ДДТК — диэтилдитиокарбаминаты

ДТЗ — дитизонаты

КПАВ — катионные поверхностно-активные вещества

ПАВ — поверхностно-активные вещества

ПАН — 1-(2-пиридилазо)-2-нафтол

ПАР — 4-(2-пиридилазо) резорцин

ППУ — пенополиуретан

РЗЭ — редкоземельные элементы

РИБ — реактивная индикаторная бумага

ТААФ, ТАН, ТАР — тиазольные азосоединения

ТОА — три-н-октиламин

ТМ — тяжелые металлы

Σ ТМ — сумма тяжелых металлов

ЭДТА — этилендиаминтетраацетат натрия

s_r — стандартное отклонение

S — коэффициент чувствительности

Желательно пояснить некоторые термины, используемые в этом разделе.

Тестирование (тест) в химическом анализе означает быструю и простую оценку присутствия и/или содержания химического компонента в образце.

Тест-средства — это компактные, легкие и обычно дешевые единичные устройства или приспособления для тестирования, наборы или системы таких единичных устройств (приспособлений).

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

Тест-методика (инструкция) описывает процедуру проведения теста, включая пробоотбор (если это необходимо), обнаружение и определение компонента или параметра.

Тест-форма — аналитическая форма реагента или комбинации реагентов и разного рода добавок, приспособленная к условиям тестирования и готовая к применению в этих условиях.

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

Тест-методы во многих случаях используют для предварительной оценки наличия и содержания компонентов [1–81]. В этом случае уместна методология скрининга. Очень удобны тест-системы для оценки обобщенных показателей изучаемого объекта, например химического потребления кислорода (ХПК) или суммы тяжелых металлов в водах. По мере их совершенствования тест-методы служат (и все в большей степени будут служить) единственным и окончательным средством анализа.

Тест-средства анализа можно использовать для управления дозирующими устройствами, например инсулиновым насосом для больных диабетом. Особую группу тест-средств составляют так называемые химические дозиметры, предназначенные для оценки суммарного количества вещества, появившегося в изучаемой среде за определенное время. Особое значение имеют тест-методы для анализа «на месте» (on site), вне лаборатории.

На протяжении столетий, со времен алхимиков, химический анализ осуществлялся в лабораториях. Это было связано с необходимостью использовать специальную химическую посуду, специальное оборудование, например печи, а затем и измерительные приборы; с применением не всегда безвредных химических веществ, что требовало как минимум хорошей вентиляции; с длительностью, сложностью и трудоемкостью операций разделения сложных смесей веществ. В значительной мере эти факторы действуют и в настоящее время, поэтому сотни тысяч, миллионы химических анализов проводят в аналитических лабораториях, причем теперь не только химических, но и физических и биологических. Так, любой исследовательский институт химического, геологического или металлургического профиля имеет аналитические лаборатории. То же самое можно сказать о любом химическом, нефтеперерабатывающем, фармацевтическом или металлургическом заводе. И в этих лабораториях обычно много сложных и дорогостоящих приборов.

В последнее время положение меняется: химический анализ постепенно перемещается из лабораторий к тем местам, где находятся анализируемые объекты. Это одна из важнейших тенденций развития аналитической химии, которая определяется назревшими потребностями практики.

Внелабораторный анализ либо уже делается в широких масштабах, либо совершенно необходим и в той или иной мере начинается в очень многих областях:

• экспресс-контроль технологических процессов;

• обнаружение метана в угольных шахтах;

• обнаружение утечек природного газа из газопроводов;

• определение монооксида углерода и углеводородов в автомобильных выхлопах;

• экспресс-анализ в поле для геологов-поисковиков;

• быстрый анализ почв (pH, азот, фосфор, калий);

• контроль пищевых продуктов на рынках;

• обнаружение алкоголя в воздухе, выдыхаемом водителями;

• домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие быстрые анализы клинического назначения;

• оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем;

• анализ воздуха в рабочей зоне и на улицах;

• контроль содержания озона в стратосфере;

• космические исследования (Луна, другие планеты);

• обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках;

• обнаружение боевых отравляющих веществ;

• обнаружение жидких ракетных топлив в почве в местах падения первых ступеней ракет и в местах аварий;

• обнаружение взрывчатых веществ и т. д.

Анализ «на месте» имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам лабораторный анализ (конечно, более дорогой). При анализе на месте обычно снижаются требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые средства анализа. Но главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, например в случаях, когда изменяются формы существования компонентов. Анализ «на месте» осуществляется почти или точно в режиме реального времени; это позволяет без промедления начать действия по устранению источников и/или последствий происшествий, не дожидаясь проведения анализа в лаборатории и соответствующих лабораторных данных.

Очевидно, что роль стационарной лаборатории должна уменьшаться, а значение анализа «на месте» — возрастать. «Полевые» аналитические методы становятся жизненно важными. Существенно, что успехи аналитической химии, аналитического приборостроения и смежных отраслей обеспечивают возможности такого анализа, а в ряде случаев делают его весьма эффективным. Для анализа «на месте» используются различные средства.

Это могут быть передвижные лаборатории на автомобилях, катерах, самолетах и т. д. В этом случае используют обычные лабораторные методы и более или менее обычные лабораторные приборы. В ряде случаев приборы делают более устойчивыми к вибрации, пыли, переводят питание с сетевого на аккумуляторное или батарейное, но в целом это те же лабораторные средства. Подобные лаборатории на автомобилях выпускают несколько фирм. В Санкт-Петербурге создана лаборатория на катере, в Москве — на автомобиле, а также спроектирован самолет-лаборатория для анализа аэрозолей. В США мобильные лаборатории сдает в аренду фирма «On-site Instruments, Inc.».

Более массовым средством являются портативные переносные аналитические приборы на батареях, обычно (но не всегда) монофункциональные, т. е. предназначенные для определения одного вещества (анализаторы, мониторы, сигнализаторы). В этих приборах методика обычно «зашита» в конструкции и не меняется, иногда не требуется отбор пробы. В последнее время создаются и переносные многофункциональные приборы, например хроматографы, но в этом случае устройства пока не получаются портативными, а главное — требуют квалифицированного обслуживания. Таких приборов сейчас разработано и выпускается много, они весьма разнообразны и широко применяются.

Для освещения проблем внелабораторного анализа создан новый журнал (Field Analytical Chemistry and Technology, J. Wiley and Sons); с 1980 г. проводятся
международные конференции по анализу «на месте» («Оn-site Analysis… the Lab Comes to the Field»).

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

Классификация по природе процессов, используемых для получения аналитического сигнала. Тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические. Физических методов немного, и они не играют большой роли в практике химического анализа. Биохимические методы обычно основаны на использовании ферментов и иммуносистем. Выделенные природные ферменты, особенно иммобилизованные, в известной мере приобретают свойства химических реагентов, поэтому, несмотря на специфику ферментов как химических соединений (особенности происхождения, условия хранения, время сохранения активности), ферментные методы можно отнести к химическим. Иммунометоды больше тяготеют к биологическим методам. Биологические методы, базирующиеся на использовании микроорганизмов, органов, тканей и даже высокоорганизованных организмов и целых популяций, упомянуты только в разделе, посвященном определению суммарных показателей (биотесты).

Классификация по форме используемого тест-реагента. Это прежде всего готовые растворы и «сухие реагенты», т. е. или нанесенные на твердый носитель, или просто порошки (таблетки) самих реагентов. Операции с растворами можно осуществлять по-разному: прибавлять из капельницы, использовать самонаполняющиеся ампулы, приготовленные в вакууме, и т. д. Еще более разнообразны тесты на твердой матрице; самые известные примеры — индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, и индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании нужного газа.

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

Общие требования и метрология. Приведенные выше характеристики тест-систем можно рассматривать и как совокупность требований к тест-методам и тест-средствам. Сделаем только некоторые дополнения.

1. Поскольку тесты часто используют для предварительной оценки, для скрининга проб, при оценке наличия нужного компонента предпочтительнее ошибочное «да», чем ошибочное «нет».

2. Поскольку одним из достоинств тест-методов является их экспрессность (то есть высокая скорость исполнения), следует использовать быстро протекающие химические реакции.

3. Поскольку тест-системы часто рассчитаны на ши-рокое использование их необученным персоналом, а то и просто обывателями, число операций, осуществляе- мых при тестировании, должно быть минимальным.

4. При визуальной оценке границы раздела по-разному окрашенных зон должны быть четкими, изменения окраски достаточно контрастными и т. д., т. е. следует сводить к минимуму возможность неоднозначного толкования результата.

Более обстоятельно нужно рассмотреть метрологические требования при количественном анализе. Метрологический аспект очень существенен для разработки, приготовления и использования тест-систем; результаты тестов должны быть достаточно надежными даже в тех случаях, когда определяют малые количества веществ.

Правильность тест-методов обычно проверяют сравнением их результатов с результатами, полученными «инструментальными» методами. Это обычно делается при разработке тест-методов, но такую проверку может делать иногда и потребитель, чтобы быть уверенным в результатах. Многие тест-системы не являются универсальными и предназначены для определения компонентов только в определенных объектах.

Воспроизводимость визуальных измерений в случае цветных реакций может иметь погрешность от 10 до 50 %. Поэтому в ряде случаев такие методы следует рассматривать как полуколичественные. Возьмем данные о воспроизводимости результатов при использовании индикаторных бумаг. Воспроизводимость оценивают величиной относительного стандартного отклонения (s_r). Были использованы различные способы определения концентрации тестируемых компонентов. В области нижних границ определяемых содержаний наименьшее значение s_r получено для тест-титрования и при использовании тест-трубок (£  0,1). При определении концентрации по длине или площади окрашенной или обесцвеченной зон бумажных тест-полос получены значения
s_r £ 0,3, а при визуальной оценке интенсивности окраски жидкости s_r £ 0,4. Наименее точно определяется концентрация по интенсивности окраски реактивных бумаг
(s_r £ 0,5). Приведенные значения s_r получены на реальных объектах при минимально определяемой данным способом концентрации при надежности 0,95. При больших значениях определяемых концентраций величина s_r имеет, как правило, меньшее значение. Создание более совершенных портативных приборов для измерения коэффициентов диффузного отражения тест-форм позволяет значительно улучшить воспроизводимость определений
(s_r £ 0,08). Здесь используется зависимость от концентрации функции Гуревича—Кубелки—Мунка F = (1 – R)²/2R, где R — коэффициент диффузного отражения образца при данной длине волны.

Что касается пределов обнаружения тест-методов, то при общем стремлении к созданию чувствительных методов всегда нужно ориентироваться на реальную потребность. Так, в анализе объектов окружающей среды прежде всего нужны средства, позволяющие определять нормируемый компонент на уровне несколько более низком, чем предельно допустимая концентрация (ПДК) этого компонента в данном объекте, например в природной воде. Чувствительность зависит от типа тест-средств, выбранных реагентов, способов осуществления определения. Есть примеры очень чувствительных тестов. Например, индикаторными бумагами определяют до 0,005 мг/л меди. При пропускании 20 мл анализируемой жидкости через реактивную матрицу (бумагу с реагентами) в простейшем концентрирующем устройстве можно достичь предела обнаружения 0,001 мг/л. С точки зрения снижения предела обнаружения представляют интерес кинетические, в частности ферментативные методы; при определении ртути по ее ингибирующему действию на пероксидазу хрена достигнута рекордная нижняя граница определяемых содержаний 1 · 10^–5 мг/л.

Рассматриваемые ниже тесты основаны на использовании химических аналитических реакций.

Химия тест-методов основана на цветных реакциях, например реакциях комплексообразования или окисления—восстановления. «Ноу-хау» разработчиков и производителей тест-систем означает: подбор рациональной комбинации реагентов, стабилизацию смесей реагентов и растворов, уменьшение мешающих влияний путем добавления маскирующих агентов. Главная цель — разработать тест, который был бы экспрессным и легким в осуществлении. Помимо реакций, приводящих к появлению окраски, используют также химические взаимодействия, результатом которых является люминесценция. Эффект измеряют не только визуально, но и с помощью простых в использовании портативных (обычно карманного типа) приборов. Особенно часто измеряют пропускание света, диффузное отражение или, как уже сказано, люминесценцию.

Основные требования, предъявляемые к реагентам, которые используют в тест-методах, можно сформулировать так:

1. Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме — в зависимости от поставленной задачи.

2. Достаточно высокая чувствительность — тоже в зависимости от задачи. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения обычно должен быть ниже предельно допустимой концентрации нужного компонента или близок к ней.

3. При использовании цветных реакций — высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества.

4. Возможность ввести реагенты в формы, пригодные для использования в тест-методах, например, привить (с образованием ковалентных связей) на поверхность силикагеля или целлюлозы.

5. Устойчивость реагентов при хранении в той именно форме, в какой они используются в тест-методах.

6. Достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т. д.) во времени.

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

• кислотно-основные,

• окислительно-восстановительные,

• комплексообразования,

• разные реакции органического синтеза.

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

Они имеют большое значение при определении величины pH. Определение концентрации водородных ионов при анализе природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей — одна из самых массовых аналитических операций. Несмотря на развитие потенциометрических методов определения pH, определение кислотности с помощью кислотно-основных индикаторных бумаг остается весьма распространенной процедурой. Этот способ имеет ряд достоинств: простота анализа, экспрессность, отсутствие необходимости использовать аппаратуру и связанная с этим дешевизна определений, возможность проводить анализ практически в любом месте. Химия кислотно-основных индикаторов — обширная, хорошо изученная область. Однако использование таких индикаторов в тест-методах выдвигает свои требования и критерии. Если индикатор закрепляют на бумаге, существенное значение имеет способ закрепления. Широко распространенное простое адсорбционное закрепление не всегда обеспечивает несмываемость индикатора, поэтому контакт бумаги с анализируемым раствором должен быть очень коротким. Прямые (субстантивные) красители-индикаторы — конго красный или бриллиантовый желтый — закрепляются путем адсорбции лучше, поскольку линейные и некопланарные молекулы красителей крепче связываются с линейными же макромолекулами целлюлозы. Наиболее прочно индикаторы связываются с целлюлозой за счет закрепления на бумаге, существенное значение имеет способ закрепления.

Эти реакции также весьма распространены. При использовании твердых реагентов необходимо знать, изменится ли окислительно-восстановительный потенциал при иммобилизации реагентов на твердой матрице. Здесь нет общего решения, многое зависит от способа иммобилизации, природы матрицы и т. д. Установлено, что окислительно-восстановительный потенциал молибдофосфорной кислоты несколько изменяется при иммобилизации этой кислоты в ксерогеле на основе кремниевой кислоты.

Очень селективна тест-реакция на кобальт с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН). Она протекает в кислой среде (pH = 2–3) в присутствии KIO₄, окисляющего кобальт(II) до кобальта(III) в комплексе с ПАН, комплекс аномально окрашен — в зеленый цвет. Эта реакция очень чувствительна: c_мин = 0,004 мг/л кобальта, поскольку одновременно происходит и концентрирование кобальта на силикагеле С-120. Тест-вариант предусматривает использование таблетки из силикагеля, содержащей все необходимые компоненты для тестирования. За время разрушения таблетки при контакте с исследуемой водной средой заканчиваются реакции комплексообразования кобальта(II) с ПАН, окисление кобальта в комплексе и сорбция его матрицей.

Примером окислительно-восстановительных реакций могут быть также реакции восстановления золота и серебра солью Мора в присутствии комплексообразующих веществ (для понижения потенциала пары железо(III) / железо(II)) до элементного состояния с образованием окрашенных пятен на бумаге: синего цвета в присутствии золота, коричневого — в присутствии серебра. Содержание элементов определяют по диаметру пятна, пропорциональному содержанию золота (4–24 мкг) или серебра (2–12 мкг).

Эти реакции широко используют в многочисленных тест-методах на ионы металлов, реже — в методах определения органических веществ. Специфических реакций образования комплексных соединений почти нет, поэтому во многих тест-средствах предусматривается регулирование pH, использование маскирующих веществ и другие способы повышения селективности.

Одним из широко используемых реагентов является дитизон. Он образует окрашенные комплексы со многими ионами металлов; по устойчивости их можно расположить в ряд: Ag > Hg > Pd > Pt > Au > Cu > Bi > In > > Sn > Zn > Cd > Co > Pb > Ni > Fe(II) > Mg > Tl(I). Хотя дитизон является групповым реагентом примерно на 30 катионов, можно, используя зависимость реакции от pH раствора, маскирующие реагенты и реакции вытеснения, проводить селективное определение. Например, в сочетании с тиомочевиной и ацетатом натрия дитизон использован при получении индикаторных бумаг для определения суммы тяжелых металлов, предел обнаружения 0,5 мг/л катиона. Для определения цинка предложена бумага, пропитанная раствором из 50 мг дитизона, 1 г тиомочевины, 8 г карбоната натрия, 2 г желатина, 50 мл этанола и 50 мл воды; предел обнаружения цинка 0,5 мг/л. Для определения ртути и кадмия были использованы пенополиуретановые кубики, пропитанные дитизоном и дитизонатом свинца. Определение проводили по интенсивности окраски кубиков после контакта их с исследуемой жидкостью в диапазоне концентраций ртути 0,2–10 мг/л и кадмия 0,1–10 мг/л.

Потенциальными реагентами в тест-методах могут быть триоксифлуороны, оксимы, дитиокарбаминаты. Эти реагенты широко используют в фотометрии, они довольно чувствительны, а в определенных условиях и селективны. Достаточно назвать в качестве примеров реакции триоксифлуоронов с германием, диметилглиоксима с никелем, дитиокарбаминатов с медью.

Из многочисленных реагентов, успешно используемых в тест-методах для определения многих ионов металлов, можно в качестве примера назвать реагенты двух классов органических соединений — новые формазаны и гетероциклические азосоединения.

Органические реагенты, иммобилизованные на носителях различной природы, условно можно представить указанными ниже классами (в скобках после реагента приведены матрицы и далее — определяемые элементы).

Азотсодержащие реагенты — 2,2'-дипиридил, 1,10-фенантролин, батофенатролин, батокупроин (кремнеземы, катиониты Dowex 50W x 2 и КУ-23, пенополиуретаны — ППУ, поливинилхлорид) — Fe(II), Cu(I).

Азоткислородсодержащие реагенты — азотсодержащие гетероциклические азосоединения (ПАН, ПАР и др.), основной синий К (КУ-2) — Ni(II); антразохром (АВ-17) — Al(III); эриохромовый черный Т (АВ-17) — Zr(IV); цинкон (Dowex 1 ´  2) — Cu(II); нитроксоаминазо (АВ-17) — Pd(II); сульфонитрофенол (капроновая мембрана) — Pd(II); сульфохлорфенол С (АВ-17) — V(V), Mo(VI); родазол X (капроновая мембрана) — Cu(II), Ag(I), Au(III), Pb(II), Pd(II); дифенилкарбазид (Dowex 50W ´  2), волокнистый материал, наполненный (АВ-17) — Cr(VI); 2,2'-дихинолил-4,4'-дикарбоновая (бицинхониновая) кислота (сефадекс QAEA-25) — Cu(I); п-нитрозодиэтиланилин (КУ-2) — Pd(II); нитрозо-Р-соль (сефадекс QAEA-25) — Co(II); бромсалицилгидроксамовая кислота (сефадекс QAEA-25) — V(V).

Азоткислородсеросодержащие реагенты — тиазольные азосоединения: ТАН, Br-ТАН, ТАН-3,6-S, ТААФ– аналоги пиридиновых азосоединений; КУ-2, АВ-17 — Cu(II), Fe(III), Ni(II), Pd(II), U(VI); 4-фенолазо-3-аминороданин (полиакрилнитрильное волокно, наполненное КУ-2) — Hg(II).

Азотсеросодержащие реагенты — дитизон (ткань с винилпиридиновыми группами) — Zn(II); диэтилдитиокарбаминат (полиакрильное волокно, наполненное (АВ-17) — Cu(II); пиразолиндитиокарбаминат — Fe(III)).

Кислородсодержащие реагенты — алюминон (силасорб) — Cu(II); пирокатехиновый фиолетовый (АВ-17) — Mo(VI); эриохромцианин R (С-120, целлюлоза) — Al(III); хромотроповая кислота (Dowex 1 ´ 8) — Ti(IV); фенилфлуорон (волокнистый материал, наполненный АВ-17) — Mo(VI); тайрон (ЛИК-21) — Fe(II, III); сульфосалициловая кислота (ЛИК-21, АВ-17) — Fe(III).

Селективность тест-форм повышали введением маскирующих веществ, как и при фотометрическом определении этих ионов в растворах, либо использованием довольно селективных реагентов — диметил- или бензилдиоксимов (определение никеля), тайрона, сульфосалициловой кислоты (определение железа).

Особо селективны реакции, в которых в качестве тест-реагента используют комплекс реагента с каким-либо ионом, селективно замещаемым другим ионом. При этом окрашен либо первый, либо второй комплекс, что позволяет использовать в тест-методах внешний эффект — ослабление окраски. Например, в диэтилдитиокарбаминате меди, окрашенном в желто-коричневый цвет, медь селективно замещается на ртуть(II), что использовано для селективного тест-определения последней. В бесцветном диэтилдитиокарбаминате свинца катион селективно замещается на медь, карбаминат которой окрашен, в отличие от комплекса свинца.

Эти реакции используют менее широко. Однако известны примеры их применения даже в неорганическом анализе. Один пример — определение нитрит-ионов, при котором реализуются реакции диазотирования и азосочетания. Так, предложен нетоксичный п-нитроанилин в качестве диазокомпонента и резорцин или хромотроповая кислота в качестве азокомпонента. Другой пример — использование реакции гидроксамации для определения ряда органических веществ; образующаяся гидроксамовая кислота взаимодействует с железом(III), при этом возникает интенсивная окраска.

В качестве иллюстрации ниже приведены некоторые реагенты, используемые германской фирмой «Дрэгер» (Dräger) в индикаторных трубках для определения газов и паров (табл. 11.1).