630090, Новосибирск, ул. Инженерная, 20
(383) 344-94-34 info@academlab.ru

Количественный химический анализ состава

Количественный химический анализ объектов

Задача количественного анализа - определить количество элемента или соединения а исследуемом образце. Чаще интересует не абсолютное количество, а концентрация, либо массовый процент. Следует помнить, что методы аналитической химии не рассчитаны на определение "полного точного состава". Любой метод способен определить только "концентрацию чего-то в чем-то". К примеру, метод, позволяющий определить концентрацию алюминия в воде, не подойдет для определения концентрации алюминия в краске или в пищевых продуктах. Поэтому количественный химический анализ - это заключительный этап исследования химического состава для неизвестного образца. И прежде чем провести количественный анализ, необходимо точно узнать, из каких веществ состоит образец (этап качественного анализа) и какие конкретно вещества следует определить количественно.


 Заявка на проведение количественного химического анализа состава


Погрешность количественного химического анализа.

В аналитической химии результаты анализа характеризуются такими понятиями, точность, воспроизводимость, повторяемость, правильность, а также с результатами анализа связаны такие понятия как погрешность и доверительный интервал. Чтобы, не углубляясь в понятия, объяснить, что значит "погрешность анализа", с точки зрения результатов, которые поучает заказчик, приведем простой пример. Если вас спросят, какая температура сейчас на улице? Ответ 25 ± 1С0 обычно всех устраивает с точки зрения "погрешности". При этом "погрешность" данного ответа составляет 4% от полученной величины, а реальное значение температуры лежит в пределах от 24 до 26 С0. Но если попытаться определить температуру человека с той же погрешностью 4%, то ответ получится 36,6 ± 1,5 С0 (то есть реальное значение лежит в пределах от 35,1 до 38,1 С0). Для выяснения, болен ли человек, измерения температуры с такой погрешностью явно недостаточно.

Аналогичная ситуация происходит и в химическом анализе. Невозможно никакую величину измерить бесконечно точно, любое измерение имеет свою погрешность, и в качестве результата всегда указывается интервал, в котором, вероятнее всего, лежит истинное значение. Разные аналитические методы имеют различную погрешность. Причем погрешность вносится на различных этапах: в процессе пробоотбора, взвешивания, разделения на компоненты, измерения объема, добавления реагентов, измерения аналитического сигнала и др. Поэтому чем больше ступеней занимает анализ, тем большие погрешности могут быть внесены. Поэтому классические методы, такие как титриметрия и гравиметрия, хоть и трудоемки, и рассчитаны на определение только одного компонента, но позволяют получить результат с очень маленькой погрешностью. Инструментальные методы, позволяющие определить сразу несколько компонентов, дают больше информации, но и результат получается с большей погрешностью.

Поэтому прежде чем приступить к анализу, необходимо уточнить, с какой погрешностью требуется получить ответ, чтобы он был информативен. Затем следует убедиться, что современные методы позволяют решить поставленную задачу. 

Количественный химический анализ, документация (ГОСТ, РД, ПНД Ф и др.) и разработка новых методик

Существует множество различных методик определения тех или иных компонентов в различных пробах. Есть методики, разработанные и используемые внутри какой-то одной лаборатории, есть также методики, прошедшие валидацию (то есть подробное исследование) с участием нескольких лабораторий. Но наибольшим доверием пользуются методики, записанные в нормативных документах. Характеристики таких методик изучены в процессе масштабных межлабораторных исследований. Такие методики описаны в серии документов ГОСТ (Государственные стандарты), ПНД Ф, РД, МУК. Для этих методик четко описана вся последовательность действий и измерений; объекты, для которых подходит данная методика; указаны также метрологические характеристики, такие как доверительный интервал (погрешность анализа) и диапазон измерений определяемого компонента. Следует понимать, что нормативные методики установлены на определенные образцы и определенные вещества. То есть, если методика предназначена, например, для определения содержания формальдегида в питьевой воде, это значит, что измерить содержание формальдегида в лакокрасочной продукции по этой же методике нельзя. 

Ясно, что невозможно задокументировать методики для всех существующих объектов анализа, поскольку ежедневно создается множество новых материалов, продуктов, смесей и других образцов, подлежащих анализу. Появляются также и новые методы анализа, показывающие более высокую эффективность и точность. Поэтому в случае, если не существует четкой методики, по которой можно провести исследование, аналитическая лаборатория может адаптировать какую-либо существующую методику под новый объект или диапазон измерений, либо разработать новую методику, отталкиваясь от аналитических возможностей доступных методов анализа. В данном случае правильность результатов анализа зависит от компетентности аналитической лаборатории. Проверить работоспособность вновь созданной или измененной методики можно как внутри самой лаборатории, проведя исследование "контрольного образца" с заранее известным содержанием компонента, так и проведя межлабораторный эксперимент. Второй вариант позволяет получить больше уверенности в надежности методики и качестве получаемых данных, но он и значительно дороже. Поэтому решение вопроса о межлабораторных исследованиях и валидации новых методик зависит от целей исследования: насколько критична правильность получаемых результатов и существует ли потребность для применения разработанной методики в регулярных исследованиях.

Количественный химический анализ. Классические и инструментальные методы

Среди методов аналитической химии, позволяющих определить точное содержание вещества (или элемента), можно различить однокомпонентные (одномерные) и многокомпонентные (двумерные методы). Такие классические методы, как титриметрия или гравиметрия, позволяют определить только один компонент, более сложные инструментальные методы позволяют определить одновременно несколько компонентов. Однако преимущество классических методов в их простоте и точности анализа. Ниже перечислены некоторые наиболее популярные методы количественного анализа.

Классические методы количественного химического анализа

Гравиметрия. Один из самых трудоемких, и длительных, но очень простой и точный метод анализа. Это метод, основанный на выделении определяемого вещества с последующим взвешиванием. Определяемое вещество выделяют в чистом виде, либо в виде какого-то определенного соединения. Существуют метод возгонки и более широко используемый метод осаждения. Определяемое вещество переводится в форму малорастворимого осадка, который после последующей обработки (фильтрации, высушивания, прокаливания) взвешивается.

Титриметрия. Классический метод анализа, основанный на точном измерении объемов двух веществ, вступающих в химическую реакцию. Этот метод, так же как и гравиметрия, одномерный - позволяет одновременно провести измерение только одного показателя. Это может быть один компонент или сумма каких-то конкретных компонентов (например, совместное титрование ионов кальция и магния - определение "жесткости" воды). Титриметрический метод является одним из наиболее точных методов, однако он обладает меньшей чувствительностью по сравнению с инструментальными методами, то есть не подходит для определения следовых количеств вещества.

Инструментальные методы количественного химического анализа

Методы вещественного анализа

ГХ-МС - газовая хроматография с месс-спектрометрическим детектированием. Этот метод основан на разделении веществ в газовой фазе при пропускании их через капилляр и детектировании веществ по массам осколков их молекул. Метод применяется для анализа газовых смесей,  анализа летучих органических веществ (пробы воздуха) и некоторых нелетучих, но легкоиспаряемых веществ. Например, при анализе воздуха можно детектировать до 2000 различных присутствующих в нем соединений. Также можно определить состав органических смесей неизвестного происхождения.

Преимущества ГХ-МС:

  • широкий спектр определяемых веществ
  • возможность анализировать газовые смеси
  • возможность анализа многокомпонентных жидких смесей

Ограничения ГХ-МС:

  • погрешность анализа 20-25%
  • нельзя анализировать смеси, содержащие трудноиспаряемые вещества (минеральные масла, смолы, полимеры)
  • нет возможности анализировать твердые образцы без растворения
  • анализ водных растворов, содержащих органику требует предварительной экстракции

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография (с различными вариантами детектирования). Метод, основанный на разделении веществ в жидком состоянии при пропускании через хроматографическую колонку, заполненную и последующем их детектировании. Этот метод хорошо подходит для анализа жидких органических смесей, и водных растворов, содержащих органику. Метод ВЭЖХ очень востребован при анализе биологических растворов, вещественный состав которых нарушается при нагревании. Например, этим методом проводят анализ плазмы крови; им можно разделить смесь, содержащую молекулы белка чтобы затем определить структуры этих белков; можно проводить анализ многокомпонентных растительных экстрактов, содержащих сотни различных биологических веществ. При наличии соответствующих образцов сравнения методом ВЭЖХ можно идентифицировать различные сорта чая, определить состав биологически активной добавки и многое другое. ВЭЖХ активно применяется в медицинских исследованиях, криминалистике, анализе продуктов питания и экологической экспертизе.

Преимущества ВЭЖХ:

  • возможность анализа водных растворов, содержащих органику
  • широкий спектр определяемых веществ
  • возможность проводить анализ без испарения веществ (важно для биологических веществ)
  • возможность определять трудноиспаряемые органические компоненты

Ограничения ВЭЖХ:

  • погрешность анализа 15-20%
  • нет возможности анализировать твердые образцы без растворения и газы
  • необходимость правильного подбора сорбента в зависимости от состава пробы

Капиллярный электрофорез. Метод, основанный на разделении элементов сложной смеси в кварцевом капилляре под действием приложенного электрического поля. На выходе вещества детектируются и получается электрофореграммы. Характеристикой вещества является его время удерживания в капилляре, а о концентрации говорит площадь пика на электрофореграмме. Метод капиллярного электрофореза активно используется для анализа объектов окружающей среды, например, определения катионов и анионов в водах (железо, марганец, сульфаты, хлориды, нитраты и др.); пестицидов в воде и почве; таких опасных токсикантов, как фенол и другие. Также метод КЭ используется в пищевой промышленности (определение витаминов, аминокислот, консервантов и др.); в фармацевтике (производство и контроль качества лекарств); в медицине (разделение белков и компонентов плазмы крови); в криминалистике (определение следов взрывчатых и наркотических веществ).

Преимущества КЭ:

  • высокая степень разделения компонентов (возможность исследования сложных смесей)
  • хорошая воспроизводимость результатов анализа (0,5-5%)
  • экономичность (малый расход реактивов, не требуются дорогостоящие и токсичные реактивы)
  • широкий диапазон определяемых концентраций
  • высокая чувствительность метода

Ограничения КЭ:

  • нет возможности исследовать твердые образцы без растворения и газы
  • не подходит для анализа сложных органических смесей (образованных неполярными веществами)

ИК-спректрофотометрия. Метод, основанный на возбуждении колебательных спектров молекул при помощи излучения в инфракрасной области и регистрации поглощения излучения исследуемым образцом. Инфракрасные спектры можно использовать для идентификации веществ по известным спектрам, а также для установления структуры неизвестного вещества. Поэтому ИК-спектрометрия активно применяется в современных разработках для исследования вновь получаемых соединений, различных полимерных материалов, сорбентов и др.

Преимущества ИК-спректрометрии:

  • возможность исследовать неизвестные вновь синтезированные соединения
  • возможность установить структуру молекулы вещества
  • возможность определить класс соединения (для органических соединений: алифатические, алкены, ароматические и др. соединения)
  • возможность исследовать образец без растворения (анализ твердых материалов)

Методы элементного анализа

АЭС (атомно-эмиссионная спектроскопия). Метод основан на получении спектров эмиссии возбужденных атомов веществ. Проба вводится в источник, где происходит испарение, атомизация и возбуждение атомов, затем регистрируются испускаемые спектры. Источниками атомизации и возбуждения могут служить пламя, дуговой (ДПТ) и искровой разряды, индуктивно-связанная плазма (ИСП), микроволновая плазма, тлеющий разряд. Методы атомно-эмиссионной спектроскопии используются не только для качественного, но и для количественного анализа с высокой точностью. ИСП-АЭС метод подходит для анализа растворов и растворимых образцов, методом ДПТ-АЭС и АЭС с искровым разрядом можно анализировать твердые образцы. Следует отметить, что атомно-эмиссионные методы позволяют регистрировать очень низкие содержания элементов, их следовые количества, что крайне важно при анализе сверхчистых материалов и в других областях.

Преимущества ИСП-АЭС:

  • сравнительно низкая погрешность анализа (воспроизводимость 1-5%)
  • широкий круг определяемых элементов
  • широкий диапазон определяемых концентраций
  • низкие пределы обнаружения (возможность определять следовые количества)
  • возможность исследования растворов

Ограничения ИСП-АЭС:

  • нет возможности анализа пробы без растворения
  • не определяются галогены, инертные газы, кислород, углерод

Преимущества ДПТ-АЭС:

  • возможность исследовать твердые пробы без растворения
  • широкий круг определяемых элементов

Ограничения ДПТ-АЭС:

  • погрешность анализа около 20%
  • достаточно выражены матричные эффекты (влияние состава пробы на сигнал аналита), что может приводить к занижению результатов в пробах со сложной матрицей
  • сложная пробоподготовка (необходимо отсутствие органики, соответственно при отжиге органики из пробы есть риск потери определяемых элементов в виде летучих соединений)
  • пределы обнаружения выше, чем у ИСП-АЭС
  • не определяются галогены, кислород, азот, углерод и некоторые другие элементы

 Отправьте заявку на проведение количественного химического анализа