Точность визуального тестового анализа в зависимости от способа построения цветовой шкалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Точность визуального тестового анализа в зависимости от способа построения цветовой шкалы

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
• 1.1 Тестовый метод анализа
• 1.1.1 Общая характеристика
• 1.1.2 Области применения тест методов
• 1.1.3 Реагенты, носители и условия выполнения тест-реакций
• 1.1.4 Метрологические характеристики визуальных тест-методов и приемы их оценки
• 1.2 Методы исследования процессов в прозрачных и непрозрачных середах
• 1.2.1 Спектрофотометрия
• 1.2.2 Спектроскопия диффузного отражения
• 1.2.3 Твердофазная спектрофотометрия (ТСФ)
• 1.2.4 Цветометрия
• 1.2.5 Использование компьютерных программ и сканер-технологий
• 1.3 Способы построения цветовых шкал
• 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 Реактивы и оборудование
• 2.2 Методики эксперимента
• 2.2.1 Методики приготовления и стандартизации растворов
• 2.2.2 Методика подготовки пенополиуретана для определения Fe³⁺, Co²⁺
• 2.2.3 Методика подготовки пенополиуретана для определения NO^2-
• 2.2.4 Методика модифицирования желатиновых пленок
• 2.2.5 Методика очистки растворов, используемых в тест - определении железа на ППУ, от примесей железа (III)
• 2.2.6 Методика выявления интервала ненадежности
• 2.2.7 Методика оценки предела определения
• 2.2.8 Методика тест-определения Fe³⁺ в виде тиоцианатных комплексов, сорбированных на ППУ
• 2.2.9 Методика тест-определения Co²⁺ на ППУ
• 2.2.10 Методика тест - определения нитрит - ионов на ППУ
• 2.2.11 Методика тест - определения кобальта (II) в желатиновой пленке
• 2.2.12 Методика измерения диффузного отражения ППУ
• 2.2.13 Методика оценки точности визуального тест - определения для разных шкал
• 2.2.14 Методика фотометрирования желатиновых пленок
• 2.2.15 Методика расчета координат цвета
• 2.3 Результаты и их обсуждения
• 2.3.1 Результаты стандартизации растворов
• 2.3.2 Результаты выявления интервалов ненадежности (ИН)
• 2.3.3 Результаты оценки пределов определения аналитов с использованием цветовой шкалы
• 2.3.4 Результаты исследования влияния на точность визуального тестирования аналитов способа построения цветовой шкалы
• 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 визуального тестового анализа в зависимости от способа построения цветовой шкалы для определения разных ионов.
• 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
• 1.1 Тестовый метод анализа

1.1.1Общая характеристика

• Одной из важнейших тенденций современной аналитической химии является перемещения химического анализа из лаборатории к месту, где находится объект анализа [1,2]. Тест-системы являются массовыми и относительно дешевыми средствами для анализа "на месте" [3].

Тест-системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, легкие и дешевые аналитические средства и соответствующие экспрессные методики для обнаружения и определение веществ без существенной подготовки пробы, без использования сложного лабораторного оборудования, без сложной обработки результатов и подготовленного персонала [3].

• Основная цель использования тест-методов - быстрая оценка наличия и полуколичественное определение содержания компонентов, которые контролируются, проведение предварительного скрининга проб при массовом анализе. Общий принцип большинства химических тест-методов - это использование известных аналитических реакций и реагентов в условиях и форме, которые обеспечивают визуальный эффект, который легко измерить. Чаще всего это - интенсивность окраски носителя (бумаги, ксерогеля, силикагеля), длина окрашенного участка на бумаге или в трубке.

Реакции, которые используются в тест-методах, должны удовлетворять следующим требованиям [3]:

• Ш селективность по отношению к компоненту, который определяют;
• Ш высокая чувствительность;
• Ш при использовании цветных реакций - высокая контрастность и скорость окрашивания в присутствии компонент, который обнаруживают или определяют;
• Ш возможность перевести реагенты в формы, которые можно использовать в тест-методах;
• Ш устойчивость реагентов при хранении именно в той форме, в которой они используются в анализе;
• Ш достаточная устойчивость аналитического эффекта втечение времени.
• В тест-методах используются химические и биохимические реакции. В экологическом мониторинге окружающей среды большое значение приобретают методы биологического тестирования. В основу применения тест-методов положена методология скрининга (просеивания), используемая для анализа большого числа образцов с помощью тщательно отработанных методов качественного и полуколичественного анализа. Эта методология допускает неправильные положительные результаты на присутствие анализируемого компонента. В то же время она полностью исключает неправильные отрицательные результаты. По этой причине все пробы, давшие положительную реакцию (например, на присутствие пестицида в овощах), далее изучают с помощью более информативного метода (хроматография). В свою очередь, все отрицательные результаты скрининга обычно принимают как окончательные без какой либо дополнительной проверки. Таким образом удается значительно сократить как объем, так и стоимость анализа. В то же время к тест-методам в соответствии с этой методологией предъявляются высокие требования по специфичности наблюдаемого при его применении отклика на присутствие определенных компонентов в анализируемых образцах [4].
• 1.1.2 Области применения тест методов
• На протяжении столетии химический анализ осуществляется лабораториях. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, а затем и измерительные приборы. Это было связано с применением не всегда безвредных химических веществ, что требовало как минимум хорошей вентиляции. Это определялось длительностью, сложностью и трудоемкостью операций разделения сложных смесей веществ. В значительной мере эти факторы действуют и в настоящее время, поэтому сотни тысяч, миллионы химических анализов проводяться в условиях лабораторий. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов [3].
• В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находится анализируемый объект. Это одна из важнейших тенденций аналитической химии.
• Дело в том, что существуют огромные, острые потребности во внелабораторном анализе. В некоторых областях такой анализ уже широко применяется, для некоторых совершенно необходим, а в других только начинается в той или иной мере [3] :
• Ш экспресс-контроль технологических процессов
• Ш обнаружение метана в угольных шахтах
• Ш обнаружение утечек природного газа из газопроводов
• Ш определение монооксида углерода и углеводородов в автомобильных выхлопах
• Ш экспресс-анализ в поле для геологов-поисковиков
• Ш быстрый анализ почв (рН, азот, фосфор, калий)
• Ш контроль пищевых продуктов на рынках
• Ш обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей
• Ш домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие быстрые анализы клинического назначения
• Ш оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем
• Ш анализ воздуха в рабочей зоне и на улицах
• Ш контроль содержания озона в стратосфере
• Ш космические исследования (Луна, планеты)
• Ш обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках
• Ш обнаружение боевых отравляющих веществ
• Ш обнаружение жидких ракетных топлив в почве в местах падения первых ступеней ракет и местах аварий
• Ш обнаружение взрывчатых веществ
• Анализ "на месте" имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам лабораторный анализ [3].
• 1.1.3 Реагенты, носители и условия выполнения тест-реакций
• Общий принцип большинства химических тест-реакций - это использование известных аналитических реакций и реагентов в условиях и в форме, которые обеспечивают визуальный и легко измеряемый эффект, чаще всего тон или интенсивность окраски носителя (бумаги, ксерогеля, силикагеля, волокна) или длины окрашенной зоны на бумаге или в трубке. В тест-методах используют реагенты разной природы (органические и неорганические) и разного механизма действия: кислотно-основные индикаторы, комплексообразующие агенты, органические соединения с функциональными группами разной природы. Реагенты закрепляют на твёрдых носителях или используют в виде заранее приготовленных растворов. Водные или органические растворы реагентов используют довольно редко, так как работать с ними в полевых условиях сложно; чаще реагенты используют в сухом состоянии в виде порошков, смесей, таблеток, горошин, гранул с инертным наполнителем (сахароза, крахмал) и наполнителями, создающими определённую среду после растворения (фосфаты, карбонаты, цитраты) [3].
• Синтезируют и новые, более чувствительные и селективные реагенты, а также модифицируют уже известные. В качестве модификаторов известных органических реагентов в тест-методах используют поверхностно-активные вещества (ПАВ), чаще всего катионного типа. Образующиеся при этом ионные ассоциаты являются более чувствительными и в некоторых случаях более селективными реагентами [5].
• В случае твёрдых носителей реагенты иммобилизируют или за счёт адсорбции, испарения и других нехимических методов, или в результате ковалентного (химического) закрепления.
• 1) Физическая иммобилизация - относительно слабая фиксация адсорбционно закреплённых водорастворимых реагентов на поверхности носителя и, как следствие этого, частичное вымывание их при контакте с раствором. Это является основным недостатком такого способа иммобилизации. Малорастворимые в воде реагенты в этом случае более выгодны, так как образуют более стабильные при хранении тест-формы; эти реагенты мало вымываются из тест-матрицы при контакте с исследуемым раствором [6].
• При физической иммобилизации твёрдый носитель замачивают в растворе реагента и затем высушивают. Процесс может бать одностадийным или многостадийным. Многостадийность может быть связана с необходимостью создания защитного слоя, иммобилизации другого реагента и с целью синтеза на носителе аналитического хромогенного реагента. Физическая иммобилизация находит широкое применение в аналитической практике. Примером физической иммобилизации может также быть сорбция комплекса, образовавшегося в растворе, на твердую матрицу. Например определение железа и кобальта в виде тиоцианатных комплексов на пенополиуретане. В основе метода лежат реакции комплексообразования:

• Возможно протекание реакции и в матрице сорбента, например в желатиновой пленке. Например, опредление кобальта в виде комплексов с нитрозо-Р-солью (1-нитрозо-2-нафтол-3,6-дисульфокислотой) в желатиновой матрице. Структурная формула НРС имеет вид:

Химизм комплексообразования в случае кобальта сводится к взаимодействию кобальта (II) и последующем его окисления в комплексе до кобальта (III). В результате изменяется стехиометрии комплекса и константа устойчивости. Кобальт (II) образует комплексы стехиометрии 1:3 и 1:2, а кобальт (III) образует один комплекс стехиометрии 1:3. В высокой устойчивости комплекса кобальта (III) убеждает его кинетическая инертность и после образования устойчивость даже в сильно кислых средах часто используют на практике.

2) Химическая иммобилизация - ковалентное связывание реагента с носителем. В качестве носителя используют бумагу, силикагель, полимерные органические сорбенты. Ковалентное закрепление, в отличие от адсорбционного, даёт возможность многоразового использования, например, бумаг после разрушения образованного при определении комплекса путём промывания водой или кислотой. Также возможно не только связывание реагента с сорбентом, но и взаимодействие определяемого иона с носителем. Например, определение нитрит-иона на с помощью пенополиуретана : нитрит ион взаимодействует с концевой толуидиновой группой ППУ и в результате реакции азосочетания образуется лимонно-желтая окраска.

где: - полимерная цепь ППУ

Основным преимуществом модифицированных сорбентов, образованных с помощью иммобилизации реагентов, является их химическая и механическая стойкость, а недостатком - сложность процессов модификации и регенерации таких систем.

Кроме собственно аналитических реагентов в тест-средства вводят и другие вещества - восстановители и окислители, маскирующие агенты, смачивающие вещества, закрепители [3].

Целлюлоза - дешёвый природный материал для поглощающих бумажных носителей. Присутствие в них активных групп глюкопиранозидных колец вместе с пористостью структуры обусловливает широкие возможности как сорбции на целлюлозу аналитических реагентов, так и химической модификации целлюлозы с получением твёрдой матрицы на её основе с разнообразными функциональными группами. Ковалентное закрепление индикатора или реагента происходит по такому механизму [6]:

Пенополиуретаны (ППУ) характеризуются мембранной ячеистой структурой полимерной матрицы, которая содержит полимерные группы: уретановую, амидную, сложную эфирную, простую эфирную, концевую толуидиновую (рис. ).

Рис.1.1 Фрагмент молекулы ППУ, где - [R-O]n - эфирная связь, R₁= 2-CH₃, 6-CH₃

В синтезе ППУ в качестве исходных продуктов используют многоатомные спирты (с молекулярной массой 400 - 6000) и смеси 2,4- и 2,6-изомеров толуолдиизоцианата, при этом образуется ППУ на основе простых и сложных эфиров.

Сорбционное концентрирование позволяет значительно снизить предел определения без использования каких-либо приборов. Обычно используют физический способ иммобилизации реагента на ППУ, так как химическое закрепление, которое происходит при синтезе ППУ, - процесс трудоёмкий.

Аналитические реагенты, закреплённые на кремнезёмах и силикагелях, удобны для использования в тестовом анализе. Тест-средства сохраняют химическую индивидуальность модификатора, имеют механическую и химическую стойкость, высокую скорость массообмена. При подготовке тест-средств на основе кремнезёмов наиболее часто используют адсорбционное закрепление органических реагентов, которое зависит от структуры кремнезёма, пористости и удельной поверхности сорбента.

Ещё один носитель, который можно использовать в тест-системах, - это желатиновые плёнки [8]. Желатин получают обработкой коллагена (природный фибриллярный белок) водной суспензией гидроксида кальция (так называемый щелочной желатин) или разбавленной серной кислотой (кислотный желатин). По химической природе желатин представляет собой полидисперсную смесь низкомолекулярных полипептидов (М = 50000 - 70000) или их агрегатов (М = 200000 - 300000) [9].

Рис 1.2 Фрагмент желатина

Желатин - типичный амфолит. Изоэлектрическая точка щелочного желатина находится в интервале рН 4.8 - 5.1, а кислотного желатина - рН 7.0 - 9.5 [9]. Желатин при любых значениях рН фактически является смесью структур, отличающихся зарядом, поэтому измеренная значение рН в изоэлектрической точке является усреднённым по значению этого показателя, которые отличаются до нескольких единиц рН. Известно, что желатиновые слои по своей эластичности подобны резине, что свойственно спиралями, образованным длинными цепочечными молекулами, соединёнными между собой ограниченным количеством поперечных связей. На основе полимерного массива с подобной структурой можно получить матричные системы с достаточно однородным распределением иммобилизированного вещества, причём его молекулы остаются стерически досягаемыми. Этим создаются благоприятные условия для протекания различных химических процессов с участием иммобилизированного реагента [10]. Желатин как микропористое вещество имеет достаточно разветвлённую поверхность, благодаря чему при контакте с водным раствором в его массив проникает как растворитель, так и растворённые химические реагенты. Вода, проникая в желатиновый массив, вызывает его изотропное набухание.

Наиболее часто желатин используют в виде тонких плёнок. Так авторы работы [10] используют фотографические плёнки для офсетной печати фирмы AGFA для разработки новых тест-систем и исследования влияния желатинового геля на протолитические и комплексообразующие свойства иммобилизированных аналитических реагентов. Исходные плёнки были бесцветными и прозрачными. Из них предварительно были удалены галогениды серебра. В работе предложено использовать плёнки с иммобилизированным 4-(2-пиридилазо)-резорцином для визуального обнаружения и полуколичественного определения суммы шести ионов металлов (Cu²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺) в водных средах.

Для поддержания определённой среды для оптимальных условий проведения тест-реакций с конкретными элементами разные авторы предлагают или добавлять буферные растворы на стадии подготовки тест-систем, или другие растворы, которые добавляют в исследуемый раствор. Обычно используют растворы HCl, NaOH, HNO₃, KHSO₄, лимонную кислоту, Na₂B₄O₇, Na₂CO₃, KH₂PO₄ и др.

Химия тест-методов базируется, главным образом, на цветных реакциях комплексообразования или на окислительно-восстановительных реакциях. Особое внимание уделяют подбору и рациональной комбинации реагентов, стабилизации смесей реагентов и растворов, уменьшению негативных влияний благодаря добавлению маскирующих агентов [3].

1.1.4 Метрологические характеристики визуальных тест-методов и приемы их оценки

1.1.4.1 Селективность

Обычно в тест-методах, которые предлагают для обнаружения и определение того или иного компонента, используют селективные реагенты и создают условия селективного определения. Как правило, при физической иммобилизации на твердых матрицах селективность реагентов не изменяется, а при химической иммобилизации улучшается [1]. В случае применения в тест-методах малоселективних реакций используют способы маскировки и отделения элементов, которые мешают определению. Так, чаще всего в качестве маскуючих реагентов для металлов используют трилон Б, тиомочевину, цитраты, тартраты, полиамины, фториды, пирофосфаты, роданиды, цианиды и другие [15].

1.1.4.2 Максимальная погрешность тест-определений с использованием цветовой шкалы

Погрешность при визуальных оценках, не смотря на субъективный фактор, не больше чем погрешность инструментального определения с помощью минифотометра. Метод колориметрии дает возможность создать равноконтрастную колориметрическую шкалу, которую хорошо различает глаз человека. Ряд стандартов обычно готовят в геометрической прогрессии с шагом 2 или 3. Если неизвестная концентрация компонента в пробе с_х находится между n и n+1 членами ряда стандартов, тогда, согласно правилам использования цветовой шкалы с_х = (с_n + с_n+1)/2, а Дс = (с_n+1 - с_n)/2. В этом случае максимальная относительная погрешность может быть оценена с помощью формулы:

(1.1)

Если в ряде геометрической прогрессии с_n+1 = 2с_n, тогда максимальная относительная погрешность представляет приблизительно ± 33 %, если с_n+1 = 3с_n - она составит ± 50 % (без учета вклада в погрешность других факторов). Относительная погрешность достигнет значения ± 100 % при с_n = 0 и с_n+1 = с₁.

1.1.4.3 Интервал ненадежности (Область ненадежной реакции)

При постепенном понижении концентрации компонента неизбежно достигается область, в пределах которой аналит может дать как положительную, так и отрицательную реакцию. Этот диапазон концентраций Комарь назвал областью ненадежной реакции, в настоящее время чаще используют термин интервал ненадежности. Длина этого интервала характеризует аналитические возможности метода [12]. Ниже интервала ненадежности лежат концентрации, достоверность реакции для которых близкая к 0, выше - концентрации, которые определяют с вероятностью, близкой к 1.

Для сравнения тест-систем удобно пользоваться не абсолютной величиной интервала ненадежности, а относительной [13]. За относительную ширину интервала ненадежности принимают отношение разности верхней и нижней границ к значению нижней границы интервала ненадежности. Тест-системы с узким интервалом ненадежности более удобны для практического использования - они более устойчивы по отношению к внешним факторам.

1.1.4.4 Предел определения (нижняя граница определяемых концентраций)

Предел определения аналита, согласно [16], -- это "наименьшее содержание аналита, которое может быть количественно определено с помощью данной методики анализа вещества или материала с установленными значениями характеристик погрешности или неопределенности". Ранее такое же толкование имела метрологическая характеристика "нижняя граница определяемых содержаний" [17, 18]. 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 работах [8, 14, 19], он сводится к экспериментальной оценке стандартного отклонения визуального определения аналита (s_с) вблизи искомой концентрации. Утроенная величина s_с приравнивается значению с_н.

1.1.4.5 Предел обнаружения

Предел определения (с_min) - это наименьшее содержание аналита, при котором он может быть обнаружен по данной методике анализа вещества или материала с заданной доверительной вероятностью [11]. Из-за визуальной индикации компонента, который анализируют, на результат влияют случайные факторы: разная чувствительность человеческого глаза, освещенность, температура.

Методы оценки предела обнаружения визуальных тест-методик, которые применяются в наше время, базируются на роботах Н.П. Комаря [12] и содержат исследования частот обнаружения аналита в области ненадежной реакции путем многочисленных наблюдений. Частота обнаружения Р(с) - отношение положительного числа ответов наблюдателей к общему числу наблюдений.

Для оценки предела обнаружения авторы работ [13, 14] используют численный метод, проверяя гипотезы в соответствии экспериментальной зависимости вероятности Р(с) в области ненадежной реакции теоретическим функциям с помощью комплекса критериев: ч², Колмогорова - Смирнова (л), коэффициентов асимметрии (A) и эксцесса (г²). Гипотезу в соответствии эмпирического распределения тому или иному теоретическому принимают, если ч^2експ < ч2P,f, лексп < лP,f, а оценки A и г2 близкие к нулю. Если эти условия выполняются для нескольких видов распределений, преимущество отдают тому, для которого значения всех рассчитанных критериев будут наименьшие.

1.2 Методы исследования процессов в прозрачных и непрозрачных середах

1.2.1 Спектрофотометрия

Спектрофотометрией обычно называют метод оптического молекулярного абсорбционного анализа. Объектом спектрофотометрических измерений, как правило, являются растворы. Фотометрируемый раствор помещают в кювету - сосуд с плоскими параллельными прозрачными гранями.

Спектрофотометрический метод, будучи абсорбционным, основан на измерении поглощения света. Его чаще всего измеряют косвенно - путем сравнения интенсивностей света внешнего источника, падающего на образец и прошедшего сквозь образец. Изменение интенсивности света при прохождении через образец может быть вызвано светопоглощением не только определяемого вещества, но и других компонентов (в частности растворителя), а также рассеянием, отражением и т.д. Чтобы исключить влияние саморассеяния, фотометрируемый раствор должен быть прозрачным. Прочие эффекты можно скомпенсировать, используя раствор сравнения. В простейшем случае им является чистый растворитель или раствор контрольного опыта. [20]

Основным законом спектрофотометрии является закон Бугера-Ламберта-Бера:

A=еlc (1.2)

Где: е- молярный коэффициент поглощения, лмоль-1см-1; l- толщина поглощающего слоя, см; с- концентрация вещества, моль/л;

Если в растворе присутствует несколько поглощающих веществ, то оптическая плотность раствора равна сумме вкладов каждого из компонентов:[20]

А=е₁lc₁+е₂lc₂+…+е_nlc_n (1.3)

1.2.2 Спектроскопия диффузного отражения

Спектроскопия диффузного отражения используется для регистрации спектров гетерогенных систем, порошков или твердых веществ, имеющих неровную поверхность. Диффузное отраженное от образца излучение собирается под широким углом и передается на детектор:



Рис 1.3 Схема процесса дифузного отражения

реагент твердофазный спектрофотометрия цветометрия

То есть измеряют количество света, отраженного твердым образцом:

R=I/I₀ (1.4)

Где: R- коэффициент отражения; I₀- интенсивность падающего на образец света; интенсивность отраженного от образца света.

Наиболее общая теории СДО изложена Кубелкой и Мунком. Для бесконечно толстого слоя окрашенных порошкообразных материалов с диаметром частиц несколько микрометров выведено уравнение:

(1-R_?)2/2 R_?=в/S (1.5)

Где: R_?-абсолютное диффузное отражение; в-коэффициент поглощения; S-коэффициент рассеяния света.

Вместо R_? обычно использую относительное диффузное отражение R, которое измеряют по отношению к стандартам MgO или BaSO₄. При этом значения в стандартов принимают равными нулю, а их абсолютное диффузное отражение - единице. Однако R? стандартов не превышает 0.98-0.99, и на практике имеют дело с отношением:

R_{? образца}/ R_{? стандарта} ? R (1.6)

С учетом этого допущения уравнение (1.5) можно записать в виде:

F?(1-R)2/2 R=в/S (1.7)

Где: F- функция Кубелки-Мунка

Коэффициент рассеяния в для слабопоглощающих образцов связан с молярным коэффициентом поглощения (е) и концентрацией сорбата (с) уравнением:

в=2,3?е?с (1.8)

Подставив то выражение в уравнение (1.7) получим:

F?(1-R)2/2 R?2.3?е?c/S (1.9)

Откуда следует, что функция Кубелки-Мунка линейно связана с концентрацией сорбата, а зависимость F=f(л) совпадает со спектром его поглощения в растворе. Однако первое выполняется лишь для толстого слоя мелкодисперсных слабопоглощающих образцов, а второе- при условии, что S не зависит от длины волны. На диффузное отражение существенное влияние оказывает размер частиц образца и его влажность. С уменьшением размера частиц F увеличивается, что обусловлено уменьшением коэффициента рассеяния S. По этой причине увеличивается диффузное отражение сухих образцов по сравнению с влажными.[21]

1.2.3 Твердофазная спектрофотометрия (ТСФ)

Твердофазная спектрофотометрия является современным гибридным методом анализа, рационально сочетающим концентрирование и последующее прямое измерение светопоглощения сорбента после сорбции им определяемого элемента. Метод ТСФ привлекателен в связи с неограниченными возможностями сочетания органических реагентов и различных сорбентов неорганической или органической природы.

Твердофазная спектрофотометрия была предложена в 1976 году японскими химиками К. Йошимурой, Х. Ваки и С. Охаш, впервые обнаружившими прямую пропорциональную зависимость между концентрацией иона в исходном растворе и светопоглощением твердой фазы.

Немаловажное преимущество метода состоит в том, что отсутствует стадия элюирования аналита, которая является причиной снижения чувствительности определения вследствие разбавления полученного концентрата [22].

Известно использование метода ТСФ для разделения и определения V(IV) и V(V) [23], Co(II) [24,25], Hg(II) [26], Cu(II) [27], Pd(II) [28] и некоторых других.

1.2.4 Цветометрия

1.2.4.1 Основные положения цветометрии

Цветометрия - это наука о способах измерения цвета и его количественное выражение. Метод цветометрии, состоящий в расчете цветовых характеристик анализируемого объекта на основании имеющихся спектральных параметров, позволяет как различить спектрально близкие вещества, так и получить дополнительные сведения о них.

Существует два основных способа измерения цвета, которые отличаются методикой расчета [29]: по спектральному составу излучения или по числу отдельных цветов в смеси, которое дает определяемый цвет. В соответствии с этой классификацией, все цветоизмеряющие приборы и методики расчета координат цвета можно условно разделить в зависимости от измеряемой величины на два вида:

Координаты цвета рассчитывают по известному спектральному составу анализируемого соединения (спектру поглощения, отражения и т.п.). Этот метод считается наиболее точным.

На основании измеряемой обшей функции сложения цветов (нередко соответствует чувствительности фотоэлементов) сразу получают координаты цвета определяемого компонента.

В зависимости от принципа, лежащего в основе цветоизмеряющего прибора прогнозируют ошибку его измерений.

1.2.4.2 Система RGB

Математическое описание цвета в цветометрии базируется на том, что любой цвет можно представить в виде смеси (суммы) определенных количеств трех линейно независимых цветов. В качестве основных цветов выбраны красный (R), зеленый (G) и синий (B), то есть три монохроматических излучения с длинами волн (л) 700, 546.1 и 453.8 нм соответственно [30].

График цветового охвата в данной системе приведен на рис.1. Тут точка S₁ соответствует цвету, который находится в этом цветом пространстве, а S₂ - цвету, который выходит за его пределы. Такое представление удобнее проиллюстрировать геометрически. Три основных цвета в ортогональной системе координат являются осями, а каждый цвет, заданный тремя цветовыми координатами, отображается вектором S:

S = RR + GG + ВB

где R, G, В- координаты красного,зеленого и синего цветов соответственно;

R, G, В -единичные ветора этих цветов, которые смешивают.

Соединив точки единичных основных цветов (R=1,G=1, В=1) друг с другом, получим треугольник, лежащий в единичной плоскости. Эта плоскость примечательна тем, что цветовые векторы, имеющие разную длину, но одинаковое направление, пересекают ее в одной и той же точке S, которая характеризует насыщенность цвета.

Рис. 1.4 Трехкоординатное цветовое пространство RGB

Чтобы установить положение точки S на единичной плоскости, вводят координаты цветности r, g, b, связанные с координатами цвета R, G, В таким образом [30]:

Из соотношений (1.10) следует, что r + g + b = 1, то есть для однозначного определения положения точки на единичной плоскости достаточно двух координат цветности.

Восприятие цвета человеком вычисляют по результатам экспериментов со смешением цветов [31]. В этих экспериментах нужно визуально сравнить чистые спектральные цвета одинаковой интенсивности (соответствующие монохроматическом свету с разными длинами волн) со смесями трех основных цветов, которые дает аналитический прибор. Для сопоставления чистый спектральный цвет и смесь трех цветов прибора располагают рядом на двух половинках фотометрического поля сравнения. После уравнивания измеряют количестве трех основных цветов и определяют их отношение к единичным количествам этих цветов. Полученные величины являются цветовыми координатами сравниваемого цвета в выбранной цветометрической системе координат. Описанная процедура не позволяет уравнять большинство чистых спектральных цветов со смесями трех основных цветов прибора. В таких случаях к сравниваемому цвету добавляют некоторое количество одного из основных цветов, то есть допускается отрицательное значение координаты цвета. По результатам нескольких наблюдателей вычисляют усредненные количестве трех основных цветов (удельные координаты цвета), смесь которых визуально не отличается от чистого спектрального цвета. Графические зависимости количеств основных цветов от длины волны представляют собой так называемые кривые добавления цветов. По этим кривым можно рассчитать доли основных цветов, необходимых для получения смеси, которая визуально не отличается от излучения сложного спектрального состава. Для этого цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим (с учетом их интенсивностей). Возможность такого представления основана на одном из законов Грассмана, согласно которому цветовые координаты цвета смеси равны суммам аналогичных координат всех цветов, которые смешивают [32].

1.2.4.3 Система XYZ

Для цветов, входящих в цветовой охват системы RGB, функции добавления имеют положительные значения. Однако если цвет выходит за пределы этого охвата, то функции добавления принимают отрицательные значения, что создает неудобства при расчетах. В связи с этим Международная комиссия по освещению (МКО) обобщила известные свойства цвета и формулы для расчета изменения цветов и предложила неортогональную трехцветную систему XYZ, описывающая спектральные свойства анализируемого объекта в виде трехмерных векторных координат и позволяющий преодолеть указанный недостаток. Интегральный деление интенсивности светового излучения на три составляющие удобно для соотнесения с человеческим зрением (из-за наличия в сетчатке глаза красно-, зелено-, и синечувствительных волокон). Основу предлагаемой системы координат XYZ составляют следующие положения [29]:

Ш для всех реальных цветов координаты цвета XYZ имеют только положительные значения;

Ш координата Y определяет яркость цвета;

Ш координаты цветности белого равноэнергетического излучения находятся в центре тяжести треугольника, лежащего на единичной плоскости.

Рис. 1.5 Трехкоординатное цветовое пространство XYZ

Для перехода из системы основных цветов RGB в систему XYZ используют следующие соотношения:

X = XrR+ XGG + ХBВ, (1.11)

Y = YRR + YGG + YBB, (1.12)

Z = ZrR + ZGG + ZBB, (1.13)

где XR, XG, XB, Yr, YG, Yb, Zr, ZG и ZB- координаты основных цветов в трехкоординатном пространстве RGB.

Эти величины также стандартизированы. Координаты цветности в новом цветовом пространстве будут иметь вид:

 (1.14)

Единичная плоскость представляет собой прямоугольный треугольник, который называют графиком цветности, вершинами которого являются точки пересечения с векторами основных цветов. Векторы спектральных цветов пересекают единичную плоскость по линии чистых спектральных цветов (рис. 1.6), что ограничивает область существования реальных цветов.

Рис. 1.6 Единичная плоскость в системе XYZ и линия чистых спектральных цветов. Точки S и W соответствуют координатам цветности данного и белого цветов. Цифры - длины волн излучения (л, нм).

Кроме координат X, Y, Z часто используют такие характеристики, как цветовой тон (Т(л)) и чистота цвета (Р), которые однозначно определяют цветность излучения [30]. Очевидно, что любой реальный цвет может быть получен аддитивным смешением белого и соответствующего монохроматического излучения. Цветовой тон определяется точкой пересечения прямой, проходящей через координаты цветности данного и белого цвета (точки S и W на рис. 1.6), с линией чистых спектральных цветов. Чистота цвета показывает, в каких соотношениях смешанные монохроматический и белый цвета, при этом чистота монохроматического излучения равен единице, а белого - нулю.

1.2.4.4 Измерение малых цветовых различий

Следует отметить, что использование цветового графика в системе XYZ (МКO, 1931 г.) сопряжено с некоторыми трудностями. Так, отдельные расстояния между двумя точками на диаграмме (рис. 1.6) не соотносятся с визуальным восприятием человека, поскольку шкала диаграммы неравномерна. Кроме того, она не дает информации о светлоте цвета. Рассмотренные выше системы позволяют делать лишь количественную оценку цвета, однако визуально оценить с их помощью разницу между двумя цветами нельзя, так как расстояние между точками в цветовом пространстве не соответствует различию, которое надежно чувствует глаз [30]. Было сделано довольно много попыток создания такого равноконтрастного пространства, в котором расстояние между двумя точками коррелировало бы с визуально воспринимаемым изменением цветов. Однако пока этого сделать не удалось. Международной комиссией по освещению предложено в 1976 г. несколько таких квазиривноконтрастних систем, наиболее распространенной из которых является CIELAB. Координаты L, А, В в этой системе связаны с координатами X, Y, Z соотношениями:

L = 116(Y/Y0)1/3-16, (1.15)

A = 500[(X/X0)1/3-(Y/Y0)1/3], (1.16)

B = 200[(Y/Y0)1/3-(Z/Z0)1/3] , (1.17)

где L - светлота, А, В - координаты цвета (+ А - красная ось, -А -зеленая ось, + В -желтая ось, -В -синяя ось) [34]; X0, Y0, Z0-координаты белого цвета в системе XYZ; оси А и В располагаются в плоскости, перпендикулярной оси L (рис. 1.7).



Рис. 1.7 Трехкоординатное цветовое пространство LAB. Области белого (a), зеленого (b), серого (с), желтого (d), пурпурного (е) и синего (f) цветов.

Расстояние между двумя точками в трехкоординатной цветовом пространстве LAB характеризует полное цветовое различие (ДЕ), которое вычисляют по формуле:

(1.18)

ДL = L-L₀, ДB = B-B₀, ДA = A-A₀

L, A, B, L₀, B₀, A₀ - координаты цвета определяемого образца и образца сравнения соответственно [31].

Цветовой тон (Т) и насыщенность цвета (S) определяются следующими соотношениями:

S₂ = А₂ + В₂, (1.19)

Т = arclg(B/A) (1.20)

Цветовое пространство CIELAB наиболее приемлемо для расчетов, так как равные расстояния между точками, которые соответствуют различным цветам, в любых частях этой системы координат соотносятся с зрительным восприятием, что позволяет вести удобную мере для количественного определения цветовых различий [34].

1.2.5 Использование компьютерных программ и сканер-технологий

С распространением цифровой фотографии, настольных сканеров и компьютерных программ для обработки цветных изображений появился быстрый, объективный и автоматизированный способ оценки цветометричских функций окрашенных образцов. Полученный в результате численного сканирования файл изображения представляется на экране монитора и может автоматически с использованием стандартных программ, которые прилагаются к сканеру, быть проанализированным как по характеристикам цветности так и по отражающим возможностям или яркости. Современные сканеры и обслуживающие их программы обработки изображений (графические редакторы) дают возможность для оценки индикационная эффектов цветометрических пассивных дозиметров, индикационных трубок, цветометрического анализа тонкослойных хроматограм, а также для изучения цветометрических характеристик окрашенных сорбированных веществ. В настоящее время для измерения цвета существуют также портативные колориметры, позволяющие производить измерения образцов, сравнивать их со стандартами и т.п. Колориметрический метод измерения цвета состоит в том, что измерительный свет, излучаемый лампой, отражается образцом и воспринимается тремя сенсорами. Фильтры, создающие в трёх цветных каналах спектральную чувствительность, соответствующую стандартным спектральным функциям, в качестве таковых имитируют спектральную чувствительность сетчатки глаза и соответствуют сенсорам глаза. Определение сигнала сенсора получает стандартные цифровые величины XYZ для красного, зелёного и синего цветов. Затем они используются для всех остальных колориметрических вычислений.



Рис. 1.8 Схема колориметрического метода измерения цвета. Цветовые доли красного, зеленого, и синего цветов регистрируются тремя сенсорами

Для недорогих и надёжных измерительных устройств создан простой принцип измерений. Но, несмотря на постоянные усовершенствования, эти измерения не достигают абсолютной точности спектрофотометра. [37].

1.3 Способы построения цветовых шкал

На данный момент проблеме оптимизации построения цветовой шкалы для визуального тестового анализа уделяется постоянное внимание, но не существует единого мнения как именно надо строить эти шкалы, какой критерий являесть определяющим при выборе способа способа построения шкалы.

Такую шкалу можно готовить так, чтобы концентрация определяемого элемента С в последовательно расположенных пробах увеличивалась либо в соответствии с арифметической либо в соответствии с геометрической прогрессией. Еще Н.П Комарь утверждал, что результаты анализа с использованием геомертической прогрессии, в отличие от арифметической, характеризуется постоянной по всей шкале величиной относительной погешности и ее применение в колориметрии предпочтительно [42].

В книге А.К Бабко [43] отмечается, что наилучшее воспричтие человеком различия в окраске растворов наблюдается при построении шкал в геометрической прогрессии, а в случае, когда проба, не содержащая определяемого элемента, имеет собственную окраску, можно строить арифметическую шкалу. В этой же книге описывается критерий, равный 10% для оценки минимального шага шкалы (разницы в интенсивности световых потоков) при построении колориметрических шкал на основе окрашенных растворов.Несколько позже по аналогии с критерием для растворов, предложенным А.К Бабко, для построения цветовых шкал ввел критерий общего цветового различия ДЕ=10, оцениваемый инструментально [44]. В дальнейших работах В.М. Иванова критерий общего цветового разичия находил широкое применение при построении цветовых шкал для тестового анализа ионов.

В дальнейшем критерий общего цветового различия стал широкоиспользуемым в тестовом химическом анализе с ипользованием метода цветометрии. С.Б Саввин с сотрудниками в своей работе [2] градуировочную тест-шкалу строят на основании известной зависимости общего цветового различия от содержания определяемого элемента. Одной единице ДЕ соответствует один порог цветоразличия, поэтому значения концентраций определеяемого элемента выбирают в соответствии с определенным шагом ДЕ. Надежное ощущение разницы в интенсивности световых потоков достигается при их отличии на 10%. Поэтому, как утверждают автора, в варианте диффузного отражения лучше всего использовать дискретные значения цветового различия с ДЕ>10. Также автора работы [2] утверждают, что при создании тест-шкалы нижней границей определяемых содержаний любой тест-методики следует считать общее цветовое различие в 10 условных единиц между исходным тест обрацом (Е0) и тест образцом, прореагировавшим с определяемым элементом (Е):

Е-Е₀=10

При разработке тест-метода для определения урана (VI) с помощью СХ-5-Br-ПААФ с использованием метода цветометрии для оценки изменения цвета и для нахождения взаимосвязи между цветом сорбента и содержанием определяемого компонента, автора работы [38] при построении шкалы для визуальной колориметрии соблюдали условие равноконтрастности колориметрической системы CIELAB и ?Е=10 и при соблюдении прямолинейности координат цвета (А, В).Таким образом, в данной работе концентрационный шаг для построения шкалы подбирался так, чтобы ?Е=10:

ДЕ 10 20 30 40 50 60

С^мкг_{урана(VI)} 5 10 30 70 150 220

В работе [39] для построения градуировочной тест-шкалы для визуального определения используется подход, подобный используемому в работе [2]: взяв постоянный шаг ?Е =10, получают изменение содержания определяемого элемента в тест-образце в геометрической прогрессии.

Недавно было предложено использование шкалы с концентрационным шагом, соответствующим ряду Фибоначчи [Фибоначчи]. В этом ряду каждый последуюший член равен сумме двух предыдущих. Для начала этого ряда выполняется арифметическая прогрессия, но начиная с 4-го члена, прогрессия асимптотически приближается к геометрической с q=1,618, известному числу золотого сечения "Фи". Автора утверждают, что с использованием этого ряда можно уменьшить величины абсолютной и относительной погрешностей анализа, пригодность ряда Фибоначчи была проверена статистически на визуальном тест-определении перхлоратов в виде их ионных ассоциатов с тионином, сорбированных на ППУ. Авторами этой же работы было найдено, что хорошо различимые точки на шклае характеризуются общим цветовым различием ДЕ=5-6 а не 10, что говорит о том что нельзя безоговорочно принимать величину ДЕ=10 в качестве универсального.

Таким образом, не существует единого критерия для оценки минимального шага цветовой шкалы. Следовательно концентрационный шаг необходимо подбирать индивидуально для каждой реакции в зависимости от используемого сорбента, способа индикации (визуального или инструментального), и многих других факторов.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Реактивы и оборудование

В данной работе были использованы следующие реактивы и приборы

Нитрозо-Р-соль, ч.д.а.;

Сульфосалициловая кислота, ч.д.а.;

Мурексид, ч.д.а.;

Хлорид железа шестиводный, х.ч.;

Тиоцианат калия, х.ч.;

Нитрат кобальта, х.ч.;

Фторид натрия, х.ч.;

Нитрит натрия, х.ч.;

Кислота серная, х.ч;

Кислота соляная, х.ч.;

Аммиак

Бумага фильтровальная;

Фотографическая пленка для офсетной печати фирмы AGFA, из которой предварительно были удалены галогениды серебра (бесцветная, прозрачная, с толщиной желатинового слоя ~ 20 мкм);

Пенополиуретан (листовой, белого цвета, толщина 1 см)

Спектрофотометр СФ-2000 с приставкой для измерения диффузного отражения;

Аналитические весы ВЛР-200.

Все растворы готовились на дистилированной воде. Мерная посуда, используемая при выполнении данной работы, была поверена, что позволило измерять объемы растворов с погрешностью не более 0,2%.

2.2 Методики эксперимента

2.2.1 Методики приготовления и стандартизации растворов

2.2.1.1 Приготовление 100 мл раствора FeCl₃ с концентрацией ?0,3 моль/л

Раствор FeCl3 готовили из кристаллогидрата состава FeCl₃•6Н₂0. На аналитических весах взвешивают ?8,108 г FeCl₃•6Н₂0. Навеску количественно переносят в мерную колбу на 100 мл, растворяют ? в 30 мл дистиллированной воды, доводят водой до метки и тщательно перемешивают. Полученный раствор стандартизуют.

2.2.1.2 Приготовление 100 мл раствора тиоцианата калия с концентрацией 5 моль / л

На технохимических весах взвешивают 24,30 г KSCN. Навеску количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50 мл, растворяют в ~ 30 мл дистиллированной воды, доводят водой до метки и тщательно перемешивают.

2.2.1.3 Методика приготовления растворов соляной кислоты с концентрациями 0.4, 0.2, 3, 5 моль/л

Зная точную концентрацию исходной кислоты рассчитать объем аликвоты исходной кислоты по формуле:

V₀=c(HCl)•V/c₀(HCl)

С помощью пипетки отобрать необходимую аликвоту исходного раствора кислоты в мерную колбу вместимостью 100 мл, довести водой до метки и тщательно перемешать.

2.2.1.4 Приготовление 100 мл раствора сульфосалициловой кислоты с концентрацией 1 моль/л

На технохимических весах взвешивают 20 г сульфосалициловой кислоты. Навеску количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, растворяют в ~ 50 мл воды, доводят раствор до метки водой и тщательно перемешивают.

2.2.1.5 Методика приготовления сухой индикаторной смеси из мурексида (0,2%) и хлорида натрия

На аналитических весах берут навеску мурексида массой 0,040,01 г и навеску хлорида натрия массой 20 г. Навеску мурексида тщательно растирают в фарфоровой ступке с хлоридом натрия до получения однородной смеси.

2.2.1.6 Методика приготовления 250 мл раствора Co(NO₃)₂ с концентрацией ?0,1 моль/л

На аналитических весах взвешивают ?4,574 г Co(NO₃)₂. Навеску количественно переносят в мерную колбу на 250 мл, растворяют ? в 50 мл дистиллированной воды, доводят водой до метки и тщательно перемешивают. Приготовленный раствор стандартизуют.

2.2.1.7 Методика приготовления 100 мл раствора фторида натрия с концентрацией 1 моль/л

На аналитических весах взвешивают 4,1988 г NaF. Навеску количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, растворяют в ~ 30 мл дистиллированной воды, доводят водой до метки и тщательно перемешивают.

2.2.1.8 Методика приготовления 100 мл раствора серной кислоты с концентрацией 0,2 моль / л

Определить плотность (с) исходной концентрированной серной кислоты, и установить по справочнику [41] соответствующую молярную концентрацию c₀. Рассчитать объем аликвоты исходной кислоты по формуле:

V₀=c(H₂SO₄)•V/c₀(H₂SO₄).

С помощью пипетки отобрать необходимый аликвоту исходного раствора кислоты в мерную колбу вместимостью 100 мл, довести водой до метки и тщательно перемешать.

2.2.1.9 Методика приготовления 100 мл раствора нитрита натрия с концентрацией 0.01 моль/л

Для приготовления раствора нитрита натрия с заданной концентрацией взвесить на аналитических весах ~ 0.069 г соли, навеску количественно перенести в мерную колбу вместимостью 100 мл добавить 30-50 мл воды чтобы растворить соль, довести до метки дистиллированной водой и тщательно перемешать.

2.2.1.10 Методика приготовления 50 мл нитрозо-R-соли с концентрацией 3?10^-2 моль/л

Для приготовления исходного раствора нитрозо-R-соли с молярной концентрацией 3?10^-2 моль/л, навеску массой 0,5659 г нитрозо-R-соли количественно переносят в мерную колбу на 50 мл, доводять до метки дистилированной водой и тщательно перемешивают.

2.2.1.11 Методика стандартизации исходного раствора железа (III) с концентрацией ~ 0,3 моль / л

Кислый раствор FeCl₃ нейтрализуют раствором NaOH и устанавливают рН = 2,5. Добавляют 1 мл раствора сульфосалициловой кислоты с концентрацией 1 моль / л и проводят титрование раствором ЭДТА до обесцвечивания красной окраски. Перед окончанием титрования добавляют еще несколько капель индикатора. Если в конце титрования раствор снова становится красным, титрование продолжают. Концентрацию железа в растворе рассчитывают по формуле:

с(Fe³⁺)=c(ЭДТА)•V(ЭДТА)/V_ал

где: V (ЭДТА) - объем титранта, c (ЭДТА) - концентрация титранта, Vал - аликвота раствора железа, который титруют. [40]

2.2.1.12 Методика стандартизации исходного раствора кобальта (II) с концентрацией ~ 0,1 моль / л

Для титрования отбирают 15 мл раствора кобальта (ІІ) и помещают в колбу для титрования. Добавляют 50 мл дистиллированной воды и 5 мл стандартного буферного раствора с рН=9,18. При титровании раствором ЭДТА используют индикатор мурексид (0,2%). При изменении окраски раствора с малиновой на желтую добавляют каплю раствора аммиака - если раствор снова становится малиновым, титруют дальше до устойчивой желтой окраски. Концентрацию кобальта (II) рассчитывают по формуле: