Анализ әдісін таңдау

Анлиз әдісін таңдай отырып, ең алдымен анализдің мақсатын, сонымен бірге қандай мәселелерді шешу керектігін жете білу керек, қолдануға болатын әдістердің артық­шылықтары мен кемшіліктерін бағалау қажет. Химиялық ана­лиз­де шешілетін мәселелер күрделі және алуан түрлі.

Қандай да бір әдісті таңдау кезінде назар аударуға тиісті факторларды қарастырудан бұрын, әдіс пен әдістеме түсінік­терін талқылап алған дұрыс. Әдіс – бұл нақты нысан (объекті) мен анықталатын затқа қатыссыз анализдің негізін құрайтын принциптер жиынтығы; әдістеме – белгілі бір нысанды (объектіні) анализдеуге қажетті барлық шарттар мен операциялардың толық жазбасы. Мысалы, гравиметриялық анализ әдісінің негізін құрамында анықталатын компонент болатын қосылыс­тың массасын анықтау құрайды. Компонентті гравиметриялық әдіспен анықтаудың әдістемесіне мыналар кіреді: аз еритін қосылысты тұнбаға түсіру жағдайларын, тұнбаны ерітіндіден бөліп алу жолын, тұндырылған заттарды өлшеуге қолайлы, яғни тұнбаның өлшенетін түріне ауыстыруды сипаттап жазу. Нақты нысандағы компонентті анықтаудың әдістемесіне сынаманы таңдап алу мен оны анализге дайындау операциялары да кіреді (мысалы, үлгіні қолайлы ерітіндіде еріту және анықтауға кедергі келтіретін заттардың әсерін жою). Әдіс пен әдістемені таңдау кезінде назар аударатын негізгі факторларды қарастырсақ.

Компоненттің құрамы. Анализ әдісін таңдау кезінде анық­талатын немесе ашылатын компоненттің мүмкін болатын мөлшерін ескеру қажет. Әсіресе үлгідегі компоненттің пайыз­дық құрамын, анализденетін ерітіндідегі концентрациясын ғана емес, анализге алуға болатын заттың мөлшерін де бағалаған маңызды.

Анықталатын компоненттің концентрациясы мен анализге берілетін үлгінің мөлшері кең аралықта өзгеруі мүмкін. Мыстың, никельдің, хромның өз құймаларындағы құрамы ондаған пайызды, ал кендер мен басқа металдардың құймаларындағы құрамы оннан бір және жүзден бір пайызды құрауы мүмкін. Сонымен бірге осы металдардың өсімдіктер мен тірі организм­дердегі, тамақ өнімдеріндегі құрамын – бен, ал өте таза заттарда – аралықтарында анықтау қажет. Анализге алынатын үлгінің мөлшері бір жағдайларда шектелмеуі мүмкін, ал басқа жағдайларда (қанның, биомассалардың, космостық нысандардың анализінде) өте аз мөлшерде (миллиграмм немесе тіпті миллиграмның үлестері) болады.

Әдістің немесе әдістеменің сезімталдығы осы әдіс пен осы әдістеме арқылы анықтауға немесе ашуға болатын минимальды зат мөлшерімен анықталады. 2.1 – суретте кейбір анализ әдіс­тері­нің сезімталдықтарының салыстырмалы сипаттамасы беріл­ген. Анықталатын мөлшердің төменгі шегі әдістің мүмкіндік­терін және бірқатар заттарды анықтаған кезде қол жететін ең жақсы нәтижені көрсетеді.

2.1 – сурет. Кейбір анализ әдістері үшін компоненттердің анықталатын мөлшерлерінің төменгі шегі (-lgQ,z)

Әдістің таңдамалылығы. Анализ жүргізген кезде әртүрлі нысандармен – өнеркәсіп және ауылшаруашылығы өнімдерімен, қоршаған орта нысандарымен, космостық нысандармен, қол­өнер өнімдерімен және т.б. жұмыс істейді. Осы кезде анализ әдісі мен әдістемесін таңдау анализдің мақсатымен ғана емес, сонымен бірге үлгінің қасиеттері және ерекшеліктерімен де анықталады. Анализденетін нысанның физикалық қасиеттерін: агрегаттық күйін, ұшқыштығын, гигроскопиялығын, механика­лық төзімділігін және т.б. ескеру қажет. Анализ әдісін таңдаған кезде үлгінің химиялық қасиеттерін білу және оларды ескеру өте маңызды. Көп жағдайда анализденетін нысанның матрицасы деп аталатын үлгінің түпкі негізінің химиялық қасиеттерін; үлгінің сапалық химиялық құрамын; анықталатын компоненттің және онымен бірге жүретін қоспалардың химиялық қасиеттерін білу және ескеру қажет.

Анализденетін нысанның түпкі негізінің және болжанған компоненттерінің химиялық қасиеттерін біле отырып, мүмкін болатын кедергілерді бағалай отырып, мүмкіндігінше ең таңда­малы әдісті, яғни берілген жағдайларда бірге жүретін басқа компоненттердің келтіретін кедергі әсерінсіз қажетті компонетті анықтауға немесе ашуға болатын әдісті таңдап алады. Химиялық әдебиетте «таңдамалылық» терминімен бірге «селек­тивтік» термині қолданылады. Егер әдістемелер немесе қолданылатын реакциялар тек қана бір компонентті табуға немесе анықтауға мүмкіндік беретін болса, оларды спецификалық деп атайды.

Компонентті анықтау немесе ашудың негізін құрайтын әдістің, әдістеменің және жеке реакцияның таңдамалылығы туралы айтуға болады. Ионометрия, атомды – абсорбциялық және ферментативті әдістер жоғары таңдамалылығымен сипатталады. Әдістемелердің негізін құрайтын көптеген реакциялардың да таңдамалылығы өте жоғары. Мысалы, кейбір органикалық реагенттермен комплексті қосылыстардың түзілуі, ферментативті және электрохимиялық реакциялар. Йодтың крахмалмен немесе аммоний ионын ашуда қолданылатын құрамында аммоний бар заттардың сілтілермен амииак газын бөле жүретін реакциясы да спецификалық реакциялар.

Химиялық анализдің әдістемесін анализ жүргізу шарттарын (ортаның рН, реагенттердің концентрациясы, еріткіш және т.б.) өзгерте отырып; кедергі жасаушы компоненттердің әсерін оларды реакцияға қабілетсіз түрге ауыстыра отырып бүркемелеу немесе оларды негізгі компоненттен бөле отырып (тұндыру, экстракция, хромотография) оның таңдамалылығын арттыруға болады. Жоғары таңдамалы әдістеменің мысалы ретінде құрыш­тағы никельді оның диметилглиоксиммен түзетін аз еритін комплексті қосылысы түрінде тұндырып гравиметриялық әдіс­пен анықтауды келтіруге болады. Тұндыруды әлсіз аммиакты ортада жүргізеді, темірді шарап немесе лимон қышқылымен бүркемелейді.

Әдістер мен әдістемелерді қарастыра отырып,олардың әмбебаптығы – көптеген компоненттерді анықтау және ашу мүмкіндігі туралы айту керек. Әсіресе бір сынамадан бірден көптеген компонентті анықтау немесе ашу мүмкіндігі болуы­ның, яғни көпкомпонентті жүйелердің анализін жүргізудің мәні өте зор. Әдістің жоғары таңдамалылығы және оның әмбебаптығы бір- біріне қайшы келмейді: көптеген әмбебап анализ әдістері жеке компоненттерді анықтаудың жоғары таңдамалылығымен ерекшеленеді, мысалы, хромотография, вольтамперометрияның кейбір түрлері, атомды-эмиссионды спектроскопия сияқты әдістер. Атомды-эмиссионды спектро­скопия әдістерімен индуктивті байланысқан плазма мен квантометрлерді қолдана отырып бір сынамадан (бөлусіз) әртүрлі 25-30 элементтерді анықтауға болады.

Анализ дәлдігі – бұл әдістің немесе әдістеменің дұрыстығы мен қайталанымдылығын біріктіретін жиынтық сипаттама. Жоғары дәлдік туралы айтқанда нәтижелердің дұрыс және анализ мәліметтерінің шашырауы аз екендігі туралы сөз болады. Дәлдікті жиі анықтаудың пайызбен көрсетілген салыстырмалы қателігімен сипаттайды.

Анализдің дәлдігіне қойылатын талаптар әдетте анализдің міндеті және мақсаттарымен, нысанның табиғатымен анық­талады. Үнемі жоғары дәлдікке ұмтылу міндетті емес. Мысалы, көптеген металлургиялық және химиялық өндірістердің ағымды бақылауы кезінде компоненттерді анықтауды 10-15% қателік­пен жүргізуге болады. Негізгі компоненттің де және зиянды қоспалардың да құрамын нақты білу маңызды болған жағдайда (мысалы, фармацевтикалық және тамақ өнеркәсібінде), қателік 0,1-1% – дан жоғары болмау керек. Жартылай өткізгіштер үшін анықтаудың қателігі 0,1% – дан, мүмкін болса 0,01% – дан төмен болу керек, өйткені бұл қосылыстардың физикалық қасиеттері олардың стехиометриялық құрамына тәуелді.

Гравиметриялық және титриметриялық әдістерді айтарлық­тай дәл деуге болады, әдетте олардың дәлдігі сәйкесінше 0,05-0,2 және 0,1-0,5% болады. Заманауи әдістердің ішінде кулоно­метриялық әдіс әлдеқайда дәлірек. Бүл әдіс компоненттерді 0,001-0,01% қателікпен анықтауға мүмкіндік береді.

Әдетте химиялық анализдің дәлдігіне талаптарды технолог­тар, геологтар, медиктер, физиктер және т.б. қояды. Ал химик-аналитиктердің анализ жүргізген кезде қандай да бір дәлдікке жету қажеттілігі туралы өзіндік түсініктері болуы керек. Анық­тау­дың жоғары дәлдігін жөнсіз талап ету химиялық анализді ұзартады және қымбатқа түсіреді. Компоненттер қатарын анық­тау дәлдігін 2 ден 0,2 %-ға жеткізгенде анализ уақыты 20 ретке артады. Дәлдікке деген талапты арттыру көбінесе күрделі және қымбат құралдарды қолдануды қажет етеді. Сонымен, дәлдігі жоғарырақ әдісті немесе дәлдігі төменірек әдісті таңдау зерттеушіден (әсіресе массалық химиялық анализ жүргізген кезде) жан-жақтылықты талап етеді.

Аналитикалық қызмет қамтамасыз ететін дәлдік мынадай болуы мүмкін: 1) болжамдалатын; 2) қажетті; 3) стандартталған; 4) іске асырылатын.

1. Болжамдалатын немесе ғылыми-негізделген дәлдік – бұл егер компоненттер мөлшерінің шектері, мысалы, өндірісте, зерттеу сатысында алынған деректерге сай көрсетілсе, аналитик дәлдігі де осындай шама болуын қамтамасыз етуі керек. Мысалы, белгілі бір элементтің өнімдегі мөлшерін 0,015%-н аспайтын шекте ұстану дұрыс екендігі анықталған десек. Аналитикалық қызмет анализ нәтижелерінің дәлдігін компонент мөлшерінің шектерін, зерттеу сатысында көрсетілген шекара­ларының дәлдігін ескере отырып қамтамасыз ету керек.

2. Қажетті немесе талап етілетін дәлдік. Жоғарыдағы мысалға қайта оралсақ; технологтар белгілі бір элементтің шекті мөлшерінің 0,015%-н аспайтын өнімді шығара алмай тек, шегі 0,025%-н аспайтын өнім шығаруы мүмкін. Дәл осы соңғы мәнді стандарт енгізу қажет болуы мүмкін. Өнімнің осы немесе басқа партиясының стандарт (немесе жеткізуші мен тұтынушының арасындағы келісім) бойынша сараптауына мүмкіндік беретін дәлдік.

3. Өлшеулердің стандартталған (нормативтік) дәлдігі дегеніміз, нормативті құжаттарда бекітілген дәлдік. Бұлардың құрамында анализ нәтижелерінің дәлдігін реттейтін, толық­тылығы әртүрлі, нормативтер бар.

4. Анализдің белгілі бір жағдайында іске асырыла алатын дәлдігі.

Егер бүкіл циклды басынан аяғына дейін, затты зерттеуден бастап оның өндірілуі мен қолданылуына дейін қарастырсақ, онда қолайлы күйі ретінде, дәлдіктердің барлық түрлері жақын болатын шамасы алынады: болжамдалатыны (затты зерттеу сатысында), қажеттісі (заттарға қойылатын талаптарды талқылаудың мәліметтері бойынша), стандартталғаны (норма­тив­тік-техникалық құжаттарда бекітілген) және іске асыры­латыны. Уәкілетті жақтардың өздеріне, мысалы, өндіруші мен тұтынушының арасындағы келісімі бойынша, іс жүзінде, сапалық химиялық анализ әдістемелерінің практикалық қолданылуын ескеріп, қол жеткізуге болатын дәлдіктің деңгейі негізінде, қателердің нормаларын орнатуға рұқсат етіледі.

Әдістің экспресстігі (тез орындалуы). Анализ әдісін немесе әдістеме таңдаған кезде қойылатын талаптардың бірі ретінде экспресстікті, яғни анализдің тез орындалуын айтуға болады. Кейде анализ мақсаты бойынша эксперсс әдісті таңдау қажет болады. Мысалы, құрыштың 15-30 минутқа созылатын конвертерлі балқуы кезінде элементтердің мөлшерін бірнеше рет анықтайды, яғни анализ бірнеше минутқа ғана созылуы керек. Хирургиялық операциялар жасаған кезде, бірнеше минут ішінде аурудың қанындағы немесе тканьдағы биологиялық активті қосылыстың (мочевина, глюкоза, дәрілік препарат және т.б.) концентрациясын анықтау қажеттігі туындайды.

Анализді өте тез орындауға мүмкіндік беретін әдістер бар. Мысалы, атомды-эмиссионды спектроскопия әдістері кванто­метрлерді қолдана отырып, бірнеше секунд ішінде 15-20 элементті анықтауға мүмкіндік береді; ионометрия әдісінде ион-селективті,оның ішінде ферментті электродтарды қолданады, мұндай электродтар компоненттің құрамын 0,5-1 минут ішінде анықтайды.

Анализдің құны. Әдісті таңдау кезінде, әсіресе сериялық және массалық анализдер жүргізген кезде химиялық анализдің құны үлкен роль атқарады. Химиялық анализ құнына қолда­нылатын құралдың, реактивтердің, аналитиктің жұмыс уақыты­ның құны және кейде анализденетін сынаманың құны кіреді.

Әдістердің құны құралмен жабдықталулары бойынша әртүрлі болады. Титриметриялық, гравиметриялық, потенцио­метриялық әдістер неғұрлым арзанырақ. Құны жоғары құрал­дар, мысалы, вольтамперометрияда, спектрофотометрияда, люминесценцияда, атомдық абсорбцияда қолданылады. Анализ­дің нейтронды-активациялы әдісінде, масс-спектрометрияда, ЯМР- мен ЭПР-спектроскопияда, индуктивті байланысқан плазма­лы атомды- эмиссионды спектроскопияда қолданылатын құралдардың құны әлдеқайда жоғары.

Анализдің құнын бағалай отырып реактивтердің бағасы мен қол жетімділігін; химик-аналитиктің қажетті біліктілігі мен оның бір компонентті анықтауға немесе ашуға жұмсайтын уақытын; әсіресе анализденетін нысан материалының өзі қымбат болған жағдайда (платиналық металдардың, алтынның құймалары мен кесектері) анализденетін сынаманың массасын да ескеру қажет.

Анализді автоматтандыру. Біртекті массалық анализдерді жүргізген кезде анализді автоматтандыруға мүмкіндік беретін әдісті таңдау керек. Анализді автоматтандыру көптеген қолмен жасалатын, қиын операцияларды авоматтандырып, аналитиктің жұмысын жеңілдетеді, сонымен бірге жекелеген операция­лардың қатесін төмендетуге, анализ жүргізу жылдамдығын жоғарылатуға, анализ құнын төмендетуге, анализді қашықтық­тан жүргізуге мүмкіндік береді.

Анализдің заманауи әдістерінде автоматтандыруға ұмтылу тенденциясы артып келеді. Анализді автоматтандыру үлкен шығын шығарғанымен, оны қолдану өндірісті автоматтандыру үдерісімен және өнім сапасын бақылауға деген талаптардың өсуімен негізделген.

Анализ әдістеріне қойылатын басқа талаптар. Анализ мақсаттары әдіс пен әдістемені таңдаған кезде ескерілетін жоғарыда келтірілген факторлардан басқа, әдіске басқа да спецификалы талаптар қоюы мүмкін. Мысалы, анализді үлгіні бұзбай жүргізу (деструктивті емес анализ) қолөнер өнімдеріне, археологиялық нысандарға, сот экспертизасының нысандарына зерттеген кезде қолданылады. Мұндай жағдайларда, жиі анализді рентгенфлуоресцентті және ядролы-физикалық әдістерді қолдана отырып жүргізеді.

Металл кесектерінің микрофазаларын, дақтарды, геология­лық және археологиялық үлгілердің химиялық анализі кезінде; пленкалардың қабатты анализі кезінде; қолжазбалардағы, сот экспертизасының нысандарындағы дақтар мен штрихтардың құрамын анықтаған кезде локальды анализ қажет болады. Мұндай анализ кезінде әдістің жаңа сипаттамасын – кеңістіктік таралу мүмкіндігін енгізеді, яғни үлгінің жақын орналасқан бөлшектерін ажырату қабілеті. Кеңістіктік таралу мүмкіндігі анализ кезінде бұзылатын ауданның диаметрі және тереңдігімен анықталады. Локальды анализдің заманауи әдістері қол жеткізе­тін ең жоғары кеңістіктік тарлу мүмкіндігі беттік қабат бойынша 1мкм, ал тереңдік бойынша 1нм-ге дейін болады. Локальды анализде рентгенспектралды әдістерді (электронды-зондты микроанализатор), лазерлі қоздырылған атомды-эмиссионды спектралды әдістерді, масс-спектрометрияны қолданады.

Заманауи аналитикалық химияның маңызды мақсаттарының бірі – химиялық анализді қашықтықтан жүргізу (дистанционды анализ). Мұндай мәселе космос нысандарын анализ­деген кезде, әлемдік мұхиттың түбін зерттегенде, радиоактивті немес адам денсаулығына зиянды басқа да заттарды зерттеген кезде туындайды. Қашықтықтан анализ жүргізу мәселесін жиі ядролы-физикалық, массспектрометриялық және басқа әдістерді қолдану арқылы шешеді.