Конспект лекций по курсу: «Методы и способы измерений параметров окружающей среды»
ВСТУПЛЕНИЕ.
ОБЩАЯ СХЕМА АНАЛИЗА И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ
В состав почв, природных вод и воздуха входит много химических инградиентов, содержание которых изменяется в чрезвычайно широких пределах. Поэтому для анализа этих объектов применяют разнообразные методы. Рациональный выбор методов для определения конкретного инградиента или группы инградиентов обусловлен, с одной стороны, агрегатным состоянием и качественным и количественным химическим составом исследуемых объектов, а с другой стороны – аналитическими возможностями самого метода анализа. При этом необходимо учитывать некоторые особенности, которые присущи аналитической химии объектов природной среды, в частности, способам отбора и подготовки проб для анализа, а также созданию надлежащих условий для обеспечения адекватности между измеряемым аналитическим сигналом и концентрацией (содержанием) определяемого инградиента.
Анализ будь-какого природного объекта проводится по определённой разработанной схеме, возможный вариант которой представлен на рисунке.
Основными этапами анализа являются – выбор метода (1), отбор пробы (2), подготовка пробы для анализа (3), выполнение анализа и измерения аналитического сигнала (4) и статистическая обработка результатов анализа (5). Однако чрезвычайно разнообразный химический состав объектов природной среды лишь в отдельных случаях позволяет провести анализ непосредственно по этим этапам, не применяя дополнительные операции, приведенные на схеме.
С приведенной схемы вытекает, что первым этапом анализа является выбор оптимального метода. Этот этап очень важный, потому что от выбранного метода анализа зависит величина пробы (для почв – навеска, г, для вод – объем, л, для воздуха – объем, м3), сложность и продолжительность анализа.
Величина пробы зависит от ожидаемого содержания определяемого инградиента и чувствительности измеряемого аналитического сигнала. Например, для определения Са в интервалах 20 – 100 мг/л в природной воде объемным комплексопометрическим методом необходимо отобрать не менее 50 – 100 мл. пробы, тогда как для его определения методом фотометрии – лишь 0,5 мл и менее пробы воды. Уменьшение величины пробы особенно важно в случае необходимости транспортировки большого количества отобранных проб к месту анализа. Такая необходимость возникает, в частности, при исследовании гидрохимического режима водохранилищ, озёр и речек, когда десятки проб воды отбираются во время экспедиций и практически нет возможности выполнить химический анализ непосредственно на месте отбора проб. Это касается в некоторой степени и анализа почв, донных отложений и воздуха.
Селективность избранного метода влияет на продолжительность и точность анализа. Чем более селективным является избранный метод, тем меньше времени расходуется на анализ, поскольку нет необходимости в исключении компонентов, которые мешают анализу или в отделении от них определяемого инградиента. Избежание дополнительных операций положительно влияет также на точность анализа. Например, атомно-абсорбционное определение микроэлементов, в частности Cu, Zn, Co и др. являются значительно селективнейшим, чем определение фотометрическим методом, а в некоторых случаях – также более точными. Кроме этого, при необходимости экстракционного концентрирования микроэлементов можно вносить экстракт непосредственно в пламя анализатора и этим самым исключить процесс реестракции, что также сокращает продолжительность анализа.
Возможность выполнения анализа непосредственно на месте отбора пробы является важной характеристикой метода. Это в частности, касается анализа природных вод, химический состав которых может изменяться в процессе транспортировки и сохранения отобранных проб вследствие протекания в них разнообразных биологических и физико-химических процессов. Например, определить концентрацию растворённого О2 и компонентов карбонатной системы, а также рН и Еh воды обязательно необходимо на месте отбора пробы с учётом её температуры, потому что эти показатели являются достаточно лабильными и их практически невозможно стабилизировать путём консервации пробы.
Анализ любого объекта включает измерения аналитического сигнала с использованием химических, физико-химических и физических методов (этап 4). Очевидно, что учёт их аналитических возможностей является существенным при выборе оптимального метода определения определённого инградиента или группы инградиентов.
Завершающая стадия анализа – статистическая обработка научных результатов.
Характеристика методов анализа
Аналитический сигнал, который должен быть адекватным содержанию определяемого инградиента в объекте анализа, измеряют химическими, физико-химическими или физическими методами.
Химические и физико-химические методы базируются на количественном измерении аналитических сигналов, которые возникают в результате химической реакции определённых компонентов с неорганическими и органическими реагентами или которые являются результатом окислительно-восстановительных процессов на электродах. Деление методов на химические и физико-химические является достаточно условным. К первой группе можно отнести методы, в которых измеряемым аналитическим сигналом является масса (гравиметрия) или объем (нитрометрия), а ко второй – методы, в которых оптический или электрохимический сигнал измеряется с помощью спец. аппаратуры (оптические и электрохимические методы).
Физические методы основаны на измерениях сигналов, которые возникают вследствие возбуждения электронов в атомах или молекулах, а также ядерных превращений (эммисионная и атомно-абсорбционная спектроскопия, рентгеноспектральный анализ, радиометрические методы и т.д.). Эти методы в основном не требуют проведения химической реакции.
Если оптические методы – фотометрический, спектрофотометрический - используются без предварительного проведения химических реакций комплексообразования, окислительно-восстановительных и др., то их можно отнести к физическим методам анализа.
Деление методов измерения аналитического сигнала на 3 основные группы – химические, физико-химические и физические является разумным, поскольку они имеют разные возможности, которые следует учитывать при выборе оптимальных вариантов анализа объектов окружающей среды.
Таблица 8. Общая характеристика методов анализа объектов окружающей среды.
| Показатели | Методы анализа | ||
| Химические | Физ.-хим. | Физические | |
| 1. Миним. определ. концентрация, мг/л (без концентрирования) | 1,0 – 0,1 | 0,05 – 0,005 | 0,01 – 0,001 |
| 2. Точность анализа, % отк. | 0,01 – 0,5 | 1 - 10 | 2 – 20 |
| 3. Селективность | Хорошая | Высокая | Очень высокая |
| 4. Продолжительность анализа (без подготовки пробы), мин. | 30 - 200 | 15 – 60 | 10 – 30 |
| 5. Возможность быстрого выполнения массовых анализов | Низкая | Средняя | Высокая |
Из таблицы видно, что наиболее точными и дешевыми являются химические методы анализа, хотя они довольно продолжительные (особенно гравиметрия) и мало приспособлены для автоматизации. Наиболее чувствительными, селективными и экспрессивными, а при анализе природных объектов также достаточно точными являются физические методы анализа. Они удобные для автоматизации, но требуют использования дорогой аппаратуры и специальной подготовки специалистов (обслуживающего персонала). По показателям, приведенным в таблице 8, наиболее удобными, достаточно чувствительными, точными и селективными являются физико-химические методы. Их удельный вес среди всех методов анализа объектов природной среды постоянно растёт. Этому способствует также создание переносных оптической и переносной аппаратуры с автономным электропитанием, которую можно использовать непосредственно на месте отбора проб для анализа.