ВРЕМЯ УДЕРЖИВАНИЯ ВЕЩЕСТВА -- время пребывания исследуемого вещества в хроматографе. На практике время удерживания определяют от момента ввода пробы вещества в хроматограф до момента регистрации максимума сигнала детектора (на рис. 2 --t_R1, t_R2, t_R3 ).

* Примечание. Каждое вещество при одних и тех же хроматографических условиях имеет свое время удерживания. Это положение является основой идентификации (качественного анализа) компонентов разделяемой смеси по временам удерживания при жестком соблюдении постоянства условий эксперимента: состава элюента, расхода элюента (объемная скорость подачи элюента), использования одной и той же колонки, минимальных колебаний температуры окружающей среды, сравнимых количеств вещества в хрома-тографическом пике анализируемой смеси и стандарта.

ВРЕМЯ УДЕРЖИВАНИЯ НЕСОРБИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА (t_R) -- время удерживания вещества, которое не адсорбируется (не удерживается) адсорбентом

Рис. 3 Хроматограмма

А- амплитуда отклика детектора, Т -- время, мин.,

t_Ri - времена удерживания хроматографических пиков; t?_Ri - исправленные времена удерживания; t_м - время удерживания несорбируемого вещества

* Примечание. Определение времени удерживания несорбируемого вещества tм является важной проблемой, так как от точности определения tм зависит точность определения величины t^'_R , которая, в свою очередь, является исходной для расчета ряда хроматографических характеристик. Величина t_M является характеристикой конкретной хроматографической системы при постоянном расходе элюента.

Так как при проведении хроматографического эксперимента не всегда удается подобрать полностью несорбируемый компонент, да и критерии подбора такого компонента весьма расплывчаты, для расчетов используют время удерживания наименее сорбируемого компонента, которое также обозначается 1м.

2.4 Основные принципы проведения газовой хроматографии

Газовая хроматография (ГХ) приобрела большое значение как наиболее эффективный и универсальный метод разделения в самых различных областях. Газовая хроматография хорошо поддается автоматизации, в чем его неоспоримое преимущество перед другими современными физико-химическими исследованиями. Будучи одновременно и качественным, и количественным методом анализа сложных смесей различных органических и неорганических соединений, ГХ используется для комплексного изучения пищевых продуктов. Метод применим для разделения газов, жидких или твердых веществ, способных перегоняться без разложения при температурах до 400 - 500⁰ С. С помощью ГХ анализируют и такие соединения, которые могут быть превращены в летучие производные или производные, которые можно подвергнуть пиролизу. ГХ является частным случаем хроматографических методов, когда подвижной фазой является газ. Таким образом, ГХ представляет собой процесс, в котором разделение смеси производится с помощью подвижной газовой фазы, проходящей над сорбентом.

В ГХ в качестве подвижной фазы используют инертный газ (азот, гелий, водород), называемый газом-носителем. Пробу подают в виде паров, неподвижной фазой служит или твердое вещество сорбент (газо-адсорбционная хроматография) или высококипящая жидкость, нанесенная тонким слоем на твердый носитель (газожидкостная хроматография). В качестве носителя используют кизельгур (диатомит) - разновидность гидратированного силикагеля, часто его обрабатывают реагентами, которые переводят группы Si- OH в группы Si - O - Si (CH₃)₃, что повышает инертность носителя по отношению к растворителям. Таковыми являются, например, носители «хромосорб W» и «газохромб Q». Кроме того, используют стеклянные микрошарики, тефлон и другие материалы. Неподвижную фазу наносят на твердый носитель. Эффективность разделения в газожидкостной хроматографии зависит главным образом от правильности выбора жидкой фазы.

Анализируемое вещество вводится в поток газа - носителя, испаряется и в парообразном состоянии проходит через колонку с сорбентом, распределяясь в результате многократного повторения актов сорбции и десорбции между газовой и жидкой или газовой и твёрдой фазами. Отношение количества вещества в неподвижной фазе к количеству вещества в подвижной фазе представляет собой коэффициент распределения, который, в частности, зависит от природы растворенного вещества и количества неподвижной фазы.

Разделенные вещества элюируются из хроматографической колонки потоком газа-носителя, регистрируются детектором и фиксируются на хроматограмме в виде пиков. Полученная хроматограмма служит основой для качественного и количественного анализа смеси веществ. Метод газовой хроматографии применяется для анализа летучих веществ либо веществ, которые могут быть переведены в летучие с помощью специальных приемов и устройств в парообразное состояние.

Газовый хроматограф состоит из систем: измерения и регулирования скорости потока газа-носителя и вспомогательных газов (для детектора); ввода пробы анализируемого образца; газохроматографических колонок, а также систем детектирования, регистрации (и обработки) хроматографической информации; термостатирования и контроля температуры колонок, детектора и системы ввода проб.

Газ-носитель поступает в хроматограф из баллона через редуктор. Обычно в качестве газа-носителя применяют гелий, азот, аргон. При работе с детектором по теплопроводности предпочтительнее гелий, так как он обеспечивает максимальную чувствительность детектора благодаря высокой теплопроводности по сравнению с большинством органических соединений.

Система ввода пробы анализируемого образца обычно состоит из испарителя и мембраны из термостойкой резины, которая прокалывается при вводе пробы. Некоторые хроматографы снабжены также специальными дозаторами для ввода газообразных и твердых веществ. Анализируемые вещества поступают в колонку в парообразном состоянии, поэтому температура испарителя должна обеспечить возможно быстрое испарение компонентов пробы. Жидкие пробы вводят в хроматограф микрошприцем. Объем вводимой пробы зависит от типа детектора, количества неподвижной жидкой фазы и диаметра колонки. Обычно для насадочной аналитической колонки объем пробы жидкости составляет 0,1--1 мкл, а газа -- от 0,5 до 5 мл.

Газохроматографическая колонка представляет собой прямую, спиральную или U-образную трубку, обычно изготовленную из нержавеющей стали или стекла, с внутренним диаметром от 0,6 до 5 мм. Наиболее часто используются колонки длиной 1--3 м.

Эффективность газохроматографической колонки n, характеризующая степень расширения зоны определяемого вещества на выходе газохроматографической колонки, определяется по формуле:

n=5,545,² (2)

где l -- время удерживания вещества, выраженное в единицах длины диаграммной ленты (например, мм); м_0,5-- ширина хроматографического пика, измеренная на половине его высоты и выраженная в тех же единицах, что и расстояние удерживания.

Степень газохроматографического разделения веществ R определяют по формуле:

(3)

где l --разность расстояний времен удерживания разделяемых веществ 1 и 2.

Температура колонки должна обеспечивать оптимальное разделение компонентов смеси при достаточно коротком времени анализа.

Для анализа смесей с широким диапазоном температур кипения компонентов целесообразно применять газовую хроматографию с программированием температуры либо газовую хроматографию с программированием расхода газа-носителя, либо сочетание этих видов газовой хроматографии.

Твердый носитель служит для удержания тонкой равномерной пленки неподвижной жидкой фазы, его поверхность должна обеспечивать достаточное разделение. Он должен иметь достаточную механическую прочность и быть инертным как по отношению к анализируемым веществам, так и к жидкой фазе. В качестве твердых носителей применяют материалы на основе кремнезема -- диатомита или кизельгура (например, сферохромы, хроматоны, хезосорбы, целиты); фторуглеродных полимеров (например, тефлон, полихром); полистирола и сополимеров стирола и дивинилбензола (полисорбы). В отдельных случаях в качестве твердых носителей могут использоваться кристаллы некоторых солей (например, хлорида натрия), стеклянные шарики и графитированная сажа (карбохром). Наиболее часто используемый размер частиц твердого носителя от 0,1 до 0,5 мм. В зависимости от задач анализа можно изменять свойства носителей обработкой их кислотами или щелочами, а также силанизированием.

Неподвижная жидкая фаза представляет собой, как правило, высококипящую жидкость. В качестве жидкой фазы обычно применяют: индивидуальные углеводороды или их смеси, например вазелиновое масло, апиезоны; силоксановые полимеры без функциональных групп; сложные эфиры и полиэфиры; простые эфиры; полифенилы; амиды; силоксановые полимеры с привитыми нитрильными или галогеналкильными группами; одно- и многоатомные спирты; полигликоли; амины; жирные кислоты и т. д.

Перед работой с новой колонкой ее следует кондиционировать при температуре, как правило, на 10--30°С превышающей рабочую температуру, в токе газа-носителя в течение нескольких часов. Важно следить за тем, чтобы температура термостата колонки не превышала температурного предела применения данной фазы.

Как правило, неподвижная жидкая фаза наносится на твердый носитель в количестве 1--20% от его массы, наиболее часто используются колонки с содержанием жидкой фазы до 5--10% от массы твердого носителя. Нанесение жидкой фазы на носитель осуществляется из ее раствора в подходящем растворителе. Существует несколько методов нанесения жидкой фазы, из которых предпочтительнее пользоваться наиболее воспроизводимыми методами упаривания раствора при перемешивании в фарфоровой чашке или удаления растворителя в ротационном вакуумном испарителе.

Для обеспечения высокой эффективности разделения применяют капиллярную газовую хроматографию, в которой неподвижная жидкая фаза нанесена в виде тонкой пленки непосредственно на внутреннюю поверхность капилляра. Длина капиллярных колонок обычно составляет от 10 до 100 м, внутренний диаметр -- от 0,1 до 0,6 мм.

Автоматическая система измерения, регистрации и обработки хроматографической информации включает в себя детектор, электронные устройства усиления, самопишущий измерительный прибор и интегратор.

Наиболее часто применяют детектор по теплопроводности и пламенно-ионизационный. Действие детектора по теплопроводности основано на изменении теплопроводности газа-носителя в присутствии других веществ. Он характеризуется большой универсальностью, так как чувствителен практически ко всем летучим органическим соединениям. Действие более чувствительного пламенно-ионизационного детектора основано на измерении тока насыщения ионизированной газовой смеси в зависимости от ее состава. Детектор чувствителен к органическим соединениям и не чувствителен к парам воды. Кроме этих двух детекторов, в газохроматографическом анализе лекарственных веществ, особенно если требуется повышенная чувствительность определения, можно использовать селективные детекторы, такие как термоионный и электронозахватный.

Системы термостатирования и контроля температуры колонок, детектора, узла ввода пробы предназначены для обеспечения необходимых температурных режимов анализа.

2.4.1 Качественный анализ

Наиболее часто используемыми методами качественного анализа, применяемыми для идентификации лекарственных веществ, являются метод веществ-свидетелей и метод относительных удерживаний.

Метод веществ-свидетелей заключается в том, что непосредственно после анализа исследуемого образца в идентичных условиях проводят хроматографирование веществ, присутствие которых в исследуемой пробе вероятно. Совпадение времен удерживания любого из компонентов анализируемой пробы и вещества-свидетеля может служить доказательством идентичности обоих веществ. Можно ввести вещество-свидетель прямо в анализируемый образец. В этом случае критерием идентичности служит увеличение соответствующего пика на хроматограмме. Поскольку соединения различной структуры могут иметь совпадающие времена удерживания (удерживаемые объемы), для большей достоверности проводимой идентификации хроматограммы анализируемого образца и веществ-свидетелей должны быть сняты минимум на двух колонках с неподвижными жидкими фазами, отличающимися по полярности.

Для идентификации веществ по методу относительных удерживаний проводят анализ образца в условиях, указанных в конкретной методике, причем предварительно к пробе прибавляют определенное количество указанного в методике вещества сравнения. Относительное удерживание (ч) определяется по формуле:

ч (4)

где t_R -- время газохроматографического удерживания анализируемого вещества; t_Rср-- время удерживания веществ сравнения; t₀ -- время удерживания несорбирующегося вещества.

2.4.2 Количественный анализ

Количественный анализ проводят с учетом измерения параметров пиков веществ на хроматограммах. Практически используют два параметра пиков: площадь или высоту. Наиболее часто применяемым параметром является площадь пика.

Площади пиков на хроматограмме определяют одним из следующих способов: умножением высоты пика (h) на его ширину (м_0,5), измеренную на половине его высоты; планиметрированием; с помощью интегратора. В связи с тем что чувствительность детекторов по отношению к разделяемым веществам, как правило, неодинакова, в необходимых случаях количественному определению предшествует градуировка прибора.

Существует три основных метода количественного анализа: метод абсолютной градуировки, метод внутренней нормализации и метод внутреннего стандарта.

Метод абсолютной градуировки основан на предварительном определении зависимости между количеством введенного вещества и площадью или высотой пика на хроматограммах. В хроматограф вводят известное количество градуировочной смеси и определяют площади или высоты полученных пиков.

Строят график зависимости площади или высоты пика от количества введенного вещества. Анализируют исследуемый образец, измеряют площадь или высоту пика определяемого компонента и на основании градуировочного графика рассчитывают его количество.

Метод внутренней нормализации основан на приведении к 100% суммы площадей пиков на хроматограмме.

Метод внутреннего стандарта основан на сравнении выбранного определяющего параметра пика анализируемого вещества с тем же параметром вещества для сравнения, введенного в пробу в известном количестве. В исследуемую пробу вводят известное количество такого вещества для сравнения, пик которого достаточно хорошо разделяется с компонентами исследуемой смеси. Проводят анализ пробы с веществом сравнения и рассчитывают количество определяемого вещества.

Последние два метода требуют введения поправочных коэффициентов, характеризующих чувствительность используемых типов детекторов к анализируемым веществам. Для разных типов детекторов и разных веществ коэффициент чувствительности определяется экспериментально.

ГХ обладает высокой чувствительностью и разделительной способностью и позволяет количественно анализировать многокомпонентные смеси. Состав газового потока, выходящего из колонки, определяется либо самопишущим прибором, либо компьютером с образованием хроматографической кривой - хроматограммы. По качеству полученной хроматограммы можно судить о качественном и количественном составе разделяемой смеси.

Расшифровка результатов хроматографического анализа достаточно проста, а современный газовый хроматограф представляет собой автоматический прибор, требующий от обслуживающего персонала осуществления лишь небольшого числа операций.

2.5 Основные принципы проведения высокоэффективной жидкостной хромотографии

Хроматографическое разделение смеси на колонке вследствие медленного продвижения подвижной фазы занимает много времени. Для ускорения процесса хроматографирование проводят под давлением. Этот метод называется высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).

ВЭЖХ является удобным способом разделения, препоративного выделения и проведения качественного и количественного анализа нелетучих термолабильных соединений как с малой, так и с большой молекулярной массой.

В зависимости от типа применяемого сорбента в данном методе используют два варианта хроматографирования на полярном сорбенте с использованием неполярного элюента (вариант прямой фазы) и неполярного сорбента. При использовании полярного элюента жидкостная хроматография называется обращеннофазовой высокоэффективной хроматографией (ОФВЭЖХ). При переходе элюента к элюенту равновесие в условиях ОФВЭЖХ устанавливается во много раз быстрее, чем в условиях полярных сорбентов и неводных подвижных фазах. В следствие этого, а также удобства работы с водными и водно-спиртовыми элюентами ОФВЭЖХ получила в настоящее время большую популярность. Большинство анализов при помощи ВЭЖХ проводится именно этим методом.

Аппаратура для ВЖХ

Комплект современного оборудования для ВЖХ, как правило, состоит из двух насосов 3,4 (рис.4), управляемых микропроцессором 5, и подающих элюент по определенной программе

Рис. 4 Схема современного жидкостного хроматографа

1,2 - сосуды с элюентами; 3, 4 - насосы; 5 контроллер; 6 - смесительная камера; 7 - инжектор; 8 - колонка; 9 - детектор;10 - регистратор; 11 - блок автоматической обработки результатов анализа; 12 - коллектор фракций; 13 - термостат

Насосы создают давление до 40 МПа. Проба вводится через специальное устройство (инжектор) 7 непосредственно в поток элюента. После прохождения через хромагографическую колонку 8 вещества детектируются высокочувствительным проточным детектором 9, сигнал которого регистрируется и обрабатывается микро-ЭВМ 11. При необходимости, в момент выхода пика автоматически отбираются фракции.

Колонки для ВЖХ выполняют из нержавеющей стали с внутренним диаметром 2 - 6 мм и длиной 10-25 см. Колонки заполняют сорбентом (НФ). В качестве НФ используются силикагель, оксид алюминия или модифицированные сорбенты. Модифицируют обычно силикагель, внедряя химическим путем в его поверхность различные функциональные группы.

С помощью детекторов производится регистрация выхода на колонки отдельного компонента. Для регистрации можно использовать изменение любого аналитического сигнала, идущего от подвижной фазы и связанного с природой и количеством компонента смеси. В жидкостной хроматографии используют такие аналитические сигналы, как светопоглощение или светоиспускание выходящего раствора (фотометрические и флуориметрические детекторы), показатель преломления (рефрактометрические детекторы), потенциал и электрическая проводимость (электрохимические детекторы) и др.

Непрерывно детектируемый сигнал регистрируется самописцем. Хро-матограмма представляет собой зафиксированную на ленте самописца последовательность сигналов детектора, вырабатываемых при выходе из колонки отдельных компонентов смеси. В случае разделения смеси на внешней хроматограмме видны отдельные пики. Положение пика на хроматограмме используют для целей идентификации вещества, высоту или площадь пика - для целей количественного определения.

2.5.1 Качественный анализ

Важнейшие характеристики хроматограммы ( время удерживания t_R и связанный с ней удерживаемый объем) отражают природу веществ, их способность к сорбции на материале неподвижной фазы и, следовательно, при постоянстве условий хроматографирования являются средством идентификации вещества. Для данной колонки с определенными скоростью потока и температурой время удерживания каждого соединения постоянно (рис.5);

Рис.5 Параметры хроматограммы:

t_R(A) - время удерживания компонента А анализируемой смеси с момента ввода в колонку до появления на выходе из колонки максимума пика, t _R(вс) - время удерживания внутреннего стандарта (первоначально отсутствующее в анализируемой смеси вещество), h - высота пика (мм), а_1/2- ширина пика на половине его высоты, мм.

Для идентификации вещества по хроматограмме обычно используют стандартные образцы или чистые вещества. Сравнивают время удерживания неизвестного компонента t _Rx с временем удерживания t_RCT известных веществ. Но более надежна идентификация по измерению относительного времени удерживания

t _R(отн)= (5)

При этом в колонку сначала вводят известное вещество (внутренний стандарт) и измеряют время его удерживания t_R(ВС), затем хроматографически разделяют (хроматографируют) исследуемую смесь, в которую предварительно добавляют внутренний стандарт. Относительное время удерживания определяют по формуле (5).

2.5.2 Количественный анализ

В основе этого анализа лежит зависимость высоты пика h или его площади S от количества вещества. Для узких пиков предпочтительнее измерение h, для широких размытых - S. Площадь пика измеряют разными способами: умножением высоты пика (h) на его ширину (a_1/2), измеренную на половине его высоты (рис.2.); планиметрированием; с помощью интегратора. Электрическими или электронными интеграторами снабжены современные хроматографы.

Для определения содержания веществ в пробе используют в основном три метода: метод абсолютной градуировки, метод внутренней нормализации и метод внутреннего стандарта.

Метод абсолютной градуировки основан на предварительном определении зависимости между количеством введенного вещества и площадью или высотой пика на хроматограмме. В хроматограмму вводят известное количество градуировочной смеси и определяют площади или высота полученных пиков. Строят график зависимости площади или высоты пика от количества введенного вещества. Анализируют исследуемый образец, измеряют площадь или высоту пика определяемого компонента и на основании градировочного графика рассчитывают его количество.

Метод внутренней нормализации основан на приведении к 100% суммы площадей всех пиков на хроматограмме. Расчет массовой доли в процентах одного компонента проводят по формуле

, (6)

где К - поправочные коэффициенты; s_a, s_b, S - площади пиков компонентов смеси.

Этот метод дает информацию только об относительном содержании компонента в смеси, но не позволяет определить его абсолютную величину.

Метод внутреннего стандарта основан на сравнении выбранного параметра пика анализируемого вещества с тем же параметром стандартного вещества, введенного в пробу в известном количестве. В исследуемую пробу вводят известное количество такого стандартного вещества, пик которого достаточно хорошо отделяется от пиков компонентов исследуемой смеси (рис.2). Проводят анализ пробы с внутренним стандартом и рассчитывают количество определяемого вещества но формуле:

(7)

где g_(A) - количество определяемого компонента А; h_(а) - высота пика компонента A; g_(BC) - количество внутреннего стандарта; h_(BC) -- высота пика внутреннего стандарта; k_(A) и k_(bc) - поправочные коэффициенты.

В последних двух методах требуется введение поправочных коэффициентов, характеризующих чувствительность используемых детекторов к анализируемым веществам. Для разных типов детекторов и разных веществ коэффициент чувствительности определяется экспериментально.

В жидкостной адсорбционной хроматографии используется также анализ фракций растворов, собранных в момент выхода вещества из колонки. Анализ может быть проведен различными физико-химическими методами».

Жидкостную адсорбционную хроматографию применяют в первую очередь для разделения органических веществ. Этим методом весьма успешно изучают состав нефти, углеводородов, эффективно разделяют транс- и цис- изомеры, алкалоиды и др. С помощью ВЖХ можно определять красители, органические кислоты, аминокислоты, сахара, примеси пестицидов и гербицидов, лекарственных веществ и других загрязнителей в пищевых продуктах.

Модернизация аппаратуры, применяемая в классической жидкостной колоночной хроматоографии, сделала ее одним из перспективных и современных методов анализа.

Причин быстрого развития ВЭЖХ несколько. Прежде всего следует назвать большой диапазон молекулярных масс веществ, с которыми можно работать: от нескольких единиц до десятков миллионов, что существенно шире, чем в газовой хроматографии. Кроме того, мягкость условий ВЭЖХ (почти все разделения можно проводить при температурах близких к комнатной, при отсутствии контакта с воздухом) делает ее особенно пригодным, а зачастую единственным методом исследования лабильных соединений в частности биологически активных веществ и биополимеров. Эффективность разделения, которую дает ВЭЖХ, существенно превосходит достигнутую в газовой хроматографии. Скорость анализа методом ВЭЖХ высокая: обычно разделение сложной смеси занимает несколько минут. ВЭЖХ является также точным количественным методом, как и ГХ. Метод ВЭЖХ дает возможность препаративно выделить из сложной смеси в мягких условиях чистые вещества, которые далее исследуются другими физико-химическими методами. Чувствительность, достигнутая в ВЭЖХ, в ряде случаев превосходит чувствительность в ГХ.

Среди разнообразных хроматографических методов газовая и ВЭЖХ являются самыми перспективными для решения сложных задач в практике пищевого анализа.

Так в число задач, которые могут быть разрешены в пищевом анализе с помощью этих методов, входят:

определение химической природы веществ, обуславливающих характерный аромат свежих продуктов;

контроль за состоянием продуктов в процессе обработки и хранении;

объективная оценка показателей, характеризующих качество исходного сырья и готовых изделий из него;

установление и устранение причин, вызывающих нежелательные изменения продуктов в процессе их изготовления;

установление факта фальсификации продукта.

Методами ГХ и ВЭЖХ идентифицируют и определяют летучие вещества, участвующие в формировании вкуса и аромата многих пищевых продуктов или отвечающих за их порчу. Например, определяют летучие жирные кислоты, характерные для качественного мяса, или кислоты, образующиеся при изменении нормального процесса брожения квашеной капусты и обуславливающие посторонние оттенки ее запаха. Методы используются для определения никотина, нитрозамина (в рыбе и копченостях); пищевых добавок (красители, консерванты, антиокислители); загрязнитей окружающей среды (пестициды, афлотоксины, остатки лекарственных препаратов), витаминов и др.

Весьма ценными являются методы ГХ и ВЭЖХ в установлении фактов фальсификации продовольственных товаров. Так желтый краситель в макаронных изделиях может создать впечатление о высокой ценности продукта. Наличие такого красителя можно подтвердить методом ВЭЖХ. Определение антоцианов и гликозидов, отвечающих за цвет вина, позволяет выявить натуральность вина. Подделки коньяка также можно распознать с помощью ГХ. Методом ВЭЖХ идентифицируют и определяют небелковый азот, например, мочевину, которую добавляют при фальсификации белковых продуктов с целью увеличения азотистых веществ. Обнаружение аминокислоты оксипролина, присутствующей, главным образом, в белках соединительной ткани, т.е. в дешёвом сырье, позволяет выявить факт замены им полноценного белка мяса. С помощью ВЭЖХ можно определить фальсификацию кофе.

3. Радиометрические методы анализа

Эти методы основаны на различии в интенсивности излучения, поглощения или отражения рентгеновского и радиоактивного излучений компонентами анализируемого вещества. Определение состава и концентрации производится по спектрам собственного излучения вещества, по поглощению радиоактивного излучения, по спектрам вторичного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов, г - и в -излучений с веществом. Радиоактивные методы широко применяются для экспертного анализа многокомпонентных сред, для анализа бинарных жидкостей, для определения концентраций тяжелых элементов в растворах, а также для измерения влажности продуктов, грунтов, торфов, строительных материалов, для измерения примесей в сверхчистых веществах.

В настоящее время существуют следующие методы регистрации ионизирующих излучений: ионизационный; сцинтиляционный; люминесцентный; фотографический; химический.

3.1 Ионизационный метод

Ионизационный метод основан на измерении ионизации в газе, заполняющем регистрационный прибор. Ионизация газа вызывается электронами, освобождающимися под действием фотонного излучения.

В ионизационной бесстеночной камере объемом V образуется q пар ионов на единицу объема, и если они все достигнут измерительных электродов, на которые подана разность потенциалов, то возникает ток насыщения (i):

i=q·e·V,

где е - заряд иона.

Мощность экспозиционной дозы измеряют с помощью ионизационной камеры, ионизационный объем которой окружен твердой стенкой.

Соотношение между мощностью экспозиционной дозы и током насыщения в камере высчитывают следующим образом:

, (1)

где р - мощность экспозиционной дозы, сГр/с;

а - коэффициент, определяемый по заряду, образующемуся в 1 см³ камеры при р=1сГр/с;

и - массовый коэффициент поглощения фотонов в воздухе и стенках камеры; - средняя энергия ионообразования, необходимая для образования пары ионов в воздухе (=33,85эВ).

Чувствительность ионизационной камеры по мощности экспозиционной дозы определяют соотношением i/р.

Существенным недостатком ионизационных камер является их низкая чувствительность. Для повышения чувствительности камеры увеличивают ее объем, подбирают специальные материалы стенок и т.д. наиболее чувствительным детектором в дозиметрии фотонового излучения является газоразрядный счетчик. Число разрядов в счетчике N_а за единицу времени и на единицу площади его поверхности составляет:

N_a= N_J·е_сч, (2)

где N_J - плотность потока фотонов;

е_сч - эффективность счетчика.

Чувствительность счетчика по мощности экспозиционной дозы будет равна

,

где - средняя энергия одного кванта.

3.2 Сцинтиляционный метод

Сцинтиляционный метод основан на регистрации фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) вспышек света, возникающих в сцинтилляторе под действием излучения. Измеряемые анодный ток (i_ср) ФЭУ и скорость света (n_c) пропорциональны мощности экспозиционной дозы.

Рентгеновское или г-излучение рождают в сцинтилляторе фотоэлектроны, которые, поглощаясь в нем, образуют световые фотоны, последние, в свою очередь, выбивают из фотокатода ФЭУ фотоэлектроны, которые после электронного умножения измеряют.

Для практических измерений очень удобно использование приборов, в которых одним люминесцентным детектором регистрируются нейтроны всех энергий.

3.3 Люминесцентный метод

Некоторые люминесцирующие вещества способны накапливать часть энергии поглощенного ионизирующего излучения и отдавать ее в виде светового свечения после дополнительного воздействия ультрафиолетовым или видимым светом или нагревом. Последний отмечается при высокой температуре (около 400°С), приводит к полному высвечиванию и позволяет многократно использовать один и тот же люминофор. Такие люминофоры удобны для рентгеновского и г-излучений и могут быть использованы как индивидуальные дозиметры нейтронного и г-излучений. Люминесцентные методы дозиметрии основаны на эффектах радиофотолюминесценции (ФЛД) или радиотермолюминесценции (ЛТД).

3.4 Фотографический метод

Фотографический метод представляет собой совокупность мелких кристаллов бромистого серебра, взвешенных в слое желатина. Прохождение ионизирующего излучения через фотоэмульсию делает затронутые им кристаллы способными к проявлению. В результате поглощения излучения в кристаллах образуются центры проявления, состоящие из групп атомов металлического серебра. Совокупность этих центров создает изображение. В процессе изготовления эмульсии и при хранении образуется ложное скрытое изображение, которое при последующем проявлении делает легкое почернение, называемое вуалью.

Метод индивидуальной фотодозиметрии фотонного излучения основан на том, что степень почернения дозиметрической фотопленки после облучения в некотором диапазоне облучений пропорциональна экспозиционной дозе. Сравнивая почернение пленки, которую носит человек, с контрольной, находят дозу излучения, воздействующую на человека.

3.5 Химический метод

Химический метод дозиметрии основан на измерении числа молекул или ионов, образующихся или претерпевших изменения при поглощении веществом излучения. Число образующихся молекул или ионов, т.е. радиационно-химический выход, пропорционально поглощенной дозе излучения:

D=kc/Gp, (3)

где D - доза излучения,

с - концентрация продукта,

G - выход одного из продуктов радиационно-химической реакции,

р - плотность вещества, подвергшегося излучению.

Многие химические дозиметры представляют собой водные растворы некоторых веществ. Широкую область применения имеют ферросульфатный дозиметр, представляющий собой насыщенный воздухом раствор соли FeSO₄ в разбавленной серной кислоте. В растворе в результате электрохимической диссоциации присутствуют ионы двухвалентного железа Fe²⁺. Под действие излучения происходит радиолиз воды с образованием свободных радикалов Н⁺ и ОН^- и окислителей, которые окисляют Fe²⁺ до Fe³⁺; появление Fe³⁺ изменяет оптическую плотность раствора, измеряемую спектрометром, а затем, сравнении оптической плотности облученного (S_обл) и необлученного растворов(S₀) оценивают дозу облучения (рад):

D= , (4)

где D - доза облучения, рад;

Е_m - молярный коэффициент, характеризующий ослабление света в результате поглощения и рассеяния (2174 л/моль·см при Т=23,7°С);

d_c - толщина слоя исследуемого раствора, см,

V_b - выход реакции ионов Fe³⁺ на 1 л 0,8 Н раствора H₂SO₄ на 1000 рад, 15,3 мк/моль.

Диапазон измерения дозы ферросульфатного дозиметра 25-2·10⁵ рад. Для регистрации более высоких доз используют цезиевый дозиметр. Химические дозиметры можно применять для регистрации не только фотонного излучения, но и тепловых нейтронов.

4. Электрохимические методы анализа

Методы, основанные на процессах, происходящих на электродах или в межэлектродном пространстве, называют электрохимическими.

При выполнении анализа используют функциональную зависимость тока, потенциала или электрохимической проводимости (сопротивления) от концентрации анализируемого вещества в растворе. Несмотря на то что число параметров, характеризующих электрические свойства растворов, ограничено, известно много электрических методов. Дело в том, что любой из параметров (ток, потенциал) можно в процессе проведения анализа задавать или изменять. Комбинируя различными способами задаваемый или изменяемый параметр, можно иметь дело с различными электрохимическими анализами.

В зависимости от способа получения информации различают:

прямые методы определения, в которых из измеряемых электрических величин непосредственно получают аналитическую информацию.

методы индикации (косвенные методы анализа) применяют в титрометрии для установления конечной точки титрования (потенциометрическое, амперометрическое титрование).

Основным элементом приборов электрохимического анализа является электрохимическая ячейка.

В методах без наложения постороннего потенциала она представляет собой гальванический элемент, в котором затем при протекании химических окислительно-восстановительных реакций возникает электрический ток. В ячейки гальванического элемента в контакте с анализируемым раствором находятся два электрода - индикаторный электрод, потенциал которого зависит от концентрации вещества, и электрод сравнения, относительно которого измеряют потенциал индикаторного электрода. Измерение разности потенциалов производят специальными приборами.

К современным электрохимическим методам анализа относятся полярография, вольтометрометрия простая и инверсионная вольтометрометрия, потенциометрия и ряд других.

4.1 Полярография

Полярография - электрохимический метод анализа, основанный на измерении силы тока, возникающего при электролизе раствора анализируемого вещества на микроэлектроде. Это чрезвычайно чувствительный метод, позволяющий работать с очень разбавленными растворами и небольшими объемами. Метод позволяет получить данные по окислению и восстановлению даже в том случае, когда это не удается сделать никаким другим способом. С помощью полярографии изучают как быстрые, так и медленные реакции.

В основе полярографического метода лежат процессы поляризации на непрерывно обновляющемся капельном ртутном электроде (катоде).

Если в растворе есть ионы, способные восстанавливаться, то по достижению определенного потенциала (потенциальное восстановление или разложение) они начинают разряжаться, через раствор начинает проходить ток. При этом раствор возле ртутного катода начинает быстро обедняться ионами, наступает концентрационная поляризация. Концентрация ионов у поверхности непрерывно уменьшается, пока не станет практически равной нулю. Но в глубине раствора остается постоянной. Новые количества ионов доставляются к поверхности электрода путем диффузии, пропорциональной разности концентраций, которая теперь равна концентрации ионов в глубине раствора. Устанавливается предельный, или диффузионный ток, величина которого больше не увеличивается с увеличением потенциала.

При помощи полярографического метода обычно изучаются вещества, способные к электровосстановлению, реже вещества, окисляющиеся при электролизе. Обычная область концентраций анализируемых веществ составляет 10^-2 - 10^-4 моль/л.

Электролиз проводят в полярографической ячейке, состоящей из сосуда - электролизера и электродов.

Микроэлектродом является ртуть, вытекающая каплями из тонкого стеклянного капилляра (ртутный капающий электрод), макроэлектродом служит либо слой ртути на дне электролизера, либо внешний стандартный электрод, чаще всего насыщенный каломельный электрод. Обычно микроэлектрод функционирует в качестве катода, на котором происходит электрохимическое восстановление анализируемого вещества.

При подаче на электроды постепенно возрастающего напряжения вначале через электролизер протекает очень слабый ток, называемый остаточным, который линейно зависит от величины приложенного напряжения. Когда достигается потенциал выделения, характерный для данного электроактивного вещества -- деполяризатора, начинается электролиз и сила тока резко возрастает, при этом средняя концентрация деполяризатора у поверхности ртутного капающего электрода уменьшается, а скорость диффузии соответственно возрастает. При дальнейшем увеличении напряжения концентрация деполяризатора у поверхности электрода становится настолько малой по сравнению с концентрацией в основной части раствора, что разность концентраций по величине приближается к концентрации анализируемого вещества в растворе. При этом через систему будет протекать максимально возможный ток, который называется предельно диффузионным. В результате на графике зависимости силы тока от напряжения появляется так называемая полярографическая волна (рис.6 )



Рис. 6 Полярограмма (1- остаточный ток, 2- диффузионный ток)

Величина диффузионного тока выражается уравнением Ильковича:

I_d=607ncD^1/2m^2/3t^1/6,

где I_d -- величина среднего диффузионного тока в микроамперах (мкА); п--число электронов, расходуемых на электрохимическое превращение одной молекулы деполяризатора;

с--концентрация определяемого вещества (ммоль/л); D -- коэффициент диффузии деполяризатора (см²/с); m--масса ртути, вытекающей в секунду из капилляра (мг/с); t -- период капания капающего электрода (с).

Уравнение Ильковича отражает линейную зависимость величины предельного диффузионного тока от концентрации вещества в растворе, а также указывает на зависимость диффузионного тока от характеристики применяемого в эксперименте капающего электрода(m^2/3) и характера электроактивных частиц (n_D^1/2). В водных растворах в интервале температур от 20 до 50°С диффузия с повышением температуры возрастает приблизительно на 3% на градус, а значения i_d на 1--2% на градус повышения температуры, поэтому температуру полярографической ячейки следует соблюдать с точностью до ±0,5°С при стандартной температуре 25°С.

Величины (m) и (t) зависят от параметров ртутного капающего электрода и высоты столба ртути.

Ртутный капающий электрод представляет собой стеклянный капилляр с внешним диаметром 3--7 мм и внутренним 0,03--0,05 мм, длина капилляра 7--15 см. Высота ртутного столба (расстояние от конца капилляра до поверхности ртути в резервуаре) должна составлять 40--80 см.

Количество электричества, проходящее через испытуемый раствор за время регистрации полярограммы, очень мало, поэтому изменение концентрации деполяризатора в исследуемом растворе ничтожно, что позволяет многократно регистрировать полярограммы.

Для создания достаточной электропроводности к испытуемому раствору прибавляют избыток (в 50--100 раз) индифферентного электролита, так называемого полярографического фона, т. е. соли, ионы которой не принимают участия в электродной реакции, но участвуют в переносе электрических зарядов через раствор. Ток разряда электролита фона не должен мешать наблюдению тока восстановления или окисления анализируемого вещества.

Полярографический анализ может быть проведен как в водной среде, так и в смешанной водно-органической (водно-спиртовой, водно-ацетоновой, водно-диметилформамидной и др.) или неводных средах (спирт, ацетон, диметилформамид, диметилсульфоксид и т. д.).

Потенциал полуволны E_1/2 (рис.1) характеризует природу электроактивного вещества. E_1/2 сильно зависит от состава и рН раствора, но обычно мало зависит от концентрации диполяризатора и характеристики капилляра, вследствие чего он может служить критерием при качественной идентификации определяемого вещества.

Количественный полярографический анализ основан на измерении предельного диффузионного тока определяемого вещества (высоты волны). Высота волны определяется графически либо проведением касательных по способу, представленному на рис.1, а, либо вычитанием остаточного тока фона (полярографируемого раствора, содержащего все реактивы в той же концентрации, в какой они содержатся в испытуемом растворе, но без определяемого вещества).

Второй способ пригоден в случае, если полярограмма имеет недостаточно четко выраженную площадку предельного диффузионного тока, к тому же позволяет проверить чистоту реактивов, используемых для приготовления исследуемого раствора.

Методика определения. Для аналитических целей обычно применяются электроды с величиной 2--Зс, m=1--2 мг/с или электроды с принудительным отрывом капли, имеющие (t=0,2--0,5 с при тех же величинах m). Испытуемый раствор помещают в полярографическую ячейку и снимают полярограмму. Перед снятием полярограммы для удаления растворенного кислорода из полярографируемого раствора через него пропускают инертный газ (аргон, очищенный азот) в течение 5--20 мин в зависимости от применяемого растворителя. В отдельных случаях кислород связывают химически (сульфитом натрия, метолом). Для предотвращения потерь растворителя за счет испарения инертный газ следует предварительно пропускать через раствор фона.

Для определения концентрации исследуемого вещества пользуются следующими методами.

Метод калибровочных кривых. Готовят ряд растворов с различной концентрацией стандартного образца, снимают их полярограммы и определяют высоты волн. По полученным данным строят калибровочный график, откладывая по оси абсцисс величины концентраций, а по оси ординат соответствующие значения диффузионного тока (высоты волн). Калибровочный график обычно представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Затем снимают полярограмму испытуемого раствора и, пользуясь калибровочным графиком, находят искомую концентрацию.

Метод целесообразно применять при анализе большого количества серийных растворов. Этот метод наиболее точен.

Метод стандартных растворов. В случае анализа отдельных проб пользуются более простым методом стандартных растворов, заключающимся в том, что сначала полярографируют испытуемый раствор, а затем в тех же условиях 2--3 стандартных раствора, содержащих определяемое вещество в известной концентрации. Концентрация стандартных растворов подбирается с таким расчетом, чтобы полученная высота волны была примерно равна высоте волны неизвестного раствора.

Сопоставляя высоту волн стандартных растворов (Н_сm) c высотой волны испытуемого раствора (Н_х), концентрацию вещества в испытуемом растворе (С_х) рассчитывают по формуле:

(1)

где С_сm -- концентрация раствора стандартного образца.

Метод добавок. Снимают полярограмму испытуемого раствора, затем к нему прибавляют раствор с известной концентрацией определяемого вещества и снимают вторую полярограмму. Для обеспечения большей точности определения стандартный раствор добавляют в таком количестве, чтобы высота волны получалась примерно вдвое больше первоначальной.

Концентрацию вещества в испытуемом растворе (с,) рассчитывают по формуле:

, (2)

где С_сm -- концентрация раствора добавляемого стандартного образца; Н_x -- высота волны испытуемого раствора; Н_сm -- высота волны, полученная после прибавления стандартного раствора; V_х -- объем испытуемого раствора; V_cт -- объем прибавленного стандартного раствора.

Метод имеет особое значение при анализе растворов, в которых неизвестно точное содержание присутствующих в нем посторонних веществ.

Относительная ошибка воспроизводимости полярографического метода составляет 2--5%.

Примечание. Пары ртути ядовиты. Работу проводят в хорошо проветриваемом помещении. Полярографическую ячейку устанавливают в вытяжном шкафу. Пролитую ртуть немедленно собирают. Стеклянную посуду, загрязненную мельчайшими каплями ртути, моют концентрированной азотной кислотой.

4.2 Вольтамперометрия

Если в качестве индикаторного электрода используют ртутный капающий электрод, то полученная зависимость силы тока от напряжения называется полярограммой, а метод анализа - классической полярографией. При работе с другим индикаторным электродом - вольтамперометрией. Основу tt составляют процессы восстановления, окисления и адсорбции. Для проведения анализа пробу твердофазную, жидкую и газообразную переводят в специальный электролит, в котором определяемое вещество проявляет электрохимическую активность. В общем случае вольтамперометрическая установка содержит ячейку, задающее устройство, измеритель и регистратор аналитического сигнала. Ячейка включает сосуд из стекла, кварца или пластмассы ( электролизер?) куда заливают анализируемый раствор и вводят два или три электрода. Электродная система включает индикаторный электрод (ИЭ), на котором при определенных потенциалах происходят указанные процессы; электрод сравнения (ЭС), относительно которого устанавливают поляризующее напряжение на ИЭ, вызывающее эти процессы; вспомогательный электрод (ВЭ), служащий для создания токовой цепи ячейки. ВЭ может отсутствовать, тогда его функции выполняет ЭС. Потенциал, требуемый для прохождения соответствующей реакции, зависит от природы определяемого вещества электролита, в котором ведется анализ, и материалов ИЭ и ЭС. В общем случае он обеспечивается задающим устройством. При прохождении процесса восстановления, окисления или адсорбции ток ячейки изменяется, он коррелирует с концентрацией реагирующего вещества. Ток ячейки измеряют измерителем в виде фиксированного значения или графика зависимости тока от поляризующего напряжения. Эту зависимость называют вольтамперограммой. По ее высоте судят о концентрации вещества; находящееся в растворе вещество устанавливают по потенциалу, соответствующему половине ступени, если вольтамперограмма ступенчатой формы, или потенциалу пика тока, если она имеет пиковую форму. Полученное значение тока сравнивают с током, получаемым при вольтамперометрическом анализе в тех же условиях стандартного раствора этого вещества с известной концентрацией. Для расчетов применяют также методы добавок стандартного раствора в анализируемый раствор и градуировочных графиков. Первые два метода используют, когда градуировочный график ток-концентрация I(c₀) имеет пропорциональную зависимость. В случае линейной или нелинейной зависимости пользуются методом градуировочных графиков.

Направления вольтамперометрии чаще определяются конструкцией ИЭ, способом поляризации и приемом выделения аналитического сигнала.

В настоящее время метод классической полярографии заменяют другими методами, в т.ч. вольтамперометрией, в первую очередь, из-за токсичности паров ртути и, во-вторых, из-за недостаточной чувствительности метода для определения, например, микропримесей тяжелых металлов и других токсичных элементов.

Вольтамперометрия - разновидность полярографии, в которой изучается зависимость «ток-потенциал», полученных в электролитической ячейке с любым электродом, кроме ртутного капающего.

Различают прямую, инверсионную и косвенную вольтамперометрию (амперометрическое титрование). Индикаторным электродом служит вращающийся платиновый или графитовый электрод. В инверсионной вольтамперометрии применяют стандартный ртутный электрод, со стационарной ртутной каплей

Рис.7 Электрод стационарной ртутной капли:

1 - полиэтиленовый капилляр; 2 - шток, выталкивающий ртуть; 3- корпус; 4 - микрометрическая головка

4.2.1 Инверсионная вольтаперометрия

Сущность метода заключается в следующем. Определяемое вещество из очень разбавленного анализируемого раствора концентрируют электролизом на поверхности индикаторного электрода. Таким электродом может быть ртутно-пленочный электрод, представляющий собой орторопластовый стержень с запрессованной серебряной проволокой. Перед работой на поверхности серебра наносят пленку ртути толщиной 10-20 мкм путем опускания части рабочей поверхности электрода в металлическую ртуть. Ртутные электроды (рабочая область потенциалов от + 0,4 до -1,6 В) пригодны для определения металлов электроотрицательнее ртути. Используют также графитовые и различные модифицированные металлом электроды. Графитовые электроды имеют наиболее широкую область рабочих потенциалов (от +1,2 +1,4 В).

...