РАБОТА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ
Для определения содержания токсичных элементов в составе пищевых продуктов используют спектральные методы анализа – атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную спектроскопию, спектрофотометрию, а также электрохимические методы (ЭХМ) – вольтамперометрию, кулоно-метрию, потенциометрию и др.
Электрохимические методы имеют ряд преимуществ по сравнению со спектральными методами анализа. Они отличаются высокой экономичностью, обусловленной отсутствием или незначительным расходом реагентов, а также относительно невысокой стоимостью аппаратуры. К другим преимуществам ЭХМ необходимо отнести их высокую чувствительность и избирательность, отсутствие исключительных требований к квалификации персонала, возможность портативного исполнения измерительного прибора.
1.1. Описание метода инверсионной вольтамперометрии
Рис. 2. Вольтамперометрический анализатор «АКВ–07–МК» для определения содержания токсичных элементов
Метод инверсионной вольтамперометрии (ИВА) или метод переменно-токовой полярографии широко применяется в санитарно-гигиенических исследованиях для определения содержания токсичных элементов. Вольтамперо-метрический анализатор «АКВ–07–МК» для опре-деления содержания ток-сичных элементов предс-тавлен на рис. 2.
Принцип метода заключается в том, что на первой стадии присутст-вующие в водном растворе элементы (свинец, кадмий, цинк, медь, ртуть, мышьяк и др.) выделяются в свободном виде или форме соединений и накапливаются на электроде, сделанном из углеродного материала или благородного металла (золото, платина). На второй стадии (измерительной) происходит растворение накопленных элементов при строго контролируемом изменении напряжения на электроде, что приводит к появлению токовых пиков, высота которых зависит от концентрации элементов в растворе.
При инверсионной вольтамперометрии предел обнаружения отдельных элементов очень высокий, например, для свинца и ртути он составляет около 0,1 мкг/л.
Высокая чувствительность и селективность метода ИВА при относительной простоте анализа делают его более конкурентоспособным по сравнению с распространенным до недавнего времени методом атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС). Метод ИВА позволяет также определять содержание фенолов, метилового спирта, ПАВ и др. Важным достоинством вольтамперометрии является возможность идентифицировать формы существования ионов металлов, так как разные химические формы обладают разной степенью токсичности (например, мышьяк трехвалентный более токсичен, чем мышьяк пятивалентный).
1.2. Методика определения токсичных элементов
Подготовка приборов, электродов, растворов
Рис. 3. Общая схема определения токсичных элементов в пробах
пищевого сырья и пищевых продуктов методом ИВА
Подготовка пробы (получение золы, растворение, получение раствора-минерализата)
Анализ пробы, получение вольтамперографического профиля пробы
Проверка электрохимической ячейки
Получение вольтамперографических профилей каждой добавки с пробой
Расчет концентраций анализируемых элементов
Введение добавок (не менее двух для каждого из элементов)
Основные этапы методики определения токсичных элементов (кадмия, меди, свинца, цинка и др.) методом инверсионной вольтамперометрии (ИВА) представлены на рис. 3. Для определения массовых концентраций элементов в пробе используют метод добавок.
1.2.1. Пробоподготовка
Анализ содержаний следовых количеств токсичных элементов различными методами (атомная абсорбция, полярография, фотометрия и др.) требует предварительной пробоподготовки, так как металлы в большинстве объектов находятся в связанном состоянии. Они образуют достаточно прочные органические комплексы, мешающие точному и воспроизводимому определению их содержания. Поэтому перед любым анализом необходимо предварительно разрушить органическую составляющую пробы, что позволяет выделить и сконцентрировать исследуемые элементы.
Подготовка проб для анализа содержания токсичных элементов заключается в предварительной минерализации объекта исследования, которую можно проводить «сухим» или «мокрым» способом, а также используя их сочетание. «Сухая» минерализация предполагает обугливание, сжигание или прокаливание исследуемого. При этом происходит разложение всех органических соединений до углекислого газа (СО2) и воды, которые при высокой температуре удаляются из пробы. При «мокрой» минерализации – озоление проводят в присутствии сильных окислителей (чаще всего концентрированных кислот – НNO3 и H2SO4), в открытых или закрытых системах (автоклавах), при более низких температурах – для уменьшения потерь исследуемых элементов (ртуть, мышьяк и др.).
Пробоподготовку осуществляют в соответствии с ГОСТом 26929–94 «Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов».
Продукты с содержанием влаги ниже 20% помещают на электроплитку и проводят обугливание до прекращения выделения дыма.
Продукты с содержанием влаги свыше 20% – в сушильный шкаф, постепенно доводят температуру до 150°С и выдерживают при этой температуре около 3 ч до начала обугливания, которое проводят на электроплитке до прекращения выделения дыма (для интенсификации обугливания допускается использовать азотную и серную кислоты).
Минерализацию проб проводят при постепенном повышении температуры муфельной печи на 50°С через каждые 30 мин. Доводят температуру до 450°С и продолжают минерализацию при этих условиях до получения серой золы. Тигель с золой извлекают из муфеля, охлаждают до комнатной температуры. Золу смачивают 1 см3 азотной кислоты, тигель помещают на электроплитку и при слабом нагревании выпаривают кислоту. Снова помещают тигель с пробой в муфель, нагретый до температуры 250°С, постепенно доводят температуру до 450°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 ч. Минерализацию считают законченной, когда зола становится белой или слегка окрашенной, без обугленных частиц. При наличии обугленных частиц повторяют обработку золы азотной кислотой.
Полученную золу растворяют в 1 см3 1,0 н. раствора соляной кислоты. Приливают 5 см3 раствора фонового электролита (п. 1.3), пере-носят в мерную пробирку вместимостью 20 см3 и, споласкивая тигель и фильтр фоновым раствором, доводят содержимое пробирки до метки.
Если содержание металлов в пробе выходит за верхнюю границу диапазонов определяемых концентраций, допускается разбавление фоновым электролитом подготовленной к измерению пробы. Если содержание металлов в пробе выходит за нижнюю границу диапазонов определяемых содержаний, допускается анализ большей аликвоты из подготовленной к измерению пробы или увеличение времени электронакопления.
1.2.2. Проведение измерений
Получение каждого вольтамперографического профиля включает следующие этапы: очистку электрода→накопление→измерение. Причем время очистки всегда должно быть не меньше времени накопления.
Анализ проводят в следующей последовательности:
1) пробу объемом 20 см3, приготовленную к анализу в соответствии с п. 1.2.1, переносят в полярографическую ячейку;
2) устанавливают в ячейку хлорсеребряный электрод сравнения и рабочий электрод (углеситаловый). Закрепляют ячейку в датчике;
3) включают прибор. Устанавливают потенциал электро-химической очистки рабочего электрода на отметку «0,0 В» и производят электрохимическую очистку по времени не менее 60 с. Не регистрируя вольтамперограммы, выключают ячейку;
4) устанавливают соответствующий потенциал накопления: «1,3 В» – при определении всех четырех элементов, включая цинк; «-0,9 В», если цинк не определяют. Включают ячейку, регистрируют вольтамперограмму и выключают ячейку. Устанавливают потенциал «0,0 В». Включают ячейку, проводят электрохимическую очистку электрода в течение времени, равного времени накопления. Не регистрируя вольтамперограммы, выключают ячейку. Проводят не менее трех циклов операций по регистрации вольтамперограммы и очистке электрода. Вычисляют среднее арифметическое значение всех произведенных замеров высот пиков. Величины, отличающиеся от среднего арифметического более чем на 20%, отбрасывают. Вычисляют среднее арифметическое значение высот пиков, не имеющих сильного разброса измеряемой величины, которое принимают за величину пика, соответствующего концентрации определяемого металла. Электро-химическую очистку электрода обязательно проводят после записи каждой вольтамперограммы.
Чувствительность полярографа и время накопления уста-навливают таким образом, чтобы высота самого низкого пика из анализируемых металлов была равна 300–700 мА:
5) проводят регистрацию вольтамперограммы пробы с добавками элементов, так же как это описано в предыдущем пункте, при подобранной для каждого элемента чувствительности. В первую очередь проводят измерения концентраций свинца, кадмия и цинка. Для этого в ячейку пипеткой вводят добавки рабочих стандартных растворов с известными концентрациями элементов (п. 1.3.1) так, чтобы высоты пиков увеличились в 1,5–3 раза при подобранной для каждого элемента чувствительности. Затем проводят измерение концентрации меди. Для этого в ячейку пипеткой вводят добавку рабочего стандартного раствора меди по указанному выше принципу. Общий объем добавленных стандартных растворов всех элементов не должен превышать 10% от исходного объема исследуемого раствора в ячейке.
1.2.3. Регистрация и обработка результатов
Рис. 4. Вольтамперографические профили пробы со стандартными добавками (Zn, Cd, Pb, Cu):
фон
проба
Добавка Cu №1
Добавка Cu №2
Добавка Cu №3
Добавка Cu №4
Регистрацию вольтамперографических профилей осуществляют при помощи программного пакета «Polar–4.0» в порядке, приведенном на рис. 4.
1 – фон (вольтамперографический профили фонового электролита); 2 – проба;
3 – проба с 1-й добавкой каждого из оцениваемых элементов; 4 – проба с 2-й добавкой каждого из оцениваемых элементов, 5 – проба с 3-й добавкой каждого из оцениваемых элементов; 6 – проба с 4-й добавкой каждого из оцениваемых элементов
Расчет массовой концентрации металлов в анализируемой пробе проводят по формулам 1 (для сухого пищевого продукта) и 2 (для жидкого пищевого продукта)
 (1)
 (2)
где xm – массовая концентрация металла в пробе сухого пищевого продукта (мг/кг); xv – массовая концентрация металла в пробе жидкого пищевого продукта (мг/дм3); h – разность высот – высоты пика металла исходного раствора до введения добавки стандартного раствора и высоты пика металла в контрольном («холостом») растворе (мм); H – высота пика металла исходного раствора после добавки стандартного раствора (мм); Сст – концентрация добавленного стандартного раствора (мг/дм3); Vст – объем добавленного стандартного раствора определяемого элемента (дм3); ΣVст – общий объем пробы и всех добавленных стандартных растворов всех металлов на момент определения искомого элемента (дм3); Vо – исходный объем минерализованной пробы в полярографической ячейке (дм3); m – масса навески сухого анализируемого пищевого продукта, взятая для анализа (мг); Vан – исходный объем анализируемого жидкого пищевого продукта, взятый для анализа (дм3).
На рис. 5 представлена графическая зависимость, используемая для определения концентрации исследуемого элемента (например, Pb).
Аналогичные вычисления проводят для параллельной анализи-руемой пробы. Получают соответственно  ,  или  ,  . За окончательный результат анализа (xm) принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений:  , расхождения между которыми не должны превышать значений норматива оперативного контроля сходимости. Значения норматива оперативного контроля сходимости приведены в соответствующих ГОСТах на методы испытаний (анализа) – ГОСТ Р 51301–99, ГОСТ Р 51823–2001, ГОСТ Р 52180–2003.
Рис. 5. Графики пиков вольтамперографических профилей
и концентрации элемента (Pb)
| |
