авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Статьи молодых ученых, рекомендованные Оргкомитетом Всероссийской научной школы к опубликованию 1 ...»

-- [ Страница 3 ] --

В этом плане представляют интерес использование метода химической сборки [2] привитых поверхностных органических соединений на кремнеземе. Этот метод, в отличие от метода иммобилизации, позволяет использовать более простые модификаторы, и основан на проведении последовательности химических реакций с участием привитых функциональных групп.

Целью настоящей работы является разработка на основе метода химической сборки методики синтеза сорбента с пиренильными группами, предназначенного для разделения фуллеренов С60, С70.

Экспериментальная часть Для синтеза сорбента был использован силикагель КСК-Г (Sуд = 350м2/г, радиус пор 14 нм, фракция 0.2–0.3 мм). Поверхность силикагеля была гидроксилирована путм кислотной обработки соляной кислотой. Физически сорбированную воду удаляли путем высушивания в токе сухого азота при температуре 180 оС. Затем проводили хемосорбцию 2-фенилэтилтрихлорсилана из 10% бензольного раствора при температуре 80 оС в течение 3-х часов (реакция 1). В качестве катализатора использовался триэтиламин. Избыток реагента и побочные продукты реакции удаляли с поверхности путем отмывки сухим хлороформом в экстракционном аппарате Сокслета. Затем поверхность гидроксилировали водой (реакция 2).

Реакция 1. Хемосорбция 2-фенилэтилтрихлорсилана Реакция 2. Гидролиз хлорсилильных групп После этого проводили хлорметилирование ароматического кольца путем взаимодействия с хлорметилметиловым эфиром в присутствии катализатора SnCl по методике [2] (реакция 3). Введение пиренильных групп осуществляли путем взаимодействия хлорметильных групп с пиреном в присутствии избытка катализатора тетрахлорида олова при температуре 60оС в течение 2.5 часов (реакция 4). Избыток реагента и катализатора отмывали последовательно хлористым метиленом, диоксаном, бензолом, ацетоном, соляной кислотой. На заключительной стадии отмывку проводили дистиллированной водой до отсутствия кислой реакции в промывных водах.

Контроль за протеканием реакции осуществляли путем анализа на углерод методом Прегля, анализа на хлор методом Фольгарда и ИК-спектроскопией диффузного отражения на приборе Perkin-Elmer 1760x с разрешением 4 см–1 с использованием 20 сканирований.

Реакция 3. Хлорметилирование Реакция 4. Присоединение пирена Полученный таким образом сорбент, был исследован в процессе хроматографического разделения фуллеренов. Для разделения была использована смесь фуллеренов, обогащенная фуллереном С70 по технологии, разработанной в ЗАО ИЛИП.

Хроматографию проводили в гравитационном режиме в среде толуола на препаративной колонке (7 х 500 мм). Содержание фуллеренов определяли на жидкостном хроматографе марки Люмахром методом ВЭЖХ.

Результаты и их обсуждение Методика синтеза привитых пиренильных групп, описанная выше, основана на последовательном проведении поверхностных реакций (реакции 1, 2, 3, 4).

Условия проведения этих реакций были выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальный выход и соответственно максимальную плотность прививки поверхностных групп. Содержание привитых фенилэтилсилильных групп на поверхности силикагеля после хемосорбции 2-фенилэтилтрихлорсилана составило 0,79 ммоль/г. Следует отметить, что такая высокая концентрация привитых групп достигается за счет избытка реагента и использования триэтиламина как катализатора, облегчающего реакцию электрофильного замещения протона в поверхностных силанольных группах силикагеля. Гидролиз хлорсилильных групп, не вступивших во взаимодействие с гидроксильными группами, проводили до их полного удаления. При выборе условий реакции хлорметилирования фенилэтилсилильных групп мы опирались на методику [2], согласно которой эту реакцию проводили в среде хлорметилметилового эфира при температуре 60оС с избытком тетрахлорида олова. Следует отметить, что согласно проведенным ранее исследованиям эти условия реакции обеспечивают количественный выход, при этом не наблюдается побочная реакция образования метиленовых мостиков, которая характерна для процесса хлорметилирования сополимера стирола с дивинилбензолом. Можно утверждать, что кремнеземная матрица обеспечивает изолирование поверхностных хлорметильных групп.

Ранее эти группы были использованы для твердофазного синтеза пептидов [2]. При этом было установлено, что хлорметильные группы на поверхности кремнезема обладают довольно высокой реакционной способностью и выход в реакции присоединения N-защищенных аминокислот составляет около 50%. Проводя хемосорбцию пирена с использованием 4-х кратного избытка реагента по отношению к привитым хлорметильным группам в среде тетрахлорида олова, были получены сорбенты с концентрацией пиренильных групп 0.46 ммоль/г. Таким образом, выход в реакции 4 составил около 60%, что можно считать хорошим результатом, учитывая большой размер молекулы пирена и возможные стерические затруднения, ограничения при взаимодействии с активными центрами (хлорметильными группами) поверхности силикагеля. Присоединение пирена было подтверждено методом ИК-спектроскопии диффузного отражения.

На спектре образца с пиренильными группами (рис. 1) наблюдается интенсификация полос поглощения, соответствующих валентным колебаниям в ароматической системе по сравнению со спектром образца с фенилэтилсилильными группами (рис. 2), а именно:

1450 см–1 и 1560 см–1 (С-С связь в ароматическом кольце), а также 3040 см–1 (С-H связь), что позволяет утверждать, что прививка пиренильной фазы к поверхности полученного химически модифицированного кремнезема была проведена успешно.

Полученный сорбент был исследован в процессе хроматографического разделения фуллеренов С60, С70. Следует отметить, что указанные выше условия хроматографии (гравитационный режим, размеры колонки) связаны с возможным использованием полученного нами сорбента в технологии получения чистого фуллерена С70, которая разработана в ЗАО ИЛИП [3].

На рис. 3 представлена типичная хроматограмма разделения фуллеренов С60, С на сорбенте с пиренильными группами, синтезированном по разработанной нами методике.

Согласно полученным хроматографическим данным выход чистого фуллерена С70 составил 94,3%.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-03-00350-а.

Рис. 1. ИК-спектр с привитыми пиренильными группами Рис. 2. ИК-спектр с привитыми фенилэтилсилильными группами Рис. 3. График зависимости концентрации фуллеренов от колоночного объема СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Фуллерены: Учебное пособие // Л.Н. Сидоров, М.А. Юровская и др. – М.:

Издательство Экзамен, 2005. – 688 с.

2. Постнов В.Н. Матричный синтез привитых поверхностных соединений на кремнеземе, его использование для создания материалов и перспективы применения в наномедицине // Нантехнологии в биологии и медицине. под. Ред. Е.В. Шляхто, Санкт-Петербург, 2009. С. 253–302.

3. В.А. Кескинов, В.Н. Постнов, А.А. Блохин и др. Технология разделения и очистки фуллеренов с получением чистых индивидуальных фуллеренов и смесей высших фуллеренов без примесей легких. // Сборник материалов IV всероссийской конференции по наноматериалам НАНО-2011. Москва 2011. С. 155.

УДК 543. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ УГЛЕРОДА В ДОПИНГОВОМ КОНТРОЛЕ © 2011, И.С. Прасолов, Т.Г. Соболевский, Г.М. Родченков ФГУП «Антидопинговый центр» Министерства спорта, туризма и молодежной политики Российской Федерации 105005 Москва, Елизаветинский пер., Поступила в редакцию 17.06.2011 г.

Описана методика, позволяющая установить происхождение присутствующих в моче человека эндогенных стероидов определением отношения изотопов углерода 13С/12С. Сочетанием твердофазной и жидкостно-жидкостной экстракции, а также полупрепаративной жидкостной хроматографии для выделения фракций, содержащих тестостерон, 5- и 5-андростан-3,17-диолы, андростерон, этиохоланолон, 5-прегнан-3,20S-диол и 16(5)-андростен-3-ол проанализировано более 100 проб методом газовой хроматографии в сочетании с изотопной масс-спектрометрией. Статистически обработаны полученные значения 13С/12С и установлены интервалы, необходимые для интерпретации результатов. Методика аттестована и аккредитована на соответствие требованиям ИСО 17025.

Расширение списка веществ, запрещнных к применению в спорте, повлекло за собой необходимость выявления случаев употребления допинговых препаратов, являющихся близкими аналогами гормонов, вырабатываемых в организме человека, или их метаболическими предшественниками (тестостерон, дегидроэпиандростерон, андростендион, андростендиолы и т.д.). Применению хромато-масс-спектрометрии в классическом варианте сопутствует ряд ограничений (отсутствие специфических метаболитов, незначительные изменения концентрационных соотношений гормонального профиля), что не позволяет использовать е для решения данной аналитической задачи.

Применение синтетического тестостерона в спорте запрещено более 25 лет назад.

Ранее единственным способом установить факт его использования было определение отношения концентраций тестостерона (Т) и его неактивного изомера — эпитестостерона (Е) в моче. Однако данный подход имеет ряд существенных ограничений, поскольку отношение Т/Е в популяции варьируется в довольно широких пределах (от 0.1 до 4.0 и выше) [1]. Кроме этого, в последнее время на рынке спортивного питания широкое растространение получили «прогормоны» – вещества, которые являются предшественниками или метаболитами тестостерона и не определяются традиционными методами допинг-контроля.

Поскольку основную массу синтетических стероидов получают из растительного сырья с изотопным составом углерода около –30‰ и ниже (относительно международного стандарта белемнита), факт их применения может быть выявлен с использованием изотопной масс спектрометрии. Метод основан на измерении отношения изотопов 13С/12С эндогенных стероидов в организме человека, которое лежит в диапазоне от –17 до –26‰ в зависимости от места проживания и особенностей диеты человека, и никогда не достигает значений ниже –27‰ [2–4].

В 1994 г. была впервые предложена методика [5] селективного выделения метаболитов тестостерона из мочи с последующим анализом методом газовой хроматографии – сжигания – изотопной масс-спектрометрии (ГХ-С-ИМС), однако она требовала до 50 мл образца.

В 2004 г. Всемирное антидопинговое агентство (ВАДА) опубликовало технический документ [6], регламентирующий использование метода ГХ-С-ИМС, но даже сегодня у антидопинговых лабораторий отсутствует единый подход к методике анализа ввиду его сложности и трудоемкости. Наиболее часто используют многостадийную твердофазную экстракцию (ТФЭ) [7–10] и ТФЭ в сочетании с полупрепаративной жидкостной хроматографией [11].

Цель данной работы — разработка методики определения отношения изотопов 13С/12С в стероидах, выделенных из мочи человека, методом газовой хроматографии в сочетании с изотопной масс-спектрометрией и установление внутрилабораторных критериев оценки результатов анализа.

Экспериментальная часть Оборудование. Работу проводили на изотопном масс-спектрометре Delta V Advantage (Thermo, Бремен), подключенном с помощью интерфейса сжигания Combustion III к газовому хроматографу TRACE GC (Thermo, Италия). Для идентификации определяемых соединений использовали масс-спектрометр DSQ II (Thermo, США), соединенный со вторым газовым хроматографом. Для ввода жидких проб использовали автодозатор TriPlusAS (Thermo, Италия) в исполнении, позволяющем вводить пробу в инжекторы двух газовых хроматографов попеременно.

Целевые соединения (в виде ацетатов) разделяли на идентичных капиллярных колонках RTX-35MS с интегрированной предколонкой длиной 5 м (Restek, США) 30 м0.25 мм0.25 мкм в одинаковых условиях программирования температуры: 120С (2 мин), нагрев 30С/мин до 260С, нагрев 1С/мин до 276С, нагрев 30С/мин до 310С (2 мин). Пробу вводили в режиме без деления потока при температуре 250С. Скорость потока газа-носителя (гелий 99.9999%) составляла 1.7 мл/мин в случае ГХ-МС и 2 мл/мин в случае ГХ-С-ИМС. Газ-носитель для ГХ-С-ИМС дополнительно очищали с помощью термокаталитического дожигателя (Supelco, США). Для ГХ-С-ИМС также использовали CO чистоты 99.995% (газ сравнения) и O2 чистоты 99.999%. Температура окислительного реактора в интерфейсе сжигания составляла 940С, а восстановительного – 600С.

Окислительный реактор регенерировали, насыщая кислородом в течение 15 мин при рабочей температуре за несколько часов до начала каждой серии анализов. В случае ГХ-МС данные регистрировали в режиме сканирования от 50 до 410 а.е.м. в условиях ионизации электронным ударом при 70 эВ. Объем вводимой пробы составлял 2 мкл для ГХ-С-ИМС и 0.5 мкл для ГХ-МС.

В процессе пробоподготовки использовали высокоэффективный жидкостный хроматограф Agilent серии 1100 (Германия), оборудованный бинарным насосом, автодозатором, диодно-матричным детектором и препаративным коллектором фракций G1364B. Разделение проводили на колонке SunFire C18 (Waters, США) 250 мм4.6 мм с размером зерна сорбента 5 мкм. Для защиты аналитической колонки использовали предколонку 20 мм4.0 мм с аналогичным сорбентом. Условия градиентного элюирования были следующими: (1) «А» (вода) от 70 до 0% за 20 мин, 10 мин при 100% «В»

(ацетонитрил), далее до 70% «А» в течение 5 мин и 5 мин при 70% «А» либо (2) от 30 до 0% «А» за 33 мин, 5 мин при 100% «В», далее до 30% «А» в течение 5 мин и 5 мин при 30% «А».

Скорость потока элюента через колонку 1 мл/мин, колонку термостатировали при 35С.

Детектировали при 197 нм и 240 нм.

Реактивы и материалы. Структурные формулы исследованных стероидов представлены на рис. 1. Стандартные образцы тестостерона (Т), 5- и 5-андростан-3,17 диолы (5, 5) и 5-прегнан-3,20S-диол (ПД) были получены от LGC Standards (Германия), андростерон (А), этиохоланолон (Э), 16(5)-андростен-3-ол (16ен), 5-андростан-3-ол, ацетат дегидропрегненолона, ацетат тестостерона, а также пиридин, уксусный ангидрид, гептан, диэтиловый эфир и соли для приготовления буферных растворов получены от Sigma Aldrich (США). -глюкуронидаза из E. Coli К12 получена от Roche (Германия). Метанол для приготовления растворов исследуемых соединений получен от Merck (Германия). Особо чистые газы произведены компанией НИИ КМ (Россия).

Рис. 1. Структурные формулы исследуемых соединений В качестве элюента использовали деионизованную воду (18.2 МОм) (установка Milli Q Synthesis, Millipore, Англия), и ацетонитрил качества «для дальнего УФ» (JT Baker, Голландия). Для ТФЭ использовали патроны Bond Elut LRC C18 (Varian, США) объемом 10 мл, содержащие 500 мг сорбента.

Пробоподготовка. Пробу мочи объемом 10 мл (в некоторых случаях 20 или 40 мл) пропускали через предварительно кондиционированный патрон для ТФЭ, затем промывали его водой и элюировали метанолом (4 раза по 1 мл). Элюат упаривали, растворяли остаток в 1 мл 0.8 М фосфатного буферного раствора (pH 6.3) и экстрагировали 5 мл диэтилового эфира. Органический слой отбрасывали, после чего к водному слою добавляли 100 мкл -глюкуронидазы и инкубировали 1 ч при 57С. После охлаждения добавляли 3 M карбонатный буферный раствор (pH 10), 5 мл диэтилового эфира и экстрагировали на автоматическом встряхивателе в течение 10 мин. После центрифугирования и вымораживания водного слоя при –30С эфирный экстракт переносили в новую пробирку, упаривали при 60С и растворяли сухой остаток в 60 мкл метанола, содержащего 50 нг/мкл ацетата дегидропрегненолона (внутренний стандарт для контроля времени удерживания), добавляли 40 мкл воды и переносили в виалу со вставкой уменьшенного объема.

Затем 90 мкл полученной пробы вводили в жидкостный хроматограф в условиях (длина волны 197 нм). Собирали фракции, соответствующие по времени удерживания тестостерону (I), 5- и 5-андростан-3,17-диолам (II), андростерону и этиохоланолону (III), прегнандиолу (IV) и андростенолу (V). К фракциям III – V добавляли раствор 5-андростан 3-ола (300 нг/мкл) в количестве, равном 1/10 от конечного объема фракции (см. ниже), упаривали досуха и ацетилировали 100 мкл смеси (50:50) пиридина и уксусного ангидрида 2 ч при 80С. Реакционные смеси упаривали, и фракции I и II снова растворяли в 60 мкл метанола, содержащего 50 нг/мкл ацетата дегидропрегненолона, добавляли 40 мкл воды, переносили в виалу и вводили 90 мкл в жидкостный хроматограф. Собирали фракцию, соответствующую ацетату тестостерона, в условиях 1 при длине волны 240 нм и фракцию, содержащую ацетаты 5- и 5-андростан-3,17-диолов, в условиях 2 при длине волны 197 нм.

Фракции I и II упаривали досуха, после чего к фракциям I – V добавляли раствор пентакозана в гептане (100 нг/мкл) в количестве, равном 1/10 от конечного объема фракции, и 9/10 объема чистого гептана. Полученные образцы I – V анализировали методами ГХ-МС и ГХ-С-ИМС.

Результаты и их обсуждение Основной проблемой определения изотопного состава эндогенных стероидов в моче является сложность этой матрицы и существенная разница в концентрации целевых соединений – от десятков нанограммов (тестостерон) до десяти и более микрограммов (андростерон, этиохоланолон). Более того, линейный диапазон изотопного масс спектрометра в проточном режиме ограничен, и для достижения правильных результатов необходимо, чтобы аналитический сигнал находился в довольно узких пределах, которые соответствуют 30–100 нг стероида, введенного в хроматографическую колонку. Все это приводит к необходимости фракционирования пробы.

Для улучшения хроматографических свойств стероидов зачастую необходимо получение более летучих производных. Силилирование, являясь одним из самых простых и распространенных способов дериватизации, не подходит для ГХ-С-ИМС, так как при окислении силильных производных образуется диоксид кремния, отложения которого со временем приводят к нарушению функциональности окислительного реактора.

Использование фторсодержащих реагентов (трифторуксусный ангидрид) вызовет отравление окислительного реактора из-за образования устойчивых фторидов меди и никеля, что приведет к невозможности его регенерации. С другой стороны, использование уксусного ангидрида в качестве дериватизирующего агента не наносит вреда системе, а продукты реакции обладают хорошими хроматографическими свойствами. Изменение же изотопного состава стероидов при ацетилировании вычисляют на основе экспериментальных данных [12].

Следует отметить, что хроматографический анализ в системе ГХ-С-ИМС также имеет несколько особенностей, связанных с конструкцией интерфейса между ГХ и изотопным масс-спектрометром. Во-первых, большое количество соединений и длинных капилляров приводит к уширению хроматографических зон, в том числе пика СО2, образовавшегося после сжигания компонентов пробы. Для минимизации этого размывания нами модифицирован интерфейс ГХ-С-ИМС системы заменой металлического тройника в термостате ГХ на стеклянный коннектор (прессфит) и продеванием кварцевого капилляра, через который проба поступает в окислительный реактор, непосредственно в реактор (в оригинальной конструкции соединение реализовано через металлический коннектор). Даже после этих изменений ширина пика в ГХ-С-ИМС в среднем составляла 25– 40 с в зависимости от вещества и его количества, что накладывало дополнительные требования по эффективности разделения соседних пиков.

Во-вторых, поскольку само соединение масс-спектрометра и интерфейса является открытым делителем потока, почти 80% пробы, введенной в хроматограф, теряется.

Это приводит к необходимости вводить в ГХ-С-ИМС больший объем пробы по сравнению с ГХ-МС, что в ряде случаев приводит к перегрузке хроматографической колонки.

Этого можно было бы избежать при использовании колонки с бльшим внутренним диаметром (0.32 мм), либо увеличив толщину пленки неподвижной фазы, однако в первом случае это может повлечь за собой снижение эффективности разделения близких по химической структуре исследуемых соединений (5- и 5-андростандиолы, андростерон и этиохоланолон), а во втором – привести к значительному увеличению продолжительности анализа. В связи с этим было решено, что использование капиллярной колонки 30 м0.25 мм0.25 мкм является разумным компромиссом для решения поставленной задачи.

Нами обнаружено, что штатный испаритель хроматографа TRACE GC недостаточно эффективно работает в режиме без деления потока, так как происходили заметные потери вещества в самом испарителе. Для минимизации потерь целевых соединений в испарителе ввод пробы осуществляли, в 2.5 раза увеличивая давление в нем на 1 мин после инжекции.

Это делали только в системе ГХ-С-ИМС. Для ацетатов стероидов при повышении давления в испарителе площадь хроматографического пика увеличивалась примерно в 2 раза, тогда как для нативных стероидов, как показали наши предварительные исследования, – почти на порядок. Учитывая низкие концентрации некоторых целевых соединений в моче, подобные потери были недопустимы. Кроме этого, потери вещества могут приводить к изотопному фракционированию [13] и регистрации искаженных значений 13С/12С, что также неприемлемо.

Для минимизации влияния на результаты изотопных измерений различных факторов (как правило, флуктуаций состояния ГХ-С-ИМС системы), в практике допинг-контроля принято оперировать не абсолютными значениями изотопного состава стероидов (13C/12С), а разностью между значениями (), полученными для метаболитов тестостерона, и стероидов, не участвующих в метаболизме андрогенов, изотопный состав которых не зависит от приема экзогенных субстанций (так называемые «эндогенные маркеры»).

В качестве последних чаще всего выступают прегнандиол или 11-кетоэтиохоланолон, однако могут использоваться и другие, например андростенол [14]. В соответствии с критериями ВАДА, проба считается отрицательной, если эта разность не превышает 3‰. Однако показано [11], что предпочтительным является использование так называемых «референтных интервалов» (индивидуальных пороговых значений для каждого стероида), установленных внутри лаборатории при аттестации методики. Это обусловлено тем, что из-за систематической погрешности, вызванной изотопным фракционированием при пробоподготовке и анализе, возможно смещение значений 13C/12С для отдельных стероидов, что может привести к ложноположительным результатам.

Мы определили изотопный состав вышеуказанных стероидов методом ГХ-С-ИМС более чем в 100 пробах мочи спортсменов и добровольцев. Это было необходимо, чтобы сформулировать статистически обоснованные критерии оценки результатов анализа, то есть определить референтные интервалы.

При разработке методики нам пришлось столкнуться с необходимостью получения значений 13C/12С для стероидов, находящихся в моче как в незначительных, так и в очень больших количествах. Например, концентрация тестостерона в моче обычно составляет 20– 70 нг/мл (у мужчин), 5- и 5-андростандиолов – 70–250 нг/мл, андростерона и этиохоланолона – 1500–5000 нг/мл, прегнандиола – 200–1000 нг/мл, андростенола – 500– 2000 нг/мл (у мужчин). Для получения корректных результатов необходимо заранее оценить концентрации целевых стероидов в исследуемом образце мочи, чтобы аналитический сигнал на изотопном масс-спектрометре находился в пределах его линейного диапазона.

Концентрации стероидов мы определяли предварительным анализом пробы по существующей методике допинг-контроля [15], после чего рассчитывали, в каком объеме надо перерастворить ту или иную фракцию до содержания 20–50 нг/мкл стероида в конечном экстракте. Если рассчитанный объем фракции составлял менее 50 мкл, то сухой остаток перерастворяли в 50 мкл гептана, после чего упаривали в токе азота до заданного объема. Благодаря использованию стеклянных микровставок в виалы минимальный объем фракции в нашей работе составлял всего 10 мкл.

В качестве внутреннего стандарта использовали два соединения: пентакозан и андростанол. Андростанол добавляли перед ацетилированием во фракции III, IV и V для контроля изотопного фракционирования при дериватизации. В случае фракций I и II, которые подвергали повторному разделению методом ВЭЖХ, андростанол в них не добавляли, так как это привело бы к необходимости собирать дополнительную фракцию.

Среднее значение 13C/12С пентакозана (–30.0±0.8 ‰), определенное более чем по 300 анализам, служило показателем состояния окислительного реактора и системы в целом.

В табл. 1 приведены времена удерживания исследованных соединений в системе ГХ-С-ИМС. На рис. 2 в качестве примера показаны хроматограммы тестовой смеси стероидов и отдельных фракций мочи, из которых видно, что использование полупрепаративной ВЭЖХ обеспечивает селективное выделение исследуемых стероидов и сводит к минимуму влияние мешающих компонентов матрицы.

Таблица 1. Времена удерживания исследуемых соединений (стероиды в виде ацетатов, ВС – внутренний стандарт) Соединение tуд, с Соединение tуд, с Пентакозан (ВС) 5-Андростандиол 548.0 970. Андростенол 5-Андростандиол 606.1 995. 5-Андростан-3-ол (ВС) Тестостерон 657.7 1127. Этиохоланолон Прегнандиол 893.5 1223. Андростерон 910. Рис. 2. Хроматограммы тестовой смеси стероидов и отдельных фракций образца мочи.

Пики прямоугольной формы представляют собой импульсы CO2 с известным изотопным составом. А – тестовая смесь стероидов, используемая для проверки состояния системы и идентификации компонентов (названия и времена удерживания в табл. 1), Б – фракция I (тестостерон), В – фракция II (андростандиолы), Г – фракция III (андростерон, этиохоланолон), Д – фракция IV (прегнандиол), Е – фракция V (андростенол) Поскольку данная методика подразумевает длительный и трудоемкий процесс пробоподготовки (подготовка серии из 6 проб занимает 3 дня), а также, принимая во внимание сложность ГХ-С-ИМС системы, каждая анализируемая проба (серия проб) должна сопровождаться двумя пробами контроля качества: заведомо положительной и заведомо отрицательной. Заведомо положительная проба была получена от добровольца, принявшего 2 капсулы лекарственного препарата «Андриол» (ундеканоат тестостерона, 40 мг), а заведомо отрицательная – от добровольца, не принимавшего стероидных препаратов. Оба добровольца собирали мочу в течение 2 суток, после чего мочу стабилизировали азидом натрия (1 г/л), профильтровали, разлили по флаконам по 10 мл и заморозили, предварительно определив концентрации целевых стероидов. Затем каждую из этих проб несколько раз анализировали методом ГХ-С-ИМС для получения информации о значениях 13C/12С целевых стероидов и промежуточной воспроизводимости метода.

Было установлено, что среднеквадратичное отклонение (СКО) в условиях воспроизводимости составляет 0.4–0.8‰ в зависимости от соединения. В табл. 2 приведены данные по изотопному составу заведомо положительной и заведомо отрицательной проб, полученные в ходе аттестации методики.

Таблица 2. Значения 13C/12С целевых стероидов в заведомо положительной и заведомо отрицательной пробах мочи (n = 20) Положительная проба Отрицательная проба Соединение среднее, ‰ СКО среднее, ‰ СКО Тестостерон –28.2 –22. 0.8 0. 5-Андростандиол –29.4 –22. 0.7 0. 5-Андростандиол –27.4 –21. 0.5 0. Андростерон –27.5 –22. 0.5 0. Этиохоланолон –27.3 –22. 0.4 0. Прегнандиол –22.2 –22. 0.5 0. Андростенол –22.5 –21. 0.4 0. На основании статистической обработки данных были получены значения 13C/12С стероидов (табл. 3). Выполнение нормального закона распределения проверяли визуально построением графиков «квантиль – квантиль» с использованием ПО для статистической обработки данных SPSS версии 17. На рис. 3 представлены гистограммы для каждого стероида, характеризующие плотность распределения вероятности соответствующих значений 13C/12С.

Таблица 3. Значения 13C/12С целевых стероидов, установленные в работе Соединение Среднее, ‰ Интервал, ‰ СКО Число измерений Тестостерон –23.4 –(21.2–25.5) 0.93 5-Андростандиол –23.8 –(20.8–25.7) 0.91 5-Андростандиол –22.0 –(19.5–25.2) 0.94 Андростерон –22.9 –(20.7–24.9) 0.78 Этиохоланолон –22.8 –(20.8–24.6) 0.71 Прегнандиол –21.9 –(19.9–24.1) 0.73 Андростенол –22.6 –(21.2–24.1) 0.65 Рис. 3. Графики плотности распределения вероятности значений 13С/12С целевых стероидов В табл. 4 приведены референтные интервалы, рассчитанные для двух эндогенных маркеров (прегнандиол, андростенол) и пяти целевых стероидов (тестостерон, 5-андростандиол, 5-андростандиол, андростерон, этиохоланолон). Референтные интервалы представляют собой усредненную по всем проанализированным в лаборатории пробам разницу «стероид – эндогенный маркер» (). Путем прибавления утроенного стандартного отклонения к этому значению, что соответствует доверительной вероятности 99.7%, мы получили критическое значение для каждой пары стероидов (при расчете использовали 2 значащих цифры после запятой, округляя только результат). Аналогично построением графиков «квантиль – квантиль» нами показано, что значения распределены в соответствии с нормальным законом.

Таблица 4. Референтные интервалы для исследованных стероидов Разность в паре Среднее ± СКО Критическое значение ПД – Т 1.5 ± 1.1 4. ПД – 5 1.9 ± 1.1 5. ПД – 5 0.1 ± 0.6 2. ПД – А 1.1 ± 0.8 3. ПД – Э 0.9 ± 0.6 2. 16ен – Т 0.9 ± 0.8 3. 16ен – 5 1.2 ± 0.8 3. 16ен – 5 –0.6 ± 1.0 2. 16ен – А 0.4 ± 0.6 2. 16ен – Э 0.2 ± 0.7 2. Таким образом, наши результаты подтверждают, что при интерпретации получаемых результатов целесообразно руководствоваться не единым порогом в 3‰, установленным ВАДА, а внутрилабораторными критериями, поскольку, например, для тестостерона и 5-андростандиола это значение составляет 4.8 и 5.1‰ соответственно (относительно прегнандиола). Если же установленное в лаборатории значение оказывается менее 3‰, то следует использовать порог в 3‰, чтобы не входить в противоречие с техническим документом ВАДА.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Sutras P., Saudan C., Schweizer C., Baume N., Mangin P., Saugy M. // Forensic Sci. Int.

2008. V. 174. № 2. P. 166.

2. Meldensohn D., Immelman A.R., Vogel J.C.,von la Chevallerie, G. // Biomed. Environ.

Mass Spectrom. 1986. V. 13. № 1. P. 21.

3. von Kuk С., Flenker U., Guntner U., Hulsemann F., Schanzer W. // Proceedings of Cologne Workshop on Dope Analysis. Cologne, 2005. P. 219.

4. Flenker U., von Kuk С., Guntner U., Hulsemann F., Gougoulidis V., Schanzer W. // Proceedings of Cologne Workshop on Dope Analysis. Cologne, 2005. P. 227.

5. Becchi M., Aguilera R., Farizon Y., Flament M.M., Casabianca H., James P. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1994. V. 8, № 3. P. 301.

6. WADA Laboratory Committee. Montreal, 2004. WADA Document TD2004EAAS (http://www.wada-ama.org/rtecontent/document/end_steroids_aug_04.pdf).

7. Aguilera R., Catlin D.H., Becchi M., Phillips A., Wang C., Swerdloff R.S., Pope H.G., Hatton C.K. // J. Chromatogr. B. 1999. V. 727. № 1. P. 95.

8. Aguilera R., Catlin D.H., Chapman T.H. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2000. V. 14.

№ 23. P. 2294.

9. Aguilera R., Catlin D.H., Chapman T.H., Hatton C.K., Starcevic B. // Clin. Chem. 2001.

V. 47. № 2. P. 292.

10. Saudan C., Emery C., Marclay F., Strahm E., Mangin P., Saugy M. // J. Chromatogr. B.

2009. V. 877. № 23. P. 2321.

11. Piper T., Mareck U., Geyer H., Flenker U., Thevis M., Platen P., Schanzer W. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2008. V. 22. № 14. P. 2161.

12. de Groot P.A. Handbook of stable isotope analytical techniques. Bristol: Elsevier, 2004.

P. 857.

13. Schmitt J., Glaser B., Zech W. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2003. V. 17. № 9. P. 970.

14. Saudan C., Baume N., Mangin P. // J. Chromatogr. B. 2004. V. 810. № 1. P. 157.

15. Mareck U., Geyer H., Opfermann G., Thevis M., Schnzer W. // J. Mass Spectrom. 2008.

V. 43. № 7. P. 877.

УДК 543.422.3-75:54-412. ВЛИЯНИЕ КАТИОННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА РЕАКЦИИ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛЕЗА(II, III) C 1-НИТРОЗО-2-НАФТОЛ-3,6-ДИСУЛЬФОКИСЛОТОЙ © 2011 г. Т.О. Самарина Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет 119992 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр. Поступила в редакцию Спектрофотометрическим методом найдены оптимальные условия комплексообразования железа(II, III) с 1-нитрозо-2-нафтол-3,6-дисульфокислотой в присутствии катионных ПАВ – бромидов цетилпиридиния и цетилтриметиламмония. Установлены стехиометрические соотношения Ме : R :

ПАВ. Определены молярные коэффициенты поглощения и цветометрические характеристики трехкомпонентных комплексов. Оценены перспективы использования изученных трехкомпонентных систем в аналитической химии.

Ключевые слова: катионные поверхностно-активные вещества, железо(II, III), спектрофотометрия, цветометрия, нитрозо-Р-соль.

Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в реакциях комплексообразования привело к созданию уникальных высокоселективных и чувствительных методик, в ряде случаев повысив точность определения за счет увеличения контрастности аналитической реакции, устойчивости и образования комплексов строго определенного стехиометрического состава [1].

Нитрозонафтолы, рекомендованные как высокоселективные и чувствительные органические реагенты на кобальт [2], исследованы рядом авторов как реагенты на железо(II,III) [3–5]. Отмечена легкая окисляемость и низкая растворимость нитрозонафтолатов в воде, что вынуждает применять высокотоксичные экстрагенты при разработке методик фотометрического определения железа. Сульфированные аналоги нитрозонафтолов [1-нитрозо-2-нафтол-4-сульфокислота (нитрозо-Н-соль), 1-нитрозо-2 нафтол-3,6-дисульфокислота (нитрозо-Р-соль, НРС)], обладающие высокой растворимостью в воде и устойчивостью в течение длительного времени [6], позволили перейти от водно органических к водным средам. Однако введение сульфогрупп увеличивает константы ионизации указанных реагентов и уменьшает устойчивость комплексных соединений с ионами железа(II, III). Проведение комплексообразования в присутствии ПАВ повышает устойчивость комплексов, позволяет получить более контрастные, чувствительные и селективные аналитические формы [7].

Применение цветометрии как альтернативного метода регистрации аналитического сигнала позволяет дополнительно повысить чувствительность определения на 1–2 порядка для реакций в растворах [8]. Влияние ПАВ на комплексообразование нитрозонафтолсульфокислот с железом(II, III), оптические свойства и цветометрические характеристики образующихся ионных ассоциатов в литературе не описаны.

Цель данной работы – изучение влияния солей алкилпиридиния (бромида цетилпиридиния, ЦП) и четвертичного аммониевого основания (бромида цетилтриметиламмония, ЦТМА) на комплексообразование железа(II, III) с НРС, выбор оптимальных условий проведения реакций, определение фотометрических и цветометрических характеристик систем Fe(II, III) – НРС – ЦП, Fe(II, III) – НРС – ЦТМА, оценка перспектив использования трехкомпонентных систем в аналитической химии.

Экспериментальная часть Аппаратура. Оптическую плотность измеряли на фотоколориметре КФК-3- (l = 1.0 см);

спектры поглощения – на спектрофотометре Hitachi U-2900 (l = 1.0 см);

спектры диффузного отражения и цветометрические характеристики – на фотоколориметре «Спектротон» (ОКБА «Химавтоматика», Чирчик) (l = 0.5 см). Измеряли следующие цветометрические функции: Х, Y, Z – координаты цвета в системе XYZ;

L, A, B – координаты цвета в системе CIELAB;

L, S, T – светлоту, насыщенность и цветовой тон соответственно;

W – показатель белизны;

G – показатель желтизны. Кислотность среды контролировали на универсальном иономере ЭВ-74 (стеклянный электрод ЭСЛ-43-07).

Растворы. Рабочий раствор железа(III) (20 мкг/мл) приготовлен разбавлением раствора ГСО 7765-2000 железа(III) (1.00 мг/мл) 0.1 М НCl. Нитрозо-Р-соль (5.0010–3 М раствор) приготовлен растворением 189.0 мг препарата ч.д.а. в воде и разбавлением водой до 100 мл в мерной колбе. Кислотность создавали 0.1 М раствором СН3СООNa, 0.1 М НCl квалификации чистоты о.с.ч. и 0.1 М NH3 х.ч. В качестве восстановителя использовали свежеприготовленный 1%-ный раствор аскорбиновой кислоты (ч.д.а). Ионную силу создавали 2.5 М раствором КСl (ч.д.а.). В качестве кПАВ использовали 5.0010–2 М растворы бромидов ЦП и ЦТМА (ч.д.а.).

Методика. В мерные колбы емк. 25.0 мл вводили 0.5–5.0 мл раствора железа(III) (20 мкг/мл), до 5 мл 0.1 М НCl, 2.5 мл 5.00 10–3 М раствора НРС, необходимые объемы 0.1 М раствора СН3СООNa и 0.1 М NH3 по каплям, 1.5 мл 5.0010–2 М растворов ЦП или ЦТМА. При изучении комплексообразования железа(II) восстановитель (1.0 мл 1%-ного раствора аскорбиновой кислоты) вводили после прибавления 0.1 М НCl и выдерживали растворы 5 мин. Растворы разбавляли водой до метки, перемешивали, измеряли рН, оптическую плотность и цветометрические характеристики.

Расчеты. Молярные коэффициенты поглощения рассчитаны стандартными методами, уравнения градуировочных графиков обработаны методом наименьших квадратов с помощью программы Microsoft Excel 2003. Молярные коэффициенты цветометрических функций (МКЦФ) рассчитаны и обработаны аналогично молярным коэффициентам поглощения.

Результаты и их обсуждение Спектры поглощения растворов комплексов железа(II, III) и реагента, полученные в присутствии ПАВ при рН 6.0, измерены относительно воды. Спектры подобны для систем Fe(II, III) – НРС – ЦП и Fe(II, III) – НРС – ЦТМА, для примера на рисунке приведены спектры поглощения трехкомпонентных комплексов Fe(II, III) – НРС – ЦТМА.

В видимой области реагент в кислой среде имеет четко выраженный максимум поглощения при 370 нм. В нейтральной и щелочной средах вследствие ионизации хиноноксимной группы с отщеплением протона и таутомерных превращений нитрозоокси- и хиноноксимной групп максимумы поглощения находятся при 370 и 430 нм [6].

В случае железа(II) спектры поглощения комплекса в кислой области имеют два максимума при 420 и 710 нм, железа(III) – при 430 и 700 нм. В нейтральной среде в интервале длин волн 330–500 нм появляются два интенсивных максимума светопоглощения, обусловленные таутомерными превращениями реагента. Положения максимумов поглощения комплексов железа(II, III) с НРС в длинноволновой области не изменяются.

Увеличение ионной силы раствора выше 0.05 приводит к появлению двух дополнительных слабовыраженных максимумов при 650 и 750 нм в спектрах трехкомпонентных систем Fe(III) – НРС – ПАВ при указанных кислотностях.

Спектры поглощения растворов НРС – ЦТМА (1), Fe(II) – НРС – ЦТМА (2), Fe(III) – НРС – ЦТМА (3) при рН 5.5 и I = 0.03.

cFe(II, III) = 2.86 10–5 М, cНРС = 2.00 10–4 М, cЦТМА = 1.00 10–3 М Влияние кислотности среды изучали на фоне ацетатного буферного раствора.

Содержание железа было постоянным (50 мкг), НРС – 1 мл 5.0010–3 М (5-тикратный избыток реагента), вводили от 0.5 до 5.0 мл 0.1 М раствора СН3СООNa и необходимое количество 0.1 М NH3 по каплям, ЦП и ЦТМА – по 1.5 мл 1.0010–2 М растворов, конечный объем 25.0 мл. Оптическая плотность максимальна и постоянна: для железа(III) в интервале рН 3.8–9.5 (ЦТМА) и 3.7–9.2 (ЦП), для железа(II) в интервале рН 5.1–9.4 (ЦТМА) и 5.5–9. (ЦП).

При введении ЦП и ЦТМА отмечено значительное увеличение интенсивности светопоглощения и начало образования комплексов в более кислых средах [в отсутствие ПАВ рНопт: 4.7–8.1 для железа(II) и 5.3–7.5 для железа(III)], что существенно расширяет область существования комплексов. Смещение рН комплексообразования железа(II, III) с модифицированным ПАВ реагентом на несколько единиц (как в кислую, так и в щелочную области) можно объяснить образованием гидрофобных ассоциатов НРС и ПАВ в интервале рН 3.0–10.5. Ассоциация реагента с ЦП или ЦТМА по сульфогруппам, вероятно, переводит нереакционноспособную протонированную форму НРС в реакционноспособную депротонированную форму в силу изменения характера гидратации оксимной группировки [1].

Оптимальную концентрацию ПАВ выбирали при рН 4.0. Содержание железа(II, III) было постоянным (50 мкг), объем 5.0010–3 М растворов ЦТМА и ЦП варьировали от 0.1 мл до 10.0 мл, конечный объем 25.0 мл.

Стехиометрический состав образующихся ионных ассоциатов установлен методом молярных отношений [9]. Обработкой кривой насыщения установлено образование комплексов стехиометрии Ме:R:ПАВ = 1:2:4 для железа(II), Ме:R:ПАВ = 1:3:6 для железа(III). Введение ПАВ в раствор в соотношении 1:1 к реагенту приводит к образованию коллоидных растворов, которые вначале коагулируют, затем выпадает осадок. Увеличение концентрации ПАВ в 3–5 раз к стехиометрическому повышает растворимость ассоциатов и способствует диспергированию коллоидных растворов, что объясняют образованием смешанных мицелл [1].

Влияние сильных электролитов на ионную ассоциацию комплексов железа(II, III) – НРС с ЦТМА и ЦП рассматривали на примере хлорида калия, концентрацию которого изменяли в интервале 0–0.5 М.

В литературе отмечено [10], что природа катиона соли не влияет на спектральные изменения, а природа аниона и его концентрация оказывает решающее действие, причем солевые эффекты определяются действием наиболее активной соли. Так, хлориды и сульфаты щелочных металлов в ряду анионов могут вызывать такие эффекты, как уменьшение скорости реакции, разрушение ионных ассоциатов, гиперхромные и батохромные смещения в спектрах поглощения.

Даже незначительное увеличение ионной силы (I = 0.05) вызывает снижение оптической плотности растворов комплексов железа(III) с НРС в присутствии ПАВ при 700 нм. В спектрах поглощения в длинноволновой области появляются по два слабовыраженных максимума при 650 и 750 нм для систем железо(III) – НРС – ЦТМА(ЦП).

Оптический эффект можно объяснить усилением в присутствии электролита гидрофобных и электростатических взаимодействий, что в свою очередь вызывает упрочнение связи иона комплексообразователя с лигандом вследствие изменения гидратации и полярности микроокружения.

Подчинение закону Бера наблюдается в диапазоне содержаний (0.36 – 5.73)10–5 М (5–80 мкг в 25 мл раствора) для железа(II) и (0.72 – 7.16)10–5 М (10–100 мкг в 25 мл раствора) для железа(III). Уравнения градуировочных графиков (ГГ) и молярные коэффициенты поглощения комплексов, полученных в оптимальных условиях, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Оптические характеристики трехкомпонентных систем Fe(II, III) – НРС – ПАВ (cFe(II) = (0.36 – 5.73)10–5 М, cFe(III) = (0.72 – 7.16)10–5 М, рН 5.5, I = 0.03, n = 5, P = 0.95).

max, ЦТМА ЦП Ион 10–4 10– Уравнение ГГ Уравнение ГГ нм sr sr 1.87104с + Fe(II) 1.9910 с + 0.01 (1.99 ± 0.01) (1.88 ± 0.01) 0.01 0. 0. 1.46104с + 710* 1.56104с + 0.01 (1.56 ± 0.02) (1.46 ± 0.01) 0.01 0. 0. 1.39104с + Fe(III) 1.55104с + 0.01 (1.55 ± 0.01) (1.38 ± 0.01) 0.01 0. 0. 1.24104с + 750* 1.44104с + 0.01 (1.41 ± 0.03) (1.21 ± 0.03) 0.03 0. 0. * с введением КСl (I = 0.10) Цветометрические характеристики для трехкомпонентных систем приведены в табл. 2, 3. Цветометрические функции (ЦФ) линейны в концентрационных интервалах, указанных для спектрофотометрического варианта. Молярные коэффициенты цветометрических функций рассчитывали аналогично молярным коэффициентам поглощения. Они уменьшаются в следующей последовательности:

X, Z Т Y W A,S L.

Для определения железа наиболее чувствительна аналитическая форма Fe(II) – НРС – ЦТМА. Использование X [(5.22 ± 0.08) 105], Z [(5.39 ± 0.12) 105] (n = 5, P = 0.95) наиболее перспективно.

Таблица 2. Уравнения ГГ и МКЦФ для систем железо(II) – НРС – ПАВ.

cFe(II) = (0.36 – 5.73)10–5 М, рН 5.5, n = 5, P = 0. МКЦФ 10– Функция Уравнение градуировочного графика sr ПАВ – ЦТМА, I = 0. -4.65105с + 80. X 4.61 0. -3.6410 с + 87. Y 3.61 0. -4.67105с + 78. Z 4.68 0. -1.7410 с + 95. L 1.75 0. -3.20105с - 8. A 3.19 0. 1.5710 с + 14. B* 1.57 0. 3.04105с + 17. S 3.07 0. 6.2810 с + 116. T** 6.25 0. -3.4410 с + 81. W 3.46 0. ПАВ – ЦТМА, I = 0. -5.25105с + 82. X 5.22 0. -3.81105с + 87. Y 3.79 0. -5.4310 с + 84. Z 5.39 0. -1.79105с + 95. L 1.81 0. -3.3910 с - 6. A 3.36 0. 1.3310 с + 12. B 1.32 0. 3.38105с + 13. S 3.35 0. 4.1010 с + 123. T 4.23 0. -3.80105с + 85. W 3.77 0. ПАВ – ЦП, I = 0. -4.0510 с + 79. X 4.02 0. -3.51105с + 84. Y 3.48 0. -4.4410 с + 76. Z 4.43 0. -1.35105с + 95. L 1.36 0. -3.0210 с - 7. A 2.99 0. 0.98105с + 15. B 1.04 0. 2.8410 с + 16. S 2.81 0. 2.9110 с + 121. T 1.91 0. -3.12105с + 80. W 3.16 0. ПАВ – ЦП, I = 0. -4.24105с + 81. X 4.22 0. -3.1210 с + 84. Y 3.15 0. -4.34105с + 82. Z 4.39 0. -1.1810 с + 95. L 1.15 0. -2.6910 с - 6. A 2.65 0. 1.36105с + 11. B 1.30 0. 2.0210 с + 12. S 2.07 0. 3.88105с + 120. T 3.85 0. -3.6710 с + 83. W 3.69 0. -4.7510 с + 80. G 4.78 0. -5 - * cFe(II) = (0.36 – 2.06)10 М;

** cFe(II) = (2.06 – 5.73)10 М Таблица 3. Уравнения ГГ и МКЦФ для систем железо(III) – НРС – ПАВ.

cFe(III) = (0.72 – 7.16)10–5 М, рН 5.5, n = 5, P = 0. МКЦФ 10– Функция Уравнение градуировочного графика sr ПАВ – ЦТМА, I = 0. -3.95105с + 73. X 3.93 0. -3.6410 с + 70. Y 3.62 0. -0.87105с + 37. Z 0.89 0. -1.7010 с + 94. L 1.70 0. -1.75105с - 21. A 1.74 0. 2.7510 с + 57. B 2.73 0. 2.83105с + 110. T 2.80 0. -3.6810 с + 67. G 3.67 0. ПАВ – ЦТМА, I = 0. -4.11105с + 65. X 4.08 0. -3.6010 с + 70. Y 3.59 0. -4.49105с + 66. Z 4.40 0. -2.0610 с + 87. L 2.07 0. -2.32105с - 6. A 2.32 0. 0.6810 с + 11. B 0.66 0. 2.0510 с + 12. S 2.05 0. 4.18105с + 120. T 4.24 0. -2.8910 с + 81. W 2.89 0. -1.17105с + 20. G 1.15 0. ПАВ – ЦП, I = 0. -3.6510 с + 75. X 3.64 0. -3.24105с + 72. Y 3.21 0. -0.5710 с + 34. Z 0.59 0. -1.71105с + 94. L 1.70 0. -1.1510 с - 12. A 1.13 0. 2.42105с + 55. B 2.47 0. 2.7810 с + 114. T 2.80 0. -3.1810 с + 66. G 3.16 0. ПАВ – ЦП, I = 0. -4.01105с + 64. X 3.98 0. -3.50105с + 67. Y 3.47 0. -4.18105с + 61. Z 4.20 0. -1.61105с + 88. L 1.65 0. -1.30105с - 8. A 1.32 0. 0.66105с + 14. S 0.69 0. 1.43105с + 16. T 1.56 0. 3.88105с + 122. W 3.90 0. -2.91105с + 84. G 2.88 0. При изучении трехкомпонентных систем цветометрическим методом установлено увеличение чувствительности аналитической реакции в 5 раз по сравнению с цветометрическим вариантом в отсутствие ПАВ. В целом отмечено значительное улучшение воспроизводимости, увеличение числа линейных функций и диапазона линейности ЦФ [4].

Полученные цветометрические характеристики трехкомпонентных систем позволяют разработать методики одновременного раздельного определения [11] таких пар элементов, как кобальт и железо, медь и железо за счет аномально зеленой окраски комплексов железа(II, III) в растворах. Сорбция незаряженных ионных ассоциатов Fe(II) – НРС – ЦП, Fe(II) – НРС – ЦТМА на неполярных сорбентах с предварительным восстановлением железа(III) до железа(II) аскорбиновой кислотой позволит создать чувствительные сорбционно-оптические методики определения железа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Саввин С.Б., Чернова Р.К., Штыков С.Н. Поверхностно-активные вещества. М.:

Наука, 1991. 251 с.

2. Пятницкий И.В. Аналитическая химия кобальта. М.: Наука, 1965. 269 с.

3. Пешкова В.М., Савостина В.М., Иванова Е.К. Оксимы. М.: Наука, 1977. 286 с.

4. Иванов В.М., Чинь Тхи Тует Май, Фигуровская В.Н., Мамедова А.М., Ершова Н.И. // Журн. аналит. химии. 2006. T. 61. № 6. С. 932.

5. Марченко З., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе. М.: БИНОМ, 2007. 486 с.

6. Иванов В.М., Мамедова А.М., Фигуровская В.Н., Ершова Н.И., Барбалат Ю.А., Чинь Тхи Тует Май // Журн. аналит. химии. 2006. T. 61. № 5. С. 620.

7. Саввин С.Б., Чернова Р.К., Белоусова В.В., Сухова Л.К., Штыков С.Н. // Журн. аналит.

химии. 1978. Т.33. № 8. С.1473.

8. Иванов В.М., Кузнецова О.В. // Успехи химии. 2001. T. 70. № 5. С.411.

9. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. Л.: Химия, 1986. 432 с.

10. Штыков С.Н., Сумина Е.Г., Чернова Р.К., Семененко Э.В. // Журн. аналит. химии.

1984. Т.39. № 6. С.1029.

11. Иванов В.М., Кузнецова О.В. // Журн. аналит. химии. 2000. Т.55. № 9. С.998.

УДК 543. МИКРОЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ – ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ АНАЛИЗЕ ВОДНЫХ ПРОБ © 2011 г. М.Ю. Синицын, А.Г. Борзенко Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет 119992 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр. Изучены процессы экстракционного концентрирования Cu(II) и Cd(II) с использованием диэтилдитиокарбаматов натрия и свинца в варианте микрожидкостной экстракции. Показано, что такая реализация стадии предварительного концентрирования позволяет улучшить пределы обнаружения ряда методов (рентгенофлуоресцентная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия с возбуждением пробы в дуговом разряде, атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической ионизацией пробы) в среднем до двух порядков величины. Проведено определение меди и кадмия в пробах водопроводной, дистиллированной и деионированной воды комбинированными методами, включающими стадию микрожидкостной экстракции.

Ключевые слова: микрожидкостная экстракция, дитилдитиокарбаматы, тяжелые металлы, атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектроскопия с дуговым возбуждением пробы, рентгенофлуоресцентный анализ.

Разработка экспрессных и высокочувствительных методов аналитического контроля состояния природной среды и, в частности, содержания тяжелых металлов в водных экосистемах является актуальной задачей. Как правило, методы определения тяжелых металлов на уровне следовых и ультраследовых содержаний в воде делят на две группы.

Первая включает в себя методы прямого анализа, реализуемые при отсутствии в исходной пробе взвешенных частиц. Однако в большинстве случаев, такое определение тяжелых металлов на уровне фоновых содержаний представляется весьма проблематичным, несмотря на высокую чувствительность современных инструментальных методов анализа. Вторая группа объединяет комбинированные и гибридные методы, сочетающие стадии предварительного концентрирования и последующего определения. Это наиболее общий и широко распространенный подход, применяемый в настоящее время при анализе водных объектов.


В ряду многочисленных методов концентрирования наибольшее распространение получил метод жидкостной экстракции, основными достоинствами которого являются универсальность и относительная простота. Однако, степень концентрирования, достигаемая с помощью стандартных процедур, как правило, не слишком высока. Необходимо учитывать и тот факт, что для большинства методов последующего определения требуется только малая часть получаемого на стадии предварительного концентрирования экстракта.

Это обстоятельство снижает эффективность стадии концентрирования.

Экстракционное концентрирование в варианте микрожидкостной экстракции позволяет устранить этот недостаток и улучшить метрологические характеристики комбинированного метода в целом.

Целью настоящей работы явилась оценка возможностей применения микрожидкостной экстракции как стадии предварительного концентрирования в комбинированных методах анализа при определении тяжелых металлов в воде.

Экспериментальная часть Растворы. Стандартные растворы кадмия (II) и меди (II) готовили растворением точной навески металла (99.99%) в HNO3 (1:1). Рабочие растворы готовили разбавлением стандартных растворов деионизованной водой.

Стандартный раствор (10–2М) диэтилдитиокарбамата натрия (NaДЭДТК) готовили растворением точной навески в деионированной воде. Для очистки реагента от примесей металлов использовали экстракцию исходного раствора NaДЭДТК четыреххлористым углеродом CCl4 (ос.ч) в течение 10 минут. Рабочие растворы реагента готовили разбавлением деионированной водой.

Раствор 6.10–4М диэтилдитиокарбамата свинца Pb(ДЭДТК)2 готовили следующим образом: к 100 мл водного раствора, содержащего 0.1 г Pb(СН3СООН)2 (ч.д.а) прибавляли 50 мл водного свежеприготовленного раствора NaДЭДТК (0.1 г). Образующийся белый осадок растворяли в 250 мл хлороформа (ч.д.а). Хлороформный слой отфильтровывали через сухой фильтр в мерную колбу емкостью 500 мл, ljdjlbkb хлороформом до метки и тщательно перемешивали.

Ацетатный буферный раствор готовили смешением рассчитанных объемов 0.2 М ацетата натрия (ч.д.а.) и 0.2 М уксусной кислоты (ос.ч.).

Аппаратура. Спектрофотометрические измерения проводили на фотометре КФК- в кюветах длиной 0.3 см. Для атомно-абсорбционных измерений использовали спектрофотометр VARIAN AA240Z с электротермической атомизацией пробы.

Ренгенофлуоресцентный анализ проводили на спектрометре с волновой дисперсией Thermo Scientific ARL 9900. Атомно-эмиссионный анализ проводили с использованием кварцевого спектрометра ИСП-28 с дуговым возбуждением спектров.

Для измерения рН среды использовали универсальный иономер ЭВ-74 со стеклянным индикаторным электродом. Иономер настраивали по стандартным буферным растворам в диапазоне рН: 1.6–9.2.

Результаты и их обсуждение Выбор модельных систем, органических реагентов, растворителей. В качестве модельных металлов были выбраны медь и кадмий, являющиеся нормируемыми компонентами при анализе вод. Этот выбор был сделан на основе следующих соображений.

В соответствии с установившейся практикой оценки качества вод концентрация любого нормируемого компонента в них сопоставляется с величиной предельно допустимой концентрации этого компонента (ПДК), либо с его усредненной фоновой концентрацией.

В первом случае необходимо отметить серьезную проблему сопоставимости ПДК критериев, что принципиально важно для водных объектов многоцелевого использования.

По-видимому, это можно объяснить тем, что при введении ПДК критериев в аналитическую практику, они первоначально не предназначались для оценки экологического благополучия природной среды в целом, а были ориентированы лишь на регламентирование безопасных условий жизни человека. Так после разработки норм ПДК для воды хозяйственно-бытового назначения (табл. 1) стало очевидным, что требования к качеству природных объектов, особенно водных, должны существенно различаться [1]. Это привело к появлению норм ПДК для рыбохозяйственных водоемов. Такой подход при установлении норм ПДК рассматривает в качестве тест-объектов не только людей, но и представителей водных экосистем.

В качестве регламентируемого значения ПДК принимается наибольшая допустимая (недействующая) концентрация нормируемого компонента для наиболее чувствительного звена среди всех тест-объектов [2].

Таблица 1. Предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов (мг/л) в природных среда Вода хозяйственно- Вода рыбохозяйственных Металл бытового назначения водоемов Pb 0.03 0. Cd 0.001 0. Cu 1 0. Zn 1 0. Ni 0.1 0. Hg 0.0005 0. По чувствительности животных и человека к биогеохимическим свойствам тяжелых металлов их можно расположить в следующий ряд:

HgCuZnNiPbCdCrSnFeMnAl. Этот ряд имеет относительно общий характер, не учитывающий порядка изменения чувствительности ни на видовом, ни на более высоком уровне. Тем не менее, эта зависимость отражена в соответствующих нормах ПДК тяжелых металлов.

Как следует из табл. 1, металлы, используемые в настоящей работе в качестве модельных, являются одними из наиболее опасных нормируемых компонентов при анализе водных объектов многоцелевого использования. Очевидно, что их определение представляет собой задачу следового анализа и требует разработки комбинированных методов, включающих стадию предварительного концентрирования. Важность этой стадии особенно ярко проявляется в том, что границы определяемых содержаний нормируемых компонентов должны быть ниже ПДК на 1.0–1.5 порядка величины.

Еще более жесткие требования к чувствительности комбинированного метода в целом, а, следовательно, и к стадии концентрирования в первую очередь, могут быть установлены исходя из усредненных фоновых содержаний выбранных модельных металлов в водных объектах (табл. 2).

Таблица 2. Средние фоновые содержания и диапазон возможных концентраций нормируемых тяжелых металлов в пресных водах Среднее фоновое Диапазон концентраций, Металл содержание, мкг/л мкг/л Pb 0.95 0.066– Hg 0.092 0.002– Cd 0.092 0.011–2. Cu 14 0.17– Zn 14 0.17– Ni 0.33 0.04– Одним из критериев при выборе реагента являлась его способность образовывать достаточно прочные экстрагируемые комплексы с определяемыми металлами. При выборе экстракционной системы во внимании также принимались величины констант экстракции Кэкс обеспечивающие количественное извлечение определяемого элемента.

Предварительный анализ литературных данных показал, что этим требованиям отвечают дитиокарбаматы: диэтилдитиокарбамат натрия Na(ДЭДТК), пирролидиндитиокарбамат аммония NH4(ПДТК) и гексаметилендитиокарбамат гексаметиленаммония ГМДТК ГМА. Однако, NH4(ПДТК) и ГМДТК ГМА при экстракционном концентрировании переходят в экстракт, что влечет за собой необходимость их последующего разложения смесью концентрированных кислот.

Эта дополнительная операция сопряжена с возможной потерей определяемых компонентов и значительными временными затратами. Учитывая это обстоятельство, в качестве основного реагента был выбран диэтилдитиокарбамат натрия.

На этапе выбора реагента была рассмотрена возможность применения реакций замещения в процессе экстракционного концентрирования определяемых элементов.

Этот прием позволяет достаточно эффективно управлять селективностью разделения, что существенно упрощает требования к чувствительности методов последующего определения соответствующего элемента, особенно при использовании методов одноэлементного анализа. При реализации реакций замещения экстрагентом является раствор подходящего хелата металла в органическом растворителе. Критерием выбора хелата служила величина константы экстракции, значение которой должно быть меньше, чем у определяемого металла, но больше чем у мешающих компонентов. В этом случае селективность экстракционного процесса оказывается достаточно высокой. На основе анализа литературных данных в качестве экстрагента для определения меди был выбран диэтилдитиокарбамат свинца.

Несмотря на широту применения жидкостной экстракции по сравнению с другими методами концентрирования и большое количество работ в этой области, до сих пор выбор растворителя, пригодного для выделения определяемого соединения, осуществляется в основном эмпирически. Обычно выбирают систему с наивысшим коэффициентом распределения данного вещества. Наряду с этим критерием, при выборе растворителя руководствовались также значениями растворимости в нем соответствующих хелатов металлов. Кроме того, стремились подобрать растворитель, оказывающий минимальное влияние на равновесие в водной фазе, оценивая последнее по величинам его растворимости в воде. В качестве растворителей в данной работе были выбраны хлороформ и четыреххлористый углерод. Следует отметить, что выбранные растворители являются наиболее часто применяемыми при экстракции с использованием дитиокарбаматов.

Выбор условий экстракционного концентрирования модельных металлов в варианте микрожидкостной экстракции. Несмотря на очевидные преимущества, благодаря которым жидкостная экстракция занимает лидирующее место в ряду методов экстракционного концентрирования, общепринятый вариант ее реализации обладает и рядом следующих недостатков.

Обычно определяемые компоненты концентрируют из 0,5–1 л воды несколькими порциями растворителя, конечный объем которой составляет 10–50 мл. При этом коэффициент концентрирование оказывается равным 3–20 и лишь в единичных случаях достигает 50.

При определении следовых количеств аналитов это приводит к необходимости использования наиболее чувствительных методов последующего определения, либо дополнительному концентрированию экстракта путем упаривания или реэкстракции определяемого компонента в меньший объем.

Ограниченность набора высокочувствительных методов определения позволяющих работать на уровне следовых содержаний, а также неизбежное возрастание экономических затрат на проведение анализа в этом случае существенно тормозит распространение такого варианта анализа. Применение дополнительного концентрирования, хотя и привлекательно с точки зрения упрощения стадии последующего определения, увеличивает как время проведения анализа в целом, так и его стоимость.


Подобные подходы совершенно непригодны для проведения процедуры быстрого скрининга водных объектов. Между тем, как показывает практика экологического мониторинга, до 85% анализируемых проб является "пустыми", т.е. не содержащими определяемого компонента в регламентированных количествах.

Кроме того, серьезным недостатком комбинированных методов анализа, базирующихся на основе общепринятого варианта жидкостной экстракции, является относительно слабая адаптация стадии концентрирования к особенностям метода последующего определения. Даже если степень концентрирования, оказывается приемлемой, отношение количества анализируемого экстракта, получаемого на стадии экстракционного концентрирования к количеству, которое требуется для большинства последующих спектроскопических методов определения (таких как спектрофотометрия, атомно эмиссионная спектроскопия, с возбуждением пробы в искровом или дуговом разряде, атомно-абсорбционная спектроскопия с электротермической атомизацией), существенно больше единицы. Это приводит к тому, что на стадии последующего определения используется очень малая часть полученного экстракта (0.01–0.001), что, в свою очередь, неизбежно ухудшает степень концентрирования и метрологические характеристики в целом.

По существу, роль экстракционной стадии в таких комбинированных методах сводится лишь к замене исходной матрицы, не давая особых преимуществ, связанных с концентрированием.

Выходом из этой ситуации, позволяющим реализовать все потенциальные преимущества стадии экстракционного концентрирования, является на наш взгляд, подход, основанный на использовании микрожидкостной экстракции, которая позволяет максимально полно использовать полученный экстракт.

Основной практической характеристикой, отражающей возможность перехода от макро- к микрожидкостному варианту экстракции, очевидно является коэффициент распределения DM определяемого компонента между органической и водной фазами.

Значения DM для конкретной экстракционной системы позволяют прогнозировать условия получения желаемой степени концентрирования, которая в свою очередь, однозначно связана с величиной степени извлечения R.

Несмотря на широкую распространенность дитиокарбаматных систем в практике экстракционного концентрирования данных по численным значениям коэффициента распределения определяемого металла DM и константы распределения Кd,M, связанной с ним соотношением DM = Кd,M.[MLn]aq/CM,aq, в литературе обнаружить не удалось. Большинство исследователей ограничиваются лишь тем, что характеризуют процесс экстракции как "количественное" или "практически полное" извлечение.

Величины DM и Кd,M функционально связаны с константой экстракции следующим соотношением:

DM = Kext( [HL]opг/[H+])n = ([НL]орг/[Н+])n(Kd,M.n/(Kd,L..HL)n) Однако, предпринятые нами попытки оценки DM и Кd,M из данных по значениям величины константы экстракции Kext образующегося хелата также не увенчались успехом, поскольку значения констант распределения реагента Kd,L в литературе отсутствуют.

В работах [3–5], авторы которых наиболее полно изучили и систематизировали данные по дитиокарбаматным системам, обсужден характер зависимости Kd,L от ряда факторов, однако, численные значения констант не приводятся. В силу затруднительности прогноза изменения степени извлечения при переходе от традиционного варианта жидкостной экстракции к микрожидкостной экстракции, в настоящей работе была изучена экстракция модельных металлов меди и кадмия в системе РЬ(ДЭДТК)2: СНС13 и NaДЭДТК : CCl4, а также влияние различных факторов на характеристики экстракционного процесса. Для улучшения воспроизводимости и устранения возможного влияния рН водной фазы экстракцию меди осуществляли по реакции замещения с диэтилдитиокарбаматом свинца в хлороформе.

Cu2+ + Pb(ДЭДТК)2 = Cu(ДЭДТК)2 + Pb2+ По литературным данным, эта обменная реакция протекает с количественным выходом в широком диапазоне кислотности водной фазы. Содержание меди в органическом экстракте определяли спектрофотометрически, в водной фазе – пламенным атомно абсорбционным методом.

Согласно литературным данным степень извлечения в диэтидитиокарбаматных системах существенным образом зависит от времени контакта органической и водной фаз.

Для определения оптимальных условий проведения процесса экстракции были измерены кинетические зависимости степени извлечения меди от времени при соотношениях объемов водной и органической фаз 10:1, 100:1, 200:1 при концентрации меди в водной фазе 65 мкг/л.

Анализ кинетических кривых (рис. 1) свидетельствует о том, что степень извлечения действительно меняется с увеличением времени контактирования фаз. При соотношении объемов водной и органической фаз равном 10:1 98%-ая степень извлечения достигается после 5 мин. экстракции. При соотношении объемов фаз 100:1 и 200:1 за такое же время степень извлечения составляет 84 и 73% соответственно. По видимому, этот временной промежуток является вполне оптимальным с точки зрения достигаемых степеней извлечения и общего времени проведения экстракционной процедуры. Для данного времени были рассчитаны степени извлечения меди из водных растворов для различных значений содержания определяемого – металла в водной фазе. Результаты измерений представлены в табл. 3.

R, % 0 2 4 6 8 t, мин Рис. 1. Зависимость степени извлечения R меди из водных растворов от времени при соотношении водной и органической фаз: 1) 10 : 1;

2) 100 : 1;

3) 200 : Таблица 3. Влияние отношения объемов водной и органической фаз, концентрации Cu(II) в водной фазе на степень извлечения (R) 10 : 1 100 : 1 200 6 Концентрация Cu(II), мкг/л R, % R, % R, % 1300 97. 130 98.6 86. 65 98.6 85 13 87 6.5 86 Как следует из анализа полученных данных, значение коэффициента распределения DM в этой системе оказывается равным 710, причем это значение практически не меняется с уменьшением концентрации меди в водной фазе. Этот факт свидетельствует о принципиальной возможности реализации варианта микрожидкостной экстракции при экстракционном концентрировании меди с использованием диэтилдитиокарбаматных систем.

Экстракцию кадмия проводили в системе NaДЭДТК – ССl4, поскольку значения соответствующих экстракционных констант не позволяют использовать Рb(ДЭДТК) для проведения реакции замещения.

Концентрацию металла в органической и водной фазах определяли атомно абсорбционным методом с электротермической атомизацией пробы. Учитывая тот факт, что диапазон концентраций металлов и степеней извлечения варьировался в широком интервале, в некоторых случаях приходилось прибегать к разбавлению получаемого экстракта растворителем для того, чтобы проводить измерения поглощения в оптимальном диапазоне оптических плотностей. Экстракционные системы для многих металлов с CaДЭДТК характеризуются ограниченным диапазоном рН, в котором возможно проведение экстракционного процесса. Оптимальным является диапазон рН 2–8.

В настоящей работе экстракция проводилась при значении рН водной фазы равному 5. Как и в случае экстракции меди были сняты кинетические кривые зависимости степени извлечения кадмия от времени при соотношении объемов водной и органической фаз 10:1, 100:1, 200: (рис. 2).

R, % 0 2 4 6 8 t, мин Рис. 2. Зависимость степени извлечения R кадмия из водных растворов от времени при соотношении водной и органической фаз: 1) 10 : 1;

2) 100 : 1;

3) 200 : Как следует из рисунка, качественный вид Rм – t кривых совпадает с аналогичными зависимостями, полученными при экстракции меди в системе Рb(ДЭДТК)2 – CHCl3.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что значение коэффициента распределения DM также практически не зависит от его концентрации в водной фазе и соотношения объемов водной и органической фаз. Рассчитанное значение DM оказалось равным 208.

При определении оптимального времени контактирования фаз так же, как и в случае экстракции меди, с одной стороны стремились добиться максимально возможной степени извлечения, с другой – уменьшить общую продолжительность экстракционного процесса.

На основе такого компромиссного выбора время контактирования фаз ограничили пятью минутами. Для этого времени, при соотношении объемов водной и органической фаз 10:1, 100:1, 200:1, степень извлечения кадмия составила 87, 65 и 47% соответственно.

Полученные данные по экстракционному поведению меди и кадмия в диэтилдитиокарбаматных системах подтверждают принципиальную возможность реализации варианта микрожидкостной экстракции при их экстракционном концентрировании.

Поскольку использование микрожидкостной экстракции в комбинированных методах анализа позволяет довольно гибко адаптировать стадию предварительного концентрирования к особенностям метода последующего определения, представляло интерес оценить преимущества такого подхода при использовании различных методов определения.

Необходимо отметить, что под особенностями метода последующего определения нами в данном случае подразумевается главным образом характерное количество анализируемой пробы. С учетом этого адаптация стадии концентрирования должна проводиться так, чтобы на стадии последующего определения максимально полно использовать полученный экстракт.

В качестве методов последующего определения использовали методы рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), атомно-абсорбционного анализа с электротермической атомизацией пробы (ААС ЭТА) и атомно-эмиссионного анализа с возбуждением пробы в дуге электрического разряда (АЭС).

Для всех комбинаций микрожидкостной экстракции с вышеперечисленными методами определения объем экстракта, получаемого на стадии концентрирования, был ограничен одним миллилитром, хотя с использованием специальных приспособлений его можно уменьшить на 1.0–1.5 порядка величины.

Определение меди в водопроводной воде методом РФА в сочетании с микрожидкостной экстракцией. Рентгенофлуоресцентный метод анализа широко используется в аналитической практике. Аналитическим сигналом в нем является характеристический спектр вторичного рентгеновского излучения, который генерируется при воздействии первичного пучка рентгеновских лучей на анализируемую пробу.

При помощи РФА можно определять элементы с атомным номером Z 4. Метод отличается высокой селективностью и экспрессностью (продолжительность анализа одной пробы может быть доведена до 1–5 минут). Однако, применение рентгенофлуоресцентного метода для определения следовых содержаний весьма проблематично. Основной причиной этого являются недостаточно низкие пределы обнаружения, которые в зависимости от определяемого элемента и конкретной матрицы находятся в диапазоне 104–103%.

Кроме того, необходимо отметить, что хотя прямой анализ жидких проб принципиально возможен методом РФА, реализация такого варианта достаточно трудоемка в аппаратурном отношении и приводит к значительному ухудшению метрологических характеристик метода. В подавляющем большинстве случаев жидкие пробы переводят в твердое состояние на инертном носителе посредством стандартных операций упаривания, осаждения фазы и т.п.

Проведение таких операций существенно увеличивает время пробоподготовки, нивелируя при этом основные достоинства РФА – относительную простоту и экспрессность.

Наиболее остро эта проблема проявляется для больших исходных объемов водных проб, необходимость использования которых, учитывая степень концентрирования на этапе вспомогательных операций и метрологические характеристики метода, возникает при определении следовых содержаний. Применение метода экстракционного концентрирования в варианте микрожидкостной экстракции позволяет на наш взгляд, решить эту проблему и существенно расширить возможности метода для определения следовых содержаний тяжелых металлов в водных объектах.

В настоящей работе анализ образцов водопроводной воды проводили на рентгенофлуоресцентном спектрометре Thermo Scientific ARL 9900.

Количественный анализ и оценку предела обнаружения проводили с использованием образцов сравнения, которые готовили экстракцией Pb (ДЭДТК)2 из модельного раствора меди (50 мкг/мл) при соотношении водной и органической фаз 1:1. Полученные экстракты объемом 1 мл обдували нагретым воздухом, доводя объем до 100 мкл, и наносили микрошприцем на бумажный фильтр. Образцы анализировали после высушивания на воздухе в течение 5 мин. Для построения градуировочного графика готовили образцы, содержащие от 2 до 25 мкг меди (из растворов с концентрацией меди от 2 до 25 мкг/мл соответственно). Установлено, что в этой области содержаний градуировочный график удовлетворительно аппроксимируется уравнением прямой I = 3183,4.CCu + 42081, с коэффициентом корреляции R = 0.985. Предел обнаружения оценивали по 3 критерию, для времени накопления сигнала равном 120 с он составил 2.3мкг (2.3мкг/мл меди в экстракте или 2.3.10-4%). Использование экстракционного концентрирования в варианте микрожидкостной экстракции с соотношением объемов водной и органической фаз 200: дает возможность снизить предел обнаружения до 1.6.10–6%, что делает возможным проведение определение меди не только на уровне ПДК, но и существенно ниже. В качестве модельного водного объекта использовали водопроводную воду с содержанием меди меньше 1 мкг/мл (10–4%). Микрожидкостная экстракция при соотношении объемов водной и органической фаз 200:1 проводилась с использованием обменной реакции с Pb(ДЭДТК)2.

Далее пробы готовили аналогично образцам сравнения. Рассчитанное по градуировочному графику значение концентрации меди в водопроводной воде составило 0.1 мкг/мл.

Определение меди в дистиллированной воде методом АЭС с возбуждением пробы дуговым разрядом в сочетании с микрожидкостной экстракцией.

Методы атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС) по праву можно назвать одними из самых распространенных высокочувствительных и экспрессных методов анализа.

Важным достоинством методов АЭС, по сравнению со многими химическими и физико химическими методами анализа, является возможность одновременного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы. Аналитическим сигналом в методах АЭС являются оптические линейчатые спектры излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемые в так называемых горячих источниках света. Конкретные типы таких источников и определяют разновидности методов АЭС. В качестве источников возбуждения спектров используют электрические разряды, в частности дуговой. Метод АЭС с возбуждением пробы дуговым разрядом довольно широко применяется при анализе водных проб. При этом можно выделить два основных способа введения пробы в источник возбуждения: непосредственный ввод пробы (распыление пробы, вращающийся дисковый электрод и др.) и анализ твердого осадка после упаривания пробы на подходящем коллекторе, в качестве которого, как правило, используют графитовый порошок. Второй способ анализа жидких проб имеет ряд преимуществ, связанных с дополнительным концентрированием пробы в процессе упаривания. Именно этот способ получил наиболее широкое распространение в аналитической практике анализа вод. Вместе с тем, при определении следовых содержаний возникает необходимость существенного увеличения степени концентрирования. Это может быть достигнуто либо увеличением объема упариваемой пробы, либо введением операций предварительного концентрирования и дальнейшего упаривания экстракта. Несмотря на то, что оба варианта значительно увеличивают общее время проведения анализа, второй вариант оказывается более предпочтительным, поскольку упаривание на коллекторе больших объемов чревато возможными потерями анализируемой пробы. Последнее обстоятельство налагает определенные ограничения и на объем экстракта, получаемого при реализации второго варианта. В этом плане использование микрожидкостной экстракции с последующим анализом всего экстракта является, на наш взгляд, весьма перспективным решением проблемы.

Образцы сравнения для построения градуировочного графика и оценки пределов обнаружения готовили экстракцией меди с использованием Pb(ДЭДТК)2 из раствора, содержащего 1.5 мкг/мл Cu(II) по стандартной методике при соотношении водной и органической фаз Vводн/Vорг = 1 : Полученный экстракт объемом 1 мл упаривали в кварцевых чашках на графитовом порошке. После упаривания массу пробы доводили до 30 мг, путем добавления угольного порошка, затем пробу гомогенизировали тщательным растиранием в агатовой ступке в течение 15 мин. Для приготовления образцов сравнения использовали растворы с концентрациями меди 3.0;

1.5;

0.75;

0.37;

и 0.18 мкг/мл. Подготовленную пробу набивали в каналы угольных электродов и анализировали методом АЭС с возбуждением в дуге переменного тока. Оптимальные условия регистрации спектров выбирали на основе анализа кривых испарения пробы для образцов с минимальным (0.18 мкг) и максимальным (3 мкг) содержанием меди. Для построения градуировочного графика использовали значения интенсивности аналитической линии меди ( =327.3962 нм) Установлено, что в исследованном диапазоне содержаний градуировочный график удовлетворительно аппроксимируется прямой I =0.79CCu + 0.757 с коэффициентом корреляции равным 0.965.

Предел обнаружения уцененный по 3 критерию оказался равным 0.1 мкг, что в пересчете на водный раствор составляет 0.1 мкг/мл или 10-5%.

Применение микрожидкостной экстракции с последующим анализом всего экстракта позволило снизить предел обнаружения до 10-7%. Возможности такого подхода были продемонстрированы на примере анализа дистиллированной воды. Операцию экстракционного концентрирования осуществляли в варианте микрожидкостной экстракции с использованием Pb(ДЭДТК)2 при соотношении водной и органической фаз Vводн/Vорг = = 200:1. Полученный экстракт объемом 1 мл упаривали на графитовом порошке и регистрировали спектры анализируемой пробы вместе со спектрами образцов сравнения с использованием линейки фотодиодов. Рассчитанное по градуировочному графику содержание меди в экстракте составило 1.6 мкг, что с учетом степени концентрирования в пересчете на концентрацию меди в водной фазе соответствует значению 0.011 мкг/мл Определение кадмия в деионизованной воде методом ААС ЭТА в сочетании с микрожидкостной экстракцией. Широкое распространение метода атомно абсорбционной спектрометрии (ААС) при определении тяжелых металлов обусловлено его простотой, экспрессностью и рекордными по сопоставлению со многими другими аналитическими методами метрологическими характеристиками. Для определения следовых содержаний, как правило, используют электротермическую атомизацию пробы. Однако при определении элементов на уровне фоновых содержаний часто возникает потребность в использовании стадии предварительного концентрирования. Учитывая тот факт, что объем вводимой пробы составляет 1–10 мкл, эффективность этой стадии во многом определяется конечным объемом получаемого экстракта. В этом случае применение микрожидкостной экстракции является наиболее предпочтительным вариантом для стадии предварительного концентрирования. Проверка возможностей такого сочетания была проведена на примере определения кадмия в образце деионизованной воды.

Построение градуировочного графика и оценку предела обнаружения проводили с использованием образцов сравнения, которые готовили из стандартного раствора Cd(II) путем последовательного разбавления в сочетании с экстракционным концентрированием.

Экстракцию кадмия проводили из насыщенного органической фазой раствора диэтилдитиокарбаматом натрия при рН = 5 и соотношении объемов водной и органической фаз Vводн/Vорг = 1:1. В качестве органической фазы использовали четыреххлористый углерод.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.