Экология/ 4. Промышленная экология и медицина труда.
УДК 623.459:544.01.082/.084:539.3
Магистрант Нурсеитова М.Т.,
к.х.н. Каримсаков К.Е.,
д.т.н. Б.С.Шакиров
РГКП «Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова»,
Казахстан, Шымкент.
Оценка современного состояния
экспресс-определения токсичных и
вредных веществ
Разработка методов и
средств для проведения анализа объектов окружающей среды, питьевой воды,
продуктов питания, технологических растворов и сточных вод, а также
фармацевтических препаратов и биологических жидкостей "на месте" -
одно из динамично развивающихся направлений развития современной аналитической
химии [1]. Это, в первую очередь, определяется необходимостью создания новых
видов средств индикации токсических веществ в атмосфере и почве с целью
обеспечения экологической и производственной безопасности. Во вторую очередь –
с результатами антропогенного влияния на окружающую среду и, как следствие - ее
деградацию. Все это вместе приводит к снижению качества жизни человека.
Поэтому вопросы
современного состояния разработки и усовершенствования экспресс-методов
определения вредных и токсичных веществ в объектах окружающей среды являются
актуальными.
Среди таких методов
особое место занимают тестовые методы, которые являются самыми массовыми и
дешевыми средствами для проведения такого анализа и предназначены для
осуществления качественного и количественного внелабораторного анализа
различных объектов.
В зависимости от природы
процессов, лежащих в основе получения аналитического сигнала и, соответственно,
аналитического эффекта, экспресс-методы условно подразделяются на физические,
химические, биохимические, биологические и комбинированные. По способу
использования реагентов, дающих аналитический сигнал, различают "готовые"
растворы и иммобилизованные "сухие" реагенты.
Из них особый интерес
представляют простейшие средства на основе иммобилизованных реагентов, которые
отличаются скоростными аналитическими характеристиками. Среди них известны
индикаторные бумаги, индикаторные порошки и индикаторные трубки, в которых
необходимые аналитические реагенты закреплены на несущей матрице тем или иным
способом. По характеру и способу регистрации аналитического сигнала
экспресс-методы подразделяются на инструментальные и визуальные. По назначению
различают экспресс-методы для анализа объектов окружающей среды (воды, почвы,
воздух), контроля в области продовольственной безопасности (качество воды и
пищевых продуктов), промышленной безопасности (различные технологические
процессы), фармацевтического анализа и медицинской диагностики, решения
специальных задач в таможенном деле и криминалистике (обнаружение
высокотоксичных, ядовитых, запрещенных и опасных веществ).
Главные достоинства
экспресс-методов заключаются в их оперативности получения информации о
качественном и количественном составе образца - возможности проводить анализ в
режиме реального времени, в дешевизне средств для его осуществления и
отсутствии специальных требований к квалификации исполнителей анализа.
Точность,
чувствительность, селективность и время сохранения аналитического эффекта при
использовании экспресс-методов весьма различны и зависят от природы
аналитического сигнала и способа его регистрации, типа экспресс-средства и
формы использования необходимых реагентов, способов осуществления определения,
а также специфики анализируемого объекта.
Кроме того,
экспресс-методы предназначены для определения одного целевого ингредиента,
однако известны и способы определения с их помощью и обобщенных показателей.
Большинство вредных веществ
в воздухе контролируют лабораторными методами, которые требуют отбора проб с
последующей доставкой и их анализом в лабораторных условиях, что не всегда
обеспечивает принятие действенных мер для создания безопасных условий.
В данном обзоре приведен
анализ различных химических экспресс-методов анализа, демонстрирующий
перспективность и целесообразность их использования для целей контроля объектов
окружающей среды и последствий антропогенного влияния на окружающую среду.
Области
применения химических средств экспресс-контроля. Ниже
приведены основные области применения химических средств экспресс-контроля,
сложившиеся к настоящему времени:
- контроль воздуха рабочей зоны, источников
загрязнения атмосферы, промышленных выбросов (индикаторные трубки);
- образовательная деятельность, экологические и
профессиональные практикумы (приоритетные загрязнители и природные компоненты
во всех средах - индикаторные трубки, тест-системы);
- контроль вредных, опасных и запрещенных к
перевозке веществ в таможенном деле, криминалистике, на транспорте
(индикаторные трубки, тест-системы);
- санитарно-пищевой контроль (тест-системы,
тест-комплекты);
- аквариумистика, гигиена бассейнов, контроль
дезинфектантов (тест-системы, тест-комплекты);
- войсковая индикация и контроль в условиях
чрезвычайных ситуаций (воздух - индикаторные трубки, вода - тест-системы на
токсиканты);
- водно-химический контроль котловой воды и силовых
агрегатов на судах (тест-комплекты) и др.
Требования к средствам экспресс-контроля. Реализация задач аналитического контроля в отношении
ряда загрязняющих веществ, может успешно решаться с применением недорогих и
надежных экспресс-анализов, реализуемых как в полевых, так и в лабораторных
условиях.
Средства, применяемые для
экспресс-анализов должны отвечать следующим требованиям:
1. Быть компактными и
достаточно простыми в использовании.
2. Обеспечивать
экспрессное и достаточно чувствительное количественное определение широкого спектра загрязняющих веществ как в
лабораторных, так и в полевых условиях.
3. Быть аттестованными в
установленном порядке институтами в качестве специализированных средств
измерения с установленными метрологическими характеристиками и разрешены
для использования в соответствии с их
назначением для целей государственного и производственного экологического
контроля.
4. Стоимость проведения
экспресс-анализов должна быть экономически оправданна.
Схема природоохранного контроля. Значительная экономия
при проведении аналитического контроля может быть получена при реализации
следующей схемы природоохранного контроля, предполагающей наличие стационарной
аккредитованной лаборатории и дополнением пробоотбора параллельным оперативным
определением ограниченного количества показателей и отсевом «экономически
незначимых» проб. Процесс перехода на такую схему управления не подразумевает
остановки действующей схемы контроля и не требует мощных капиталовложений и
дополнительно позволяет проводить работы в условиях нештатной ситуации. В
случае проведения предлагаемых работ может оказаться, что более 80% проб,
анализируемых сегодня в стационарной лаборатории можно отбрасывать с
минимальной вероятностью промаха, что позволит без резкого увеличения затрат на
переоборудование контрольных служб значительно увеличить экономическую
эффективность аналитических работ.
Простейшие индикаторные средства. В настоящее время в мире известно большое количество
простейших индикаторных средств. Несмотря на все разнообразие принцип действия
их практически одинаков – изменение окраски при воздействии обнаруживаемого
вещества. При этом используемые в них реакции тоже практически одинаковы.
Различаются они главным образом конструкцией, что обусловлено их назначением и
способом применения.
Такие
средства обычно универсальны по условиям применения и показателям и могут
применяться и для контроля специальных (технологических) сред, а также объектов
окружающей среды - воды, воздуха, почвы, продуктов питания. В этом отношении
можно говорить о существовании нескольких группах средств.
1.
Тест-системы. Наиболее простые
средства сигнального или полуколичественного химического анализа, сочетающих в
себе максимальную скорость анализа, простоту применения, наглядность
результата, доходчивость и лаконичность инструкции. Обычно в результате
анализа экспресс-системами происходит непосредственное изменение окраски
раствора или какого-либо компонента системы – индикаторных таблеток, порошков,
трубок, бумаг, волокон и д.п.
2.
Тест-комплекты. Портативные средства для выполнения полуколичественного
или количественного химического экспресс-анализа в полевых или лабораторных
условиях. Состав тест-комплектов более обширен, чем у тест-систем, и может
включать готовые растворы реагентов и индикаторов, буферные растворы,
капсулированные химикаты; мерные склянки для отбора и дозировки проб,
пипетки-капельницы, мерные пипетки, пробирки, склянки для хранения экстрактов;
специальные принадлежности для анализа; иллюстрированную инструкцию или
руководство и др.
3.
Экспериментальные образцы на основе экспресс-методов. Разрабатываются и
производятся в лабораторных условиях специалистами различных научных школ,
преимущественно, для собственного потребления. Эта группа создает задел научных
и технических решений для освоения в перспективе.
Следует отметить такую особую и уникальную группу экспрессных средств,
как индикаторные трубки (ИТ) для контроля загрязненности воздуха. По своим
характеристикам их можно выделить в четвертую группу. ИТ
используются специалистами с начала прошлого века, имеют нормативную базу и
характеризуются высоким уровнем унификации конструкций и методики применения.
Все это позволяет применять указанные средства, используя одни и те же операции
и принадлежности при анализе.
По эксплуатационным свойствам к ИТ генетически
близки индикаторные плоские элементы (ИПЭ). Они являются относительно новыми индикаторными
средствами.
Внедрение экспресс-методов и средств на их основе
затрудняет их кажущаяся конкурентность по отношению к сложным лабораторным
методам. Вместе с тем, именно применение экспресс-методов на начальном этапе
химико-аналитических работ позволяет рационализировать аналитический процесс,
получить ценную первичную информацию и свести к минимуму затраты на получение
массива первичной аналитической информации (а в ряде случаев – и ограничиться
полученной информацией).
Химические
экспресс-методы и соответствующие технические решения, до настоящего времени,
самостоятельного широкого применения пока не нашли, несмотря на наличие ряда
проработанных научно-технических решений и соответствующих экспериментальных
образцов, созданных научными школами. В числе причин тому можно назвать
сложность технологической проработки создания товарной формы серийной
продукции, что обусловлено, в свою очередь, неопределенностью рынка сбыта
тест-систем. Внедрение экспресс-методов и средств на их основе затрудняет также
их кажущаяся конкурентность по отношению к сложным лабораторным методам. Вместе
с тем, именно применение экспресс-методов на начальном этапе
химико-аналитических работ позволяет рационализировать аналитический процесс,
получить ценную первичную информацию и свести к минимуму затраты на получение
массива аналитической информации (а в ряде случаев – и ограничиться полученной
информацией).
Исключение составляют
химические экспресс-методы анализа воздуха, реализуемые с применением
индикаторных трубок и индикаторных плоских элементов. Если ИТ имеют нормативную
базу [2], то ИПЭ – относительно новые
средства. Следует отметить высокий уровень унификации конструкций ИТ и ИПЭ, что
позволяет применять указанные средства, используя одни и те же операции и
принадлежности при анализе.
Иначе представляется
область применения экспресс-методов и технических средств на их основе для
анализа водных сред. В данной области товарная продукция представлена, главным
образом, тест-системами. Рассматривая тест-систему как самостоятельную
потребительскую форму аналитического продукта, можно привести следующее
определение. Тест-системы - наиболее
простые средства сигнального или полуколичественного химического анализа,
представляющие собой товарную форму продукции с комплексом потребительских
свойств, сочетающих в себе максимальные экспрессность анализа, простоту применения,
наглядность результата, доходчивость и лаконичность инструкции [3]. Тест-системы применяются как
самостоятельно, так и в составе более сложных портативных и лабораторных
методов и средств (тест-комплектов, комплектов-лабораторий, измерительных
комплектов).
Индикаторные
бумаги (реагентные индикаторные бумаги). Экспресс-тесты на основе индикаторных бумаг по номенклатуре и объему
производства занимают ведущее положение среди других тест-средств. Причем, если
производство диагностических бумаг для определения патологических концентраций
на уровне 10-1000 мг/л получило приоритетное развитие 50 лет назад, то
реагентные индикаторные бумаги (РИБ) для окружающей среды с нижней границей
определяемых содержаний на три порядка ниже, стали развиваться после того, как
были предложены методы прочной иммобилизации реагентов с получением РИБ, на
которых возможно осуществить концентрирование любых макроколичеств определяемых
веществ. Современная техника и электроника обеспечила создание миниприборов для
точного измерения цветовых переходов РИБ.
Недостатком РИБ, как и других тест-средств является
низкая избирательность применяемых при их изготовлении аналитических реагентов
[4]. При описании тест-метода применяются маскиранты и приводится мало данных
по факторам избирательности мешающих и сопутствующих веществ. Требуются
аналитические реагенты нового поколения.
Тест-полоски. Тест-полоски
– в сущности видоизмененные индикаторные бумаги, применяются для определения
качественного состава вещества, в частности широко применяется для
экспресс-анализа наркотиков, содержания сахара в крови и др. [5].
Недостаток – так же как и
у индикаторных бумаг, низкая чувствительность, что собственно, им и не нужно
так как они применяются не для количественного, а для качественного определения
достаточно больших концентраций веществ.
Порошки, спреи, капельницы и другие индикаторы в
жидком и твердом виде. Порошки,
спреи, капельницы и другие индикаторы в жидком и твердом виде, непосредственно
распространяемые на местности для получения индикаторного эффекта. Таким
образом возможно каким-то образом даже представить границу заражения и
примерную концентрацию.
Это тоже достаточно
простые и дешевые средства индикации, однако способ их применения предполагает
выброс постороннего вещества в окружающую среду, что является совершенно
неэкологичным [6]. Кроме того, точно дозировать индикаторное вещество таким
образом достаточно трудно, что не обеспечивает даже приблизительную оценку
концентрации определяемого компонента.
Переносные и карманные анализаторы. Как отмечено ранее, для определения компонентов
воздушных сред используют индикаторные трубки, а для отбора проб - насосы
(аспираторы) различной сложности, в том числе и ручные – сильфоны. Они просты в
эксплуатации, изготавливаются из прочного материала, измерения можно проводить
многократно.
В настоящее время разработаны и выпускаются
соответствующие портативные устройства для определения в широком диапазоне
концетраций СО, CO2, H2S, SO2, NO, (NO2 в газах,
аэрозолях и растворах), O2, O3, NH3, HCl, Cl2, бензола, толуола, перхлорэтилена, винилхлорид,
формальдегида, паров органических растворителей, пентахлорфенола, этанола,
фосфинов, отравляющих веществ: фосген, дифосген, HCN, ClCN, зарин, зоман, V-газы, иприт. Рабочий диапазон
температур: от -20° С до +40° С. В зависимости от конструкции приборы могут
иметь помимо основных – идентификация целевого вещества и измерение
концентрации - следующие функции:
- вывод результатов на жидкокристаллический дисплей
(монохромный или цветной);
- память, для регистрации результатов ранее
проведенных измерений;
- оптический или звуковой сигнал, а также легко
различимые аварийные сигналы - предварительный и основной;
- непрерывный или периодический анализ;
- комбинированное питание: от сети и элементов.
В качестве чувствительных элементов используются ИТ,
твердотельные электрохимические датчики, биосенсоры (биочеки). Сенсоры легко
вставляются в специальные гнезда, предварительно прокалиброванные, и их данные
записаны во встроенную электронную память сенсора. Прибор автоматически
распознает тип сенсора, диапазон определяемых содержаний, пороги тревог.
Сенсоры не выходят из строя при действии на них газов высокой концентрации.
Индикаторные
трубки. Средства этой группы являются
наиболее совершенными из простейших индикаторных средств, но в то же время и
достаточно сложными технически и требующим для применения специальных
технических средств – аспираторов – для прокачивания через них анализируемого
воздуха. ИТ представляют собой герметизированные стеклянные трубки, заполненные
твердым носителем, обработанным активным реагентом. В качестве носителей применяют различные порошкообразные
материалы: силикагель, оксид алюминия, фарфор, стекло, носители для
хроматографии. Существуют трубки разного назначения, изготовленные из разных
материалов – стекла, полимеров [7]. К достоинствам анализа с помощью ИТ можно
отнести быстроту проведения и получения результатов непосредственно в месте
отбора пробы воздуха; простоту метода и аппаратуры, что позволяет проводить
анализ лицам, не имеющим специальной подготовки; малую массу, компактность и
низкую стоимость аппаратуры; достаточную чувствительность и удовлетворительные
точностные характеристики; отсутствие необходимости регулировки и настройки
аппаратуры перед выполнением анализа; возможность исключения источников
электрической и тепловой энергии.
Одним из недостатков ИТ
является сложность их изготовления, а также высокая цена.
Индикаторные плоские элементы. ИПЭ предназначены для обнаружения паров вредных и
высотоксичных веществ и обладают практически такими же свойствами ИТ как
высокая чувствительность, однако при этом себестоимость их значительно ниже.
ИПЭ изготавливается из
двух круглых дисков из полиэтилена, которые свариваются по краю и вовнутрь
между ними помещаются ампулы с реактивами и смачиваемый ими билет из
воздухопроницаемого материала (бязь, фильтровальная бумага и др.). Соосно в
верхнем и нижнем диске пробиты отверстия для прокачивания воздуха. Вся
конструкция помещена в герметичную полимерную упаковку. Для приведения ИПЭ в
рабочее состояние необходимо извлечь его из упаковки и сдавить с силой,
достаточной для разрушения ампул и вылива реактивов. Реактив при этом смачивает
воздухопроницаемую подложку, через которую прокачивается воздух. При наличии в
воздухе определяемого вещества окраска его изменяется.
Используемые в ИПЭ
технические решения не имеют отечественных аналогов. От аналогов по назначению
элементы ИПЭ отличаются эргономичностью и атравматичностью (за счет
конструктивных особенностей и использования полимерных материалов), а также
экологичностью (за счет минимизации в конструкции трудноуничтожаемых
компонентов - стекла).
Трудоемкость изготовления
элементов ИПЭ в 2-5 раз ниже изготовления ИТ, что приводит к снижению стоимости
изделий. Кроме того, возможно использование элементов ИПЭ в статическом режиме
и без прокачивающего устройства.
Недостатками существующих ИПЭ являются:
1. Опасность повреждения
средств защиты рук и кожи оператора осколками стекла, которые могут проникнуть
через индикаторный билет или фильтрующую подложку и соответствующие отверстия в
деталях полимерного контейнера при вскрытии герметичных емкостей, в частности,
стеклянных ампул, содержащих реактивы. Данное обстоятельство особо опасно при
выполнении анализа в зараженной местности. Кроме того, осколки ампул могут
попасть в тракт аспирационного устройства.
2. Проникновение
реактивов в тракт аспирационного устройства через фильтрующую подложку и
отверстие в детали полимерного контейнера потоком анализируемого воздуха. Это
приводит к засорению тракта насоса, коррозии металлических частей и резиновых
уплотнений. Кроме того, реагенты, оставшиеся в тракте аспирационного устройства
могут вступать во взаимодействие с реагентами от другого элемента и мешать
определению целевых веществ. Данное обстоятельство требует затрат времени на
обслуживание аспирационного устройства после каждого проведения измерения с
помощью известного устройства.
3. Вынос реагентов с
потоком воздуха из зоны реакции индикаторного билета через фильтрующую подложку
и отверстие в детали полимерного контейнера требует некоторого избытка
реактивов, чтобы не было эффекта «высыхания» индикаторного элемента и потери
чувствительности вплоть до ложного отрицательного результата. Особенно это
касается легколетучих растворителей, входящих в состав реактивов.
4. При раздавливании
герметичных емкостей с реактивами происходит смачивание индикаторного билета и
фильтрующей подложки реактивами. То есть ИПЭ с двух сторон имеет смоченные
реактивами поверхности и его нельзя положить на какую-либо поверхность или
закрепить на какой-либо поверхности в горизонтальном положении исключая контакт
реактивов с поверхностью. Данное обстоятельство создает неудобство при работе и
ограничивает использование известного устройства или требует дополнительных
устройств.
5. Большое количество
деталей обуславливает сложность изготовления и многостадийность производства
данного устройства.
Изготовленная из
серебристого полимера упаковка демаскирует оператора при ведении боевых
действий.
Выводы. Исходя из вышеприведенного анализа открытых источников можно сделать
следующие выводы:
Подробно рассмотрены
существующие способы и методы простейших средств анализа газообразных токсичных
веществ в объектах окружающей среды.
Выявлены достоинства и
недостатки существующих в настоящее время тест-систем анализа воздуха и газов:
- индикаторные бумаги;
- индикаторные полоски;
- порошки, спреи,
капельницы и другие индикаторы в жидком и твердом виде;
- индикаторные трубки.
Установлена актуальность
данной тематики, связанной с острой необходимостью разработок простейших
средств индикации ТХ, которые предназначены для перевода концентрации
определяемых газов в сигнальную форму.
Сделан вывод о
необходимости разработки ИПЭ, как наиболее простого и скоростного метода
индикации наличия токсичных веществ.
Литература
1
Золотов Ю. А., Иванов В. М., Амелин В. Г. Химические тест-методы анализа. М.:
УРСС, 2002. – 298 с.
2 ГОСТ 12.1.014-84. Воздух рабочей зоны. Метод
измерения концентраций вредных веществ индикаторными трубками. Переиздание
(апрель 2001 г.) с Изменением № 1, утвержденным в марте 1990 г. (ИУС 7-90).
3 Муравьев А. Г. О
применении тест-методов в укладках контроля химических параметров окружающей
среды. В сб. «Тест-методы химического анализа: Сб. тез. докл. II Всероссийского симпозиума». Саратов: Научная книга,
2004, - с.13.
4 Перегуд E.
А., Быховская M. С, Гернет E. В. Быстрые методы определения вредных
веществ в воздухе. M.: Химия, 1970, - 357 с.
5 Перегуд Е.
А., Горелик И. О. Инструментальные методы контроля загрязнения
атмосферы. Л.: Химия, 1981, - 383 с.
6 Лейте В. Определение
загрязнений воздуха в атмосфере и на рабочем месте. Л.: Химия, 1980, - 342 с.
7 Колесник M.
И., Жуков В. И., Буковский M. И. Методы определения вредных веществ в
воздухе индикаторными трубками. M.: НИИТЭХИМ, 1983, - 49 с.