Тест-метод определения ионов Fe(III) и его метрологические характеристики
Фомина Евгения Сергеевна,
Косырева Ирина Владимировна,
Доронин Сергей Юрьевич
Институт химии. Саратовского государственного
университета им. Н.Г. Чернышевского
Аннотация
Предложен тест-метод определения Fe(III), основанный на применении индикаторной бумаги с иммобилизованными тиоцианатом калия и хлоридом цетилпиридиния. Определены метрологические характеристики тест-метода с применением методики обнаружения с бинарным откликом: нижняя граница определяемых содержаний Fe(III) - 1.10-4 М, интервал ненадежности реакции 1.10-4 М - 1.10-5 М и сmin(Fe3+) = (3.5±0.2)·10-5 М.
Ключевые слова: тест-метод, Fe(III), поверхностно-активные вещества, методика бинарного отклика.
Введение
Востребованность в тест-методах анализа различных объектов является следствием неуклонно растущих запросов быстрого и простого определения компонентов пробы на месте («on-site»). Тест-методы, удовлетворяющие указанным условиям, не требуют сложной пробоподготовки; применения дорогостоящего, громоздкого оборудования; высококвалифицированного персонала. Поэтому в обиход прочно вошли понятия «тестирование», «тест-средства», «тест-система», «тест-методика», «тест-форма» [1-5].
Для скрининговых исследований наиболее удобными для тест-определения различных аналитов являются визуальные химические тест-методы анализа. О присутствии определяемого компонента судят, чаще всего по изменению окраски тест-средства после взаимодействия его с компонентами анализируемой системы, как правило, раствором. Для количественной оценки содержания аналита, в этом случае, применяют цветовую шкалу сравнения - набор тест-образцов, соответствующих точно известным концентрациям аналита.
Определение ионов Fe(III) и Fe(II) является одним из важнейших показателей качества как питьевой, так и природных вод. Общее содержание железа в природных водах, превышающее величину ПДК (0.3 мг/дм3 [6]), указывает на загрязнения от промышленных сточных вод, металлообрабатывающих предприятий и т.д. Такие концентрации в водных объектах ионов Fe(III) и Fe(II) вызывают технические затруднения при подготовке воды для питьевых и хозяйственных нужд [7].
В настоящей работе приводятся результаты оценки применения методики бинарного отклика для тест-определения ионов Fe(III) в водных объектах, основанного на получении реактивной индикаторной бумаги, модифицированной тиоцианатом калия и поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые позволяют улучшить метрологические характеристики исследуемой аналитической реакции.
Экспериментальная часть
В работе применяли следующие реактивы и приборы: (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, x.ч.; KCNS, х.ч.; лимонную кислоту (C6H8O7.H2O), ГОСТ 908-2004; NaOH, ГОСТ 2263-79; хлорид N-цетилпиридиния, ЦПХ (С21Н38NСl.2Н2О) ТУ-6-09-15-121-74, х.ч.; ацетатно-аммиачные буферные растворы; HCl, ГОСТ 3118-77, х.ч.; бумажные обеззоленные фильтры (красная лента), ТУ 6-09-1678-86, диаметр 11 см. Все растворы готовили на дистиллированной воде, используя реактивы с квалификацией не ниже «ч.д.а». Исходный рабочий раствор Fe(III) готовили из навески соли Мора, окисляя Fe(II) пероксидом водо-рода в сернокислой среде. Применяли рабочие растворы 1.10-2 М ЦПХ, 10%-ный KSCN. рН растворов контролировали на рН-метре-милливольтметре марки рН-121.
Для получения цветных цифровых изображений, индикаторные бумаги сканировали сканером Epson Perfection V330 Photo. Обработку цифровых изображений осуществляли с помощью программы Photoshop CS3; электронные спектры поглощения регистрировали на cпектрофотометрe UV-1800 (SHIMADZU, Япония), диапазон 350-750 нм. Электронные спектры диффузного отражения регистри-ровали на спектрофотометре UV-2550 (SHIMADZU, Япония), приставка для измерения СДО, диапазон 350-750 нм, интервал измерения длин волн - 1 нм.
Для изучения реакции взаимодействия ионов Fe(III) с тиоцианатом калия на поверхности бумаги на фильтр с красной лентой размером 9Ч9 см наносили 1 мл тиоцианата калия 10%-ого, высушивали при температуре 100 °С в течение 10 минут в сушильном шкафу, добавляли 1 мл 10-2 М раствора ПАВ (ЦПХ), высушивали при температуре 100 °С в течение 10 минут в сушильном шкафу, после высушивания наносили каплю раствора соли Fe(III) с заданными концентрациями в интервале 1·10-5М - 1·10-2 М.
Результаты и их обсуждение
Для тест-определения ионов Fe(II, III) в качестве носителей применяют кремнеземы, индикаторные бумаги, пенополиуретаны, пластинки, тест-полосы, на которые иммобилизуют реагенты: тиоцианаты щелочных металлов (аммония), 1,10-фенантролин, батофенантролин, гексацианоферраты(II, III) калия (меди, свинца, кобальта, серебра), фенилфлуорон в присутствии ЦПХ, этилендиаминдигидроксибензилфосфониевую кислоту. Диапазоны определяемых содержаний Fe(II) достигают интервалов значений от 0.02 до 3.0 мг/л; для Fe(III) от 0.2 до 1000 мг/л; для суммарного содержания Fe(II, III) - (0.01-200) мг/л [8-15].
Тиоцианаты щелочных металлов или аммония образуют с солями Fe(III) красный тиоцианат железа. Обычно эту реакцию представляют схемой: 3KSCN + FeCl3 > [Fe(SCN)3] + 3KCl. Однако возможно образование одновременно нескольких комплексов Fe(III) с тиоцианат-ионами, которые находятся в динамическом равновесии: [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+, [Fe(SCN)3], [Fe(SCN)4]-, [Fe(SCN)5]2-, [Fe(SCN)6]3-. Реакция достаточно чувствительна и селективна (ее применяют в аналитической химии для обнаружения трехвалентного железа), однако предел обнаружения Fe(III) этой реакции не позволяет его контролировать на уровне ПДК. Поэтому нами предложен вариант тест-определения Fe(III) по реакции его взаимодействия с тиоцианатом калия в среде ПАВ.
Предварительно спектрофотометрически (рис. 1) и с помощью спектроскопии диффузного отражения (рис. 2, 3) изучена реакция взаимодействия ионов Fe(III) с тиоцианатом калия в отсутствии и с добавкой ПАВ различных типов. Для этого получали индикаторную бумагу обработкой фильтров разной пористости водным раствором тиоцианата калия, содержащего ПАВ с концентрациями выше «критической концентрации мицеллообразования» (додецил-сульфата натрия, цетилпиридиния хлорида, ОП-10), а также их смесей при варьировании: концентраций реагентов и ПАВ, последовательности обработки фильтров, соотношения ре-агент: ПАВ, pH.
Рис. 1. Спектры поглощения системы Fe3+ - SCN- в присутствии ПАВ различных типов. сFe(III) = 5·10-3 М; КSCN 10%; рН = 1.7; 1 - ОП-10, ЦПХ; 2 - ЦПХ; 3 - ДДС.
Рис. 2. Влияние ПАВ на спектры диффузного отражения в виде функции Гуревича-Кубелки-Мунка (F) систем Fe3+ - SCN- на бумаге. cFe(III) = 5·10-2М; КSCN 10%, pH = 1.7. 1 - без ПАВ; 2 - ЦПХ; 3 - ЦПХ + ОП-10.
Рис. 3. Спектры диффузного отражения системы Fe3+ - SCN- в присутствии ЦПХ на бумаге. cFe(III): 1 - контр. 2 - 1·10-3 М; 3 - 2·10-3 М; 4 - 5·10-3М; 5 - 1·10-2 М; 6 - 2·10-2 М; КSCN 10%, pH = 1.7; cЦПХ = 1·10-4 М; фильтр с красной лентой.
Из рис. 1-3 видно, что в растворе (рис. 1) и на поверхности бумаги (рис. 2, 3) идет аналогичное комплексообразование в системе ионы Fe(III) - KSCN и ПАВ катионного типа (смеси с неионным ПАВ) с образованием одной аналитической формы с максимумом поглощения при 480 нм. Наилучший аналитический эффект достигается применением в качестве модификатора реакции тиоцианат-иона с ионам Fe(III) индивидуального ПАВ - ЦПХ.
Разработаны тест-методики в варианте индикаторных бумаг с иммобилизованными тиоцианатом калия и ЦПХ для определения ионов Fe(III) (диапазон определяемых содержаний 1·10-4-5·10-2 М). Концентрацию ионов Fe(III) определяли визуально по интенсивности окраски индикаторной бумаги по сравнению со стандартной цветовой шкалой и по параметрам цвета (R, G, B) с применением сканер-технологии и программы Adobe Photoshop CS3 при обработке полученных тест-средств. Для данного тест-варианта определения ионов Fe(III) получены линейные зависимости в координатах параметр цвета - lgc (R-канал, y = 27.4х +72.2, коэффициент корреляции r2 = 0.97) (рис. 4), что позволяет фиксировать уровень ПДК Fe(III) в водных объектах.
В последнее время при создании тест-методов анализа применяют методику с бинарным откликом, которая дает возможность определять содержание аналита меньше определяемой концентрации. Этот метод скорее качественный, чем количественный. Он позволяет отбирать образцы по установленным критериям (образцам сравнения). В этом случае ответом на вопрос будет «да» - «нет» или «больше» - «меньше» установленных концентраций. Эта задача решается с помощью нескольких наблюдателей, которым задают вопрос - «совпадают ли цвета проб с цветами образца сравнения?». Впоследствии отрицательные образцы отсеиваются и с ними больше не работают, а с образцами, показавшими положительный результат, проводят дальнейший количественный анализ с помощью уже разработанных методик [12, 16].
Рис. 4. Зависимость интенсивности параметра R от pc(Fe3+) для индикаторной бумаги на основе KSCN и ЦПХ
Некоторые метрологические характеристики методик обнаружения с бинарным откликом: положительный результат - наличие аналитического сигнала (отличие сигналов анализируемого и холостого образцов); отрицательный результат - отсутствие аналитического сигнала (совпадение сигналов анализируемого и холостого образцов); уверенно открываемый минимум (абсолютная чувствительность) - минимальное количество открываемого иона, кото-рое дает во всех случаях вполне отчетливый положительный эффект реакции при оптимальных условиях ее проведения.
Ниже приведена схема алгоритма оценки предела обнаружения для тест-методик с визуальной индикацией. Алгоритм оценки cmin, реализовывали следующим образом [12, 16]:
Прежде всего, выявлен интервал ненадежности определяемых концентрации Fe(III) с помощью группы из 7 человек независимых наблюдателей. Для этого готовили нормируемый образец и образцы с меньшими концентрациями (образцы сравнения). Наблюдателям зада-вали вопрос: «Отличается ли интенсивность окраски образца сравнения от окраски нормируемого образца?» и получали ответы «Да» или «Нет». Концентрацию, для которой получали только положительные ответы, принимали за нижнюю границу интервала ненадежности.
Выявленный интервал ненадежности (в диапазоне от 1.10-4 М до 1.10-5 М) разбивали на концентрации с шагом Дc, который превышал стандартное отклонение приготовления растворов sн. Для каждого значения ck получили по две выборки, состоящей из 50 результатов. Таким образом, были подготовлены 2 выборки с концентрациями Fe(III) от 1.10-2 М до 1.10-4 М, f также 2 выборки в диапазоне концентраций Fe(III) от 1.10-4 М до 1.10-5М. Готовили по 50 цветовых шкал в каждом концентрационном интервале и вычисляли частоты обнаружений различий в окраске образцов для концентрации ck: P(ck) = nk: Nk, где nk - число положи-тельных ответов наблюдателей о появлении окраски, Nk - общее число испытаний в серии.
Усредняли значения частоты по сериям, находя P(ck); вычисляли дисперсию (sk2) и стандартное отклонение (sk) частоты. Для каждого значения сk получали по две выборки, состоящие из 25 результатов четырех серий наблюдений.
Вычисляли частоты обнаружения для концентрации сk в каждой серии: P(c) = nk/Nk, где nk - число положительных наблюдений, Nk - общее число испытаний в серии. Выявляли по Q-критерию и исключали промахи, усредняя частоты по сериям, находя среднее P(ck), дисперсию (sk2) и стандартное отклонение (sk) соответствующей частоты.
Для получения пороговой оценки предела обнаружения объединили результаты двух выборок P(ck), предварительно сопоставляя их по F- и t-критериям, если выборки оказывались неоднородными, эксперимент пополняли, добиваясь возможности объединения.
Из объединенной выборки объемом 100 элементов получали следующую оценку предела обнаружения cmin,объед.. Отличие cmin,объед. от cmin не превысило ±3sk, поэтому ее приняли за окончательный предел обнаружения. Таким образом, рассчитаны дисперсия (sk2 = 1.37), стандартное отклонение (sk = 1.17) частоты и сmin(Fe3+) = (3.5·± 0,2)·10-5 М.
Для оценки пороговой концентрации аналита в образце сравнения, которая обеспечивает заданную надежность бинарного тестирования, исследовали диапазон концентраций, в кото-ром вероятность обнаружения различий сигналов от образца сравнения и нормируемого образца, Р(с), меняется от 0 до 1. То есть, для части идентичных проб при ответе на вопрос: «Видите ли Вы различие в окраске, мутности, запахе или др. от образца сравнения и нормируемого образца?»- часть наблюдателей отвечает «Да», а часть наблюдателей - «Нет». Этот интервал ненадежности «сверху» будет ограничен предельной концентрацией, а внутри интервала с1 - спред. будет выполняться условие 0 < Р(с) < 1.
Построена «кривая эффективности» - зависимость Р(с) в интервале ненадежности для оценки пороговой концентрации. Если подобрать математическую функцию, аппроксимирующую эмпирическую зависимость частот обнаружения различий сигналов (Рэмп) от концентрации, то искомое значение ссравн. можно рассчитать, задавая, например, Р(с) = 0.95 (в данном случае 1.10-5 М).
При этом надежность бинарного тестирования будет соответствовать 95%, а вероятность пропуска ложных отрицательных результатов не превысит 5% (рис. 5).
Рис. 5. Выбор пороговой концентрации в образце сравнения (ссравн). nk - Число положительных ответов наблюдателей, Nk - общее число испытаний, 0 < Р(с) < 1, P(ck) = nk /Nk, Nk = 100.
тест ион индикаторный
Метро тест ион индикаторный логическими характеристиками тест-методик с визуальной индикацией также являются «предел обнаружения» (сmin) и «нижняя граница определяемых концентраций» (сн). Визуальная индикация анализируемого компонента - процесс, подверженных действию случайных погрешностей, причем вероятность обнаружения аналита зависит от его концентрации. Поэтому проверяли соответствие распределения значений P(ck) функциям распределений, обычно используемым в исследованиях (нормального, логнормального, экспоненциального и распределения Вейбулла) (табл. 1, рис. 6).