Химический анализ и аналитический контроль в различных

Ю. А. Золотов
Химический анализ и аналитический контроль
в различных областях науки, техники и производства
УДК 54.06
Химический анализ и контроль важнейших объектов
Ю.А.Золотов
ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ЗОЛОТОВ — доктор химических наук, профессор, академик, заведующий кафедрой
аналитической химии Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, заведующий лабораторией Института общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН. Область научных интересов: общие вопросы
аналитической химии, методы разделения и концентрирования, проточный анализ, гибридные методы химического анализа.
119899 ГСП-3, Москва, Ленинские горы, Химический факультет МГУ, тел. (095)939-55-64, (095)236-53-27.
Из сложной системы, которая называется аналитической х имией, можно вычленить ряд блоков, серию
аспектов, набор результатов. Это прежд е всег о
1) метод ы анализа,
2) объекты анализа,
3) обнаруживаемые и опред еляемые компоненты
(в обих од вх од ит еще од но анг лийское слово — аналиты),
4) целеполаг ающие установки — зад ачи, выд еляющиеся в отд ельные области (неразрушающий,
непрерывный, д истанционный, локальный, вещественный анализ и д р.),
5) общие, в том числе общетеоретические, аспекты
и направления (метролог ия анализа, теория пробоотбора, принципы и пути автоматизации, учение об
аналитическом цикле и т.д .),
6) средства для осуществления анализа и инфраструктура аналитической химии (приборы, оборудование, реактивы, литература и т.п.) и ряд друг их разрезов.
Рассмотрим д ва фраг мента этой системы — объекты анализа и тех нические сред ства ег о осуществления, т.е. прежд е всег о измерительные приборы.
Объекты анализа
Перечень наиболее важных объектов х имическог о
анализа не есть что-то неизменное, застывшее, он
разный в разное время, в различных странах и уж,
конечно, в разных вед омствах . Если в 30-40-х г од ах
прошед шег о ХХ века в аналитической практике преоблад ал анализ минеральног о сырья, металлов и
сплавов, то в 50-70-е г од ы центр интересов переместился в область атомных и полупровод никовых материалов, в сферу анализа веществ высокой чистоты.
Сег од ня мы являемся свид етелями новог о бума: в
России ед ва ли не все центры, занимающиеся анали-
8
тической х имией, так или иначе нацелены на объекты
окружающей сред ы, а в США на первом месте стоят
био- и биомед ицинские объекты, и зд есь аналитические метод ы все шире используются д ля д иаг ностики
заболеваний, ДНК-анализа, в фармакокинетике и т.д .
Сами понятия списка объектов, соответствующих
приоритетов, центров внимания нужд аются в пояснении. Мы д олжны различать сферу научных исслед ований и разработок, которая в количественном отношении проявляется в числе публикаций, конференций
и т.п., и область реальног о анализа и контроля, количественно оценить которую труд нее. Косвенно объемы конкретных анализов конкретных объектов можно
ох арактеризовать числом покупаемых приборов,
затратами на контроль тех или иных объектов в
отрасли или д аже в стране.
Существенно, что «кривые научног о интереса» к
той или иной г руппе объектов анализа имеют максимум. Обычно число публикаций вначале растет, иног д а очень быстро, затем д остиг ает наибольших значений и постепенно снижается, ког д а основные проблемы решены, созд ано мног о метод ик, появились
необх од имые тех нические сред ства. Для кривых же,
х арактеризующих д инамику изменения числа реально провод имых анализов, более типично насыщение
или непрерывный рост.
Например, если д оля публикаций, д оклад ов и т.п.
по анализу г еолог ических объектов д авно уже уменьшается, то число выполняемых опред елений может и
увеличиваться. При этом используют отлаженные метод ики, о которых писать статьи уже нет необх од имости. Но след ует иметь в вид у, что д ля таких анализов требуется мног о приборов, реактивов, нужны
станд артные образцы, помещения д ля лабораторий,
под г отовленные кад ры. Если в оценке объема практических аналитических работ руковод ствоваться
числом публикаций, то можно серьезно просчитаться,
и такую ошибку неред ко д опускают.
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 4
Уместно еще раз опред елиться и с вынесенными в
заг оловок статьи терминами «анализ» и «контроль».
Их иног д а отожд ествляют, что не всег д а корректно.
Аналитический контроль — это проверка соответствия
х имическог о состава опред еленным зад анным требованиям. Полный анализ г орной пород ы или изучение
состава сплава, из которог о изг отовлена иностранная
монетка, — это вовсе не контроль. А вот выяснение,
не превышена ли в возд ух е пред ельно д опустимая
концентрация монооксид а уг лерод а, — это контроль.
Зд есь мы знаем, что именно опред еляем, мы знаем
порог овое сод ержание, д опустимый д иапазон. Химический же анализ в общем понимании — это получение информации о составе объекта (ну еще и соответствующая область д еятельности).
И сред и аналитиков-исслед ователей, и в сообществе аналитиков-практиков существует специализация: по метод ам, по объектам, по опред еляемым веществам, по общим направлениям (метролог ия, теория пробоотбора и т.д .). Для практиков, имеющих
д ело с опред еленной г руппой объектов анализа,
метод ы имеют значение сред ства измерения; практикам по большому счету безразлично, каким метод ом
решать зад ачу. Эксклюзивная привязка метод ов к тем
или иным объектам иног д а наблюд ается, но ред ко,
обычно метод ы более или менее универсальны. Даже,
например, г азовая х роматог рафия, важнейший метод
опред еления летучих и термостабильных орг анических соед инений, может быть использована и в анализе неорг анических объектов: можно разд елять и
опред елять летучие г алог енид ы и х елаты металлов. И
это касается почти всех метод ов. Но рад и объективности стоит привести пример привязки метод а к объекту анализа: метод вакуум-плавления созд ан и применяется почти исключительно д ля опред еления г азообразующих примесей в металлах .
Объекты анализа можно классифицировать «по
вед омствам» (объекты электроники, металлург ии,
мед ицинские и т.п.), либо по их х имической природ е
(металлы, силикатные материалы, оксид ы), либо по их
специфическим, с точки зрения аналитика, х арактеристикам (особо чистые вещества независимо от их
х имической природ ы и вед омственной принад лежности, самые разнообразные г азы). Допустимы (и используются) также д руг ие классификации объектов
анализа.
Кажд ая г руппа таких объектов имеет свои особенности, д а и сами зад ачи анализа обычно различаются.
Если при анализе полупровод ников д ля микроэлектроники г лавное — это опред еление очень низких
сод ержаний примесей, пусть и не с очень высокой
точностью, то при изучении парниковог о эффекта в
атмосфере требуется весьма точно оценивать концентрацию уг лекислог о г аза, которог о в возд ух е не так
уж мало. Если при анализе арх еолог ических объектов
или объектов криминалистики часто требуются неразрушающие метод ы, то при работе с г еолог ическими объектами это вовсе не обязательно.
Привед ем еще примеры «вед омственных » объектов анализа, их особенности и степень освоения.
В металлах и сплавах опред еляют уг лерод , фосфор, серу, азот, лег ирующие д обавки металлург ической природ ы (в сталях — х ром, никель, молибд ен и
д р.), существенное значение имеет также опред еление неметаллург ических включений, образующих
отд ельные фазы. При контроле ряд а металлург ических процессов важна экспрессность анализа.
В отношении цветных металлов труд ности аналитических решений связаны, как минимум, с мног ообразием металлов этой серии. Особую г руппу составляют д раг оценные металлы — в этом случае обычно
опред еляют и сод ержание основног о металла. Весьма
труд но количественно опред елять золото, серебро,
платиновые металлы в ломе, во вторичном сырье самог о разног о х арактера.
По анализу г еолог ических объектов в СССР и России накоплен ог ромный опыт. Это более или менее
отлаженная система, к тому же оформленная в научно-метод ическом и д аже орг анизационном отношении. Всероссийский институт минеральног о сырья
(ВИМС) — признанный центр этой системы. Для опре–2
д еления микроэлементов (менее 10 %) постоянно
привлекаются новые метод ы, причем р ек омен д уемые
метод ик и «обк атываются», оц ен иваются с точк и
зр ен ия метр олог ическ их х ар ак тер истик и к лассифиц ир уются. Д ля оп р ед елен ия п ор од ообр азующи х
элемен тов исп ользуют р ен тг ен офлуор есц ен тн ый и
д р уг ие метод ы. Есть сп ец ифик а в ан ализе г азовых
вк лючен ий.
Приборы
В наше время анализ ред ко провод ят без приборов, д аже классическая титриметрия при массовых
опред елениях осуществляется с помощью титриметров. Да и аналитические весы можно считать прибором. Так что д еление метод ов анализа на так называемые х имические и инструментальные очень условно. На современном научно-тех ническом уровне развития нужно мног о приборов, х ороших и разных и по
возможности не очень д орог их , но это реализуется не
так уж часто.
Приборы, с од ной стороны, — это р е з у л ь т а т
исслед овательской и конструкторской работы аналитиков и их смежников, а с д руг ой — с р е д с т в о д ля
осуществления анализов, и в этом качестве они обычно и ценятся. В числе направлений и общих тенд енций аналитическог о приборостроения — автоматизация, компьютеризация, миниатюризация, использование блочно-мод ульног о принципа, г ибрид изация, например, соед инение процесса разд еления с опред елением. В настоящее время наблюд ается д вижение в
сторону созд ания од ноцелевых анализаторов, в том
числе карманног о типа, пред назначенных д ля опред еления од ног о вещества или од ног о параметра (х имическое потребление кислород а в вод е), и вместе с
тем развивается направление созд ания приборовкомбайнов, в которых реализовано несколько метод ов (ЭСХА, Оже-спектроскопия и д р.). Большая же
часть аналитической тех ники, реализуя «в железе»
од ин метод , д ает возможность опред елять мног о
разных веществ и в различных объектах . Это, например, спектроскопические, х роматог рафические и
мног ие электрох имические приборы.
Аналитическое приборостроение в мире — очень
быстро развивающаяся отрасль. Число фирм, занятых
разработкой и производ ством инструментария д ля
х имическог о анализа, составляет мног ие сотни и сред и них такие г иг анты, как «Thermo Electronics» со мно-
9
Ю. А. Золотов
г ими под разд елениями («Thermo Orion», «Thermo Jarrel
Ash», «Thermo ARL» и д р.), «Shimadzu», «Dionex», «Waters», «Agelent», «Bruker». Выставки Pittcon (США), Analytica и InCom (Германия), BCEIA (Китай) поражают
разнообразием приборов, их быстрым совершенствованием, рег улярным появлением принципиально новых устройств. В Россию зарубежная аналитическая
4тех ника попад ает в ог ромном количестве, особенно
на крупные пред приятия.
Наше собственное аналитическое приборостроение приобретает новое лицо. Вместо крупных г осуд арственных орг анизаций и пред приятий, ставших
теперь акционерными обществами, появилось мног о
фирм, возникших на базе исслед овательских учрежд ений или тех же бывших г осуд арственных орг анизаций и пред приятий. Сред и таких фирм, уже завоевавших авторитет, х отелось бы отметить «Люмэкс»,
«Кортэк», «Эконикс», «Спектрон» и д р. Сох ранились и
некоторые старые г иг анты, х отя и претерпевшие перестройки и реорг анизации. В настоящее время отечественные пред приятия выпускают вполне д обротные приборы, причем более д ешевые, чем зарубежные аналог и.
Ясно, что анализ обеспечивается не только приборами — нужны метод ики, реактивы, станд артные
образцы. Но более всег о требуется общая метод олог ия анализа, д ля овлад ения которой нужны соответствующая под г отовка и опыт аналитика. Эта метод олог ия пред полаг ает, например, умение сопоставить
метод ы анализа, в принципе приг од ные д ля решения
д анной зад ачи, и выбрать наиболее под х од ящий.
Иног д а молод ой х имик обращается с просьбой приобрести масс-спектрометр с инд уктивно связанной
плазмой стоимостью в д ве сотни тысяч д олларов, а
при внимательном рассмотрении оказывается, что
стоящие перед ним зад ачи решаются с помощью д ешевог о фотометра. Для х орошег о анализа нужен х ороший аналитик, не только образованный и опытный,
но г лавное — д умающий.
Несколько слов об од ной из тенд енций в аналитическом приборостроении — о миниатюризации.
Нельзя сказать, что эта тенд енция появилась нед авно,
10
стремление уменьшать г абариты приборов существовало всег д а. Достаточно сравнить первые жид костные
х роматог рафы начала 1970-х г од ов и современные
компактные, настольные приборы д ля ВЭЖХ, или старые полярог рафы с современными малог абаритными
приборами, например фирмы «Эконикс». Существует
множество уже упомянутых анализаторов карманног о
типа, особенно д ля г азовог о анализа, но не только. В
послед ние г од ы в области миниатюризации наметился принципиальный прорыв, что, вероятно, значительно изменит через 5—10 лет облик мног их аналитических приборов. Речь ид ет о созд ании инструментария на микрочипах .
Од ин из основателей этог о направления А. Манц
отмечал, что при уменьшении объемов проб, с которыми имеет д ело аналитик, в 1000 раз время реакций
и скорость разд еления уменьшаются в 100 раз. Для
работы с жид костями в варианте микрочипов (microfluidic technique) можно использовать объемы д о 1 пиколитра. Первая, правд а, не очень уд ачная попытка созд ать прибор на микрочипе, была пред принята еще в
1977 г од у. Это был г азовый х роматог раф, разработанный в Станфорд ском университете. Од нако размах таког о род а работы получили на фирме «Ciba» в
Базеле (Швейцария), но существенно позд нее. В настоящее время д алее всег о прод винулись исслед ования в области капиллярног о электрофореза на чипах ,
х отя есть разработки по проточно-инжекционному
анализу (1993 г ., М. Вид мер и д руг ие из швейцарской
г руппы). Это направление с под ачи швейцарцев п олучило н е вп олн е ад ек ватн ое н азван ие «Micro Total
Analysis Systems (µ-TAS)». Нa эту тему п р ошло уже
н емало к он фер ен ц ий. В 2000 г од у фиpмa «Agеlent»
д емон стр ир овала н а Питсбур г ск ой к он фер ен ц ии
мик р очип овый Bioanalyser. В н астоящее вр емя мик р очип ами зан имается мн ог о лабор атор и й. На
Питсбур г ск ой к он фер ен ц ии в 2002 г од у этому н ап р авлен ию было п освящен о д остаточн о большое
к оличество д ок лад ов.