Введение - Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

В различных аналитических лабораториях нашей страны специалисты ежегодно выполняют не менее 100 млн. анализов качества воды, причем 23 % определений заключается в оценке их органолептических свойств, 21 % -- мутности и концентрации взвешенных веществ, 21 % составляет определение общих показателей -- жесткости, солесодержания, ХПК, БПК, 29 % -- определение неорганических веществ, 4 % -- определение отдельных органических веществ. Значительное количество анализов выполняют санитарно-эпидемиологические службы.

Результаты анализов показывают, что в химическом отношении опасной для здоровья являются каждая четвертая проба, в бактериальном -- каждая пятая. Необходимо отметить также, что стоимость комплексного анализа качества питьевой воды за рубежом составляет около 1100 долларов.

По нормативам качества, определяющим наличие и допустимые концентрации примесей, воды различают как питьевую, природные воды (водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения) и сточные воды (нормативно-очищенные, стоки неизвестного происхождения, ливневые).

Упрощение и удешевление средств химического анализа - всегда благо, но решение многих аналитических задач пока требует сложных и дорогих методов и приборов. К счастью, успехи ряда областей химии, физики, электроники, а также математики обеспечивают возможность создания средств анализа, все более миниатюрных, недорогих и легких с точки зрения использования и в то же время сопоставимых по своим аналитическим характеристикам с современными инструментальными методами. Тест-системы, несомненно, могут быть отнесены к таким средствам. Потребность в тест-наборах весьма значительна. Уже создано много тест-систем разного типа и разного назначения, в основе которых лежат чувствительные и селективные химические реакции и результат анализа может быть получен либо визуально, либо путем простейших измерений (длина окрашенной зоны, число капель), либо с использованием миниприборов, также весьма простых в использовании. Хотя тест-методы используют в лаборатории, в частности для скрининга проб, наиболее целесообразно применять их во внелабораторных условиях (on-site), тем более что on-site анализ представляет собой важное и весьма перспективное направление химии.

Основными областями использования тест-систем являются или могут быть:

- контроль объектов окружающей среды, определение важнейших нормируемых компонентов в воде, почвенных вытяжках, воздухе (прежде всего в полевых условиях); - контроль за качеством пищи, в том числе питьевой воды и напитков, главным образом с точки зрения наличия вредных веществ; - анализ крови, мочи, пота для целей медицины, в том числе в домашних условиях; - решение задач криминалистики, охраны порядка, военной сферы (наркотики, алкоголь, взрывчатые вещества, отравляющие вещества); - контроль в промышленности, на транспорте, например обнаружение утечек газа; - обучение химии, экологии и др. дисциплинам в школе и других учебных заведениях.

Для разработки надежных, чувствительных и селективных тестов используют достижения классической аналитической химии (реакции и реагенты). Однако, еще более важным является поиск новых подходов.

Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

В современном мире химические тесты широко используются в экологической, промышленной, клинической или криминальной сферах и обеспечивают возможность простого и недорогого анализа - качественного, полуколичественного и количественного.

Тест - системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, легкие и дешевые аналитические средства и соответствующие экспрессные методики для обнаружения и определения веществ без существенной пробоподготовки (иногда без отбора проб), без использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования, без самой лаборатории, без сложной обработки результатов, а также подготовленного персонала; в большинстве случаев применяют автономные средства однократного использования [1].

В книгах по истории химии можно найти множество примеров испытания веществ, которые приводились в сущности тест-методами. К тест-методам относится большое число химических методов качественного обнаружения веществ. Некоторые такие методы известны с незапамятных времен. Плиний Старший (23-79 гг. до н. э.) писал, что для обнаружения железа в уксусе римляне применяли экстракт дубильных орешков, которым пропитывали папирус. Этот же экстракт позволял отличать сульфат железа от сульфата меди; появление черной окраски говорило о присутствии железа, зеленой - о наличии меди. Обнаружение железа с помощью экстракта дубильных орешков использовали очень длительное время. В 17 веке Роберт Бойль, помимо экстракта дубильных орешков, применял также экстракт фиалки для идентификации кислот и щелочей: он зеленеет в щелочах. Этот ученый использовал также экстракты васильков и кошенили. Использовали и лакмус. Бойль заметил, что интенсивность черной окраски экстракта дубильных орешков при взаимодействии с железом зависит от содержания железа; это был прямой путь к колориметрическому анализу. Одним из самых старых и широко распространенных является способ определения содержания золота в сплавах и изделиях с помощью пробирного камня. Метод в его исходной (физической) форме описан еще Теофрастом (372-287 гг. до н. э.) в его сочинении "О камнях". В средние века метод был значительно усовершенствован; в начале 16 в. для калибровки было введено использование 23 игл с различным содержанием золота. Гален (ок. 200-130 гг. до н. э.) использовал куриные яйца для грубого определения содержания солей, растворенных в воде, или, иначе, для определения плотности соленой воды. В 1767 г. Льюис получил лакмусовую бумагу и использовал ее для обнаружения кислот и щелочей.

Общий принцип почти всех химических тест-методов - это использование аналитических реакций и реагентов в условиях и формах, обеспечивающих получение визуально наблюдаемого или легко измеряемого эффекта; это, например, интенсивность окраски бумаги или длина окрашенной части трубки. Реагенты и добавки используют в виде заранее приготовленных растворов (в ампулах или капельницах) или иммобилизованными на твердом носителе - бумаге, силикагеле, пенополиуретане и т. д. В качестве средств для тест-методов химического анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, индикаторные порошки и трубки, таблетки и др.

Тест-методы позволяют проводить широкий скрининг проб, например, объектов окружающей среды. Пробы, давшие положительный результат, отделяют от тех, что показали отсутствие компонента. В случае образцов, для которых результат был положителен, предполагается в случае необходимости и более глубокое изучение, в том числе в лаборатории с использованием дорогостоящих приборов.

Анализ "на месте" имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам анализ (конечно, более дорогой). При анализе на месте обычно снижаются требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые средства анализа. Но главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, поскольку, например, изменяются формы существования компонентов.

Во многих случаях тест-методы используют для предварительной оценки наличия и содержания компонентов. В этом случае уместна методология скрининга. Очень удобны тест-системы для оценки обобщенных показателей изучаемого объекта, например химического потребления кислорода или суммы тяжелых металлов в водах. По мере их совершенствования тест-методы все в большой степени служат и будут служить единственным и окончательным средством анализа. Тест-средства анализа можно использовать для управления дозирующими устройствами, например, инсулиновым насосом для больных диабетом. Особую группу тест-средств составляют так называемые химические дозиметры, предназначенные для оценки суммарного определения количества вещества, появившегося в изучаемой среде за определенное время. На протяжении столетий, со времен алхимиков, химический анализ осуществлялся в лаборатории. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, например, печи, 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 проводятся аналитических лабораторий, причем теперь не только химических, но и физических и биологических. Так, любой исследовательский институт химического, геологического или металлургического профиля имеет аналитические лаборатории. То же самое можно сказать о любом химическом, нефтеперерабатывающем, фармацевтическом или металлургическом заводе. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов. В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находится анализируемый объект. Это одна из важнейших тенденций развития аналитической химии. Иллюстрацией этой тенденции могут служить создание нового журнала, освещающего проблемы внелабораторного анализа (Field Analytical Chemistry and Technology) или проведение с 1980 г. международных конференций по анализу "на месте".

Классификаций тест-систем для химического анализа может быть несколько в зависимости от выбранного классификационного признака.

В зависимости от выбранного классификационного признака Золотов Ю. А., Иванов В. М. [1] разделяют тест-системы следующим образом.

- По природе процессов, используемых для получения аналитического сигнала: тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические.

Физических методов немного, и они не играют большой роли в практике химического анализа.

Биохимические обычно основаны на использовании ферментов и иммуносистем. Выделенные природные ферменты, особенно иммобилизованные, в известной мере приобретают свойства химических реагентов, поэтому, несмотря на специфику ферментов как химических соединений (особенности происхождения, условия хранения, время сохранения активности) ферментные методы можно отнести к химическим.

Биологические методы базируются на использовании микроорганизмов, органов, тканей и даже высокоорганизованных организмов и целых популяций.

- По форме используемого тест-реагента. Это, прежде всего готовые растворы и "сухие реагенты", т. е. нанесенные на твердый носитель или просто порошки или таблетки самих реагентов. Еще большее разнообразие предоставляют тесты на твердой матрице; самые известные примеры - индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, и индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании нужного газа.

Реагенты на носителях (матрицах) различаются природой носителя (целлюлоза, синтетические полимеры, силикагель и др.) и способом закрепления на носителях (адсорбционные, ковалентные).

Общие требования, предъявляемые к тестам, состоят в следующем:

- при оценке наличия нужного компонента предпочтительнее ошибочное "да", чем ошибочное "нет"; - экспрессность; - число операций, осуществляемых при тестировании, должно быть минимальным; - при визуальной оценке границы раздела по-разному окрашенных зон должны быть четкими, изменения окраски достаточно контрастными и т. д., т. е. следует сводить к минимуму возможность неоднозначного толкования результата.

Метрологический аспект, конечно, очень существенен для разработки, приготовления и использования тест-систем; результаты тестов должны быть достаточно надежными даже в тех случаях, когда определяются малые количества веществ.

Правильность тест-методов обычно проверяют сравнением их результатов с результатами, полученными "инструментальными" методами. Это, конечно, делается при разработке тест-методов. Многие тест-системы не являются универсальными и предназначены для определения компонентов только в определенных объектах.

Химия тест-методов основана главным образом на цветных реакциях, например реакциях комплексообразования или окисления - восстановления. "Ноу хау" разработчиков и производителей тест-систем сосредоточивается на подборе рациональной комбинации реагентов, стабилизации смесей реагентов и растворов, на уменьшение мешающих влияний путем добавления маскирующих агентов. Главная цель - разработать тест, который был бы экспрессным и легким в осуществлении.

Помимо реакций, приводящих к появлению окраски, используют также химические взаимодействия, результатом которых является появление люминесценции.

Эффект измеряют не только визуально, но и с помощью простых в использовании портативных приборов. Особенно часто измеряют пропускание света, диффузное отражение или люминесценцию.

Требования, предъявляемые к реакциям, которые используют в тест-методах, состоят в следующем:

1. Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме - в зависимости от поставленной задачи; 2. Достаточно высокая чувствительность. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения обычно должен быть ниже предельно допустимой концентрации нужного компонента или близок к ней; 3. При использовании цветных реакций - высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества; 4. Возможность ввести реагенты в форме, пригодной для использования в тест-методах, например привить, с образованием ковалентных связей, на поверхности силикагеля или целлюлозы; 5. Устойчивость реагентов при хранении и достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т. д.) во времени.

Для создания тест-методов и тест-средств используют химические реакции почти всех основных типов:

1) кислотно-основные; 2) окислительно-восстановительные; 3) комплексообразования; 4) разные реакции органического синтеза.

Значительную роль в тест-методах играют занимающие несколько особое положение каталитические реакции, преимущественно с использованием ферментов. Соответственно, используются реагенты различного механизма действия и различной природы.

Кислотно-основные реакции имеют большое значение при определении величины рН. Определение концентрации водородных ионов при анализе природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей - одна из самых массовых аналитических операций. Несмотря на развитие потенциометрических методов определения рН, определение кислотности с помощью кислотно-основных индикаторных бумаг остается весьма распространенной процедурой. Этот способ имеет ряд достоинств: простота анализа, экспрессность, отсутствие необходимости использовать аппаратуру и связанная с этим дешевизна определений, возможность проводить анализ практически в любом месте.

Окислительно - восстановительные реакции также весьма распространены. При использовании твердых реагентов существенно знать, изменится ли окислительно-восстановительный потенциал при иммобилизации реагентов на твердой матрице. Здесь нет общего решения, многое зависит от способа иммобилизации, природы матрицы и т. д. Примером окислительно-восстановительных реакций могут быть реакции восстановления золота и серебра солью Мора в присутствии комплексообразующих веществ.

Реакции комплексообразования широко используют в многочисленных тест-методах на ионы металлов, реже - в методах определения органических веществ. Специфических реакций образования комплексных соединений почти нет, поэтому во многих тест-средствах предусматривается регулирование рН, использование маскирующих веществ и другие способы повышения селективности. Одним из широко используемых реагентов является дитизон. [2] Он образует окрашенные комплексы со многими ионами металлов; по устойчивости их можно расположить в ряд:

Ag>Hg>Pd>Pt>Au>Cu>Bi>In>Sn>Zn>Cd>Co>Pb>Ni>Fe(II)>Mg>Tl(I).

Химический тест метод реагент

Хотя дитизон является реагентом на 30 катионов, можно, используя зависимость реакции от рН, маскирующие реагенты и реакции вытеснения, проводить довольно селективное определение. Например, в сочетании с тиомочевинной и ацетатом натрия дитизон использован при получении индикаторных бумаг для определения суммы тяжелых металлов, предел обнаружения 0,5 мг/л катиона.

Основными путями применения аналитических реагентов в тест-системах являются:

1) их используют в виде заранее приготовленных и фасованных растворов; 2) они иммобилизованы на твердую матрицу (носитель); 3) их используют в форме заранее взвешенных и упакованных доз в виде порошков, шариков, таблеток и т. д.

При использовании готовых растворов изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течении длительного времени. Концентрация реагентов соответствует ожидаемой концентрации определяемого компонента; часто в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда раствор содержит не только сам реагент, но также другие необходимые вещества.

Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества - восстановители или окислители, буферы, маскирующие агенты, смачивающие соединения, закрепители и др.

Например, один из вариантов реактивных бумаг для определения меди в воде готовят из фильтровальной бумаги, которую вначале пропитывают растворов восстановителя (гидрохлорид гидроксиламина, аскорбиновая кислота или их смесь) для восстановления меди (II) до меди (I), какую-либо слабую кислоту, затем после сушки обрабатывают органическим раствором аналитического реагента на медь (I) (купроин, неокупроин, батокупроин) вместе с эмульгатором. Можно вводить еще смеси Na2B4O7 - H3BO3 или H2CO3 - NH3 , которые увеличивают чувствительность определения меди [1].

Средства и приемы анализа различных объектов окружающей среды с использованием тест-систем

Основными средствами тестирования воды, водных растворов и других жидких сред являются бумажные индикаторные полоски, индикаторные трубки, таблетки и простейшие устройства для тестирования. Однако известны и другие средства. Применяемые процедуры зависят, естественно, от типа средств.

Разнообразием способов изготовления тест-устройств и определения концентрации с их помощью отличаются тест-системы, в которых аналитический реагент иммобилизован на твердых носителях, особенно на целлюлозных бумагах. Содержание компонентов определяют по тону или интенсивности окраски, возникающей после контакта носителя с исследуемой жидкостью, путем сравнения ее с цветной шкалой, либо по площади окрашенной или обесцвеченной зон индикаторных бумаг.

Индикаторные порошки представляют собой либо смеси необходимых реагентов для определения веществ, либо сыпучие материалы, на которых иммобилизованы реагенты. Они могут быть помещены в приборы для тестирования, представленные на рисунке 1. В первом случае концентрацию определяют по интенсивности окраски жидкости после внесения индикаторного порошка и его растворения в анализируемом растворе. Во втором случае индикаторный порошок вносят в пробу, перемешивают и определяют концентрацию по интенсивности окраски порошка [8].

Рисунок 1 - Приборы для тест-определений с использованием индикаторных порошков

1-колориметрическая трубка 2- анализируемый раствор 3- индикаторный порошок

Использование индикаторных порошков позволяет сочетать сорбционное концентрирование определяемого компонента из разбавленных растворов с его визуальным определением на поверхности. Высокая прозрачность индикаторных порошков обеспечивает высокую чувствительность определения. Установлено, что с увеличением удельной площади поверхности чувствительность определения возрастает.

Стеклянные индикаторные трубки (рисунок 2) заполняют носителем с закрепленным на нем реагентом. Через трубку пропускают определенный объем анализируемой жидкости; это можно делать с помощью шприца, за счет гидростатического давления или за счет капиллярных сил, опустив трубку в анализируемую жидкость и подождав, когда жидкость поднимется до конца заполняющего трубку слоя сорбента. В результате взаимодействия между закрепленным реагентом и аналитом образуется соединение, имеющее окраску, отличную от окраски слоя сорбента. Длина окрашенной зоны зависит от концентрации аналита.

Рисунок 2 - Способы определения концентрации с помощью индикаторных трубок

А - с принудительным пропусканием анализируемой жидкости;

Б - методом погружения и поднятия жидкости за счет капиллярных сил;

В - методом погружения с использованием гидростатического давления:

1 -- анализируемая жидкость; 2 -- индикаторная трубка; 3 -- окрашенная зона сорбента.

Объем анализируемого раствора, пропущенного через индикаторную трубку, определяют по формуле [9,10]

Таким образом, использование индикаторных порошков и трубок, как техническое средство при создании тест-систем может упростить и удешевить химический анализ. В этой связи является актуальным разработка новых тест-методов анализа, отличающихся селективностью, чувствительностью и экспрессностью.

Сточные воды. Виды сточных вод

Атмосферные осадки и воды, которые отводятся в естественные водоемы с территорий населенных пунктов и предприятий, принято называть сточными водами. Отвод осуществляется посредством канализации или естественным путем.

Влияние сточных вод на развитие всей биосферы можно недооценить, но переоценить невозможно. Сточные воды провоцируют и ускоряют эвтрофикацию водоемов, ведут к изменению биоценоза и гибели биологических видов, загрязняют объекты водопользования, которые человек использует в качестве источника питьевой воды. Даже артезианские бассейны уже не столь безупречны, как 100-150 лет тому назад.

Виной всему - бурная хозяйственная и промышленная деятельность человека. Источниками сточных вод становятся наши квартиры, детские сады, больницы, школы, магазины, салоны красоты, АЗС, предприятия металлургической, пищевой, фармацевтической промышленности. Чтобы хоть как-то приостановить разрушение гидросферы, разрабатываются законы и подзаконные акты, внедряются новые и совершенствуются давно известные методы очистки. А всесторонний анализ сточных вод позволяет разработать оптимальный алгоритм очистки (с учетом характера загрязнителей) для каждого промышленного объекта и оценить качество воды, покидающей очистные сооружения.

Почему в 80 % случаев законы, анализы и методы очистки игнорируются руководителями предприятий? Вопрос риторический, хотя ответ, на самом деле, очевиден - деньги. Мы же постараемся ответить на другой вопрос: какими характеристиками обладают сточные воды и как загрязнители влияют на их очистку? Но прежде бросим беглый взгляд на классификацию сточных вод и главные особенности отдельных их типов.

Виды сточных вод

1. Хозяйственно-бытовые (также можно встретить названия коммунальные и городские сточные воды). Это стоки из нашей кухни, санитарного узла, школы, поликлиники etc. Отводятся посредством хозяйственно-бытовой и общесплавной канализации. Состав загрязнителей: 58 % - органика, 42 % - минеральные вещества. Особенность - высокое содержание азотсодержащих соединений и фосфатов, значительная степень фекального загрязнения. 2. Промышленные сточные воды. Формируются на предприятиях, отводятся посредством промышленной канализации. Спектр загрязнителей определяется характером промышленной деятельности. Содержат органические и неорганические элементы, наибольшую опасность для гидросферы и человека представляют нефтепродукты, органические красители, фенолы, поверхностно-активные вещества, сульфаты, хлориды и тяжелые металлы. 3. Поверхностные сточные воды: стоки (дождевые и талые), формирующиеся из атмосферных осадков, проникающие в почву и стекающие в водоемы посредством ливневой канализации с территории промышленных предприятий и населенных пунктов. Спектр возможных загрязнителей широк и определяется особенностями территории. Анализ поверхностных сточных вод крайне затруднителен по очевидным причинам.

Введение - Характеристика, классификация и химические основы тест-систем

Похожие статьи