Модульная единица 1. Процесс физико-химического исследования.
Лекция 1: ПРОЦЕСС ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Аннотация.В лекции рассматривается классификация физико-химических методов исследования и основные этапы процесса физико-химического исследования: пробоотбор, пробоподготовка, измерение, обработка результатов, составление отчета. Приведены требования, которые должны соблюдаться на каждом из этапов исследования для получения достоверных данных.
Ключевые слова:элементный анализ, вещественный анализ, структурный анализ, качественный анализ, количественный анализ, аналитический сигнал, валовый анализ, локальный анализ, проба аналитическая, проба представительная, пробоотбор, пробоподготовка, концентрирование, экстракция, ионный обмен.
Рассматриваемые вопросы:
1 вопрос. Классификация физико-химических методов исследования.
2 вопрос. Пробоотбор.
3 вопрос. Пробоподготовка.
4 вопрос. Разделение и концентрирование.
5 вопрос. Измерение (определение), обработка данных, выводы и отчет.
Цели и задачи изучения модульной единицы.В результате изучения данной модульной единицы студенты должны освоить классификацию методов физико-химических исследований и последовательность основных этапов процесса физико-химического исследования. В результате изучения классификации физико-химических методов исследования студенты должны научиться решать сложную задачу выбора оптимального метода. В результате изучения этапов процесса физико-химического исследования студенты должны усвоить значение каждого из этапов исследования, уделяя основное внимание способам предотвращения погрешностей.
1.1.Классификация физико-химических методов исследования.
1.1.1. Физико-химические методы исследования и физико-химические методы анализа.
В настоящее время физико-химические методы исследования являются главным средством изучения состава и свойств объектов окружающей среды (воздуха, природных и сточных вод, почв, растительных и животных тканей) и сельскохозяйственных объектов. Трудно провести границу между физико-химическими методами исследования и физико-химическими методами анализа. Главная задача обеих дисциплин – всестороннее изучение свойств веществ и состоящих из них объектов. Свойства объектов определяются содержанием в них основных компонентов и примесей, а также равномерностью распределения компонентов по объему и по поверхности изучаемого объекта. Главная цель физико-химических методов анализа как раздела аналитической химии состоит в определении качественного и количественного состава объектов. Задачи физико-химических методов исследования более широкие. Однако в настоящее время в круг задач, решаемых аналитической химией включают также установление структуры твердых тел и контроль состояния окружающей среды. Тем самым границы между физико-химическими методами исследования и физико-химическими методами анализа становятся трудно определимыми: одни и те же методы могут использоваться и как методы исследования и как методы анализа.
В современных физико-химических методах исследования и анализа широко используют идеи из области физики, измерительной техники, информатики, биологии и генной инженерии.
1.1.2. Классификация физико-химических методов исследования.
Если необходимо определить, из каких химических элементов состоит объект, то речь идет об элементом анализе. Если требуется установить, из каких веществ состоит объект, то прибегают к услугам вещественного анализа. Если нужно установить структуру молекул или твердых тел, то говорят о структурном анализе. Важнейшие физико-химические методы элементного анализа, включая самые новые и перспективные, представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Методы элементного анализа
1. Рентгеноспектральный анализ (рентгено-флуоресцентный)
2. Нейтронно-активационный анализ (радиоактивационный анализ)
3. Оже-спектрометрия (англ. Auger electron spectroscopy)
4. Аналитическая атомная спектрометрия — совокупность методов, основанных на преобразовании анализируемых проб в состояние отдельных свободных атомов, концентрации которых затем измеряются спектроскопически (иногда сюда же относят рентгено-флуоресцентный анализ, хотя он не основан на атомизации пробы и не связан со спектроскопией атомного пара):
а)масс-спектрометрия с регистрацией масс атомарных ионов:
· масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой;
· ЛА-ИСП-МС — масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией;
· лазерно-искровая масс-спектрометрия; см. лазерная абляция (пример коммерческой реализации: ЛАМАС-10М);
· масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS);
· термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS);
· Высокоэнергетическая масс-спектрометрия на ускорителях частиц (AMS)
б) атомно-абсорбционная спектрометрия:
· атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической атомизацией;
· спектроскопия времени затухания резонатора (CRDS);
· внутрирезонаторная лазерная спектроскопия
в) атомно-эмиссионная спектрометрия:
· искра и дуга как источники излучения;
· атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой ;
· лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (LIBS или LIPS);
г) атомно-флуоресцентная спектрометрия:
· атомно-флуоресцентная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (приборы фирмы Baird);
· лазерная атомно-флуоресцентная спектрометрия;
· атомно-флюоресцентная спектрометрия на лампах с полым катодом (пример коммерческой реализации: AI3200);
д) атомно-ионизационная спектрометрия:
· лазерная атомно-ионизационная спектроскопия (англ. Laser Enhanced Ionization, LEI);
· лазерная резонансно-ионизационная масс-спектрометрия;
· оптогальваника (лазерная оптогальваническая спектроскопия).
При определении элементного и вещественного состава образца задача может заключаться в определении природы содержащихся в нем компонентов, т.е. в установлении того, какие компоненты входят в состав образца. В этом случае говорят о качественном анализе. Если же нужно определить не только какие компоненты входят в состав образца, но и их количество, то прибегают к услугам количественного анализа. Следует заметить, что в настоящее время граница, разделяющая качественный и количественный анализы, становится все менее четкой. Для доказательства наличия или отсутствия искомого компонента в пробе необходим объективный критерий. Таким критерием служит предел обнаружения данного компонента данным методом. Если масса или концентрация искомого компонента в пробе меньше предела обнаружения для данного метода, то можно утверждать только то, что присутствие этого компонента в изучаемом образце нельзя обнаружить данным методом, но нельзя утверждать, что этого компонента в образце нет вовсе. Предел обнаружения – это наименьшее количество или наименьшая концентрация вещества, которые могут быть обнаружены при помощи данного метода.
Задачей количественного анализа является определение количества, массы, концентрации или массовой доли определяемого элемента или вещества в образце. В основе количественного анализа лежит точное соответствие величины аналитического сигнала содержанию определяемого компонента в пробе. Аналитическим сигналом может служить масса (в гравиметрическом анализе), интенсивность окраски раствора (в колориметрическом анализе), интенсивность излучения (в пламенной фотометрии) и т.д. Аналитический сигнал нужно измерять с максимально возможной точностью.
Если объектом анализа является вся проба целиком и в ней определяют среднее содержание элемента или соединения, то речь идет о валовом анализе. Если же нужно выяснить состав небольшой части образца, с тем чтобы составить карту распределения определяемого элемента по глубине или по поверхности образца, то прибегают к локальному анализу, который называют также распределительным анализом.
Знание классификации физико-химических методов анализа помогает осуществить выбор метода анализа, позволяющего оптимальным образом решить поставленную перед исследователем задачу.