CC BY
41
УДК 631.41:631.811
B. А. Литвинский, Е. А. Гришина, В. В. Носиков,
C. Л. Белопухов
ПРОТОЧНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ: ПРИЛОЖЕНИЕ СПОСОБА АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ К КЛАССИЧЕСКИМ МЕТОДАМ АГРОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПОЧВЫ
Ключевые слова: инструментальные методы анализа, проточный анализатор.
Несмотря на широкую распространенность в области агрохимических анализов прогрессивных инструментальных методов, таких как атомно-абсорбционная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, значительная часть аналитических работ в агрохимических лабораториях продолжает выполняться классическими методами «мокрой» химии. Перспективным направлением, позволяющим вывести эту работу на новый качественный уровень и многократно повысить производительность и экспрессность, является внедрение проточных анализаторов, успешно зарекомендовавших себя в автоматизации экологических методов анализа.
Keywords: analytical instruments, continuous flow analyzers.
In spite of wide spread in the area of agrochemical analysis such advanced analytical methods as, for example, atomicemission spectroscopy, the main part of the analytical routine is still bound to be a classic "wet" chemistry. A perspective way to rise quality of this routine up to the level of modern analytical instruments including an increase of efficiency is using of continuous flow analyzers, already successfully used in ecology studies.
С момента своего зарождения, агрохимические методы анализа почв и растений были методами классической «мокрой» химии, включавшими такие общепринятые на то время лабораторные техники, как кипячение, фильтрование, выпаривание, озоление.
Развитие теории аналитической химии и научно-технический прогресс в области приборостроения привели к созданию аналитического оборудования для использования в самых разных областях хозяйственной деятельности - металлургии, фармацевтике, пищевой промышленности. Отличительными чертами такого прогрессивного аналитического оборудования являются
автоматизация, высокая производительность и приведение работника лаборатории от роли непосредственного исполнителя химического анализа, к роли оператора, находящегося вне аналитической системы, направляющего ход анализа, но не выполняющего лично аналитические операции.
Автоматизация ставит своими целями повышение производительности труда, уменьшение трудозатрат или полное исключение участия человека в выполнении операций, которое делегируется автоматизированной технике [1]. Вышеназванное позволяет исключить ошибки анализа, связанные с «человеческим фактором». Автоматизация аналитических работ целесообразна и с экономической точки зрения - за счет снижения численности персонала лаборатории и/или перераспределения рабочего времени персонала на выполнение других работ, требующих специфических навыков. Также автоматизация химического анализа позволяет стабилизировать качественный уровень выполняемых операций, что особенно важно при выполнении массовых анализов.
Применительно к классическим методам анализа автоматизация может быть частичной, когда автоматизируется только подача анализируемых объектов к детектору. Альтернативный вариант -автоматизация всех стадий анализа, выстраивание «конвейера», выполняющего одна за другой все операции в соответствии с методикой анализа, от стадии отбора жидкой или растворенной пробы, перемещающейся по гидравлической схеме прибора в потоке жидкости-носителя, до стадии прохождения этой аликвоты через систему детектирования и сбора аналитической информации. Впервые идея анализатора, основанная на принципе полной автоматизации, был сформулирована в 1957 году [2]. В том же году компанией «Техникон» был выпущен первый серийный прибор для непрерывного проточного анализа (НПА) с потоком, сегментированным пузырьками воздуха. Позднее, в 1970-х гг., подобные приборы стали выпускаться и другими фирмами с модификациями принципиальной схемы - анализаторы для проточно-инжекционного анализа (ПИА) [3, 4], с периодическим введением в непрерывный несегментированный поток раствора-носителя дискретных порций пробы или приборы с конструктивными схемами, гибридными между НПА и ПИА. Постепенно происходило развитие технических возможностей анализаторов -возрастало количество каналов параллельного определения различных показателей в одной пробе, создавалось для целей проточного анализа все больше видов детекторов. С течением времени, проточные анализаторы, как и другое аналитическое оборудование, были поставлены под управление ЭВМ и ПК, что позволило повысить автоматизацию сбора и обработки результатов анализа и осуществлять метрологический контроль качества выполнения анализов с привлечением специализированного статистического ПО.
Возрастала надежность и производительность проточного анализа, так, если первые модели приборов были одноканальными и при работе на них в течение рабочего дня оператору рекомендовалось регулярно контролировать работу оборудования, то современные модели позволяют проводить параллельное определение свыше десятка параметров в одной пробе в течение рабочего дня и после его окончания, нуждаясь в присутствии оператора лишь на стадии подготовки реактивов и программирования ПО, управляющего работой прибора.
Проточные анализаторы нашли свое применение во всем мире в самых разных отраслях - контроле качества пищевой, табачной, винодельческой, пивоваренной продукции, экологическом контроле загрязненности питьевой и морской воды, промышленных стоков. Это оборудование позволило автоматизировать определение в исследуемых объектах как катионов и анионов (например, ионов аммония, калия, хлора, нитрат-ионов), так и молекулярных веществ (фенолы, альдегиды, сахара, органические кислоты).
Автоматизированные аналитические комплексы по метрологическим характеристикам способны на равных конкурировать с другими
инструментальными методами анализа, такими, как флуориметрия и атомно-эмиссионная
спектрометрия с дугой постоянного тока [5], уступая названным методам в длине линейного динамического диапазона, однако, превосходя их по чувствительности (имея более низкий предел обнаружения) и не испытывая, в большинстве случаев, негативного влияния интерференций присутствующих в почвенных и растительных экстрактах катионов и анионов.
Проточные анализаторы нашли свое место в производственных линейках оборудования большинства фирм-производителей аналитического оборудования. Для нужд аналитической химии сельского хозяйства СССР использовались приборы европейского производства (Техникон, Мединген), первоначально использовавшиеся для
экологического мониторинга окружающей среды, адаптированные для работы в соответствии с государственными стандартами на методы анализа агрохимических объектов и продукции растениеводства, или приборы, разработанные внутри страны специально для целей агрохимического анализа (ЦИАК-П) [6].
Проточные анализаторы стали решением задачи выполнения массовых анализов, снижая их трудоемкость и повышая их производительность. Проточный анализ позволил ответить на возраставшую потребность контроля загрязнения почв, растений, кормов, сельскохозяйственной продукции нитратами, тяжелыми металлами, фтором, и некоторыми другими токсикантами [7]. Вышеназванные причины обусловили
распространение проточных анализаторов в лабораториях Агрохимической службы
Министерства сельского хозяйства СССР. В Центральном научно-исследовательском институте
агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) проводили разработку нормативной документации и модернизацию инструментального оформления для проточного анализа.
В 1990-х гг. использование проточных анализаторов в сельском хозяйстве ограничивалось поддержанием в рабочем состоянии ранее установленных анализаторов, разработка новых методов для этого оборудования также было приостановлено.
В 2011 году в ходе международного сотрудничества, по инициативе ГНУ ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова на базе института совместно с нидерландской компанией Skalar, производителем автоматизированного оборудования для аналитической химии, была организована совместная экспериментальная лаборатория агрохимических анализов. В 2011-2012 гг. в Москве, Ставрополе, Казани и многих других городах, были проведены семинары для руководителей и сотрудников лабораторий центров и станций агрохимической службы, на которых специалистами фирмы <^ка1аг» были наглядно
продемонстрированы возможности замещения морально и физически устаревшего проточного оборудования присутствовавшего в агрохимических лабораториях, на анализатор марки «^ап^». Последний - прибор НПА-типа, за несколько десятилетий существования компании-
производителя, адаптировавшийся для анализа пищевой продукции и сырья в медицинских, экологических и агрохимических (для определения содержания в почвах макро- и микроэлементов в усвояемой растениями и подвижных формах) лабораториях более чем в 60 странах мира. В 2012 году в ходе продолжительной совместной методико-испытательной работы сектора спектроскопии ВНИИАгрохимии и производственной лаборатории SkalarSan++ был адаптирован для выполнения анализа содержания подвижных форм фосфора и калия в почвенных вытяжках в соответствии с методами Кирсанова (ГОСТ 26207-91), Чирикова (ГОСТ 26204-91) и Мачигина (ГОСТ 26205-91). Большая работа была проведена по русификации программного обеспечения ответственного за регистрацию и обработку аналитических данных. В первой половине 2014 года по итогам проведенных на базе экспериментальной лаборатории испытаний, прибор был включен в реестр аттестованных средств измерений РФ и был успешно введен в эксплуатацию в ряде центров агрохимической службы. В настоящее время во ВНИИ агрохимии ведется работа по адаптации прибора «^ап^» для анализа содержания мезо- (Са и Mg) и микроэлементов (Мо, В) в почвенных вытяжках, полученных в соответствии со стандартными (по ГОСТ) методами на определение подвижных форм этих элементов в почве. Апробация методик была проведена в ходе выполнения исследований почвенных образцов, органоминеральных комплексов, отходов продукции животноводства и растениеводства, текстильной промышленности [812].
Таким образом, можно с полным основанием утверждать, что прогрессивный подход проточного анализа к методам «мокрой» химии, пришедший в область сельского хозяйства из сферы экологических исследований, не только не утратил позиций, занятых в составе лабораторного оборудования агрохимического профиля России на конец ХХ века, но и с успехом продолжает расширять область собственной применимости в рутинной аналитической практике России XXI века.
Литература
1. Проточный химический анализ: монография, под ред. Ю. А. Золотова, Наука, М.: 2014. 428 с.
2. L.T. Skeggs, American Journal of Clinical Pathology, 28, 311-322 (1957).
3. J. Ruzicka, E.H. Hansen, Analitica Chimica Acta, 78, 1, 145-157 (1975).
4. K.K. Stewart, G.R. Beecher, P.E. Hare, Analytical Biochemistry, 70, 1, 167-173 (1976).
5. К. Malekani, M.S. Cresser, Communications in Soil Science and Plant Analysis, 29, 3-4, 285-304 (1998).
6. Ю.М. Логинов, Плодородие, 5(68), 38-41 (2012).
7. С.Г. Самохвалов, В.Г. Прижукова, Н.А. Чеботарева, Разработка и усовершенствование методов анализа почв, растений, кормов, вод, в сборнике «30 лет ЦИНАО», 1999. С. 96-102.
8. Е.А. Гришина, М.А. Яшин, И.С. Прохоров, С.Л. Белопухов, Агрохимический вестник, 6, 39-40 (2013).
9. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА, 6, 5-11 (2013).
10. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 4(42), 216-218 (2013).
11. С.Л. Белопухов, Е.В. Калабашкина, И.И. Дмитревская, Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2, 1, 162-165 (2012).
12. В.И. Савич, Ж. Норовсурэн, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, В.В. Гукалов, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 24, 121-127 (2015).
© Е. А. Гришина - к.б.н., старший научный сотрудник ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова, ekategrishina@gmail.com; В. А. Литвинский - заведующий сектором спектроскопии ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова; В. В. Носиков - к.б.н., зав. лабораторией разработки методов анализа почв ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова; С. Л. Белопухов - д. с.-х. н., проф., зав. кафедрой физической и органической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
© E. A. Grishina - PhD, Senior Scientific Researcher All-Russian Research Institute of Agrochemistry, ekategrishina@gmail.com; V. A. Litvinskiy - Head of Spectroscopy Section All-Russian Research Institute of Agrochemistry; V. V. Nosikov - PhD, Head of Laboratory of New Methods of Soil Analyses Development All-Russian Research Institute of Agrochemistry; S. L. Belopukhov -PhD., Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry, Russian Timiryazev State Agrarian University.
