khimie.ru

Задачи, стоящие перед химическим анализом, а следовательно, и перед аналитической химией как наукой, постоянно множатся и усложняются. Приоритетность этих задач меняется в соответствии с меняющимися практическими потребностями общества. В этой книге многое говорилось о необходимости повышения чувствительности и точности анализа, селективности, быстроты и простоты методик. Аналитическая химия на протяжении всей своей истории старалась решать эти традиционные задачи и решала в общем успешно.

Вероятно, в начале XXI в. новой и самой актуальной проблемой стал безудержный рост общего числа и ассортимента выполняемых анализов. Некоторые определения теперь стали массовыми (насчитывают несколько миллионов анализов): определение рН почв, жирности молока, влаги в зерне, содержание оксида углерода(Н) в автомобильных выбросах, глюкозы в крови. По данным литературы, на каждого человека в промышленно развитых странах уже приходится более десятка сложных химических анализов в год, и это без учета анализов в промышленности!

Загруженность аналитических лабораторий ежегодно возрастает (возможно даже экспоненциально), замедления темпов роста пока не предвидится. Почему это происходит?

Во-первых, растет общее число объектов анализа. Кто мог предполагать еще в 1970-е гг., что разнообразные объекты молекулярной биологии, биохимии, биотехнологии и медицины займут в конце века такое большое место в общей совокупности объектов анализа? Кто в начале 1980-х гг. ожидал, насколько масштабными станут исследования состава сложных оксидов, которые, как выяснилось в середине 1980-х гг., обладают свойствами высокотемпературных сверхпроводников? Составом веществ высокой степени чистоты до 1940-х гг. интересовались лишь некоторые физики, изучавшие изменение свойств металлов по мерс их очистки от примесей. Но решение атомной проблемы и развитие электроники поставили многочисленные вещества высокой чистоты в группу самых важных и трудных объектов химического анализа. Очевидно, новые объекты анализа будут появляться и в будущем. Как уже было показано, расширение перечня объектов анализа и смена приоритетных объектов — это закономерный, перманентный процесс, весьма характерный для истории нашей науки.

Во-вторых, появляются новые объекты определения (аналиты), т.е. вещества, которые надо обнаруживать и определять. Это касается не только новых объектов анализа, но и «классических» объектов, например питьевой воды, в которой теперь можно обнаружить многие десятки органических веществ. В почвах приходится контролировать содержание новых, ранее не выпускавшихся промышленностью пестицидов. Для клинических и криминалистических лабораторий приходится разрабатывать методики определения новых лекарственных веществ, биодобавок, всевозможных новых токсикантов.

В-третьих, непрерывно растет число задач, которые нужно решать в ходе исследования каждого объекта. Появляются принципиально новые задачи. Так, в течение последних десятилетий постоянно обострялась нужда в локальном (точнее сказать, распределительном) анализе — противовес традиционному валовому анализу. Во многих объектах компоненты распределены неравномерно, негомогенно, а как-то стратифицированы, например по глубине. Иногда они сосредоточены в сварных швах, на поверхности образца или как-то иначе. Анализ собственно поверхности твердых тел очень важен для многих областей техники, а также для смежных наук. Необходимость решения задач распределительного анализа вызвала к жизни создание сложных и дорогих инструментальных методов — электронного зонда, рентгеноэлектронной или оже-спектроскопии, некоторых вариантов масс-спектрометрии. Нет оснований думать, что процесс появления задач распределительного анализа будет затухать; скорее можно предсказать обратное. В технике, криминалистике, археологии, искусствоведении и ряде других областей постоянно возникают требования анализа образцов без их разрушения, с тем чтобы образец сохранялся неизменным (вещественная улика, археологическая находка, картина средневекового художника), чтобы объект мог и далее функционировать, если это нужно. Сейчас для анализа подобных объектов используют рентгенофлуоресцентный анализ, радиоактивационный метод (при условии, что образуются короткоживущие радиоизотопы), ИК спектрометрию, а также методы, вызывающие микроскопические разрушения (электронный зонд, иногда атомно-эмиссионный анализ). Но здесь непочатый край работы: твори, выдумывай, пробуй; нужны новые оригинальные методы, по возможности простые, недорогие. Чем дальше, тем больше растет потребность в непрерывном анализе (напри­мер, морской воды по ходу судна в режиме реального времени, или руды на ленте транспортера, или технологического раствора, перемещаемого по трубам на химическом предприятии), а также в дистанционном анализе удаленных объектов. Конечно, мы знаем яркие примеры анализа космических объектов, но непрерывно увеличивается и число вполне земных задач, которые нужно решать методами дистанционного анализа. Вероятно, самое важное — контроль за технологическими процессами с участием радиоактивных или высокотоксичных веществ либо во взрывоопасных условиях. Для решения этой задачи обычно применяют спектроскопические и электрохимические методы, но и сегодня в этой области есть труднорешаемые (или вовсе нерешаемые!) проблемы, а завтра их будет еще больше.

Наконец, в-четвертых, растет число потенциальных потребителей каждого вида анализа (самых разных). Несомненно, число наших «заказчиков» будет расти и далее по мере роста информированности населения о возможностях современных аналитических лабораторий. Специальная реклама здесь не нужна.

Где же выход? Ведь не может же бесконечно расти число лабораторий, приборов, людей, осуществляющих всевозможные анализы! Ограничения связаны, в частности, с экономическими факторами, которые ранее не считались важными. Теперь при массовом производстве анализов эти факторы приходится принимать в расчет. Безусловно, выход может и должен быть найден. На то, в конце концов, и существуют научные работники, на то и существует наука, чтобы находить нестандартные, может быть, совершенно неожиданные решения, выходить из, казалось бы, безнадежных ситуаций. Давайте подумаем, как найти выход из сложившейся ситуации.

Число объектов анализа или решаемых задач снизить вряд ли удастся. А вот число определяемых компонентов уменьшить гораздо проще. Поставим вопрос: всегда ли нужно определять так много компонентов? Если от содержания каждого из них зависят потребительские, например эксплуатационные, свойства объекта, нельзя ли найти какой-либо общий параметр, интегрирующий влияние всей гаммы компонентов? Так родилось представление об обобщенных показателях.

Рассмотрим некоторые примеры. В природные воды нередко попадают фенолы, вешества неприятные сами по себе, но особенно опасные, если вода потом будет хлорироваться: при этом образуются очень токсичные хлорорганические вещества. Фенолов, в принципе, много: собственно фенол, нитрофенолы, крезолы и т.д. На многие из них установлены гигиенические нормативы (ПДК). Пытаться обнаружить все возможные фенолы, определить содержание каждого из них и сравнить с соответствующим значением ПДК — задача, как минимум, очень трудоемкая. Но ведь есть возможность провести групповую реакцию на все фенолы сразу, определить их наличие и рассчитать общее содержание, если они присутствуют. Соответствующий параметр называют феноль-ным индексом, это пример обобщенного показателя. Степень загрязненности воды окисляющимися веществами можно оценить с помощью показателя, называемого химическим потреблением кислорода (ХПК). Потребление кислорода оценивают по расходу окислителя — перманга-ната или дихромата калия — на титрование определенного объема воды. Этот расход, понятно, пропорционален загрязненности воды органическими веществами. Определяют также сумму тяжелых металлов, суммарное содержание полиароматических углеводородов (ПАУ). В последнее время начали оценивать суммарное содержание вещсств-антиоксидантов. Если эти определения дают положительный результат, можно в случае необходимости или при желании заняться определением индивидуальных соединений.

Мы приблизились к идее скрининга — двухступенчатого анализа, реализуемого, например, в контроле загрязнения окружающей среды. На первом этапе скрининга отбраковывают пробы, не содержащие искомого (или искомых) компонентов. Отрицательный результат (необнаружение компонента) считается окончательным, к соответствующим пробам больше не возвращаются. «Положительные» пробы можно исследовать более основательно. При реализации такого подхода на первой стадии могут быть использованы упрощенные и относительно дешевые методы, например с применением тест-средств, или биологические методы с применением тест-организмов. Легко видеть, что скрининг экономит много труда, времени, реактивов и т.д. Ведь число детально анализируемых проб в этом случае резко сокращается.

Возможен и другой подход. В этом случае стремятся определить как можно большее число компонентов одновременно. Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой сделала обычным делом одновременный анализ на 30 — 40 элементов, а масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой обеспечивает возможность одновременно определять 50 элементов (да и еще с большой чувствительностью). Газовая хроматография с капиллярными колонками позволила одновременно идентифицировать и определять содержание нескольких сотен компонентов в одной пробе нефтепродукта. В «запахе кофе» определяют более 400 летучих веществ! Несомненно, в будущем будут и другие задачи, для решения которых нужны «обзорные» методики.

Существуют и другие подходы, которые позволяют аналитическим лабораториям выполнять гораздо больше анализов, чем сегодня. В частности, обеспечению массовости анализа способствует унификация методик. Тщательно отобранные, многократно проверенные, «отлаженные» методики, используемые повсеместно, облегчают снабжение лабораторий приборами и реактивами (резко сужается их список), обучение операторов, сопоставление результатов. Высшей стадией унификации является стандартизация. Если использование унифицированных методик обычно только рекомендуется, то применение стандартизированных методик обязательно — в пределах данного ведомства, данной контрольной службы.

Повышение производительности аналитической службы обеспечивают также автоматизация и компьютеризация анализа. Это можно показать на примере типового анализа почв с целью определения рН, содержания калия и фосфора, гумуса, иногда — отдельных микроэлементов. Внедрение в агрохимических лабораториях поточных аналитических линий, использование проточного анализа (на начальном этапе — так называемого непрерывного проточного анализа) резко увеличило число образцов, анализируемых в единицу времени. Возникает вопрос: а нужно ли вообще свозить эти образцы в агрохимическую лабораторию — районную, областную или далеко расположенную межобластную; нельзя ли делать анализы на месте, желательно прямо в поле.

И тут мы подошли к идее внелабораторного анализа. В самом деле, ведь использование специально оборудованных лабораторий не обязательно. В значительной степени это вынужденная мера. Ведь химические операции всегда были связаны с расходом и выделением плохо пахнущих или вредных веществ, требовалась вытяжка и другие меры безопасности. Необходимо было также применение громоздкого и уникального оборудования. Однако по мере развития методов анализа и средств их осуществления нужда в лаборатории уменьшается: методы нередко становятся безреагентными (как, скажем, метод РФА), приборы — компактными, транспортабельными, безопасными.

Есть и другая, еще более важная сторона дела: потребители иногда хотят получать не просто результаты анализов, а результаты именно внелабораторных анализов. В США даже издается специальный журнал «Fild Аnа1уtiса1 Сhеmistrу аnd Тесhnо1оgу». Несомненно, потребность анализа «в поле» в будущем будет расти. Но и сейчас множество определений делается вовсе не в лабора­ториях. Никто не затаскивает автомобили в лаборатории, чтобы определить содержание оксида углерода (II) в выхлопных газах, метан контролируют непосредственно в угольных шахтах, содержание сахара в крови диабетики определяют теперь сами, анализ космических объектов — внелабораторный «по условию». Есть анализы, которые, в принципе, нельзя или бессмысленно проводить в условиях лабораторий. В частности, многие объекты настолько лабильны, что их проанализировать можно только на месте в режиме реального времени. Примером «бессмысленного» лабораторного анализа может быть обнаружение боевых отравляющих веществ не в момент их применения противником, а когда-нибудь потом, в хорошо оборудованной, но далеко расположенной лаборатории.

Как видим, варианты находятся. А сколько их еще должно появиться! И появиться должны подходы надежные, простые, недорогие; короче говоря, нужны оригинальные решения. Вот недавно наметился еще один подход к повышению производительности лабораторий: использование приемов хемометрики. При массовом анализе очень эффективным оказывается так называемый многомерный регрессионный анализ — принципиально новый подход к градуированию. Если на анализ одной пробы бензина традиционным методом (ГЖХ) уходит не менее двух часов, то регистрация ИК спектра пробы и компьютерная обработка полученной информации методами многомерного регрессионного анализа занимают не более 5 мин. А точность результатов анализа в обоих случаях практически одинакова! Один компьютеризированный ИК-спектрометр заменяет несколько хроматографов и обеспечивает необходимой информацией целый завод.

Не меньшие возможности открывает другой хемометрический подход — распознавание образов. В этом случае меняется сама парадигма химического анализа, здесь мы вообще отказываемся от определения отдельных компонентов (об этом — далее).