Электрохимический мониторинг биогенных микроэлементов

ХИМИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ БИОГЕННЫХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Г. В. ПРОХОРОВА Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ELECTROCHEMICAL MONITORING OF THE ESSENTIAL TRACE ELEMENTS G. V. PROKHOROVA

Ability and limitations in the application of anodic stripping voltammetry and adsorptive voltammetry to the determination of essential trace elements in the environment are discussed.

© Прохорова Г.В., 2004

Обсуждены возможности и ограничения применения анодной инверсионной и адсорбционной вольтамперометрии для определения биогенных микроэлементов в объектах окружающей среды.

journal.issep.rssi.ru

Для нормального жизнеобеспечения растительные и животные организмы, в том числе и человек, благодаря сложившемуся обмену веществ активно извлекают из окружающей среды нужные им химические элементы. В организмах встречается около 65 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. Все элементы, содержание которых в организмах не превышает содержания железа (<10− 3 %), принято называть микроэлементами, хотя часто границу между микро- и макроэлементами провести достаточно сложно. К наиболее важным, необходимым для жизни человека и всех других живых организмов элементам обычно относят железо, кобальт, никель, медь, марганец, цинк, селен, молибден, иод, фтор, но этот список можно и расширить, и сузить в зависимости от имеющихся в литературе сведений. Эти элементы называют биогенными. Несмотря на низкое содержание, микроэлементы играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов благодаря их единственной общей характерной особенности – способности функционировать в организме в малых количествах в качестве катализаторов или активаторов, участвующих в реакции гормонов, витаминов или ферментных цепей. Микроэлементы насыщают ферментные системы и окружающие жидкости, но при большом содержании оказывают скорее вредное, чем благотворное действие. К счастью для животных (и человека), между ними и почвой, основным источником химических элементов, стоит растение, которое совершает значительную работу по регулированию количества микроэлементов, достигающих организма животных. Итак, любой живой организм страдает как от недостатка, так и от избытка микроэлементов. Любые отклонения от нормы могут привести к свойственным данной местности (эндемическим) заболеваниям, поэтому очень важно контролировать содержание микроэлементов в разнообразных объектах окружающей среды. Насколько широк круг этих объектов, можно видеть из рис. 1, на котором схематически изображен

П Р О Х О Р О В А Г. В . Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Й М О Н И ТО Р И Н Г Б И О Г Е Н Н Ы Х М И К Р О Э Л Е М Е Н ТО В

51

ХИМИЯ биогеохимический цикл тяжелых металлов. Фактически этот круг значительно шире, в него необходимо включить и другие пищевые продукты, и лекарственные препараты, и еще многое, что окружает человека в быту (препараты бытовой химии, посуда). Объекты, в которых необходимо контролировать содержание микроэлементов, значительно различаются не только по качественному и количественному составу, но и по составу матрицы, которая может влиять на правильность результатов анализа, по агрегатному состоянию, что неизбежно отразится на стадии пробоотбора и пробоподготовки и в конечном итоге опять повлияет на правильность полученных результатов. Каким же должен быть метод анализа, который позволил бы правильно и надежно контролировать содержание микроэлементов? КАКОЙ МЕТОД АНАЛИЗА ПРИГОДЕН ДЛЯ МОНИТОРИНГА МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Необходим метод, сочетающий: • высокую чувствительность, то есть низкий предел обнаружения;

• высокую точность, то есть высокую правильность и воспроизводимость результатов определений; • высокую скорость определения, при этом желательна возможность одновременного определения нескольких элементов, то есть необходим многоэлементный метод анализа; • достаточно широкий интервал линейной зависимости интенсивности аналитического сигнала (любое химическое или физическое свойство, например оптическая плотность раствора, функционально связанное с концентрацией определяемого компонента) от концентрации определяемого микроэлемента; • универсальность относительно природы анализируемого объекта; • возможность автоматизации; • доступность и низкую стоимость оборудования. В той или иной мере этим требованиям удовлетворяют лишь немногие из современных инструментальных методов анализа. К ним прежде всего относятся метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой, метод атомно-адсорбционной

До

ь

ол

оз

эр

,а

ль

ь

ыл

Пы

ь, п

жд

ь,

жд

пы

До

ль

Атмосфера

Водяные пары

Суша

Океан MeXn Лабильные комплексы

Men+ + nX– + L

Неорганические лиганды

MeL

Органические Нелабильные лиганды комплексы

Следовые количества растворенных металлов Суспендированные частицы

Морские организмы

Река

Пища Озеро

Дары моря Донные отложения

Рис. 1. Биогеохимический цикл тяжелых металлов

52

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

Почва

ХИМИЯ спектрометрии с электротермической атомизацией и метод инверсионной вольтамперометрии. Метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой характеризуется чрезвычайно низкими пределами обнаружения, пригоден для определения порядка 60 элементов, позволяет одновременно определять до шести элементов, но требует чрезвычайно дорогого и сложного оборудования, что делает его малодоступным для большинства химикоаналитических лабораторий. Аппаратурное оснащение метода атомно-абсорбционной спектрометрии намного проще и доступнее, для многих из 40 определяемых элементов можно достичь достаточно высокой чувствительности, но, к сожалению, это одноэлементный метод анализа. Наиболее полно перечисленным выше требованиям отвечает инверсионная вольтамперометрия – высокочувствительный, селективный многоэлементный метод анализа, поддающийся автоматизации и не требующий сложной и дорогостоящей аппаратуры. ИНВЕРСИОННАЯ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ Вольтамперометрия1 – электрохимический метод исследования и анализа, основанный на регистрации аналитического сигнала (катодный или анодный ток), возникающего в результате электрохимической реакции на индикаторном микроэлектроде при развертке внешнего поляризующего напряжения. Источником информации для качественного и количественного анализа служит вольтамперограмма – графическое изображение зависимости тока от потенциала микроэлектрода. В зависимости от разновидности вольтамперометрии, то есть от вида развертки поляризующего напряжения и способа измерения тока, на вольтамперограмме наблюдается либо S-образная волна, либо пик. Положение волны (пика) на оси потенциалов определяется природой вещества, участвующего в электродной реакции, а величина тока линейно зависит от его концентрации. В оптимальных условиях волны (пики) четко разделяются и возможно одновременное определение четырех-пяти элементов. Теоретически высокая чувствительность и точность вольтамперометрии обусловлены тем фактом, что в ее основе лежат законы Фарадея: электропревращение (восстановление или окисление) на электроде 1 моля вещества эквивалентно прохождению n × 96 500 кулонов, где n – число электронов, участвующих в электродной реакции. Но, как и в любом методе ана1

Исторически вольтамперометрия возникла как полярография – метод, предложенный лауреатом Нобелевской премии Я. Гейровским в 1922 г. Индикаторным электродом в классической полярографии служит капающий ртутный электрод.

лиза, реально достигаемый предел обнаружения ограничивается допустимым отношением аналитического сигнала и шума (помехи). Величина предела обнаружения в вольтамперометрии зависит от отношения фарадеевского тока I F (аналитический сигнал) электрохимической реакции и емкостного тока или тока заряжения I С (помеха). Емкостной ток обусловлен формированием двойного электрического слоя (конденсатора) у заряженной поверхности индикаторного электрода. С понижением концентрации определяемого элемента отношение IF / IC уменьшается, и это не позволяет достигать желаемого предела обнаружения. Для того чтобы снизить предел обнаружения, необходимо увеличить отношение IF / IC . Сделать это можно двумя способами. Первый заключается в использовании подачи поляризующего напряжения отдельными кратковременными импульсами и измерении тока, протекающего через ячейку до подачи импульса и в конце его. В конце импульса IС падает до ничтожно малой величины и отношение IF / IC сильно возрастает. Такая разновидность вольтамперометрии называется дифференциальной импульсной вольтамперометрией. Это наиболее современная и высокочувствительная разновидность вольтамперометрии, позволяющая определять до n × l0− 8 моль/л ионов металлов в случае обратимой электрохимической реакции (протекающей с высокой скоростью переноса электронов). Для многих объектов (поверхностные воды, биологические жидкости) такая чувствительность недостаточна. Где выход? Радикальный способ улучшения отношения IF / IC заключается в предварительном концентрировании определяемого вещества на поверхности индикаторного электрода. Полученный концентрат затем при развертке потенциала подвергают электролитическому растворению. Поскольку в процессе концентрирования содержание определяемого элемента на поверхности электрода может на несколько порядков увеличиться по сравнению с анализируемым раствором, регистрируемый I F также значительно возрастет. Такой вариант вольтамперометрии получил название “инверсионная вольтамперометрия” (в англоязычной литературе stripping voltammetry). Сочетание предварительного концентрирования определяемого элемента с использованием дифференциальной импульсной вольтамперометрии для регистрации вольтамперограммы позволяет достичь пределов обнаружения на уровне 10−10–10−11 моль/л.

П Р О Х О Р О В А Г. В . Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Й М О Н И ТО Р И Н Г Б И О Г Е Н Н Ы Х М И К Р О Э Л Е М Е Н ТО В

53

ХИМИЯ КАК МОЖНО СКОНЦЕНТРИРОВАТЬ ОПРЕДЕЛЯЕМЫЙ МИКРОЭЛЕМЕНТ НА ИНДИКАТОРНОМ ЭЛЕКТРОДЕ Известны два способа концентрирования определяемого элемента на поверхности электрода: электролитический и адсорбционный. Электролитическое предварительное концентрирование впервые было использовано в начале 60-х годов прошлого века для определения примесей тяжелых металлов в особо чистых реактивах и воде, необходимых для бурно развивающейся тогда радиоэлектронной промышленности. Вольтамперометрический метод, использующий предварительное электролитическое концентрирование определяемого элемента, назвали анодной инверсионной вольтамперометрией. Электролитическое предварительное накопление проводят на микроэлектроде (обычно это капля ртути, каким-то образом подвешенная в анализируемом растворе, но может быть и микроэлектрод из углеродного или другого инертного материала) при потенциале предельного тока определяемых ионов до металла при интенсивном перемешивании раствора. Если электрод ртутный, образуется амальгама Men + +ne + Hg

Me(Hg).

По истечении заданного времени (в зависимости от концентрации это 60–300 с) мешалку выключают и в течение ∼15 с позволяют раствору успокоиться. Затем включают развертку потенциала и регистрируют вольтамперограмму в интервале от потенциала электролиза до 0 В. На вольтамперограмме наблюдаются анодные пики, обусловленные окислением металлов из амальгамы Me(Hg) − ne

Men + + Hg.

Если стандартные потенциалы пар Меn + /Ме различаются заметно, пики на вольтамперограмме хорошо разрешаются и можно определить до 4–5 элементов одновременно (рис. 2). Анодная инверсионная вольтамперометрия успешно применяется для одновременного определения следовых количеств ионов металлов, обладающих достаточно высокой растворимостью в ртути. К ним в первую очередь относятся медь, свинец, кадмий и цинк. Разработаны простые и надежные методики определения этих элементов в разнообразных природных (воды поверхностные, грунтовые, морские, почвы, растения), биологических объектах и пищевых продуктах с пределами обнаружения порядка 10− 8–10− 9 моль/л. Адсорбционное концентрирование появилось значительно позднее. Его суть заключается в том, что определяемый элемент накапливают в виде комплекса с адсорбированным на поверхности электрода лиган-

54

а Ia, мкА 1 мкА

–0,2 б Iк, мкА

–0,6

–1,0

B

1 мкА

–0,4

–0,8

–1,2

B

Рис. 2. Анодная инверсионная вольтамперограмма образца речной воды, содержащей 5 мкг/л Сu2 +, 0,5 мкг/л Cd2+, 15 мкг/л Рb2+ и Z2+ после электролитического концентрирования в течение 5 мин при −1,2 В (а) и катодная вольтамперограмма пробы морской воды, содержащей 1 ⋅ 10− 8 М Cu2+, Pb2+, 3 ⋅ 10− 9 М Cd2+, 1 ⋅ 10− 8 М Ni2+, 4 ⋅ 10− 9 М Со2+ и 4 ⋅ 10− 8 М Zn2+ после адсорбционного концентрирования в течение 60 с при −0,3 В в присутствии 5 ⋅ 10− 4 М диметилглиоксима и 2 ⋅ 10− 5 М 8-оксихинолина (б ). Электрод сравнения – хлорид-серебряный

дом. Концентрирование проводят при потенциале максимальной адсорбции лиганда, который устанавливают в предварительных экспериментах, в течение строго контролируемого времени при энергичном перемешивании раствора магнитной мешалкой. После выключения мешалки и успокоения раствора регистрируют катодную вольтамперограмму, изменяя потенциал электрода к более отрицательным значениям. На вольтамперограмме наблюдается пик восстановления иона металла из комплекса, сконцентрированного на поверхности электрода, или реже пик восстановления лиганда из этого комплекса. При контролируемых условиях (состав фона, рН, потенциал и время адсорбции, площадь поверхности электрода, скорость перемешивания) высота пика линейно зависит от концентрации иона металла в растворе. Этот метод анализа получил название “адсорбционная катодная инверсионная вольтамперометрия” или просто “адсорбционная вольтамперометрия”. В последнее двадцатилетие это один из самых надежных

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ХИМИЯ и чувствительных методов определения следовых количеств элементов в разнообразных объектах, особенно в объектах окружающей среды. К числу наиболее часто применяемых лигандов для адсорбционного концентрирования относятся 8-оксихинолин, пирокатехин, диметилглиоксим (табл. 1). ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ АДСОРБЦИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ По сравнению с анодной инверсионной вольтамперометрией адсорбционная вольтамперометрия обладает рядом преимуществ. Главное из них заключается в том, что определяемый элемент можно концентрировать не только в нулевой степени окисления, то есть в виде металла, но и в любой другой степени окисления, при которой может образоваться устойчивый комплекс с адсорбированным лигандом. Это значительно расширяет круг определяемых элементов и позволяет определять следы таких элементов, как молибден, железо, никель, кобальт и др. Важно также то, что определяемый элемент концентрируется в виде мономолекулярного слоя на поверхности электрода (диффузия в объем электрода отсутствует) и поэтому весь концентрат легко принимает участие в электродной реакции при катодной развертке потенциала. В результате аналитический сигнал заметно возрастает, что и обеспечивает достижение пределов обнаружения на уровне 10−10–10−11 моль/л (см. табл. 1). Назовем основные источники погрешностей в методе адсорбционной вольтамперометрии: конкурирующая адсорбция ионов других металлов, образующих комплекс с используемым лигандом; адсорбция других Таблица 1. Примеры определения микроэлементов методом адсорбционной вольтамперометрии Определяемый микроэлемент Ni

Со Сu Мn Zn Mo Fe

Лиганд Диметилглиоксим 5-[( р-Метилфенил)азо]-8аминохинолин Диметилглиоксим 1-Нитрозо-2-нафтол Пирокатехин 8-Оксихинолин Эриохромовый сине-черный Пирролидиндитио-карбамат аммония Толидиновый синий Хлораниловая кислота 1-Нитрозо-2-нафтол 4-(2-Пиридилазо) резорцин

Предел обнаружения, М 8 ⋅ 10−10 3 ⋅ 10−11 2 ⋅ 10− 9 8 ⋅ 10−10 6 ⋅ 10−11 4 ⋅ 10−10 9 ⋅ 10− 9 7 ⋅ 10−11 1 ⋅ 10−10 2 ⋅ 10−10 1 ⋅ 10−10 2 ⋅ 10−10

поверхностно-активных веществ, находящихся в анализируемом объекте (в почвах, водах, например, это гуминовые кислоты), и конкурирующие реакции определяемого иона с посторонними органическими и неорганическими лигандами, приводящие к уменьшению количества сконцентрированного на электроде определяемого элемента. С помощью УФ-облучения анализируемой пробы в присутствии окислителя разрушают природные органические вещества, мешающие как за счет конкурирующей адсорбции на электроде, так и за счет конкурирующего комплексообразования с ионом определяемого элемента. Для устранения конкурирующей адсорбции посторонних ионов необходимо оптимизировать условия адсорбционного накопления: рН, концентрация лиганда, потенциал накопления. Высокая селективность лигандов, применяемых для предварительного концентрирования (см. табл. 1), обусловила основной недостаток адсорбционной вольтамперометрии. В большинстве случаев стало возможным определение лишь одного элемента. В качестве исключений можно привести несколько примеров: возможно одновременное определение меди, никеля и кобальта в присутствии диметилглиоксима; меди, ванадия, железа и урана в присутствии пирокатехина. В последнее время появился новый интересный подход, позволяющий в какой-то мере преодолеть этот недостаток, – использование смеси лигандов. Вряд ли этот прием можно считать универсальным, но иногда он может быть, безусловно, полезен. Так показана возможность одновременного определения шести(!) элементов – медь, свинец, кадмий, никель, кобальт, цинк – после их адсорбционного накопления в буферном растворе с рН 7,8, содержащем 2 ⋅ 10− 5 М 8-оксихинолина и 5 ⋅ 10− 4 М диметилглиоксима (рис. 2). Чувствительность определения всех указанных элементов несколько снижается по сравнению с использованием индивидуальных лигандов, поскольку для наилучшего разрешения пиков на вольтамперограмме использовали буферный раствор с рН неоптимальным для достижения максимальной чувствительности. Можно надеяться, что дальнейшие исследования в этом направлении приведут к новым интересным результатам. На примере определения никеля и кобальта после адсорбционного накопления в виде комплексов с диметилглиоксимом можно проследить, насколько разнообразные по происхождению объекты анализировали с помощью адсорбционной вольтамперометрии. Вот небольшая часть их: придонные воды Балтийского моря (0,36 мкг/л никеля), воды Тихого океана на глубине 4000–5000 м (330–530 нг/л никеля), почвы (6 нг/л никеля и 4 нг/л кобальта), шпинат (5 мкг/г никеля), кровь человека (4 мкг/л никеля), волосы бороды (10 нг/г

П Р О Х О Р О В А Г. В . Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Й М О Н И ТО Р И Н Г Б И О Г Е Н Н Ы Х М И К Р О Э Л Е М Е Н ТО В

55

ХИМИЯ никеля), ногти пальцев руки человека (2 нг/г никеля), ногти пальцев ноги человека (0,78 нг/г никеля), бычья печень (1 мкг/г никеля и 0,2 мкг/г кобальта), чай (2,8 мкг/г никеля и 0,12 мкг/г кобальта). Дальнейшего расширения возможностей адсорбционной вольтамперометрии можно ожидать от совмещения с техникой проточного анализа. Проточно-инжекционная адсорбционная вольтамперометрия позволит более эффективно осуществлять предварительное концентрирование и благодаря удачному сочетанию достоинств обоих методов улучшить метрологические характеристики методик определения микроэлементов в объектах окружающей среды. ЛИТЕРАТУРА 1.Виноградов А.П. Основные закономерности распределения микроэлементов между растениями и средой // Микроэлементы в жизни растений и животных. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 2.Орлов Д.С. Микроэлементы в почвах и живых организмах // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 1. С. 61.

56

3.Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем //Там же. № 5. С. 23. 4.Прохорова Г.В., Иванов В.М., Бондарь Д.А. Адсорбционная инверсионная вольтамперометрия: Анализ природных и биологических объектов // Вестн. МГУ. Сер. 2, Химия. 1998. Т. 39, № 4. С. 219–231.

Рецензент статьи Б.С. Бокштейн *** Галина Васильевна Прохорова, доцент химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Область научных интересов – электрохимические методы анализа: использование адсорбционных и каталитических токов для определения микроколичеств тяжелых элементов в объектах окружающей среды и для анализа лекарственных препаратов. Автор более 100 научных статей, соавтор двух учебников, монографии и шести учебных пособий.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4