Основные стадии (этапы) количественного анализа

Можно мысленно разделить весь анализ на несколько последовательных стадий (этапов). Для каждого этапа характерен свой набор возможных операций. Основными этапами при проведении анализа являются: постановка аналитической задачи и выбор методики, пробоотбор, пробоподготовка, измерение сигнала, расчет и оформление результатов. Не все перечисленные этапы обязательны, в некоторых методиках какой-либо из этапов может отсутствовать. Методику подбирают (или разрабатывают) лишь однажды, а в дальнейшем начинают анализ прямо со стадии пробоотбора. Существуют и методики, не требующие пробоотбора и даже пробоподготовки. Примером может быть определение химического состава Солнца и звезд по спектру их излучения. Иногда удается обойтись и без расчета результатов (тест-методы). А вот измерение сигнала присутствует в любом методе количественного анализа. Рассмотрим основные стадии анализа подробнее.

· Постановка аналитической задачи и в ыбор методики. Работа специалиста-аналитика начинается с получения заказа на проведение анализа. На основе пожеланий заказчика (химика-органика, инженера-технолога, геолога, врача-стоматолога, следователя прокуратуры, агронома, археолога и т.п.) аналитик должен сформулировать аналитическую задачу. При этом недостаточно определить, какой материал придется анализировать и что именно надо в нем будет определять. Надо понять, на каком концентрационном уровне придется вести анализ, какие посторонние компоненты будут присутствовать в пробах, как часто надо будет проводить анализы, сколько времени и средств можно будет затратить на один анализ, можно ли будет доставлять в лабораторию пробы или анализ придется выполнять непосредственно «на объекте», нет ли ограничений по массе анализируемого материала и т.п. А самое главное, надо понять: какую точность результатов надо обеспечить и каким образом добиваться такой точности.

Четко сформулированная аналитическая задача является основой для выбора оптимальной методики. Поиск ведут, пользуясь сборниками нормативных документов (в т.ч. стандартных методик), справочниками, обзорами по отдельным объектам и методам. Например, если требуется определить фотометрическим методом содержание нефтепродуктов в сточной воде, то просматривают монографии, посвященные, во-первых, фотометрическому анализу, во-вторых, методам анализа сточных вод, в-третьих, разным способам определения нефтепродуктов. Существуют серии книг, каждая из которых посвящена аналитической химии какого-либо элемента. Выпущены руководства по отдельным методам и по отдельным объектам анализа. Если в справочниках и монографиях подходящих методик найти не удалось, поиск продолжают, пользуясь реферативными и научными журналами, поисковыми системами Интернета, консультациями специалистов и т. п. После отбора подходящих методик выбирают ту, что наилучшим образом отвечает поставленной аналитической задаче.

Естественно, сопоставление характеристик известных методик с требованиями конкретной задачи требует высокой профессиональной квалификации аналитика.

Нередко для решения конкретной задачи не только не существует стандартных методик, но и вообще нет ранее описанных технических решений (особо сложные аналитические задачи, уникальные объекты). С такой ситуацией часто приходится сталкиваться при проведении научных исследований. В этих случаях аналитику приходится разрабатывать методику анализа самостоятельно. Выполняя анализы по собственной методике, следует особо тщательно проверять правильность всех получаемых результатов.

· Отбор пробы. Разработать метод анализа, который позволял бы измерять концентрацию интересующего нас компонента непосредственно в исследуемом объекте, удается довольно редко. Примером может быть датчик содержания углекислого газа в воздухе, который устанавливают в подводных лодках. Обычно же из исследуемого материала отбирают небольшую часть - пробу - и доставляют ее для дальнейшего исследования в аналитическую лабораторию. Проба должна быть представительной (репрезентативной), то есть ее свойства и состав должны приблизительно совпадать со свойствами и составом исследуемого материала в целом. Для газообразных и жидких объектов анализа взять представительную пробу довольно легко, поскольку они гомогенны. Надо лишь правильно выбрать время и место отбора. Например, при отборе проб воды из водоемов учитывают, что вода поверхностного слоя отличается по своему составу от воды из придонного слоя, вода вблизи берегов загрязнена сильнее, состав речной воды в разное время годы неодинаков и т.п. В больших городах пробы атмосферного воздуха отбирают с учетом направления ветра и размещения источников выброса примесей. Пробоотбор не вызывает проблем и в том случае, когда исследуются чистые химические вещества, даже твердые, или однородные мелкодисперсные порошки.

Трудно правильно отобрать представительную пробу неоднородного твердого вещества (почвы, руды, угля, зерна и т.п.). Если взять пробы почвы в разных местах одного и того же поля, или с разной глубины, или в разное время - результаты анализа однотипных проб окажутся неодинаковыми. Они могут отличаться в несколько раз, особенно если сам материал был неоднороден, состоял из частиц разного состава и размера.

Дело осложняется тем, что пробоотбор зачастую проводит не сам аналитик, а недостаточно квалифицированные работники или, что гораздо хуже, - лица, заинтересованные в получении определенного результата анализа. Так, в рассказах М.Твена и Брет Гарта красочно описано, как перед продажей золотоносного участка продавец стремится выбирать для анализа кусочки породы с явными вкраплениями золота, а покупатель - пустую породу. Не удивительно, что результаты соответствующих анализов давали противоположные, но в обоих случаях неправильные результаты.

Для обеспечения правильности результатов анализа для каждой группы анализируемых объектов разработаны и приняты специальные правила и схемы пробоотбора. Примером может быть анализ почвы. В этом случае следует отбирать несколько больших порций исследуемого материала в разных местах исследуемого участка и затем объединить их. Заранее рассчитывается, сколько должно быть точек пробоотбора, на каком расстоянии друг от друга должны располагаться эти точки, с какой глубины должна быть взята каждая порция почвы, какой она должна быть массы, и т.п. Существует даже специальная математическая теория, позволяющая рассчитать минимальную массу объединенной пробы с учетом размера частиц, различия их состава и т.п. Чем больше масса пробы, тем она представительнее, поэтому для негомогенного материала общая масса объединенной пробы может достигать десятков и даже сотен килограммов. Объединенную пробу высушивают, измельчают, тщательно перемешивают и начинают постепенно уменьшать количество исследуемого материала (для этой цели существуют специальные приемы и устройства). Но даже после многократного уменьшения масса пробы может достигать нескольких сот граммов. Уменьшенную пробу в герметически закрытой таре доставляют в лабораторию. Там продолжают измельчение и перемешивание исследуемого материала (с целью усреднения состава), и лишь затем берут на аналитических весах навеску усредненной пробы для проведения дальнейшей пробоподготовки и последующего измерения сигнала.

Пробоотбор является важнейшей стадией анализа, поскольку ошибки, возникающие на этой стадии, очень трудно исправить или учесть. Часто ошибка пробоотбора дает основной вклад в общую ошибку анализа. При неправильно проведенном пробоотборе не сможет помочь даже идеальное выполнение всех последующих операций - получить правильный результат уже не удастся.

· Пробоподготовка. Под этим понимают все операции, которым в лаборатории подвергают доставленную пробу перед измерением аналитического сигнала. В ходе пробоподготовки проводят самые разные операции: например, упаривание, высушивание, прокаливание или сжигание пробы, ее растворение в воде, кислотах или органических растворителях, предварительное окисление или восстановление определяемого компонента специально добавляемыми реагентами, удаление или маскирование мешающих примесей. Часто приходится проводить концентрирование определяемого компонента - из пробы большого объема компонент количественно переводят в малый объем раствора (концентрат), где и проводят измерение аналитического сигнала. Близкие по свойствам компоненты пробы в ходе пробоподготовки стараются отделить друг от друга, чтобы потом легче было определить концентрацию каждого в отдельности. Пробоподготовка требует большего времени и труда, чем другие операции анализа; ее довольно трудно автоматизировать.

Следует помнить, что каждая операция пробоподготовки - это дополнительный источник погрешностей анализа, поэтому чем меньше будет таких операций, тем лучше. Идеальными являются методики, вовсе не включающие стадию пробоподготовки (“пришел, измерил, рассчитал”), но таких методик мало.

· Измерение сигнала требует использования соответствующих средств измерения, прежде всего точных аналитических приборов (весы, потенциометры, спектрометры, хроматографы и т.п.), а также предварительно прокалиброванной мерной посуды. Средства измерений должны быть аттестованы, то есть должно быть заранее известно, какую максимальную погрешность может дать измерение сигнала с помощью данного прибора. Кроме приборов, для измерения сигнала во многих случаях требуются эталоны известного химического состава (стандартные образцы). По ним поверяют и настраивают приборы и, что еще более важно, эти эталоны используют при расчете результатов анализа. Так, для определения урана в урановой руде сопоставляют радиоактивность пробы с радиоактивностью стандартного образца (руды с известным содержанием урана), а затем содержание урана в пробе находят, решая обычную пропорцию.

· Расчет и оформление результатов - самая быстрая и легкая стадия анализа. Надо только выбрать подходящий способ расчета (по той или иной формуле, по графику и т.п.). Некоторые способы расчета требуют применения компьютера. Применение неподходящего расчетного алгоритма может привести к серьезным ошибкам. В последующих главах будут детально охарактеризованы способы расчета, применяемые в разных методах анализа, их преимущества и условия применимости каждого способа. Результаты анализа должны быть статистически обработаны. Все данные, относящиеся к анализу данной пробы, отражают в лабораторном журнале, а результат анализа вносят в специальный протокол, направляемый заказчику.