Вопросы и задачи

1. Что такое маскирование и каковы его преимущества перед методами разделения?

2. На чем основано термодинамическое и кинетическое маскирование?

3. Что называют индексом маскирования?

4. Какие вещества часто используют в качестве маскирователей?

5. В чем заключаются отличия концентрирования от разделения?

6. Перечислите методы разделения и концентрирования.

7. В каких случаях для разделения используют метод осаждения, а в каких – соосаждения?

8. Что такое экстракция?

9. Сформулируйте закон распределения.

10. Какие факторы влияют на коэффициент распределения?

11.Назовите основные операции при проведении экстракции.

12. Какие требования предъявляются к экстрагенту?

13. В чем заключается преимущество экстракции как метода разделения?

14. Чем отличаются «возгонка» и «отгонка»?

15. Что такое сорбция?

16. Приведите схемы катионного и анионного обмена.

17. Из 200 мл раствора хлорида кальция отобрали 20 мл и пропустили через колонку с катионом КУ-2 в Н-форме (при этом идет обмен ионов кальция на ионы водорода, в результате последние появляются в растворе). На титрование фильтрата израсходовали 10,8 мл раствора гидроксида натрия с = 0,009787 г/мл. Сколько граммов хлорида кальция содержалось в колбе?

18. Обменная емкость анионита равна 3,4 ммоль/г, какой объем раствора, содержащего 4,3·10^-3 моль в литре хромат-ионов, можно от них очистить (сконцентрировать), если масса анионита составляет 300 г ?

Глава 12. Биологические методы анализа

Для жизнедеятельности (роста, размножения и вообще нормального функционирования) живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения организм подает ответный сигнал. Таким образом, для обнаружения и определения введенного в среду или исключенного из нее компонента необходимо установить связь характера или интенсивности ответного сигнала организма с количеством определяемого соединения. На этом основаны биологические методы анализы.

Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические функции и т.д. В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а также растения.

Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить на жизненно-необходимые, токсические и физиологические неактивные. Последние могут дать отдаленный результат, тогда как токсичные и жизненно-необходимые вызывают сравнительно-быструю ответную реакцию организма.

Ответный сигнал организма на изменение характера среды может проявляться в изменении характера поведения, интенсивности роста, скорости метаморфоза, состава крови, нарушении функций органов пищеварения, дыхания, размножения. Обобщенным показателем эффективности действия определяемого соединения на индикаторный организм является либо выживаемость, либо летальный исход.

Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологических методов анализа. Ответный сигнал индикаторного организма на одно и то же вещество зависит от концентрации вещества: малые концентрации обычно стимулируют процессы жизнедеятельности организма, высокие – угнетают. Существенное повышение концентрации биологически активного вещества приводит к летальному исходу.

Диапазон определяемых содержаний, предел обнаружения соединений биологическими методами зависит от направленности и продолжительности воздействия химического соединения на организм, температуры и pH среды, уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных, половых, возрастных особенностей.

Микроорганизмы как аналитические индикаторы

К микроорганизмам относятся бактерии, дрожжи, водоросли, плесневые грибы. С изменением химического состава питательной среды изменяется динамика роста как отдельной клетки, так и популяции в целом. Наблюдения за этими изменениями сравнивают с контрольным опытом (без определяемого вещества). Интенсивность роста (размножения, угнетения) популяций оценивают чаще всего оптическими или электрохимическими методами.

В неорганическом анализе широко используют плесневые грибы. С их помощью можно определить Hg (II), Cd (II), Tl (I), Zn (II), Cu (II), Mn (II),Fe (II, III), , . Обнаруживаемый минимум (мкг\мл) варьируется от 0,0002 для Mn (II) до 100 для . Наибольшее угнетающее действие на эти культуры оказывают нитраты ртути, кадмия, таллия, токсическое действие которых объясняется блокированием SH- групп молекул белка микроорганизмов.

Грибы как индикаторные организмы применяются при анализе почв на содержание таких элементов, как цинк, медь, марганец, железо, молибден, фосфор, углерод, азот, сера.

Ростовые реакции микроорганизмов, изменяющиеся под действием различных химических соединений, используют в анализе природных и сточных вод. С использованием бактерий и дрожжей разработан диффузионный метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфорорганических соединений. С помощью дрожжей определяют эфиры тиосульфокислот, элементоорганические соединения в количестве от 1 нг до 4 мкг.

Для экспресс-определения в крови, микробных бактерий в моче, и др. используют биолюминесцентный метод (люминесценция – свечение). Он основан на реакции окисления кислородом воздуха субстрата люциферина, катализируемой ферментами люциферазами, выделенными из различных видов морских светящихся бактерий и жуков-светляков. Наряду с люцефирином и люциферазой для протекания этой реакции необходима аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая участвует в многочисленных метаболических реакциях в организме, являясь аккумулятором энергии и ее источником для процессов, протекающих в живой клетке. Содержание АТФ в тканях, в растительных и живых клетках свидетельствует об энергетическом состоянии клеток. При угнетающем или стимулирующем действии каких-либо веществ на рост микроорганизмов содержание АТФ в них соответственно понижается или повышается. Специфичность действия люциферазы светляков по отношению к АТФ, высокий квантовый выход реакции позволили создать на этой основе высокочувствительные (10^–17–10^–18 М) и селективные методы определения АТФ, а также различных метаболитов, в процессе превращения которых образуется АТФ.

Микроорганизмы применяют при контроле технологических процессов промышленного производства антибиотиков, витаминов, аминокислот.

Микроорганизмы можно использовать для концентрирования и выделения микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.

Беспозвоночные как индикаторные организмы

К беспозвоночным или простейшим относят инфузории, рачки, личинки комаров и др. Ответным сигналом их на изменение химического состава среды является раздражение, приводящее к изменению двигательных реакций, скорость размножения, характера питания и другие биохимические и физиологические изменения организма.

Так, скорость движения инфузории повышается при введении в среду их обитания микроколичеств этанола, сахарозы, уксусной кислоты, хлоридов кальция и аммония; добавления хлорида бария замедляет их движение. С помощью инфузорий возможно определение Ag (I), Hg (II), Cu (II) от 0,01 до 0,1 мкг/мл, в то же время эти организмы непригодны для определения анионов. Элементоорганические соединения при определенных концентрациях могут действовать как стимуляторы их размножения.

Для оценки санитарно-гигиенического состояния вод применяют водных беспозвоночных – ракообразных (рачков, дафний). В качестве аналитического сигнала в этом случае служат некоторые физиологические показатели: выживаемость, частота движения ножек, период сокращения сердца (у дафний), окраска тел погибших организмов и.т.д.

Регистрируя изменения скорости и траектории движения насекомых, например, личинок комаров делают выводы о содержании пестицидов в воде, экстрактах из почв, растительных и животных тканей. Так, с помощью личинок комаров определяют от 0,006–5 мкг/мл пестицидов.

Наблюдение под микроскопом формы и скорости движения червей, фиксирование продолжительности их жизни позволяют определить микроколичества ионов металлов.

Использование позвоночных для определения микроколичеств элементов

Классическими индикаторными организмами, используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных тканях и органах лягушки либо на всем организме проверяются физиологическая активность фармацевтических препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых тяжелых металлов, например, меди (II) (до 0,06 нг/мл). По повышению или угнетению биоэлектрической активности седалищного нерва лягушки можно оценить содержание хлорида марганца на уровне 1нМ либо 1мкМ соответственно. Растворы меди в концентрации 1–10 нМ снижают возбудимость нерва вплоть до полного блокирования.

Таким образом, биологические методы анализа, основанные на использовании в качестве аналитического сигнала специфических отклонений индикаторных организмов от нормы, позволяют с высокой чувствительностью определить широкий круг как неорганических, так и органических физиологически активных соединений, что особенно важно при анализе объектов окружающей среды. Они отличаются высокой избирательностью, которую можно повысить методами маскирования, разделения, изменения физико-химических параметров среды (pH, температура и др.). С помощью биологических методов возможно значительно упростить анализ и сократить его время, оценивая степень загрязненности объекта и целесообразность его дальнейшего детального химического анализа. Биологические методы позволяют также решить ряд задач, не решаемых химическими или физическими методами, например, оценить общую токсичность анализируемого объекта (природной или сточной воды).