ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 10, с. 1011-1025
= ОБЗОРЫ :
УДК 543:54.412.2
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЦВЕТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
© 2015 г. В. М. Иванов1, О. В. Моногарова, К. В. Осколок
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 3 1Е-таИ: mvonavi@mail.ru Поступила в редакцию 17.12.2014, после доработки 02.04.2015 г.
Систематизированы и проанализированы литературные данные о применении цветометрического метода в аналитической химии за последние 15 лет. Акцентировано внимание на аналитических аспектах цветометрического метода, рассмотрении его возможностей и перспектив использования в аналитической химии, новых вариантов измерения аналитического сигнала.
Ключевые слова: химическая цветометрия, аналитические реагенты, тест-методы.
Б01: 10.7868/80044450215100114
С каждым годом к методикам анализа объектов окружающей среды предъявляют все более жесткие требования. Это касается не только метрологических характеристик, но и экономичности анализа с учетом повсеместности и регулярности его выполнения. Ситуацию часто усложняет отсутствие дешевых средств измерения, полноты показателей аттестации. Число определяемых компонентов постоянно увеличивается, диапазоны содержаний расширяются как в область малых, так и больших значений. Тест-методы [1, 2] на определенном этапе позволили решить ряд важных задач, о чем свидетельствуют результаты регулярно проводимых Всероссийских конференций, в том числе с международным участием [3—16].
Несмотря на то, что тест-методы анализа в основном соответствуют необходимым метрологическим требованиям [1, с. 15], в ряде случаев чувствительность этих методов недостаточна для выполнения определений, а использование многочисленных методов отделения, разделения и концентрирования (сорбционных, экстракционных, хроматогра-фических) значительно снижает экспрессность и резко удорожает анализ. Частично эти проблемы можно решить предварительным модифицированием носителей и с применением новой тест-формы. Представляется целесообразным совершенствование тест-методов использованием новых тест-средств измерения и новых подходов к выбору сигнала. К таким подходам следует отнести химическую цветометрию [17].
Обзор [17] подводил итоги использования цветометрического подхода за 15 предыдущих
лет (до 2001 г.), поэтому представляет интерес обсуждение и сопоставление результатов за 15 последующих лет.
Цветометрия — наука о способах измерения цвета и его количественном выражении. Методы измерения цвета с использованием компьютерной обработки данных широко применяют в различных областях науки и техники: в материаловедении, химии пищевых продуктов [18—21], текстильной [22, 23], стекольной [24], лакокрасочной [25], полиграфической [26] и фармацевтической [27, 28] промышленности. Областей применения цветометрических методов настолько много, что их сложно перечислить. Особое внимание следует обратить на использование цветометрии в аналитической химии. Суть цветометрического метода заключается в расчете цветовых характеристик на основе имеющихся спектральных параметров химических систем; метод позволяет различать спектрально близкие вещества и получать новые данные о них. В связи с этим заслуживает внимания вопрос об областях применения данного метода, его аналитических возможностях, преимуществах и ограничениях, новых способах измерения аналитического сигнала.
За последние 15 лет опубликовано более 200 работ, посвященных развитию и совершенствованию цветометрического метода. Среди них — оригинальные статьи и монографии по созданию новых систем визуального детектирования и обработке изображений. За указанный период опубликован только один обзор [18], посвященный цветометрическому методу, в котором проведен наукометрический
анализ тенденций развития химической цвето-метрии за последние 20 лет, позволяющий прогнозировать устойчивый интерес к подходам метода цветометрии на протяжении ближайших 10 лет. Среднее число публикаций составляет ежегодно 50—60. В 2010—2012 гг. наблюдался подъем до 100—130 публикаций в год. Выделены основные направления применения химической цветомет-рии, доказан ряд преимуществ цветометрического метода перед классическими физико-химическими методами исследования в практике химического анализа. Отмечены возможности использования цветометрических функций при создании сорбционно-цветометрических и экстракционно-цветометрических методик количественного анализа, а также для создания полуколичественных визуально-цветометрических тест-систем. Отмечена устойчивая тенденция увеличения числа цве-тометрических методик количественного анализа, связанная с расширением областей применения цветометрии и разнообразием природы анализируемых объектов. Принципиальное отличие настоящей работы от обзора [18], опубликованного в 2014 году, — акцентирование внимания на аналитических аспектах цветометрического метода, рассмотрение его возможностей и дальнейших перспектив использования в аналитической химии.
Математическое описание результирующего цвета можно представить в виде суммы определенных количеств трех линейно независимых цветов [1, 29]. В соответствии с методикой расчета различают два основных способа определения цвета. Цветовые координаты вычисляют либо по известному спектральному составу излучения определяемого вещества (спектру поглощения, излучения и т.п.), либо по числу отдельных компонентов цвета в смеси на основании общей функции сложения цветов. Каждый из способов расчета с успехом применяют для разработки портативных цветоизмери-тельных приборов, в спектрофотометрическом титровании, для характеристики форм существования органических реагентов (в том числе, индикаторов, используемых в различных титримет-рических методах).
Наиболее перспективным направлением является использование цветометрии при проведении химического анализа на основе доступной бытовой и офисной техники. Речь идет о создании тест-методов анализа с использованием офисных планшетных сканеров и фотокамер смартфонов [30—35]. К достоинствам указанных методов следует отнести простоту, экспрессность, высокую чувствительность и селективность, невысокую стоимость. В настоящее время цветометрия находится на пути развития и становления в качестве самостоятельного аналитического метода для изучения кислотно-основных свойств органических реагентов [36—40], при исследовании их состояния в растворе и в фазе сорбента [41—43], для повышения чув-
ствительности определения ионов металлов при комплексообразовании с широко известными органическими [44—48] и неорганическими [49, 50] аналитическими реагентами, в том числе с применением пенополиуретана [51—53].
Химическая цветометрия. В сентябре 2014 г. кафедра аналитической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова отметила 85-летие со дня образования. В связи с юбилеем выпущена монография [54], в которой обсуждены успехи сотрудников в разработке тест-методов, концентрировании с применением пенополиуретановых сорбентов, использовании и синтезе новых органических реагентов и т. п. Принято решение обобщить работы по цветометрии в виде отдельной публикации в периодическом издании, что и сделано в настоящей работе.
Химическая цветометрия (термин введен впервые в работе [17]) — современный метод анализа, нашедший широкое применение в материаловедении, промышленности, экологии и др. областях. В основе метода химической цветометрии лежит измерение различных характеристик цвета и установление их корреляций с содержанием определяемых веществ в анализируемых объектах. Использованный нами прибор Спектротон (ОКБА, Чирчик) позволяет не только регистрировать спектры поглощения и отражения, что важно в сорбционно-оптических и экстракцион-но-оптических методах, но и измерять цветомет-рические функции, часто сложно между собой связанные, координаты цветности X, У, Z в системе XУZ, светлоту Ь, координаты цвета А, В в системе С1ЕЬАВ, насыщенность цвета S, желтизну О, цветовой тон Т, а также цветовые различия по насыщенности Д^, светлоте ДЬ и тону ДТ. Все функции измерены по отношению к стандарту белого цвета, для которого коэффициент диффузного отражения Я = 0.98. Для абсолютно белого цвета (си-ликагели, пенополиуретаны, А1203) принято, что Я = 1, белизна Ж = 100, а величины ДЕ и ДО равны 0. Для окрашенных смесей, одновременно поглощающих и отражающих свет, функции Я, Ж, Ь, X, У, ^должны иметь меньшие значения, а АЕ — большее, и это различие тем больше, чем интенсивнее окраска веществ. Для сорбатов, обладающих вследствие концентрирования более интенсивной окраской по сравнению с растворами, функции Я, Ж, Ь, X, У, Zпринимают меньшие значения (от 20 до 40, для Я — в интервале 0.2—0.4), в то время как для растворов они изменяются в пределах от 50 до 70 (для Я в интервале 0.7—0.8) [17, с. 415]. Прибор Спектротон дает среднее из трех измерений значение, поэтому его метрологические характеристики по воспроизводимости выше, чем у приборов в спектрофотометрии. Почти всегда можно найти область линейной зависимости между цветометриче-ской функцией и содержанием компонента и выразить ее уравнением прямой с доверительным
интервалом. Поскольку цветометрические функции изменяются в более широких диапазонах (A, Z, Wrn-меняется в интервале от —16 до +16, X, Y, Z, L, R, S, T, G не более 130), коэффициенты чувствительности этих функций (и соответственно молярные коэффициенты) выше в 35—50 раз, чем в спектро-фотометрических методах, а при использовании сорбционно-цветометрических и экстракционно-цветометрических методов при коэффициентах концентрирования даже меньше 20 коэффициенты чувствительности (и молярные коэффициенты функций) в 100—1000 раз выше по сравнению со спектрофотометрическими методами. Метрологические возможности метода цветометрии обсуждены в работах[29, 55,56].
Цель настоящего обзора — рассмотрение предельных возможностей, оценка основных тенденций и перспектив развития цветометрии в аналитической химии. Изложение материала в обзоре [17] мы считаем логичным, поэтому ту же посл
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.