Застосовують методи хімічного аналізу медики. Хімічні та електрохімічні методи дослідження в медицині. Якісний аналіз в інфрачервоній галузі спектру

Фізико-хімічні чи інструментальні методи аналізу

Фізико-хімічні або інструментальні методи аналізу засновані на вимірі за допомогою приладів (інструментів) фізичних параметрів системи, що аналізується, які виникають або змінюються в ході виконання аналітичної реакції.

Бурхливий розвиток фізико-хімічних методів аналізу був викликаний тим, що класичні методи хімічного аналізу (гравіметрія, титриметрія) вже не могли задовольняти численні запити хімічної, фармацевтичної, металургійної, напівпровідникової, атомної та інших галузей промисловості, що вимагали підвищення чутливості методів до 1 10-9 %, їх селективності та експресності, що дозволило б управляти технологічними процесами за даними хімічного аналізу, а також виконувати їх в автоматичному режимі та дистанційно.

Ряд сучасних фізико-хімічних методів аналізу дозволяють одночасно в одній і тій самій пробі виконувати як якісний, так і кількісний аналіз компонентів. Точність аналізу сучасних фізико-хімічних методів можна порівняти з точністю класичних методів, а в деяких, наприклад, у кулонометрії, вона суттєво вища.

До недоліків деяких фізико-хімічних методів слід віднести дорожнечу використовуваних приладів, необхідність застосування еталонів. Тому класичні методи аналізу, як і раніше, не втратили свого значення і застосовуються там, де немає обмежень у швидкості виконання аналізу та потрібна висока його точність при високому змісті аналізованого компонента.

Класифікація фізико-хімічних методів аналізу

В основу класифікації фізико-хімічних методів аналізу покладено природу вимірюваного фізичного параметра аналізованої системи, величина якого є функцією кількості речовини. Відповідно до цього всі фізико-хімічні методи поділяються на три великі групи:

електрохімічні;

Оптичні та спектральні;

Хроматографічні.

Електрохімічні методи аналізу засновані на вимірі електричних параметрів: сили струму, напруги, рівноважних електродних потенціалів, електричної провідності, кількості електрики, величини яких пропорційні змісту речовини в об'єкті, що аналізується.

Оптичні та спектральні методи аналізу ґрунтуються на вимірі параметрів, що характеризують ефекти взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами: інтенсивності випромінювання збуджених атомів, поглинання монохроматичного випромінювання, показника заломлення світла, кута обертання площини поляризованого променя світла та ін.

Всі ці параметри є функцією концентрації речовини в об'єкті, що аналізується.

Хроматографічні методи – це методи поділу однорідних багатокомпонентних сумішей на окремі компоненти сорбційними методами у динамічних умовах. У цих умовах компоненти розподіляються між двома фазами, що не змішуються: рухомий і нерухомий. Розподіл компонентів заснований на відмінності їх коефіцієнтів розподілу між рухомою та нерухомою фазами, що призводить до різних швидкостей перенесення цих компонентів з нерухомої в рухому фазу. Після поділу кількісний зміст кожного компонента може бути визначено різними методами аналізу: класичними або інструментальними.

Молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз

Молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз включає спектрофотометричний і фотоколориметричний види аналізу.

Спектрофотометричний аналіз заснований на визначенні спектра поглинання або вимірі світлопоглинання при певній довжині хвилі, яка відповідає максимуму кривої поглинання досліджуваної речовини.

Фотоколориметричний аналіз базується на порівнянні інтенсивності забарвлень досліджуваного забарвленого та стандартного забарвленого розчинів певної концентрації.

Молекули речовини мають певну внутрішню енергію Е, складовими частинами якої є:

Енергія руху електронів Еел що знаходяться в електростатичному полі атомних ядер;

Енергія коливання ядер атомів один щодо одного Е кіль;

Енергія обертання молекули Е вр

і математично виражається як сума всіх зазначених вище енергій:

При цьому, якщо молекула речовини поглинає випромінювання, її початкова енергія Е 0 підвищується на величину енергії поглиненого фотона, тобто:

З наведеної рівності випливає, що чим менша довжина хвилі λ, тим більша частота коливань і, отже, більша Е, тобто енергія, повідомлена молекулі речовини при взаємодії з електромагнітним випромінюванням. Тому характер взаємодії променевої енергії з речовиною в залежності від довжини хвилі світла буде різний.

Сукупність усіх частот (довжин хвиль) електромагнітного випромінювання називають електромагнітним спектром. Інтервал довжин хвиль розбивають на ділянці: ультрафіолетова (УФ) приблизно 10-380 нм, видима 380-750 нм, інфрачервона (ІЧ) 750-100000 нм.

Енергії, яку повідомляють молекулі речовини випромінювання УФ і видимої частини спектру, достатньо, щоб викликати зміну електронного стану молекули.

Енергія ІЧ-променів менша, тому її виявляється достатньо лише для того, щоб викликати зміну енергії коливальних та обертальних переходів у молекулі речовини. Таким чином, у різних частинах спектру можна отримати різну інформацію про стан, властивості та будову речовин.

Закони поглинання випромінювання

В основі спектрофотометричних методів аналізу лежать два основні закони. Перший - закон Бугера – Ламберта, другий закон - закон Бера. Об'єднаний закон Бугера – Ламберта – Бера має таке формулювання:

Поглинання монохроматичного світла забарвленим розчином прямо пропорційно концентрації речовини, що поглинає світло, і товщині шару розчину, через який він проходить.

Закон Бугера – Ламберта – Бера є основним законом світлопоглинання і є основою більшості фотометричних методів аналізу. Математично він виражається рівнянням:

або

Величину lgI / I 0 називають оптучною щільністю поглинаючої речовини і позначають буквами D або А. Тоді закон можна записати так:

Відношення інтенсивності потоку монохроматичного випромінювання, що пройшло через випробуваний об'єкт, до інтенсивності початкового потоку випромінювання називається прозорістю, або пропусканням, розчину і позначається буквою Т: Т = I / I 0

Це співвідношення може бути виражене у відсотках. Величина Т, що характеризує пропускання шару завтовшки 1 см, називається коефіцієнтом пропускання. Оптична щільність D та пропускання Т пов'язані між собою співвідношенням

D і Т є основними величинами, що характеризують поглинання розчину даної речовини з певною концентрацією при певній довжині хвилі і товщині поглинаючого шару.

Залежність D(З) має прямолінійний характер, а Т(З) або Т(l) - експоненційний. Це суворо дотримується лише монохроматичних потоків випромінювань.

Величина коефіцієнта погашення залежить від способу вираження концентрації речовини в розчині і товщини поглинаючого шару. Якщо концентрація виражена в молях на літр, а товщина шару - в сантиметрах, він називається молярним коефіцієнтом погашення, позначається символом ε і дорівнює оптичної щільності розчину з концентрацією 1 моль/л, поміщеного в кювету з товщиною шару 1 см.

Розмір молярного коефіцієнта світлопоглинання залежить:

від природи розчиненої речовини;

Довжина хвилі монохроматичного світла;

Температури;

Природа розчинника.

Причини недотримання закону Бугера - Ламберта - Бера.

1. Закон виведений і справедливий тільки для монохроматичного світла, тому недостатня монохроматизація може викликати відхилення закону і тим більшою мірою, чим менша монохроматизація світла.

2. У розчинах можуть протікати різні процеси, що змінюють концентрацію поглинаючої речовини або її природу: гідроліз, іонізація, гідратація, асоціація, полімеризація, комплексоутворення та ін.

3. Світлопоглинання розчинів суттєво залежить від рН розчину. При зміні рН розчину можуть змінюватись:

Ступінь іонізації слабкого електроліту;

Форма існування іонів, що призводить до зміни світлопоглинання;

Склад пофарбованих комплексних сполук, що утворюються.

Тому закон справедливий для сильно розведених розчинів, і область застосування обмежена.

Візуальна колориметрія

Інтенсивність фарбування розчинів можна вимірювати різними методами. Серед них виділяють суб'єктивні (візуальні) методи колориметрії та об'єктивні, тобто фотоколориметричні.

Візуальними називають такі методи, за яких оцінку інтенсивності забарвлення випробуваного розчину роблять неозброєним оком. При об'єктивних методах колориметричного визначення вимірювання інтенсивності забарвлення випробуваного розчину замість безпосереднього спостереження користуються фотоелементами. Визначення у разі проводять у спеціальних приладах - фотоколориметрах, тому метод отримав назву фотоколориметрического.

Кольори видимого випромінювання:

До візуальних методів належать:

- метод стандартних серій;

- метод колориметричного титрування, чи дублювання;

- Метод урівнювання.

Спосіб стандартних серій.При виконанні аналізу методом стандартних серій інтенсивність забарвлення аналізованого забарвленого розчину порівнюють із забарвленнями серії спеціально приготовлених стандартних розчинів (при однаковій товщині шару).

Метод колориметричного титрування (дублювання)заснований на порівнянні забарвлення аналізованого розчину з забарвленням іншого розчину - контрольного. Контрольний розчин містить всі компоненти досліджуваного розчину, за винятком речовини, що визначається, і всі використовувані при підготовці проби реактиви. До нього додають з бюретки стандартний розчин речовини, що визначається. Коли цього розчину буде додано стільки, що інтенсивності забарвлення контрольного і аналізованого розчинів зрівняються, вважають, що аналізований розчин міститься стільки ж визначається речовини, скільки його було введено в контрольний розчин.

Метод урівнюваннявідрізняється від описаних вище візуальних колориметричних методів, у яких подібність забарвлень стандартного та випробуваного розчинів досягається зміною їхньої концентрації. У методі зрівнювання подібність забарвлень досягається зміною товщини шарів забарвлених розчинів. Для цієї мети при визначенні концентрації речовин використовують колориметри зливання та занурення.

Переваги візуальних методів колориметричного аналізу:

Техніка визначення проста, немає потреби у складному дорогому обладнанні;

Око спостерігача може оцінювати як інтенсивність, а й відтінки фарбування розчинів.

Недоліки:

Необхідно готувати стандартний розчин чи серії стандартних розчинів;

Неможливо порівнювати інтенсивність фарбування розчину у присутності інших забарвлених речовин;

При тривалому порівнюванні інтенсивності фарбування очей людини стомлюється, і помилка визначення збільшується;

Око людини не таке чутливе до невеликих змін оптичної щільності, як фотоелектричні пристрої, внаслідок цього неможливо виявити різницю в концентрації приблизно до п'яти відносних відсотків.

Фотоелектроколориметричні методи

Фотоелектроколориметрія застосовується для вимірювання поглинання світла або пропускання забарвленими розчинами. Прилади, що використовуються для цієї мети називаються фотоелектроколориметрами (ФЕК).

Фотоелектричні методи вимірювання інтенсивності фарбування пов'язані з використанням фотоелементів. На відміну від приладів, у яких порівняння забарвлень виробляється візуально, у фотоелектроколориметрах приймачем світлової енергії є прилад – фотоелемент. У цьому приладі світлова енергія перетворює на електричну. Фотоелементи дозволяють проводити колориметричні визначення не тільки у видимій, але також в УФ та ІЧ-областях спектру. Вимірювання світлових потоків за допомогою фотоелектричних фотометрів точніше і не залежить від особливостей ока спостерігача. Застосування фотоелементів дозволяє автоматизувати визначення концентрації речовин у хімічному контролі технологічних процесів. Внаслідок цього фотоелектрична колориметрія значно ширше використовується на практиці заводських лабораторій, ніж візуальна.

На рис. 1 показаний звичайний порядок розташування вузлів у приладах для вимірювання пропускання чи поглинання розчинів.

Рис.1 Основні вузли приладів вимірювання поглинання випромінювання: 1 - джерело випромінювання; 2 – монохроматор; 3 – кювети для розчинів; 4 - перетворювач; 5 – індикатор сигналу.

Фотоколориметри в залежності від числа використовуваних при вимірюваннях фотоелементів поділяються на дві групи: однопроменеві (одноплечі) - прилади з одним фотоелементом і двопроменеві (двоплечі) - з двома фотоелементами.

Точність вимірів, одержувана на однопроменевих ФЕК, невелика. У заводських і наукових лабораторіях найбільшого поширення набув фотоелектричні установки, забезпечені двома фотоелементами. В основу конструкції цих приладів покладено принцип зрівнювання інтенсивності двох світлових пучків за допомогою змінної щілинної діафрагми, тобто принцип оптичної компенсації двох світлових потоків шляхом змін розкриття зіниці діафрагми.

Принципова схема пристрою представлена ​​на рис. 2. Світло від лампи розжарювання 1 за допомогою дзеркал 2 поділяється на два паралельні пучки. Ці світлові пучки проходять через світлофільтри 3, кювети з розчинами 4 і потрапляють на фотоелементи 6 і 6", які включені на гальванометр 8 за диференційною схемою. Щілинна діафрагма 5 змінює інтенсивність світлового потоку, що падає на фотоелемент 6. світлового потоку, що падає на фотоелемент 6".

Рис.2. Схема двопроменевого фотоелектроколориметра

Визначення концентрації у фотоелектроколориметрії

Для визначення концентрації аналізованих речовин у фотоелектроколориметрії застосовують:

Метод порівняння оптичних щільностей стандартного та досліджуваного забарвлених розчинів;

Метод визначення за середнім значенням молярного коефіцієнта світлопоглинання;

Метод градуювального графіка;

Метод добавок.

Метод порівняння оптичних щільностей стандартного та досліджуваного забарвлених розчинів

Для визначення готують еталонний розчин визначуваної речовини відомої концентрації, яка наближається до концентрації досліджуваного розчину. Визначають оптичну щільність цього розчину за певної довжини хвилі D пов. Потім визначають оптичну щільність досліджуваного розчину D х за тієї ж довжини хвилі і за тієї ж товщини шару. Порівнюючи значення оптичних щільностей досліджуваного та еталонного розчинів, знаходять невідому концентрацію речовини, що визначається.

Метод порівняння застосовується при одноразових аналізах і вимагає обов'язкового дотримання основного закону світлопоглинання.

Метод градуювального графіка. Для визначення концентрації речовини цим методом готують серію із 5-8 стандартних розчинів різної концентрації. При виборі інтервалу концентрацій стандартних розчинів керуються такими положеннями:

* він повинен охоплювати область можливих вимірювань концентрації досліджуваного розчину;

* оптична щільність досліджуваного розчину повинна відповідати приблизно середині градуювальної кривої;

* бажано, щоб у цьому інтервалі концентрацій дотримувався основний закон світлопоглинання, тобто графік залежності був прямолінійним;

* Величина оптичної щільності повинна бути в межах 0,14 ... 1,3.

Вимірюють оптичну щільність стандартних розчинів та будують графік залежності D(С) . Визначивши D х досліджуваного розчину, за градуювальним графіком знаходять З х (Рис. 3).

Цей метод дозволяє визначити концентрацію речовини навіть у тих випадках, коли основний закон світлопоглинання не дотримується. У такому випадку готують велику кількість стандартних розчинів, що відрізняються концентрацією не більше ніж на 10 %.

Мал. 3. Залежність оптичної щільності розчину від концентрації (калібрована крива)

Метод добавок- це різновид методу порівняння, оснований на порівнянні оптичної щільності досліджуваного розчину і того ж розчину з добавкою відомо кількості визначається речовини.

Застосовують його для усунення впливу сторонніх домішок, що заважає, визначення малих кількостей аналізованої речовини в присутності великих кількостей сторонніх речовин. Метод вимагає обов'язкового дотримання основного закону світло-поглинання.

Спектрофотометрія

Це метод фотометричного аналізу, в якому визначення вмісту речовини виробляють поглинання ним монохроматичного світла у видимій, УФ- та ІЧ-областях спектра. У спектрофотометрії, на відміну фотометрії, монохроматизація забезпечується не світлофільтрами, а монохроматорами, що дозволяють безупинно змінювати довжину хвилі. Як монохроматори використовують призми або дифракційні решітки, які забезпечують значно більш високу монохроматичність світла, ніж світлофільтри, тому точність спектрофотометричних визначень вище.

Спектрофотометричні методи, порівняно з фотоколориметричними, дозволяють вирішувати ширше коло завдань:

* проводити кількісне визначення речовин у широкому інтервалі довжин хвиль (185-1100 нм);

* здійснювати кількісний аналіз багатокомпонентних систем (одночасне визначення кількох речовин);

* визначати склад та константи стійкості світлопоглинаючих комплексних сполук;

* Визначати фотометричні характеристики світлопоглинаючих сполук.

На відміну від фотометрів монохроматором в спектрофотометрах служить призма або дифракційна решітка, що дозволяє безперервно змінювати довжину хвилі. Існують прилади для вимірювань у видимій, УФ та ІЧ-областях спектра. Принципова схема спектрофотометра практично не залежить від спектральної області.

Спектрофотометри, як і фотометри, бувають одно- та двопроменеві. У двопроменевих приладах світловий потік якимось способом роздвоюють або всередині монохроматора, або після виходу з нього: один потік проходить через випробуваний розчин, інший - через розчинник.

Однопроменеві прилади особливо зручні при виконанні кількісних визначень, що ґрунтуються на вимірі оптичної щільності при одній довжині хвилі. У цьому випадку простота приладу та легкість експлуатації становлять істотну перевагу. Велика швидкість і зручність вимірювання при роботі з двопроменевими приладами корисні в якісному аналізі, коли для отримання спектра оптична щільність має бути виміряна у великому інтервалі довжин хвиль. Крім того, двопроменевий пристрій легко пристосувати для автоматичного запису оптичної щільності, що безперервно змінюється: у всіх сучасних реєструючих спектрофото-метрах для цієї мети використовують саме двопроменеву систему.

І одно-, і двопроменеві прилади придатні для вимірювань видимого та УФ-випромінювань. В основі ІЧ-спектрофотометрів, що випускаються промисловістю, завжди лежить двопроменева схема, оскільки їх зазвичай використовують для розгорнення та запису великої області спектру.

Кількісний аналіз однокомпонентних систем проводиться тими самими методами, що й у фотоелектроколориметрії:

Методом порівняння оптичних щільностей стандартного та досліджуваного розчинів;

Методом визначення за середнім значенням молярного коефіцієнта світлопоглинання;

Методом градуювального графіка,

і не має жодних відмінних рис.

Спектрофотометрія у якісному аналізі

Якісний аналіз в ультрафіолетовій частині спектру. Ультрафіолетові спектри поглинання мають дві-три, іноді п'ять і більше смуг поглинання. Для однозначної ідентифікації досліджуваної речовини записують спектр поглинання в різних розчинниках і порівнюють отримані дані з відповідними спектрами подібних речовин відомого складу. Якщо спектри поглинання досліджуваної речовини в різних розчинниках збігаються зі спектром відомої речовини, то можна з великою ймовірністю зробити висновок про ідентичність хімічного складу цих сполук. Для ідентифікації невідомої речовини за його спектром поглинання необхідно мати достатню кількість спектрів поглинання органічних і неорганічних речовин. Існують атласи, в яких наведені спектри поглинання дуже багатьох, переважно органічних речовин. Особливо добре вивчені ультрафіолетові спектри ароматичних вуглеводнів.

При ідентифікації невідомих сполук слід звернути увагу на інтенсивність поглинання. Дуже багато органічних сполук мають смугами поглинання, максимуми яких розташовані при однаковій довжині хвилі λ, але інтенсивність їх різна. Наприклад, у спектрі фенолу спостерігається смуга поглинання при λ = 255 нм, для якої молярний коефіцієнт поглинання при максимумі поглинання ε mах= 1450. За тієї ж довжини хвилі ацетон має смугу, на яку ε mах = 17.

Якісний аналіз у видимій частині спектра. Ідентифікацію забарвленої речовини, наприклад, барвника, також можна проводити, порівнюючи його спектр поглинання у видимій частині зі спектром подібного барвника. Спектри поглинання більшості барвників описані у спеціальних атласах та посібниках. По спектру поглинання барвника можна зробити висновок про чистоту барвника, тому що в спектрі домішок є ряд смуг поглинання, які відсутні в спектрі барвника. По спектру поглинання суміші барвників можна зробити висновок про склад суміші, особливо якщо в спектрах компонентів суміші є смуги поглинання, розташовані в різних областях спектру.

Якісний аналіз в інфрачервоній галузі спектру

Поглинання ІЧ-випромінювання пов'язане із збільшенням коливальної та обертальної енергій ковалентного зв'язку, якщо воно призводить до зміни дипольного моменту молекули. Це означає, що майже всі молекули з ковалентними зв'язками тією чи іншою мірою здатні до поглинання ІЧ-області.

Інфрачервоні спектри багатоатомних ковалентних сполук зазвичай дуже складні: вони складаються з безлічі вузьких смуг поглинання та сильно відрізняються від звичайних УФ та видимих ​​спектрів. Відмінності випливають із природи взаємодії поглинаючих молекул та їх оточення. Це взаємодія (в конденсованих фазах) впливає електронні переходи в хромофорі, тому лінії поглинання поширюються і прагнуть злитися в широкі смуги поглинання. У ІЧ -спектрі, навпаки, частота і коефіцієнт поглинання, відповідні окремого зв'язку, зазвичай мало змінюються із зміною оточення (зокрема із зміною інших елементів молекули). Лінії також розширюються, але не настільки, щоб злитися в смугу.

Зазвичай по осі ординат при побудові ІЧ-спектрів відкладають пропускання у відсотках, а чи не оптичну щільність. За такого способу побудови смуги поглинання виглядають як западини на кривій, а не як максимуми на УФ-спектрах.

Утворення інфрачервоних спектрів пов'язані з енергією коливань молекул. Коливання можуть бути спрямовані вздовж валентного зв'язку між атомами молекули, тоді вони називаються валентними. Розрізняють симетричні валентні коливання, в яких атоми коливаються в однакових напрямках, та асиметричні валентні коливання, в яких атоми коливаються у протилежних напрямках. Якщо коливання атомів відбуваються із зміною кута між зв'язками, вони називаються деформаційними. Такий поділ дуже умовний, тому що при валентних коливаннях відбувається тією чи іншою мірою деформація кутів і навпаки. Енергія деформаційних коливань зазвичай менша, ніж енергія валентних коливань, і смуги поглинання, зумовлені деформаційними коливаннями, розташовуються в області довших хвиль.

Коливання всіх атомів молекули зумовлюють смуги поглинання, індивідуальні молекул цієї речовини. Але серед цих коливань можна виділити коливання груп атомів, які слабко пов'язані з коливаннями атомів решти молекули. Смуги поглинання, які зумовлені такими коливаннями, називають характеристичними смугами. Вони спостерігаються, зазвичай, у спектрах всіх молекул, у яких є дані групи атомів. Прикладом характеристичних смуг можуть бути смуги 2960 і 2870 см -1 . Перша смуга обумовлена ​​асиметричними валентними коливаннями зв'язку С-Н в метильній групі СН 3 а друга - симетричними валентними коливаннями зв'язку С-Н цієї ж групи. Такі смуги з невеликим відхиленням (±10 см -1) спостерігаються спектрах всіх насичених вуглеводнів і взагалі спектрі всіх молекул, у яких є СН 3 - групи.

Інші функціональні групи можуть впливати на положення характеристичної смуги, причому різниця частот може становити до ±100 см -1 але такі випадки нечисленні, і їх можна враховувати на підставі літературних даних.

ЖУРНАЛ АНАЛІТИЧНОЇ ХІМІЇ, 2014, тому 69, № 4, с. 359-362

СТАТТІ ЗАГАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ І МЕДИЦИНА © 2014 р. Ю. А. Золотов

Московський державний університет імені М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленінські гори, 1, стор. 3 Надійшла до редакції 27.06.2013 р., після доопрацювання 14.10.2013 р.

Розглянуто основні напрямки використання хімічного аналізу в медицині: при діагностиці захворювань, санітарно-гігієнічному контролі, допінг-контролі, прямій ідентифікації мікроорганізмів, ДНК-аналізі та ін.

Ключові слова: хімічний аналіз у медицині, медична діагностика, санітарно-гігієнічний контроль, допінг-контроль, геномний аналіз.

DOI: 10.7868/S0044450214040173

Тема "Хімічний аналіз та медицина" надто широка, щоб її можна було висвітлити скільки-небудь детально. Однак вона обрана свідомо: хотілося кинути загальний погляд на цю область, спробувати її оконтурити та класифікувати, вичленувати найважливіші напрямки.

Об'єктами хімічного аналізу в області є біологічні рідини (кров, сеча, піт, слина, сльози, грудне молоко, шлунковий сік та інші); волосся, зрізи нігтів; м'які тканини; повітря, що видихається; гази, що виділяються організмом через шкіру. Ну і, звісно, ​​лікарські речовини. Що стосується хвороб, при профілактиці, діагностиці та лікуванні яких застосовується хімічний аналіз, то це практично всі патологічні стани (та й нормальні теж, якщо йдеться про диспансеризацію, про масовий скринінг). Однак особливо потрібен аналіз у разі соціально небезпечних захворювань – діабету, раку, серцево-судинних та легеневих хвороб. Перелік речовин (аналітів), які потрібно виявляти та кількісно визначати, включає хімічні елементи та форми їх існування (причому останні – чим далі, тим більше); деякі неорганічні речовини, особливо газоподібні та пероксид водню, численні низькомолекулярні органічні сполуки - глюкозу, холестерин, жирні кислоти, катехоламіни та інші; біополімери (білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди тощо); субстанції ліків та домішки у фармпрепаратах.

Методи аналізу, що використовуються для вирішення медичних завдань, звичайно, різноманітні за принципами дії та аналітичними характеристиками. Однак у ряді випадків існує прагнення застосовувати методи, "м'яко" дію-

ють на об'єкт, як, наприклад, іонізація електророзпиленням у мас-спектрометрії в порівнянні з електронною іонізацією. Крім того, істотна націленість на неінвазивні методи, а також на методи, придатні для масового застосування, у тому числі, з одного боку, за рахунок автоматизації, а з іншого, шляхом широкого використання простих та недорогих тестів. У ряді випадків існує прагнення "мініатюрних" методів і засобів, особливо для аналізу in vivo, і навіть до дистанційно діючих. Зрозуміло, дуже затребувані найпотужніші сучасні методи аналізу, як, скажімо, ГХ-МС, ЖХ-МС, МС-ИСП, особливо у наукових дослідженнях.

Напрямки самої медицини, що використовують хімічний аналіз, досить численні, хоч і неоднакові за важливістю. Розглянемо їх.

Хімічний аналіз як діагностики.

Істота цього напряму полягає в знаходженні, зазвичай спільно з медиками, речовин-меркерів, поява яких або суттєва зміна їх змісту, або зміна співвідношення, наприклад, в біорідинах або повітрі, що видихається, свідчать про патологію. Якщо такі речовини знайдені, практика полягатиме у визначенні цих речовин у конкретних зразках.

Щоб знайти речовини, зміст яких може бути показником захворювання, зазвичай потрібно систематичне дослідження великої кількості здорових і хворих людей (їх органів, тканин, біологічних рідин), набір великого масиву даних, їхня математична обробка, тепер, як правило, засобами хемо-метрики. Наприклад, щоб знайти мйркери раку

яєчників, досліджували вміст 169 білків у плазмі крові великих груп здорових та хворих жінок; було встановлено, що концентрація чотирьох білків (лептину, пролактину та ін.) у здорових та хворих відрізняється. На цій основі розроблено діагностичний тест; якщо результати показують, що концентрація принаймні двох білків з цих чотирьох лежить за межами норми, це з ймовірністю 95% говорить про захворювання. Або ще один приклад із сотень інших: проаналізовано проби сечі 62 жінок, хворих на рак молочної залози, та 100 здорових жінок на вміст змінених нуклеозидів. Статистична обробка результатів показала, що з цих груп жінок спостерігаються розбіжності у змісті нуклеозидів, і діагностична цінність цих відмінностей досить висока.

Звичайний клінічний лабораторний аналіз та масовий біохімічний аналіз сформувалися на основі подібних об'ємистих досліджень, що проводилися протягом десятиліть, та накопиченого досвіду.

Маркерами, індикаторами хвороби можуть бути низькомолекулярні неорганічні та органічні сполуки (NO, NH3, CO, CH4, вуглеводні, катехоламіни, ацетон, цукри, органічні кислоти); високомолекулярні сполуки органічної природи – пептиди, численні білки; окремі хімічні елементи.

Значний досвід накопичений, наприклад, з діагностики діабету шляхом контролю вмісту глюкози спочатку у сечі, потім у крові. Перші тести на цукор у сечі були створені ще у ХІХ столітті. Так, у 1841 р. Треммер запропонував визначати глюкозу в сечі за реакцією відновлення меді(11) глюкозою в гарячому лужному розчині. Пізніше для тієї ж мети використовували папір, імпрегнований індигокармін; перед використанням папірець змочували лугом. Потім було створено набагато ефективніші хімічні тест-засоби, які у ХХ столітті випускали багато фірм. Сучасні ж глюкозні аналізатори мають своїм прабатьком електрод Кларка - електрохімічний сенсор для визначення кисню. Наприкінці 50-х років Кларк ввів у свій електрод глюкозоксидазу, що дозволило визначати глюкозу у крові з високою чутливістю. Перший масовий прилад на продаж створила фірма Yellow Springs Instrument. Нині домашні глюкометри визначення глюкози у крові становлять 95% світового ринку електрохімічних приладів. Відомо, що при цьому потрібен дуже малий об'єм крові, особливо в мікрокулонометричних глюкометрах, створених А. Хеллером в Техаському університеті (Остін, США). Вирішується, поки що без особливого успіху, завдання визначення

цукру на крові неинвазивным способом, тобто. взагалі без добору крові.

Для діагностики легеневих захворювань (та й не тільки легеневих) перспективний аналіз повітря, що видихається. Ще давні лікарі намагалися за запахом видихуваного повітря визначити, на що хвора людина. Склад видихуваного повітря починав досліджувати Лавуазьє. У ХІХ столітті у цьому повітрі вже знаходили ацетон та етанол; велику кількість летких органічних речовин визначав у повітрі, що видихається, Лайнус Полінг у 70-х роках минулого століття, використовуючи мікроконцентрування. Давно відомо, що наявність ацетону в повітрі, що видихається, служить ознакою діабету. В останні роки аналізу повітря, що видихається, приділяють багато уваги і аналітики, і медики. Залучаються різні методи, насамперед газова хромато-мас-спектрометрія, газова хроматографія з іншими детекторами, а також лазерна спектроскопія.

Завдання такого аналізу досить складне, як мінімум, з двох взаємопов'язаних причин. По-перше, речовини, що є маркерами захворювань, можуть бути і в зовнішньому повітрі, яким дихає пацієнт. Це означає, що необхідно проводити контрольні експерименти, а й оцінювати дуже невеликі зміни у вмісті цих речовин. По-друге, абсолютні кількості речовин-маркерів, що виділяються, зазвичай дуже малі, і виявити їх можна лише найчутливішими методами. Тим не менш, подібні визначення не тільки можливі, але вже здійснюються; цьому напрямку присвячені сотні робіт.

При використанні хроматографічних методів проблему вирішують, використовуючи найчастіше сорбцію речовин, що визначаються, наступну термодесорбцію і визначення газової хромато-мас-спектрометрією. У дослідному центрі Менссана Рісерч (США) було досліджено проби видихуваного повітря кількох десятків людей і виявлено 3500 з'єднань, але лише 27 їх були загальними всім обстежених людей. Найпоширенішим летючим органічним компонентом повітря, що видихається, виявився ізопрен - проміжний продукт синтезу холестерину. Практично завжди у пробах присутні алкани, зокрема з великою молекулярною масою. Американське Агентство з харчових продуктів і лікарських препаратів (Food and Drug Administration) вже давно схвалило застосування аналізу повітря, що видихається, як тесту для оцінки стану хворих, які перенесли операції на серці.

З аналізом повітря, що видихається пов'язують і перспективи ранньої діагностики раку легень. У хворих у повітрі, що видихається зростає концентрація алканів і метилалканів (С4-С20). Для

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ І МЕДИЦИНА

діагностики досить визначити дев'ять вуглеводнів: бутан, пентан, 3-метилтридекан, 7-метил-тридекан, 4-метилоктан, 3-метилгексан, гептан, 2-метилгексан, 5-метилдекан. Ці вуглеводні присутні на рівні нано- або пікомолів, тому для їх визначення потрібне попереднє концентрування на адсорбентах, що не поглинають вологу.

Фізики-спектроскопісти для аналізу повітря, що видихається використовують діодні лазери, що випромінюють в ІЧ-діапазоні (Інститут загальної фізики РАН). Цими методами можна визначати насамперед низькомолекулярні прості сполуки, включаючи оксиди азоту, аміак, монооксид вуглецю, пероксид водню, а також метан, метанол, етанол, сірковуглець та інші сполуки в діапазоні від 0.1 до 10 мг/м3, а також проводити ізотопний аналіз (13С/12С).

Багато робіт присвячується оцінці окислювального (оксидативного) стресу. Це та область, де професійні аналітики у Росії останніми роками активно працюють.

БРУСНИКІНА ОЛЬГА ОЛЕКСАНДРІВНА, ПІСКІВ АНАТОЛІЙ МИКОЛАЄВИЧ - 2014 р.

Як застосовують методи хімічного аналізу у своїй роботі криміналісти, археологи, медики та мистецтвознавці

Відповіді:

Криміналісти визначають склад речовин, причини смерті та особистість людини. Археологи визначають вік та склад артефактів при розкопках. Медики визначають хімічний склад крові чи сечі, таким чином проводять діагностику захворювань людини. Мистецтвознавці визначають вік предметів старовини та встановлюють їхню справжність. За допомогою хімічного аналізу криміналісти можуть по плямах визначити якісний склад рідини, яка залишила цю пляму. Наприклад, чи була ця рідина кров'ю чи вином тощо. Слідами та залишками ґрунту можуть визначити де по якому ґрунту проходила людина чи проїжджала машина і знаючи склади навколишніх ґрунтів визначити в яких місцях проходила людина чи проїжджала машина. За допомогою хімічного аналізу археологи можуть визначати, як жили, з чого будували, що носили люди в цю епоху, за залишками пиші, залишеної в черепках і судинах, можуть визначати, чим харчувалися люди. За допомогою хімічного аналіза якісного та кількісного в, медицині, порівнюючи з нормою аналізи крові, сечі та ін рідких середовищ організму людини, можна поставити діагноз і проводити курс лікування під контролем, відстежуючи динаміку зміни аналізів, спостерігати успішність або не успішність даного курсу лікування необхідності коригувати курс лікування. Старі майстри готували фарби, лаки. Знаючи, які склади готував конкретний майстер, мистецтвознавці за допомогою хімічного аналізу, можуть упевнено стверджувати – авторство художнього твору. Реставратори також користуються хімічним аналізом і відкривають секрети древніх майстрів. Підготуйте це повідомлення, використовуючи додаткову літературу. Криміналісти визначають склад речовин, причини смерті та особистість людини. Археологи визначають вік та склад артефактів при розкопках. Медики визначають хімічний склад крові чи сечі, таким чином проводять діагностику захворювань людини. Мистецтвознавці визначають вік предметів старовини та встановлюють їхню справжність. За допомогою хімічного аналізу криміналісти можуть по плямах визначити якісний склад рідини, яка залишила цю пляму. Наприклад, чи була ця рідина кров'ю чи вином тощо. Слідами та залишками ґрунту можуть визначити де по якому ґрунту проходила людина чи проїжджала машина і знаючи склади навколишніх ґрунтів визначити в яких місцях проходила людина чи проїжджала машина. За допомогою хімічного аналізу археологи можуть визначати, як жили, з чого будували, що носили люди в цю епоху, за залишками пиші, залишеної в черепках і судинах, можуть визначати, чим харчувалися люди. За допомогою хімічного аналіза якісного та кількісного в, медицині, порівнюючи з нормою аналізи крові, сечі та ін рідких середовищ організму людини, можна поставити діагноз і проводити курс лікування під контролем, відстежуючи динаміку зміни аналізів, спостерігати успішність або не успішність даного курсу лікування необхідності коригувати курс лікування. Старі майстри готували фарби, лаки. Знаючи, які склади готував конкретний майстер, мистецтвознавці за допомогою хімічного аналізу, можуть упевнено стверджувати – авторство художнього твору. Реставратори також користуються хімічним аналізом і відкривають секрети стародавніх майстрів.

Хімічний практикум Мета: дослідження хімічної природи аналізованого зразка Мета: дослідження хімічної природи аналізованого зразка Якісний аналіз Кількісний аналіз Сукупність експериментальних методик, що дозволяють визначити в зразку, що аналізується, кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням погріш що дозволяють визначити в зразку, що аналізується, кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням похибки

Підготовка зразка Причини: зразок є сумішшю речовин, що не піддається спільному визначенню зразок є сумішшю речовин, що не піддається спільному визначенню вміст аналізованої речовини нижче межі чутливості методу вміст аналізованої речовини нижче межі чутливості методу Необхідні дії: Поділ Концентрування

Підготовка зразка Способи підготовки: Осадження Виділення з розчину твердої фази малорозчинного осаду Виділення з розчину твердої фази малорозчинного осаду Екстракція Вилучення речовини з водної фази органічним розчинником, що не змішується з нею, Витяг речовини з водної фази, що не змішується з ней Концентрування речовини на межі розділу фаз Електроміграція Поділ іонів у розчині, заснований на різній рухливості іонів Розділення іонів у розчині, заснований на різній рухливості іонів

Обробка отриманих даних Використання готових формул Висновок формули з основних законів Метод калібрувального графіка Застосування формул вимагає повного дотримання умов експерименту, для яких вони розроблені! Застосування формул вимагає повного дотримання умов експерименту, котрим вони розроблені!

Обробка отриманих даних Метод калібрувального графіка 1. Приготувати декілька (3-5) зразків із заздалегідь відомим вмістом шуканої речовини. Межі діапазону приготовлених концентрацій повинні свідомо включати очікувані значення 2. Провести аналіз стандартних зразків обраним методом. 3. Нанести результати аналізу на графік, що відображає залежність величини аналітичного сигналу від концентрації речовини, що аналізується (занести в пам'ять комп'ютера). 4. Провести аналіз невідомого зразка, повністю дотримуючись умов експерименту. 5. Графічно або за допомогою комп'ютерної обробки результатів визначити концентрацію речовини у зразку.

Обробка отриманих даних Метод калібрувального графіка С(m) Х o o o o Сх Сх Необхідно бути впевненим у тому, що залежність між концентрацією та величиною аналітичного сигналу носить прямолінійний характер.

Оформлення результатів Подання результату Сукупність експериментальних методик, що дозволяють визначити в аналізованому зразку кількісний зміст окремих складових частин, виражене у вигляді меж довірчого інтервалу або числа із зазначенням похибки. інтервалу або числа із зазначенням похибки Приклади правильного подання результату: m к-ти на 100 мл розчину = 350 мг m к-ти на 100 мл розчину = мг 20 мг похибка довірчий інтервал

Безпосередній аналіз Основні характеристики методів аналізу: Чутливість Та концентрація речовини, яка може бути визначена на серійній апаратурі зі стандартною для даного методу похибкою Та концентрація речовини, яка може бути визначена на серійній апаратурі зі стандартною для даного методу похибкою Межа виявлення Межа виявлення Мінімальна концентрація речовини яка може бути якісно виявлена ​​даним методом Мінімальна концентрація речовини, яка може бути якісно виявлена ​​даним методом Повторюваність результатів кількох експериментів, виконаних в одних і тих же умовах одного і того ж зразка Правильність Відсоток помилок визначення даним методом та його систематична похибка Процент помилок визначення даним методом та його систематична похибка

КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ХІМІЧНОГО АНАЛІЗУ Хімічні Фізико-хімічні Фізичні Гібридні Припускають використання хімічних реакцій і візуальне визначення результату Засновані на вимірі за допомогою приладів фізичних властивостей речовини, що залежать від його кількісного складу з'єднані способи поділу та визначення, або два або більше способи визначення

Класифікація методів хімічного аналізу Засновані на поступовому додаванні до обмірюваного обсягу аналізованої речовини розчину реагенту відомої концентрації з одночасним спостереженням за змінами в розчині.

ГРАВІМЕТРІЯ Метод осадження Речовину осаджують як малорозчинну сполуку, фільтрують, сушать і зважують. Приклад Визначення іонів Ag + за допомогою іодидів Метод відгону Речовину випаровують, уловлюють іншим реагентом і за зміною маси реагенту судять про кількість речовини. Приклад При визначенні вологості об'єкт нагрівають, поглинають пару відомою кількістю безводного СаСl 2 і зважують його. Електролітичні методи Осадження речовини, що визначається на поверхні електрода Осадження речовини, що визначається на поверхні електрода Приклад Виділення іонів міді з кислого розчину у вигляді металу на поверхні мідного електрода.

Реакція нейтралізації Приклад: Точка еквівалентності – момент, коли речовини відреагують в еквівалентних кількостях. Обсяг титранта, витрачений для досягнення точки еквівалентності, називають еквівалентним обсягом Досягнення точки еквівалентності фіксують за допомогою індикатора

Загальні закономірності Еквівалентна та нейтральна точки не завжди збігаються. Еквівалентна точка та зона стрибка титрування можуть лежати як у лужній, так і в кислотній ділянці. Для виявлення еквівалентної точки придатний лише індикатор, чий діапазон зміни забарвлення знаходиться в зоні стрибка титрування.

Основні поняття об'ємного аналізу 1. ЕКВІВАЛЕНТ HnXHnXB(OH) m Me n m+ X m n- АЛЕ! Якщо в-во бере участь в окислювально-відновній реакції реальна або умовна частка, яка може приєднувати або вивільняти в реакції нейтралізації один іон водню

Основні поняття об'ємного аналізу Показує, яка частка реальної частки речовини еквівалентна одному іону водню (одного електрону) у цій конкретній реакції. HnXHnX B(OH) m Z = n Z = m Звертається до еквівалентного числа z речовини. Фактор еквівалентності – f eq H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O Приклад: f eq (H 2 SO 4 ) = 1 Але:

2. ЕКВІВАЛЕНТНА МАСА Молярна маса еквівалента (M 1/z) – маса одного моля еквівалента речовини (г), г/моль Основні поняття об'ємного аналізу H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4) = ½ Приклад: H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O f eq (H 2 SO 4) = 1 Але: M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 ½ = 49 г /моль M 1/z (H 2 SO 4) = M f eq = 98 1 = 98 г/моль

НОРМАЛЬНА КОНЦЕНТРАЦІЯ (нормальність, молярна концентрація еквівалента) Показує кількість моль еквівалентів речовини в одному літрі розчину N = С м, якщо M 1/z = М Оскільки M 1/z М, то N С м Основні поняття об'ємного аналізу Позначення: С н, N, З 1/z 4. ТИТР Т р-ну = N розчину. M 1/z Розмірність: г/л, мг/мл. Показує, скільки міліграмів речовини міститься в одному мілілітрі розчину

При титруванні в точці еквівалентності кількість еквівалентів однієї речовини дорівнює кількості еквівалентів іншої: 1/z (A) = 1/z (B) або C 1/z (A) V(A) = C 1/z (B) V(B ) Або, як писали раніше: N 1. V 1 = N 2. V 2 ЗАКОН ЕКВІВАЛЕНТІВ m в-ва = N р-ну. M 1/z. V р-ра Розрахунок маси речовини в розчині: Звідси:

ТИТРИМЕТРІЯ Пряме титрування Безпосереднє додавання стандартного реагенту до аналізованого розчину Безпосереднє додавання стандартного реагенту до аналізованого розчину Приклад NaOH(ан.р-р) + HCl (стандарт) = NaCl + H 2 O Індикатор - фенолфталеїн Непряме титрування Косвенне титрування Косвенне титрування Косвен - Вує з титрантом, але його можна зв'язати кількісно з іншою речовиною, що взаємодіє з титрантом. Приклад Визначення іонів Са 2+ Ca 2+ + KMnO 4 = не взаємодіють, але Са 2+ + (COOH) 2 = CaC 2 O 4 (осад), далі CaC 2 O 4 + H 2 SO 4 + KMno 4 = CaSO 4 + CO 2 + MnO Реакція, що лежить в основі методу, має бути... - вибірковою- кількісною- швидкою

ТИТРИМЕТРІЯ Зворотне титрування Титрування непрореагованої речовини, яке додано в надлишку до аналізованого розчину у вигляді стандартного розчину Титрування непрореагувала речовини, яке додано в надлишку до аналізованого розчину у вигляді стандартного розчину Замісне титрування Замісне розчину додають допоміжний реагент, що утворює з певною речовиною еквівалентну кількість речовини-заступника. Приклад Визначення KMnO 4 KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 = I 2 (еквівалентна кількість) +... I 2 + Na 2 S 2 O 3 = NaI + Na 2 S 4 O 6 (Індикатор - крохмаль) Приклад Визначення змісту KBr KBr + AgNO 3 (поз.) = KNO 3 + AgBrг + AgNO 3 (зуп.) AgNO 3 (зуп.) + NH 4 CNS = NH 4 NO 3 + AgCNSг Індикатор - Fe 3+ (Fe CNS - = Fe(CNS) 3 (червоний))

Фізичні методи аналізу Електрохімічні Засновані на процесах, що протікають у розчині під дією струму Засновані на процесах, що протікають у розчині під дією струму Потенціометрія (іонометрія) Вольтаметрія Кулонометрія Кондуктометрія Визначення концентрації іонів іоноселективними електродами Вимірювання електродних потенціалів, що залежать від концентрації ході електродних реакцій. Вимірювання концентрації електроліту в розчині з його електропровідності.

ФІЗИЧНІ МЕТОДИ Спектральні методи Засновані на взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням. Засновані на взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням., м E = h = hC/ Мікрохвилі Радіохвилі УФ промені Ренгенівське та -випромінювання ІЧ випромінювання Переорієнтація спина електрона деяких атомів (1 Н, 13 С,…) Коливання атомів Перехід електронів кратних зв'язків на збуджені рівні ЯМР спектроскопія ІЧ спектроскопія УФ спектроскопія

Спектроскопія ЯМР Завдання, що вирішуються: - встановлення структури невідомих речовин - підтвердження чистоти та індивідуальності сполуки відомої структури Об'єкти аналізу: Рідкі органічні речовини, розчини органічних речовин ІЧ спектроскопія Об'єкти аналізу: Тверді, рідкі, газоподібні речовини будь-якої природи УФ спектроскопія Об'єкти аналізу: газоподібні речовини, що мають у структурі кратні зв'язки. Спектральні методи Межа виявлення г

Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Високоефективна газорідинна хроматографія Метаболічний профіль органічних компонентів сечі здорової людини Метаболічний профіль органічних компонентів сечі здорової людини I t

Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині Можливості сучасних методів хімічного аналізу в медицині I t ,2,3-триметилбензол 3 - 1,2,4-триметилбензол 5 - м,п-диметилтолуол 8 - п-ксилол 9 - м-ксилол 11 - етилбензол 12 - нонан 13 - толуол 14 - н-октан 15 - н-гептан метилгексан метилгексан 18 - н-гексан метилпентан 20 - н-пентан Аналіз проби повітря (проба взята на Виборзькій набережній)

ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ

Аналітична хімія. Завдання та етапи хімічного аналізу. аналітичний сигнал. Класифікації методів аналізуза. Ідентифікація речовин. Докладний аналіз. Систематичний аналіз.

Основні завдання аналітичної хімії

Одним із завдань при проведенні природоохоронних заходів є пізнання закономірностей причинно-наслідкових зв'язків між різними видами людської діяльності та змінами, що відбуваються в природному середовищі. Аналіз- це головний засіб контролю над забрудненістю довкілля. Науковою основою хімічного аналізу є аналітична хімія. Аналітична хімія -наука про методи та засоби визначення хімічного складу речовин та матеріалів. Метод- це досить універсальний та теоретично обґрунтований спосіб визначення складу.

Основні вимоги до методів та методик аналітичної хімії:

1) правильність та хороша відтворюваність;

2) низький межа виявлення- це найменший зміст, при якому за цією методикою можна виявити присутність обумовленого компонента із заданою довірчою ймовірністю;

3) вибірковість (селективність)- характеризує вплив різних факторів, що заважає;

4) діапазон вимірюваних змістів(концентрацій) за допомогою даного методу за даною методикою;

5) експресність;

6) простота в аналізі, можливість автоматизації, економічність визначення.

Хімічний аналіз- це складний багатостадійний процес, що являє собою сукупність готових прийомів та відповідних служб.

Завдання аналізу

1. Ідентифікація об'єкта, тобто. встановлення природи об'єкта (перевірка присутності тих чи інших основних компонентів, домішок).

2. Кількісне визначення змісту того чи іншого компонента в аналізованому об'єкті.

Етапи аналізу будь-якого об'єкта

1. Постановка задачі та вибір методу та схеми аналізу.

2. Відбір проб (грамотний відбір частини проби дозволяє зробити правильний висновок про склад всієї проби). Проба- це частина аналізованого матеріалу, представницько отр ахімічний склад, що його дає. В окремих випадках як пробу використовують весь аналітичний матеріал. Час зберігання відібраних проб має бути мінімальним. льним. Умови та способи зберігання повинні виключати неконтрольовані втрати легколетких сполук та будь-які інші фізичні та хімічні зміни у складі аналізованого зразка.

3. Підготовка проб до аналізу: переведення проби в необхідний стан (розчин, пара); поділ компонентів або відділення заважають; концентрування компонентів;

4. Отримання аналітичного сигналу. Аналітичний сигнал- це зміна будь-якої фізичної чи фізико-хімічної властивості обумовленого компонента, функціонально пов'язане з його змістом (формула, таблиця, графік).

5. Обробка аналітичного сигналу, тобто. поділ сигналу та шумів. Шуми- Побічні сигнали, що виникають у вимірювальних приладах, підсилювачах та інших апаратах.

6. Застосування результатів аналізу. Залежно від якості речовини, покладеної в основу визначення, методи аналізу поділяються:

на хімічні методианалізу, засновані на хімічній аналітичній реакції, що супроводжується яскраво вираженим ефектом. До них відносяться гравіметричний та титриметричний методи;

- фізико-хімічні методи,засновані на вимірі будь-яких фізичних параметрів хімічної системи, що залежать від природи компонентів системи та змінюються в процесі хімічної реакції (наприклад, фотометрія заснована на зміні оптичної густини розчину в результаті реакції);

- фізичні методианалізу, що не пов'язані з використанням хімічних реакцій. Склад речовин встановлюється за виміром характерних фізичних властивостей об'єкта (наприклад, щільність, в'язкість).

Залежно від вимірюваної величини всі методи поділяються такі види.

Методи виміру фізичних величин

Ідентифікація речовинґрунтується на методах якісного розпізнавання елементарних об'єктів (атомом, молекул, іонів та ін), з яких складаються речовини та матеріали.

Дуже часто аналізовану пробу речовини переводять у форму, зручну для аналізу шляхом розчинення у відповідному розчиннику (зазвичай це вода або водні розчини кислот) або сплавлення з будь-якою хімічною сполукою з подальшим розчиненням.

Хімічні методи якісного аналізу засновані на використання реакцій ідентифікованих іонів з певними речовинами - аналітичними реагентамиТакі реакції повинні супроводжуватися випаданням чи розчиненням осаду; виникненням, зміною чи зникненням фарбування розчину; виділенням газу із характерним запахом; освітою кристалів певної форми.

Реакції, що протікають у розчинах, за способом виконаннякласифікуються на пробіркові, мікрокристалоскопічні та крапельні. Мікрокристаллоскопічні реакції проводять на предметному склі. Спостерігають утворення кристалів характерної форми. Крапельні реакції виконують на фільтрувальному папері.

Аналітичні реакції, що застосовуються в якісному аналізі, по галузі застосуванняділяться:

1.) на групові реакції- це реакції для осадження цілої групи іонів (застосовується один реагент, який називається груповим);

2;) характерні реакції:

а) селективні (виборчі)- дають однакові або подібні аналітичні реакції з обмеженим числом іонів (2-5 шт.);

б) специфічні (високоселективні)- вибіркові по відношенню до одномукомпоненту.

Селективних і специфічних реакцій небагато, тому їх застосовують у поєднанні з груповими реакціями і зі спеціальними прийомами для усунення компонентів, що заважають впливу компонентів, присутніх в системі поряд з визначеною речовиною.

Нескладні суміші іонів аналізують дробовим методом,без попереднього відділення іонів, що заважають, за допомогою характерних реакцій визначають окремі іони. М іон іон- це іон, що у умовах виявлення шуканого дає подібний аналітичний ефект із тим самим реактивом чи аналітичний ефект, маскує необхідну реакцію. Виявлення різних іонів у дробовому аналізі проводять в окремих порціях розчину. При необхідності усунення іонів, що заважають, користуються наступними способами відділення та маскування.

1. Переклад іонів, що заважають, в осад.В основі лежить відмінність у величині добутку розчинності опадів, що виходять. При цьому ПР з'єднання іона з реагентом повинно бути більше, ніж ПР з'єднання заважає іона.

2. Зв'язування іонів, що заважають, в міцне комплексне з'єднання.Отримуваний комплекс повинен мати необхідну стійкість, щоб здійснити повне зв'язування іона, що заважає, а шуканий іон - зовсім не реагувати з введеним реагентом або його комплекс повинен бути неміцним.

3. Зміна ступеня окислення іонів, що заважають.

4. Використання екстракції.Метод заснований на вилученні з водних розчинів іонів, що заважають, органічними розчинниками і розділенні системи на складові частини (фази), щоб заважає і визначається компоненти були в різних фазах.

Переваги дробового аналізу:

Швидкість виконання, оскільки скорочується час тривалі операції послідовного відділення одних іонів від інших;

Дробні реакції легко відтворювані, тобто. їх можна повторювати кілька разів. Однак у разі труднощі підбору селективних (специфічних) реакцій виявлення іонів, що маскують реагентів, розрахунку повноти

видалення іонів та інших причин (складність суміші) вдаються до виконання систематичного аналізу.

Систематичний аналіз- це повний (докладний) аналіз об'єкта, що досліджується, який проводиться шляхом поділу всіх компонентів у пробі на кілька груп у певній послідовності. Розподіл на групи йде на основі подібності (всередині групи) та відмінності (між групами) аналітичних властивостей компонентів. У виділеній групі аналізу застосовується ряд послідовних реакцій поділу, поки в одній фазі залишаться лише компоненти, що дають характерні реакції із селективними реагентами (рис. 23.1).

Розроблено декілька аналітичних класифікацій катіонів та аніонів на аналітичні групи, в основі яких лежить застосування групових реагентів (тобто реагентів для виділення в конкретних умовах цілої групи іонів). Групові реагенти в аналізі катіонів служать як виявлення, так поділу, а аналізі аніонів - лише виявлення (рис. 23.2).

Аналіз сумішей катіонів

Груповими реагентами в якісному аналізі катіонів є кислоти, сильні основи, аміак, карбонати, фосфати, сульфати лужних металів, окислювачі та відновники. Об'єднання речовин в аналітичні групи засноване на використанні подібності та відмінностей у їх хімічних властивостях. До найважливіших аналітичних властивостей відносяться здатність елемента утворювати різні типи іонів, колір і розчинність сполук, здатність вступати вті чи інші реакції.

Групові реагенти вибирають із загальних реактивів, оскільки необхідно, щоб груповий реагент виділяв відносно велику кількість іонів. Основний спосіб поділу - осадження, тобто. розподіл на групи, заснований на різній розчинності опадів катіонів у певних середовищах. Під час розгляду дії групових реагентів можна назвати такі групи (табл. 23.2).

Крім того, залишаються три катіони (Na + , К + , NH4), які не утворюють опадів із зазначеними груповими реагентами. Їх також можна виділити окрему групу.

Групи катіонів

Крім зазначеного загального підходу, при виборі групових реагентів виходять із значень творів розчинності опадів, так як, варіюючи умови осадження, можна розділити речовини групи дією одного і того ж реагенту.

Найбільшого поширення набула кислотно-основна класифікація катіонів. Переваги кислотно-основного методу систематичного аналізу:

а) використовуються основні властивості елементів – їх відношення до кислот, лугів;

б) аналітичні групи катіонів більшою мірою зівідповідають групам періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва;

в) значно скорочується час проведення аналізу порівняння із сірководневим методом. Дослідження починають з попередніх випробувань, в яких встановлюють рН розчину за універсальним індикатором і виявляють іони NH 4 , Fe 3+ , Fe 2+ специфічними та селективними реакціями.

Поділ на групи.Загальна схема поділу на групидана в табл. 23.3. В аналізованому розчині передусім відокремлюють катіони І та ІІ груп. Для цього 10-15 крапель розчину поміщають у пробірку і додають краплями суміш 2М HCl і 1М H 2 S0 4 . Залишають осад на 10 хв, потім центрифугують його і промивають водою, підкисленої НС1. В осаді залишається суміш хлоридів і сульфатів Ag + , Pb 2+ , 2+ , Са 2+ . Можлива присутність основних солей сурми. У розчині – катіони III-vi груп.

З розчину відокремлюють III групу додаванням декількох крапель 3%-ного Н 2 0 2 і надлишку NaOH при нагріванні та перемішуванні. Надлишок пероксиду водню видаляють кип'ятінням. В осаді - гідроксиди катіонів IV-V груп, в розчині - катіони III і VI груп і частково Са 2+ , який може не повністю осідати у вигляді CaS0 4 при відділенні I і II груп.

З осаду відокремлюють катіони V групи. Осад обробляють 2н Na 2 CO 3 потім надлишком NH 3 при нагріванні. Катіони V групи переходять у розчин у вигляді аміакатів, в осаді - карбонати та основні солі катіонів IV групи.

Гідність систематичного аналізу- Отримання достатньо повної інформації про склад об'єкта. Нестача- громіздкість, тривалість, трудомісткість. Цілком схеми систематичного якісного аналізу здійснюються рідко. Зазвичай їх використовують частково, якщо є відомості про походження, приблизний склад зразка, a такж у навчальних курсах аналітичної хімії.

Гідроксид магнію розчиняється у суміші NH 3 + NH 4 C1. Таким чином, після поділу катіонів на групи отримали чотири пробірки, що містять: а) осад хлоридів і сульфатів катіонів I-П груп; б) розчин суміші катіонів III та VI груп; в) розчин аміакатів катіонів V групи; г) осад карбонатів та основних солей катіонів IV групи. Кожен із цих об'єктів аналізують окремо.

Аналіз сумішей аніонів

Загальна характеристика аніонів, що вивчаються. Aніони утворюються в основному елементами груп IV, V, VI та VII періодичної системи. Один і той самий елемент може утворювати кілька аніонів, що відрізняються своїми властивостями. Haприклад, сірка утворює аніони S 2 -, S0 3 2 ~, S0 4 2 ~, S 2 0 3 2 ~ та ін.

Усі аніони є складовою частиною кислот і соотвітальних солей. Залежно від цього, до складу якого речовини входить аніон, властивості його значно змінюються. Наприклад, для іона SO 4 2 "у складі концентрованої cepной кислоти властиві реакції окислення-відновлення, а у складі солей - реакції осадження.

Стан аніонів у розчині залежить від середовища розчину. Деякі аніони розкладаються при дії концентрованих кислот з виділенням відповідних газів: С0 2 (аніон СО 2- 3), H 2 S (аніон S 2 "), N0 2 (аніон N0 3) та ін. При дії розведених кислот аніони МоО 4 2 - , W0 4 2 ~, SiO 3 2 " утворюють не розчинні у воді кислоти (H 2 Mo0 4 , H 2 W0 4 * H 2 0, H 2 SiПро 3 ). Аніони слабких кислот (С0 3 2 ~, Р0 4 ", Si0 3 2 ~, S 2 ") у водних розчинах частково або повністю гідролізуються, наприклад:

S 2 "+ H 2 0 →HS" + OH _ .

Більшість елементів, що утворюють аніони, мають змінну валентність і при дії окислювачів або відновників змінюють ступінь окислення, при цьому змінюється склад аніону. Хлорид-іон, наприклад, можна окислити до С1 2 , СlО", СlO 3 , СlO 4 . Іодид-іони, наприклад, окислюються до I 2 , IO 4 ; сульфід-іон S 2 ~ - до S0 2 , SO 4 2- аніони N0 3 можна відновити до N0 2 , NO, N 2 , NH 3 .

Аніони-відновники (S 2 ~, I - , CI -) відновлюють у кислому середовищі іони Мп0 4 - викликаючи їх знебарвлення. Іони-окислювачі (NO3 , CrO 4 2 ", V0 3 - , Mn0 4 ~) окислюють іодид-іони в кислий ойсередовищі до вільного іона, забарвлюють дифеніламін в синій колір. їххарактерних реакцій

Групові реакції аніонів.Реагенти за своєю дією паніони поділяють на наступні групи:

1) реактиви, що розкладають речовини з виділенням газів. До таких реактивів відносяться розведені мінеральні кислоти (НС1, H2S04);

2) реактиви, що виділяють аніони з розчинів у вигляді малорозчинених опадів (табл. 23.4):

а) ВаС1 2 в нейтральному середовищі або в присутності Ва(ОН) 2 осаджує: SO 2- , SO, 2 ", S 2 0 3 2 ~, 3 2 ", РО 4 2 ", В 4 0 7 2 ~, As0 3 4", SiO 3 2";

б) AgNO 3 в 2н HNO 3 тримає в облозі: СГ, Br - , I - , S 2- (SO 4 2 тільки в концентрованих розчинах);

3) реактиви-відновники (КІ) (табл. 23.5);

4) реактиви-окислювачі (КМп0 4 розчин I 2 в KI, НNО 3(конц) , H 2 S0 4).

Аніони при аналізі переважно не заважають виявленню один одного, тому групові реакції застосовують задля поділу, а попередньої перевірки наявності чи відсутності тієї чи іншої групи аніонів.

Систематичні методи аналізу суміші аніонів, заснований ніна розподілі їх на групи, використовуються рідко, головним чином зомна дослідження нескладних сумішей. Чим складніша суміш аніонів, тим більш громіздкими стають схеми аналізу.

Дробний аналіз дозволяє виявити аніони, які не заважають один одному, в окремих порціях розчину.

У напівсистематичних методах має місце поділ аніонів на групи за допомогою групових реактивів та подальше дробове виявлення аніонів. Це призводить до скорочення кількості необхідних послідовних аналітичних операцій і зрештою спрощує схему аналізу суміші аніонів.

Сучасний стан якісного аналізу не обмежується класичною схемою. В аналізі як неорганічні, такі органічних речовин часто використовуються інструментальні методи, такі як люмінесцентний, абсорбційно-спектроскопічний, різні електрохімічні методи, які варіанти хроматографії і т.д. Однак у ряді випадків (польові, заводські експрес-лабораторії та ін.) класичний аналіз через простоту, доступність, дешевизну не втратив свого значення.