Количественные химические измерения в полевых условиях: новые технические решения и подходы
Муравьев А.Г., к.х.н.
С.-Петербург
Научно-производственное объединение «ЗАО «Крисмас+»
Статья посвящена проблемам разработки методик выполнения измерений концентрации важных химических компонентов в воде на основе тест-комплектов. Аттестованные методики вместе с необходимым оборудованием представляют собой применимый в полевых условиях измерительный комплекс. Приводятся результаты работ, рассматриваются вопросы их внедрения.
Выполнение химического анализа методами, относимыми к методам «мокрой химии», в полевых условиях всегда рассматривалось специалистами как полуколичественные определения. К полевым относят условия, в которых у оператора отсутствует централизованное электро- и водоснабжение [1]. К полевым условиям часто относят просто отсутствие достаточной оснащенности лабораторий, что характерно для малых и средних производственных предприятий и образовательных учреждений.
Значительный интерес со стороны специалистов, а также образовательных учреждений и общественных объединений к практической оценке показателей качества природной и питьевой воды в полевых условиях, привели к созданию ряда методик анализа воды [7], применимых в полевых условиях и обеспеченных соответствующей продукцией [9]. В современных условиях к средствам химического контроля, приме-няемых для определения уровней содержания химических веществ в пробах воды и почвенных вытяжках, может применяться широко представленная на рынке продукция – различные тест-системы, тест-комплекты, полевые лаборатории. Соответствующие методики анализа в той или иной степени являются модификациями широко известных среди специалистов унифицированных методов анализа (см., например, [8]), и различных нормативно-технических документов – ПНД Ф…, РД 52…, аттестованных методик выполнения измерений (МВИ) и т.п. Следует отметить, что если практически все тест-системы являются средствами сигнального (неколичественного) анализа, то тест-комплекты и полевые лаборатории имеют потенциально значительный «измерительный потенциал». Так, заложенные в них титриметрические методы расчетным или иным путем приводят к числовому значению измеряемой величины; колориметрические методы можно использовать как в визуально-колориметрическом варианте (с использованием цветовой шкалы), так и в приборном варианте. Проблема использования тест-комплектов и полевых лабораторий для количественного химического анализа проб воды в нашей стране долгое время сдерживалась, во-первых, из-за отсутствия на отечественном рынке портативных и надежных полевых фотоколориметров, и, во-вторых, из-за отсутствия соответствующих аттестованных МВИ, «узаконивающих» использование полевых методик для измерений . Работами специалистов Российских научно-производственных компаний оба препятствующих фактора были преодолены.
Так, в связи с появлением на российском рынке нескольких типов портативных полевых фотоколориметров появились возможности выполнения количественных оп-ределений с применением колориметрических методов, заложенных в полевые лабора-тории и тест-комплекты [3, 10]. Что касается разработки МВИ для химического анализа в полевых условиях и их метрологической аттестации, то и эта задача оказалась выпол-нимой. Несмотря на наличие действующего (на момент подготовки к публикации дан-ной статьи, т.е. на май 2010 г.) ГОСТ 24902 [1], среди нормативно-технической доку-ментации на выполнение химических измерений нет аттестованных МВИ для полевых условий. Речь может идти лишь о применимости тех или иных ранее аттестованных МВИ к полевым условиям, однако многих, заинтересованных в выполнении изменен-ий в полевых условиях, такая практика удовлетворить не могла, т.к. описания МВИ содержат лишь алгоритм анализа и перечень средств оснащения (оборудования, средств измерений). Подборка же необходимых средств оснащения и расходуемых материалов для анализа ложилась на плечи оператора и оказывалась подчас сложной и трудновыполнимой (если вообще выполнимой) задачей. Кроме того, МВИ, предназначенные для применения в лабораторных условиях, как правило, не могут применяться в полевых условиях из-за несоблюдения предписанных данными МВИ условиями выполнения измерений. Таким образом, очевидной стала потребность в разработке МВИ, обеспеченных всем необходимым для реальных измерений в полевых условиях. Важно, что методология "МВИ" предполагает детальное исследование и регламентацию методики на стадии ее разработки и аттестации, имея ввиду последующее применение методики (с установленными метрологическими характеристиками) персоналом невысокой квалификации, в том числе, и в полевых условиях.
Специалистами производственно-лабораторного комплекса ЗАО «Крисмас+» проведена серия экспериментов, позволивших построить градуировочные характери-стики, рассчитать угловые коэффициенты и определить диапазоны измерений, с опре-делением областей линейности градуировочных характеристик, при использовании тест-комплектов в комплексе с фотоколориметром «Экотест-2020(8)» производства НПФ «Эконикс» и фотометром «Эксперт-003» производства ООО «Эконикс-Эксперт».. Общая методика построения градуировочных характеристик соответствовала принятой в фотометрическом анализа [4].
Пример градуировочной характеристики, построенной для методики определения ортофосфатов в воде (на основе тест-комплекта «Ортофосфаты»), приведен на рисунке. Данное изображение, характерное и для других компонентов, получено в интерфейсе программы управления данными фотоколориметра «Экотест-2020(8)» при его использовании в режиме подключения к персональному компьютеру (программа при-лагается к фотоколориметру).
Из приведенных на рисунке данных следует, что данная градуировочная характеристика практически линейна в диапазоне концентраций до 6,0 мг/л, подчиняясь из-вестному уравнению типа
у=ах+в,
причем систематическая составляющая «в» достаточно мала, хотя и имеет значимую величину. Возможность визуализации градуировочной характеристики, обеспе-чиваемая при измерениях ортофосфатов и других компонентов в воде с применением программного обеспечения фотоколориметра «Экотест-2020(8)», позволяет выявлять грубые ошибки и в то же время является удобной для оператора. Оценка сходимости данных при построении градуировочных характеристик показала удовлетворительный коридор ошибок, не влияющий значимым образом на погрешность измерений в вы-бранном диапазоне концентраций.
Данные, полученные для ряда методик на основе соответствующих тест-комплектов и полевых лабораторий (определение алюминия, аммония, гидразина, фор-мальдегида, фосфатов, хлоридов и др.) позволили начать большую работу по государ-ственной метрологической аттестации МВИ, разработанных для колориметрических и титриметрических методов анализа, с участием ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделее-ва».
Характерно, что в название МВИ вводится главный признак ее практической применимости и обеспеченности соответствующим оборудованием – то, что МВИ на основе конкретного тест-комплекта (см., например, [5, 6]). Кроме того, учитывая необ-ходимость малых объемов проб и др. факторов удобства для полевых условий, диапа-зон измерений аттестуемых полевых МВИ, находясь в соответствии, в основном, с тре-бованиями ГОСТ 27384-2002 [2], все же не охватывает минимальные определяемые концентрации (что не противоречит данному ГОСТу). Наконец, выполнение произво-дителем комплекса работ по созданию и метрологической аттестации полевых МВИ крайне благоприятно сказывается на качестве и потребительских свойствах тест-комплектов и полевых лабораторий, т.к. расширяет области их применения и приводит к совершенствованию системы контроля качества выпускаемых изделий для полевого химического анализа.
На момент публикации данной статьи, две аттестованные МВИ [5, 6] внесены в Федеральный реестр методик, применяемых в сферах распространения государствен-ного метрологического контроля и надзора, за №№ ФР.1.31.2009.06499 и ФР.1.31.2009.06500.
Таким образом, результаты проведенной работы позволяют обеспечить опреде-ление показателей качества воды в полевых условиях в соответствии с требованиями Государственного экологического контроля и в полном объеме задач количественного химического анализа, что позволяет эффективно работать с производтмой продукцией в полевых и лабораторных условиях различным группам потребителей, включая опе-раторов, не имеющих профессиональной химико-аналитической подготовки.
Список литературы
[1]. ГОСТ 24902-81. Вода хозяйственно-питьевого назначения. Общие требова-ния к полевым методам анализа
[2]. ГОСТ 27384-2002. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств.
[3] Красный Д.В., Бару В.М. Новые аналитические приборы для фотометрии се-рии «ЭКОТЕСТ®» производства НПП «ЭКОНИКС». В: Экологические системы и приборы. №10 (2007 г.), стр. 25-27.
[4]. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органиче-ских соединений.–М.: «Химия», 1970.
[5]. МВИ-01-190-09. МВИ массовой концентрации железа общего в пробах питьевой и природных вод фотоколориметрическим методом на основе тест-комплекта «Железо». Свидетельство об аттестации № 242/32-2009 от 01.06.2009 г. ЗАО «Крис-мас+», 2009.
[6]. МВИ массовой концентрации хлоридов в пробах питьевой и природных вод аргентометрическим методом на основе тест-комплекта «Хлориды». МВИ-02-144-09. Свидетельство об аттестации № 242/75-2009 от 06.10.2009 г. ЗАО «Крисмас+», 2009.
[7]. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды по-левыми методами. 3-е изд., доп. и перераб. – СПб.: «Крисмас+», 2004. – 248 с.
[8]. Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. Методы исследования качест-ва воды водоемов / Под ред. А.П. Шицковой. – Изд.2-е, перераб. и дополн.– М.: Меди-цина, 1990.– 400 с.
[9]. Средства оснащения современного экологического практикума: Каталог-справочник / Сост. А.Г. Муравьев, Б.В. Смолев, А.А. Лавриненко.– Под ред. А.Г. Му-равьева. – 4-е изд., доп. и перераб. – СПб.: Крисмас+, 2004. – 208 с..
[10]. Шорин С.В., Зайцев Н.К., Юрицын В.В. Определение интегральных параметров состава растворов фотометрическим методом // Тез. докладов семи-нара «Современные методы пробоподготовки в экологических анализах». Орг. НП «Росхимреактив», ЗАО «МВК» при содействии ЗАО «СКБ Хроматэк». Мо-сква, 22 апреля 2009. С. 16-23.