Аналитическая химия сегодня

В настоящее время можно анализировать сложнейшие многокомпонентные смеси. Одновременное определение 30−40 и более элементов в образце, причем при низких концентрациях, до 10^-5-10^-8 %, достигается, многими методами.

Есть возможность определять очень низкие концентрации веществ. Впрочем, в ряде случаев можно определять чрезвычайно низкие концентрации и ничтожно малые количества компонентов.

Даже в случае устоявшихся методов осуществляются скачки, имеющие своим результатом существенное, иногда резкое снижение минимальных и надежно определяемых концентраций.

На протяжении веков провести химический анализ означало определить валовое, общее содержание данного компонента в образце. В настоящее же время проведение таких анализов весьма и весьма незначительно.

Аналитическая химия создала, создает методы и средства такого распределительного или локального анализа. В результате, в полупроводниках определяют примеси слой за слоем с разрешением до 0,1 мкм.

В настоящее время во многих случаях есть возможность не просто определить концентрацию компонента, но и получать сведения о том, в каких формах он присутствует и каково содержание этих отдельных форм. Многие лекарства представляют собой рацемические смеси, а лечебным действием обладает только один изомер, значит, надо уметь определить один изомер на фоне другого.

Пример — формы мышьяка или хрома; их разные состояния окисления имеют совсем не одинаковую токсичность. Определение общего содержания хрома в воде мало что дает, ибо хром (VI) более токсичен по сравнению с хромом (III). Ртуть в водах может быть в очень разных формах, из них наиболее токсичны метили диметилртуть. Задача такого анализа — его теперь называют вещественным — решается часто сочетанием разделения, «отдельных форм» хроматографией и электрохимии с последующим определением отдельных форм. Это паллиативное решение, в идеале необходимо прямое обнаружение и определение отдельных форм.

Студентов всегда учили разлагать пробы — растворением в кислотах, щелочных, сплавлением и другими способами. Однако во многих случаях можно провести анализ без разрушения образца. Это очень нужно и важно. Никто ведь не позволит забрать какую-либо вещицу, скажем, скифского золота, чтобы определить примеси в этом металле и тем самым точнее оценить место его получения.

Современная аналитическая химия дает возможность проводить химический анализ без прямого контакта оператора с анализируемым образцом. Проще говоря, на расстоянии (дистанционный анализ).

Эти и многие другие возможности сегодняшней аналитической химии обеспечены в значительной степени созданием новых и совершенствованием известных методов химического анализа, разработкой средств для этого, чему и посвящена деятельность профессиональных аналитиков всего мира.

Классические или ставшие такими химические и некоторые другие массовые методы (титриметрия, фотометрия, электрохимические и др.) автоматизируются для широкомасштабного применения, сочетаются с современными приемами (гибридные методы) регистрации и обработки аналитических сигналов.

Есть несколько общих для всех методов и направлений развития. Это, автоматизация и компьютеризация. Это гибридизация, объединение, тесное сочетание различных методов: разделение с последующим определением, как в случае современной хроматографии и электрохимии пробоподготовки с определением, как это сделано в проточно-инжекционном анализе или нескольких методов определения; примером могут служить приборы-комбайны для анализа поверхности, включающие, электронный зонд и рентгено-электронную спектроскопию. Это миниатюризация, за которой большое будущее.

Выходы могут быть найдены. На то, в конце концов и существуют научные работники и существует наука, чтобы находить нестандартные, может быть, совершенно неожиданные решения, выходить из, казалось бы, безнадежных ситуаций.

Степень загрязненности воды окисляющимися веществами оценивают с помощью показателя, так называемого химическим потреблением кислорода; его определяют по расходу окислителя — обычно дихромата; этот расход, пропорционален степени загрязненности воды органическими веществами. Определяют также сумму тяжелых (особенно токсичных) металлов, суммарное содержание полиароматических углеводородов. Если эти определения дают положительный результат, а в случае необходимости и при желании, заняться определением индивидуальных соединений.

Мы приблизились к идее скрининга, двухступенчатого анализа, на первом этапе которого отбраковываются пробы, не содержащие искомого компонента. При реализации такого подхода на первой стадии могут быть использованы упрощенные и относительно дешевые методы. Скрининг экономит много труда, времени и реактивов. Ведь число анализируемых проб сокращается до минимально возможного, а иногда и очень резко.

Обеспечению массовости анализа способствует унификация применяемых методик. Тщательно отобранные, многократно проверенные, «отлаженные» методики, используемые повсеместно, облегчают снабжение приборами или реактивами, облегчается обучение операторов и сопоставление результатов анализа.

И снова мы подошли к новой возможности, к еще одному способу «выхода из создавшегося положения». Это уход анализа из лаборатории, переход к внелабораторному анализу. В самом деле, ведь использование — со времени алхимиков и до наших дней — специально оборудованной лаборатории, в принципе, отнюдь не обязательно; в значительной степени использование лаборатории — мера вынужденная; ведь химические операции всегда были связаны с расходом и выделением плохо пахнущих или вредных веществ, применением громоздкого оборудования и силового тока требовались меры безопасности. Однако по мере развития методов анализа и средств их осуществления нужда в лаборатории уменьшается. Есть и другая, еще более важная сторона дела: огромный рост потребностей во внелабораторном анализе, анализе «в поле» .

Да и сейчас множество определений делается не в лаборатории (определение СО в выхлопных газах, метана в угольных шахтах: содержание сахара в крови, диабетики определяют теперь сами; дистанционный анализ космических объектов — внелабораторный «по условию»). Есть анализы, которые в принципе нельзя проводить в условиях лабораторий, либо они бессмысленны: многие объекты настолько лабильны, что их проанализировать можно только на месте и в режиме реального времени; а пример «бессмысленности» — обнаружение в условиях войны боевых отравляющих веществ в далеко расположенной лаборатории.

Наметился еще один довольно свежий подход: использования приемов хемометрики. Это область науки, пограничная между химией — прежде всего аналитической — и математикой, а также теорией информации. При анализе сложных смесей очень эффективным оказывается многомерный регрессионный анализ, принципиально новый подход к градуированию. Или другой хемометрический подход — распознавание образов. В этом случае меняется сама проведения химического анализа, здесь мы вообще отказываемся от «покомпонентного анализа» .

Заметной тенденцией является миниатюризация анализа, аналитических систем и приборов. Вообще говоря, уменьшение навесок, аликвот и устройств для анализа — перманентная тенденция развития аналитической химии. Довольно быстро в свое время осуществился, переход от макромасштабов «мокрого» химического анализа к полу-микрои микроанализу. В середине прошедшего столетия были разработаны методы и техника ультрамикрохимического неорганического анализа под микроскопом, затем уникальные средства, электрохимического анализа биообъектов микроскопических размеров.

При миниатюризации преследуется несколько целей. Приборы могут стать транспортабельными, в том числе переносными, а также карманными для использования «в поле». Но портативные приборы имеют преимущества и в обычных лабораториях, так как занимают меньше места, потребляют меньше энергии, реактивов и самих анализируемых веществ: к тому же маленькие приборы обычно дешевле крупногабаритных и легче в обслуживании. Мы видим, стремление к миниатюризации хроматографов полярографов и других приборов.

Необходимо отметить создание карманного типа минианализаторов для определения одного и нескольких веществ. Это уже массовые приборы, при анализе воздуха рабочей зоны или при обследовании водных источников. Методика в них «зашита», обычно в приборе заложена также и градуировочная характеристика, то есть градуировка при работе не требуется. Управление прибором, если это можно называть управлением — простейшее; иногда просто нужно нажать одну кнопку и увидеть результат анализа на дисплее. Цена таких приборов очень невелика — обычно от 50 до 500 долларов.

Для анализа водных сред таких приборов тоже немало, но их возможности более ограниченные — это определение рН, растворенного кислорода, общей концентрации твердых частиц, электропроводности и еще ряда параметров.

Здесь еще много проблем, особенно в создании миниатюрных детекторов, но и будущее просто захватывающее. Одна из общих тенденций связана с изменением подходов, разработке и использованию аналитических приборов, послуживших необходимым средством реализации современных инструментальных методов. Общий прогресс науки и техники быстро находит отражение в сфере создания аналитических приборов и установок.

При недавнем составлении «планов» на ближайшие годы для науки Республики Узбекистан обсуждались следующие задачи (многие из них уже как-то упоминались выше): миниатюризация анализа, особенно разработка универсальных аналитических приборов и простых анализаторов на микроэлектронных чипах, с использованием микрофлюидных и других систем; интенсивное развитие методов и средств внелабораторного («полевого») химического анализа; в частности, создание эффективных и простых в использовании инструментальных средств оперативного обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков с целью замены собак; использование достижений математики и теории информации (хемометрики), в частности для перехода от обычного «покомпонентного» анализа к оценке обобщенных показателей, к распознаванию образов: экспертные системы; развитие «электронного носа» и «электронного языка»; разработка приемов многопараметрического градуирования; дальнейшее развитие методов и средств распределительного (локального), непрерывного (в потоке), дистанционного (на расстоянии) и неразрушающего анализа; создание принципиально новых средств химического анализа, основанных на использовании нанотехнологий, в том числе непрерывно действующих химических сенсоров; расширение исследований по совершенствованию анализа биомедицинских объектов, с целью медицинской диагностики и идентификации личности; дальнейшее развитие и совершенствование спектроскопических, масс-спектрометрических, хроматографических, электрохимических, оптических и других методов анализа, а также специальных методов исследований поверхности почв и других объектов.