Сравнительно низкой стоимостью оборудования наряду с высокой чувствительностью, а также возможность одновременного определения различных форм нескольких элементов обладает метод инверсионной вольтамперометрии. Его часто примененяют для надежного определения содержание микроэлементов в продуктах питания, которые обычно не превышает 0,00001 %. Благодаря этим достоинствам метод оказался конкурентноспособным с атомно-абсорбционной спектроскопией и востребованным в России для решения проблемы, связанной с массовым контролем токсичных примесей в пищевых продуктах [44].

Таблица 2 - Применение вольтамперометрических методов при анализе природных, поверхностных, минеральных, питьевых, морских, технологических и сточных вод на содержание элементов [43]

Определяемый компонент	Метод	Индикаторный электрод	Фоновый электролит	Диапазон определения (предел обнаружения)
Кадмий	Инверсионная; дифференциальная	Стеклоуглеродный с полимерным покрытием	Натрия нитрат; аммония	2Д..1000 мкг/л (2 мкг/л)
Мышьяк	Инверсионная, дифференциально-импульсная; анодная вольтамперометрия	Золотой; золото-графитовый; ртутно-капельный; углеродистый	Натрия сульфит, соляная кислота; трилон Б	4,5...180 мкг/л (0,5 мкг/л)
Ртуть	Инверсионная анодная, циклическая; квадратно-волновая вольтамперометрия	Углеродный, модифицированный золотом; золотой, модифицированный;угольный микроэлектрод	Азотная кислота; соляная кислота; калия нитрат	110-3...5 мкМ (10-10М)
Свинец	Катодная, анодная, инверсионная, дифференциальная; дифференциально-импульсная; квадратно-волновая вольтамперометрия	Стеклоуглеродный с полимерным покрытием модифицированный пленкой ртути; ртутно-пленочный; ртутная висячая капля; платиновый	Ацетатный буферный раствор;натрия нитрат;муравьиная кислота;	4...200 мкг/л (0,07 мкг/г)
Медь	Катодная, анодная инверсионная: инверсионная, дифференциальная, дифференциально-импульсная, квадратно-волновая вольтамперометрия	Ртутно-пленочный; ртутная висячая капля; платиновый	Муравьиная кислота; натрия нитрат; аммония хлорид;	6...300 мкг/л (0,07 мкг/г)
Цинк	Катодная; анодная; дифференциальная; дифференциально-импульсная; инверсионная вольтамперометрия	Ртутно-пленочный;; стеклоуглеродный, допированный бором;стеклоуглеродный; висмутовый пленочный, покрытый полимером	Аммония хлорид; диметилглиоксим в смеси этанол -вода; калия хлорид и нитрат	5...100 мкг/л (2 мкг/л)

Перед аналитиками-исследователями ставятся задачи разработки новых высокочувствительных методик, позволяющих определять с высокой точностью и селективностью как вредные примеси, так и жизненно ценные вещества в интервалах определяемых содержаний 10-10 ч10-8 моль/дм3 с небольшими временными и материальными затратами. Поставленные задачи решаются на основании закона РФ № 29-ФЗ "О качестве и безопасности пищевых продуктов" от 2 января 2000 г. и раздела "Разработка быстрых и надежных методов контроля" правительственной общероссийской программы "Концепция здорового питания населения России до 2005 года", утвержденной постановлением Правительства № 247.

Среди многочисленных методов анализа для определения As и Se широко распространено применение метода инверсионной вольтамперометрии (ИВ), который имеет статус арбитражного. Для определения массовой концентрации селена и мышьяка в различных типах вод и напитках приняты ГОСТ Р 52315 -2005 и ГОСТ Р 52180 -2003. Для определения мышьяка в пищевых продуктах и продовольственном сырье - ГОСТ Р 51962-2002 [33].

Широко испльзуется инверсионная вольтамперометрия для определения содержания в водах иода, где в качестве индикаторных применяются ртутно-пленочные электроды (РПЭ). Для дезактивации мешающего влияния органических веществ и растворенного кислорода пробу подвергают ультрафиолетовому облучению на фоне муравьиной кислоты. При этом происходит одновременное восстановление иодат-ионов и органических форм иода до иодид-ионов. Данная методика имеет много общих черт с методикой определения концентрации цинка, кадмия, свинца и меди в воде методом анодной инверсионной вольтамперометрии на РПЭ с фотохимической подготовкой проб. Это позволило совместить определение тяжелых металлов и йода в водах. Для этого проводят накопление цинка, кадмия, свинца, меди и регистрировали анодную вольтамперограмму, после чего делали остановку потенциала для накопления иодид-ионов и регистрировали катодную вольтамперограмму.

Содержание ионов Mn(II), Zn(II), Cd(II), Pb(II), Cu(II), проявляющие физиологическую активность, в питьевых водах нормируется и подлежит обязательному контролю. Однако применение метода инверсионной вольтамперометрии в некоторых случаях ограничивается использованием ртутных электродов сложной конструкции, необходимостью удаления кислорода из исследуемых растворов, малыми скоростями развертки напряжения при регистрации аналитических сигналов , использованием фоновых электролитов, пригодных только для определенного ионного состава пробы, и др. Использование твердых электродов из углеродных материалов и благородных металлов, в том числе с модифицированной подложкой, затруднено из-за взаимного влияния концентрируемых на электроде элементов. Кроме того, для широко используемого в ИВ ртутно-графитового электрода (РГЭ) необходимо принимать во внимание малую растворимость некоторых компонентов, например меди и марганца, в тонких пленках ртути и сложность регенерации поверхности твердых электродов в процессе измерений. Недостаточно воспроизводимые условия формирования пленочных покрытий на неоднородной поверхности подложки на стадии электроконцентрирования, взаимные влияния компонентов и изменение аналитических характеристик в процессе измерений и регенерации электрода могут существенно затруднить проведение и снизить эффективность вольтамперометрического анализа даже в тех случаях, когда сравнительно велика разность потенциалов измеряемых АС [45].

Метод ИВ становится одним из основных методов анализа, используемых в испытательных лабораториях, и успешно применяется для определения следовых количеств различных металлов в объектах окружающей среды (воздух, вода, почва, растительность), пищевых продуктах, биологических тканях и жидкостях, лекарственных препаратах и других жизненно важных объектах.

1.5 Выводы по аналитическому обзору и постановка задач исследования

Анализ литературных данных показывает, что одной из актуальных проблем аналитической химии является правильная интерпретация аналитического сигнала, т.к. она будет влиять на точность всего анализа в целом. Вольтамперометрия один из методов анализа, который динамично развивается в настоящее время. При сравнительной простоте оборудования он сочетает в себе высокую абсолютную чувствительность, многоэлементное определение в одной пробе и экспрессность.

Современная вольтамперометрическая система подразумевает набор аппаратных и программных средств, обеспечивающих полную автоматизацию процесса анализа.

Для решения вопросов интерпретации АС необходимо точное описание параметров пика (высота и ширина, площадь под пиком, положение максимума и д.р.) с помощью математических моделей.

Используют математическое моделирование физико-химических процессов, лежащих в его основе, либо применяя эмпирические или полуэмпирические функции, подходящие для достаточно точного описания . На практике математическое описание АС с помощью эмпирических функций намного проще и удобнее. Для успешного использования на практике такие модели должны быть, с одной стороны, достаточно адекватны описываемым аналитическим сигналом, а, с другой стороны, не должны обладать излишней сложностью. При этом они должны быть просты, универсальны и удовлетворительно точны при описании реального сигнала.

Актуальным остается вопрос полной автоматизации процесса обработки данных, который позволил бы освободить оператора от необходимости визуальной проверки и корректировки границ диапазонов определяемых пиков.

Целью работы является исследование необходимой модели для распознавания ВА информации на анализаторе ВА-5 в реальном объекте с целью автоматизации процесса ВА определения .

2. Экспериментальная часть

2.1 Средства измерения, вспомогательное оборудование, посуда, реактивы, материалы

В работе использовались следующие средства измерений, вспомогательные устройства и реактивы:

-Вольтамперометрический анализатор ВА-5 ТУ 421522-001-02067847-98 [46].

-Хлоридсеребрянный электрод ЭВЛ-4М ТУ (1Е2.840.517.)-78.

-Колбы мерные 50, 100 см3.

-Стакан типа В вместимостью 250 ил из стекла группы ТС ГОСТ 25336-82.

-Пипетки градуированные вместимостью 2,0; 5,0; 10,0 см3 исполнения 2-го класса точности, по ГОСТ 2029274.

-Плитка электрическая с закрытой спиралью по ГОСТ 14919.

-Палочки из стекла по ГОСТ 21400.

-Щипцы тигельные ЩТ по ТУ 64-1.973.

-Кислота азотная, ГОСТ 11225.

-Государственные стандартные образцы состава растворов ионов кадмия (ГСО 5222), свинца (ГСО 6077). С аттестованными значениями массовой концентрации ионов 1,0 мг/см3 и относительной погрешностью + 1% при Р = 0,95.

-Ртуть азотнокислая, х.ч. ГОСТ 4520-78.

-Спирт этиловый ректификованный, технический, ГОСТ 18300.

-Вода бидистиллированная по ГОСТ 11125-84.

2.2 Подготовка к выполнению измерений

2.2.1 Подготовка посуды к выполнению измерений

Новую и загрязненную стеклянную посуду для анализа промывают в растворе "хромовой смеси", затем многократно споласкивают водопроводной водой, тщательно промывают дистиллированной водой и трижды ополаскивают бидистиллированной водой. Непосредственно перед использованием посуду промывают 1М раствором азотной кислоты и тщательно споласкивают бидистиллированной водой.

2.2.2 Приготовление стандартного раствора кадмия

На аналитических весах взвешивают 1г кадмия с погрешностью 0,00025г. В химический стакан вносят 50 см3 разбавленной (1:1) азотной кислоты и растворяют в ней при нагревании навеску кадмия. Раствор охлаждают, переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см3, доводят бидистиллированной водой до метки, тщательно перемешивают. Полученный раствор имеет концентрацию 1,0000 г/дм3.

2.2.3 Приготовление стандартного раствора свинца

На аналитических весах взвешивают 1 г свинца с погрешностью 0,00025 г. В химический стакан вносят 50 см3 разбавленной (1:1) азотной кислоты и растворяют в ней при нагревании навеску кадмия. Раствор охлаждают, переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см3, доводят бидистиллированной водой до метки, тщательно перемешивают. Полученный раствор имеет концентрацию 1,0000 г/дм3.

2.2.4 Приготовление фонового раствора (концентрированного)

На аналитических весах взвешивают 0,04283г ртути окисной азотнокислой с погрешностью 0,00005г, количественно переносят в мерную колбу на 250 см3 и растворяют в небольшом количестве бидистиллированной воды (около 10 см3). В эту же колбу вносят 61,5046г калия хлорида, взвешенного с погрешностью 0,00015 г и 200 см3 бидистиллированной воды; добавляют 0.8 см3 концентрированной соляной кислоты (плотность 1,183 см3) и доводят до метки бидистиллированной водой. Раствор тщательно перемешивают. Полученный фоновый раствор содержит 3,3 моль/дм3 калия хлорида, 5*10-4 моль/дм3 ртути окисной азотнокислой; 5*10-2 моль/дм3 соляной кислоты.

2.2.5 Описание установки

Анализатор предназначен для работы в составе вольтамперометрического комплекса, включающего в себя собственно анализатор вольтамперометрический ВА-5, электрохимический модуль (например, типа ВЭД-3) и управляющую ПЭВМ (например, типа IBM Pentium). Принцип действия анализатора основан на регистрации вольтамперограмм, представляющих собой зависимость тока, проходящего через рабочий электрод электролитической ячейки, от потенциала этого электрода относительно раствора (электрода сравнения). Последующая расшифровка и обработка вольтамперограмм осуществляется в управляющей ЭВМ [47].

Устанавливают прибор в соответствии с руководством по эксплуатации. Параметры работы прибора устанавливают в соответствии с Руководством по эксплуатации и согласно таблице 3.

Заполняют хлорсеребряный электрод сравнения насыщенным раствором хлористого калия за 48 часов до начала работы. Устанавливают электрохимическую ячейку в соответствии с руководством по эксплуатации анализатора.

Таблица 3 - Параметры регистрации вольтамперограмм

Вольтамперометрия	Постоянно-токовая (ПТ)
1. Накопление. Время, с:	110
Потенциал, В	- 1,4
2. Успокоение раствора. Время, с:	20
3. Развертка. Скорость, мВ/с:	50
Е рег.н., В:	-1,300
Е рег.к., В:	0,000
Е кон., В:	0,400
Амплитуда, мВ:	20
4. Очистка электрода. Способ очистки:	конечный
Время очистки, с:	40
Циклы очистки:	1

2.3 Построение градуировочных зависимостей

При построении градуировочных графиков используют стандартные растворы смеси металлов с известными концентрациями:

Cd = 0,2·10-4мкг/дм3

Pb = 1·10-4мкг/дм3

Вольтамперометрический анализатор ВА-5 включают и настраивают согласно инструкции по эксплуатации.

Пипеткой вместимостью 2см3 отбирают 2 см3 фонового раствора, разбавляют в 10 раз дистиллированной водой, и помещают в электрохимическую ячейку. Устанавливают постоянно-токовый режим и снимают вольтамперограммы. Далее вносят добавки стандартных растворов: 0,2 см3; 0,2 см3; 0,4 см3; 0,8 см3; 1,6 см3. Для каждой из них снимают 6 вольтамперограмм.

Пробу подготовленного к испытанию образца воды объемом 20 см3 пипеткой вместимостью 20 см3 помещали в стеклографитовую кювету, добавляли 2 см3 концентрированной азотной кислоты пипеткой вместимостью 5 см3 и проводили полное упаривание. Если остаток темный, кислотную обработку повторяют до его осветления. После охлаждения кюветы выпаренную пробу растворяли при температуре (80±1)єС в 20 см3 разбавленного фонового электролита. Если зола плохо растворяется, чашку подогревают на водяной бане. Регистрировалось 6 параллелей, первая отбрасывалась.

После выполнения регистрации вольтамперограммы анализируемого раствора пробы в стакан с анализируемым раствором вносили пипеткой добавку стандартного раствора ионов тяжелых металлов. Объем добавки(0,5 см3 ), который не должен превышать 2,0 см3, подбирали таким образом, чтобы после её внесения высота пика на вольтамперограмме увеличивалась в 1,5 - 2,0 раза. Регистрацию вольтамперограмм повторяли до тех пор, пока относительная разность высот пиков в двух последних вольтамперограммах не превышала 5 - 8 %.

2.4 Выполнение измерений

Устанавливают потенциал очистки электрода 0,4В, включают ячейку, выполняют электрохимическую очистку электрода в течение времени, равном времени накопления и выключают ячейку. Цикл операций повторяют не менее трех раз.Электрохимическая очистка электрода обязательна после записи каждой вольтамперограммы. Результаты измерений записываются в программном интерфейсе системы сбора и обработки данных (самописец).

2.4.1 Регистрация вольтамперограмм раствора пробы

В стеклоуглеродный тигель помещают 20 см3 раствора пробы, подготовленной к измерениям. Закрепляют тигель. Выполняют регистацию вольтамперограмм.

2.4.2 Регистрация вольтамперограмм пробы с добавками

Добавку растворов АС определяемых ионов дозатором пипеточным вносят в тигель с пробой после регистрации вольтамперограмм и очистки электрода. Объем и концентрация добавляемых в ячейку растворов АС устанавливаются экспериментально для пробы таким образом, чтобы высота аналитического пика измеряемого иона при регистрации вольтамперограмм пробы с добавкой увеличилась в 1,5-3 раза при значениях параметров, установленных при регистрации вольтамперограмм пробы.

Суммарный объем всех растворов АС, добавленных в ячейку, не должен превышать 10% от объема пробы. Регистрацию вольтамперограмм в серии измерений: проба и проба с добавками соответствующего иона выполняют при одинаковых параметрах измерений для каждого иона.

Выполняют измерения массовой концентрации ионов свинца, кадмия и цинка. Для этого в пробу вводят добавки растворов соответствующих ионов и выполняют регистрацию вольтамперограмм.

2.4.3 Очистка электродов

После проведения серии анализов или в конце работы ячейку и электроды тщательно промывают бидистиллированной водой, рабочие электроды механически очищают сухой фильтровальной бумагой, затем бумагой, смоченной этанолом, вспомогательный (хлорсеребряный) электрод промывают бидистиллированной водой и помещают в насыщенный раствор хлористого калия.

3. Результаты и их обсуждение

При испытании пищевых продуктов на содержание токсичных элементов находит широкое применение метод инверсионной вольтамперометрии (рисунок11). Этот метод по своей чувствительности для ряда элементов сравним с методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Рисунок 11 - Применение вольтамперометрии при испытании пищевой продукции

Аналитические испытательные лаборатории, работающие в области анализа пищевых продуктов, оснащены в основном анализаторами российского производства. Характеристики и программное обеспечение сходны (таблица 4). Общие и проблемы для этого оборудования: необходимо решение вопросов об автоматизации процесса анализа и обработки его результатов. При этом наиболее остро стоят вопросы автоматической разметки вольтамперограмм при определении границ пиков тока (далее пики) и правильности аппроксимации базовой линии и определение аналитического сигнала.

Таблица 4 - Вольтамперометрические анализаторы. Технические характеристики

Вольтамперометрические анализаторы	Производитель	Технические характеристики прибора
Анализатор TA-Lab	ООО НПП Томьаналит	-Диапазон измерений массовой концентрации ионов цинка, кадмия, свинца и меди, от 0,00010 до 1,0 мг/дм3; -Пределы допускаемой относительной погрешности измерений массовой концентрации ионов цинка, кадмия, свинца и меди от 0,00010 до 0,0050 мг/дм3; -Продолжительность одновременного анализа трех подготовленных проб 5-30 мин.
«Экотест-ВА»	МоскваООО "Эконикс-Эксперт"	-Диапазон измерения массовой концентрации 0,5 - 500 мкг/ дм3 ; -Пределы обнаружения некоторых компонентов без концентрирования проб кадмий, свинец 0,05 мкг/дм3; - Пределы допускаемой относительной погрешности измерения массовой концентрации ионов Cd в диапазонах от 0,5до 10 мкг/дм3, Pb от 10до 500 мкг/дм3 -Время анализа 15-45 мин.
ИВА-		-Диапазон определяемых концентраций 0.1-10000 мкг/л ; -Относительная погрешность анализатора 10% - Время анализа 15-45 мин.
АКВ-07МК		-Предел обнаружения (по Cd+2) 5·10?6мг/дм3 -Предел допускаемых значений СКО 4 %.
ПолярографАВС1.1	"Научно-техническая фирма"Вольта" Санкт-Петербург	-Предел обнаружения металлов без концентрирования пробы кадмий, свинец, ртуть 0.1 мкг/дм3 Пределы СКО случайной составляющей погрешности в диапазоне от 1 до 10 мкг/дм3 ±20 %

Зарегистрированная вольтамперограмма может содержать шумы и случайные погрешности регистрации, мешающие определению аналитического сигнала. Поэтому одним из первых этапов предварительной обработки вольтамперограммы традиционно является сглаживание, но оно само может изменить высоту аналитического сигнала (рисунок 12). На параметры аналитического сигнала и следовательно и его метрологические характеристики оказывает влияние и способ вычитания базовой линии (рисунки 13,14).

Рисунок 12 - Вольтамперограмма до и после удаления шумов с использование метода сглаживания

Рисунок 13 - Вычитание остаточного тока прямой

Рисунок 14 - Вычитание остаточного тока полиномом третьей степени

Перспективным способом обработки вольтамперометрических данных является аппроксимация вольтамперных кривых и базовой линии аналитическими функциями. Изученные литературные данные позволили нам выделить классификацию методов обработки ВА информации (рисунок 15).

Рисунок 15 - Классификация методов обработки ВА информации

Ранее в курсовых и дипломных работах, выполненных на кафедре, было установлено, что наиболее оптимальной функцией распределения для аппроксимации аналитических пиков является логнормальная функция.

Уравнение пика для логнормальной функции имеет вид:

, (16)

где (x-a0) - характеристика положения центра пика;

а1 - параметр формы пика;

а2 - СКО;

а3 - амплитуда.

Целью данной работы является исследование необходимой модели для распознавания вольтамперометрической информации на анализаторе ВА-5 в реальном объекте с целью автоматизации процесса ВА определения .

В качестве объекта исследования была взята проба минеральной воды. При анализе этого объекта влияние солевой матрицы минимально. Содержание органических веществ невелико, однако требуется их удаление. Пробоподготовку проводили методом кислотной минерализации по ГОСТ 52180-2003 «Вода питьевая. Определение содержания элементов методом ИВ». Работа выполнена на вольтамперометрическом анализаторе ВА-5. При исследованиях регистрировали дифференциальные вольтамперограммы в постоянно-токовом режиме.

Используемые в настоящее время анализатор ВА-5 и программное обеспечение «Аналит» позволяют проводить определения кадмия и свинца на уровне в 100 раз меньше ПДК этих элементов в пищевых продуктах.

Для начала исследования были зарегистрированы градуировочные кривые по Cd и Pd для индивидуальных компонентов, а также при совместном присутствии в диапазоне концентраций, соответствующих содержанию металлов в пищевых продуктах. Пипеткой вместимостью 2см3 отбирают 2 см3 фонового раствора, разбавляют в 10 раз дистиллированной водой, и помещают в электрохимическую ячейку. Устанавливают постоянно-токовый режим и снимают вольтамперограммы фона (5 вольтамперограмм). Далее вносят добавки стандартных растворов: 0,2 см3; 0,2 см3; 0,4 см3; 0,8 см3; 1,6 см3 и каждый раз повторяют определение.

Общий вид полученных вольтамперных кривых для совместного и индивидуального присутствия представлен на рисунках 16-18. Результаты приведены в таблицах 5-6.

Рисунок 16 -Вольтамперограмма смеси металлов Cd и Pb

Рисунок 17 -Вольтамперограмма металла Cd при индивидуальном присутствии

Рисунок 18 - Вольтамперограмма металла Pb при индивидуальном присутствии

Таблица 5 - Результаты градуировки для Cd и Pb при совместном присутствии

№ точки калибровки	СCd ,	АСCd, отн. ед.	СPb ,	АСPb, отн. ед.
	мкг/дм3		мкг/дм3
1	0,2	36929	1,0	66024
2	0,4	65852	2,0	141944
3	0,8	140447	3,8	281412
4	1,5	286784	7,4	557140
5	2,8	573141	13,8	1145390

Таблица 6 - Результаты градуировки для Cd и Pb при индивидуальном присутствии

№ точки калибровки	СCd ,	АСCd, отн. ед.	СPb ,	АСPb, отн. ед.
	мкг/дм3		мкг/дм3
1	0,2	36185	1,0	66203
2	0,4	60181	2,0	134368
3	0,8	132156	3,8	286305
4	1,5	261576	7,4	532810
5	2,8	552104	13,8	1100350

Полученные результаты были обработаны методом наименьших квадратов (МНК). Уравнения регрессии приведены в таблицах 7,8. Уравнение регрессии с доверительными интервалами для калибровки Cd и Pb для индивидуального и совместного присутствия представлены в таблице 9.

Таблица 7 - Уравнения регрессии и R2 для Cd и Pb при индивидуальном присутствии

Элемент	АС=k*CMe+b, отн. ед.	R2
Cd	200176*ССd-19760	0,9975
Pb	80474*CPb-26647	0,9955

Таблица 8 - Уравнения регрессии и R2 для Cd и Pb при совместном присутствии

Элемент	АС=k*CMe+b, отн. ед.	R2
Cd	208362*ССd- 16902	0,9981
Pb	84141*CPb - 32809	0,9955

Градуировочные зависимости для определения Cd и Pb представлены на рисунках 19, 20.

Рисунок 19 - Градуировочные зависимости для Cd и Pb при совместном присутствии



Рисунок 20 - Градуировочные зависимости для Cd и Pb при индивидуальном присутствии

Таблица 9 - Уравнение регрессии с доверительными интервалами для калибровки Cd и Pb для индивидуального и совместного присутствия

Элемент	Уравнение регрессии при индивидуальном определении элементов, 104	R2	Уравнение регрессии при совместном определении элементов, 104	R2
Cd	У=(20,0±2,1)*СCd+(2,0±0,3)	0,9962	У=(20,8±0,1)*СCd+(1,6±0,2)	0,9981
Pb	У=(8,0±0,6)*СPb-(2,7±0,4)	0,9994	У=(8,4±о,6)*СPb-(3,3±0,4)	0,9978

Как видно, наклон градуировочных графиков изменяется незначительно при индивидуальном и многокомпонентном определении Cd и Pb, что соответствует минимальному влиянию компонентов при их концентрировании в режиме in situ на стеклоуглеродном электроде.

Далее было проведено 6 серий определений на модельных растворах методом «введено-найдено» (таблица 10), получены удовлетворительные результаты на уровне низких концентраций. Однако в реальных объектах при этих же концентрациях часто наблюдается искажение аналитического сигнала, возрастание шумов. Это значительным образом затрудняет выделения АС и его обработку.

Таблица 10 - Проверка правильности определения Cd и Pb методом «введено-найдено»

Элемент	Введено, мкг/дм3	Найдено, мкг/дм3
Cd	0,20	0,16 ± 0,04
Pb	1,00	0,92 ±0,08

Одним из путей решения вопроса является увеличение время накопления, однако это приводит к потере экспрессности анализа. Принимая во внимание требования ГОСТ Р 51301-99 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы
определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка)» ( таблица 11) [4], ГОСТ 52180-2003 «Вода питьевая. Определение содержания элементов методом инверсионной вольтамперометрии» (таблица 12) по нижним границам определяемых концентраций, перспективным является разработка подходов к автоматизации распознавания и обсчета пиков[48].

Таблица 11- Диапазоны определяемых концентраций элементов и значение характеристики относительной погрешности при доверительной вероятности P=0,95

Элемент	Диапазон определения концентраций, мкг/дм3	Значение относительной погрешности ±д, %*
Сd	0,001-0,02 0.002-1,0 0,002-5,0	З2 42 47
Pb	0004-2,0 0,004-1,0 0,002-5,0	35 49 47

* ±д - характеристики относительной погрешности, т.е. границы интервала , в котором относительная погрешность находится с заданной вероятностью.

Таблица 12 - Диапазоны определяемых концентраций элементов и значение характеристики относительной погрешности при доверительной вероятности P=0,95

Элемент	Диапазон определения концентраций, мкг/дм3	Значение относительной погрешности ±д, %*
Сd	0,0001-0,0005 включ.	40
Pb	0001-0,001 включ.	40

* ±д - характеристики относительной погрешности, т.е. границы интервала , в котором относительная погрешность находится с заданной вероятностью.

Для этого проводили аппроксимацию пиков определяемых элементов с помощью логнормальной функции в среде функционального программирования LabVIEW с использованием метода нелинейной оптимизации Левенберга-Марквардта. При автоматическом достижении наилучшей корреляции регистрировались параметры, соответствующие высоте и потенциалу максимума модельного пика, т.е. параметры, характеризующие исследуемое вещество в качественном и количественном отношениях.

Была зарегистрирована градуировочная зависимость Cd в диапазоне малых концентраций 0,01-0,14 мкг/дм3, которая представлена на рисунке 21.



Рисунок 21 - Калибровка Cd в диапазон концентраций 0,01-0,14 мкг/дм3

На рисунке 22 представлена модельная калибровка Cd построенная в программной среде LabVIEW методом нелинейной оптимизации Левенберга-Марквардта с предварительным вычетом базовой линии.

Рисунок 22 - Модельная калибровка Cd

Программа «Аналит» позволяет обрабатывать аналитические сигналы соответствующие уровню концентраций от 0,1 мкг/дм3 и выше. Поэтому начальные точки калибровки можно обработать только методом МНО.

На рисунке 23 представлен градуировочный график калибровки Cd с концентрацией 0,01 - 0,14 мкг/дм3, в таблице 13 - полученное уравнение регрессии.

Рисунок 23 - Градуировочный график калибровки Cd

Таблица 13 - Уравнение регрессии и R2

АС=k*CMe+b, отн. ед.	R2
150523*ССd - 701	0,9589

В таблице 14 приведена оценка показателей СКО для калибровки Cd 0,01-0,14 мкг/дм3 обработанной двумя способами.

Таблица 14 - Показатели относительного СКО для калибровки Cd в диапазоне концентраций 0,01-0,14 мкг/дм3

№ добавки	Сяч мкг/дм3	МНО	Аналит
		АС, отн. ед	Sr, %	АС, отн. ед	Sr, %
1	0,0099	1655	5,20	-	-
2	0,0196	3203	2,99	-	-
3	0,0385	4493	4,88	-	-
4	0,0741	7877	5,50	-	-
5	0,1379	21409	5,86	22191	12,94

Исходя из показателей относительного СКО можно сделать вывод, что МНО Левенберга-Марквардта позволяет обрабатывать аналитические сигналы с концентрацией элемента меньшей 0,1 мкг/дм3, что является преимуществом по отношению с программой «Аналит».

Для проверки метода на реальном объекте была взята проба минеральной воды приобретенной в розничной сети. При анализе объекта влияние солевой матрицы минимально. Содержание органических веществ невелико, однако требуется их удаление. Пробоподготовку проводили методом кислотной минерализации в соответствии с ГОСТ 52180-2003 «Вода питьевая. Определение содержания элементов методом ИВ».

Используемые в настоящее время анализатор ВА-5 и программное обеспечение «Аналит» позволяют проводить определения кадмия и свинца на уровне в 100 раз меньше ПДК этих элементов в пищевых продуктах.

Отбирали пробу объемом 20 см3, помещали в стеклографитовую чашку , добавляли азотную кислоту и проводили полное упаривание. После охлаждения выпаренную пробу растворяли в 20 см3 фонового электролита. регистрировали 6 параллельных кривых. Добавку объемом 0,5 см3 с концентрацией Cd 0,42·10-5 г/дм3 и Pb 2,94 ·10-4 г/дм3 определили по градуировочному графику. Методом добавок определили содержание свинца и кадмия в пробе.

Полученная вольтамперограмма пробы минеральной воды «Смирновская», «Горячий Ключ 2000» представлена на рисунках 24, 25.

Рисунок 24 - Вольтамперограмма пробы минеральной воды «Смирновская»

Рисунок 25 - Вольтамперограмма пробы минеральной воды «Горячий Ключ 2000»

Аналитический сигнал кадмия в пробе минеральной воды « Горячий Ключ 2000» с помощью програмы «Аналит» не регистрируется, а использование метода МНО позволило оценить содержание кадмия в пробе на уровне 0,01 мкг/дм3, что в 100 раз меньше ПДК. На рисунках 26 и 27 показан зарегестрированный пик Cd .

Результаты определения Cd и Pb в пробе минеральной воды, полученные программой «Аналит» и автоматической аппроксимацией МНО, представлены в таблицах 15,16.

Полученные результаты обрабатывались «Аналит» и методом нелинейной оптимизации Левенберга-Марквардта. Сравнение результатов проводилось по значениям СКО АС в условиях повторяемости. Следует заметить, что данные СКО полученные аппроксимацией логнормальной функцией с помощью МНО меньше, чем СКО обработанных программой «Аналит».

Таблица 15 - Результаты определения Pb в пробе минеральной воды « Горячий Ключ 2000», полученные программой «Аналит» и автоматической аппроксимации МНО

	"Аналит"	МНО
	, 104	уr, %	, 104	уr, %	R2
Фон	3,27	3,55	3,55	3,27	0,9968
Проба	3,88	4,28	4,28	4,98	0,9981
Добавка 1	4,47	9,28	9,28	6,86	0,9981
Добавка 2	10,16	14,50	14,50	2,23	0,9975

Это говорит о том, что при автоматическом определении аналитических сигналов аппроксимация логнормальной функцией с помощью МНО характеризуется лучшими показателями прецизионности в условиях повторяемости. Это может быть объяснено тем, что реальный аналитический сигнал содержит составляющую, обусловленную шумами. МНО позволяет элиминировать шумы.

Рисунок 26 - Зарегестрированный пик Cd программой «Аналит»
Рисунок 27 - Обработанный пик Cd с помощью МНО

Таким образом, методом МНО были получены аналитические сигналы Cd и значение СКО.

Таблица 16 - Результаты определения Cd в пробе минеральной воды « Горячий Ключ 2000», полученные программой «Аналит» и аппроксимации автоматической аппроксимации МНО

	"Аналит"	МНО
	, 104	уr, %	, 104	уr, %	R^2
Фон	-	-	1,55	3,27	0,9958
Проба	-	-	1,77	1,2	0,8057
Добавка 1	-	-	5,16	4,91	0,9944
Добавка 2	-	-	8,10	2,23	0,9952

МНО позволяет элиминировать шумы за счет поиска минимума критерия суммы квадратов разностей реальных данных и аппроксимирующей кривой по всем аргументам, что дает существенное преимущество этого метода при работе с концентрациями от 0,01 мкг/дм3 перед программой «Аналит».

Результаты испытания проб минеральных вод на содержание кадмия и свинца представлены в таблице 17. Содержание тяжелых металлов ниже ПДК (ПДК для кадмия 0,01 мг/дм3 , свинца 0,1 мг/дм3 ).

Таблица 17 - Определения Cd и Pb в пробе минеральной воды программой «Аналит» и методом МНО

Объект	Концентрация, мкг/дм3
	Cd	Pb
	«Аналит»	МНО	«Аналит»	МНО
Минеральная вода «Горячий Ключ - 2000»	-	0,009±0,002	1,1±0,2	1,3±0,3
*Минеральная вода «Смирновская»	0,12±0,03	0,14±0,02	2,7±0,5	2,5±0,5
Минеральная вода «Горячий Ключ 2006»	-	0,012±0,002	1,4±0,3	1,6±0,3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 На основе анализа литературных данных проведена классификация методов обработки вольтамперометрической информации.

2 Показана возможность аппроксимации пиков кадмия кривыми логнормального распределения методом нелинейной оптимизации Левенберга-Марквардта с коэффициентом аппроксимации больше 0,8. Построена градуировочная зависимость в диапазоне концентраций кадмия 0,01-0,14 мкг/дм3 .

3 Показана возможность снижения нижней границы диапазона определяемых концентраций для кадмия в 10 раз при использовании распознавания сигнала методом нелинейной оптимизации, по сравнению с программой «Аналит».

4 Проанализированы пробы минеральной воды «Горячий Ключ - 2000», «Горячий Ключ 2006», а также минеральной воды «Смирновская». С помощью применения метода нелинейной оптимизации обнаружено содержание кадмия на уровне концентраций 0,01 мкг/дм3 ,а свинца на уровне 1,0 мкг/дм3. Содержание кадмия и свинца в образцах не превышают ПДК.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Лебедев, А.М. Инверсионно-вольтамперометрические измерения аналитических сигналов Cd(II) и Pb(II) на ртутно-графитовых электродах/ Лебедев А.М., Каменев А.И.//Вестник МИТХТ.- 2011. -Т.6. -№1-С.40.

2 Лебедев, А.М. Многокомпонентное инверсионно-вольтамперометрическое определение Mn(II), Zn(II), Cd(II), Pb(II), Cu(II) и анионных форм Аs(II),Se(II), в питьевых водах/ А.М.Лебедев //Вестник МИТХТ,-2011-Т.5. - №2. -С.24.

3 Носкова, Г.Н. Определение микроэлементов в пищевых продуктах методом ИВ/ Г.Н. Носкова, Заичко А.В. // Стендовые доклады. -2004. -С.1-3.

4 ГОСТ Р 51301 - 99. Продукты пищевые и продовольственное сырьё. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). - Введ. -1999.01.01 - М.: Госстандарт России, 1999. - 43 с.

5 Брайнина, Х.З Инверсионная вольтамперометрия в анализе объектов окружающей среды и пищевых продуктов/ Х.З Брайнина, Л.Э Стенина, Н.А. Малахова.//Журнал Известия Уральского государственного экономического университета. -2000, -С. 97-107.

6 Селиванова, Е.В Моделирование ИВ-пиков шести металлов с использованием универсального эмпирического переменного множителя, модифицирующего элементарные пики / Е.В Селиванова, А.Г. Стромберг, С.В Романенко // Журн. аналит. химии. -2004. -Т.59. -№3. - С.315-323.

7 Стромберг, А.Г. Систематическое исследование элементарных моделей аналитических сигналов в виде пиков и волн / А.Г Стромберг, С.В., Романенко, Э.С Романенко.// Журн. аналит. химии. -2000. -Т. 55. - №7. -С.687-697.

8 Будников, Г.К. Основы современного электрохимического анализа / Г.К. Будников, В.Н. Майстренко, М.Р. Вяселев. - М.: Мир. Бином. - 2003. -592 с.

9 Стромберг, А.Г. Аппроксимационные модели Аналитического сигнала. Универсальная математическая модель 3-х элементарных пиков в аналитической химии / А.Г. Стромберг, С.В. Романенко, Н.В. Стасюк // Изв. вузов. Хим. и хим. технологии. - 2002. - Т .45. - № 3. - C. 97-102.

10 Kopanica, М. Determination of traces of arsenic(III) by anodic stripping voltammetry in solutions, natural waters and biological material/ М. Kopanica, L. Novotny // Anal, chim. acta. 1998. - V.368, - № 3. - P. 211- 218.

11 Ларионова, Е.В. Моделирование аналитического сигнала в вольтамперометрии на пленочных электродах для обратимых электродных процессов при разрешении перекрывающихся сигналов/ автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. - М., 2004. -20 с.

12 Galus, Z. Fundamentals of Electrochemical Analysis second edition / Z. Galus. - Polish scientific publishers. - PWN: Warsaw. - 1994. - 606 p.

13 Романенко, С. В. Применение дифференцирования и сглаживания в инверсионной вольтамперометрии некоторых металлов при линейной ступенчатой развертке потенциалов/ С.В Романенко, С.Л. Ларин., Н.В. Стасюк// Журн. аналит. химии. - 2002.- Т. 55 . - №11.- С. 1184 - 1189.

14 Романенко, С.В. Аппроксимация аналитического сигнала в виде несимметричного пика с помощью Модифицированной производной логисты / С.В. Романенко // Журн. аналит. химии. - 1997. - Т52. - № 9. - C.908-912.

15 Лэм, Г. Аналоговые и цифровые фильтры. / Г. Лэм. - М.: Мир. - 1982. - 592 с.

16 Джонсон, К.Дж. Численные методы в химии / К.Дж. Джонсон. - М.: Мир. - 1983. - 503 с.

17 A. Economou, P.R. Fielden // Anal. Chim. Acta. - 1995. - Р. 256.

18 Lynn, P.A. An introduction to the analysis and processing of signals. London: MacMillian. - 1982. - Р. 459.

19 Каменев, А.И. Сравнительный анализ математических методов фильтрации шума ТВ инверсионной вольтамперометрии / А.И. Каменев, А.Б. Ляхов // Журн. аналит. химии. - 2003. - Т58. - № 3. - C. 291-296.

20 M. Rievai, E. Korgova, D. Bustin // J. Heerousky Centennial Congr. Polarogr. Organ jointly 41st Meet int. Soc. Electrochem. - 1990. - Р. 185.

21 Palys, M. Van der Linden W.E/ M. Palys, T. Korba, M. Bos, // Talanta. - 1991. -V38. - № 7. - р. 723.

22 Кан, А.Г. Фильтрация вольтамперометрических сигналов при помощи вейвлет-преобразования/ А.Г. Кан, С.В.Романенко// Журнал Известия Томского политехнического университета.-2006.-Т.309.-№ 8. -54с.

23 Романенко, С.В. Методика компенсации систематической погрешности учета базовой линии на примере определения свинца и меди методом инверсионной вольтамперометрии/ С.В. Романенко, С.П.Ларин, Л.Н.Ларина// Химия и химическая технология . -2002. -Т. 45. -№.3. - С.56 .

24 Романенко, С.В. Применение сплайн-функции дробной степени для описания базовой линии при определении платины методом инверсионной вольтамперометрии/ С.В Романенко, Э.С. Романенко, Н.А Колпакова.// Журн. аналит. химии. -2001. - Т.56. -№1. - С.60-64.

25 Коротков, А.С. Автоматическое построение базовой линии при помощи вертикальных гистограмм/ Всероссийская конфиренция по электротехническим методам анализа с международным участием. - 2004. -№91.- С.150.

26 Назаров, Б.Ф. Нелинейная модель остаточного тока в методе инверсионной вольтамперометрии/ Материалы симпозиума. Теория электроаналитической химии и метод ИВ, Томск . -2000. - С.290.

27 Селиванова, Е.В. Проблемы хемометрики / Е.В. Селиванова, А.Г. Стромберг, С.В. Романенко // Всеросс. Научн. конферн. «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий». - 2002. - Т2. - С. 160.

28 Городилова, В.М. Автоматическое построение базовой линии с помощью вертикальных гистограмм / В.М. Городилова // Краткое содержание конференции. - 2000. - C. 91.

29 Ларионова, Е.В. Моделирование АС в ВА на пленочных электродах для обратимых электродных процессов при разрешении перекрывающихся сигналов: дис. канд. хим. наук: 02.00.02: / Е.В. Ларионова - М.- 2004. -142 с.

30 Романенко, С.В. Связь феноменологических и физико-химических моделей аналитических сигналов в инверсионной вольтамперометрии. / С.В. Романенко, А.Г. Стромберг, Е.В. Ларионова, Д.М. Карачанов // Технич. Науки. - 2005. - Т.12. - С. 113-117.

31 Романенко, С.В. Классификация математических моделей аналитических сигналов в форме пиков / С.В Романенко, А.Г Стромберг.// Журн. аналит. химии . - 2000. - Т.55-№11. - С.1144-1148.

32 Выдра, Ф. Инверсионная вольтамперометрия / Ф. Выдра. - М.: Химия. - 1980. - 310 с.

33 Назаров, Б.Ф. Решение уравнений вольтамперометрической кривой для обратимого электро растворения металла при линейной ограниченно - полубесконечной диффузии и линейном изменении потенциала в методе инверсионной вольамперометрии / Б.Ф. Назаров, А.Г. Стромберг. // Электрохимия - 2005. - Т41. - №1. - С. 54-68.

34 Слепченко, Г.Б. Электрохимический контроль качества вод (обзор)/ Слепченко Г.Б., Пикула, Н.П., Дубова Н.М., Щукина Т.И.//Известия Томского политехнического университета. -2009. -Т.314 . -№3. - С.61.

35 Романенко, С.В. Развитие хемометрического подхода к моделированию аналитических пиков на примере инверсионной вольтамперометрии:.дис. канд.хим.наук.-Томск.-1988.-166 с.

36 Стромберг, А.Г. Аппроксимация вольтамперного сигнала, имеющего форму не симметричного пика, модифицированной бигауссовой функцией / А.Г. Стромберг, С.В. Романенко // Электрохимия. - 1995. - Т.31. - № 11. - С. 1261-1265.

37 Гробец, А.М. Современные приборы в аналитической химии / А.М. Горобец, М.Ф. Салихджанова // Матер. Семинара. - М.: Моск. дом науч. технич. прод. - 1991. - С.94.

38 Глызина, Т.С. Исследование процессов электроокисления осадков платина висмут с поверхности графитовых электродов / Т.С. Глызина, Н.А. Колпакова, Н.С. Шеховцова // Ползуновский вестник. - 2009.-№3. - C. 271 - 274.

39 Брайнина, Х.З. Инверсионная вольтамперометрия. / Х.З. Брайнина - М .: Изд-во «Мир».-1980.-278 с.

40 Лякишев, Н.П. Диаграммы строения двойных металлических систем. Справочник ВЗТ / под общ. ред. Н.П. Ляхишева. - М.: Мир. - 1966. - 992с.

41 Levenberg, K. A method for the solution of certain problems in least squares, Quart. Appl. Math.- 1944. -Vol. 2- Р. 164-168.

42 Marquardt, D. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear pa-rameters”, SIAM J. Appl. Math. -1963. - Vol. 11. - Р. 431- 441.

43 Дерябина, В.И. Разработка и оптимизация способов пробоподготовки растительного сырья и пищевых продуктов при инверсионно-вольтамперометрическом определении мышьяка и селена: дис. канд. хим. наук: 02.00.02 / В.И.Дерябина.-М. -2007. -С.3-8.

44 Носков, Г.Н. Определение микроэлементов в пищевых продуктах методом ИВ/ Г.Н. Носков, Заичко А.В. // Стендовые доклады.- 2004.- С.1-3.

45 Лебедев, А.М. Многокомпонентное инверсионно-вольтамперометрическое определение Mn(II), Zn(II), Cd(II), Pb(II), Cu(II) и анионных форм Аs(II),Se(II) в питьевых водах/ А.М. Лебедев: Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.И.Ломоносова. - М. - 2011. - С. 3- 7.

46 Анализатор вольтамперометрический ВА-5. Руководство по эксплуатации. РЭ 421522-001-020678-98 - 01.01.98. - Краснодар. - 1998.

47 Вольтамперометрический анализатор ТА-4 (версия 2006 года) // URL: http: //www.tan.tom.ru/html/product_ta_4.

48 ГОСТ 52180-2003. Вода питьевая. Определение содержания элементов методом инверсионной вольтамперометрии - Введ. 2003 - 12 - 29. -М. Изд-во стандартов. - 2004. - 20 с.

Размещено на Allbest.ru