способ спектроэлектрохимического анализа необратимо адсорбирующихся на металлах соединений
Классы МПК: | G01N21/65 раманское рассеяние |
Автор(ы): | Лазаренко-Маневич Рем Михайлович, Лазаренко-Маневич Владимир Ремович, Кузнецов Александр Владимирович |
Патентообладатель(и): | Лазаренко-Маневич Рем Михайлович, Лазаренко-Маневич Владимир Ремович, Кузнецов Александр Владимирович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-07-14 публикация патента:
20.12.1997 |
Использование - аналитическая химия. Сущность: способ анализа токсических соединений сочетает спектроскопию ГКР с концентрированием анализируемого вещества в адсорбированном состоянии непосредственно на жидкометаллическом электроде при сокращении его поверхности без десорбции адсорбата. ГКР - активность поверхности с адсорбатом повышается путем перевода рассеивающего электрода в твердое состояние и электроосаждения на нем ГКР-активного металла.
Формула изобретения
Способ спектроэлектрохимического анализа необратимо адсорбирующихся на металлах соединений, таких, как ароматические, полициклические углеводороды, гетероциклические, галоидорганические, в том числе полихлорированные дибензо-п-диоксины, дибензофураны и бифенилы, с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР) и предварительного адсорбционного концентрирования, отличающийся тем, что концентрирование пробы проводят в адсорбированном состоянии на жидкометаллическом электроде путем сокращения поверхности жидкого металла с анализируемым адсорбатом без его десорбции, для чего пробу с анализируемыми соединениями, находящуюся в электрохимической ячейке, интенсивно перемешивают с жидким металлом любым методом, обеспечивающим увеличение поверхности контакта металл раствор, причем электрохимические параметры выбирают такими, чтобы произошла необратимая адсорбция анализируемых соединений на поверхности жидкого металла, после чего металл и раствор отстаивают и затем металл переводят в дополнительный сосуд через капилляр в днище ячейки, уменьшая при этом площадь поверхностного слоя с адсорбатом до площади сечения капилляра, после чего металл в капилляре переводят в твердое состояние путем понижения температуры ячейки ниже температуры плавления металла и на полученной твердой поверхности с анализируемым сконцентрированным адсорбатом с помощью электроосаждения ГКР-активного металла создают ГКР-активные центры, после чего регистрируют спектр ГКРанализируемого адсорбата.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области анализа материалов с помощью оптических методов (индекс рубрики G 01 N 21/00, 21/91) путем адсорбции компонентов (индекс рубрики G 01 N 5/02, 7/02). Проблема повышения чувствительности анализа природных и сточных вод, а также газообразных промышленных выбросов за последние годы приобрела особую остроту. Причиной этого обострения является, с одной стороны, назревшая необходимость снижения уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) многих (если не большинства) известных загрязнителей природных сред, а с другой, выявившаяся опасность глобального загрязнения природы хлорорганическими ксенобиотиками: полихлордибензо-п-диоксинами (ПХДД), полихлордибензофуранами (ПХДФ) и полихлорбифенилами (ПХБ). В обоих случаях практика экологического мониторинга сталкивается с отсутствием или недостаточной распространенностью надежных методов анализа на уровне ниже ПДК. Например, при определении фенола в сточных водах это ограничение наступает уже на уровне 0,5 ПДК /1/. В еще большей степени это относится к анализу ПХДД и ПХДФ, для которых уровень ПДК еще надежно не установлен /2/. В настоящее время доминирующим методом анализа ПХДД и ПХДФ является хромато-масс-спектрометрия. По своим характеристикам этот метод значительно лучше других известных методов удовлетворяет двум главным требованиям к анализу полихлорированных ксенобиотиков обеспечению необходимой рекордно высокой (до 10-12 г и ниже) чувствительности, обусловленной их токсичностью, и изомерспецифичности, позволяющей идентифицировать нужное соединение в смеси десятков изомеров, поскольку токсичности изомеров различаются на много порядков /3/. Однако методу присущи и серьезные недостатки. Основными из них являются длительная (2-4 суток двухсменной работы или 3-5 дней на одну пробу) и трудоемкая процедура подготовки проб к анализу, а также дороговизна и сложность оборудования. Кроме того, при всех своих достоинствах метод не обеспечивает во всех случаях необходимую изомерспецифичность /3, 4/, то есть имеет ограничения по самой выигрышной из своих характеристик, дающей ему преимущество перед другими методами. Во многих случаях задача состоит не в реализации изомерспецифичного анализа каждого образца, а в определении наиболее опасных мест диоксинового загрязнения, для чего достаточно методов группового анализа, то есть определения суммарного содержания различных ПХДД и ПХДФ. Для проведения массовых анализов важны минимальные затраты времени на единичное определение и стоимость анализов. При использовании хромато-масс-спектрометрии стоимость проведения обследования, включая сбор проб на месте, транспортировку и т.д. составляет по данным 1985 года /5/ до 2500 дол. за одну пробу, а стоимость собственно полной аналитической процедуры достигает 1400 1500 дол. (по более новым данным даже до 5000 дол.). Необходимость проведения мониторинга на ксенобиотики вынуждает, тем не менее, правительства развитых стран выделять на эти мероприятия сотни миллионов долларов /3/. Из других известных методов пригодны для группового анализа ПХДД и ПХДФ метод лазерной фосфоресценции и флюоресценции, а также иммунно-химические методы. При использовании исчерпывающего хлорирования пробы до октахлордибензо-п-диоксина, октахлордибензофурана и (в случае анализа на ПХБ) декахлордифенила применяются газовая хроматография с детектором по захвату электронов, а также низкотемпературная люминесценция. Следует отметить, что и во всех известных методах группового анализа время, затрачиваемое на предварительную подготовку пробы, разделение и концентрирование пока является слишком большим. Так, нормы затрат рабочего времени на анализ природных вод на ПХДД и ПХДФ методом газожидкостной хроматографии (без учета времени вывода приборов на режим, осушки и упаривания экстрактов, приготовления стандартных растворов) составляют 78 часов на 10 проб и 350 часов на 100 проб /6/. Таким образом, можно сделать вывод о желательности разработки новых, менее дорогих и трудоемких, методов определения ксенобиотиков, пригодных как для экспресс-анализа при выявлении и обследовании загрязненных территорий, так и для углубленных исследований изомерного состава загрязнений. Этот вывод справедлив и для случаев анализа традиционных загрязнителей (фенолов, полициклических углеводородов, поверхностно-активных веществ, нефтяных продуктов и др.), хотя в этих случаях предъявляются гораздо менее жесткие требования к уровню чувствительности метода. В качестве перспективных внимание привлекают методы колебательной спектроскопии, обеспечивающие, как известно, необходимую изомерспецифичность. Так, с помощью инфракрасной (ИК) Фурье-спектроскопии удалось установить различия в спектрах 14 пентахлордибензо-п-диоксинов (ПнХДД) /7/. Аналогичная изомерспецифичность спектров ИК-поглощения и низкотемпературной фосфоресценции продемонстрирована в работе /8/, где получены УФ- и ИК-спектры 13 ПХДД с числом замещающих атомов хлора от нуля до восьми, а также измерены спектры и времена затухания фосфоресценции этих ПХДД, заметно различающиеся для разных изомеров. С помощью ИК Фурье-спектроскопии диффузного отражения в /4/ удалось идентифицировать все 22 изомера тетрахлордибензо-п-диоксина (ТХДД). В сочетании с хроматографическим разделением ИК Фурье-спектроскопия использована для идентификации наиболее трудно различаемых с помощью масс-спектрометрии изомеров ПХДД /9-11/. Невысокая чувствительность ИК-спектроскопических методов заставляет обратить внимание на резонансную спектроскопию комбинационного рассеяния (КР), сочетающую огромное (до 106) повышение чувствительности при возбуждении спектра КР светом с энергией, близкой к пику поглощения анализируемого вещества, и изомерспецифичность колебательной спектроскопии. Пока не известны работы по резонансному КР (РКР) полихлорированных ксенобиотиков. Однако на примере близких к ним по структуре полициклических ароматических углеводородов можно оценить возможности спектроскопии РКР при анализе ПХДД и ПХДФ. Так, в /12/ описано применение КР-спектроскопии с ультрафиолетовым возбуждением для селективного анализа антрацена и его производных в смеси. Изменяя длину волны возбуждающего света, в /12/ удалось легко определить в смеси структурно весьма близкие 2-метил-, 9-метил-, 9-фенил- и 9,10-дифенилантрацены. Чувствительность метода, по оценке автора, достигает по пирену 10-9 М (200 ppt) при отношениии сигнал/шум, равном 1. При отношении сигнал/шум более 15 чувствительность метода позволяла определять пирен в 10-7 М растворе. При этом количество определяемого вещества в рассеивающем объеме составляло 0,2 пг (10-15 моль пирена). Указанные цифры обеспечивают чувствительность, необходимую для анализ ПХДД и ПХДФ (от 1 до 10 пг 2, 3, 7, 8-ТХДД на пик при отношении сигнал/шум 3:1 квадрупольных масс-спектрометров /13/, или 0,1-1,0 нг вещества на полный масс-спектр /3/), причем для определения с помощью РКР требуется гораздо меньшая степень очистки, выделения и концентрирования анализируемого соединения из большого объема пробы. Указанные преимущества спектроскопии РКР в полной мере проявляются и в открытом в 1977-1978 г. методе усиленного адсорбцией, или "гигантского", КР (ГКР), являющемся по существу разновидностью спектроскопии РКР /14-17/. Используя повышение на 5-6 порядков сечения рассеяния молекулы при адсорбции ее из раствора электролита или из газовой фазы на определенным образом подготовленных шероховатых поверхностях электродов из серебра, золота или меди, а также некоторых других металлов, метод ГКР органично включает операцию характерного для любого адсорбционного процесса концентрирования в 104 106 раз анализируемого соединения при его адсорбции на рассеивающем свет электроде. Далее в методе ГКР отсутствуют присущие спектроскопии РКР помехи, обусловленные люминесценцией раствора, так как рассеивающее вещество поглощает возбуждающий свет только в адсорбированном состоянии, и поэтому люминесценция его в растворе этим светом не возбуждается. Без оптимизации измерений, предусматривающей корректный выбор длины волны и интенсивности возбуждающего света, применение многоканального детектора и увеличение времени накопления сигнала, с помощью спектроскопии ГКР удалось достичь чувствительности 2-36 пг на рассеивающем участке поверхности при определении ряда ароматических соединений /18/, а также биологических молекул /19/. Таким образом, не уступая существующим методам анализа ПХДД и ПХДФ по чувствительности и превосходя по изомерспецифичности наиболее совершенный из них хромато-масс-спектрометрию, спектроскопия ГКР требует гораздо более простого в обслуживании и в несколько раз менее дорогого оборудования. В большинстве случаев ПХДД и ПХДФ в природных средах (воде, почвах) обнаруживаются в крайне низких (но тем не менее неприемлемо опасных) концентрациях, затрудняющих анализ этих соединений как методом ГКР, так и другими методами непосредственно в указанных средах. Поэтому любой метод анализа ПХДД и ПХДФ предусматривает проведение предварительного многостадийного концентрирования проб /2,13/. Необходимую для анализа ПХДД, ПХДФ, ПХБ, а также других особо токсичных соединений чувствительность спектроскопии ГКР, а следовательно, и степень предварительного концентрирования проб можно оценить следующим образом. С помощью спектроскопии "нормального" КР (то есть не усиленного при адсорбции) с использованием оптического многоканального анализатора удается, согласно литературным данным /20-23/, обнаруживать до одного монослоя молекул адсорбата на гладких поверхностях металлических монокристаллов (около 1,1





где c концентрация адсорбата в растворе в моль/л (М). Считая это выражение действительным в случае адсорбции ТХДД на рассеивающем металле, при c 0,1


























1. Кремер В.А. и др. // Обзорная информация НИИТЭХИМ. Сер. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. 1989. Вып. 5(84). С.1. 2. Прокофьев А.К. // Усп. химии. 1990. Т. 59. С. 1799. 3. Федоров Л.А. Мясоедов Б.Ф. // Усп. химии. 1990. Т. 59. С. 1818. 4. Gurka D.F. Billets J. Brasch J.W. Riggle C.J. // Anal. Chem. 1985. V. 57. P.1975. 5. Elly C.T. // Chlorinated Dioxins and Dibenzofurans in the Total Environment. II. Eds. L.H.Keith, C.Rappe, G.Choudhary. Boston ets. Butterworth Publishers. 1985. P. 311. 6. Методика определения интегрального показателя уровня загрязнения окружающей среды дибензо-п-диоксинами, дибензофуранами и дифенилами методом перхлорирования и газожидкостной хроматографии. Общество "ЭКРОС". - С.-Петербург. 1993. 25 с. 7. Grainger J. Reddt V.V. Patterson D.G. // Appl. Spectrosc. 1988. V. 42. P. 800. 8. Pohland A.E. Yang G.C. // J.Agr.Food Chem. 1972. V.20. P. 1093. 9. Grainger J. Gelbaum L.T. // Appl. Spectrosc. 1987. V. 41. P. 809. 10. Grainger J. Barnhart E. Patterson D.G. Presser D. // Appl. Spectrosc. 1988. V. 42. P. 321. 11. Hollway T.T. Faieless B.J. Freeidline C.E. Kimball H.E. Kloepfer R. D. Wurrey C.J. Jonooby L.A. Palmer H.G. // Appl. Spectrosc. 1988. V. 42. P. 359. 12. Asher S.A. // Anal. Chem. 1984. V. 56. P. 720. 13. Временная методика изомерспецифического определения полихлорированных дибензо-п-диоксинов в воде (N 5783-91). Минздрав СССР. М. 1991. 14. Marinyuk V.V. Lazorenko-Manevich R.M. Kolotyrkin Ya.M. // Adv. Phys. Chem. Current Developments in Electrochemistry and Corrosion. Ed by Ya.M.Kolotyrkin. Moscow: Mir Publishers, 1982. P. 148. 15. Otto A. // Light Scattering in Solids./ Eds. M.Cardona, G. Guntherodt. Berlin: Springer Verlag, 1984. V. 4. P. 289. 16. Chang R. K. Laube B.L. //CRC Critical Rewievs in Solid State and Materials Sciences. 1984. V. 12. P.1. 17. Fuetak T.E. Roy D. // Surface Sci. 1985. V. 158. P. 126. 18. Vo-Dinh T. Hiromoto M.Y.K. Begum G.M. Moody R.L. // Anal. Chem. 1984. V. 56. P. 1667. 19. Vj-Dinh T. Alak A. Moody R.L. // Spectrochim. Acta. 1988. V. 43 B. P. 605. 20. Campion A. Brown J.K. Grizzle V.M. //Surface Sci. 1982. V. 115. P. L 153. 21. Campion A. Mullins D.R. // Chem. Phys. Lett. 1983. V. 94. P. 576. 22. Hallmark V.M. Campion A. // J. Phys. Chem. 1984. V. 110. P. 561. 23. Shannon C. Campion A. // J. Phys. Chem. 1988. V. 92. P. 1385. 24. Федоров Л.А. // Практическая сертификация. Контроль. 1992. Вып. 4-5. С. 3. 25. Казаринов В.Е. и др. // Итоги науки и техники. Сер. Электрохимия. Т. 22. М. 22. -М. ВИНИТИ, 1985. С. 97. 26. Vo-Dinh T. US Patent No. 4674878. 1987. 27. Savamoto H. Tanoue Y. // J.Electroanal. Chem. 1984. V. 181. P. 209. 28. Savamoto H. Gamoh K. // J. Electroanal Chem. 1990. V. 283. P. 421. 29. Лафи Л.Ф. Ханова Л.А. Тарасевич М.Р. // Электрохимия. 1991. Т. 27. С. 961. 30. Кулиев С.А. Васильев Ю.Б. // Электрохимия. 1992. Т. 28. С.54. 31. Ханова Л.А. Лафи Л.Ф. // Электрохимия. 1993. Т. 29. С. 433.
Класс G01N21/65 раманское рассеяние