Оценка метрологических характеристик реагентных индикаторов бумаг РИБ-Co-тест

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка метрологических характеристик реагентных индикаторов бумаг РИБ-Co-тест

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.Литературный обзор

Общая характеристика тест-методов химического анализа

1.2 Метрологические характеристики визуальных тест-методов и приемы их оценки

1.2.1 Погрешность тест-определений

1.2.2 Нижняя граница диапазона определяемых содержаний (С_н)

1.2.3 Область ненадежной реакции

1.2.4 Предел обнаружения

1.3 Реагентные индикаторные бумаги

1.3.1 Физическая сорбция реагентов на бумаге

1.3.2 Химическая иммобилизация

1.4 Кобальт

1.4.1 Биологическое значение кобальта

1.4.2 Тестовые методики определения кобальта (II)

2. Экспериментальная часть

Реактивы и оборудование

Методики эксперимента

2.2.1 Методика стандартизации раствора кобальта

2.2.2 Методики приготовления исходных растворов реагентов

2.2.2.1 Приготовление 50 мл раствора кобальта с молярной концентрацией 0,01 моль/л

2.2.2.2 Методика приготовления ацетатного буферного раствора с рН~6

2.2.3 Методика определения содержания кобальта в растворах при помощи РИБ-Co-Тест

2.2.4 Методика выявления интервала ненадежности

2.2.5 Методика оценки предела обнаружения

2.3 Результаты и их обсуждение

2.3.1 Результаты стандартизации раствора кобальта

2.3.2 Результаты выявления интервала ненадежности

2.3.3 Результаты оценки предела обнаружения

2.4 Техника безопасности

Выводы

Список литературы

Введение

В настоящее время большое внимание уделяется тест-методам анализа как простым, дешевым и экспрессным методам оценки содержания компонентов. Анализ с помощью тест-систем позволяет резко сократить объем и время работы, привлечь неквалифицированный персонал, обходиться без дорогостоящего оборудования.

В основе большинства тестовых определений лежат химические реакции, протекающие в растворе или на сорбенте. При этом появляющуюся окраску сравнивают со стандартной шкалой. В качестве сорбентов используют бумагу, полимерные материалы, волокна, ксерогели, кремнеземы, пленки и др.

Основные направления развития тест-методов анализа заключаются в совершенствовании методологии определения, синтезе новых и модернизации уже зарекомендовавших себя реагентов, расширении круга носителей и их возможностей, варьирования природы и степени наполнения носителя.

Данная работа посвящена оценке метрологических характеристик методики визуального тестирования кобальта в растворах с использованием индикаторной бумаги: интервала ненадежности, предела определения, предела обнаружения, правильности, а также проверке точности визуального тестирования Со(II) в зависимости от способа построения цветовой шкалы.

1. Литературный обзор

1.1 Общая характеристика тестовых методов химического анализа

Одной из важных тенденций современной аналитической химии является перемещение химического анализа из лабораторий в места, где находится анализируемый объект. Анализ "на месте" имеет много достоинств, т.к. экономятся время и средства на доставку проб в лаборатории и на сам, более дорогой, лабораторный анализ [1, 2].

Тест-методы анализа - это экспрессные и дешевые приемы обнаружения и определения веществ, обычно не требующие существенной подготовки пробы, приготовления растворов, использования сложных приборов, сложного лабораторного оборудования (и вообще условий лаборатории), а главное - квалифицированного персонала. Тест-приспособления во многих случаях служат для предварительной оценки наличия и содержания компонента, однако, по мере их усовершенствования они все в большей мере будут служить единственным средством в анализе. [3]

Реакции, которые используются в тест-методах, должны удовлетворять следующим требованиям:

селективность по отношению к обнаруживаемому компоненту или их сумме;

достаточно низкий предел обнаружения. Например, при анализе объектов окружающей среды, предел обнаружения, обычно, должен быть ниже предельно допустимой концентрации нужного компонента или близок к ней;

при использовании цветных реакций - высокая контрастность и скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества;

возможность ввода реагента в форме, пригодной для использования в тест методах, например, привить с образованием ковалентных связей на поверхность силикагеля или целлюлозы;

устойчивость реагентов при хранении в именно той форме, в которой они используются в тест-методах;

достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т.д.) во времени [4].

Воспроизводимость визуального наблюдения при известных реакциях (а именно их чаще всего и используют) можно оценить в 10-30%, поэтому в ряде случаев соответствующие методы следует рассматривать как полуколичественные и использовать как предельную пробу, результатом которой является решение типа "есть - нет" определяемый компонент в пробе.

1.2 Метрологические характеристики визуальных тест-методов и приемы их оценки

1.2.1 Погрешность тест-определений с использованием цветовой шкалы

Погрешность при визуальных оценках, несмотря на субъективный фактор, не больше погрешности инструментального определения с помощью минифотометра. Разумеется, это не относится к явным дальтоникам [5].

Метод цветометрии дает возможность создать равноконтрастную колориметрическую шкалу, хорошо различаемую глазом человека. Глаз чувствует изменение окраски при цветовом различии в 1,6 %, поэтому ряд стандартов готовят в геометрической прогрессии.

Если неизвестная концентрация компонента в пробе c_х попадает между n и n+1 членами ряда стандартов, а в одном из случаев c_х = (c_n + c_n+1)/2, где n - номер образца в ряду стандартов, то в этом случае можно оценить максимальную относительную погрешность по формуле:

s_r=±100%(c_n+1-c_n)*(c_n+1+c_n) (1.1)

Если в ряду геометрической прогрессии c_n+1 = 2c_n, то максимальная относительная погрешность составит примерно ±33 %, если c_n+1 = 3 c_n - она составит ±50 % (без учета вклада в погрешность других факторов). Относительная погрешность достигнет значения ±100 % для c = c_н [5].

1.2.2 Предел определения (c_н)

Согласно [6], предел определения - наименьшее содержание аналита, которое может быть количественно определено с помощью данной методики анализа вещества или материала с установленными значениями характеристик погрешность или неопределенности.

Ранее такое же толкование имела метрологическая характеристика "нижняя граница определяемых содержаний". Ее обозначали с_н и относили, обычно, к результату определения с погрешностью 33%.

Подход к оценке с_н для методик тест-определений с использованием цветовой шкалы изложен в работе [7], он сводится к экспериментальной оценке стандартного отклонения визуального определения аналита (s_c) вблизи искомой концентрации. Утроенная величина s_c приравнивается значению с_н.

1.2.3 Интервал ненадежности

Интервал ненадежности -- это интервал концентраций аналита, в котором методика обнаружения для части идентичных проб приводит к положительному заключению о присутствии аналита, а для части -- к отрицательному [8].

Более 50-ти лет назад этот интервал концентраций аналита Н.П. Комарь называл "областью ненадежной реакции" [9].

При постепенном снижении концентрации аналита неизбежно достигается интервал ненадежности. Протяженность этой области характеризует метрологические возможности метода. Ниже интервала лежат концентрации, вероятность реакции для которых близка к 0, выше - открываемые почти наверняка с вероятностью, близкой к 1.

Для сопоставления разных тест-систем, авторы [10] предложили характеризовать протяженность интервала ненадежности не абсолютной, а относительной величиной. В качестве относительной ширины интервала ненадежности приняли отношение разности верхней и нижней границ к значению нижней границы концентраций интервала.

Чем уже интервал ненадежности и, соответственно меньше значение его относительной ширины, тем удобней тест-система для практического применения: она более устойчива ко всяким внешним воздействиям и тем самым лучше в аналитическом смысле [10].

1.2.4 Предел обнаружения (с_min)

Согласно [6], предел обнаружения - наименьшее содержание аналита, при котором он может быть обнаружен по данной методике анализа вещества или материала с заданной доверительной вероятностью.

Подход к экспериментальной оценке предела обнаружения для тест-методик с визуальной индикацией изложен в [8, 10]. Выявленный интервал ненадежности разбивают на k уровней концентраций аналита c шагом _с, величина которого должна превышать утроенное стандартное отклонение концентрации приготовленных растворов (3s_v). Для каждого значения концентрации получают 50 результатов трех серий наблюдений, при этом в каждой серии используют новые порции растворов и новые образцы тест-средств. Вычисляют частоты обнаружения аналита в каждой серии: Р(с_k) = n_k/N_k, где n_k - число положительных наблюдений, N_k - общее число испытаний для концентрации с_k в серии.

Значения частот усредняют по сериям, вычисляя и стандартные отклонения частот. Проверяют соответствие зависимости функциям известных распределений, используя cтатистические критерии (, критерий Колмогорова-Смирнова). Зная параметры выбранной математической функции и задавая значение доверительной вероятности Р(с) = 0,95, вычисляют предел обнаружения.

1.3 Реагентные индикаторные бумаги

Целлюлоза - дешевый природный источник для поглощающих бумажных носителей [11]. Наличие в целлюлозе активных глюкопиранозных колец в сочетании с пористостью структуры, обуславливает широкие возможности как сорбции на целлюлозу аналитического реагента, так и химической модификации целлюлозы с получением твердой матрицы на ее основе с различными функционально-аналитическими группами.

1.3.1 Физическая сорбция реагентов на сорбенте

Общий принцип большинства химических тест-методов - это использование известных аналитических реакций и реагентов в условиях и в форме, обеспечивающих визуальный и легко измеряемый эффект, чаще всего тон или интенсивность окрашивания носителя (бумаги, ксерогеля, силикагеля, волокна) или длины окрашенной зоны на бумаге или в трубке. В тест-методах используют реагенты различной природы (органические и неорганические) и разного механизма действия: кислотно-основные индикаторы, комплексообразующие агенты, органические соединения с функциональными группами различной природы. Реагенты закрепляют на твердых носителях или используют в виде заранее приготовленных растворов.

В случае твердых носителей реагенты иммобилизуют либо за счет адсорбции, упаривания и другими нехимическими методами, либо в результате ковалентного (химического) закрепления.

Физическая иммобилизация - относительно слабая фиксация адсорбционно закрепленных водорастворимых реагентов на поверхности носителя. Частичное смывание их при контакте с раствором является основным недостатком такого способа иммобилизации. Малорастворимые в воде реагенты в этом случае предпочтительнее, так как образуют более стабильные при хранении тест-формы; эти реагенты слабо вымываются из тест-матрицы при контакте с анализируемым раствором.

При физической иммобилизации твердый носитель замачивают в растворе реагента и затем высушивают [4]. Процесс может быть одностадийным или многостадийным. Многостадийность может быть связана с необходимостью создания защитного слоя, иммобилизации второго реагента и с целью синтеза на носителе аналитического хромогенного реагента.

1.3.2 Химическая иммобилизация реагентов на сорбенте

При иммобилизации за счет ковалентного связывания (химическая иммобилизация) в качестве носителей используют бумагу, органополимерные сорбенты, силикагели. Например, для определения малых количеств нитратов и нитритов (с_н=0,01 мг/л) предложена химическая иммобилизация 1-нафтиламина на диальдегидцеллюлозу [4]:

Ковалентное закрепление реагентов, в отличие от адсорбционного, приводит к тому, что такие бумаги можно использовать многократно после разрушения образующегося при определении комплекса, например, промывании водой или кислотой [11].

Основным преимуществом модифицированных сорбентов, созданных путем ковалентной иммобилизации реагентов, является их химическая и механическая устойчивость, а недостатком - трудоемкость процессов модификации и регенерации таких систем. Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества - восстановители и окислители, маскирующие агенты, буферирующие и смачивающие соединения, закрепители [11].

1.4 Кобальт

1.4.1 Биологическое значение кобальта

Кобальт - биологически важный элемент. В малых дозах он активизирует ряд ферментов, регулирующих тканевое дыхание, кроветворение, в больших - угнетает. Под влиянием кобальта изменяется строение и функция щитовидной железы вследствие общего нарушения окислительных процессов. Действует на углеводный обмен, повышает уровень сахара в крови, избирательно повреждает эндокринную систему. Влияет на сердечнососудистую систему: расширяет сосуды, снижает кровяное давление, поражает сердечную мышцу. При длительном вдыхании аэрозолей кобальта или его оксидов возникают воспалительные и склеротические изменения в легких. При вдыхании пыли соединений наблюдались случаи бронхиальной астмы, измельченные соединения кобальта вызывают острый дерматит.

ПДК для кобальта металлического в воздухе населенных мест составляет 0,001 мг/м³ - среднесуточная доза, класс опасности 1 (вещества высокоопасные). ПДК (CoSО₄) в воздухе = 0,0004 мг/м³ - среднесуточная доза; 0,001 мг/м³-максимальная разовая доза (умеренно опасные вещества). ПДК (Со²⁺) в питьевой, водопроводной воде и воде водоемов составляет 0,1 мг/л (умеренно опасное вещество).

1.4.2 Тестовые методы определения кобальта (II)

Разработано большое количество методик тестового определения кобальта. Перечислим некоторые из них:

1) Сорбционно-тестовое определение кобальта в виде тиоцианатов с использованием пенополиуретана [14].

Методика предназначена для качественной и полуколичественной оценки концентрации кобальта (П) в природных водах. Метод основан на сорбции голубых тиоцианатных комплексов кобальта таблеткой пенополиуретана. О наличии кобальта судят по изменению окраски таблеток ППУ из белой в голубую; содержание кобальта определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски таблетки с заранее приготовленной цветовой шкалой. Можно определить кобальт в диапазоне от 0,1 до 4 мг/л. Определению 2 мг/л металла не мешают в кратных количествах Сr (Ш) -- 3*10⁵, Mg, Са, Ва; Ni -- 1*10^-5; Сu (П), Cd (П), Hg (П), Рb (П), Fe (ІІІ), Мn (II) -- 10³; Zn (II) -- 50.

2)Определение кобальта в водопроводной воде методом спектроскопии диффузного отражения с сорбционным концентрированием на силикагеле [4]:

метод основан на сорбции кобальта (П) на силикагеле, модифицированном 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (СГ-ПАН). О наличии кобальта судят по изменению окраски носителя из оранжевой в зеленую; содержание кобальта определяют методом спектроскопии диффузного отражения. Методика применена для определения 2*10^-6 - 4*10^-6 % кобальта в водопроводной воде при объеме пробы 10 мл, коэффициент концентрирования 50. Селективность реакции высока: определению не мешают (в кратных количествах) Ni -- 2*10⁴; Сu -- 500; Cd, Zn -- 100; Fe(III) -- 10.

3)Тест-метод для полуколичественного определения тяжелых металлов с использованием тканевых дисков [4].

Метод основан на сорбции ионов кобальта из раствора с рН = 5 (ацетатный буферный раствор) на дисках из ткани с [-РО₃Н₂] - группами с иммобилизированным 1- (2-пиридилазо) - 2- нафтолом, последующим разрушением комплексов других металлов обработкой диска 0,5 моль/л хлороводородной кислотой и обнаружении кобальта по изменению оранжевой окраски диска на зеленую; содержание кобальта определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски с заранее подготовленной цветовой шкалой.

Можно определить кобальт в диапазоне 0,05-0,5 мг/л. Предел обнаружения 0,05 мг/л. Определению кобальта не мешают кратные массовые избытки Ni - 5; Cu, Zn - 10; Fe(III),Mn - 10.

4)Тест-реакция на кобальт с 4-(2-тиазолилазо)-резорцином. [11].

Метод основан на сорбции ионов кобальта из растворов на силохроме С-120, модифицированном методом физической адсорбции 4-(2-тиазолилазо)-резорцином. Реакция на кобальт в присутствии иодида калия в кислой среде сопровождается возникновением аномально зеленой окраски носителя. Кобальт можно определять в диапазоне от 0,005 мкг/мл до 0,03 мкг/мл. Реакция селективна, мешает только палладий (II), но его комплекс образуется очень медленно.

5)Сорбция кобальта (II) на гидрофобном силикагеле, модифицированном 1-нитрозо-2-нафтолом [4].

Метод основан на сорбции ионов кобальта из раствора на гидрофобизированном силикагеле диасорб-С₁₆, иммобилизированном 1-нитрозо-2-нафтолом. Сорбент использован в системе непрерывного проточного анализа, о наличии кобальта судят по появлению окрашенной в желто-красный цвет зоны носителя. Можно определить металл в диапазоне 0,06 - 0,6 мг/л. Определению не мешают 5*10³ - кратные избытки К⁺ и Na⁺; 1*10³ - кратные избытки Mg и Са; 100-кратные Ni и Cd; 10-кратные Сu.

6)Тест-определение ионов кобальта (II) по реакции окисления ализаринового красного S [4].

Метод основан на обесцвечивании окрашенной в интенсивно розовый цвет бумажной тест-полоски, импрегнированной ализариновым красным S. В качестве аналитического сигнала предложено использовать время обесцвечивания тест-бумаги, которое линейно зависит от рСо. Можно определить кобальт в диапазоне 10^-7 - 10^-3 моль/л. Определению кобальта не мешают ионы Zn (II), А1 (III); Ва (II), Сu (II), Ni (II) в 100-кратном избытке.

7)Экспресс-тест для определения кобальта (П) в воде с использованием РИБ [15].

Этот тест-метод предназначен для качественной и полуколичественной оценки содержания кобальта в природных и питьевых водах. В качестве носителя применяется индикаторная бумага, содержащая комплекс никеля с 2-нитрозо-1-нафтолом и дифенилгуанидином. О наличии кобальта судят по изменению окраски реактивной индикаторной бумаги в анализируемом растворе из оранжевой в фиолетовую. Содержание кобальта определяют, сравнивая визуально интенсивность окраски носителя с заранее приготовленной цветовой шкалой. Реакция основана на вытеснении никеля кобальтом из его комплекса с 2-нитрозо-1-нафтолом. Предел обнаружения ионов кобальта был оценен графическим методом и при доверительной вероятности 0,95 он составил 0,4 мг/л. Реакция довольно селективна.

В табл. 1.1 сведены перечисленные тест-методы определения кобальта(II), указаны условия определения (реакция, носитель) и метрологические характеристики. Из таблицы видно, что разные аналитические реакции дают различные значения нижней границы диапазона определяемого содержания и предела обнаружения. Очень важное влияние на значение этих величин оказывает природа носителя.

Таблица 1.1 Тест-методы определения кобальта

Реагент	Носитель	Диапазон определяемого содержания, мг/л	Способ регистрации сигнала
тиоцианаты	пенополиуретан	0,1-4	Оценка интенсивности окраски таблеток носителя
1-(2-пиридилазо)-2-нафтол	силикагель	2*10-6-4*10-6 % с	Спектроскопия диффузного отражения
1 -(2-пиридилазо) 2-нафтол	ткань с РО3Н2 группами	0,05-05 сmin =0,05	Оценка интенсивности окраски дисков после пропускания через них раствора
1 -(2-пиридилазо) 2-нафтол	реактивная индикаторная бумага	1*10-7 -2*10-6 моль/л	Оценка интенсивности окраски носителя
ализариновый красный S	бумажная тест-полоска	10-7 -10-3 моль/л	Измерение времени обесцвечивания тест-бумаги
1-нитрозо-2-нафтол	силикагель	0,06-0,6	Определение длины окрашенной зоны на индикаторном порошке в тест-трубке
комплекс никеля с 2-нитрозо-1-нафтолом, дифенилгуанидин	реактивная индикаторная бумага	0,3-5 сmin=0,4	Оценка интенсивности окраски носителя после пропускания через него раствора
4-(2-тиазолилазо) резорцин	силохром С-120	0,5-3	Оценка интенсивности окраски носителя
дитизон	бумажная тест-полоса	5*10-6 -1-10-5 моль/л	Оценка интенсивности окраски носителя

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Реактивы и оборудование

В данной работе были использованы следующие реактивы и оборудование:

- раствор Co(NO₃)₂ с молярной концентрацией 0,38 моль/л;

- раствор NaOH с молярной концентрацией 1,125 моль/л;

- раствор CH₃COOH с молярной концентрацией 1,018 моль/л;

- реагентная индикаторная бумага "РИБ-Co-Тест";

- стандартные буферные растворы с рН 1,68, 4,01, 6,63, 9,18;

- рН-метр-милливольтметр рН-121;

- полуэлемент сравнения ЭВЛ - 1М3;

- стеклянный электрод ЭСЛ - 63 - 07;

- спектрофотометр СФ-2000 с приставкой для измерения диффузного отражения.

Все растворы готовили на дистиллированной воде. Для мерной посуды были определены поправки, что позволило измерять объемы растворов с погрешностью не более 0,2 %.

2.2 Методики эксперимента

2.2.1 Методика приготовления раствора нитрата кобальта с молярной концентрацией 0,01 моль/л

В мерную колбу вместимостью 50,0 мл вносят 1,3 мл 0,38 моль/л раствора Co(NO₃)₂, доводят водой до метки и тщательно перемешивают.

2.2.2 Методика приготовления ацетатного буферного раствора с рН~6

В колбу вместимостью 1 л вносят указанные в табл. 2.1 объемы щелочи и уксусной кислоты, доводят водой до метки и тщательно перемешивают. Значение рН в полученном растворе устанавливают ионометрически со стеклянным электродом и добиваются нужного значения рН, прибавляя по каплям раствор концентрированной щелочи или соляной кислоты.

Таблица 2.1. Схема приготовления 1 л ацетатного буферного раствора с рН ~ 6

№ п/п	с0(NaOH), моль/л	V0(NaOH), мл	с0(CH3COOH), моль/л	V0(CH3COOH), мл
1	1,125	175	1,018	200
2	1,125	175	17,58	11,6

2.2.3 Методика потенциометрического определения рН в приготовленных буферных растворах

По двум стандартным буферным растворам с рН₁=6,86 и рН₂=4,01 проводят градировку потенциометрической ячейки:

Ag, AgCl ¦¦ исследуемый раствор | ЭСЛ-63-07.

Исходя из уравнения Нернста, вычисляют градуировочные параметры по формулам:

И = ( Е₁ - Е₂ ) / ( рН₂ - рН₁),(2.1)

Е^o = Е₁ + И ·рН₁.(2.2)

Измеряют ЭДС в исследуемом растворе и вычисляют рН по формуле:

рН_х = (Е^o - Е_х) / И(2.3)

2.2.4 Методика тестирования кобальта в растворах с помощью индикаторной бумаги РИБ-Co-Тест

Полосы реагентной бумаги РИБ-Кобальт-Тест разрезают на четыре части, получая образцы размером 10 мм 10 мм.

Образец РИБ с помощью пластмассового пинцета погружают в исследуемый раствор с рН 6,6 на 5 с. Реагентная бумага меняет окраску из желтой в красную. Бумагу вынимают из раствора и подсушивают на воздухе в чашке Петри, расположив квадратики мокрой бумаги наклонно (на ребро) на фильтровальной бумаге. Сопоставление интенсивности красной окраски РИБ с цветовой шкалой проводят, когда бумага подсохнет. Для этого шкалу и исследуемый образец размещают на листе белой бумаги, здесь же помещают квадратик РИБ из "холостого" раствора, не содержащего Со²⁺.

2.2.5 Методика приготовления цветовой шкалы

В мерные колбы вместимостью 25 мл последовательно вносят: аликвоту раствора Co(NO₃)₂, 5 мл ацетатного буферного раствора с рН 6,6 доводят дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают (пример схемы приготовления растворов приведен в табл. 2.2.). Растворы переносят в стаканы вместимостью 50 мл, в них погружают полоски индикаторной бумаги на 5 с., затем РИБ извлекают из растворов и подсушивают, как указано в п. 2.2.2.

Таблица 2.2. Схема приготовления градуировочных растворов Co(NO₃)₂ (V_р. = 25,0 мл; V(буф.) = 5 мл, рН 6,6 )

№ р-ра	с(Co2+), 10-5 моль/л	с(Co2+), мг/л	с(Co2+)о, 10-4 моль/л	V(Со2+)о, мл
1	2,88	1,70	1,0	7,2
2	2,97	1,75	1,0	7,4
3	3,05	1,80	1,0	7,6
4	3,14	1,85	1,0	7,9
5	3,22	1,90	1,0	8,1
6	3,31	1,95	1,0	8,3
7	3,39	2,00	1,0	8,5
8	3,47	2,05	1,0	8,7

2.2.6 Методика выявления интервала ненадежности

Для выявления интервала ненадежности готовят серию растворов нитрата кобальта, снижая концентрацию Co²⁺ до тех пор, пока индикаторная бумага после погружения в раствор перестанет изменять желтую окраску на красную, т.е. до исчезновения сигнала.

Полученные образцы бумаги располагают на фоне белого листа. Контрольной группе наблюдателей (10 - 15 человек) предлагают ответить на вопрос: "Появилась ли красная окраска на желтом фоне РИБ?" В специальной таблице для записи наблюдений ответ "да" записывают в виде "+", а ответ "нет" - в виде "-".

Область концентраций Co²⁺, в которой часть наблюдателей дадут положительные ответы, а часть - отрицательные, принимают за интервал ненадежности.

2.2.7 Методика оценки предела определения кобальта с использованием цветовой шкалы (с_н)

В качестве ориентировочного значения с_н принимают концентрацию Со²⁺, которая "сверху" ограничивает интервал ненадежности, т.е. концентрацию, которую обнаружили все наблюдатели.

Вблизи этой концентрации готовят цветовую шкалу из 3-4 растворов, учитывая "холостой". При этом последующая концентрация кобальта должна отличаться от предыдущей вдвое.

Готовят два стандартных раствора с такими концентрациями Со²⁺, чтобы они не совпадали с реперными точками шкалы. Используя цветовую шкалу, предлагают наблюдателям (15-17 человек) определить концентрацию кобальта в приготовленных растворах. Наблюдатели выбирают один из трех вариантов ответов: "окраска индикаторной бумаги соответствует или верхнему, или нижнему, или среднему значению выбранного диапазона шкалы". Операцию приготовления шкалы и стандартных растворов повторяют три раза, чтобы получить не менее 50 результатов наблюдений.

Рассчитывают дисперсию и стандартное отклонение определения концентрации Со²⁺ по формуле:

химический реакция кобальт раствор

где с_зад - концентрация кобальта в модельном растворе, N - общее число определений.

За окончательную оценку с_н принимают утроенное значение полученного стандартного отклонения: с_н = 3s_c (2.2)

2.2.8 Методика оценки предела обнаружения кобальта(II) с использованием индикаторных бумаг (с_min)

Интервал ненадежности, выявленный по методике, разбивают на k уровней концентраций (с_к), при этом минимальная разница между уровнями (Дс) должна быть не менее утроенного стандартного отклонения приготовления растворов (3s_v). Трижды готовят цветовую шкалу за методикою. Для каждой концентрации с_к получают 50 результатов наблюдений (три раза по 15-20) и вычисляют частоты обнаружения P(с_к), где n_k - количество положительных ответов наблюдателей об изменении окраски бумаги, N_k - общее количество наблюдений для концентрации с_к. Вычисляют средние значения частот обнаружения , дисперсии s_k² и стандартные отклонения частот по формулам:

Численным методом проверяют соответствие эмпирической зависимости в интервале ненадежности функциям известных теоретических распределений, используя статистические критерии.

Выбрав функцию, лучше всего описавшую зависимость , при Р(с) = 0,95 вычисляют искомое значение с_min,

2.2.9 Методика измерения диффузного отражения реагентной бумаги

Измерения проводят на спектрофотометре СФ-2000 с приставкой для измерения диффузного отражения. Полоску бумаги с иммобилизованным комплексом кобальта с реагентом закрепляют на приставке. Отражение бумаги с комплексом измеряют относительно белой бумаги в интервале длин волн от 400 до 700 нм. Аналогично проводят измерение отражения индикаторной бумаги, не содержащей кобальт.

При необходимости вычисляют значение функции Гуревича-Кубелки-Мунка по формуле:

F = (1-R)² / 2R,(2.1)

где R - коэффициент диффузного отражения.

2.3 Результаты и их обсуждение

2.3.1 Результаты выявления интервала ненадежности

Используя методику 2.2.4, выявили интервалы концентраций, в которых часть наблюдателей видела появление красной окраски продукта тест-реакции, а другая - не видела. По результатам наблюдений в качестве ориентировочной области ненадежной реакции выбрали интервал концентраций кобальта (1,7 - 2,3) мг/л. Результаты наблюдений представлены в табл. 2.3.

Полученные результаты наблюдений позволили сузить интервал концентраций кобальта. Выявленную область разбили на 10 концентраций с шагом ?_с = 0,05 мг/л. Приготовили серию растворов, соответствующую им серию тест-образцов и получили 15 результатов наблюдений, которые занесли в табл. 2.4.

Так как все наблюдатели не увидели отличий окраски реагентной индикаторной бумаги для первых трех концентраций ионов кобальта, то в качестве окончательного интервала ненадежности выбрали интервал концентраций кобальта (1,90 - 2,10) мг/л.

Таблица 2.3. Результаты наблюдений для выявления интервала ненадежности обнаружения кобальта ("+" - есть отличие окраски от "холостой" РИБ, "-" - отличия нет).

№п/п (наблюдатели)	с(Со2+), мг/л
	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1	2,2	2,3
1	-	+	+	+	+	+	+
2	-	-	-	+	+	+	+
3	-	-	-	+	+	+	+
4	-	-	-	-	+	+	+
5	-	+	+	+	+	+	+
6	-	-	-	+	+	+	+
7	-	-	-	+	+	+	+
8	-	-	-	-	+	+	+
9	-	-	-	-	+	+	+
10	-	-	-	+	+	+	+
11	-	+	+	+	+	+	+
12	-	-	+	+	+	+	+
13	-	-	-	+	+	+	+
14	-	-	-	-	+	+	+
15	-	-	-	+	+	+	+

Таблица 2.4. Результаты наблюдений для выявления интервала ненадежности обнаружения кобальта ("+" - есть отличие окраски от "холостой" РИБ, "-" - отличия нет).

№п/п	1,70	1,75	1,80	1,85	1,90	1,95	2,00	2,05	2,10	2,15
1	-	-	-	-	-	-	-	+	+	+
2	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+
3	-	-	-	-	-	-	-	-	+	+
4	-	-	-	-	-	-	-	+	+	+
5	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+
6	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+
7	-	-	+	-	-	+	+	+	+	+
8	-	-	-	-	-	-	-	-	+	+
9	-	-	+	+	-	+	-	-	-	+
10	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+
11	-	-	-	-	-	-	-	+	+	+
12	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+
13	-	-	-	-	-	-	-	+	+	+
14	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+
15	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+

2.3.3 Результаты оценки предела обнаружения кобальта

Выявленный интервал ненадежности оказался очень узким - (1,90 - 2,10) мг/л. Его относительная ширина равна 0,11. Для оценки предела обнаружения интервал удалось разбить только на 5 концентраций с шагом 0,05 мг/л. При этом выполнялось условие - минимальная разница между уровнями (Дс) была больше утроенного стандартного отклонения приготовления растворов (3s_v)". При использовали мерной посуды и трехкратном разбавлении исходного раствора Со(NO₃)₂ для указанного интервала концентраций значение 3s_v ? 0,035 мг/л, т.е. требование методики 2.2.6 выполнялось.

Трижды приготовили цветовую шкалу, для каждой из пяти концентраций получили 50 результатов наблюдений и вычислили значения частот обнаружения Р(с) (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Значения экспериментальных частот обнаружения кобальта в интервале ненадежности.

№ п/п	с, мг/л	Серия наблюдений	Р(с)
		1	2	3	?
		N	n	N	n	N	n	N	n
1	1,90	15	0	15	0	15	4	45	4	0,089
2	1,95	-	-	15	4	15	0	30	4	0,133
3	2,00	15	11	15	8	15	11	45	30	0,667
4	2,05	-	-	15	13	15	15	30	28	0,933
5	2,10	15	15	15	14	15	15	45	44	0,978

Так как относительная ширина интервала ненадежности оказалась меньше единицы, эксперимент можно было не пополнять.

Мы установили, что экспериментальную зависимость частот обнаружения кобальта в интервале ненадежности одинаково хорошо описали функции нормального, логнормального распределений и функция распределения Вейбулла (табл. 2.6). Это характерно для тест-систем с узким интервалом ненадежности. При Р(с) = 0,95 во всех случаях были получены близкие значения с_min. Окончательную оценку предела обнаружения кобальта приняли равной 3,10 мг/л.

Таблица 2.6 Результаты выбора вида функциональной зависимости частот обнаружения Со(ІІ) в водных средах с использованием РИБ-Со-Тест (ч² (б=5%) = 18.3; л(б=5%) = 0,409)

Вид теоретического распределения	Статистические критерии	сmin, мг/л
	ч2	л
нормальное	16,1	0,473	2,10
Вейбулла	16,6	0,519	2,10
экспоненциальное	24,7	0,547	2,14
логистическое	17,3	0,502	2,10

2.3.4 Результаты оценки предела определения

За приблизительное значение предела определения Со²⁺ приняли концентрацию 5 мг/л.

Приготовили цветовую шкалу (0, 7 , 14 мг/л) и стандартный раствор с массовой концентрацией Со²⁺ 8,5 мг/л (рН 6,6). По методике 2.2.7 получили 40 результатов определений, которые распределились следующим образом:

Цветовая шкала, мг/л: 0; 7; 14

Варианты определений, мг/л:,5; 7; 10,5; 14

Число определений: ; 9; 23; 5.

Рассчитали стандартное отклонение s_c = 2,84 мг/л и значение предела определения с_н = 3s_c = 8,52 ? 8,5 мг/л.

2.3.4 Результаты исследование влияния на точность визуального тестирования Со(II) способа построения цветовой шкалы

Обычно концентрация аналита на цветовой шкале увеличивается не в арифметической, а в геометрической прогрессии. Это связано с восприятием цвета человеческим глазом и экспоненциальной зависимостью характеристик цвета от концентрации аналита [16]. Коэффициент геометрической прогрессии, равный , чаще всего выбирается равным двум, реже - трем. Недавно появилась работа, в которой предложено строить шкалу в соответствии с рядом Фибоначчи [17]. В этом случае каждая последующая концентрация на шкале равна сумме двух предыдущих концентраций (с₃ = с₁ + с₂). Прогрессия асимптотически приближается к геометрической с коэффициентом q=1,618. Авторы изучали сорбцию на пенополиуретане ассоциата перхлората с тионином и пришли к выводу, что шкала Фибоначчи зрительно воспринимается лучше, чем шкалы с коэффициентом 2 и 1,5.

Мы решили проверить, какая из четырех шкал с q = 1,5; 2; 3 и 1,618 будет более работоспособной, т.е. в каком случае будет лучше наблюдаться различие интенсивности цвета между соседними точками шкалы и какая из шкал будет равноконтрастной. Для решения поставленной задачи применили метод цветометрии [16].

Для создания цветовых шкал приготовили образцы РИБ, соответствующие массовым концентрациям кобальта в растворе (мг/л):

q = 2 0 10 20 40 80

q = 3 0 15 45 135

q = 1,5 0 7,5 11,3 16,9 25,3 38 57

Ряд Фибоначчи, q ? 1,618

8 13 21 34 55 89

Для всех образцов РИБ измерили спектры диффузного отражения на спектрофотометре СФ-2000 в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, вычисляли координаты цвета L, А, В и цветометрические характеристики -- светлоту (L) и общее цветовое различие (ДЕ) для реагента и комплекса, иммобилизованных на бумаге, по формулам:

L = 116(Y/Y₀)^1/3-16,

A = 500[(X/X₀)^1/3-(Y/Y₀)^1/3],

B = 200[(Y/Y₀)^1/3-(Z/Z₀)^1/3] ,

,

где X₀, Y₀, Z₀-- координаты белого цвета в системе XYZ; ДL = L-L₀, ДB = B-B₀, ДA = A-A₀, L, A, B, L₀, B₀, A₀ - координаты цвета определяемого образца и образца сравнения соответственно [16].

Пример расчета параметров цвета для образцов индикаторной бумаги, являющихся реперными точками шкалы с коэффициентом 2, приведен.

Таблица 2.7 Пример расчета параметров цвета для комплекса кобальта с 1-нитрозо-2-нафтолом, иммобилизованным на бумаге

c(Cо2+),10-4 мг/л	X	Y	Z	A	B	L	ДЕ
10	75	61	9	15	46	83	7
20	63	50	6	19	50	76	15
40	61	47	5	23	50	74	19
80	55	41	4	26	53	70	24
РИБ без кобальта	73	61	10	12	40	83	Ї

Эксперимент повторили дважды, значения общего цветового различия для каждой концентрации усреднили, а затем вычислили разности общего цветового различия соседних точек на каждой шкале. Результаты вычислений приведены в табл. 2.8.

Согласно положениям равноконтрастной колориметрической системы CIELAB (1976 г.), одной единице ДЕ соответствует один порог цветоразличия. Поэтому значения концентраций на шкале, наиболее точно фиксируемые глазом человека, нужно выбирать с определенным шагом ДЕ. В работах Иванова В.М., посвященных изучению построения цветовых шкал на основе оксида кремния, шаг выбран, равным 10 [18]. Для шкалы Фибоначчи при тестировании перхлоратов значение ДЕ оказалось равным 5 [17].

Таблица 2.8 Значения разностей общего цветового различия соседних точек на цветовых шкалах

Интервал с(Со2+ ), мг/л	¦¤Ei+1-- ¦¤Ei	Интервал с(Со2+ ), мг/л	¦¤Ei+1-- ¦¤Ei
Шкала q=2	Шкала q=3
0-10	9,8	0-15	7,7
10-20	4,8	15-45	7,3
20-40	4,0	45-135	6,1
40-80	5,3
Шкала Фибоначчи	Шкала q=1,5
0-8	6,8	0-7,5	6,6
8-13	2,7	7,5-11,3	1,9
13-21	2,2	11,3-16,9	2,5
21-34	4,3	16,9-25,3	2,3
34-55	2,8	25,3-38,0	3,8
55-89	3,5	38-57	2,5

В нашем случае для шкалы с коэффициентом 2 значения разностей ДЕ между реперными точками оказались равными, в среднем, пяти; для шкалы с коэффициентом 3 -- семи; для шкалы с коэффициентом 1,5 -- 2,5, для шкалы Фибоначчи -- около 3.

В табл. 2.9 приведены значения частот зрительного обнаружения различий в интенсивности окраски соседних точек шкалы, полученные из 50 наблюдений.

Из данных таблицы видно, что более различимыми в окраске оказались образцы индикаторных бумаг на шкалах с коэффициентом 2 и 3. Шкала Фибоначчи оказалась менее работоспособной, значения частоты обнаружения различий окраски колеблется около 80%, а шкала с коэффициентом 1,5 оказалась менее воспроизводимой по восприятию окраски.

Следует отметить, что более 90% наблюдателей лучше различали по цвету соседние точки шкалы при разности (¦¤E_i+1 -- ¦¤E_i) > 4. Это значение можно признать минимальным для визуального цветоразличия оттенков красного цвета на желтом фоне бумаги.

Таблица 2.9 Значения частоты обнаружения различий в интенсивности окраски соседних точек на цветовых шкалах (P(c)=n/N-частота обнаружения различий, N-общее число наблюдений; n-число положительных ответов наблюдателей)

Интервал с(Со2+ ), мг/л	N	n	P(c),%	Интервал с(Со2+ ), мг/л	N	n	P(c),%
Шкала q=2	Шкала q=3
0-10	50	46	92	0-15	50	49	98
10-20	50	45	90	15-45	50	50	100
20-40	50	47	94	45-135	50	44	88
40-80	50	46	92
Шкала Фибоначчи	Шкала q=1,5
0-8	50	40	80	0-7,5	50	39	78
8-13	50	41	82	7,5-11,3	50	36	72
13-21	50	38	76	11,3-16,9	50	29	58
21-34	50	49	98	16,9-25,3	50	39	78
34-55	50	41	82	25,3-38,0	50	42	84
55-89	50	40	80	38,0-57,0	50	32	64

2.3.5 Результаты тест-определение кобальта в модельных растворах

Мы провели тест-определение кобальта в модельных растворах, приготовленных на водопроводной воде, методом "введено-найдено". Фторид натрия вводили для устранения мешающего влияния железа. Цветовую шкалу строили в соответствии с геометрической прогрессией с коэффициентом 2. Результаты, приведенные в табл. 2.10, хорошо согласуются между собой, следовательно, тест-методика не содержит систематической погрешности.

Таблица 2.10 Результаты тест-определений кобальта(II) в модельных растворах, приготовленных на водопроводной воде, методом "введено-найдено". Цветовая шкала: 0, 8, 16 и 32 мг/л; с(NaF) = 0,1 моль/л; рН 6,6; n = 6, P = 0,95

Раствор	с(Со2+ ),мг/л	sr,%
	Ведено	Найдено
1	10	11 ЎА 3	8
2	14	13 ЎА 2	7
3	20	23 ЎА 5	8

2.4 Техника безопасности

В работе в химической лаборатории сотрудники должны соблюдать правила техники безопасности, чтобы не допускать несчастных случаев вследствие тепловых и химических ожогов, отравлений ядовитыми веществами, поражения электрическим током, механических ранений, порезов. При попадании кислоты на кожу или в глаза необходимо смыть ее большим количеством воды. При работе с вредными веществами эксперимент проводят под тягой с опущенными стеклами. Используемые в работе приборы должны быть заземлены. Все операции по проведению анализа выполняют в соответствии с основными правилами безопасности в химической лаборатории.

ВЫВОДЫ

1. численным методом получены оценки предела определения и предела обнаружения Со(II) с индикаторной бумагой РИБ-Со-Тест;

2. на основе метода цветометрии и визуального восприятия окраски тест-образцов из четырех цветовых шкал выбрана шкала с коэффициентом геометрической прогрессии q = 2;

3. установлено, что минимальное значение шага ¦¤E на шкале для 90%-го цветоразличия оттенков красного цвета продукта тест-реакции на желтом фоне бумаги должно быть больше 4;

4. показано, то методика тестового определения кобальта(II) в водах не содержит систематической погрешности.

Список литературы

Золотов Ю.А. Вестник российской академии наук.-1997. т.67. №6. с.508-523.

Саввин СБ., В.П. Дедкова, О.П. Швоева. // Успехи химии.-2000. т.69. №3. с.203-217.

Золотов Ю.А. Простейшие средства контроля. // Хим. промышленность.-1997. т.52(436). №6. с. 48-56.

Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г.. Химические тест-методы анализа. М.: Изд. "Эдиториал УРСС", 2002. -- 302 с.

Островская В.М. О максимальной погрешности визуального тестирования. // Журн. аналит. химии. - 1999. т.54. №11. с. 1126 - 1133.

Национальный стандарт РФ. ГОСТ Р 52361-2005 "Контроль объекта аналитический. Термины и определения". М.: ИПК "Издательство стандартов", 2005.

Островская В.М., Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Пантелеймонов А.В., Холин Ю.В. Тест-метод определения металлов индикаторной бумагой и его метрологические характеристики // Журн. аналит. химии. - 2004. - 59, № 10. - С. 1101-1108.

Холин Ю.В., Никитина Н.А., Пантелеймонов А.В., Решетняк Е.А., Бугаевский А.А., Логинова Л.П. Метрологические характеристики методик обнаружения с бинарным откликом. Х.: Тимченко, 2008. - 128 с.

Комарь Н.П. Основы качественного химического анализа. - Харьков: ХГУ, 1955. - 447 с.

Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Л.П., Островская В.М. Предел обнаружения в тестовом анализе. Влияющие факторы // Журн. аналит. химии. - 2005. - 60, № 10. - С. 1102-1109.

Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К., Чернавская Н.М. Вода. Индикаторные системы. - М.:2002.-226с.

Вредные вещества в промышленности. / Под ред. Н.В. Лазарева. Л.: Химия, 1977, т.З. - 608 с.

Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. / Под ред. Л.К. Исаева. Санкт-Петербург, 1998, -- 896 с.

Дмитриенко С.Г., Пяткова Л.Н., Свиридова О.А. // Партнеры и конкуренты.-2002. №1. с. 19.

Панталер Р.П., Тимченко А.К., Авраменко Л.И., Бланк А.Б. // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 5. С. 529.

Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. -М.: Мир., 1978 .- 529 с.

Экспериандова Л.П., Химченко С.В. Ряд Фибоначчи в тест-анализе и граница зрительного восприятия // МОХА. - 2008. - Т. 3, № 1. - С. 113-116.

Иванов В.М., Кузнецова О.В. Химическая цветометрия: возможности метода, области применения и перспективы // Успехи химии. - 2001. - Т. 70, № 5. - С. 411-428.

Размещено на Allbest.ru