ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н. КАРАЗІНА

НІКІТІНА НАТАЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 543.067.5 + 543:544.344 + 321.11

ТЕСТ-МЕТОДИ ХІМІЧНОГО АНАЛІЗУ З ВІЗУАЛЬНОЮ ІНДИКАЦІЄЮ: МЕТРОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ, НОВІ ТЕСТ-СИСТЕМИ

02.00.02 – аналітична хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті

імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, доцент

РЕШЕТНЯК ОЛЕНА ОЛЕКСАНДРІВНА

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, доцент кафедри хімічної метрології

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

БЛАНК АВРАМ БОРИСОВИЧ

НТК “Інститут монокристалів” НАН України, м. Харків,

завідувач відділу аналітичної хімії функціональних

матеріалів та об’єктів навколишнього середовища

кандидат хімічних наук, доцент

ЗАЙЦЕВА ГАЛИНА МИКОЛАЇВНА

Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця,

м. Київ, доцент кафедри загальної хімії

Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний

університет, кафедра аналітичної хімії,

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “15 червня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.14 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-80).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4).

Автореферат розісланий “ 10 ” травня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради В.Г. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тест-методи належать до простих, експресних і дешевих методів аналізу, які не потребують умов лабораторії та спеціальної кваліфікації персоналу. Завдяки цим перевагам тест-методи знайшли застосування для контролю хімічного складу об’єктів довкілля, зокрема таких, як узагальнені показники якості вод: сумарний вміст важких металів, загальна кислотність, лужність та ін.

Ефективному впровадженню методик тестового аналізу з візуальною індикацією заважає відсутність єдиних рекомендацій щодо надійного оцінювання метрологічних характеристик тест-визначень: межі виявлення (сmin) та нижньої границі концентрацій, що визначаються (сн).

У хімічних тест-методах застосовують, як правило, реагенти різної дії, що добре відомі за реакціями виявлення та визначення аналітів у розчинах: кислотно-основні, комплексоутворюючі, окислювально-відновні й ті, що беруть участь у синтезі нових хромогенних сполук. Пошук нових матеріалів і середовищ для іммобілізації аналітичних реагентів та або модифікації їх властивостей залишається актуальним питанням тестового аналізу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною планових досліджень кафедри хімічної метрології Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна відповідно до тематичних планів Міносвіти України як складова частина НДР “Керування хімічними рівновагами в гетерогенних та мікрогетерогенних середовищах, перспективних для тестових та гібридних методів аналізу“ (№ державної реєстрації 0103U004212) та “Визначення, теоретичні оцінки та застосування в хімічному аналізі характеристик гідрофобності органічних сполук“ (№ державної реєстрації 0104U000662).

Мета дослідження – обґрунтування підходу до оцінювання метрологічних характеристик тестового аналізу з візуальною індикацією та створення нових тест-систем для виявлення та напівкількісного визначення забруднювачів і загальних показників якості водних середовищ. Для досягнення мети необхідно було вирішити такі завдання:

· розробити алгоритм оцінювання метрологічних характеристик та застосувати його для відомих і нових тест-систем;

· визначити залежність метрологічних характеристик тест-систем від типу матеріалу носія, типу аналітичної реакції, кількості спостережень в області ненадійної реакції (НР);

· розробити нові тест-системи на основі різних носіїв, зокрема, желатинового гелю;

· з’ясувати особливості комплексоутворення та дослідити властивості кислотно-основних індикаторів у середовищі желатинового гелю.

Методи дослідження – спектрофотометрія та спектроскопія дифузного відбиття (вивчення властивостей іммобілізованих реагентів, оптимізація умов приготування тест-засобів та умов тест-визначень), потенціометрія (визначення констант рівноваг), атомно-абсорбційна спектроскопія (перевірка правильності тест-методик з візуальною індикацією).

Для статистичної обробки первинних даних тест-виявлень використовували традиційні методи та програмне забезпечення, розроблене А.В. Пантелеймоновим. Для математичної обробки даних використовували також прикладні пакети “ORIGIN 7.0” та “Sigma Plot 8.0”.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримали подальший розвиток уявлення про вимоги до обсягу експерименту при оцінюванні межі виявлення з використанням тест-засобів.

2. Для тест-визначень із застосуванням колірної шкали уточнено методологію оцінювання нижньої границі концентрацій, що визначаються.

3. Показано, що для порівняння тест-систем та прогнозування необхідного обсягу експерименту при оцінюванні межі виявлення доцільно користуватися величиною відносної ширини області ненадійної реакції.

4. На прикладі рН-тестів і тест-систем для виявлення та напівкількісного визначення іонів металів показано можливість застосування желатинового гелю як середовища для тест-реакцій.

5. Вперше виявлено, що вплив середовища желатинового гелю на властивості кислотно-основних індикаторів є аналогічним впливу міцелярного середовища в розчинах іоногенних поверхнево-активних речовин.

6. Вперше встановлено склад комплексів та оцінено умовні константи стійкості комплексів іонів Cu2+, Cd2+, Co2+ та Pb2+ з 4-(2-піридилазо)-резорцином (ПАР) у желатиновій плівці.

7. Розроблено нові тест-системи для виявлення та напівкількісного визначення 2,4-дихлорфеноксиоцтової кислоти (2,4-Д) на основі пінополіуретану (ППУ) та іонів металів на основі ППУ, метилкремнієвої кислоти (МКК), желатинової плівки.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблений підхід дозволяє оцінювати метрологічні характеристики тестового аналізу з візуальною індикацією (сн і cmin) на етапі розробки і впровадження тест-систем у практику аналізу. Розроблені рекомендації сприяють зниженню трудомісткості та тривалості досліджень з оцінювання метрологічних характеристик.

2. Вивчені властивості желатинового гелю дозволяють використовувати желатинові плівки як перспективний носій у тест-визначеннях.

3. Методики тест-визначень CoII) з 2-нітрозо-1-нафтолом, рН, 2,4-Д з бутилродаміном, сумарного вмісту важких металів (Co2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Pb2+) з ПАР на основі різних носіїв апробовано при аналізі модельних водних розчинів та зразків природних вод і використовуються в навчальному процесі (спецкурс „Хроматографічні та тестові методи аналізу”, що викладається на кафедрі хімічної метрології хімічного факультету ХНУ імені В.Н. Каразіна). рН _ тест на основі желатинової плівки вигідно відрізняється від реагентних індикаторних папірців можливістю багаторазового використання.

Особистий внесок автора полягає в аналізі літературних даних за темою дисертації, у розробці методики оцінювання метрологічних характеристик тест-систем, в експериментальному дослідженні впливу середовища желатинового гелю на протолітичні та комплексоутворюючі властивості індикаторів, у розробці нових тест-систем, обробці результатів, участі у формуванні висновків та написанні наукових статей. Постановку завдань дослідження, аналіз та узагальнення результатів, формулювання висновків проводили разом з науковим керівником. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає у виконанні основної частини експерименту, інтерпретації та обробці результатів.

Автор висловлює подяку проф. Л.П. Логіновій (ХНУ імені В.Н. Каразіна) за участь в обговоренні результатів і за пропозицію використовувати желатиновий гель як середовище для тест-реакцій; д.х.н. В.М. Островській (ІЗНХ імені Н.С. Курнакова, м. Москва) за надання реагентних індикаторних паперів та пристроїв для концентрування; н.с. Н.П. Титовій (ХНУ імені В.Н. Каразіна) за допомогу в проведенні атомно-абсорбційних вимірювань; проф. Ю.В. Холіну та аспіранту А.В. Пантелеймонову (ХНУ імені В.Н. Каразіна) за розробку програмного забезпечення.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи було викладено на українських і міжнародних конференціях: Міжнародному Форумі “Аналитика и аналитики” (Воронеж, 2003); Міжнародній конференції “Экология: образование, наука, промышленность и здоровье” (Бєлгород, 2004), V Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2004); конгресі “Экватек” (Москва, 2004); II Всеросійскому симпозіумі “Тестовые методы химического анализа” (Саратов, 2004); Всеросійскій конференції “Аналітика России” (Москва, 2004); конференції “Каразінські природознав-чі студії”Харків, );Всеук-раїнській конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Харків, 2005); II Міжнародному симпозіумі “Методи хімічного аналізу” (Ужгород, 2005); Міжнародній конференції “Analytical chemistry and chemical analysis” (Київ, ); II Міжнародному симпозіумі “Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии” (Краснодар, 2005); II Міжнародній конференції “Экстракция органических соединений” (Воронеж, 2005).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 17 публікаціях, з яких 4 статті (“Журнал аналитической химии” – 2 статті; “Вісник Харківського національного університету” – 2 статті) і 13 тез доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаної літератури з 148 джерел і списку авторських публікацій, 1 додатку. Загальний обсяг дисертації становить 141 сторінку; робота містить 27 таблиць, 41 рисунок. У першому розділі наведено огляд літератури, що стосується тестових методів аналізу з візуальною індикацією, матеріалів та середовищ, що найбільш часто використовуються для приготування тест-засобів; розглянуто особливості протікання кислотно-основних реакцій та реакцій комплексоутворення в різноманітних середовищах. Проаналізовано стан проблеми визначення метрологічних характеристик візуального тестового аналізу, зокрема, межі виявлення та нижньої границі концентрацій, що визначаються. В другому розділі наведено відомості про реактиви, обладнання, сорбенти, що використовували для приготування тест-засобів, методики експерименту. Третій розділ присвячено розробці нових методик тест-визначення сумарного вмісту важких металів, кобальтуII) і 2,4-Д у водних середовищах та дослідженню особливостей комплексоутворення іонів Co2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+ з ПАР і протолітичних рівноваг кислотно-основних індикаторів бромфенолового синього (БФС), бромкрезолового зеленого (БКЗ), нейтрального червоного (НЧ) й малахітового зеленого (МЗ) у середовищі желатинового гелю. В четвертому розділі наведено результати оцінювання метрологічних характеристик 18 тест-систем (областей ненадійної реакції, значень межі виявлення, нижньої границі концентрацій, що визначаються) за запропонованими методиками та результати дослідження факторів, що впливають на ці характеристики.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Нові тест-системи

Для створення тест-систем використовували пінополіуретан, метилкремнієву кислоту, желатинову плівку. Тест-засоби готували таким чином: пінополіуретан у вигляді таблеток з масою 0.03-0.05 г, діаметром 16 мм, висотою 5-10 мм попередньо промивали розчином 0.1 моль/л H2SO4, водою до рН 5-6 та ацетоном. На білі промиті таблетки сорбували з розчину аналітичні реагенти або забарвлені продукти реакції, що відбувалась між аналітом і реагентом в розчині.

Порошок метилкремнієвої кислоти готували з фармацевтичного препарату „Ентеросгель” з масовою часткою МКК 70 % (виробник ЗАО “КРЕОМА-ФАРМ”, м. Київ). Препарат сушили при 150оС до сталої ваги. Порошок обробляли розчином відповідного аналітичного реагенту з додаванням неіоногеної поверхнево-активної речовини Тритон Х-100. В умовах тестування на 0.02 г модифікованого сорбенту наносили 0.03 мл аналізованого розчину.

Желатинова плівка. В роботі використовували фотографічні плівки для офсетного друку фірм AGFA та СВЕМА з желатиновим покриттям товщиною близько 20 мкм, з яких попередньо повністю було видалено галогеніди срібла. Тест-засоби готували, витримуючи прозорі безбарвні желатинові плівки в розчинах металохромних або кислотно-основних індикаторів.

Час, необхідний для іммобілізації реагентів на сорбенті чи у плівці, обирали на підставі кінетичних залежностей. Максимуми поглинання іммобілізованих реагентів, металокомплексів та іонних асоціатів на ППУ та МКК знаходились практично при тих же самих значеннях довжини хвилі, що й у розчині.

Спектральні характеристики та протолітичні властивості індикаторів у желатиновій плівці. Для роботи обирали індикатори, інтервал переходу забарвлення яких потрапляв у область значень рН як до, так і після ізоелектричної точки желатину (рН 5). В області значень рН<5, при яких переважає позитивний заряд макромолекул желатину, використовували аніонні індикатори БФС і БКЗ; а при рН>5, де переважає негативний заряд макромолекул желатину, використовували катіонні індикатори НЧ і МЗ. Максимуми поглинання кислої та основної форм усіх індикаторів, іммобілізованих у желатиновій плівці, зсунулись порівняно з водними розчинами (рис.1, табл. 1).

Кислотно-основну рівновагу у двофазній системі вода/желатинова плівка в загальному вигляді описували рівнянням реакції (1) та характеризували “уявною” константою іонізації індикатора (рискою над формулами зазначені частинки, що знаходяться у фазі желатину; заряд частинок не наводиться).

Рис. 1 Спектри поглинання форми R (1, 3) та форми HR+ (2, 4) нейтрального червоного в розчинах із концентрацією НЧ 3·10-5 моль/л (1, 2) та у плівці (3, 4)

, . (1)

Константи визначали за допомогою спектрофотометричного методу з контролем рН водної фази та розраховували за формулою:

, (2)

де АR і АНR – поглинання плівок, що містили тільки форму R або HR; А – поглинання плівки, що містила обидві форми.

Розраховані значення уявних констант іонізаціі індикаторів наведено в табл. . Тут також наведено значення ДpKa, що дорівнюють різниці значень індикаторів у желатиновій плівці та в розчині (). Константи кислотності іммобілізованих індикаторів БФС і БКЗ збільшились, а НЧ та МЗ – зменшились порівняно з водними розчинами. Зміна кислотно-основних і спектральних характеристик індикаторів є доказом взаємодії барвників із середовищем желатинового гелю.

Таблиця 1

Значення лmах і індикаторів та ефекти середовища (ДpKa   )

Інди-

катор | (в дужках наведено лmах у водному розчині) |

(желатин) | ДpKa

Кисла форма | Основна форма | Жела-

тин | Міцелиа | МЕа [3]

БФС

БКЗ

НЧ

МЗ | 416440)

433443)

505534)

630) | 604590)

634616)

462450) –  |

2.22 ± .17

3.54 ± .12

8.83 ± .08

12.44 ± .10 | -1.98

-1.36

2.30

0.4 | -2.21

-1.71

2.42

0.4 | -1.80

-1.67

2.4

а для БФС і БКЗ міцелярні розчини та мікроемульсії (МЕ) на основі цетилпіридиній хлориду, для НЧ та МЗ – на основі додецилсульфату натрію;

1 Мчедлов-Петросян Н.О. та ін. Журн. общей химии. 1990. Т. 60. Вып. 4. С. 900. 2 Drummond C.J., та ін. J. Chem. Soc., Faraday Trans 1. 1989. V. 85. №3. P. 551.

3Мчедлов-Петросян Н.О. та ін. Журн. аналит. химии. 2003. Т. 58. № 11. С. 1140-1153.

Спектральні характеристики реагентів та комплексоутворення у желатиновій плівці. Дослідження спектральних характеристик іммобілізованих у желатиновій плівці 4-(2-піридилазо)-резорцину, нітрозо-R-солі (НРС), комплексів металів з ПАР і НРС показало, що тільки для аніонної форми нітрозо-R-солі спостерігався батохромний зсув максимуму поглинання на 30 нм порівняно з водними розчинами (рис.2).

Рис. 2 Спектри поглинання НРС у желатиновій плівці (1), у розчині (2) та комплексів кобальту (II) з НРС у желатиновій плівці (3). Концентрація НРС у розчинах: 3·10-3 (1), 1·10-4 (2) і 2.25·10-4 (3) моль/л; Co2+ – 0.75·10-4 моль/л (3)

Склад комплексів ПАР з іонами Co2+, Cu2+, Cd2+ та Pb2+ у желатиновій плівці встановлювали за методом молярних відношень при постійній концентрації реагента в плівці. Молярну концентрацію ПАР в середовищі желатину, , розраховували за формулою:

, (3)

де с1(R), с2(R) – концентрації ПАР у розчині до та після занурення плівок; Vр – об’єм розчину, Vж – об’єм желатинової фази (розраховували згідно з геометричними розмірами плівки); k – кількість зразків плівок, що одноразово занурювали в розчин.

Загальну концентрацію металу в плівці, , розраховували за формулою:

, (4)

де с(М),М] – початкова й рівноважна концентрації металу в розчині при рН 5 та I0.1 моль/л (NaCl) до і після контакту з плівкою. Значення [М] контролювали іонометрично у випадку іонів Cu2+, Cd2+, Pb2+ та спектрофотометрично у випадку іонів Co2+.

За отриманими кривими насичення (рис. 3) встановили, що співвідношення металреагент у складі комплексу дорівнює 1 : 1 для плюмбуму (II) та 1 : 2 для інших металів.

Процес комплексоутворення в гетерогенній системі вода/желатинова плівка описували рівнянням: , (5)

де n – кількість лігандів у складі комплексу.

Умовну константу стійкості комплексу в желатиновій фазі, в', визначали як:

, (6)

Рис. Залежність поглинання комплексів іонів Pb2+ (1) і Cd2+ (2) з ПАР при л = 520 нм від загальної концентрації іонів металу в желатиновій плівці. [ = 8.6·10-3 (1) та 7.1·10-3 моль/л (2).]

де , – концентрації іммобілізованого комплексу та незв’язаного в комплекс іммобілізованого реагенту в желатиновій фазі; розрахо-вували за формулою:

. (7)

Отримані значення логарифмів констант стійкості комплексів наведено в табл. 2. Зменшення більш ніж на 5 порядків констант стійкості комплексів у желатиновій матриці порівняно з водними розчинами узгоджується зі зниженням стійкості таких же комплексів у ксерогелі, яке спостерігали інші автори.

Таблиця 2

Логарифми умовних констант стійкості комплексів Cu2+, Cd2+, Pb2+, Co2+ з ПАР у середовищі желатинового гелю

Іон металу | Співвідношення метал : реагент у складі комплексу | lgв' | Кількість визначень

Cu2+ | 1 :  | 6.49 ± 0.19 | 8

Cd2+ | 1 :  | 6.97 ± 0.16 | 11

Pb2+ | 1 :  | 4.18 ± 0.17 | 9

Co2+ | 1 :  | 6.88 ± 0.16 | 13

У табл. 3 і 4 наведено характеристики запропонованих тест-систем.

Таблиця 3

Умови використання рН-тестів на основі желатинової плівки

Іммобілізований індикатор | рН розчину, колір плівки

БФС | < 1.5

жовтий | 2.5

зелений | 3.0 – 5.0

синій

БКЗ | < 2.5

жовтий | 3.5

зелений | 4.5 – 5.0

синій

МЗ | 5.0 – 11.0

зелений | 12.0

зелено-блакитний | >13

безбарвний

НЧ | < 8.0

червоний | 9.0

оранжевий | >10

жовтий

Таблиця 4

Характеристики розроблених тест-систем

Аналіт | Реагент, індикаторна

система | Носій | Зміна

забарвлення

носія | Час тесту-вання,

хв | Діапазон кон-центрацій, що

визначаються, мг/л

Сума важких металів | ПАР | ППУ | від жовтого

до червоного | 45 | 0.05 – 0.40

ПАР | желатин | 15 | 0.2 – 6.4

ПАР, Tритон X-100 | МКК | 10 | 0.5 – 4.0

Co (II) | 2-нітрозо-1-нафтол,

дифенілгуанідин,

NiSO4 |

ППУ |

від оранжевого

до

бузкового |

30 |

0.06 – 1.90

те ж і Тритон Х-100 | МКК | 5 | 0.65 – 10.4

нітрозо-R-сіль,

HCl (pH 3) |

желатин | від жовтого до червоно-коричневого |

20 |

0.26 – 8.40

2,4 -Д | бутилродамін, ацетатний буфер

(pH 3.6) |

ППУ | поява яскраво-рожевого |

15 |

0.20 – 3.20

Тест-системи були апробовані при аналізі модельних водних розчинів і зразків природних вод з використанням колірних шкал. Останні готували, змінюючи концентрацію аналіту в градуювальних розчинах у геометричній прогресії (cn+1 = 2cn).

Таблиця 5

Результати разових визначень сумарного вмісту важких металів у природних водах

Об’єкт аналізу

с (сума мет.), мг/л

ААС

Тест-визначення

Проба № 

0.072

0.060

Проба № 

0.053

0.054

Проба № 3

0.005

<0.006

Результати разових визначень сумарного вмісту важких металів у воді з використанням тест-системи на основі желатинової плівки добре узгоджуються з результатами атомно-абсорбційної спект-роскопії (табл. 5). Для усіх визначень проби води були сконцентровані в 10 разів шляхом упарювання.

Результати визначення 2,4-Д у модельних

розчинах за сорбційно-тестовою методикою

Таблиця 6

Результати визначення вмісту 2,4-Д у модельних розчинах (n = 3, P = 0.95)

сзад., мг/л

сзнайд., мг/л

Спектрофото-

метрія

Тест-визначення

0.50

0.80

1.20

0.48 ± .03

0.82 ± .04

1.17 ± .06

0.49 ± .11

0.91 ± .19

1.11 ± .15

добре узгоджуються з результатами спектрофотометричного визначення 2,4-Д з хромотроповою кислотою (табл. 6).

Метрологічні характеристики візуальних тест-визначень

Згідно з рекомендаціями IUPAC “межу виявлення” (сmin) розглядали як концентрацію аналіту, яку можна виявити з імовірністю 0.95. Частота виявлення аналіту, яку розраховували як Р(с) =/N (де n – кількість позитивних відповідей, N – загальна кількість спостережень) залежала від концентрації аналіту і в області ненадійної реакції (НР) змінювалась від 0 до .

Для оцінки межі виявлення в роботі запропоновано використовувати чисельні способи перевірки гіпотез про вид залежності частоти виявлення від концентрації аналіту в області НР, Р(с). Для перевірки гіпотез використовували комплекс статистичних критеріїв: 2, Колмогорова-Смирнова (л), коефіцієнтів асиметрії () та ексцесу (2). Оцінку сmin різних тест-методик проводили згідно з методикою, що містить кроки щодо перевірки достатності експериментальних даних.

Методика оцінки межі виявлення:–

групою незалежних спостерігачів з 10 – осіб виявляли область НР, де частина спостерігачів бачила зміну забарвлення тест-засобу, а частина - ні;–

виявлену область НР розбивали на k рівнів концентрацій аналіту (сk) з кроком с, що перевищував потрійне стандартне відхилення концентрації приготованих розчинів (с>3sv);– 

для кожної сk отримували дві вибірки з 45-55 результатів 3-4 серій спостережень; у кожній серії повторювали реакцію з новим тест-засобом, використовуючи нові порції розчинів;– 

для вибірки №1 у кожній серії розрахували частоти виявлення аналіту, Р(сk), усереднювали їх, розраховували дисперсії частот, s2k;– 

перевіряли відповідність емпіричної залежності частот виявлення функціям розподілів (нормального, логнормального, експоненційного, Вейбула). Для вибору функції розподілу використовували критерії 2, л, та 2;– 

для обраної функції розподілу при Р(с) .95 розраховували першу оцінку сmin,1;– 

об’єднували результати двох виборок та розраховували другу оцінку сmin, об’єд;– 

якщо різниця між другою (сmin, об’єд) та першою (сmin,1) оцінками не перевищувала с, за остаточну оцінку межі виявлення приймали значення сmin = сmin , об’єд;– 

при значимій різниці оцінок сmin, об’єд та сmin,1 експеримент поповнювали новими спостереженнями.

Для оцінювання нижньої границі концентрацій, що визначаються, за колірною шкалою (сн), експериментально знаходили стандартне відхилення визначення аналіту при його концентрації, близької до сн (sc).

Методика оцінювання нижньої границі концентрацій, що визначаються– 

за орієнтовне значення сн приймали концентрацію, що обмежувала “зверху” область НР, тобто концентрацію, для якої Р(с) ;– 

поблизу орієнтовного значення створювали колірну шкалу, на якій кожна наступна концентрація аналіту відрізнялась удвічі від попередньої;– 

готували модельний розчин з концентрацією, що не співпадала з точками колірної шкали;– 

спостерігачі оцінювали вміст аналіту в модельному розчині за допомогою колірної шкали;– 

із 50 спостережень розраховували стандартне відхилення результату визначення аналіту, sc.

Потроєне стандартнее відхилення (3sc) приймали за остаточну оцінку сн.

Ці підходи було застосовано для 18 тест-систем (табл. 7, 8), як описаних у літературі, так і розроблених у рамках дисертаційної роботи. Досліджено залежність cmin та інших характеристик методик тестового аналізу від типу матеріалу носія, типу аналітичної реакції, умов спостереження забарвлення тест-засобу, кількості спостережень.

Таблиця 7

Приклад експериментального оцінювання сн визначення кадмію з використанням РІП-Cd-Тест (колірна шкала: 0; 3·10-3; 6·10-3 мг/л Cd2+ , N = 50)

Характеристика | Задано 5·10-3мг/л Cd2+

Відповіді спостерігачів, мг/л | 3·10-3 | 4.5·10-3 | 6·10-3

Кількість відповідей | 10 | 23 | 17

sc, мг/л | 1.13·10-3

сн, мг/л | 3.4·10-3

Відносна ширина області НР. Для оцінки якості та порівняння різних тест-систем в умовах визначення їх метрологічних характеристик доцільно характеризувати ширину області не абсолютною, а відносною величиною. За відносну ширину області НР прийняли відношення різниці верхньої та нижньої меж до значення нижньої межі області НР. Тест-системи з вузькою областю ненадійної реакції зручніші для практичного використання – вони більш стійкі до зовнішніх впливів.

Розраховані значення відносної ширини області ненадійної реакції наведені в табл. 8. Найбільш вузька область НР характеризує тест-системи (3) та (8). Найширші області НР характерні для тест-систем (7) та (11). З двох тест-систем (7) та (10) більш стійка система (10), що заснована на хемосорбційному визначенні NO2- на ППУ.

При використанні індикаторних паперів РІП-Метал-Тест II у режимі концентрування відзначено звуження області НР, відносна ширина області зменшилась з 0.9 до 0.22 (тест-системи 3 і 3а).

Вид функції розподілу частот виявлення в області НР. Можливість опису експериментальної залежності Р(с) в області НР тією чи іншою функцією розподілу залежить від кількості спостережень та відносної ширини області ненадійної реакції. Для тест-систем з вузькою областю НР (відносна ширина 0.22 та 0.33) експериментальний розподіл Р(с) вже при 50 спостереженнях не суперечив жодній з гіпотез про вид розподілу (системи 3 та 8, табл. 8). При збільшенні кількості спостережень висновки про вид розподілу залишались такими ж. ППУ виявився єдиним матеріалом, для якого висновки про вид розподілу можливо було зробити у всіх випадках при 50 спостереженнях.

Таблиця 8

Характеристики тест-систем

№

аналіт / реагент | носій | межі області НР, мг/л | відносна ширина області НР | сmin, мг/л | достатня кількість спостере-жень* | вид функції, що описала залежність

Р(с) в області НР | сн,

мг/л | 1

2 | Со2+ / 2-нітрозо-1-нафтол

УМ / ПАР | розчин | 0.04 – 0.16

0.032 – 0.064 | 3.9

1.0 | 0.14

0.061 | 150

50 | Вейбула

Вейбула | 0.16

0.065 | 3

3а

4

5

6

7 | сума мет / РІП-Метал-Тeст-II

сума мет / РІП-Метал-Тeст-II

Fe2+ / РІП-Fe(II)-Тeст

Fe3+ / РІП-Fe(III)-Teст

Cd2+ / РІП-Cd-Тест

NO2- / РІП- NO2-Тeст |

папір | 0.0037 – 0.0045

2.00 – 3.75

0.013 –0.035

0.030 – 0.054

0.0017 – 0.0033

0.05 –0.55 | 0.22

0.9

1.8

0.80

0.94

10.0 | 0.0044

3.4

0.034

0.053

0.0032

0.50 | 50

50

150

50

100

50 | Вейбула

Вейбула

норм.

експон.

норм.

норм. | 0.0045

4.2

0.036

0.063

0.0034

0.54 | 8

9

10

11

12

12а | Со2+ / 2-нітрозо-1-нафтол

Co2+ / SCN-

NO2-

2,4-D / Бутилродамін

УМ / ПАР

УМ / ПАР |

ППУ | 0.045 – 0.060

0.020 – 0.032

0.020 – 0.080

0.02 – 0.19

0.013 – 0.035

0.003 – 0.017 | 0.33

0.60

3.0

8.5

1.8

4.7 | 0.058

0.031

0.078

0.18

0.034

0.015 | 50

50

50

50

50

50 | експон.

норм.

норм.

Вейбула

Вейбула

Вейбула | 0.060

0.035

0.11

0.20

0.036

0.016 | 13

14 | Со2+ / 2-нітрозо-1-нафтол

УМ / ПАР | МКК | 0.09 – 0.62

0.30 – 0.44 | 5.8

0.47 | 0.60

0.43 | 150

50 | Вейбула

Вейбула | 0.65

0.50

15

16 | УМ / ПАР

Со2+ / Нітрозо-R-сіль | Жела-тин | 0.15 – 0.25

0.10 - 0.26 | 0.67

1.6 | 0.24

0.25 | 50

50 | Вейбула

норм. | 0.26

0.26 | 3а – використання РІП в режимі без концентрування; 12а – 4-(2піридилазо)-резорцин іммобілізовано на пластифікованих таблетках ППУ; * – для вибору виду функції, що описала залежність Р(с) в області НР.

Відмінності в характері експериментальних залежностей Р(с) для різних тест-систем корелювали саме з значенням відносної ширини області НР. Це добре видно на прикладітест-систем (4) та (5). При практично однаковій абсолютній ширині області НР (0.022 та 0.024 мг/л відповідно) значення відносної ширини різні – 1.8 і 0.8; різним виявився і характер залежності експериментальних даних: для системи (5) з меншою відносною шириною області НР вид залежності Р(с) вдалося встановити вже з 50 спостережень, тоді як для системи (4) довелося зробити 150 спостережень.

Для більшості систем спостерігалась така закономірність: чим менша вибірка, тим менше гіпотез можна було прийняти. Невідповідність жодному з видів розподілів, що перевірялись, частіше виявлялась у завеликих значеннях л-критерію порівняно з 5% -ою точкою його теоретичного розподілу.

Кількість спостережень, що необхідні для оцінки сmin. Хоча для вибору виду функціональної залежності Р(с) в області НР для тест-системи (5) було достатньо 50 спостережень, для оцінювання межі виявлення Fe(III) довелось поповнити експеримент до 150 спостережень, тому що різниця першої та другої оцінок сmin перевищувала с = .002 мг/л (табл. 9). Третя оцінка не відрізнялась значно від другої. Її і прийняли за остаточну. Для інших тест-систем з вузькою областю НР (відносна ширина < 1) оцінка межі виявлення, що була отримана за 50 спостереженнями, у межах похибки збігалася з остаточною оцінкою.

Вплив матеріалу-носія на вид розподілу частот виявлення в області НР та на значення межі виявлення вивчено на прикладі двох реакцій: виявлення суми важких металів з ПАР та кобальтуII) з 2-нітрозо-1-нафтолом. Для двох реакцій кращим матеріалом слід визнати ППУ. З ним досягаються менші значення межі виявлення. Значення сmin для Co2+ зменшуються в ряду: МКК > розчин > ППУ і становлять відповідно: 0.60, 0.14 и 0.058 мг/л. Значення cmin для суми металів зменшуються в ряду: МКК > розчин > желатин > ППУ і становлять: 0.43, 0.24, 0.061, 0.034 мг/л.

Таблиця 9

Дослідження достатності обсягу експерименту для оцінки межі виявлення Fe(III) з використанням РІП-Fe(III)-Тест (с = 0.002 мг/л; ч2f=9 (б = 5%) = 16.9; лf=9 (б = 5%) = 0.43, експоненційний розподіл)

Характеристика | Загальна кількість спостережень (N)

50 | 100 | 150

ч2експ

лексп

Г

2

с min, мг/л | 1.76

0.24

0.37

-0.55

0.050 | 1.87

0.27

1.06

1.66

0.054 | 0.55

0.16

0.55

-0.08

0.053

Було встановлено, що на вид залежності частот виявлення від концентрації аналіту в області НР більше впливає тип реакції, ніж матеріал носія. Так, частоти виявлення кобальту (II) й суми металів у розчинах та на всіх вивчених носіях описала одна й та ж функція розподілу Вейбула.

Специфіка реакції хемосорбції (тест-система 10) відбилась і на метрологічних характеристиках системи. Незважаючи на велику відносну ширину області НР, вид розподілу вдалось виявити вже з 50 спостережень. Перша оцінка межі виявлення не потребувала подальшого уточнення. Можливо ці особливості зумовлені відсутністю стадії нанесення реагентів (модифікації носія) та зв’язаних із цим похибок.

ВИСНОВКИ

Запропоновано методику оцінювання метрологічних характеристик тестового аналізу з візуальною індикацією, яка забезпечує надійність оцінок сmin та сн при раціональному обсязі експерименту. З єдиних засад охарактеризовано аналітичні можливості 18 тест-систем. Розроблено 8 нових тест-систем.

1. Величина відносної ширини області ненадійної реакції як характеристика стійкості тест-системи до зовнішніх впливів дозволяє зробити апріорну оцінку необхідної кількості спостережень: для тест-систем з вузькою областю ненадійної реакції (відносна ширина < 1) достатньо 50 спостережень для вибору виду функції розподілу частот виявлення в області НР і, як правило, для оцінювання межі виявлення.

2. Попереднє концентрування проби в 1000 разів з використанням пристрою В.М. Островської веде не тільки до зменшення межі виявлення сумарного вмісту важких металів за допомогою реагентних індикаторних паперів, а й до чотирикратного зменшення відносної ширини області НР.

3. Характеристики тест-систем залежать від типу матеріалу носія: значення межі виявлення Со(II) з тест-засобами, що містять 2-нітрозо-1-нафтол, зменшуються в ряду: МККрозчин > ППУ. Значення межі виявлення суми іонів металів із 4-(2-піридилазо)-резорцином зменшуються в ряду носіїв: МККжелатин > розчин > ППУ > ППУ(пластиф.). Пінополіуретан слід визнати оптимальним матеріалом для виявлення кобальту (II) з 2-нітрозо-1-нафтолом та сумарного вмісту важких металів з ПАР.

4. Межа виявлення аналіту залежить від типу реакції. Так, значення межі виявлення Со(II) з тіоціанат-іонами майже у 2 рази нижче, ніж із 2-нітрозо-1-нафтолом на одному й тому ж носії (ППУ).

5. Вид залежності частот виявлення від концентрації аналіту в області ненадійної реакції помітніше залежить від типу реакції, ніж від матеріалу носія.

6. Іммобілізація кислотно-основних індикаторів у желатиновий гель веде до зміни їх спектральних характеристик і значень констант іонізації порівнянно з водними розчинами. Ефекти середовища в желатиновому гелі залежать від переважаючого заряду іоногенних груп молекул желатину та аналогічні ефектам середовища в міцелярних розчинах іоногенних поверхнево-активних речовин.

7. Комплекси мідіII), кобальтуII), кадміюII) й свинцюII) з ПАР у середовищі желатинового гелю менш стійкі, ніж у водних розчинах. Співвідношення метал реагент у складі комплексу дорівнює 11 для Pb2+ і 1 : для Cu2+, Cо2+ та Cd2+.

8. Розроблено 8 нових тест-систем для виявлення та напівкількісного визначення:

- сумарного вмісту важких металів з 4-(2-піридилазо)-резорцином на основі ППУ, МКК, желатинової плівки;

- 2,4-дихлорфеноксиоцтової кислоти та 2,4,5-трихлорфеноксиоцтової кислоти з бутилродаміном на основі ППУ;

- Co (II) з 2-нітрозо-1-нафтолом, дифенілгуанідином та NiSO4 на основі ППУ та МКК;

- Co (II) з нітрозо-R-сіллю на основі желатинової плівки;

- рН розчинів із застосуванням індикаторів бромфенолового синього, бромкрезолового зеленого, нейтрального червоного, малахітового зеленого, іммобілізованих у желатинову плівку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Холин Ю.В., Светлова Н.В., Островская В.М. О достоверной оценке метрологических характеристик тестового анализа // Вестник Харьковского национального университета. – 2003. – № 596. Химия. Вып. №. 10(33). – С. .

Дисертантом досліджено метрологічні характеристики (сmin та сн) тест-систем визначення сумарного вмісту металів та заліза (II) у режимі „концентрування” за допомогою РІП.

2. Островская В.М., Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Пантелеймонов А.В., Холин Ю.В. Тест-метод определения суммы металлов индикаторной бумагой и его метрологические характеристики // Журн. аналит. химии. – 2004. – Т. 59. № . – С. 1101-1108.

Дисертантом досліджено метрологічні характеристики (сmin та сн) тест-методики визначення сумарного вмісту металів за допомогою РІП в режимі „без концентрування”, перевірено правильність методики.

3. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Л.П., Островская В.М. Предел обнаружения в тестовом анализе. Влияющие факторы. // Журн. аналит. химии. – 2005. – Т.60. № 10. – С.1102-1109.

Особистий внесок дисертанта полягав у визначенні умов проведення реакції виявлення кобальту (II) на ППУ, МКК, у розчині; у визначенні метрологічних характеристик методики виявлення суми іонів металів з ПАР у желатиновій плівці; участі в інтерпретації результатів.

4. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Л.П., Мчедлов-Петросян Н.О., Светлова Н.В. Протолитические и комплексообразующие свойства индикаторов в среде желатинового геля // Вестник Харьковского национального университета. – 2005. – № 669. Химия. Вып. №. 13(36). – С. 7-82.

Дисертантом експериментально визначено константи іонізації індикаторів БФС, БКЗ, НЧ та МЗ у середовищі желатинового гелю та константи іонізації індикатора МЗ у водному та міцелярному розчинах.

5. Островская В.М., Решетняк Е.А., Холин Ю.В., Никитина Н.А. Статистическая оценка предела обнаружения заданных сумм металлов индикаторными средствами // Тезисы докл. Международного Форума “Аналитика и аналитики” — Воронеж. –2003. – С. .

Дисертант узяв участь в одержанні та узагальненні експериментальних даних та формуванні висновків.

6. Никитина Н.А. Желатиновые пленки в тестовом анализе тяжелых металлов // Тезисы докл. Междун. научн. конференции “Каразинские естественнонаучные студии” – Харьков. – 2004. – С. 190-191.

7. Никитина Н.А., Решетняк Е.А., Логинова Л.П. Желатиновые пленки в тестовом анализе тяжелых металлов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2004. №8. – С. .

Дисертантом експериментально знайдено умови проведення тест-реакції визначення суми іонів Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+,Zn2+ із ПАР у желатиновій плівці при рН .

8. Светлова Н.В., Никитина Н.А., Решетняк Е.А., Островская В.М. Тест-метод определения кадмия с помощью индикиторной бумаги и его метрологические характеристики // Тези доп. П’ятої Всеукр. конф. студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”. – Київ. – 2004. – С. .

Дисертантом виявлено область ненадійної реакції та оцінено нижню границю концентрацій, що визначаються кадмію за допомогою РІП і виконано статистичну обробку результатів.

9. Островская В.М., Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Давидовский Н.В. Визуальные тест-методы анализа вод с использованием индикаторных полос и их метрологические характеристики // Тезисы докл. Междунар.Конгресса “ЭКВАТЭК - 2004”– Москва. – 2004. – С. 831.

Дисертантом досліджено метрологічні характеристики тест-системи для визначення заліза (III); проведено статистичну оцінку межі виявлення цинку (II) за допомогою РІП.

10. Решетняк Е.А., Логинова Л.П., Никитина Н.А., Сотник Н.С. Тест-метод определения суммы металлов с применением желатинових пленок // Тезисы докл. II Всероссийсого симпозиума “Тестовые методы химического анализа” – Саратов. – 2004. – С. 20.

Особистий внесок здобувача полягав у перевірці правильності запропонованої тест-методики визначення сумарного вмісту важких металів з ПАР на основі желатинової плівки та визначенні її метрологічних характеристик (сmin та сн).

11. Е.А. Решетняк, Н.А.Никитина, А.В. Пантелеймонов, Ю.В.Холин Оценка предела обнаружения кобальта с 2-нитрозо-1-нафтолом для различных тест-систем // Тезисы докл. Всероссийской конференции “Аналитика России”. – Москва. – 2004. – С. 296.

Дисертантом оцінено метрологічні характеристики тест-методики виявлення та визначення кобальту (II) з 2-нітрозо-1-нафтолом на ППУ, МКК та у розчинах.

12. Никитина Н.А., Светлова Н.В. Влияние среды желатинового геля на процесс комплексообразования ионов Cu2+, Cd2+, Pb2+ с 4-(2-пиридилазо)- резорцином // Тези доп. III Всеукраїнської конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. – Харків. – 2005.– С. 18.

Дисертантом експериментально досліджено особливості комплексоутворення іонів мідіII) та кадміюII) з ПАР у середовищі желатинового гелю.

13. Кармазина В.Э., Никитина Н.А. О влиянии условий выполнения тест-реакции на оценку предела обнаружения суммы тяжелых металлов с 4-(2-пиридилазо)-резорцином // Тези доп. III Всеукраїнської конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. – Харків. – 2005. – С. 7.

Дисертантом визначено умови проведення реакцій на ППУ, МКК і в розчині із використанням методів спектрофотометрії та спектроскопії дифузного відбиття; проведено оцінку сн для запропонованих тест-систем.

14. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Холин Ю.В., Логинова Л.П. Метрологическое обеспечение тест-методов химического анализа с визуальной индикацией // Тезисы докл. II Междунар. симпозиума “Методы химического анализа”. – Ужгород. – 2005. – С. 26.

Дисертант прийняв участь у формулюванні положень алгоритму визначення сн та застосував його для експериментального дослідження тест-систем для визначення кобальту з тіоціанатом на основі ППУ та нітрит-іонів на основі РІП.

15. Nikitina N.A., Reshetnyak E.A., Loginova L.P. Test analysis: new systems and metrological providing // Book of abstracts. International conference AC&CA. – Kyiv. – 2005. – P. 307.

Дисертантом на основі експериментальних даних показано можливість застосування желатинових плівок для виготовлення рН-тестів та тест-систем для визначення кобальту (II) з нітрозо-R-сіллю. Дисертант брав участь у формулюванні алгоритму для статистичної сmin.

16. Решетняк Е.А., Никитина Н.А.. Логинова Л.П., Островская В.М. О факторах, влияющих на предел обнаружения и его статистическую оценку // Тезисы докл. II Междунар. симпозиума “Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии”. – Краснодар. – 2005. – С. .

Дисертантом оцінено межу виявлення тест-методик виявлення кобальту (II) з SCN- на основі ППУ і NO2- на основі РІП. Здобувач прийняв участь в обговоренні факторів, що впливають на сmin у тестовому аналізі.

17. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Л.П., Химченко С.В. Экстракционно-сорбционное обнаружение и полуколичественное определение 2,4-Д с бутилродамином // Тезисы докл. II Междунар. конференции “Экстракция органических соединений”. – Воронеж. – 2005. – С. .

Особистий внесок здобувача полягає у виборі реакції для тест-визначення 2,4  Д за допомогою ППУ, визначенні селективності та перевірці правильності запропонованої тест-методики.

Нікітіна Н.О. Тест-методи хімічного аналізу з візуальною індикацією: метрологічне забезпечення, нові тест-системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 – аналітична хімія. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню підходу до оцінювання метрологічних характеристик тестового аналізу з візуальною індикацією та створенню нових тест-систем для напівкількісного визначення забруднювачів та загальних показників якості водних середовищ.

Розроблено 8 тест-систем для визначення сумарного вмісту важких металів з 4-(2-піридиазо)-резорцином на основі пінополіуретану (ППУ), метилкремнієвої кислоти (МКК), желатинової плівки; 2,4-дихлорфеноксиоцтової та 2,4,5-трихлорфеноксиоцтової кислот з бутилродаміном на основі ППУ; Co (II) з 2-нітрозо-1-нафтолом, дифенілгуанідином та NiSO4 на основі ППУ та МКК; Co (II) з нітрозо-R-сіллю на основі желатинової плівки; рН розчинів із застосуванням індикаторів БФС, БКЗ, НЧ, МЗ, іммобілізованих у желатинову плівку. Встановлено, що іммобілізація реагентів у желатиновій плівці веде до змін їх кислотно-основних та комплексоутворюючих властивостей. Правильність наведених методик перевірено методом “введено-знайдено” та незалежним методом аналізу.

Розроблено методику оцінювання метрологічних характеристик тестового аналізу, з використанням чисельних методів. Введене поняття “відносної ширини області ненадійної реакції”. Її величина дозволяє прогнозувати обсяг експерименту, необхідний для одержання надійних оцінок сmin, та характеризує якість тест-системи.

Ключові слова: тест-система, метрологічні характеристики, межа виявлення, нижня границя концентрацій, що визначаються, носій, іммобілізація, желатинова плівка, пінополіуретан, метилкремнієва кислота.

Никитина Н.А. Тест-методы химического анализа с визуальной индикацией: метрологическое обеспечение, новые тест-системы. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02 – аналитическая химия. – Харьковский национальний университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена обоснованию подхода к оцениванию метрологических характеристик тестового анализа