Аналитический сигнал и его измерение

После отбора и подготовки пробы следует стадия анализа (обнаружение компонента и определение его содержания). С этой целью измеряют аналитический сигнал (у). В качественном анализе для обнаружения компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала (появление осадка, окраски, линии в спектре и т. д.). Аналитический сигнал должен быть надежно зафиксирован. В количественном анализе измеряют величину аналитического сигнала (масса осадка, сила тока, интенсивность линии спектра и т. д.). Затем рассчитывают содержание компонента на основании функциональной зависимости: аналитический сигнал (у) — содержание (с): у = /©. Эта зависимость устанавливается расчетным или экспериментальным путем и может быть представлена в виде уравнения, таблицы или графика. Содержание определяемого компонента при этом может быть выражено в единицах массы (г, кг), количества вещества (моль) или через соответствующие концентрации.

При измерении аналитического сигнала учитывают наличие полезного аналитического сигнала (функция содержания определяемого компонента) и аналитического сигнала фона, обусловленного примесями других веществ, мешающих определению основного компонента, а также «шумами», возникающими в измерительных приборах, усилителях и другой аппаратуре. Хотя эти шумы не имеют отношения к определяемому компоненту, но добавляют к нему собственный аналитический сигнал. Задача состоит в том, чтобы максимально снизить величину аналитического сигнала фона и, главное, сделать минимальными его колебания. Обычно аналитический сигнал фона учитывают при проведении контрольного (холостого) опыта, когда через все стадии анализа проводится проба, не содержащая определяемого компонента. Полезным при этом является аналитический сигнал, равный разности измеренного сигнала анализируемой пробы и аналитического сигнала фона. По зависимости аналитического сигнала от содержания определяемого компонента находят его концентрацию в исследуемом растворе. Обычно при этом применяют методы градуировочного графика, стандартов или добавок. Другие методы определения содержания компонента, как правило, являются модификацией трех указанных выше.

Наиболее распространен метод градуировочного графика. Обычно применяют прямоугольную систему координат: по оси абсцисс откладывают независимую переменную (концентрацию с), по оси ординат — функцию у_х (аналитический сигнал). Строят график по данным анализа образцов сравнения с различным и точно известным содержанием определяемого компонента (серия стандартных растворов с концентрациями с_ъ с₂, с₃, с₄). Затем, измерив величину аналитического сигнала в пробе у_х, находят содержание определяемого компонента по градуировочному графику с_х (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Метод градуировочного графика.

В методе стандартов измеряют аналитический сигнал в образце сравнения (эталонном образце) с известным содержанием компонента и в анализируемой пробе:

где S — коэффициент пропорциональности.

Если определенное в идентичных условиях значение S заранее известно, то проводят расчет по уравнению: с_х = у_х / S. Обычно применяют соотношение.

При определении малых количеств компонента следует учитывать влияние матрицы образца на величину аналитического сигнала. Для этого применяют метод добавок. Отбирают п порций (проб) анализируемого раствора (1, 2, 3, п). В пробы (2, 3, …) вводят известные, возрастающие количества определяемого компонента и измеряют аналитический сигнал. По данным измерений строят график в координатах: аналитический сигнал — содержание определяемого компонента; за условный нуль принимают содержание определяемого компонента в пробе 1 без добавки. Экстраполяция (продолжение) полученной прямой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, расположенный влево от условного нуля координат, величина которого в выбранном масштабе и единицах измерения соответствует искомому содержанию (с_х) определяемого компонента (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Градуировочный график для определения содержания компонента методом добавок.

Методы стандартов и добавок применимы для линейной градуировочной функции. Метод градуировочного графика допускает использование как линейной, так и нелинейной функции «аналитический сигнал — содержание компонента». При нелинейной зависимости требуется большое число экспериментальных данных и результат определения содержания компонента, как правило, менее точен.

Методы анализа с использованием образцов сравнения — это так называемые относительные методы анализа. Абсолютных (безэталонных) методов в аналитической химии немного, например гравиметрия, прямая кулонометрия, некоторые варианты радиохимических методов.

Образцы сравнения для относительных методов анализа готовятся из химически чистых, устойчивых во внешней среде веществ известного состава (стандартные вещества). Образцы сравнения готовят в специальных лабораториях, где содержание компонента устанавливают разными методами, на различных приборах, многими аналитиками. Наиболее надежные результаты получают, когда образцами сравнения являются стандартные образцы (СО), состав и свойства которых достоверно установлены и официально аттестованы специальными государственными метрологическими учреждениями.

При проведении анализа обычно не ограничиваются единичным определением. Данные повторных измерений обрабатывают статистически. Необходимость повторности обусловлена тем, что изучаемый показатель неодинаков для различных исследуемых объектов, например растений, даже для тех, которые выращиваются в одинаковых условиях. Таким образом, большинство изучаемых количественных показателей являются переменными. Изменение этих переменных величин называется вариацией (дисперсией). Вариация является случайной величиной. Следовательно, по одному показателю нельзя сделать вывод о том, какое значение изучаемого признака свойственно данным растениям. Поэтому ставят опыты не с одним, а с несколькими растениями, т. е. производят выборку растений (выборочная совокупность). Естественно, чем больше выборка, тем точнее полученные результаты. Наиболее точный результат возможен, когда в качестве выборки используется вся совокупность растений. Такая совокупность называется генеральной. Случайные величины (варианты) в соответствии с законом нормального распределения Гаусса колеблются около среднего значения.