ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
АТРИБУТ ЦИВИЛИЗАЦИИ
Академик Юрий ЗОЛОТОВ, заведующий кафедрой аналитической химии Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, главный научный сотрудник Института обшей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Все сущее из чего-то состоит. Химический анализ позволяет определить из чего именно, да еще -в каких соотношениях присутствуют компоненты, сколько каждого из них. Изучение состава веществ и материалов - атрибут цивилизации. Еще в незапамятные времена оценивали пригодность руд для получения меди или железа, определяли чистоту золота и серебра. На протяжении веков именно анализ приводил к открытию новых химических элементов. Но это - история. Нам же интересно знать, какую роль он играет сейчас, каковы его нынешние возможности.
АНАЛИЗ БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦА
Какими пигментами окрашен бюст египетской царицы Нефертити (ок. 1338 г. до н. э.), ведь они не потеряли яркости за тысячелетия? Ответ на вопрос может дать химический анализ. Но никто не позволит отколоть от самого известного экспоната, находящегося в Старом музее в Берлине (Германия), хотя бы маленький кусочек или же взять частицу красящего слоя! А криминалисты не разрешат растворить в кислоте и проанализировать ценнейшую улику даже в том случае, если ее химический состав будет служить прямым
доказательством. Пробу золота или серебра в ювелирных изделиях желательно определять без разрушения образца. И таких задач - сотни. Значит, нужно проводить исследование недеструктивными способами. Есть ли такие?
Замечательными возможностями обладает рентге-нофлюоресцентный метод. Объект подвергают рентгеновскому облучению, а фиксируют испускаемое им вторичное, дочернее излучение. Длины его волн — разные для каждого элемента, а интенсивность характеризует их количество. Соответствующие портативные,
Портативный рентгенофлюоресцентный спектрометр «Парс», разработанный санкт-петербургской фирмой "Научные приборы».
ручные приборы позволяют практически мгновенно определить, например, тип сплава. Более мощные лабораторные, выпускаемые, к примеру, в Санкт-Петер-бурге фирмами «Буревестник» и «Спектрон», одновременно фиксируют до нескольких десятков химических элементов.
Строение молекул органических соединений можно оценить - и тоже, конечно, без разрушения пробы -методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Он сложный, не дешевый, однако обладает широкими возможностями дня идентификации вещества. Такими современными спектрометрами оснащены многие российские лаборатории, особенно исследовательских учреждений.
ЕСТЬ ЛИ ПРЕДЕЛ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АНАЛИЗА?
Потребность в высокочувствительных химических анализах, под которыми понимают возможность обнаружить и оценить малые количества вещества или его чрезвычайно низкие концентрации, всегда была исключительно велика.
Остроту проблемы определения ничтожных примесей впервые осознали в период освоения атомной энергии*. Так, в уране для ящерных реакторов нужно было тщательно контролировать содержание — притом очень низкое! — элементов, поглощающих нейтроны (кадмия, бора), некоторых редкоземельного ряда. Пришлось разрабатывать — и нам, и американским специалистам — соответствующие методы. Позже они стали играть важную роль в развитии полупроводниковых материалов, ставших основой электроники. Еще в 1972 г. группе московских химиков-аналитиков присудили Государственную премию СССР за разработку методов анализа веществ высокой степени чистоты.
Ныне актуальна проблема определения содержания диоксинов** в биологических или других объектах. Об этих чрезвычайно токсичных веществах теперь хорошо известно даже широкой публике, особенно после отравления президента Украины Виктора Ющенко. Ну а до этого они были в центре внимания в связи с использованием американцами во Вьетнаме дефолиантов, содержащих примесь диоксинов. Сейчас их определяют фактически одним методом — масс-спектро-метрическим, да еще с высоким разрешением. Столь сложные, длительные, дорогие, но на редкость чувст-
вом.: М. Хализева. Бомба, изменившая мир. — В этом номере журнала (прим. ред.).
**См.: А. Гречко. Как победить диоксин? — Наука в России, 2001, № 3 (прим. ред.).
Спектроскопическими методами определяют концентрации многих газов.
Каждый поглощает излучение в узком диапазоне длин волн.
Диодные лазеры, основанные на использовании различных материалов, «ловят» нужный участок поглощения.
Quantum Cascade Lasers
InSbAs ------
InSbPAs""
A1 InSbAs PbSnScTe_
AlGaSbAs
CialnPAs PbSnSc
AlUaAs ™™ I : АЮаШР— A'BS PbSnTc
GaN VCSFI ^
- PbSSc
^—A'B' VB6
Комнатная температура
—5*4—ft-1-5-1—5-1-ft-Й-ЗГ^о1
Длина волны, ¡1
с участием Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, разделяет разные физические формы химических элементов, присутствующие, например, в природных водах.
вительные анализы делают лишь в немногих лабораториях. Одна из них — в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН в Москве.
В последние годы новейшие физические методы химического анализа позволяют обнаруживать вещества в чрезвычайно низких концентрациях и исключительно малых количествах, более того — находить и идентифицировать единичные молекулы или ионы! В складывающейся новой научной области, названной «Химия отдельных молекул», этот подход занимает существенное место.
Однако низкие концентрации можно определять и обычными, распространенными способами, причем практически в любой аналитической лаборатории. Для этого микрокомпоненты предварительно концентрируют, допустим, поглощением их на активированном угле, затем анализируют, например, спектральными методами. Такие приемы, основанные прежде всего на выделении и концентрации неорганических и органических соединений с использованием различных сорбентов, разработаны на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Одно условие: эти «поглотители» должны быть удобны для последующего анализа, пусть упомянутым уже рентгенофлюоресцентным методом.
Конкретный пример. Кадмий и свинец принадлежат к тяжелым, весьма токсичным металлам. Из почвы они могут попасть в растения, затем - в пищевые про-
дукты, поэтому важно осуществлять контроль за их содержанием. На кафедре аналитической химии МГУ созданы чувствительные методы определения указанных элементов в почвенных вытяжках. Сначала их концентрируют на разработанном у нас эффективном сорбенте «Детата», затем полученные материалы анализируют атомно-абсорбционным или атомно-флюо-ресцентным способами. Оказалось: за счет данной комбинации можно определять очень низкие концентрации кадмия и свинца.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Еще в конце ХГХ в. спектральными методами открыли на Солнце гелий. Позже на основании дистанционного анализа получили обширные данные о составе пород или атмосфер (где они есть) Луны, причем ранее доставки грунта на Землю, Венеры, Марса, других планет и их спутников. Аналогичные подходы используют и для изучения «земных» объектов. Возьмем, к примеру, реакторы с неприятными химическими или опасными радиоактивными веществами. К ним и подхо-дить-то нежелательно, не говоря об отборе проб для аналитического исследования! В таких случаях состав определяют с почтительного расстояния, устанавливая внутрь реактора датчики, «настроенные» на оценку содержания того или иного компонента и передающие сигналы на контрольный пункт.
Схема расположения автоматизированных постов контроля за чистотой воздуха в Москве.
Еще один объект дистанционного анализа — вода на больших глубинах, и, в частности, весьма интересующие океанологов и геохимиков так называемые плюмы — выбросы богатых разными элементами гидротермальных жил на дне океанов («черные курильщики»)*. В идеале их надо анализировать на месте, поскольку при доставке проб на поверхность лабильные образцы могут менять состав. Определенную роль здесь (как, кстати, и в космических исследованиях) играет, в числе прочих, ядерно-физический анализ.
ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЕЩЕСТВА И РАСПОЗНАНИЕ ЕГО ФОРМ
Ртуть, как известно, ядовита, особенно неприятны ее пары. В воде же она может присутствовать в разных формах — в виде простого катиона, соединений с гуминовыми кислотами, метилртути, диметилртути и т.д. Причем токсичность каждой из них различна. Самые вредные те, что содержат метильную группу. Вот почему мало знать, сколько ртути, скажем, в реке Катунь — надо обнаружить и количественно определить разнообразные соединения этого элемента. Сходными свойствами обладают хром и мышьяк. Их различные валентные состояния — хром(Ш) и (VI), мышьяк(Ш) и (V) — проявляют разную токсичность. И снова встает та же задача распознания этих форм.
Да и в случае с органическими соединениями мы нередко сталкиваемся с необходимостью разделить, идентифицировать, количественно определить различные изомеры, в том числе оптические. Они, например, отличаются по фармацевтической активности. И не только. Мы говорим о химических формах веществ, но те, что интересуют нас, могут присутствовать и в разных физических состояниях — растворенном, коллоидном, адсорбционного закрепления на частицах, а также газообразном, аэрозольном и т.д. Химический анализ, имеющий дело с обнаружением форм существования веществ и их количеством, называют вещественным анализом. Им занимаются — и не без успеха! — в российских исследовательских институтах, вузах. Из применяемых для данной цели методов наиболее распространены электрохимические, хроматографические, спектроскопические.
В Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН созданы методы определения «физических» форм химических элементов в природных водах, разделения разного рода частиц. На кафедре аналитической химии МГУ разрабатывают хроматографические приемы разделения оптических изомеров органических, прежде всего биологически активных, соединений. Для этой цели подыскивают специальные сорбенты — так называемые хиральные селекторы.
*См.: В. Алексеев, Н. Алексеева. Эльбрус просыпается?.. — Наука в России, 2008, № 1 (прим. ред.).
АНАЛИТИК СПИТ, АНАЛИЗ ИДЕТ
Каждый день специалисты делают миллионы анализов, определяя, например, количе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.