Вольтамперометрический контроль показателей токсичности и биологической ценности кормов и кормовых добавок тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

ДЕРЯБИНА ВАЛЕНТИНА ИВАНОВНА

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОКСИЧНОСТИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ КОРМОВ И КОРМОВЫХ ДОБАВОК

Специальность 02.00.02. - аналитическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

6 НОЯ 2014

Томск - 2014

005554424

Работа выполнена на кафедре физической и аналитической химии федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Слепченко Галина Борисовна

Официальные Носкова Галина Николаевна

оппоненты доктор химических наук,

Ведущая организация: Московский государственный университет

тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

Защита состоится «29» декабря 2014 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д.212.269.04 при ФГАОУ ВО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск пр. Ленина, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГАОУ ВО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск, ул. Белинского, 55 и на сайте http://portal.tpu.ni/council/911МогкИз1

Автореферат разослан « » Н^^/^ 2014 г

Ученый секретарь диссертационного совета

ООО «Научно-производственное предприятие «Томьаналит», заместитель директора

Темерев Сергей Васильевич доктор химических наук, доцент. Алтайский государственный университет, зав. кафедрой аналитической химии

Позняковский Валерий Михайлович доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, директор, руководитель отдела гигиены питания и экспертизы товаров НИИ переработки и сертификации пищевой продукции

Д.212.269.04

Гиндуллина Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение продовольственной проблемы - одно из приоритетных направлений развития мировой экономики. В России данная проблема решается на государственном уровне в соответствии с Законом РФ № 151-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» от 05.12. 2005 г; Законом РФ № N 264-ФЗ "О развитии сельского хозяйства" от 29.12.2006; техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» от 09.12. 2011г. Утверждены Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации и общероссийские программы, которые направлены на более эффективное развитие агропромышленного комплекса (АПК).

В сфере АПК ведущая роль принадлежит сельскому хозяйству, а именно, животноводству, на долю которого приходится около 60% валовой продукции АПК. Развитие животноводства - это стратегическая задача, которая решается как за счет увеличения и сохранения поголовья скота и птицы, так и за счет производства кормов и кормовых добавок, в том числе обогащенных витаминами и минеральными веществами. Поэтому, вопросы аналитического контроля качества и безопасности кормов и кормовых добавок актуальны в плане развития всей отрасли.

Недостаточность нормативной базы, способной обеспечить эффективный контроль показателей токсичности и биологической ценности кормов и кормовых добавок, ставит задачу разработки новых, более совершенных методик анализа.

Для контроля различных показателей в объектах АПК широко используют варианты оптических и хроматографических методов, в качестве альтернативы которым могут выступить электрохимические методы анализа, и в первую очередь варианты методов вольтамперометрии (ВА).

Методы ВА позволяют экспрессно, с высокой точностью и селективностью, в широких интервалах определяемых содержаний, при невысоких материальных затратах количественно определять огромный спектр показателей. Поэтому, стандартизация методов ВА на государственном уровне послужит дополнительным

стимулом их использования и позволит более успешно решать проблемы, связанные с качеством кормов и кормовых добавок.

Наличие отечественного современного оборудования упрощает процедуру анализа и расширяет возможности методов ВА, что очень важно при полномасштабном (серийном и повсеместном) контроле кормовой базы.

Цель исследования. Разработка методического обеспечения вольтамперометрического анализа кормов и кормовых добавок для определения широкого круга неорганических элементов и органических веществ.

Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

- Создать новые органо-модифицированные электроды, с учетом экологической безопасности, для определения ряда металлов и неорганических элементов методами вольтамперометрии с улучшенными метрологическими показателями.

- Разработать новые подходы и аналитические приемы к повышению чувствительности и селективности вольтамперометрического определения ряда металлов, неметаллов и органических веществ.

- Разработать новые и оптимизировать известные способы пробоподготовки кормов и кормовых добавок с учетом особенностей определения неорганических элементов и органических веществ методами вольтамперометрии.

- Разработать и метрологически аттестовать вольтамперометрические методики анализа кормов и кормовых добавок на ряд показателей токсичности и биологической ценности.

Научная новизна:

-Созданы новые, с учетом экологической безопасности, органо-модифицированные электроды (ОМЭ) для ВА - определения I, Бе, Бе, Си, и № в более широком диапазоне измеряемых концентраций.

- Показано распределение модификатора по поверхности ОМЭ и изучен его состав методами ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии.

- Впервые на ОМЭ получены вольтамперограммы I, 8е, Ее, Си и установлены физико-химические закономерности процессов на поверхности электрода и предложены возможные механизмы реакций.

- Получены ВА-зависимости водорастворимых витаминов С, В2, В6 на стеклоуглеродном электроде (СУЭ) и впервые установлены условия их совместного определения в широком диапазоне измеряемых концентраций.

- Впервые, методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии на ртутно-пленочных электродах (РПЭ), получены аналитические сигналы антибиотиков: гентамицина сульфата, тилозин тартрата, цефалексина и установлены условия их определения.

- Методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии на СУЭ получен аналитический сигнал афлатоксина В1 и установлены условия определения в диапазоне концентраций 0,01 до 0,12 мг/дм3.

- Выявлены факторы, оказывающие влияние на выход различных форм I и Бе в водные экстракты кормов и кормовых добавок. Впервые установлены условия разделения форм йода и селена на природном сорбенте из торфа «Энтеросорбент ЭСТ-1». Разработаны способы пробоподготовки для вольтамперометрического определения органических и неорганических форм йода и селена.

- Разработаны алгоритмы пробоподготовки объектов АПК для ВА-определения витаминов (С, В2, В6), антибиотиков (гентамицина сульфата, тилозин тартрата, цефалексина) и афлатоксина В1.

Практическая значимость:

- Введение в практику аналитического контроля экологически безопасных органо-модифицированных электродов и новых способов пробоподготовки позволит экспрессно проводить ВА-анализ кормов и кормовых добавок на содержание микроэлементов и некоторых их форм.

- Разработаны и метрологически аттестованы 8 вольтамперометрических методик определения ряда неорганических веществ в объектах АПК с учетом их особенностей.

- Разработаны методики ВА-определения микотоксина (афлатоксина В1), водорастворимых витаминов (С, В2, В6), при их совместном присутствии, антибиотиков на основе гентамицина сульфата, тилозин тартрата и цефалексина в объектах АПК.

- Оптимальная схема пробоподготовки сложной матрицы, на основе ионного обмена или сорбции, позволяет разделять органические и неорганические формы йода и селена.

- Предложенный алгоритм пробоподготовки, адаптированный к ВА-методам измерения, может быть использован для широкого круга физико-химических методов анализа.

- Разработан комплекс пробоподготовки, позволяющий в автоматическом режиме проводить твердофазную экстракцию или отгонку легколетучих соединений йода, мышьяка и селена. Опытные образцы прошли испытания в лабораториях ООО «ЮМХ» (г. Томск) и лабораторно-аналитическом центре ГНУ СибНИИ сельского хозяйства и торфа Россельхозакадемии.

Положения, выносимые на защиту:

- Обоснование выбора метода вольтамперометрии и индикаторных электродов для анализа объектов агропромышленного комплекса.

- Разработка новых ОМЭ с применением солей арилдиазоний тозилатов, отвечающих требованиям экологической безопасности.

Вольтамперометрические условия получения аналитических сигналов неорганических элементов (I, Бе, Те, Си и №), водорастворимых витаминов (С, В2, В6), антибиотиков (гентамицина сульфата, тилозин тартрата, цефалексина) и афлатоксина В1 на различных типах индикаторных электродах методами вольтамперометрии.

- Выбор наиболее перспективных природных сорбентов для разделения органических и неорганических форм селена и йода.

- Алгоритм пробоподготовки кормов и кормовых добавок для определения общего содержания микроэлементов и некоторых их органических и неорганических форм методами вольтамперометрии с учетом особенностей поведения матрицы.

- Комплект методик анализа кормов и кормовых добавок методами вольтамперометрии.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике» (г.Томск, 2003, 2005, 2007, 2011); Всероссийских конференциях по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2003, -2005, -2006» с международным участием (г.г. Санкт-Петербург, Екатеринбург, Самара); Всероссийских конференциях "Аналитика Сибири и Дальнего Востока" (г.Новосибирск, 2004; г. Красноярск, 2012 ); Всероссийской конференции «Аналитика России» (г. Москва, 2004); Всероссийских конференциях по электрохимическим методам анализа «ЭМА-2004,-2008,-2012» (г. Уфа, 2004, 2008, 2012); III Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий». (г. Томск, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы-2005» (г. Уфа, 2005); Международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2006); II Международном форуме «Аналитика и аналитики» (г. Воронеж, 2008); Симпозиуме с международным участием «Теория и практика электроаналитической химии» (г. Томск, 2010); I Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (г.Томск, 2011); Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Украина, 2011); Международной конференции, посвященной 115-летию Национального исследовательского института (г.Томск, 2011); Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (г. Тамбов, 2011); II Международной Казахстанско-Российской конференции по химии и химической технологии, (г. Караганда, 2012); Всероссийской конференции «Химия и химическая технология: достижения и перспективы, (г. Кемерово, 2012); I Международной научно-практической конференции «Технические науки - основа современной инновационной системы» (г. Йошкар-Ола, 2012); Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул,

2013); IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с молодежной научной школой по органической химии (г. Уфа - Абзаково, 2013); Научно-практической конференции «Новые химико-фармацевтические технологии» (г. Москва, 2014).

Публикации. Основные результаты изложены в 60 публикациях, из них 20 статей входит в список журналов, рекомендуемых ВАК, получено 2 патента РФ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 341 странице печатного текста и состоит из введения, 7 глав, заключения и приложения, содержит 41 таблицу, 85 рисунков. Список литературы включает 392 источника.

Личный вклад автора состоял в формировании направления и постановке задач исследования, активном участии на всех этапах их экспериментального решения, интерпретации, обсуждении результатов и написании публикаций. Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов многолетних исследований, полученных автором лично, а также совместно с научным консультантом Г. Б. Слепченко, сотрудниками и аспирантами лаборатории микропримесей кафедры физической и аналитической химии института природных ресурсов ФГАОУ ВО НИ ТПУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В обзоре литературы рассмотрено современное состояние методов аналитического контроля качества кормов и кормовых добавок. Проведен анализ нормативной базы стандартов и аттестованных методик Федерального реестра РФ, периодической литературы и обоснован выбор методов ВА для определения микроэлементов: 8е, I, Ре, Си, №, Аб; водорастворимых витаминов: С, В2, В6; антибиотиков: тилозина тартрата, гентамицина сульфата, цефалексина; микотоксина (афлатоксина В1) в исследуемых объектах. Особое внимание уделено методам пробоподготовки, выбору индикаторного электрода и способам его модификации.

Развитие ВА-методов предполагает поиск и получение новых, более безопасных электродов, не уступающих по чувствительности, воспроизводимости и другим эксплуатационным характеристикам традиционным ртутьсодержащим электродам. К новому поколению таких электродов можно отнести ОМЭ, где в качестве модификатора использованы соли арилдиазоний тозилата (АгК2+ОТз~) с

различными заместителями: ф ^ф

I N02

еоон

Аг = р-С6Н4-СООН Аг = р-С6Н4-]>Ю2 Аг = р-С6Н4-1ЧН2

Модификацию поверхности электрода проводили разными способами: погружением электродов в водные растворы диазониевых солей и электрохимически, в соответствии со схемой модификации (рисунок 1).

■ подложка

• очистка

Г " Л

Погружение в раствор 0.1 ммоль/ды3 АШ2+ОТй-(5-7) с

V___У

Ш2

Электрохимическое накопление 0,1 ымоль/дм3 А1Ы2+ОТ*-Еэ = 0.0 В; (5-7) с

промывка

я = - соон. -но2. -мн.

Рисунок 1 - Способы (А) и схема (Б) модификации электрода

Для доказательства наличия модификатора на поверхности ОМЭ использован метод ИК-спектроскопии, получены снимки бинокулярного оптического МБИ-15-У4.2 и электронного растрового 18М - 7500 Б А микроскопов.

В ходе исследований установлено, что модификация поверхностей серебряного и углеродсодержащих электродов происходит в энергетически выгодных активных центрах.

Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения микроэлементов на ОМЭ

Минеральная составляющая кормового рациона играет важную роль в организации полноценного кормления животных. Поэтому, для сбалансированного питания, корма обогащают микроэлементами, среди которых значительное место занимают I, Бе, Ре, Си и др. Содержание микроэлементов в кормах регламентируется, т.к. их недостаток или излишек наносит значительный ущерб животноводству.

Для разработки методик анализа кормов и кормовых добавок на содержание I, Бе, Бе, Си, № и Аб исследовано их электрохимическое поведение на различных электродах и выбраны рабочие условия ВА-определения.

Йод и селен. Основные аналитические зависимости йодид - и селенит - ионов изучены на серебряном электроде (А§Э) в 0,1 моль /дм3 растворах солей КЫ03, КгБгОз , М2Н4 • Н2504, без предварительного удаления кислорода из фонового электролита инертными газами.

При сравнении градуировочных зависимостей установлено, что максимальные аналитические сигналы и линейные диапазоны концентраций получены на фоне Ы2Н4 • Н2804, который и был использован в дальнейшей работе.

Проведены исследования по выбору соли арилдиазоний тозилата в качестве модификатора. Получены градуировочные зависимости Г и 8е4+ на А§Э, модифицированные солями АгЫ2+ОТ5~ с различными группами заместителей: амино- (МА§Э->Щ2), карбокси- (МА§Э-СООН), нитро- (МА§Э-Ж)2) в диапазонах концентраций для йода от 0,003 до 1,2 мг/ дм3 и селена от 0,003 до 1,8 мг/ дм3.

Рассчитаны коэффициенты чувствительности (8, мА-дм3/г). Установлено, что 8 для МА§Э-МН2 примерно в 1,8 раз выше коэффициента чувствительности ртутно-пленочного электрода (РПЭ), применяемого для определения Г и в 1,3 раза выше ртутно-графитового электрода (РГЭ), который используется для определения Зе4 .

На рисунке 2 показаны зависимости тока пиков йода и селена от потенциала электролиза и их вольтамперограммы.

^М'ШМЁЁ^ат

Рисунок 2 - Зависимости тока пика I и Бе + от потенциала накопления (А) и вольтамперограммы (Б) при их совместном присутствии 1 - фон: 0,1 М ]Я2Н4 ' Н2804; 2 - СГ = 0,01мг/дм3, С5е 4+ = 0,01мг/дм3 3 - С," = 0,02 мг/дм3, С3е4+ = 0,02 мг/дм3 МАвЭ-Ш2, Еэ =0,0 В; т = 30 с,

Как видно из рисунка 2 А, на графиках, в диапазоне потенциалов от - 0,8 В до + 1,8 В, наблюдаются прямолинейные участки, в которых аналитические сигналы микроэлементов максимальны. Эти диапазоны совпадают, что свидетельствует о возможности определении йода и селена при их совместном присутствии. Для дальнейших исследований электрохимического поведения йода и селена выбран потенциал их электролиза Еэ = (0,00 ± 0,05) В. На вольтамперограммах, полученных при данных условиях (рисунок 2 Б), наблюдаются характерные пики селена и йода при потенциалах Еп (8е4+) = - 0,65 В, Еп (Г) = - 0,40 В.

Для изучения механизма электродных реакций проведен расчет кинетических параметров с использованием вращающегося дискового электрода. Как показали результаты исследования, число электронов, принимавших участие в электродном процессе, для йода составляет 0,87, для селена 5,8.

На основании полученных результатов предложен возможный механизм реакций протекающих на МА§Э-МН2 с участием 1ё для Г и 6ё для Бе4"1": - Электроконцентрирование на поверхности ОМЭ

Ag + С6Я4Ш2+ +Ы2+ ОТз~

Иодид-ионов:

Г-е + Аё-С6Н4ЫН;

С6Н3

ын.

I +н*

2 У

селенит-ионов:

Н2Бе03 +6е + 4Нл

•Бе2' +Ш.О

Бе2~ +2Д§-- С6НАИН; (Д^ - С6Н^ЫН2 )2 Бе - Электрорастворение осадка с поверхности ОМЭ: йодид-ионов:

NN.

I +е + Н+

■ г + а8-с6нлмн;

2 /

селенит-ионов:

- С6НАЫН2 )2 Бе 2Аё - С6Н4ИН; + Бе2~

Бе2' + 3Н2 О - бе -> Н28е03 + 4Н+ Приведенный выше механизм косвенно подтверждается более ранними работами.

Изучены взаимные влияния аналитических сигналов Бе4* и Г при их совместном присутствии. Установлено, что регистрация аналитических сигналов 8е4+ допустима в присутствии избытка Г в 40 раз, а при определении Г - избытка

Бе4"1" в 200 раз. Определению Г и 8е4+ не мешают 100 кратный избыток Аб3+, Си2+, Ре3+, ВГ и СГ.

Железо и медь. ВА-метод измерения железа и меди основан на способности Ре3+ и Си 2+ накапливаться на поверхности золото-графитового электрода (ЗГЭ) в виде малорастворимых соединений при определенном потенциале относительно хлоридсеребряного электрода на фоне 0,02 моль/дм3 трилона Б с последующей регистрацией анодных пиков.

При данных условиях получены градуировочные зависимости Ре3+ и Си2+ на ЗГЭ, модифицированных солями Аг>12+ОТ8~ с различными группами заместителей (-СООН, -Ж12 и -N02) и рассчитаны коэффициенты чувствительности. Установлено, что максимальным 8 как для Ре3+ , так и для Си2+ обладает ЗГЭ, модифицированный арилдиазоний тозилатом с - 1МН2 группой в качестве заместителя (МЗГЭ-МН2).

Для совместного ВА-определения Ре 3+ и Си 2+ на МЗГЭ-ЫН2 проведены исследования по выбору потенциала электролиза.

На рисунке 3 представлены полученные в данных условиях зависимости тока пика Ре3+ и Си2+ от потенциала электролиза.

Рисунок 3 - Зависимость тока пика Ре3+ и Си2+ от потенциала их накопления на

МЗГЭ-1ЧН2

,/Д1

СРе3+ = 1мг/дм3, Сси2+ = 1 мг/дм3.

Фон - 0,02 моль/дм3 трилон Б, т = 60с,

•1.8 -1,6 -1.4 -1.2 -1 -0,8 -0,6 -0,4

Как видно из рисунка 3 в диапазоне потенциалов от - 1,2 В до - 0,9 В, аналитические сигналы Ре3+ и Си2+ имеют максимальное значение, что свидетельствует о возможности их совместного определения. Поэтому, для дальнейших исследований выбран потенциал электролиза Еэ = - 1,0 В.

На рисунке 4 представлены полученные в данных условиях вольтамперограммы Бе 3+ и Си 2+ при их совместном присутствии.

Рисунок 4 - Вольтамперограммы Бе3* и Си2+ на МЗГЭ- 1МН2

1 - фон: 0,02 моль/дм3 трилон Б;

2 - Сре3+ = 1мг/дм3, ССц2+ = 1 мг/дм3;

3 - СРе3+ = 2 мг/дм3, ССи 2+ = 2 мг/дм3. МЗГЭ-ЫН2) Еэ = -1,0 В; т = 30 с

Как видно из рисунка 4, аналитическими сигналами являются величины анодных пиков при потенциалах (-0,15 ± 0,05) В для железа и (0,40 ±0,05) В для меди, которые пропорционально зависят от концентраций Бе 3+ и Си 2+.

В ходе исследования установлено мешающее влияние Н§, РЬ, N4, Сс1 на аналитический сигнал Бе34" и Щ, 7лл, Со на аналитический сигнал Си2+.

Никель. ВА-метод измерения никеля основан на способности №2+ накапливаться на поверхности электрода в виде малорастворимого соединения при определенном потенциале на фоне смеси 0,1 моль/дм3 ЫНдС! и 0,1 моль/дм3 диметилглиоксима (ДМГ) с последующей регистрацией катодных пиков.

Проведены исследования по выбору соли арилдиазония с различными группами заместителей (-СООН, -№Н2 и -Ы(Э2) в качестве модификатора. Модификатор наносили на AgЭ и покрытый пленкой висмута графитовый электрод (ВгГЭ). Установлено, что чувствительность определения №2+ на ОМЭ увеличивается в ряду:

МАВЭ-ТЧГО2 < МА^Э-СООН < МВГЭ-СООН < МА§Э-МН2.

Ее3*(-0,15В)

Сч5*(0.40В)

На модельных растворах проведены исследования по выбору рабочих условий (Еэ, и времени электролиза) получения аналитического сигнала №2+ на ОМЭ. Результаты представлены в виде зависимостей тока пика N1 2+ от потенциала и времени электролиза (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимости тока пика Ыг' на (1) и

МЕПГЭ-СООН (2) от потенциала (А) и времени (Б) электролиза.

Как видно из рисунка 5 А, максимальные значения тока пика №2+ на ОМЭ наблюдаются при потенциале накопления Еэ = (- 0,7 ± 0,05) В. Оптимальное время электролиза на MAgЭ-NH2 составляет 60 с и 40 с на МШЭ-СООН. Дальнейшее | увеличение времени электролиза приводит к снижению аналитического сигнала.

Возможно, данный эффект обусловлен адсорбцией на границе раздела фаз.

2+

На рисунке 6 представлены вольтамперограммы N1 полученные в данных условиях.

Как видно из рисунка 6, аналитическими сигналами №2+ являются величины катодных пиков при потенциалах - (1,00 ± 0,05) В и - (1,10 ± 0,05) В, которые пропорционально зависят от концентрации №3+. Для модифицированного В1ГЭ сигнал получен только в отсутствии растворенного в электролите 02 (рисунок 6 Б).

где Аг = п -СбН4-ЫН2 (е экспер;

различных электродах, которые представлены на рисунке 7.

В ходе эксперимента получены градуировочные зависимости №2+ на

Рисунок 6 - Вольтамперограммы N1 2+ на МА§Э-МН2 (А) и МВ1ГЭ-СООН (Б)

Еэ = - 0,7 В; т = 30 с 1- фон: 0,1 М Ш4С1 + 0,1 М ДМГ; 2-С№+2 = 0,01 мг/дм3; 3- С№+2 = 0,02 мг/дм3

На примере получения аналитического сигнала №+2 на МД§Э-ЫН2 предложен возможный механизм реакции на поверхности электрода:

I

1. Адсорбционное концентрирование:

№2+ + 2С4Н8Ы202 [№(С4Н7 Ы202)2] + 2Н+ Аё (Аг2)а£) + [№(С4Н7 К202)2] А£ [Аг2№(С4Н7 К202)2 ]ао 3. Восстановление комплекса

А8 [Аг2№(С4Н7 М202)2 ]а„ + 2Н+ +2ё -» Аё (Аг2)а(1 + [№(С4Н7 ТЧ202)2]+Н2

- 1.00 ± 0,05. В

x, мка

Рисунок 7 - Градуировочные

7

1

О

о

0.05

0.1

0,15

0,2

Как видно из рисунка 7, максимальной чувствительностью и широким диапазоном измеряемых концентраций обладает РПЭ (рисунок 7, график 1), адекватной заменой которому может служить М/\^Э-НН2 (рисунок 7, график 2) т.к. разница значения тока между ними находится в пределах ошибки измерения. В отсутствии серебряного электрода, в малых диапазонах определяемых концентраций можно использовать МЕИГЭ-СООН (рисунок 7, график 3), но при этом необходимо удалять кислород из фонового электролита.

В ходе исследований установлено мешающее влияние /л\ и РЬ на аналитический сигнал №12.

Таким образом, наилучшим модификатором для ВА-определения неорганических веществ (I, Бе, Ре, Си и N1) является арилдиазоний тозилат с - ЫН2 группой в качестве заместителя. Использование ОМЭ для ВА-определения Аб3+ не эффективно, т.к. значительно сужается диапазон измеряемых концентраций по сравнению с «классическим» ЗГЭ. Поэтому ВА-измерение А$3+ проводили по методике ФР. 1.31.2011.09196. МУ08-47/247. «Зерно и продукты его переработки, силос из зеленых растений, корма, комбикорма, комбикормовое сырье и кормовые добавки. Инверсионно-вольтамперометрическая методика определения содержания железа, йода, кобальта, марганца, мышьяка, никеля, ртути и селена».

На основании экспериментальных данных в таблице 1 представлены условия получения аналитических сигналов микроэлементов методами ВА.

i 1 в X g il i * £ * 1 Í « s H

* g -¡lî ^ 1 -h .................. t— 1 1 :H Иг

-H Is S ■ ! 5 1 1 l 1. Ô If s 1

ш 1 c: i ri 14

■ ] s cd !.!i i L tut iîlll cq ff fi

Изучение электрохимического поведения и выбор условий вольтамперометрического определения органических веществ

Водорастворимые витамины (С, В2 и В6). Обогащение рационов и комбикормов витаминными концентратами, содержащими витамины С, В2 и В6 -важное условие повышения полноценности кормления и продуктивности животноводства.

Метод ВА-измерения водорастворимых витаминов (В2, С, В6) основан на их способности окисляться на СУЭ в течение 30с при определенном потенциале, относительно хлоридсеребряных электродов, на фоне 0,1 моль/дм3 С4Н506№-Н20 без удаления кислорода из фонового электролита.

Проведены исследования по выбору потенциала электролиза витаминов С, В2 и В6 при их совместном присутствии. Получены зависимости тока пика витаминов от потенциала электролиза и концентраций (рисунок 8).

Рисунок 8 - Зависимости тока пика витаминов С (1), В2 (2) и В6(3)-от потенциала электролиза (А) и концентраций (Б)

Потенциал совместного электролиза витаминов (Еэ = - 0,5В) на СУЭ выбран исходя из зависимостей тока пика витаминов С, В2 и В6 от потенциала электролиза (рисунок 8 А). Параметры дифференциально-импульсного режима подобраны экспериментально и составляют: шаг развертки 3 мВ, амплитуда импульса ЗОмВ,

длительность импульса 40 мс. Регистрацию вольтамперограмм осуществляли со скоростью изменения потенциала 20 35 мВ/с.

Вольтамперограммы совместного определения витаминов С, В2 и В6, полученные в данных условиях, представлены на рисунке 9.

1Q...... щ с ш á

: -C-.7S5S 1 ..... ...........i М

1 «я»

1 i

I

С (1Д5±0,05) В

1 Í

V' С (0,50±0,05) В j

\ V- в3- (03540,05) В 3 у

— к

— i

i

Рисунок 9 - Вольтамперограммы окисления витаминов С, В2 и В6 на СУЭ:

Еэ = - 0,7 В, т = 30 с 1-0,1 моль/дм3 NaC4H406-H20;

2-2 мг/дм3 Вит В2 + 4 мг/дм3 ВитВ6 + 1 мг/дм3 Вит С

3-4 мг/дм3 Вит В2 + 8 мг/дм3 ВитВ6 + 2 мг/дм3 Вит С

Как видно из рисунка 9, аналитическими сигналами витаминов являются величины анодных пиков при потенциалах ЕпВ2= (-0,35 + 0,05) В, Епс = (0,50 ± 0,05)В, ЕпВб= (1,15 ± 0,05) В, которые пропорционально зависят от концентраций аттестованных смесей витаминов.

На основании экспериментальных данных предложены условия совместного получения аналитического сигналов водорастворимых витаминов методом ВА, которые представлены в таблице 2.

Антибиотики в секторе животноводства, в основном, используют для лечения и профилактики заболеваний. Необоснованное применение антибиотиков, как в ветеринарной практике, так и для повышения продуктивности может

привести к негативным последствиям: аллергические и токсические реакции, подавление защитных механизмов организма животного и т.п. Поэтому, своевременный контроль содержания антибактериальных препаратов является актуальной аналитической задачей, требующей незамедлительного решения.

Проведены исследования по выбору индикаторного электрода для получения аналитических сигналов антибиотиков широкого спектра действия: тилозина тартрата, цефалексина и гентамицина сульфата. В ходе исследований установлено, что чувствительность определения антибиотиков на различных типах электродов увеличивается в ряду: ГЭ < СУЭ < РПЭ. Поэтому все исследования проведены на РПЭ.

Электронакопление антибиотиков проводили в соответствующем фоне в течение 30 с при заданном потенциале электролиза, с последующим катодным растворением. Перемешивание раствора и удаление кислорода осуществлялось током азота. В качестве фоновых электролитов использовали 0,1 моль/дм3 растворы: (NH4)2S04, KCl, Na3C6H507, С6Н807 • 2HN3, C4H506Na-H20, С4Н6Об, С6Н807, буферный раствор Бриттона-Робинсона и цитратно-фосфатные буферные смеси (0,2 моль/дм3 Na2 НР04 и 0,1 моль/дм3 Н3С6Н5С>7).

На модельных растворах проведены исследования по выбору рабочих условий (фоновый электролит, потенциал и время электролиза) получения аналитического сигнала Tiltar. Установлено, что лучшим фоновым электролитом является 0,1 моль/дм3 C6HgOy2HN3, на фоне которого регистрируется вольтамперограммы с четко выраженным аналитическим сигналом Tiltar и хорошей воспроизводимостью. Поэтому в дальнейшей работе использован в качестве индифферентного электролита раствор цитрата аммония.

о.

,о

Тилозин тартрат (Tiltar)

он

Получены зависимости тока пика от потенциала электролиза и концентрации ТШаг на РПЭ (рисунок 10).

I нА 5 "

4 ■

3 ■

2 1 О

1.ва

ен, в

-0,6

-0,5 -0,4

-0,3

-0,2

-ОД

Рисунок 10 - Зависимость тока пика "Шаг от потенциала электролиза (А) и концентрации ТШаг (Б).

Как видно из рисунка 10А, максимальный аналитический сигнал антибиотика наблюдается при потенциале Еэ = - 0,3В, который и был использован в дальнейшей работе. Линейная зависимость градуировочного графика (рисунок 10 Б) сохраняется в диапазоне концентраций ТШаг (0,10 * 1,70) г/дм3. При более высоких концентрациях наблюдается отклонение от линейности градуировочного графика, что, по-видимому, связано с насыщением поверхности индикаторного электрода.

Важным фактором, при определении лекарст венных препаратов, является рН среды, который оказывает влияние не только на скорость электродного процесса, но и на его механизм. Зависимость потенциала максимума катодного пика ТШаг от рН имеет сложный характер. Изменение рН 6 приводило либо к изменению формы пика, либо к его смещению. Смещение потенциала в сторону более отрицательных значений говорит о затруднении процесса восстановления антибиотика, что, возможно, связано с предшествующей протолитической реакцией депротонизации протонированных форм тилозина тартрата. Депротонизация может предшествовать стадии передачи электрона от электрода к молекуле деполяризатора или протекает одновременно с ней. Аналогичный эффект наблюдали и для других антибиотиков.

Аналитический сигнал тилозина тартрата, впервые полученный в данных условиях, представлен вольтамперограммой (рисунок 11).

Рисунок 11- Вольтамперограмма восстановления ТШаг РПЭ, тэ = 30с; Еэ = - 0,45 В. 1-0,1 моль/дм3 С6Н807-2НЫ3, рН 6

2 - С тшаг= 0,2 г/дм3;

3 - Стшаг = 0,4 г/дм3

Как видно (рисунок 11, график 2) на вольтамперограмме наблюдается хорошо выраженный сигнал ТШаг при Еп = - 0, 75 В. При введении добавки аттестованной смеси, аналитический сигнал антибиотика увеличивается пропорционально введенной концентрации (рисунок 11, график 3), что свидетельствует о возможности его количественной оценки.

Аналогичные исследования проведены по выбору рабочих условий (фоновый электролит и потенциал электролиза) ВА-определения цефалексина и гентамицина сульфата.

Цефалексин (ЦФ) Гентамицина сульфат (ГМ)

\Д н н

Ч--N н

хх

э^он

и-к-н

Установлено, что хорошо воспроизводимые сигналы ЦФ регистрируются в 0,1 моль/дм3 растворе цитрата натрия (ЫазС6Н507) при потенциале Еэ = - 0,35 В. Линейная зависимость градуировочного графика сохраняется в диапазоне концентраций от 0,1 г/дм3 до 2,0 г/дм3.

Хорошо воспроизводимые сигналы ГМ регистрируются в 0,1 моль/дм3 растворе натрия виннокислого - кислого (МаС^Об-НгО) при Еэ = - 0,3 В. Линейная зависимость градуировочного графика сохраняется в диапазоне концентраций от 0,1 г/дм3 до 10,0 г/дм3.

При более высоких концентрациях наблюдаются отклонение от линейности градуировочного графика, что, по-видимому, связано с насыщением поверхности индикаторного электрода.

Вольтамперограммы ЦФ и ГМ, впервые полученные в данных условиях, показаны на рисунке 12.

Как видно из рисунка 12 на вольтамперограммах (графики 2) наблюдаются хорошо выраженные сигналы ЦФ при Еп = - 0,60 В и ГМ при Еп = - 0,65 В. При введении добавок аттестованных смесей аналитические сигналы антибиотиков увеличиваются пропорционально введенным концентрациям (графики 3), что свидетельствует о возможности их количественной оценки.

-0.770 8 -0.500 в

■4 & я >.ввв иА одна в /

ЦФ L-o.ec ±0,0? )В \

л /

/С ч

/ V

/ 1 /

\ V

- И" \

% а

* -о.чмв

5 •п о I

П ,65±0,05)Е

\ 2 3

ч ч !

Б 1

Рисунок 12 - Вольтамперограммы цефалексина (А) и гентамицина сульфата

(Б) наРПЭ

1 - фон 0,1 М Ка3СбН507, рН 4-5 1 - фон 0,1 М №С4Н406-Н20, рН 5-6

2- СЦФ = 0,2 г/дм3; 2- Сгм = 2г/дм3;

3- СЦФ = 0,4 г/дм3. 3 - Сгм = 4 г/дм3.

Еэ = -0, 35 В, тэ = 30с Еэ = - 0,3 В, тэ = 30с;

На основании полученных результатов предложены рабочие условия ВА-определения антибиотиков (таблица 2).

Микотоксины - природные загрязнители зерна, овощей и фруктов. Образуются под действием развивающихся в них микроскопических грибов, отличаются по химическому строению, токсичности и механизму действия. Общим признаком всех микотоксинов является токсичность, большей частью для животных. Самым сильным и опасным гепатоканцерогеном из всех афлатоксинов является афлатоксин В1.

На модельных растворах впервые проведены исследования по выбору рабочих условий (электрод, фоновый электролит, потенциал и время электролиза) для ВА -определения Афл В1.

Для выбора индикаторного электрода использовали углеродные электроды различных типов: стеклоуглеродный, углеситалловый и графитовый, пропитанный полиэтиленом с парафином в вакууме. Максимальная величина и лучшая воспроизводимость аналитического сигнала Афл В1 получена на стеклоуглеродном электроде (СУЭ), который и был выбран в качестве индикаторного.

С целью получения аналитического сигнала Афл В1, на СУЭ исследованы 0,1 моль/дм3 растворы: ЫН4СЮ4, Ыа2НР04 и универсальная буферная смесь Бриттона-Робинсона (УБС). По лёгкости окисления Афл В1 фоновые электролиты образуют следующий ряд: ]ЧН4СЮ4 < Ка2НР04 < УБС.

Каждый из представленных фоновых электролитов можно использовать для количественного определения Афл В1 (рисунок 13).

о

Афлатокин В1 (Афл В1).

Я=П

ДаЕ, мкАЛиВ

Рисунок 13 - Градуировочные зависимости электроокисления Афл В1 на различных фоновых электролитах, полученные на СУЭ: 1 - 1Ма2НР04, 2 - УБС (рН 5,33), 3 - Ш4СЮ4

Более чувствительный аналитический сигнал был получен на 0,1 М Ыа2НР04. Поэтому в диапазоне малых концентраций (до 0,015 мг/дм3) перспективнее использовать в качестве фонового электролита Ма2НР04 (рисунок 13, график 1) или УБС (рН 5,33) (рисунок 13, график 2), так как в данном диапазоне наблюдаются максимальные значения токов аналитического сигнала Афл В1. Однако, лучшим фоновым электролитом является перхлорат аммония (ЫН4С104), на котором регистрируются хорошо воспроизводимые пики окисления и сохраняется линейная зависимость градуировочных графиков в широком диапазоне концентраций (рисунок 13 , график 3).

На фоне 0,1 моль/дм3 1МН4С104 получены зависимости тока пика от потенциала и времени электролиза (рисунок 14).

Как видно из рисунка 14 А, максимальный аналитический сигнал микотоксина наблюдается при потенциале электролиза Еэ = 0,0 В, который и был использован в дальнейшей работе. Увеличение времени электролиза более 40 с не эффективно, т.к. зависимость (рисунок 14 Б) выходит на предел, что, по-видимому, связано с насыщением поверхности индикаторного электрода.

1,мкА

А о.оот ■ 0.00?

0.0»- \ 0.004

М 05 ■ о.ооз

/от

/ 0.003 \ о.оо:

/ 0.002 ^ 0.001

0.001 Е,.В 0

I-1- -.-9- ,---,

-0.6 -0.4 -0-2 0 0.2 0.4 0.5

Рисунок 14 - Зависимость тока пика Афл В1 от потенциала (А) и времени (Б)

электролиза

На рисунке 15 приведена вольтамперограмма афлатоксина В1, полученная в данных условиях.

Рисунок 15 - Вольтамперограмма окисления Афл В1

1 - фон 0,1 моль/дм3 NH4C104;

2 - САфлВ1= 0,005 мг/дм3;

3 - САфлВ1= 0,01 мг/дм3.

СУЭ, w = 30 мВ/с, тэ=30 с, Еэ = 0,0 В

U Ifi»* «1 ............ ............

0,60 ± 0.05 I

-

-2

— /

у — X

«г.. :1..........

щ

Как видно (рисунок 15, график 2), на вольтамперограмме наблюдается хорошо выраженный сигнал Афл В1 при потенциале Еп = 0,60 В. При введении добавки аттестованной смеси аналитический сигнал микотоксина увеличивается пропорционально введенной концентрации (рисунок 15, график 3), что свидетельствует о возможности его количественной оценки.

На основании полученных результатов предложены рабочие условия ВА -определения афлатоксина В1 (таблица 2).

Таблица 2 - Рабочие условия ВА-определения органических веществ

Параметры измерения 'Значения параметров

Витамины Антибиотики Микогокгин

В2 С В« тагаг ЦФ гм Афл В1

Электроды • индикаторный СУЭ РПЭ РПЭ РПЭ СУЭ

-сравнения / вспомогательный хсэ/хсэ хсз/хсэ хсэ/хсэ хсэ/хсэ ХСЭ/ХСЭ

Фоновый электролит 0,1 моль/дм^ МаС,Н+0<-Н20 0,1 молъ/дг^ рН 4-5 0,1 моль/да? ЫаЛНА, рН 5-6 0,1 моль/до? №С4Н,ОсНгО РН6 0,1 моль/да5 ЫН,СЮ4 рН 2-3

Удаление кислор о да нет Н2 н2 № нет

Потенциал накопления (Ен), В -0.50 ±0.05 -0,45 ±0,10 -0, 35± 0,10 -0,3 ± 0,1 в 0,0* 0,1

Диапазон развёртки потенциалов (Ер), В -1,0 до 1,2 - 0,45 до-1,0 -0,35 до -1.0 -0,3 до-1,0 0,0 до М

Скорость изменения потенциала («?), мВ/с 20-30 20-30 20-30 25-30 27-30

Режим регистрации Дифференциально-импульсный

Потенциал пика (Ел), В -0,35 ±0,10 0,5 ±0,1 М±0,1 -0,75 ±0,10 -0,6 ±0,1 - 0,65 ± 0,10 0,6 ±0,1

Подготовка проб кормов и кормовых добавок

Пробоподготовка (1111) обычно сложный, многостадийный процесс, цель которой — привести пробу и определяемый элемент в физическую и химическую форму, пригодную для измерения аналитического сигнала с требуемыми метрологическими характеристиками. В работе представлены результаты исследований по разработке новых и оптимизации известных способов пробоподготовки кормов и кормовых добавок с учетом особенностей определения неорганических элементов и органических веществ, применительно к методу ВА.

Мокрая минерализация основана на полном окислении органических веществ (ОВ) и связана с большими временными затратами, введением большого количества реагента-окислителя, что может быть источником загрязнений пробы. Для ускорения стадии пробоподготовки исследуемых объектов, при ВА-определении микроэлементов были использованы различные способы интенсификации: обработка ультразвуком (УЗ), микроволновым излучением (МВ) и температурой (^С). Установлено, что использование УЗ для интенсификации ПП приводит к ускорению разложение продуктов растительного происхождения.

При определении общего содержания Аб и Яе любым методом, альтернативой способу минерализации матрицы является отгонка мышьяка и селена в виде их летучих соединений (АбСЬ, 5еВг4). В работе представлены лабораторная установка для отгонки и способы ПП, исключающие стадию минерализации для ВА-определения общего содержания элементов в исследуемых объектах.

В качестве примера в таблице 3 показаны результаты определения общего содержания селена с использованием отгонки в виде 8еВг4 на стадии пробоподготовки.

В работе показано влияние физический воздействий (УЗ, МВ и 1:0С) и химических реагентов на выход растворимых форм элементов в экстракт.

Установлено, что применение замораживания, УЗ- и МВ- обработок увеличивают выход растворимых форм Бе в экстракт до 77%, в сравнении с обычным настаиванием - 73%. По-видимому, такой эффект получен за счет

усиленных процессов массопереноса, диффузии, разрыва клеток и разрушения селенсодержащих белков. Напротив, повышение температуры снижает выход селена в водный экстракт до 9-24% за счет потерь летучих форм селена и возможной коагуляции селенсодержащих белков, которые оседают в жмыхе или в осадке после фильтрации и центрифугирования экстракта.

Таблица 3 — Результаты определения общего содержания селена с использованием отгонки в виде ЗеВг4 на стадии пробоподготовки (Р=0,95; п=3)

Объект анализа Содержание селена, мг/дм3

После минерализации После отгонки в виде 8еВг4

Вода бвдистшл. + 0,05 мг/кгйе (IV) 0,049 ± 0.005 0,048 ± 0,005

Вода бвдистнлл. +0,10 мг/кгБе (IV) 0,096 ±0,009 0,097 ± 0,009

Вода бвдистнлл. + 0,20 мг/кг8е (IV) 0,20 ± 0,02 0,19 ± 0,02

Экстракт травы донника лекарственного 1.4 ± 0,1 1.3 ± 0,1

Экстракт мяты плечной 0,056 ± 0,003 0,052 ±0,005

Для более полного извлечения селена, предложены методики экстракций кислотами (НС1, лимонная кислота) и ферментными препаратами (протосубтилин ГЗх, целловиридин ГЗх), которые увеличивают выход общего селена в жидкую фазу до 85%. Возможно, протонирование форм элемента, ферментативное расщепление белковых структур и клеточных мембран способствовало извлечению неорганических и низкомолекулярных органических форм селена в экстракт.

Отметим, что ферментные препараты подобраны только для объектов растительного происхождения и возможности их использования для других объектов нами не исследовались.

Применительно к ВА-анализу исследован способ ПП, основанный на извлечении йода из образцов кормов четвертичными аммониевыми основаниями. Экспериментально установлены условия экстракции: время, температура экстракции и подобран осадитель органических веществ (ОВ). В зависимости от

увеличения выхода растворимых форм йода в экстракт, применяемые в ходе исследования осадители можно расположить в ряд: ^НЦ'Ь^С^ < ТХУ <

На основании полученных результатов, как альтернатива щелочному сплавлению, предложены условия ПП для определения общего содержания йода в кормах и кормовых добавках: экстрагент - 10% раствор тетрабутиламмония гидроксида ([(С4Н6)4К]+ОН), осадитель - соль гп504, время экстракции - 45 минут, время осаждения - 15 минут, температура экстракции и осаждения - (20-30)°С, рН раствора (7- 8). Предложенный алгоритм ПП позволяет провести анализ кормов и кормовых добавок в течение полутора часов, вместо 6-8 часов при «классическом» способе ПП.

Для разделения органических и неорганических форм Бе предложен метод ионообменной хроматографии с применением сильноосновного анионита АВ-17-8 в СН3СОО - форме и сильнокислотного катионита КУ-2-8 в Н+- форме. В ходе исследования установлено, что Бе4+ количественно поглощается анионитом и практически не сорбируется катионитом при заданных значениях рН. Селен в органической форме, наоборот, поглощается на катионообменнике, а при прохождении раствора через колонку с анионитом переходит в фильтрат (рисунок 16).

г. .....-Ч АВ-17 - 8, рНЗ-4 ..... Бе неорг + Эеорг ..... Г- КУ-2-8, рН 2

Бе неорг ->- Бе орг. ^ _/

Яе орг

Яе неорг

......Г"

Отгонка в виде ?>еВг4 или минерализация ВА-гомерени?

Рисунок 16 - Схема ионного обмена для определения органических и неорганических форм Бе

Для определения форм селена в объектах АПК, предложена методика извлечения растворимых форм Бе водной экстракцией в сочетании с ионным обменом, с последующей минерализацией элюата и ВА- измерением аналитического сигнала Бе (IV) на ОМЭ. Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты ВА-определения форм Бе с использованием ионного обмена на стадии пробоподготовки (п = 3,Р = 0,95)

Объект Получено Se, мг/кг в пересчете на сухое вещество

Минер алшацш сухой пробы В водном экстракте (растворе)

До ионного обмена После нонного обмена

на АВ-17-8* рН 3-4 наКУ-2-8** рН 2

Донник лекарствен. 1,9 ±0,4 1.4 ± 0,3 0,9 ±0,2 0,45 ± 0,09

Мята перечная 0,08 ± 0,02 0,06 ± 0,01 0,036 ± 0,008 0,019 ±0,005

БАД "Сел-Плекс" 122 ± 12 108 ± 11 91 ±9 19 ± 2

*В элюате определяли Бе орг,. ** В элюате определяли Бе неорг.

Для сорбции органических форм I и Бе исследованы природные сорбенты: полифепан, сорбент на основе торфа и активированный уголь. При сравнении емкостей поглощения установлено, что наилучшей сорбционной способностью органических форм элементов обладает сорбент из торфа «Энтеросорбент ЭТС-1», с емкостью поглощения для селена 0,02 мг/г и 0,044 мг/г для йода. В ходе исследований установлены условия сорбции (в статическом режиме): масса навески сорбента (0,25-0,30) г, время сорбции - 60 мин, рН элюента (6-8). На основании полученных результатов разработан алгоритм ПП для определения общего содержания йода и селена и их форм применительно к методам В А (рисунок 17).

Рисунок 17 - Общая схема пробоподготовки для ВА-определения форм йода и селена

Как показано на схеме (рисунок 17), для определения общего содержания элементов использовали минерализацию. Для разделения органических и неорганических форм в анализируемый раствор вводили навеску сорбента, при этом органические формы количественно сорбировались на «Энтеросорбенте ЭСТ-1», а неорганические оставались в растворе. После фильтрования смеси, в фильтрате методом ВА определяли концентрацию неорганических форм, а осадок подвергали дальнейшей обработке с целью выделения органических форм. Для этого сорбент подвергали УЗ обработке и, после центрифугирования в надосадочной жидкости, определяли концентрацию органических форм элементов. Полученные результаты представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5 - Результаты В А-определения форм йода с использованием сорбции на стадии пробоподготовки (п = 3, Р = 0,95)

Объект Содержлнпе 1общ II его форм, мг кг

МУО 8-47/247 Предлагаемый способ

1общ 1общ 1орг I-

Концентрат ПК* 0,17 ±0,04 0, 19± 0,04 менее 0,03 0,18 ±0,04

Концентрат ПК+0,Змг/кг1орг+0,5мг/кг I" 1,0±0,2 1,0 ±0,2 0,29 ±0,06 0,7±0,1

Соя 0,09± 0,02 0,09 ± 0,02 0,5 ±0,1 0,039 ±0,008

Соя +1,0 мг/кг 1орг+0,1 мг/кг I- 1,2±0,2 1.2 ±0,2 1,0 ±0,2 1,0 ±0,2

Шрот 0,17±0,03 0,17 ±0,03 менее 0,03 0,17 ±0,03

Шрот + 0,6 мг/кг 1орг + 5,0 мг/кг I- б±1 б±1 0,6 ±0,1 5 ±1

Рыбная мука 0,25±0,06 0,28 ±0,06 0,08 ±0,02 0,19 ±0,04

Рыбная мука+5,0 мг/кг 1орг+1,0 мг/кг Г" б±1 б±1 5 ±1 1,0 ±0,2

Таблица 6 - Результаты ВА-определения форм селена с использованием сорбции на стадии пробоподготовки (п = 3, Р = 0,95)

Проба Содержание 8е общ. и его форм, мг кг

МУ 08-47/247 Предлагаемый способ

Я!е общ Яе орг Яе неорг 8е общ

Сенаж разнотравный 0,98 ±0,09 Менее 0,05 0,96 ±0,09 1,0 ±0,1

Сенаж разнотравный + 0,50 мг/кг Бе неорг + 1,0 мг/кг Бе орг 2,4 ± 0,2 1,1 ±0,1 1,4 ±0,2 2,5 ±0,3

Обрат сухой 1,1 ±0,1 Менее 0,05 0,9±0,1 1,0 ±0,1

Обрат сухой + 0,50 мг/кг йе неорг + 1,0 мг/кг $е орг 2,4 ± 0,2 0,98 ±0,09 1,5 ±0,2 2,5 ±0,3

БАД "Сел-Плекс" 122 ±11 106 ±11 93 ±9 20 ±2

На основании полученных результатов создан опытный экземпляр автоматизированного блока ПП, который позволяет в автоматическом режиме проводить отгонку или сорбцию легколетучих элементов Бе, Аб, I (рисунок 18).

ООО «юмх»

Схема блок! пробоподготовки:

1-нагрев ютль

2- стакан с пробой

3- крышка 4 сорбент

Ч. 5- кожух

Воздух

Рисунок 18 - Схема автоматизированного блока пробоподготовки для ВА-определения форм элементов

Для определения витаминов, антибиотиков и микотоксина предложен общий I алгоритм ПП, основанный на растворении пробы в подходящем растворителе, с последующим отделением матрицы. Пробы, содержащие антибиотики и витамины С и Вб растворяют в воде, В2 - в слабощелочном водном растворе, Афл В1 - в этиловом спирте. При необходимости протеин и наполнитель осаждают 7п804. Используя данный алгоритм ПП, проведен анализ реальных объектов, результаты представлены в таблице 7.

На основании полученных результатов предложен общий подход к разработке алгоритмов пробоподготовки для анализа кормов и кормовых добавок (рисунок 19), суть которого заключается в следующем:

- При определении общего содержания микроэлементов используют полное разложение матрицы (мокрая минерализация), отгонку легколетучих соединений компонента, либо экстракцию кислотами или ферментами. Для интенсификации процесса применяют физические воздействия (МВ, УЗ, 1°С).

- При определении форм элементов (неорганических или органических) концентрирование и/или выделение аналита проводят на ионообменных смолах

(ионный обмен) или на сорбенте (твердофазная экстракция), с последующей десорбцией определяемого компонента подходящим элюентом. Для интенсификации процесса десорбции применяют физические воздействия.

- При определении органических веществ (витаминов, антибиотиков и микотоксина), после растворения пробы, удаляют матрицу (чаще всего наполнители, либо белковые соединения) отстаиванием, центрифугированием или высаливанием.

Затем, выделенный аналит, при необходимости, переводят в электроактивную форму для последующего определения методом ВА.

Таблица 7 - Результаты ВА-определения водорастворимых витаминов (В2, В6, С), антибиотиков (тилозина тартрата, гентамицина сульфата, цефалексина) и Афл В1

Объект Аналит Содержание

На упаковке производителя (в пробе) Найдено

БМВД «Pigimax №5220» Украина В2, г/кг 38 39 ±4

Вб, г/кг 16 15 ± 2

ВМД «Хрюша» ООО «Агровит» В2 0,20 гйсг 0,19± 0,04

С 10 г/кг 10± 2

Премикс ПКК1-2 ЗАО «Витасоль», г. Боровск В2 0,30 г/кг 0,25 ± 0,04

Вй 0,20 гЛ<г 0,23 ± 0,05

«Фармазин» «HUVEPHAPMA», Болгария Тилозин тартрат 0,50 гА- 0,48 ± 0,04

«Цефалекс», «SP Veterinaria, SA», Испания Цефалексин 0,50 гЛ- 0,51± 0,04

«Гентамицин» ООО «КРК d.d.», Словения Гентамицина сульфат 0,10 гЛ- 0,11± 0,02

Отруби диетические пшеничные Афл В1, мг/кг (0,005) 0,010 ±0,003

Модельный раствор Афл В1, мг/ дм3 (0,020) 0,018 ± 0,007

(0,040) 0,039 ± 0,001

(0,060) 0,055 ± 0,006

Полное разложение 1

ПРОВА Матрица + Дналиг

Разложение матрицы

Неполное разложение 1

Воздействия: Шмедачение Хшлмесшв и

биошгичесшг реагенты

Пнгенснфикздня

МВ, УЗ, УФО, Оз, те

К

Мннераятоацня

Выделение аналитл

Воздействия:

Измельчение

Растворение /разбагленне Экстрагирование Хшянеские реагенты Разделение (НО, ТФЭ, и т.д.)

Отгонка

Получение элекгроактивной формы

т

В А - измерение

Рисунок 19 - Общая схема пробоподготовки кормов и кормовых добавок с учетом особенностей определения неорганических элементов и органических веществ методами В А

На основании полученных результатов разработаны 8 методик анализа различных типов вод, кормов и кормовых добавок, которые прошли метрологическую аттестацию в аккредитованной метрологической службе ГПУ, из них 5 методик внесены в Государственный Реестр методик выполнение измерений, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора. Получено 2 патента РФ на изобретения.

В сравнении с ГОСТ Р, предлагаемые методики отличаются экспрессностью, экологической безопасностью и невысокой стоимостью анализа.

Применение автоматизированного блока пробоподготовки, опытный образец которого успешно прошел испытания, позволяет разделять формы элементов (органические, неорганические, летучие, растворимые), что значительно сокращает и упрощает процедуру пробоподготовки кормов и кормовых добавок. Предлагаемый блок пробоподготовки, несомненно, также найдет применение в анализе пищевых продуктов и экологических объектов.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны способы получения новых органо-модифицированных электродов для определения ряда металлов и неорганических элементов методами ВА. Изучено вольтамперометрическое поведение солей арилдиазоний тозилата на различных электродах. Предложено в качестве модификаторов использовать арилдиазоний тозилаты с - №12 и - СООН - заместителями. Подобраны условия модифицирования поверхностей серебряного и золото-графитового электродов, позволяющие улучшить метрологические показатели вольтамперометрических методик определения Бе, I, Ре, Си, №. Рассмотрены варианты электрохимических реакций протекающих на органо-модифицированных электродах.

2. Разработаны новые и оптимизированы известные способы ВА -определения ряда микроэлементов и их форм, водорастворимых витаминов, антибиотиков широкого спектра действия и микотоксина. Выбраны условия получения аналитических сигналов микроэлементов (Бе, I, Ре, Си, N1), витаминов (В2, С, В6), антибиотиков (гентамицина сульфата, тилозин тартрата, цефалексина),

афлатоксина В1 методами вольтам перометрии. Определены величины минимально определяемых концентраций, пределов обнаружения и диапазонов измеряемых концентраций.

3. Предложен универсальный алгоритм пробоподготовки различных типов вод, кормов и кормовых добавок, основанный на различных вариантах выделения аналита и разложения матрицы. На основе сочетания экстракции и сорбции (или ионного обмена) разработаны алгоритмы методик определения органических и неорганических форм йода и селена. Создан опытный экземпляр блока пробоподготовки, который позволяет в автоматическом режиме проводить отгонку или сорбцию легколетучих элементов Бе, Ав, I.

4. Разработаны и метрологически аттестованы вольтамперометрические методики совместного определения йода и селена; железа и меди в водах, кормах и кормовых добавках.

5. Разработаны и метрологически аттестованы вольтамперометрические методики определения неорганических и органических форм йода и селена в водах, кормах и кормовых добавках.

В приложении представлены материалы, подтверждающие практическую значимость проведенных исследований: патенты, акты внедрений, свидетельства об аттестации методик.

Выражаю огромную благодарность своему научному консультанту, д.х.н., профессору Слепченко Г.Б. за научные консультации и ценные советы на различных этапах выполнения данного исследования, коллективу ООО «ЮМХ» (г. Томск) за совместное проведение исследований, Г.Т. Вилисову за помощь в создании опытного экземпляра блока пробоподготовки.

Особая благодарность сотрудникам кафедры биотехнологии и органической химии ФГАОУ ВО НИ ТПУ за предоставленные соли диазония и консультации при проведении исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Дерябина, В. И. Пути оптимизации вольтамперометрического определения мышьяка в пищевых продуктах / Э. А. Захарова, В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко // Журнал аналитической химии. - 2005. - Т. 60, № 6. - С. 571-575.

2. Deryabina, V.I. Optimization of the voltammetric determination of arsenic in foodstuffs/ E.A. Zakharova, V.I. Deryabina, G.B Slepchenko // Journal of Analytical Chemistry. - 2005 - Vol. 60 - №. 10. - p. 571-575.

3. Дерябина, В. И. Исследование вольтамперометрического поведения йода и селена на новых органо-модифицированных электродах. Разработка методики их определения / В.И. Дерябина, Г.Б.Слепченко, Фам Кам Ньунг, Хо Ши Линь // Журнал аналитической химии. - 2013. - Т. 68, № 10 - С. 991-995.

4. Deryabina, V. I. Voltammetry behavior of iodine and selenium on new organo-modified electrodes: development of a procedure for the determination of iodine and selenium/ V. I.Deryabina , G. B. Slepchenko, C.N. Pham, S. L. Kho // Journal of Analytical Chemistry. - 2013 - Vol. 68 - №. 10. - p. 896-899

5. Дерябина, В. И. Пробоподготовка пищевых и биологических объектов при вольтамперометрическом определении неорганических примесей (обзор) / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Э. А. Захарова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т. 70, № 7. - С. 3-18.

6. Дерябина, В. И. Определение мышьяка в водах методом инверсионной вольтамперометрии с разными способами пробоподготовки / В. И. Дерябина, Э. А. Захарова, Г. Б. Слепченко, Н. А. Чучунова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006- Т. 72, № 1. - С. 3-7.

7. Дерябина, В. И. Вольтамперометрический контроль содержания селена и его форм в растениях (донник лекарственный) с использованием экстракции и ионного обмена / В. И. Дерябина, Л. Н. Скворцова, Э. А. Захарова, Г. Б. Слепченко // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006. - Т. 72, № 11. - С. 7-10.

8. Дерябина, В. И. Определение неорганических и органических форм йода в кормах методом вольтамперометрии / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Фам Кам

Ньунг, JI. А. Малиновская // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2013. -Т.79, №5.-С. 23-26.

9. Дерябина, В.И. Электрохимические сенсоры в анализе биологических объектов и лекарственных препаратов/ Т.М Гиндуллина., Г.Б Слепченко., В.И. Дерябина, Е.А. Нестеров // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2014 - Т.80, № 7. -С.7-13.

10. Дерябина, В. И. Новые подходы к определению никеля методом вольтамперометрии / В. И. Дерябина, Т. В. Акользина, Нохойжав Гэрэлтуяа // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 8 (3). - С. 590-594.

11. Дерябина, В.И. Применение арилдиазоний тозилатов для поверхностной модификации электродов при определении неорганических элементов методами вольтамперометрии / В.И. Дерябина, Г.Б. Слепченко, Т.И. Щукина // Современные проблемы науки и образования- 2014. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/115-12047 (дата обращения: 11.02.2014).

12. Дерябина, В.И. Совместное определение водорастворимых витаминов группы В и С/ В.И. Дерябина, Е.В. Михеева, Г.Б. Слепченко, Т.И. Щукина // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/116-12282 (дата обращения: 05.03.2014).

13. Дерябина, В. И. Функциональные напитки антиоксидантного действия / Е.В. Шигина, JI.A. Маюрникова, Г.А. Гореликова, A.B. Пермякова, В.И. Дерябина // Пиво и напитки. - 2006. - № 4. - С. 41-43.

14. Дерябина, В. И. Разработка способов экстракции для определения различных форм селена в доннике лекарственном / В. И. Дерябина, Э. А. Захарова, Е. В. Шигина, JI. А. Маюрникова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - № 1. - С. 42-45.

15. Дерябина, В.И. Новый подход к решению проблемы получения функциональных напитков антиоксидантного действия/ Е.В. Шигина, Л.А. Маюрникова, Г.А. Гореликова, A.B. Пермякова, В.И. Дерябина // Пиво и напитки. -2007.- №4. -С. 17-19.

16. Дерябина, В.И. Вольтамперометрический контроль растительного сырья и БАД на содержание общего селена с использованием отгонки SeBr4/ Дерябина В.И.,

Захарова Э.А., Слепченко Г.Б. //Хранение и переработка сельхозсырья. -2009. -№ 8. -С. 47-49.

17. Дерябина, В. И. Определение йода в кормах и кормовых добавках методом вольтамперометрии / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Фам Кам Ньунг, Хо ТТТи Линь, Т. В. Лычева, М. Е. Кириллова //Достижения науки и техники АПК. — 2011. — № 11.-С. 42- 44.

18. Дерябина, В. И. Характеристика низинных торфов Западной Сибири / В. И. Дерябина, Л. А. Малиновская // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 12. -С. 36-38.

19. Дерябина, В. И. Вольтамперометрическое определение форм селена в кормах с использованием природных сорбентов / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Фам Кам Ньунг, Т. В. Лычева, Л. А. Малиновская // Достижения науки и техники АПК.

,2012. Л-11. С. 31-34.

20. Дерябина, В. И. Совместное вольтамперометрическое определение железа и меди в кормах и кормовых добавках / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Хо ТТТи Линь, Т. В. Лычева, Л. А. Малиновская // Достижения науки и техники АПК. - 2013. - № 1.-С. 23-25.

21. Дерябина, В.И. Метод вольтамперометрии для определения цефалексина в лекарственных препаратах, применяемых в ветеринарии / В.И. Дерябина, Фам Кам Ньунг, Ю.А. Акенеев, Т.И. Щукина, Д.Н. Сафонов // Достижения науки и техники АПК.-2013.-№ 10.-С. 49-51.

22. Дерябина, В.И. Вольтамперометрический способ определения тилозина тартрата в лекарственных препаратах, применяемых в ветеринарии/ В.И. Дерябина, Фам Кам Ньунг, Ю.А. Акенеев, Д.Н. Сафонов // Достижение науки и техники АПК. -2014 - №3. -С.72-74.

23. Дерябина, В. И. Вольтамперометрическое определение содержания селена и его форм в различных объектах / В. И. Дерябина, Г. Б. Слепченко, Н. М. Дубова, Н. П. Пикула, А. А. Бакибаев, М. И. Тартынова, Ш. К. Амерханова //Вестник Карагандинского университета. Серия «Химия». - 2011. - №2 (62). - С. 8-13.

24. Deryabina, V. I. Nghiên cúu phuong pháp von-ampe hôa tan xác dinh sät trong nuác trên diên eue bac bién tinh hûu с a / V. I. Deryabina, Ho Sy Linh, Pham Câm Nhung, G. B.Slepchenko, Dinh Thi Truông Giang //Тар chí Hóa hoc và úng dung, Viêt Nam, so 2 (18), 2013 = Study on the stripping voltammetry determination of ferrous in water on organo modified electrodes.//Journal of chemistry and application. - Vietnam, 2013. -№2(18).-P. 41-44.

25. Пат. 2459199 Российская Федерация. Способ количественного определения йода методом инверсионной вольтамперометрии. / Дерябина В.И., Слепченко Г.Б., Фам Кам Ньунг, М.Е. Кириллова.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" -№ 2011112099/28; заявл. 30.03.2011; опубл. 20.08.2011, Бюл. №23. - 8 с.

26. Пат. 2504761 Российская Федерация. Способ количественного определения никеля методом инверсионной вольтамперометрии на органо- модифицированном электроде / Дерябина В.И., Слепченко Г.Б., Фам Кам Ньунг, JI.A. Малиновская.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" - № 2012129615/28; заявл 12. 07.2012; опубл.20.01.2014, Бюл. №2. - 8 с.

27. Дерябина, В.И. Современный подход к вольтамперометрическому анализу селеносодержащих препаратов/ И.О Максимчук., Е.Г. Черемпей, В.И. Дерябина, Г.Б. Слепченко// Сб. тезисов докладов научно-практической конференции «Новые химико-фармацевтические технологии»- М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2014, С. 104- 107.

28. Дерябина, В.И. Инверсионная вольтамперометрия йода на органо-модифицированных электродах / Г.Б Слепченко, В.И. Дерябина, Фам Кам Ньунг, Хо Ши Линь, М.Е. Кириллова // Материалы. 1-я Международная Российско-Казахстанская конференция по химии и химической технологии. - Томск, 2011. - С. 506-509.

/Жч

Подписано к печати 09.10.2014. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 2,50. Уч.-изд. л. 2,26. _Заказ 952-14. Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Я&Ъ s) Система менеджмента качества

Издательства Томского политехнического университета Сертифицирована в соответствии с требованиями ISO 9001:2008

КЗЛАШЬСТВО^ТПГ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru