдены оптимальные условия образования восстановленной формы МФ ГПК в отсутствие минеральных кислот и предложен принципиально новый метод определения фосфат-ионов с применением этого вещества

3. Спектрофотометрически изучены условия образования восстановленной (синей) формы МФ ГПК с применением гидросу п>фата калия Метол апробирован при количественном определении фосфат ионов в почвенных вытяжках

4. Предложена методика построения и корреляции колористической шкалы для определения фосфат-ионов с привлечением «наивных наблюдателей» Методика позволяет корректировать положения точки отсчета и шаг изменения цветовых оттенков что позволяет варьировать диапазон определяемых концентраций фосфат-ионов

5. Применительно к водным растворам, почвенным вытяжкам, физиологическим жидкостям и питьевой воде предложен блистерно-колориметрическии способ полуколичественного определения фосфат-ионов

6. Предложенный полуколичественный блистерно-колориметрическии способ модифицирован в количественный фотометрический и позволяет определять фосфор в различных объектах без приготовления растворов реагентов используя россыпь, упакованную в ампу IV или блистер Показана достаточная для практических целей надежность предлагаемого экспрессного метода

7. Изучено влияние условий проведения блистерного анализа (компонентов россыпи, мешающих влияний) на условия образования окрашенных растворов и устойчивость растворов

8. Изучены цветометрические функции (ЦФ) универсальных тест-россыпей, содержащих реагенты в стехиометрических соотношениях тля проведения аналитической реакции

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях

1. ДА Князев., A.B. Жевнеров, О.К.Зайцев, СА.Шафаревич, А.М. Маринов. Методика построения градуировочной шкалы для визуального экспресс-анализа на фосфат-ион. // Изв. ТСХА. Вып.1.2004. С. 141-146.

2. Д.А. Князев, D.M. Иванов,. ЮА. Золотов, A.B. Жевнеров, В.Д. Князев, И.В. Дайдакова, В.М. Маркина. 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.

3. ДА. Князев, В.М. Иванов, Ю.А. Золотов, A.B. Жевнеров, С.А. Шафаревич, В.Д. Князев. 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.

4. ДА. Князев, В.М. Иванов, ЮА. Золотов, AB. Жевнеров, В.Д. Князев, И.В. Дайдакова. 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.

Объем 1,25 печ л

Зак 305

Тираж 100 экз

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им К А Тимирязева 127550 Москва у і Тимирязевская, 44