Способ визуально-капельно-таблетного колориметрического экспресс-анализа

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к визуально-капельно-таблетной колориметрии. Способ визуально-капельно-таблетного колориметрического экспресс-анализа заключается в быстром визуальном определении веществ из малых объемов испытуемых сред, удобстве проведения анализа, готовности к применению в течение длительных сроков хранения, возможности проведения всех необходимых стадий реакции в одном объеме, в мало изменяющейся среде и за короткое время. 2 табл.

 

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к «капельной колориметрии», предложенной Н.А.Тананаевым [1]. Оно предназначено для использования в производственных и бытовых условиях в целях контроля качества продукции или параметров технологии; для определения экологического состояния почв, вод, растений и других объектов окружающей среды; для тестирования пищевой продукции, лекарственных средств и т.п.

Ближайшими прототипами предлагаемого способа являются капельная колориметрия на специальных пластинках [1, 2], а также предназначенные для упрощения процедуры колориметрирования, готовые к применению таблетки или порошкообразные смеси - россыпи, содержащие все необходимые аналитические препараты данной цветной реакции [3-6].

Второй прототип, таблетная колориметрия, используется в настоящее время как средство массового тестирования, но достигается это ценой применения значительных объемов анализируемых проб, т.е. преимущество первого прототипа, а именно очень малые объемы проб в нем не реализуются.

Аналогами предлагаемого способа являются пластмассовые палочки (Stäbchen) фирмы Merck [7] и реактивные индикаторные бумаги (РИБ) или пластинки (РИП) [8]. Эти два способа прототипами не являются, так как в них используются спектры отражения, а не спектры пропускания, как в прототипах предлагаемого способа.

Суть предлагаемого способа заключается в соединении капельной колориметрии на пластинках с использованием таблеток или россыпей, что до сих пор реализовано не было прежде всего из-за необходимости разрабатывать специальные таблетки или россыпи, способные давать нужный колориметрический результат в очень малых объемах анализируемой пробы и без внешнего вмешательства с момента начала взаимодействия пробы с веществами таблетки (россыпи).

Принцип предлагаемого способа заключается в следующем. Таблетки или порции россыпей вплоть до применения хранятся в герметизированных ячейках блистерных упаковок подобно обычным лекарственным таблеткам. Непосредственно перед тестированием герметизирующая фольга снимается с блистерной ячейки и несколько капель исследуемой жидкости наносят на таблетку или россыпь в ячейке блистера. Капли имеют объем ≈0,05 мл, их число (1, 2, 3...) задается конкретной методикой, массой таблетки (россыпи), объемом ячейки. С момента нанесения капель пробы начинает протекать цветная реакция. Интенсивность и оттенок окраски пробы в блистерной ячейке по истечении нескольких минут стабилизируются, после чего результат визуально сравнивают с цветной шкалой, полученной с использованием растворов определяемого вещества различных концентраций. Возможно также прямое сравнение с окрасками, образуемыми в других блистерных ячейках растворами с известными концентрациями. В этом случае блистерная упаковка используется как компаратор.

Специальные таблетки или россыпи для использования в предлагаемом способе разрабатываются на основе трех групп требований. Первая группа - это обычные требования к цветным колориметрическим реакциям (равновесие реакции должно быть сдвинуто в сторону образования окрашенных продуктов, обеспечивается специфичность и избирательность цветной реакции, возможность устранения мешающих реакций, удобство проведения и т.п.). Вторая группа состоит из требований, направленных на способность таблеток и россыпей сохранять готовность к применению в течение длительных сроков хранения.

Третья группа - специальные требования предлагаемого способа. Важнейшими здесь являются:

возможность проведения всех необходимых стадий реакции в одном объеме, в мало изменяющейся среде и за короткое время;

высокая интенсивность и дифференцируемость окраски продукта при очень малой толщине наблюдаемого жидкого слоя (2-4 мм) предполагает большие величины светопоглощения и достаточно высокие концентрации реагентов и продуктов;

в данном способе отсутствует возможность перемешивания малого объема внешними средствами и для этого требуются специальные приемы;

совместимость реагентов и продуктов реакции с высокими концентрациями матричных веществ таблеток и россыпей.

Пример. Определение нитрат-иона в водном растворе, огуречном и томатном соках

Для определения содержания нитрат-ионов две капли (объем 0,10±0,01 мл) водного раствора, огуречного или томатного сока с помощью глазной пипетки с оттянутым носиком наносят на таблетку массой 50 мг в открытой ячейке блистерной упаковки и выжидают 5-7 мин, в течение которых развивается окраска. Окраска различна по интенсивности и оттенку и с ростом концентраций нитрат-иона изменяется от желтой с зеленоватым оттенком до темно-вишневой. Окраску в ячейке сравнивают со шкалой, полученной с использованием растворов с известными концентрациями.

Способ и процедура его выполнения были исследованы с привлечением студентов Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева, которые получали короткий устный инструктаж. Результаты приведены в табл.1. При обработке результатов так называемые выбросы не исключались. Распределение ошибок хорошо соответствует закону нормального распределения.

Таблица 1
Объект тестирования	Интервал концентраций, мг NO3 -/мл	Число измерений	Число исполнителей	Стандартная относительная погрешность, %
водные растворы KNO3	37-2000	939	96	10,6
огуречный сок	44-2000	650	47	11,3
томатный сок	44-2000	465	66	11,2

Таким образом «наивный», то есть не имеющий опыта, исполнитель с доверительной вероятностью 0,955 получает результаты с отклонениями, не превышающими 23%.

Таблетки и порции россыпей имеют массу не менее 50 мг, что определяется удобством использования и требованиями фармакопеи, так как стандарты и техника этой отрасли отвечают возможностям промышленного производства таблеток (россыпей) для данного способа экспресс-анализа.

Сравнение с прототипами и аналогами

Рабочие характеристики прототипов, аналогов и самого предлагаемого метода существенно различаются в зависимости от определяемого вещества. Поэтому сравнение лучше провести на конкретном примере, иллюстрирующем способ представительно, достоверно и с некоторым «запасом прочности». Приведенный ранее пример отвечает этим критериям, так как примененная здесь цветная реакция сложна и сама по себе и по условиям проведения. Характеристики сопоставляемых способов собраны в табл.2. Однако в случае капельной колориметрии на пластинке известен лишь способ открытия нитрат-иона ([2]. Т.1, с.147) и поэтому мы характеризуем капельную колориметрию типичными показателями [1, 2]. Сопоставление данных табл.2 приводит к следующим выводам.

Таблица 2 Сравнительная характеристика методов
Способ	капельная колориметрия [1, 2]	Колориметрия с таблетками и россыпями [3-6, 9, 10]	Капельно-таблетная колориметрия	Тест-палочки фирмы Merck [7]	Реактивные индикаторные полосы, РИП [8]
Причина рассмотрения способа	прототип	прототип	предлагаемый способ	аналог	аналог
Общие характеристики:
природа используемого спектра	пропускание	пропускание	пропускание	отражение	отражение
устройство, в котором локализуется наблюдаемая окраска	капля	колориметрическая кювета	блистерная ячейка	тест-палочка с многослойным покрытием	РИП с тремя слоями реагентов
инструментарий	растворы, миникапельницы, миникапилляры и др.	колориметр, кюветы, таблетки (россыпи), простая посуда	блистерная упаковка с таблетками, пипетка, шкала	мини-контейнер с палочками	мини-контейнер с РИП, пипетка, шкала
условия выполнения	лаборатория	крытое помещение	«полевые условия»	«полевые условия»	«полевые условия»
компактность и транспортабельность	низкие	невысокие	высокие	высокие	высокие
квалификация исполнителя	опытный профессионал	малоопытный исполнитель	не имеющий опыта исполнитель	малоопытный исполнитель	малоопытный исполнитель
Метрологические характеристики
интервал или градация измеряемых концентраций, их верхний предел, мг/л	10-1000	1000 (верхний предел)	20-2000	0-10-30-60-100-250-500	0-10-20-50-100-200-500
относительная погрешность визуального колориметрирования, % от измеряемой концентрации	±10-20	±5-10	±20	±40-70 (см. верхнюю строку)	±40-50 (см. верхнюю строку)
Характеристики процедуры тестирования
объем анализируемой пробы. мл	˜0,05	5-10	0,05-0,20	˜0,10	0,05-0,10
число операций (без подготовительных)	4-10	4-9	2	2	2
время выполнения, мин	15-60	15-30	5-7	2	8

Предлагаемый способ отличается от своих прототипов и аналогов специфичным для него сочетанием используемых средств и приемов. Специфичными для него средствами являются таблетки или россыпи специального состава, обеспечивающего их функциональную пригодность, а также ячейка блистера, выполняющая функцию герметичной емкости при хранении таблеток и россыпей и превращающаяся в емкость-кювету, в которой осуществляют и наблюдают цветную реакцию. Специфичный прием состоит в том, что одна или несколько капель анализируемого раствора наносится на таблетку или россыпь, масса и объем которой сопоставимы с массой и объемом наносимой пробы и вместимостью блистерной ячейки.

Предлагаемый способ превосходит свои прямые прототипы по ряду признаков группы «общие характеристики». Он почти безынструментален, работоспособен в полевых условиях, компактен и транспортабелен, не требует квалифицированного исполнителя. Он превосходит свои прототипы по простоте процедуры выполнения и экспрессности.

Предлагаемый способ отличается от способов-аналогов не только природой используемого явления (спектр пропускания), но и превосходит их по точности и конструкционной простоте устройства, в котором локализуется наблюдаемая окраска цветной реакции.

Последнее утверждение нуждается в разъяснении. Тест-палочки фирмы Merck имеют непростую конструкцию. У них есть небольшие тест-зоны, на площадь которых в несколько слоев импрегнированы реагенты разного назначения. У нитратной тест-палочки это восстановитель, буферная смесь, реагенты цветной реакции, обеспечивающие ее трехстадийное протекание в режиме диффузионного смешения действующих веществ; слои импрегнированных порошкообразных реагентов достаточно тонки.

Аналогичная трехстадийная цветная реакция для тестирования нитрат-иона в РИП обеспечивается тремя слоями реагентов, нанесенных на два бумажных слоя, между которыми размещен слой восстановителя. Во внешнем покрытии РИП есть два окошка. Верхнее используют для нанесения 1-2 капель анализируемого раствора, нижнее - при наблюдении результата. При тестировании других веществ этим способом применяют более простые, однослойные реактивные индикаторные бумаги (РИБ) [8]. Тесты с помощью РИБ выполняют с прокачиванием через слой индикаторной бумаги анализируемого раствора в определенном объеме и с определенной скоростью, для чего используют сложное механическое устройство. В результате требования к квалификации, инструментальный уровень теста, требуемые объемы раствора и время выполнения возрастают [8].

Сложность устройств для осуществления цветных реакций и локализации их визуальных эффектов в способах [7] и [8] есть следствие того, что все стадии необходимо проводить в одном объеме и без каких-либо вмешательств в ход этих стадий и реакции в целом. В способах [7, 8] решение достигается за счет диффузии, так как все процессы осуществляются в очень тонких слоях растворов. В предлагаемом способе быстрое взаимодействие в компактном реакционном объеме диффузией обеспечить нельзя. Растворение таблетки или россыпи в сравнимом по массе объеме пробы, перемешивание, гомогенизация и создание однородной окраски всего наблюдаемого объема должно достигаться не за счет диффузии, но и без внешнего вмешательства.

Требования к составу таблеток и россыпей в силу сказанного отличны от требований к составу таблеток и россыпей таблетной колориметрии, где используются обычные приемы перемешивания силами исполнителя.

Таблетка и россыпь в предлагаемом способе по этим причинам является продуктом специальной разработки и потому могут быть предметом зависимого патентования «на состав».

Источники информации

1. Тананаев Н.А. Капельный метод. М.-Л., 1954.

2. Файгль Ф., Ангер В. Капельный анализ неорганических веществ, пер. с англ. М., 1976, Т.1, 2.

3. Palintest Water Tests. Palintest Web Site. http./www.palintest. com/dpd_test. htm.

4. LaMotte Company. LaMotte Company web site http./www.lamotte/test/updates.htm.

5. Aquarium Pharmaceuticals, Inc. Water Test Kits. http./www.aqualinc.com/direct/testkit.html.

6. http./www.aquaticlife.ca/pocket.htm.

7. Rapid Test Handbook. Merck E. 1987. p.191.

8. Островская В.М. Реактивные индикаторные средства (РИС) для многоцементного тестирования воды, М., 1992.

9. Sea Test, Aquarium Systems Inc., 8141. Tyler Baulevard Mentor OH 44060.

10. Soil Tester, Lister Leaf Products Inc., 2220 Techcourt, Woodstock IL 60098.

Способ визуально-капельно-таблетного колориметрического экспресс-анализа, характеризующийся тем, что анализируемую жидкую пробу в объеме 1 или нескольких капель (примерно 0,05-0,20 мл) наносят на компактную форму - порцию смеси всех функционально необходимых реагентов и вспомогательных веществ в виде таблетки или порции россыпи, хранящихся в герметизированной емкости - ячейке блистера, причем масса и объем таблетки или порции россыпи сопоставимы с массой и объемом наносимой пробы и вместимостью блистерной ячейки, которая после нанесения пробы служит для осуществления и наблюдения результата цветной реакции, через 5-7 мин результат визуально сравнивают с цветной шкалой.