CC BY
172
АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
ТЕМА НОМЕРА
Определение мышьяка
в пищевых продуктах методом
инверсионной
вольтамперометрии
А.В.Заичко, Е.Е.Иванова, Г.Н.Носкова, Т.П.Толмачева
ООО «НПП «Томьаналит»
Необходимость мышьяка для жизнедеятельности человека пока не доказана, однако токсичность его соединений известна давно. Для мышьяка выявлен один из самых высоких показателей патологичности, составленный на основании девятнадцати патологий, связанных с этим элементом. Несколько сотен тонн мышьяка достаточно, чтобы отравить большую часть человечества. Токсическое влияние мышьяка на человеческий организм варьирует в зависимости от его дозы и продолжительности приема. Симптомы острой интоксикации - тошнота, рвота, боли в желудке; хронической -слабость, мышечные боли, прострация. Острая и хроническая интоксикация сопровождаются сонливостью, головной болью, спутанностью сознания, судорогами [1].
В истории человечества мышьяк играл двойственную роль. С одной стороны, он известен с древних времен как сильный яд, с другой - как незаменимый компонент древнейших бронз, красителей, лекарств и снадобий, средств защиты растений. Его использовали в качестве средства для убийства и самоубийства, как отравляющее вещество кожно-нарывного действия в химическом вооружении, но при этом употребляли в качестве пестицида в садах и виноградниках, вводили в состав моющих средств и пищевых добавок в птицеводстве. И по сей день мышьяк используют в качестве гербицида в сельском и лесном хозяйстве, при-
Рис. 1. Золото-углеродсодержащий электрод: 1 - полиэтиленовый корпус; 2 - электропроводящая смесь полиэтилена и сажи; 3 - контакт; 4 -рабочая поверхность с нанесенной пленкой золота
меняют для предохранения от порчи деревянных изделий, он служит одним из исходных материалов в промышленности интегрирующих электронных схем. Способность малых количеств мышьяка улучшать кроветворение, повышать усвоение азота и фосфора, ограничивать распад белков и ослаблять окислительные процессы в организме человека используют при назначении мышьяковистых препаратов с лечебной целью.
Широкое распространение мышьяка в почве, пресных водах, дополненное антропогенными загрязнениями от промышленных предприятий и использованием некоторых мышьяксо-держащих средств защиты растений, обусловливает его непременное присутствие в большинстве пищевых продуктов.
В организм человека мышьяк поступает в основном с пищевыми продуктами растительного и животного происхождения. Его среднее суммарное суточное поступление в организм из рациона весьма близко к величине максимально допустимой суточной нагрузки, что ставит мышьяк на особое место среди токсичных элементов.
Среднесуточное поступление мышьяка с пищевыми продуктами в организм человека зависит от вида пищевого рациона и при незначительном потреблении продуктов моря и отсутствии загрязнения этим элементом не превышает 0,2 мг (при большом употреблении рыбы - до 1 мг). Предел суточного поступления мышьяка, установленный ВОЗ, составляет 0,05 мг на 1 кг массы тела. Употребление в пищу продуктов с повышенным содержанием мышьяка служит причиной возникновения анемии, расстройства сердечной деятельности, периферической невропатии, бородавчатого кератоза ладоней и подошв [2].
Вышесказанное объясняет необходимость аналитического контроля за содержанием мышьяка в пищевых продуктах. Наиболее часто для этого используют два инструментальных метода: атомно-абсорбционную спектроскопию [3] и инверсионную вольтам-перометрию (ИВ) [4]. Для обоих мето-
3
дов перед началом измерений пробу необходимо перевести в минерализованный раствор, поэтому 80-90 % времени анализа занимает процесс пробоподготовки. Он же служит основным источником погрешности результата анализа. Неправильно проведенное разложение пробы может привести к полной потере мышьяка, что, в свою очередь, ведет к отсутствию результата анализа. На фоне этого утрачивается основное преимущество атомно-абсорбционной спектроскопии перед вольтамперометрическим методом: экспрессность и более высокая точность измерений. Тогда как низкая стоимость вольтамперометри-ческого оборудования, отсутствие специальных требований к его монтажу и установке остаются неоспоримыми достоинствами метода ИВ.
Высокая чувствительность ИВ связана с электрохимическим концентрированием определяемого элемента из анализируемого раствора на поверхности индикаторного электрода. Выделившийся на электроде концентрат электрохимически растворяют путем изменения потенциала. При этом регистрируют зависимость протекающего тока от потенциала (вольтамперограм-му). Аналитическим сигналом служит пик тока на вольтамперограмме, положение которого на оси потенциалов характеризует природу определяемого элемента, а высота или площадь пропорциональны его концентрации в растворе при постоянных условиях электроконцентрирования. Поскольку содержание определяемого вещества в концентрате на несколько порядков выше по сравнению с раствором, величина аналитического сигнала может быть достаточно велика для сравнительно малых концентраций вещества в анализируемом растворе.
Параметры и чувствительность определения мышьяка в пищевых продуктах методом ИВ зависят от используемого вольтамперометрического анализатора. Основные различия существующих методик заключаются в типе используемого индикаторного электрода и способах устранения мешающего влияния кислорода, меди, железа и цинка. В качестве индикаторных наиболее часто применяют угле-родсодержащие электроды (импрег-нированный графит, стеклоуглерод, углеситал и т.п.), на рабочую поверхность которых предварительно наносят пленку золота. От природы подложки и толщины пленки золота зависят стабильность и срок службы электрода, а также способ обновления поверхности электрода в случае его неудовлетворительной работы. Способ устранения мешающего влияния кислорода воздействует на необходи-
мость применения инертного газа, мешающего влияния тяжелых металлов -на количество дополнительных реактивов и операций, а также на легкость обработки аналитического сигнала мышьяка.
Подробнее остановимся на некоторых особенностях измерения концентрации мышьяка на вольтамперомет-рических анализаторах серии ТА (ТА-1, ТА-2, ТА-4), применяемых в настоящее время более чем в 800 аналитических лабораториях России.
Индикаторным электродом служит золото-углеродсодержащий электрод, подложкой которого является смесь сажи с полиэтиленом высокого давления (рис. 1). Высокое содержание полиэтилена в подложке (75 %) позволяет проводить обновление поверхности электрода путем срезания тонкого слоя (0,1-0,3 мм) рабочей поверхности и накопления свежей пленки золота. Малая толщина среза позволяет регенерировать рабочую поверхность до 25 - 30 раз. Для обеспечения такого среза разработан специализированный нож, который позволяет удобно и безопасно выполнять операцию срезания.
Из раствора трехвалентный мышьяк (электрохимически активный) накапливают в виде Дб0 на индикаторном электроде при потенциале -1,6 В. Аналитическим сигналом служит ток пика анодного растворения мышьяка, регистрируемый на вольтамперограммах при потенциале 0,20+0,05 В. Концентрацию мышьяка в анализируемом растворе оценивают методом добавок.
Ток и воспроизводимость пика мышьяка зависят от условий формирования золотой пленки на поверхности уг-леродсодержащего электрода. Поверхность углеродсодержащего электрода неоднородна по составу, поэтому в процессе выделения золота на рабочей поверхности равномерного золотого покрытия не образуется (рис. 2). Оптимальное нанесение золотой пленки - электролиз из раствора золота концентрации 1000 мг/л при потенциале 0 В в течение 50 с. Такой режим электролиза обеспечивает формирование пленки золота, позволяющей проводить измерения не менее 200 проб без обновления поверхности электрода.
Растворенный кислород существенно увеличивает наклон остаточного тока и окисляет осадок Дб0 на поверхности электрода при его анодном растворении. Это увеличивает погрешность определения мышьяка без устранения мешающего влияния кислорода. Удалять кислород из анализируемого раствора можно химическим способом с помощью сульфита натрия. На рис. 3 представлены вольтампер-
ANALYTICAL METHODS OF CONTROL
ные кривые мышьяка, снятые с 30-се-кундным интервалом с момента добавления сульфита натрия в раствор. Между сульфитом натрия и растворенным кислородом протекает химическая реакция (О2 + 25О32-=25О42-), вследствие чего уменьшается наклон остаточного тока и увеличивается ток пика мышьяка. Использование 0,4 М сульфита натрия в качестве фонового раствора позволяет регистрировать стабильный пик мышьяка (Бг< 3 %).
Содержание меди, цинка и железа в пищевых продуктах намного превышает содержание мышьяка, а потенциалы их пиков тока на фоне сульфита натрия достаточно близки к потенциалу пика тока мышьяка. Присутствие в растворе минерализованной пробы Си2+ в 10-кратном, Fe3+ и 7п2+ - в 20-кратном избытке по отношению к Дб3+ значительно затрудняет обработку аналитического сигнала мышьяка, вследствие чего увеличивается погрешность определения мышьяка до 50-70 %. Добавление к 10 мл анализируемого раствора 0,05 мл 0,05 М раствора три-лона Б уменьшает мешающее влияние 7п2+, Си2+ и Fe3+ за счет связывания их в прочные комплексы [5] и одновременно снижает тенденцию ионов Дб3+ к гидролизу [6]. В этих условиях определению мышьяка не мешают присутствие меди в избытке - 1:100, железа -1:200, цинка - 1:250.
Для рутинных анализов различных продуктов на содержание мышьяка большое значение имеет удобство и надежность пробоподготовки. Цель подготовки проб при определении содержания мышьяка методом инверсионной вольтамперометрии - разрушение органической матрицы пробы и перевод Д$5+ в электрохимически активную форму Дб3+. Летучесть некоторых соединений мышьяка, сложность неорганического и органического состава пищи делает процесс подготовки пробы к анализу достаточно сложным и требующим особого внимания химика-аналитика. Сухое озо-ление пищевых продуктов может приводить к потерям из-за летучести хлоридов мышьяка. Хлориды же - обычные компоненты многих продуктов. Мокрое озоление пищевых продуктов требует больших затрат времени и реактивов, а следовательно, возрастает опасность внесения загрязнений в пробу [7]. Упростить и ускорить процесс разложения проб можно путем его проведения в закрытых сосудах: автоклавных и микроволновых системах. Однако высокая
Таблица 1
Схема пробоподготовки пищевых продуктов при определении содержания мышьяка
№ Операции Температура, °С Время, мин
1 Растворение пробы и окисление Дб3+ до Дб5+ [4,0 мл НNО3 и 0,5 мл Мд^О3)2] 150...160 30-40
2 Окисление (3,0 мл НNО3+ 1,0 -1,5 мл Н2О2) 90...350 85
3 Озоление 500 10
4 Повтор операций 2-3 до получения однородной золы белого, серого или рыжеватого цвета
5 Восстановление As5+ до As3+ 220...280 80
6 Отдымление H2SO4 280 20
Таблица 2
Навеска пробы при определении содержания мышьяка
Анализируемый объект Навеска, г
Мука, мучные и кондитерские изделия, крупа, зерно, конфеты, овощи, фрукты 0,8 ± 1,2
Кофе, какао, чай, сублиматы, концентраты, БАД 0,3 ± 0,7
Мясо, рыба, продукты их переработки 1,0 ± 1,5
Напитки алкогольные и безалкогольные 1,0 ± 2,0
Молоко и молочные продукты 1,5 ± 2,0
стоимость таких систем ограничивает их применение в аналитических лабораториях.
Свести к минимуму потери мышьяка в процессе пробоподготовки возможно также путем сочетания метода мокрой минерализации и сухого озоления с добавками при строгом контроле за температурным режимом процесса. Схема подготовки проб данным способом приведена в табл. 1. При этом навеску анализируемой пробы берут в соответствии с данными табл. 2.
Для предотвращения потерь мышьяка и удаления хлор-ионов растворение навески пробы проводят при нагревании со смесью азотной кислоты и пе-
АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ———
Таблица 3
Параметры программ минерализации пищевых продуктов для определения содержания мышьяка
Программа Этап Время, мин Температура, °С
Программы для камеры выпаривания
Программа 1. Окисление 1 20 150
Дб3+ до Дб5+ 2 20 160
Программа 2. 1 5 90
Мокрая минерализация 2 5 120
3 5 150
4 5 160
5 40 180
6 10 200
7 5 250
8 5 300
9 5 350
Программа 3. 1 20 220
Восстановление Дб3+ до
ДБ5+ 2 60 280
Программы для к Программа 1. Сухое озоление пробы Программа 2. Отдымление Н2Б04 амеры 1 1 озоления 10 20 500 280
Таблица 4
Результаты анализа проб пищевых продуктов на содержание мышьяка
Объект анализа Массовая концентрация, мг/кг
Морковь свежая домашняя 0,0038+0,0018
Морковь свежая совхозная Клкло-порошок 0,024+0,012 0 11+0 05
Чай цейлонский Мх/к'Я 0,025+0,012 0,028+0,014 0,028+0,014
Му ка Фарш трески йГлппэипг/мм^ 0,17+0,08 0,021+0,010 0,021+0,010
Сыр «1 олландский» Крупа гречневая Р\ЛГ и 1">>э/'"иг\ П м% 0,034+0,017 0,15+0,07 0,15+0,07
гис «краснодарский» Перец красный молотый кГогЬр пд<~трппммк11/1 1,21+0,59 0,024+12
к^С1ч_ 1 оииИМ01VI Дрожжи 0,82+0,40
Черника свежая 0,016+0,008
Печень куриная 0,027+0,013
Колбаса «Докторская» 0,037+0,018
рекиси водорода в присутствии нитрата магния. При этом все формы мышьяка окисляются до Дб5+. Добавляемый нитрат магния не только ускоряет окисление, но и уменьшает вспенивание раствора пробы, а также значительно увеличивает объем получаемого зольного остатка. Концентрация мышьяка в золе становится меньше, вследствие этого уменьшается возможность его контакта со стенками тигля и сокращаются возможные потери за счет улетучивания.
Сначала пробу обрабатывают азотной кислотой и нитратом магния, после чего раствор упаривают до трети
первоначального объема и обрабатывают смесью азотной кислоты и перекиси водорода. Для некоторых продуктов (мука, чай, какао, специи) этого бывает недостаточно для предотвращения сильного вспенивания. Навеску проб таких продуктов необходимо залить азотной кислотой и нитратом магния и оставить при комнатной температуре не менее чем на полчаса. Можно накрыть смесь крышечкой и оставить на ночь. Начальную температуру разложения пробы на плитке лучше устанавливать несколько выше температуры кипения азотной кислоты, примерно 140...150 °С, тогда выделяющиеся оксиды азота не дадут образующейся пене высоко подниматься.
Для полного и более быстрого сжигания органических веществ после упаривания раствора осадок помещают в муфельную печь и озоляют при 500 °С в течение 10 мин. Далее чередуют процесс мокрой минерализации и сухого озоления. Такое чередование приводит к ускорению разложения органической матрицы и предотвращает восстановление Дб5+ до Дб3+ и улетучивание последнего. В процессе проведения мокрой минерализации для предотвращения разбрызгивания пробы сначала следует добавлять азотную кислоту в остывший до 30...40 °С тигель, потом - по каплям перекись водорода.
Для перевода Дб5+ в электрохимически активную форму Дб3+ неорганический осадок обрабатывают при нагревании восстановителем (сернокислым гидразином) в концентрированной серной кислоте, после чего избыток восстановителя и серной кислоты удаляют кратковременным нагреванием в муфельной печи при температуре 280 °С.
Для удобного и эффективного проведения подготовки проб, сочетающей мокрое и сухое озоление, разработана и производится программируемая двухкамерная печь ПДП-18М. Печь имеет закрытую камеру озоления проб (муфель) и размещенную на ней полузакрытую камеру - плитку для выпаривания проб. Камеры озоления и выпаривания могут работать одновременно и управляются с помощью программируемого пульта. В памяти пульта хранятся по девять программ для обеих камер. Каждая программа содержит по девять этапов, устанавливающих температуру нагрева камеры и время ее выдерживания. Это позволяет проводить постепенное повышение температуры при растворении и минерализации проб, что предотвращает разбрызгивание и вспенивание пробы. Для проведения пробоподготовки с использованием программируемой печи потребуются три программы для
камеры выпаривания и две - для камеры озоления. Параметры программ приведены в табл. 3.
Предложенные в табл. 3 программы являются универсальными для разложения продуктов, перечисленных в табл. 2. Их использование позволяет исключить тщательный визуальный контроль за состоянием разлагаемой пробы и свести участие химика в процессе только к добавлению соответствующих реактивов и перестановке тиглей из одной камеры в другую.
С точки зрения получения достоверного результата анализа достаточно важна процедура растворения минерализованной пробы. Золу растворяют непосредственно перед проведением анализа в 2,0 мл раствора трилона Б концентрации 0,01 М, омывая стенки тигля. Тщательно перемешивают стеклянной палочкой до полного растворения осадка. Дают раствору отстояться 5-10 мин. Для измерения используют 0,5 мл полученного раствора.
По описанной выше методике проанализировано более 40 различных продуктов. Результаты анализа некоторых проб представлены в табл. 4.
Расчет характеристик погрешности и контроль точности результатов анализа проводили с использованием стандартных образцов и метода добавок. Относительная погрешность определения мышьяка в пищевых продуктах не превышает 50 %. Минимально определяемая концентрация мышьяка составляет 2 мкг/кг. Методика прошла метрологическую аттестацию, включена в Федеральный реестр методик выполнения измерений и внедрена в 34 аналитических лабораториях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп. - Л.: Химия, 1989. С. 82-102.
2. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. - М.: Недра, 1996. Кн. 3. С. 161-197.
3. ГОСТ Р 51766-2001. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбцион-ный метод определения мышьяка.
4. ГОСТ Р 51962-2002. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометричес-кий метод определения массовой концентрации мышьяка.
5. Каменев А.И., Орлов С.Е., Ляхов А.Б.//ЖАХ. 2001. Т.56. №9. С. 962966.
6. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и комплексона-ты металлов. - М., 1988.
7. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. - М.: Химия, 1984.
