CC BY
23
ляет 0,09 моль/л, что гораздо больше, чем для трубки на основе гидрофильного силикагеля. При этом время анализа гораздо больше.
Рис. 8. Зависимость длины неокрашенной зоны в индикаторной трубке на основе гидрофобного силикагеля от концентрации кальция
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сравнение пределов обнаружения при определении кальция предложенными индикаторным трубками показало, что средство на основе гидрофобного силика-геля менее чувствительно при гораздо большем времени анализа, чем трубка на основе гидрофильного сили-кагеля. К преимуществам такого средства можно отнести более четкую границу окрашенной зоны. Для повышения предела обнаружения при работе с трубками на основе гидрофобного силикагеля целесообразно уменьшение давления насыщенных паров изоамилового спирта при модифицировании силикагеля, а также пропускание определенного объема раствора через трубку с помощью медицинского шприца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Золотое Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-
методы анализа. -М.: Едиториал УРСС, 2002. -304 с.
2. Максимова И.М., Кухто А. А., Моросанова Е.И. и др. Линей-
но-колористическое определение кобальта (II) и железа (III) с использованием органических реагентов, иммобилизованных на гидрофобных носителях // Журнал аналитической химии.- 1994. -Т. 49. №7. -С. 695 - 699.
3. Евгеньев М.И., Гармонов С.Ю., Белов П.Е. и др. Тест-метод
определения токсичных веществ раздражающего действия в воздушной среде //Журнал аналитической химии -2003. -Т. 58. -№ 5. -С. 542 - 545.
4. Химия привитых поверхностных соединений/ Под ред.
Г.В. Лисичкина. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 592 с.
5. Фенелонов В. Б. Введение в физическую химию формирова-
ния супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 442 с.
А. В. Шаров, О. В. Филистеев
Курганский государственный университет
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНДИКАТОРНОЙ ТРУБКИ НА ПРЕДЕЛ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ В ВОДЕ ТЕСТ-МЕТОДОМ
Аннотация: В настоящее время такие тест-системы, как индикаторные трубки активно используются при анализе ионов металлов в водных растворах. Определение концентрации вещества при помощи индикаторной трубки основано на измерении длины окрашенной зоны, возникающей после пропускания через нее определенного объема раствора. В данной работе предложена индикаторная трубка на основе силикагеля для определения содержания ионов кальция в водных растворах. В качестве реагента на кальций выбран кальмагит, который в щелочной среде образует с ионами Са2+ соединение, красного цвета. Сорбент внутри средства разделен на две зоны. В первом слое (смесь кальмагита и силикагеля) происходит реак-
ция, во втором (порошок силикагеля) полученные продукты закрепляются на носителе.
Проведен дробный факторный эксперимент для оценки степени влияния длины поглощающего слоя, длины слоя смеси силикагеля с кальмагитом, а так же содержания кальмагита в смеси на предел обнаружения ионов кальция. Получено линейное полиномиальное уравнение, описывающее влияние данных факторов. Выявлена степень влияния этих параметров на предел обнаружения.
Ключевые слова: тест-системы, индикаторная трубка, силикагель, кальций, кальмагит, факторный эксперимент.
ВВЕДЕНИЕ
Все более распространенным средством анализа различных объектов становятся химические тест-системы. Одним из методов тест-определений является линейно-колористический. Метод основан на использовании зависимости длины окрашенной зоны в индикаторной трубке от концентрации вещества, которое вызывает появление данной зоны [1]. Основное количество индикаторных трубок включает в себя носитель с закрепленными на нем реагентами [2, 3].
В основе большинства тест-методов определения кальция лежит принцип тест-титрования на индикаторной бумаге [1].
Нами предложена тест-система на основе силикагеля для определения ионов кальция линейно-колористическим методом. В основе работы предлагаемой индикаторной трубки лежит реакция ионов кальция с органическим реагентом в жидкой фазе с последующим закреплением продуктов на носителе.
Также применена схема дробного факторного эксперимента для выявления степени влияния некоторых параметров на предел обнаружения ионов кальция в водном растворе.
1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Индикаторная трубка для тест-определения кальция (рис. 1) представляет собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 2 мм, заполненную двумя слоями сорбента. Первый слой - это смесь силикагеля с органическим реагентом на кальций (кальмагит), второй - чистый силикагель.
Рис. 1. Индикаторная трубка для определения содержания ионов Са2+: 1 - слой ваты;
2 - слой силикагеля в смеси с кальмагитом;
3 - слой чистого силикагеля
Раствор кальмагита имеет красный цвет, в щелочной среде переходящий в синий. При внесении кальция раствор снова приобретает красное окрашивание. Смесь 1 мл раствора кальция и 1 мл аммиачного буферного раствора пропускалась через трубку за счет сил капиллярного поднятия. После этого в ней возникало 4 зоны (рис. 2).
Рис. 2. Индикаторная трубка после пропускания щелочного раствора ионов Са2+: 1 - красная зона соединения кальмагта с ионами Са2+; 2 и 3 - синие зоны щелочной формы кальмагита ; 4 - красная зона, предположительно нейтральной формы кальмагита
Длина зоны 1, имеющей красный цвет, пропорциональна концентрации кальция в растворе.
Использовался промышленный гранулированный силикагель марки КСКГ Гранулы предварительно измельчали, просеивали через сито с размером ячеек 0,1 мм, кипятили в 70% азотной кислоте в течение 1 часа, промывали до рН = 6 - 7 и прокаливали при температуре 150° С для удаления физически связанной воды. Эффективный диаметр частиц силикагеля, определенный методом седиментационного анализа, составил 1,8-Ю"5 м.
Аммиачный буферный раствор готовился смешением 200 мл 20% раствора хлорида аммония и 200 мл 20% раствора аммиака с доведением общего объема до 500 мл.
Для проведения факторного эксперимента были выбраны три параметра, которые могут влиять на чувствительность определения. Это отношение массы кальмагита к массе силикагеля в смеси (г), длина слоя смеси кальмагита с силикагелем (1км) и длина слоя чистого силикагеля (Icr). В ходе предварительных экспериментов были выбраны основные уровни, шаги варьирования, а также верхние и нижние уровни трех данных факторов [4] (табл. 1).
Таблица 1
Величины влияющих факторов
г 1км, мм 1сг, мм
Основной уровень 0,026 4 60
Шаг варьирования 0,006 2 20
Нижний уровень 0,020 2 40
Верхний урове нь 0,032 6 80
После преобразования указанных величин в кодированные матрица дробного факторного эксперимента имеет вид, указанный в табл. 2. В качестве откликов использовались пределы обнаружения кальция. Каждый эксперимент т/ дублировался с применением разных образцов силикагеля.
Таблица 2
Матрица факторного плана
]\оопыта R Lkm Lcr Смин С " ^мин
1 - - +
2 - + -
3 + - -
4 + + +
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения значения предела обнаружения строились графики зависимостей длин зон кальция в индикаторных трубках от его концентраций. Каждая точка на кривой получалась усреднением данных четырех определений длины. Полученные кривые приведены на рис. 3.
Для аппроксимации данных кривых было выбрано уравнение, аналогичное уравнению изотермы Ленгмюра.
/ = Л—^— 1 + Вс
где А и В - константы [4].
Рис. 3. Кривые зависимостей длин окрашенных зон от концентрации кальция I = Цс). «Серия 1» и «Серия 2» - две параллельных серии экспериментов с разными образцами силикагеля: а) опыт 1 (г = 0,020, 1км = 2мм, 1сг = 80 мм); б) опыт 2 (г = 0,020, 1км = 6 мм, 1сг = 40 мм);
в) опыт 3 (г = 0,032, 1км = 2 мм, 1сг = 40 мм); г) опыт 4 (г = 0,032, 1км = 6 мм, 1сг = 80 мм)
58
ВЕСТНИК КГУ, 2009. №1
Рис. 4. Зависимости вида с/М(с) «Серия 1» и «Серия 2» - две параллельных серии экспериментов с разными образцами силикагеля:
а) опыт 1 (г = 0,020, 1км = 2мм, 1сг = 80 мм); в) опыт 3 (г = 0,032, 1км = 2 мм, 1сг = 40 мм);
б) опыт 2 (г = 0,020, 1ш = 6 мм, 1сг = 40 мм); г) опыт 4 (г = 0,032, I = 6 мм, 1сг = 80 мм)
Для расчета предела обнаружения полученные зависимости приводились к линейной форме, которая представляет собой функццию вида с/1 = f(c). Полученные прямые представлены на рис. 4. Они использовались для расчета пределов обнаружения по градуировочному графику. Вычисленные минимально определяемые содержания представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты факторного эксперимента
№ R Lkm Lcr Сшш - Cmih - Сши-
моль/л моль/л моль/ л
1 - - + 0,048 0,055 0,051
2 - + - 0,046 0,045 0,045
3 + - - 0,048 0,069 0,058
4 + + + 0,189 0,151 0,170
Уравнение линейного полинома поверхности отклика с, рассчитанное по данным эксперимента имеет вид: с=0,081+0,033 Р+0,026 1_км+0,029 1_сг.
Сравнение величин всех коэффициентов регрессии с дисперсией этих коэффициентов (2,7-10 3) говорит, что все они являются статистически значимыми. Мера адекватности (В = 1,56) позволяет утверждать, что регрессионная модель адекватно описывает в данных границах влияние величин факторов на отклик.
Уравнение поверхности отклика в натуральных переменных выглядит следующим образом:
с = -0,201+5.5 г+0,013 1км+0,00145 1сг.
Все три фактора, изученные в эксперименте, оказывают отрицательное влияние на результат анализа, так как при увеличении их значения увеличивается предел обнаружения, причем наиболее значимое влияние на его величину оказывает длина слоя силикагеля в индикаторной трубке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена индикаторная трубка для тест-определения ионов кальция в водных растворах. Получены и изучены кривые зависимости длин окрашенных зон от концентрации. Для выявления влияния параметров данного средства на предел обнаружения кальция проведен дробный факторный эксперимент. В выбранных границах изучаемых факторов пределы обнаружения находятся в рамках 0,04 - 0,17 моль/л.
Получено полиномиальное линейное уравнение, отражающее влияние изучаемых факторов на предел обнаружения. Выявлено, что наиболее сильно влияющим параметром является длина слоя силикагеля в индикаторной трубке. В целях уменьшения величины минимально определяемых содержаний возможно провести модифицирование поверхности силикагеля для изменения характера сорбции на нем продуктов реакции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Золотое Ю. А., Иванов В. М., Амелин В. Г. Химические тест-
методы анализа. -М.: Едиториал УРСС, 2002. -304 с.
2. Максимова И. М., КухтоА. А., Моросанова Е. И. и др. Линей-
но-колористическое определение кобальта (II) и железа (III) с использованием органических реагентов, иммобилизованных на гидрофобных носителях // Журнал аналитической химии. - 1994. -Т. 49. -№7. - С. 695 - 699.
3. Евгеньев М. И., Гармонов С. Ю., Белов П. Е. и др. Тест-
метод определения токсичных веществ раздражающего действия в воздушной среде // Журнал аналитической химии,- 2003. -Т. 58. -№ 5. - С. 542 - 545.
4. Дёрффель К. Статистика в аналитической химии / Пер. с
нем. -М.: Мир, 1994. -268 с.
5. Фенелонов В. Б. Введение в физическую химию формирова-
ния супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов,- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 442 с.
