Инструментальные методы определения токсичных соединений: Методические указания к курсу для студентов специальности ''Биотехнология''

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ГОУ ВПО ВСГТУ)

Методические указания к курсу «Инструментальные методы определения токсичных соединений» (1часть) для студентов специальности «Биотехнология»

В работе приведены краткие теоретические основы инструментальных методов определения неорганических соединений и лабораторные работы по определению некоторых неорганических соединений в воде, в биообъектах инверсионным вольтамперометрическим методом. Описания включают вопросы для самопроверки. Методические указания предназначены для студентов специальности «Биотехнология»

Ключевые слова: токсические соединения, вольтамерометрия, колориметрия, спектрометрия, фотометрия.

Составители: Гомбоева С.В., Чебунина Е.И.

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006 2

ВВЕДЕНИЕ Содержание Введение Фотометрические методы Вольтамперометрические методы Спектрометрические методы Определение кислотности, щелочности и рН Колориметрический метод Испытания на чистоту и допустимые пределы примесей Определение ионов тяжелых металлов в воде методом инверсионной вольтамперометрии Методы перевода пробы в раствор Определение ионов тяжелых металлов в биообъектах и пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии Вопросы для собеседования Список рекомендуемый литературы Приложение

4 4 7 9 11 15 16 19 26 30 39 40 41

Предлагаемый курс дает студентам представление о возможностях современных инструментальных методов анализа неорганических соединений, прежде всего входящих в состав растительного, животного сырья. Студенты изучают основные теоретические положения и практические вопросы химического контроля. Существует большое количество различных методов анализа содержания химических элементов в природных объектах. Целесообразность применения того или иного метода определяется следующими параметрами: 1. Необходимая информация об элементном составе анализируемой пробы должна быть получена в возможно более короткий срок с возможно меньшими затратами. 2. Получаемые результаты не должны быть искаженными; метод анализа должен быть избирательным (или специфичным) в отношении определяемого элемента. 3. При выборе метода нужно обратить внимание на предел обнаружения, многоэлементность. Рассмотрим некоторые методы определения неорганических соединений. Фотометрические методы Эти методы состоят в измерении поглощения лучистой энергии растворами анализируемых веществ. Характер спектра поглощения служит качественным признаком определяемого соединения, а величина поглощения выступает как количественная характеристика, позволяющая судить о содержании интересующего нас компонента. Дело в том, что поглощение лучистой энергии при прочих равных условиях пропорционально концентрации поглощающего вещества. Понятие «фотометрические» охватывает приемы, которые именуются или именовались колориметрическими,

3

4

фотоэлектроколориметрическими, спектрофотометрическими и собственно фотометрическими. Происхождение этих терминов связано со способом измерения светопоглощения и типом применяемого для этой цели прибора. Однако в основе всех способов лежит поглощение света определяемым веществом в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Достоинство этих приемов в довольно низком пределе обнаружения, доступности и простоте, сочетающихся во многих случаях с достаточной избирательностью и быстротой; точность определений также для ряда целей вполне удовлетворительна: относительная ошибка обычно составляет 5-10 %. Важно и то, что фотометрические методы разработаны практически для всех элементов и очень многих органических соединений. Почти всегда измерению поглощения предшествует перевод определяемого компонента в новую химическую форму, как раз и отличающуюся сильным поглощением лучистой энергии. Это может быть окрашенное соединение или соединения, поглощающие излучение в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Отыскание такого соединения, выбор условий его образования, нахождение приемов устранения помех со стороны других компонентов – цель и существо химической теории фотометрических методов. В качестве фотометрических реагентов используют вещества различных классов. Из неорганических соединений – это галогениды и роданиды, перекись водорода, аммиак, соединения, дающие гетерополикислоты. Из более многочисленных органических реагентов можно назвать реагенты, содержащие в определенном сочетании гидроксильную и карбоксильную группу, в частности оксиазосоединения; реагенты с тиольной и тионной группами. Очень часто хороший аналитический эффект дают много-

компонентные соединения, например комплексы со смешанной координационной сферой. В больших масштабах ведутся успешные поиски новых реагентов для фотометрического определения элементов. Значительный вклад внесли исследования В.И. Кузнецова и С.Б. Саввина, которые предложили реагенты группы торона и арсеназо – арсеназо I, арсеназо Ш, сульфохлорфенол С и другие, позволяющие определять многие элементы с низким пределом обнаружения и высокой избирательностью. Эти реагенты производятся и применяются во многих странах. Особенно эффективны они при определении тория, урана, редкоземельных элементов, ниобия. В.П. Живописцев ввел в практику эффективные реагенты хромпиразол I и хромпиразол II, Ю.А. Банковский изучил меркоптохинолин, позволяющий весьма избирательно фотометрировать рений и другие элементы. Предложен также люмогаллион – реагент для фотометрического определения галлия, молибдена, ниобия. Литий удобно определять с использованием реагента хиназолиназо. В аналитической химии бериллия важны методы, основанные на использовании берриллона II и IV. Чувствительное фотометрическое определение титана обеспечивается дихлорхромотроповой кислотой. Разработаны и с большой пользой применяются фотометрические методы, основанные на использовании ранее известных реагентов, например, метод определения ниобия по реакции с роданидом; создано много интересных методов с использованием катионных красителей – кристаллического фиолетового, бриллиантового зеленого и аналогичных; антипирилметан применен для фотометрического определения титана – этот метод широко известен. Создан широко применяемый метод определения кремния, фосфора и мышьяка в виде гетерополисоединений.

5

6

Чаще всего фотометрические методы используют для определения малых концентраций веществ. Однако можно определять и большие количества, если использовать так называемую дифференциальную фотометрию. Налажено производство необходимой аппаратуры. На смену старым спектрофотометрам пришли обновленные приборы как отечественного, так и импортного производства, например SPECORD и др., а фотоэлектроколориметры отечественного производства не уступают зарубежным образцам, например, прибор ФЭК-56. Вольтамперометрические методы Вольтамперометрия - это учение использования зависимостей ток-потенциал, полученных в электрометрической ячейке с любым электродом, кроме капающего ртутного. Различают прямую, инверсионную и косвенную вольтамперометрию (амперометрическое титрование). Вольтамперометрическими называют методы анализа, основанные на регистрации и изучении зависимости тока, протекающего через электролитическую ячейку, от внешнего наложенного напряжения. Анализ вольтамперограммы дает информацию о качественном и количественном составах анализируемого раствора. В зависимости от типа индикаторного электрода вольтамперометрические методы принято делить на полярографию и собственно вольтамперометрию. Если в качестве индикаторного электрода используют ртутный капающий электрод - полярографический метод, другие электроды – вольтамперометрия. Полярографией называется электрохимический анализ веществ в растворах или расплавах с использованием явления поляризации, чаще всего ртутного капельного электрода, на основе исследования кривых ί – φ. Для прямых полярографических измерений используется полярограф, на котором получают прямую поляро7

грамму, которая представляет собой поляризационную кривую с площадкой, соответствующей предельному диффузионному току. Последний пропорционален концентрации анализируемого вещества. При анализе смеси ионов получается полярографический спектр, где каждому иону соответствует определенная площадка диффузионного тока. Чувствительность методов прямой полярографии 10-5 моль/л и разрешающая способность порядка десяти. Дифференциальная или производная полярография. В основе данного метода лежит получение дифференциальных кривых dί/dφ – φ. Полярографические кривые имеют острый максимум, положение которого на оси абсцисс определяется потенциалом полуволны, а высота – концентрацией анализируемого вещества. По чувствительности дифферинциальная полярография не отличается от прямой, а ее разрешающая способность на один порядок больше, т.е. порядка 100-200. Инверсионная полярография используется для определения очень малых количеств вещества. Она состоит в предварительном накоплении путем электролиза анализируемого вещеста на электроде с последующим полярографированием. Чувствительность выше на 2-3 порядка. Перед регистрацией полярограммы необходимо удалить из раствора растворенный кислород, который восстанавливается на ртутном электроде. Из раствора кислород можно удалить, электрохимически пропуская ток какоголибо инертного газа (азота, гелия, аргона). В случае очень точных измерений требуется увеличить время продувания. Инверсионная вольтамперометрия (ИВ). Этот метод применим для определения крайне низких концентраций веществ, вплоть до n*10-9 М. Метод можно применять для определения нескольких веществ при совместном присутствии. В этом случае электролиз ведут при потенциале предельного тока наиболее трудно восстанавливающегося 8

вещества. Можно определить не только их валовое содержание, но и подвижные формы металла. Метод ИВ-измерений основан на способности элементов электрохимически осаждаться на индикаторном электроде из анализируемого раствора при задаваемом потенциале предельного диффузионного тока, а затем растворяться в процессе анодной поляризации при определенном потенциале, характерном для каждого элемента. Процесс электроосаждения элементов на индикаторном электроде проходит при заданном потенциале электролиза в течение заданного времени. Электрорастворение элементов с поверхности электрода проводят в режиме меняющегося потенциала (линейном или другом) при заданной чувствительности прибора. Регистрируемая вольтамперограмма содержит аналитические сигналы (максимальные анодные токи) определяемых элементов. Аналитический сигнал элемента прямо пропорционально зависит от концентрации определяемых по методу добавок аттестованной смеси элементов. Спектрометрический метод Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул изучаемого вещества и последующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени. Существуют различные способы ионизации атомов и молекул. В элементном анализе твердых неорганических веществ применяют искровой разряд. Для разделения ионов по массе используют однородное магнитное поле (магнитные масс-спектрометры) либо поле, созданное высокочастотным напряжением (квадрупольные атомизаторы). Аналитическую масс-спектрометрию отличают: высокая чувствительность определения (до 10-13 %); универсальность – возможность анализа широкого круга объектов от элементов до сложных белковых молекул; воз9

можность анализа как жидких, так и твердых образцов, высокая специфичность и селективность. Метод нейтроно-активационного анализа (НАА) основан на образовании радиоактивных изотопов из определяемых элементов при облучении пробы ядерными или гамма-частицами и регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности. Наиболее распространен НАА, использующий медленные нейтроны. Достоинства метода НАА: высокая чувствительность (до 10-11%), специфичность, часто неразрушаемость пробы и отсутствие поправки на контрольный опыт. Недостатки: малая доступность источника активных частиц; необходимость защиты от излучения; сложности при анализе образцов сильноактивизирующейся матрицей. Метод атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) основан на термическом возбуждении свободных атомов или одноатомных ионов и регистрации оптического спектра испускания возбужденных атомов: А + Е →А* → А + hv. Возбуждение атома происходит при столкновении с частицами плазмы, дуги или искрового разряда, обладающими высокой кинетической энергией. Эмиссионный анализ удовлетворяет двум главным требованиям – многоэлементности и экономичности. На одной спектрограмме можно обнаружить до 30 элементов без разделения. Метод обеспечивает сравнительно низкие пределы обнаружения и широкий интервал определяемых содержаний. Методом АЭС возможен анализ как твердых, так и жидких образцов. В то же время АЭС имеет невысокую чувствительность (до 10-5 %) и низкую точность, что обусловлено, прежде всего, влиянием состава анализируемых проб на результаты анализа. При пламенной эмиссии недостатками метода являются также спектральные помехи и нестабильность пламени. 10

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС). Метод ААС, применяемый в данной работе, основан на переводе пробы в атомный пар и измерении поглощения этим паром излучения, характеристического для определенного элемента. Сущность явления заключается в том, что атомы, поглощая фотоны, переходят в возбужденное состояние: А + hv → A*. Вследствие поглощения кванта света излучение ослабляется. Поглощающий слой атомов создается при термическом испарении пробы в диапазоне температур 1500 – 3000К. В этих условиях подавляющая часть атомов (более 90%) находится в основном состоянии, следовательно, в спектрах поглощения наблюдаются только линии, соответствующие переходам из основного на вышележащие уровни (как правило, на нижний возбужденный) – резонансные линии. Поэтому число линий в спектрах атомного поглощения, в отличие от спектров эмиссии, очень мало; совпадение линий практически не наблюдается. Этим обеспечивается высокая селективность ААС метода и возможность использования сравнительно простых монохроматоров. Также метод ААС обладает следующими достоинствами: возможностью многокомпонентного определения из одного и того же раствора, многоэлементностью, он высокочувствителен, обладает относительно малой погрешностью (310 %), предел обнаружения достигает 10-7 %. Определение кислотности, щелочности и рН Определенную информацию о степени чистоты лекарственных средств дает значение рН растворов. По этому показателю можно судить о наличии примесей кислотного или основного характера. Определение качества лекарственных средств по этим показателям осуществляется несколькими способами: по изменению окраски кислотно-основных индикаторов; 11

потенциометрическим методом; колориметрическим. Таблица 1. Индикаторы, используемые для определения кислотности или щелочности №

Индикаторы

1 2 3 4 5 6 7 8

Метиловый оранжевый Бромфеноловый синий Конго красный Метиловый красный Бромтимоловый синий Фенолфталеин Тимолфталеин Смешанный (смесь метилового красного и метиленового синего 2:1) Бумага лакмусовая красная

9

Интервал рН перехода цвета 3,0 – 4,4 3,0 – 4,6 3,0 – 5,2 4,2 – 6,2 6,0 – 7,6 8,2 – 10,0 9,4 – 10,6 5,4

8,0

Изменение цвета красный – желтый желтый – синий сине-фиолетовый красный красный – желтый желтый-синий бесцветный-яркорозовый бесцветный-синий фиолетово-краснаязеленая бледно-синяя

Индикаторы являются электролитами, существующими в двух таутомерных формах. В зависимости от концентрации водородных ионов (значении рН среды) преобладает одна из этих форм, обуславливающая определенную окраску раствора. Однако окраска индикатора указывает только на то, что рН раствора находится в пределах, где доминирует одна из форм индикатора, но не указывает истинного значения. В нормативных документах на лекарственные вещества вводится раздел – определение рН, для чего готовят растворы определенной концентрации, при этом указывается интервал значения величины рН. Например, 5% раствор сульфацила натрия – рН 8,5 – 9,5; раствор из 1,5 г кислоты глютаминовой в 30 мл воды – 3,1 – 3,7. Ежедневно 12

контролируют рН воды очищенной и всех инъекционных растворов до и после стерилизации. Несоответствие значения рН требованиям нормативных документов может быть следствием наличия примесей кислого или основного характера. Такие примеси могут появиться при хранении лекарственных средств, например, вследствие гидролиза растворов, под влиянием щелочности стекла, при взаимодействии с углекислым газом воздуха и т.д. Величина рН характеризует кислотность или основность растворов, является важной характеристикой растворов, т.к. определяет ход многих химических и биологических процессов. Кроме того, определение рН среды водных растворов солей имеет значение при проведении реакций подлинности и определения чистоты лекарственных средств. Для практического определения рН используют два принципиально различных метода: потенциометрический и колориметрический. Потенциометрическое определение рН Метод заключается в изменении ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух электродов: индикаторного, потенциал которого зависит от активности определяемых ионов водорода, и электрода сравнения – стандартного электрода с известной величиной потенциала. В качестве стандартного электрода служат каломельный и хлорсеребряный, в качестве индикаторного применяют водородный, хингидронный, стеклянный (последний чаще других). Разница ЭДС между этими двумя электродами выражается через показатель концентрации ионов водорода. На практике расчеты при определении рН не производятся, т.к. для измерения его применяют потенциометры, рН-метры, иономеры. 13

Измерения рН производят несколько раз из нескольких проб и берут среднее из 3-5 показаний. Время установления показаний 2 мин. Порядок работы на иономере 1. Перед началом работы прибор заземляется. Проверяется и устанавливается механический нуль показывающего прибора. 2. Переключатели прибора устанавливаются в положение «t» и «1-19», после чего прибор включается в сеть и прогревается в течение 30 минут. 3. Для установки температуры раствора при ручной термокомпенсациии необходимо: погрузить электроды в стаканчик с исследуемым раствором; переключатель «Термокомпенсатор» установить в положение «ручн» (на задней панели прибора; нажать кнопку одного из диапазонов измерения (на передней панели), кроме «-1-19»; ручкой «Температура раствора» установить стрелку показывающего прибора на значение по шкале 0-100 в соответствии с температурой раствора. 4. Нажать кнопки рХ, «анион/катион» и диапазон «-119» на передней панели. 5. Измерить грубое значение рН по шкале «-1-19» для выбора диапазона измерений. 6. Определив грубое значение рН по шкале «-1-19», нажимают кнопку одного из диапазонов (-1-4; 4-9; 9-14; 1419) и проводят отчет значения рН с точностью до второго знака. 7. По окончании работы отжимают все кнопки прибора, кроме кнопки «t», промывают два раза электроды очищенной водой и опускают их в стаканчик с очищенной водой.

14

Колориметрический метод Метод основан на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от активности ионов водорода в определенном интервале рН. Определение рН проводят с помощью индикаторов и стандартных буферных растворов. Буферные растворы позволяют точно регулировать концентрацию ионов водорода и гидроксила и, следовательно, делают возможным контроль реакций, зависящих от степени кислотности. Буферными растворами являются смеси слабых кислот или оснований с солями этих кислот или оснований. Стандартные буферные растворы должны соответствовать следующим требованиям: растворы должны обладать высокой буферной емкостью, не изменяться во времени, иметь малый температурный коэффициент, вещества, из которых готовят буферные растворы, должны быть устойчивы и легко получаться в чистом виде. Точному определению рН исследуемого раствора колориметрическим методом должно предшествовать приблизительное определение рН с помощью индикаторной бумаги или индикатора, обладающего широкой областью перехода. Выбирают соответствующий индикатор, который должен показать переходную окраску, отличную от окраски кислотной и основной форм индикатора. Затем готовится серия буферных растворов (5-6) с интервалом 0,2 рН или 0,1 рН. Методика. К равному объему исследуемого и буферных растворов прибавляют одинаковый объем раствора индикатора. Затем окраска исследуемого раствора сравнивается с окраской буферных и из них выбирается раствор, 15

совпадающий по окраске. Значение рН выбранного буферного раствора соответствует рН исследуемого раствора. Недостатками этого метода являются следующие: определение проводится визуально и может присутствовать ошибка, связанная с субъективным характером выбора; невозможно его применение в окрашенных и мутных растворах, в присутствии окислителей или восстановителей, других веществ, способных вступать во взаимодействие с индикатором. Испытания на чистоту и допустимые пределы примесей Почти все лекарственные средства содержат примеси посторонних веществ, что объясняется различными причинами: технологический процесс получения лекарственных средств – основной источник примесей (аппаратура, недостаточная чистота исходных веществ и полупродуктов синтеза, растворителей, вспомогательных веществ). условия хранения оказывают влияние на качество лекарственных средств. Появление в них примесей связано с изменением физических свойств и протеканием химических реакций под действием влаги, света, кислорода, углекислого газа, тары и других факторов внешней среды. Таблица 2. Некоторые общие примеси и примеры их определения №

Лекарственные средства

Определяемая примесь ионов

Методика определения

1

Кислота хлористоводородная

SO4²-

5 мл препарата разбавляют водой до 50 мл. 10 мл полученного раствора не

16

Эталонный раствор

2

3

Кислота салициловая

Вода очищенная

должны давать реакции на сульфаты 1,5 г препарата взбалтывают с 30 мл воды в течение 1-2 мин. И фильтруют. 10 мл фильтрата должны выдерживать испытание на хлориды (не более 0,02% в препарате) К 10 мл воды прибавляют 0,15 мл реактива Несслера, перемешивают и через 5 мин. Сравнивают с раствором, состоящим из смеси 1 мл эталонного раствора Б, содержащей 0,002 мг иона аммония в 1 мл 9 мл воды, свободной от аммиака, и такого же количества реактива, которое прибавлено к испытуемому раствору. Окраска, появившаяся в испытуемом растворе, не должна превышать эталон (0,00002% в препарате). К 10 мл воды, прибавляют 0,5 мл кислоты азотной, 0,5 мл раствора серебра нитрата, перемешивают и оставляют на

Сl¯

NH3

Сl¯

17

хлоридиона

5 мин. Не должно быть опалесценции. К 10 мл воды прибавляют 0,5 мл кислоты хлористоводородной разведенной и 1 мл бария хлорида, перемешивают и оставляют на 10 мин. Не должно быть помутнения. К 10 мл воды прибавляют 1 мл раствора аммония хлорида, 1 мл раствора аммиака и 1 мл раствора аммония оквалата, перемешивают и оставляют на 10 мин. Не должно быть помутнения К 10 мл воды прибавляют 1 мл кислоты уксусной разведенной, 2 капли раствора натрия сульфида, перемешивают и оставляют на 1 мин. Наблюдение окраски производят по оси пробирки диаметром около 1,5 см, помещенной на белой поверхности. Не должно быть окрашивания.

SO4²-

Са2+

аммоний-иона

Тяжелые металлы

Для установления чистоты лекарственных средств используются химические, физико-химические и физические методы (УФ-спектрофотометрия, фотоколориметрия, хроматографические в различных вариантах и др.). 18

Определение ионов тяжелых металлов в воде методом инверсионной вольтамперометрии Цель работы: экспериментальное определение содержание ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) в водах методом инверсионной вольтамперометрии. Охрана окружающей среды предполагает постоянный аналитический контроль (мониторинг) множества объектов окружающей среды, включая различные типы вод (питьевых, поверхностных, речных, морских, сточных), воздушные массы, почвы, сельскохозяйственную и пищевую продукцию, живые организмы, биологические и клинические объекты. Природная вода существует не в виде химического соединения, состоящего из водорода и кислорода, а представляет собой сложное тело, в состав которого помимо молекул воды входят самые различные вещества. Все они играют ту или иную роль в жизни водного населения. Наибольшее экологическое значение имеют для него степень насыщения воды различными газами, концентрация ионов минеральных солей, водородных ионов и органических веществ, состав и концентрация взвешенных веществ. Краткая характеристика тяжелых металлов (свинец, кадмий, цинк, медь). Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Свинец, кадмий, цинк, медь относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое.

19

Медь относительно широко распространена. Главные источники меди – сульфидные руды и медистые песчаники. Медь входит в состав более двухсот минералов. Медь находит широкое применение в различных отраслях электротехнической и холодильной промышленности, в тяжелой индустрии, порошковой металлургии, связи, в производстве материалов для машино- и судостроения, в авиационной промышленности, приборостроении. Некоторые соединения меди применяются в качестве пестицидов, для изготовления минеральных красок, в пиротехнике, в производстве стекла и эмалей и др. Основным источником поступления соединений меди в природные воды следует считать сточные воды химических и металлургических производств, шахтные воды, а также сельскохозяйственные стоки (в особенности для районов с интенсивным развитием виноградарства). Медь – один из важнейших микроэлементов, участвующий в процессе фотосинтеза и влияющий на усвоение азота растениями. Медные удобрения содействуют синтезу белков, жиров и витаминов растительными организмами. В биологических системах обнаружен ряд медь содержащих протеинов, связанный с кислородом гемоцианин, цитохромная оксидаза, тиросиназа. Церулоплазмин (белок сыворотки крови) содержит свыше 95% всей меди, находящейся в млекопитающих. Доминирующая роль меди в биологических системах определяется ее способностью стабилизировать серные радикалы. Медь не является остротоксичной для человека, что обусловлено ее промежуточным положением между жесткими и мягкими кислотами по характеру образования связей. Медь редко связывается с серосодержащими протеинами. В некоторых случаях дефицит меди в организме человека имитирует хроническую его интоксикацию. Канцерогенные и мутагенные свойства меди не установлены. 20

Цинк относительно широко распространен в биосфере Земли. Основной источник поступления цинка в пресные поверхностные воды – это процессы разрушения и растворения горных пород и минералов, главным образом сфалерита ZnS, сульфидных комплексных и железных руд. В результате антропогенной деятельности соединения цинка могут поступать в пресноводные экосистемы со сточными водами химического, деревообрабатывающего, текстильного, бумажного, цементного производства, а также рудников, горнообогатительных и плавильных заводов, металлургических комбинатов. С точки зрения физиологии цинк – необходимый элемент как для человека и животных, так и для растений. Физиологическая его активность в организме связана главным образом с деятельностью многих ферментов (например, карбоангидразы) и гормонов. Цинк является составной частью многих энзимов. Установлено его участие в процессах синтеза нуклеиновых кислот, РНК и ДНК полимераз. Таким образом, он участвует в процессах восстановления тканей у млекопитающих. Ряд других физиологических процессов – гормональный метаболизм, иммунная реакция, стабилизация рибосом и мембран клеток – также осуществляется с участием цинка. В организме цинк снижает токсичность кадмия и меди. Токсичность цинка для человека во многом зависит от его синергизма или антагонизма с другими металлами, особенно с кадмием. Недостаток цинка в организме человека проявляется в подавлении ферментной активности и иммунной реакции организма, а также в более медленном заживлении ран. Кадмий относится к числу редких, рассеянных элементов. По своим свойствам он близок к цинку и содержится как примесь в цинковых рудах. Основными источниками загрязнения пресноводных экосистем кадмием яв21

ляются промышленные сточные воды горнометаллических комбинатов и химических заводов по производству красителей, кадмий-никелевых аккумуляторов, минеральных удобрений, а также тепловые электростанции, автомобильный транспорт и промышленные свалки. Один из источников поступления – процессы выщелачивания из полиметаллических и медных руд, а также из почв. Соединения кадмия, независимо от их агрегатного состояния, очень ядовиты. По своей токсичности кадмий аналогичен ртути и мышьяку. Менее растворимые его соединения действуют, в первую очередь, на дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт, а более растворимые – после всасывания в кровь – поражают центральную нервную систему (сильное отравление), вызывают дегенеративные изменения во внутренних органах (главным образом в печени и почках) и нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Кадмий способен замещать цинк во многих жизненно важных энзиматических реакциях, приводя к их разрыву или торможению. Свинец принадлежит к числу малораспространенных элементов. Одними из серьезных источников загрязнения поверхностных вод соединениями свинца являются сжигание углей, применение тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, а также вынос в водоемы со сточными водами рудообогатительных фабрик, металлургических предприятий, химических производств и шахт. Свинец является одним из сильных токсикантов для живых организмов. Установлено, что неорганические соединения (Pb2+) нарушают обмен веществ и выступают ингибиторами ферментов. Свинец имеет сходство с кальцием в процессах отложения и ремобилизации его из скелетов организмов. Поступление свинца в организм человека происходит главным образом через дыхательные пути, что свидетельствует о высоком его содержании в атмосферных 22

выпадениях. Ацетат свинца не обладает мутагенным эффектом, что установлено опытным путем на сальмонеллах. Напротив, неорганические соединения свинца вызывают у крыс и мышей почечные раковые образования. Экспериментальная часть Включение полярографа. Загрузить программу PLS-2, включить полярограф в электросеть. Провести тестирование прибора. Проверка работы твердого индикаторного электрода В ячейку (стеклоуглеродный тигель) наливают мерным цилиндром 20 см3 раствора фона. Устанавливают в ячейку хлоридсеребряный электрод сравнения, индикаторный и вспомогательный электроды. Включают ячейку, регистрируют вольтамперограмму и выключают ячейку. Устанавливают потенциал очистки индикаторного электрода 0,0 В и включают ячейку. По окончании времени электрохимической очистки выключают ячейку, нажимают кнопку СБРОС развертки. Измеряют высоты пиков Cu (-0,1 В), Cd (-0,6 В), Pb (0,45 В), Zn (-0,9 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. Принцип метода Метод основан на помещении анализируемой пробы воды в электрохимическую ячейку с концентрированием определяемых металлов на поверхности твердого рабочего электрода электролизом при заданном потенциале на фоне 0,05 М раствора HCl и последующим электрорастворением концентрата с регистрацией перменнотоковой вольтамперограммы при анодной развертке потенциала. Концентрацию металлов в пробе определяют методом стандартных добавок.

23

Средства измерений Полярограф универсальный ПЛС-1 или ПЛС-2 с твердым графитовым индикаторным электродом, платиновым вспомогательным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. Программное обеспечение «Анализ» версия 2.01 или 2.02. Весы лабораторные аналитические 2-го класса точности типа ВЛР-200. Посуда пипетки объемом 1-25 см3 колбы мерные объемом от 50 до 1000 см3 цилиндры мерные объемом от 25 до 100 см3 Реактивы, растворы вода дистиллированная и бидистиллированная по ГОСТ 6709 фоновый раствор (выдается преподавателем) стандартные растворы металлов (выдается преподавателем) Техника безопасности выполнения лабораторной работы При выполнении анализов необходимо соблюдать требования техники безопасности при работе с химическими реактивами по ГОСТ 12.2.3.4.021. Электробезопасность при работе с электроустановками по ГОСТ 12.1.019. Запрещается включать в сеть приборы и работать на них без заземления и разрешения преподавателя. Подготовка к выполнению измерений Отбор проб продовольственного сырья и пищевых продуктов на анализ проводят в соответствии с ГОСТ или другим конкретным нармотивным документом, регламентирующим отбор проб конкретных видов и типов продовольственного сырья и пищевых продуктов. Подготовка лабораторной посуды. Стеклянную химическую посуду обезжиривают 10%-м водным раствором 24

гидроокиси натрия в течение нескольких часов и ополаскивают бидистиллированной водой. Затем посуду обрабатывают концентрированной серной кислотой и промывают бидистиллированной водой. Электроды (индикаторный, вспомогательный, сравнения) перед использованием ополаскивают бидистиллированной водой, выдерживают в растворе хлористводородной кислоты концентрации 0,1 моль/дм3 в течение 2-3 мин и вновь ополаскивают бидистиллированной водой. Фарфоровые тигли (чаши) после обычной мойки обрабатывают горячим раствором азотной кислоты, затем промывают водопроводной водой и многократно ополаскивают дистиллированной, затем бидистиллированной водой. Устанавливают режим работы полярографа согласно с инструкцией по эксплуатации и по техническому описанию соответствующего прибора. Проверку работы приборов проводят согласно инструкции к прибору. Устанавливают режим работы полярографа согласно таблице 3. Таблица 3. Рекомендуемые параметры приборов для регистрации вольтамперограмм Полярограф Режим Ячейка 3-х эл. Вид полярографии Переменно-токовая инверсионная В зависимости от содержания опреВремя накопления, с деляемого компонента (не менее 30) Потенциал накопления, В -1,3 Амплитуда переменного на10 пряжения, мВ Скорость развертки, мВ/с 20 Диапазон тока 1 х 100 Амплитуда развертки, В 1,4 Потенциал электрохимической 0,0 очистки рабочего электрода, В Время электрохимической Равно времени накопления очистки электрода, с

25

Регистратор Масштаб По оси Х, В/см По оси Y, мВ/см

Режим 0,1 5

Методы перевода пробы в раствор Для определения содержания металлов в биологических объектах в большинстве случаев необходимо разрушение органической матрицы и перевод образца в раствор [9]. Достигают этого озолением проб с последующим растворением зольного остатка в кислотах. Существуют разные способы озоления: сухое, мокрое, комбинированное. Сухое озоление – это озоление проб в фарфоровых тиглях в муфельной печи в течение нескольких часов при постепенном повышении температуры до 450 – 500 0С. При дальнейшем повышении температуры возможны потери анализируемых химических элементов. Так для Fe возможен нагрев без существенных потерь до 600-700 0С (потери 3-7 %), Cd до 550 0С, Со до 600-700 0С, Mn 600-850 0С, для Pb потери 7 % при 570-6000С, в костях до 800 0С, Zn до 5000С, а при 600 0С потери 20 %, при 700 0С – 30 %. Заслуживает внимания способ сухого озоления с добавлением спирта: образцы заливают 96% этиловым спиртом и оставляют на 2 – 12 ч, после чего озоляют в муфельной печи. При таком озолении снижаются потери ряда тяжелых металлов, в частности, железа, меди, цинка. Однако в литературе отмечается, что при анализе свинца в гидробионтах данный способ озоления не может считаться приемлемым. Важно отметить, что материал животного, а иногда и растительного происхождения при обугливании (первая стадия озоления) часто сильно вспучивается и вылезает из тигля. Поэтому во избежание потерь необходимо, чтобы навеска проб не превышала 5 г. 26

Мокрое озоление – это озоление с помощью различных кислот. В работе с биологическими объектами используют следующие кислоты: HNO3 легко вступает в реакции окисления, этерификации или нитрирования с ароматическими и алифатическими соединениями. Обычно используется в смеси с H2SO4 и/или HCl. Иногда из-за способности HNO3 вступать в реакции нитрования образуются устойчивые соединения. В таких случаях пробу предварительно обрабатывают разбавленной H2SO4; HСlO4 используется в сочетании с H2SO4 и HNO3. Обладает высокой окислительной способностью по отношению к органическим соединениям. HСlO4 взрывоопасна: температура 72%-ной азеотропной смеси 203 0С, пары кислоты или перхлоратов, оседая на перегретых стенках сосудов, могут взрываться. Вследствие этого для озоления необходимо брать как можно меньшие количества образца и не допускать перегрева и выпаривания досуха; HCl с рядом металлов образует анионные комплексы. Избыток кислоты легко удаляется выпариванием. Однако хлориды ряда металлов (Hg, Ga, As, Sb, Sn, Se и некоторых других) летучи. НСl часто используется совместно с H2O2, так как в этом случае образуется сильный окислитель, атомарный хлор; HF разрушает кристаллическую решетку силикатов. Работы с плавиковой кислотой можно проводить только в посуде из платины или пластмасс (тефлон, полипропилен). Металлы могут встраиваться в кристаллическую решетку кремния, который связывается только плавиковой кислотой: SiO2 + 6HF – H2SiF6 + 2 H2O, таким образом, при добавлении HF исключаются потери металлов; Н2О2. Говоря о пероксиде водорода, необходимо отметить, что это вещество вызывает главным образом окислительно-гидролитические реакции. Под влиянием Н2О2 27

соединения со связями С==С переходят в легкогидролизируемые третичные спирты. Одновременное добавление серной кислоты ведет к обратному процессу – дегидратации спирта и образованию связи С==С. Поэтому пероксид водорода лучше добавлять после обугливания. При мокром озолении не происходит таких значительных потерь химических элементов, как при сухом, но появляется опасность загрязнения проб изучаемыми элементами за счет внесения их с используемыми реактивами, вследствие чего при мокром озолении необходимо применять кислоты особой чистоты. Мокрое озоление широко применяется для растворения образцов, в которых в дальнейшем планируется количественно определять легколетучие химические элементы. Однако при выпаривании растворов досуха, могут происходить потери сурьмы, мышьяка, хрома, германия, ртути, селена, цинка, а иногда кадмия и меди. Минерализация путем сочетания «мокрого» и «сухого» озоления. «Мокрая» минерализация проб с помощью азотной кислоты и пероксида водорода позволяет эффективно окислить органическую матрицу, кроме того, удалить хлорид ионы из раствора, чтобы предотвратить улетучивание в дальнейшем хлоридов металлов при «сухой» минерализации. Сухую навеску пробы полностью смачивают бидистиллированной водой. Затем пробу обрабатывают, добавляя 2,5-3,0 см3 перегнанной азотной кислоты. Тигель с пробой нагревают на электроплитке при температуре 120-1500С до влажного осадка. Повторно обрабатывают пробу, добавляя 1,5-2,0 см3 азотной кислоты и 1,0-1,5 см3 пероксида водорода. Тигель помещают в муфельную печь при температуре (300 ±25)0С. Минерализацию проб проводили в муфельной печи постепенно (на 50οС через каждые 30 мин), повышая тем-

28

пературу до 450οС, и выдерживали при данной температуре 25 мин. Выполнение измерений Регистрируют вольтамперограмму фонового раствора. Значение потенциала пика является качественной характеристикой определяемого металла: Cu (-0,1 В), Cd (-0,7 В), Pb (-0,4 В), Zn (-1,0 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. Вводят в ячейку пипеткой добавку рабочих стандартных растворов определяемых элементов с известными концентрациями металлов (например, 10 или 1000 мкг/см3), так, чтобы высоты пиков увеличились в 1,5 – 3 раза. Регистрация вольтамперограммы пробы с добавками проводится в тех же условиях и с теми же параметрами прибора, что и для пробы без добавок. Общий объем добавленных растворов не должен превышать 5% от исходного объема раствора в ячейке. После проведения серии анализов в конце работы ячейку тщательно промывают бидистиллированной водой. Поверхность стационарного импрегнированного графитового электрода зачищают лезвием безопасной бритвы и шлифуют на фильтровальной бумаге. Обработка результатов измерений Расчет концентрации ионов металлов в анализируемой пробе выполняют по формуле либо с помощью программного обеспечения «Анализ»: С = [(h-hx) * Cст *Vст * V0] / [(H-h) * (V0 + Vст) * V],

где С – концентрация ионов металла в пробе воды, мг/дм3; h – высота пика определяемого металла до добавки стандартного раствора (мм); hx - высота пика определяемого металла в растворе «холодного» опыта (мм); 29

H - высота пика определяемого металла после добавки стандартного раствора (мм); Cст - концентрация добавляемого стандартного раствора (мг/дм3); Vст – объем добавленного стандартного раствора (см3); V0 – объем раствора в полярографической ячейке (см3); V – объем пробы исходной воды, введенной в полярографическую ячейку (см3). Составление отчета Отчет о проделанной работе должен содержать: введение, в котором следует отразить источники загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами, возможные последствия такого загрязнения при превышении ПДК в окружающей среде (атмосфера, почвы, природные воды) для человека, животного и растительного мира. Изложить принцип метода ИВА и области его применения. Привести расчеты концентрации определяемых металлов в выданной преподавателем задаче. Отчет о проделанной работе подписывается преподавателем после собеседования. Определение ионов тяжелых металлов в биообъектах и пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии Цель работы: экспериментальное определение содержание ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) в биообъектах и пищевых продуктах методом инверсионной вольтамперометрии. Аттестованная смесь (АС) – средство измерения в виде смеси веществ, не предназначенное для серийного производства, метрологические характеристики которого установлены методом аттестации по процедуре приготовления. АС готовят на месте применения в соответствии с 30

методикой, регламентированной в утвержденной документации. Основной раствор – раствор ионов компонента, приготовленный из государственного стандартного образца (ГСО) или реактива, необходимый для приготовления аттеставанной смеси. Вольтамперограмма - кривая зависимости тока анодного растворения элементов от потенциала электрода.

бы определяют по методу добавок аттестованной смеси (АС) определяемых элементов. Величины навесок или объемы для различных проб приведены в таблице. Группа объекта 1

Принцип метода Количественный химический анализ проб пищевых продуктов и продовольственного сырья на содержание ионов токсичных элементов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) основан на инверсионно-вольтамперомерическом (ИВ) методе определения массовых концентраций элементов в растворе подготовленной пробы. Метод ИВ-измерений основан на способности элементов электрохимически осаждаться на индикаторном электроде из анализируемого раствора при задаваемом потенциале предельного диффузионного тока, а затем растворяться в процессе анодной поляризации при определенном потенциале, характерном для каждого элемента. Процесс электроосаждения элементов на индикаторном электроде проходит при заданном потенциале электролиза в течение заданного времени. Электрорастворение элементов с поверхности электрода проводят в режиме меняющегося потенциала (линейном или другом) при заданной чувствительности прибора. Регистрируемая вольтамперограмма содержит аналитические сигналы (максимальные анодные токи) определяемых элементов. Аналитический сигнал элемента прямо пропорционально зависит от концентрации определяемых по методу добавок аттестованной смеси элементов. Массовые концентрации элементов в испытуемом растворе про31

2 3

Объект анализа Плоды, овощи и продукты их переработки Мясо, рыба, яйца и продукты их переработки Мука, крупа, зерно и продукты их переработки Хлеб, хлебобулочные и кондитерские изделия Чай, кофе, какао Молоко и молочные продукты Алкогольные и безалкогольные напитки

Навеска, г, или объем, см3 2 2 2-4 2-4 2-4 2 0,5-2

Экспериментальная часть Включение полярографа. Загрузить программу PLS-2, включить полярограф в электросеть. Провести тестирование прибора. Проверка работы твердого индикаторного электрода. В ячейку (стеклоуглеродный тигель) наливают мерным цилиндром 20 см3 раствора фона. Устанавливают в ячейку хлоридсеребряный электрод сравнения, индикаторный и вспомогательный электроды. Включают ячейку, регистрируют вольтамперограмму и выключают ячейку. Устанавливают потенциал очистки индикаторного электрода 0,0 В и включают ячейку. По окончании времени электрохимической очистки выключают ячейку, нажимают кнопку СБРОС развертки. Измеряют высоты пиков Cu (-0,1 В), Cd (-0,6 В), Pb (-0,45 В), Zn (-0,9 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. 32

Средства измерений Полярограф универсальный ПЛС-1 или ПЛС-2 с твердым графитовым индикаторным электродом, платиновым вспомогательным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. 1. Программное обеспечение «Анализ» версия 2.01 или 2.02. 2. Весы лабораторные аналитические 2-го класса точности типа ВЛР-200. 3. Центрифуга лабораторная марки ОПн-8. 4. Плитка электрическая с закрытой спиралью по ГОСТ 14919. 5. Шкаф сушильный, обеспечивающий поддержание заданного температурного режима от 40 до 1500С с погрешностью ± 50С. 6. Муфельная печь типа ПМ-8 или МР-64-02-15 по ГОСТ 9736, обеспечивающая поддержание заданного температурного режима от 150 до 6000С с погрешностью ± 250С. Посуда: пипетки, объемом 1-25 см3; колбы мерные, объемом от 50 до 1000 см3; цилиндры мерные, объемом от 25 до 100 см3; Сменные стаканчики-электролизеры из кварцевого стекла вместимостью 15-20 см3 или стакан стеклянный, вместимостью 50 см3; выпарительная чашка №3, вместимостью 100 см3 по ГОСТ 29225 (способ 2); тигли или чаши фарфоровые лабораторные, вместимостью 20-30 см3 по ГОСТ 29225 или чашки или тигли кварцевые, вместимостью 20-5- см3 по ГОСТ 19908; палочки стеклянные по ГОСТ 21400; Эксикатор по ГОСТ 25336.

33

Реактивы, растворы: вода дистиллированная и бидистиллированная по ГОСТ 6709; фоновый раствор (выдается преподавателем); стандартные растворы металлов (выдается преподавателем). Техника безопасности выполнения лабораторной работы. 1. При выполнении анализов необходимо соблюдать требования техники безопасности при работе с химическими реактивами по ГОСТ 12.2.3.4.021. 2. Электробезопасность при работе с электроустановками по ГОСТ 12.1.019. 3. Запрещается включать в сеть приборы и работать на них без заземления и разрешения преподавателя. Подготовка к выполнению измерений Отбор проб продовольственного сырья и пищевых продуктов на анализ проводят в соответствии с ГОСТ или другим конкретным нормативным документом, регламентирующий отбор проб конкретных видов и типов продовольственного сырья и пищевых продуктов. Подготовка лабораторной посуды. Стеклянную химическую посуду обезжиривают 10%м водным раствором гидроокиси натрия в течение нескольких часов и ополаскивают бидистиллированной водой. Затем посуду обрабатывают концентрированной серной кислотой и промывают бидистиллированной водой. Электроды (индикаторный, вспомогательный, сравнения) перед использованием ополаскивают бидистиллированной водой, выдерживают в растворе хлористводородной кислоты концентрации 0,1 моль/дм3 в течение 2-3 мин и вновь ополаскивают бидистиллированной водой. Фарфоровые тигли (чаши) после обычной мойки обрабатывают горячим раствором азотной кислоты, затем промывают водопро34

водной и многократно ополаскивают дистиллированной водой, затем бидистиллированной водой. Устанавливают режим работы полярографа согласно с инструкцией по эксплуатации и по техническому описанию соответствующего прибора. Проверку работы приборов проводят согласно инструкции к прибору. Подготовка проб к ИВ-измерениям Для анализа проб пищевых продуктов и продовольственного сырья одновременно используют две параллельные и одну холостую (контрольную). Подготовка проб анализируемых объектов к ИВизмерениям проводится по одному из представленных способов. Способ подготовки проб продуктов пищевых и продовольственного сырья заключается в проведении минерализации путем сочетания «мокрого» и «сухого» озоления. «Мокрая» минерализация проб с помощью азотной кислоты и пероксида водорода позволяет эффективно окислить органическую матрицу, а кроме того удалить хлорид-ионы из раствора, чтобы предотвратить улетучивание в дальнейшем хлоридов металлов при «сухой» минерализации. Метод пригоден для всех трех групп объектов (см. табл.) При анализе твердых продуктов пробы предварительно гомогенизируют. Способы гомогенизации указаны в НД на методы отбора проб. Подготовка проб всех трех групп продуктов к ИВизмерениям. В чистый кварцевый или фарфоровый стаканчик или кварцевый тигель вместимостью 15-20 см3 помещают навеску или объем анализируемой пробы любой из трех групп продукции в соответствии с данными. Приведенными в таблице 1 для способа 1. Навеску пробы взвешивают с точностью до 0,001 г; объем измеряют пипеткой с точностью до 0,01 см3.

35

Сухую навеску пробы смачивают бидистиллированной водой так, чтобы навеска пробы была смочена полностью. Исходный объем алкогольных и безалкогольных напитков уменьшают в 2-3 раза при помощи упаривания пробы напитка при температуре 100-1300С, избегая разбрызгивания пробы. Затем пробу обрабатывают, добавляя 2,5-3,0 см3 перегнанной азотной кислоты. Стаканчик (тигель) с пробой нагревают на электроплитке при температуре 1201500С до влажного осадка. Повторно обрабатывают пробу, добавляя 1,5-2,0 см3 азотной кислоты. Стаканчик (тигель) помещают в муфельную печь при температуре (300±25)0С и постепенно (в течение 0,5-1,0 ч) повышают температуру до (450±25)0С; выдерживают 30 мин. Стаканчик (тигель) с образовавшейся золой вынимают из муфеля. Если в золе присутствуют угольные включения, повторяют обработку пробы азотной кислотой (0,5 см3). Повторно помещают стаканчик с пробой в муфельную печь и выдерживают при температуре 4500С еще в течение 20-25 мин. Для зерна допускается минерализация при 500 0С. Стаканчик вынимают из муфеля. В том случае, если зола однородна - белого, серого и рыжеватого цвета, стаканчик (тигель) с золой охлаждают до комнатной температуры. Растворяют осадок в 1,0 см3 HCl концентрации 6,0 моль/дм3 при перемешивании и нагревании до температуры 60-80 0С. Пробу упаривают при температуре 100-1200С до влажных солей (не досуха!) и добавляют 10 см3 бидистиллированной воды (при анализе жидких продуктов, кроме молока) и фонового раствора (при анализе твердых и молочных продуктов). Из полученного минерализата (Vмин= 10,0 см3) для ИВ-измерения отбирают аликвоту соответствующего объема (Vал.). Объем аликвоты зависит от содержания элементов в пробе и равен, как правило, 0,2-1,0 см3. 36

При анализе алкогольных и безалкогольных напитков для ИВ-измерений часто берут весь объем минерализата. В этом случае Vал = Vмин. Подготовка холостой (контрольной) пробы. Подготовку холостой или контрольной пробы проводят по п.8.1, приливая соответствующие реактивы в тех же количествах и в той же последовательности, но без пробы анализируемого объекта, используя вместо нее бидистиллированную воду. Выполнение измерений Регистрируют вольтамперограмму фонового раствора. Значение потенциала пика является качественной характеристикой определяемого металла: Cu (-0,1 В), Cd (-0,7 В), Pb (-0,4 В), Zn (-1,0 В). Потенциалы пиков окисления определяемых металлов указаны ориентировочно и зависят от состава раствора в ячейке. Вводят в ячейку пипеткой добавку рабочих стандартных растворов определяемых элементов с известными концентрациями металлов (например, 10 или 1000 мкг/см3), так, чтобы высоты пиков увеличились в 1,5 – 3 раза. Регистрация вольтамперограммы пробы с добавками проводится в тех же условиях и с теми же параметрами прибора, что и для пробы без добавок. Общий объем добавленных растворов не должен превышать 5% от исходного объема раствора в ячейке. После проведения серии анализов в конце работы ячейку тщательно промывают бидистиллированной водой. Поверхность стационарного импрегнированного графитового электрода зачищают лезвием безопасной бритвы и шлифуют на фильтровальной бумаге. Обработка результатов измерений Расчет концентрации ионов металлов в анализируемой пробе выполняют по формуле либо с помощью программного обеспечения «Анализ»:

3

где С – концентрация ионов металла в пробе воды, мг/дм ;

h – высота пика определяемого металла до добавки стандартного раствора (мм); hx - высота пика определяемого металла в растворе «холодного» опыта (мм); H - высота пика определяемого металла после добавки стандартного раствора (мм); Cст - концентрация добавляемого стандартного раствора (мг/дм3); Vст – объем добавленного стандартного раствора (см3); V0 – объем раствора в полярографической ячейке (см3); V – объем пробы исходной воды, введенной в полярографическую ячейку (см3). Составление отчета Отчет о проделанной работе должен содержать: введение, в котором следует отразить источники загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами, возможные последствия такого загрязнения при превышении ПДК в пищевых продуктах и продовольственного сырья, а так же последствия недостачи исследуемых микроэлементов для человека. Изложить принцип метода ИВА и области его применения. Привести расчеты концентрации определяемых металлов в выданной преподавателем задаче. Отчет о проделанной работе подписывается преподавателем после собеседования.

С = [(h-hx) * Cст *Vст * V0] / [(H-h) * (V0 + Vст) * V],

37

38

ВОПРОСЫ ДЛЯ СОБЕСЕДОВАНИЯ 1. Перечислите современные методы определения тяжелых металлов. 2. На чем основаны электрохимические методы анализа? 3. Расскажите об особенностях метода инверсионной вольтамперометрии. 4. Требования к индикаторным электродам для инверсионной вольтамперометрии. 5. Расскажите о достоинствах методов ИВА. 6. Принцип метода ИВА. 7. Объясните понятие ПДК и приведите значения ПДК для определяемых ионов тяжелых металлов для исследуемых продуктов питания и продовольственного сырья. 8. Принцип фотометрического метода. 9. Достоинства спектрометрических методов анализа. 10. Какой из методов – колориметрический или потенциометрический имеет большие возможности и дает более объективные данные и почему? 11. Какие типы электродов используются в рН-метре?

39

Список рекомендуемой литературы 1. Бабко А.К., Пилипенко А.Т. Фотометрический анализ. – М., 1968. 2. Барковский В.Ф., Ганопольский В.И. Дифференциальный спектрофотометрический анализ. – М., 1969. 3. Беликов В.Г. Дифференциальная фотометрия. – М., 1970. 4. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. – М., 1972. 5. ГОСТ Р 51301-99 Продукты пищевые продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). 6. Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа – М., 1991. 7. Кузнецова А.И., Ветров В.А., Корнакова Э.Ф. Методы спектрального анализа минерального сырья. - Новосибирск,1984. 8. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. – М., 1975. 9. Мур Дж. В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: Контроль и оценка влияния: пер. с англ. – М., 1987. 10. Общая химия. Химия биогенных элементов. – М., 2000. 11. Орлов А.С., Безуглова О.С. Биогеохимия. - М., 2000. 12. Основы аналитической химии. Т.2, Методы химического анализа / Под ред. Ю.А. Золотов. - -М., 1999. 13. Пешкова В.М., Громова М.И. Методы абсорбционной спектроскопии в аналитической химии. – М., 1976. 14. Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в продовольственном сыре и пищевых продуктах, 1986. 15. Санитарные правила и нормы (СанПиН) 2.3.2.560-96. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. – М., 1997.

40

Приложение

Фреоны Пылевые частицы: Асбест Угольная пыль Кремний Металлы

8,87 8,34 6,65

Таблица 5 Влияние тяжелых металлов питьевой воды и атмосферы окружающей среды на состояние здоровья

4,99 3,32

-1,11

-0,84

-0,57

-0,30

Алюминий

-0,04

Рис. 1. Вольтамперограмма пробы с добавками Таблица 1 Результаты анализа пробы вольтамперометрическим методом Uнач.,[В]: -1,400

Uкон.,[В]: 0,500

U,разв.[мВ/с]: 30

Д/Т:50,000 С Дов.инт., +/0,536 0,093 0,137 -

Направление: + Ед.изм. Вещество

Образец: проба 6 Нп,[В] Е 1х2,[В]

Мг/мг Мг/мг Мг/мг

Cd Pb Cu

3.136 3.275 0.401

-0.639 -0.432 -0.197

Таблица 2 Перечень основных токсикантов Загрязнители воздуха Газы: Оксиды серы Оксиды азота Оксиды углерода Озон Хлор Углеводороды

Загрязнители воды и почвы Металлы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть) Пестициды хлоорганические (ДДТ, алдрин, диэлдрин, хлордан) Нитраты Фосфаты Нефть и нефтепродукты Органические растворители (толуол, бензол, тет-

41

Биологический эффект при избыточном поступлении в организм или превышении ПДК (Биомаркеры ранней хронической интоксикации) 0,5 мг/л Нейротоксическое действие Воздействие на сердечно-сосудистую и крове0,1 мг/л творную системы Бериллиоз, легочная и сердечная недостаточ0,001 ность, дерматит, конъюнктивит мг/м3 (Развитие в легких диссеминированного гранулематозного процесса с клиникой бронхиолита) Снижение репродуктивной функции у мужчин, нарушение овариально-менструального цикла 0,5 мг/л (ОМЦ) у женщин, углеводного обмена, активности ферментов, раздражение желудочнокишечного тракта 0,3 мг/л Аллергические реакции, болезни крови Болезнь УИтай-итайФ, увеличение кардиоваскулярных заболеваний (КВЗ), почечной, онкологической заболеваемости (ОЗ), нарушение ОМЦ, 0,001 мг/л течения беременности и родов, мертворождаемость, повреждение костной ткани, поражение дыхательных путей (Желтая кайма на деснах и вокруг шейки зуба) Нарушение функционального состояния ЦНС и 0,1 мг/л щитовидной железы 0,5 мг/м3 (Хронический ринофаринголарингит с гипо- и аносмией) 0,1 мг/л Анемия, нарушение функционального состояния

Компоненты состава воды и воз- ПДК духа

1,66 -1,38

рахлорэтилен) Низкомолекулярные галогенированные углеводороды (хлороформ, бромдихлорметан, бромоформ, тетрахлорметан, дихлорэтан) Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) Полихлорированные бифенилы Диоксины Дибензофураны Кислоты

Барий

Бериллий

Бор

Железо

Кадмий

Кобальт Марганец

42

Медь

Молибден

Мышьяк

Никель

Ртуть

Свинец

Селен Стронций

Таллий

Хром

Цинк

0,3 мг/м3 ЦНС (Астенические расстройства: утомляемость, сонливость, снижение активности) Наличие врожденных заболеваний, изменение водно-солевого и белкового обменов, окисли1,0 мг/л тельно-восстановительных реакций крови, нарушение ОМЦ, течения родов и лактации, поражение печени и почек Увенличение КВЗ, заболеваемости подагрой, 0,25 мг/л эндемическим зобом, нарушение ОМЦ Арсеноз, нейротоксическое действие, поражение 0,05 мг/л кожи, ОЗ 0,05 мг/м3 (Трофические поражения кожи - пигментация, шелушение, гиперкератозы, выпадение волос) Поражение сердца, печени, ОЗ, кератиты (Поражения верхних дыхательных путей - хро0,1 мг/л нические субатрофические ринофарингиты, ги0,5 мг/м3 по- и аносмия; аллергодерматозы; серый налет по краю десен) Нарушение функции почек, нервной системы, 0,0005мг/л зрения, слуха, осязания, врожденные пороки 0,01 мг/м3 развития (Вегетативно-сосудистая дистония, неврастения) Поражение почек, нервной системы, органов кроветворения, КВЗ, авитаминозы С и В (Снижение активности дегидратазы аминолеву0,03 мг/л линовой кислоты крови до 10 мкмоль/мин л; 0,01 мг/м3 увеличение содержания в моче АЛК до 114 мкмоль/г и копропорфирина до 458 нмоль/г; изменение уровня андрогенов) Ускорение кариеса зубов у детей, ОЗ 7,0 мг/л Стронциевый рахит Поражение нервной системы, желудочнокишечного тракта, печени, почек 0,01 мг/м3 (Утомляемость, головные боли. плохой сон, боли в конечностях, диспептические расстройства) Дерматиты, экземы (Ухромовые язвыФ), бронхиты, нарушения функций печени, почек 0,5 мг/л (Раздражение верхних дыхательных путей. ал0,01 мг/м3 лергические поражения кожи и органов дыхания) Анемия, изменения функций ЦНС, поражение 1,0 мг/л почек, увеличение частоты заболеваний печени и КВЗ

43

Подписано в печать 21.12.2006 г. Формат 60х84 1/16. Усл.п.л. 2,56. Тираж 50 экз. Заказ № 296 Издательство ВСГТУ. 670013. г. Улан-Удэ, ул Ключевская, 40, в. © ВСГТУ, 2006 г.

44