khimie.ru

На рубеже XX и XXI в. определились некоторые обшие тенденции, которые, по-видимому, получат развитие в первые десятилетия XXI в.

Снижение предела обнаружения и увеличение точности анализа

Это «вечные» проблемы аналитической химии. Работы по снижению предела обнаружения, которые были ключевыми в 1950-1970-е гг., когда решались задачи ядерной энергетики, полупроводниковой техники и других областей, требующих веществ очень высокой чистоты, теперь несколько потеряли остроту. В принципе, здесь есть серьезные продвижения, но главным образом в специальных условиях, в отдельных системах. В случае массового анализа обычно мешает фоновое содержание определяемых компонентов. Однако как раз в особых-то случаях иногда достигается фантастическая чувствительность, как, например, при определении диоксинов методом хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения с предварительным многоступенчатым концентрированием или при определении в «тепличных» условиях некоторых щелочных металлов лазерно-спектроскопическими методами. В направлении обеспечения особо высокой точности наблюдается стагнация; за последние годы здесь нет серьезных прорывов. Не ожидаются они и в ближайшем будущем. Да, может быть, эта задача уже не столь остра? Не так уж нужна относительная погрешность, скажем, 0,01 %.

Вещественный анализ. За последние годы и сами аналитики, и особенно их «заказчики» стали хорошо понимать, что во многих случаях, а может быть и в большинстве, недостаточно знать обшую концентрацию или общее количество интересующего нас компонента: требуется иметь сведения о том, в каких формах компонент присутствует и каково содержание этих форм. Вещественный анализ проводился и прежде. С ним, например, имели дело те, кто занимался анализом геологических объектов, минерального сырья: определение отдельно содержания Fе (II) и Fе (III) или выяснение, в какой форме цинк присутствует в руде — в виде оксида или в форме сульфида. Однако сейчас подобные требования выдвинуты очень многими отраслями, а также областями науки. Один из самых нетривиальных примеров: некоторые органические лекарственные вещества проявляют свой лечебный эффект только в одной оптически активной форме, отсюда необходимость разделять разные хиральные формы и оценивать их долю. Часто вспоминают пример с разными формами ртути в объектах окружающей среды — метилртуть намного токсичнее катиона ртути (III) или комплексов этого элемента с неорганическими и органическими лигандами. Значит, аналитики должны уметь определять не только общее содержание ртути, но и отдельно — ионные формы, метил- и диметилртуть и т.д. Помимо различных химических форм нужный компонент может быть еще и в разных «физических» состояниях, например сорбироваться на твердых микрочастицах, быть в парах и в аэрозольных капельках и т.д. Аналитики, отвечая на этот вызов, создают методы такого анализа. Часто это комбинация способов разделения с определением выделенных форм; некоторые комбинации работают в непрерывном режиме, без расстыковки, оn-linе. Журналы сейчас заполнены публикациями о вещественном анализе, этой проблеме посвящают семинары и конференции.

Автоматизация и компьютеризация анализа. Массовый анализ однотипных проб все в большей степени автоматизируется, и этот процесс, конечно, будет продолжаться. Это в значительной степени относится не только к производственному аналитическому контролю, но и к лабораторному анализу. Приметой нынешнего времени является не столько автоматизация собственно определения (на приборе) — это сравнительно легкая задача, сколько автоматизация цикла анализа в целом, включая отбор проб, операции пробоподготовки, собственно измерения, обработку результатов, их выдачу в требуемом виде и, если нужно, занесение в банки данных, реестры и т. п. Последние годы ознаменовались большими успехами в автоматизации самой трудной с этой точки зрения стадии — стадии пробоподготовки. Например, подготовку жидких образцов успешно решают проточно-инжекционный анализ или другие проточные варианты.

О компьютеризации химического анализа можно много не говорить — компьютер теперь помогает всем наукам. Следует только подчеркнуть, что компьютеризация позволила создать принципиально новые подходы к анализу и, если угодно, новые его методы, без компьютера в принципе невозможные. Это экспертные системы для расшифровки формул веществ, «электронный нос» и «электронный язык», фурье-спектрометрия и др.

Анализ «уходит» из лаборатории. Мы наблюдаем все более масштабный переход от анализа в лаборатории к анализу непосредственно в том месте, где находится анализируемый объект. Потребность в анализе «на месте» (оn sitе) очень велика и постоянно растет. Уже сегодня огромное число определений проводится вне стационарной лаборатории, утвердилось название «полевая аналитическая химия», проводят регулярные конференции Lаb соmеs tо thе fie1d.

Приведем примеры внелабораторного анализа:

• цеховой экспресс-контроль непосредственно у агрегата или технологической линии;
• полевые анализы при поиске полезных ископаемых;
• определение метана в угольных шахтах;
• контроль за объектами окружающей среды с помощью постов и автоматизированных станций;
• таможенный, пограничный и милицейский контроль на взрывчатые вещества и наркотики;
• обнаружение алкоголя в воздухе, выдыхаемом водителями;

• определение содержания оксида углерода (II) в автомобильных выхлопах;
• обнаружение боевых отравляющих веществ в полевых условиях, блестяще развитое военными химиками;
• простые агрохимические испытания почв, прежде всего определение рН почвенных вытяжек;
• медицинская диагностика в домашних условиях, главным образом определение глюкозы в крови больных сахарным диабетом.

Как уже говорилось, нередко анализ в лаборатории невыполним или не имеет смысла. При анализе на месте экономятся время и средства, в том числе на транспортировку проб, обычно снижаются требования к квалификации исполнителя. Потребность в оборудованной лаборатории сохраняется, пока и поскольку существует нужда в осуществлении сложных химических операций, требующих разнообразного лабораторного оснащения (сушильные шкафы, устройства для очистки веществ, вытяжные шкафы, разного рода коммуникации, в частности газ, вода, силовой ток и т.д.), пока есть нужда в тяжелых и сложных стационарных измерительных приборах. Постепенно создают методы и средства, позволяющие без всего этого обходиться. Поэтому роль стационарных лабораторий, в которых со времен алхимиков и проводятся химические анализы, будет уменьшаться. Разумеется, сохранятся исследовательские аналитические лаборатории.

Для анализа оп зке нужны соответствующие методы и особенно технические средства. Промежуточным, в сущности паллиативным, решением является создание мобильных лабораторий — на автомобилях, катерах и т.д. Такие лаборатории, главным образом автомобильные, существуют и используются на практике; пока их немного и они довольно дороги. В подвижных лабораториях используют примерно те же методы и приборы, что и в обычных, только стараются выбрать или специально сделать технические устройства менее габаритные, устойчивые к тряске, вибрации, пыли, а методики — по возможности безотходные, не связанные с большим потреблением воды, реактивов.

Большое значение имеют разработка и выпуск портативных, в том числе переносных и даже карманных приборов, а также простейших тест-средств для одноразового использования, в том числе неспециалистом. «Полевой анализ» обусловливает проведение работ по созданию соответствующего методического и метрологического обеспечения. Не за горами то время, когда анализ «на месте» будет осуществляться и с использованием систем химических сенсоров, как уже сейчас это отчасти делается в космических аппаратах.

Миниатюризация. Заметной тенденцией, связанной с рассмотренной выше, является миниатюризация анализа, аналитических систем. Вообще говоря, уменьшение навесок, аликвот, устройств для анализа — перманентная тенденция развития аналитической химии. Самое интересное и перспективное направление последних лет — это попытки многофункциональные приборы разместить на микроэлектронном чипе; особенно это относится к капиллярному электрофорезу и отчасти к проточно-инжекционному анализу. Здесь еще много проблем, особенно в создании миниатюрных детекторов, но и будущее просто захватывающее. Однако и в случае более или менее обычных аналитических приборов мы наблюдаем постоянное стремление к уменьшению размеров. При этом преследуют сразу несколько целей. Приборы, как уже говорилось, могут стать транспортабельными, в том числе переносными, в том числе карманными для использования оп зйе. Но портативные приборы имеют преимущества и в обычных лабораториях, так как занимают меньше места, потребляют меньше энергии, реактивов и самих анализируемых веществ; к тому же маленькие приборы обычно дешевле крупногабаритных и легче в обслуживании.

Особенно нужно отметить создание карманного типа минианализаторов для определения одного и реже нескольких веществ. Это уже массовые приборы, например, при анализе воздуха рабочей зоны или при обследовании водных источников. Методика в них «встроена», обычно в приборе заложена и градуировочная характеристика, т.е. градуировка при работе не требуется. Управление прибором (если это можно назвать управлением) простейшее; иногда просто нужно нажать одну кнопку и увидеть результат анализа на дисплее. Цена таких приборов невелика. Первыми приборами такого типа были рН-метры, которые можно как авторучку носить в нагрудном кармане. Значительное число подобных мини-приборов создано для определения газов, причем в по­следнее время появились устройства, позволяющие определять не один газ, а несколько, например за счет простой смены сенсорных устройств-вкладышей или даже без этого. Немало таких при­боров разработано для анализа водных сред, но их возможности пока ограниченные, это определение рН, концентрации растворенного кислорода, общей концентрации твердых частиц, электропроводности и еще ряда параметров.

Распознавание образцов вместо покомпонентного анализа. Достоинство вина лучше всего оценивают профессиональные дегустаторы. Несмотря на то что обычными аналитическими методами можно достаточно точно определить множество веществ, содержащихся в вине, общий «образ» напитка получить таким способом довольно трудно. До сих пор у дегустаторов не было «инструментальных» конкурентов. Аналогичную ситуацию имеем в случае парфюмерных продуктов, особенно духов: можно надежно определить хроматографическими методами несколько десятков или даже сотен компонентов их запахов, но только знаток-парфюмер может оценить запах «в целом». А про способность собак различать запахи и говорить нечего — они продолжают искать взрывчатые вещества и наркотики. Однако мы, похоже, на пороге новых открытий в этой области. Мы имеем дело, по существу, с новой методологией анализа: вместо определения большого числа отдельных компонентов оценивают общий «образ» пробы, что в ряде случаев чрезвычайно важно.

Интенсификация реакций. Воздействие физических полей на химические процессы — направление не новое; достаточно вспомнить использование ультразвука или радиоактивного излучения. В ряду таких воздействий в последние годы большое значение приобрело воздействие излучения микроволнового диапазона (сверхвысокой частоты). Первое и наиболее известное использование микроволнового излучения (МВИ) в химическом анализе — это ускоренное разложение проб, в том числе в автоклавах при повышенных температурах и давлениях. Другое, не столь устоявшееся направление — ускорение собственно аналитических реакций, например взаимодействия иона металла с реагентом, и интенсификация предварительной подготовки аналитических форм, способных к последующему взаимодействию. Последнее, в частности, относится к аналитической химии платиновых металлов, для которых характерны медленные превращения, особенно в случае кинетически инертных комплексов. Особое место занимает использование МВИ для указанных целей в потоке — проточно-инжекци-онном анализе и аналогичных методах. Еще одно направление — приготовление сорбентов, экстрагентов, собственно аналитических реагентов. Можно указать на получение ксерогелей с иммобилизованными реагентами для целей тест-методов золь-гель-технологией, когда МВИ значительно ускоряет просушку геля.

Распределительный анализ. Немало внимания уделяется локальному анализу, т.е. «географии» анализируемого образца. При этом решают вопрос: как распределен интересующий нас компонент — на поверхности, в слоях или равномерно. Однако есть и иные задачи. Иногда нужно проанализировать микровключение в образце, хотя бы качественно. Это тоже задача локального анализа; кстати сказать, исторически это была первая задача. Средства для такого распределительного (локального) анализа имеются, правда, сложные и дорогостоящие. Но все-таки распределительный анализ — это более или менее сформировавшаяся область аналитической химии со своим сообществом специалистов.

Дистанционный анализ. Этот вариант анализа находится на стадии становления. Конечно, в каждом отдельном случае возникающие проблемы более или менее успешно решают, но не выработана общая методология анализа и почти нет аналитиков, которые бы занимались дистанционным анализом и только им. Между тем даже непрофессионалу ясна значимость анализа на расстоянии. Это и контроль за ходом процессов в опасном агрегате, и наблюдение за воздухом над городом, и глубоководные исследования океанической воды, и космические исследования. Кстати, последние дали ярчайшие примеры дистанционного химического анализа.