Тест-системы для химического анализа
Особое значение имеют тест-методы для анализа «на месте» (on site), вне лаборатории. Дело в том, что существуют огромные, острые потребности во вне лабораторном анализе. Вот неполный список областей, где такой анализ либо уже делается в широких масштабах, либо совершенно необходим и в той или иной мере начинается:
· Экспресс – контроль технологических процессов.
· Обнаружение метана в у
гольных шахтах.
· Обнаружение утечек природного газа из газопровода.
· Определение монооксида углерода и углеводородов в автомобильных выхлопах.
· Экспресс-анализ в поле для геологов – поисковиков.
· Быстрый анализ почв (рН, азот, фосфор, калий).
· Контроль пищевых продуктов на рынках.
· Обнаружение алкоголя в выдыхаемом воздухе водителей.
· Домашнее определение сахара в крови и моче диабетиков и другие качественные анализы клинического назначения.
· Оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем.
· Анализ воздуха в рабочей зоне и на улице.
· Контроль содержания озона в стратосфере.
· Обнаружение наркотиков в аэропортах, при обысках.
· Обнаружение боевых отравляющих веществ.
Анализ «на месте» имеет много достоинств. Экономится время и средства на доставку проб в лабораторию и на сам анализ (конечно, более дорогой). При анализе на месте обычно снижаются требования к квалификации исполнителя, поскольку используются более простые средства анализа. Но главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, поскольку, например, изменяются формы существования компонентов.
1.2. Классификация тест-систем
Классификаций тест-систем для химического анализа может быть несколько в зависимости от выбранного классификационного признака.
В зависимости от выбранного классификационного признака Золтов Ю.А., Иванов В.М. [1] разделяют тест-системы следующим образом.
- По природе процессов, используемых для получения аналитического сигнала: тест-методы могут быть разделены на физические, химические, биохимические и биологические.
Физических методов немного, и они не играют большой роли в практике химического анализа.
Биохимические обычно основаны на использовании ферментов и иммуносистем. Выделенные природные ферменты, особенно иммобилизованные, в известной мере приобретают свойства химических реагентов, поэтому, несмотря на специфику ферментов как химических соединений (особенности происхождения, условия хранения, время сохранения активности) ферментные методы можно отнести к химическим.
Биологические методы базируются на использовании микроорганизмов, органов, тканей и даже высокоорганизованных организмов и целых популяций.
- По форме используемого тест-реагента. Это, прежде всего готовые растворы и «сухие реагенты», т.е. нанесённые на твёрдый носитель или просто порошки или таблетки самих реагентов. Ещё большее разнообразие предоставляют тесты на твёрдой матрице; самые известные примеры – индикаторные бумаги, содержащие молекулы-реагенты или активные атомные группировки, и индикаторные трубки для анализа газов, в которых носитель содержит хромогенный реагент, изменяющий окраску при пропускании нужного газа.
Реагенты на носителях (матрицах) различаются природой носителя (целлюлоза, синтетические полимеры, силикагель и др.) и способом закрепления на носителях (адсорбционные, ковалентные).
1.3. Общие требования и метрология
Общие требования, предъявляемые к тестам, состоят в следующем:
· при оценке наличия нужного компонента предпочтительнее ошибочное «да», чем ошибочное «нет»;
· экспрессность;
· число операций, осуществляемых при тестировании, должно быть минимальным;
· при визуальной оценке границы раздела по-разному окрашенных зон должны быть чёткими, изменения окраски достаточно контрастными и т.д., т.е. следует сводить к минимуму возможность неоднозначного толкования результата.
Метрологический аспект, конечно, очень существенен для разработки, приготовления и использования тест-систем; результаты тестов должны быть достаточно надёжными даже в тех случаях, когда определяются малые количества веществ.
Правильность тест-методов обычно проверяют сравнением их результатов с результатами, полученными «инструментальными» методами. Это, конечно, делается при разработке тест-методов. Многие тест-системы не являются универсальными и предназначены для определения компонентов только в определённых объектах.
1.4. Химические основы тестов: реакции и реагенты
Химия тест-методов основана главным образом на цветных реакциях, например реакциях комплексообразования или окисления – восстановления. «Ноу хау» разработчиков и производителей тест-систем сосредоточивается на подборе рациональной комбинации реагентов, стабилизации смесей реагентов и растворов, на уменьшение мешающих влияний путём добавления маскирующих агентов. Главная цель – разработать тест, который был бы экспрессным и лёгким в осуществлении.
Помимо реакций, приводящих к появлению окраски, используют также химические взаимодействия, результатом которых является появление люминесценции.
Эффект измеряют не только визуально, но и с помощью простых в использовании портативных приборов. Особенно часто измеряют пропускание света, диффузное отражение или люминесценцию.
Требования, предъявляемые к реакциям, которые используют в тест-методах, состоят в следующем:
1. Селективность по отношению к обнаруживаемым (определяемым) компонентам или их сумме – в зависимости от поставленной задачи;
2. Достаточно высокая чувствительность. Например, при анализе объектов окружающей среды предел обнаружения обычно должен быть ниже предельно допустимой концентрации нужного компонента или близок к ней;
3. При использовании цветных реакций – высокая контрастность и высокая скорость цветового перехода в присутствии обнаруживаемого или определяемого вещества;
4. Возможность ввести реагенты в форме, пригодной для использования в тест-методах, например привить, с образованием ковалентных связей, на поверхности силикагеля или целлюлозы;
5. Устойчивость реагентов при хранении и достаточная устойчивость аналитического эффекта (окраски, люминесценции и т.д.) во времени.
Для создания тест-методов и тест-средств используют химические реакции почти всех основных типов:
1) кислотно-основные;
2) окислительно-восстановительные;
3) комплексообразования;
4) разные реакции органического синтеза.
Значительную роль в тест-методах играют занимающие несколько особое положение каталитические реакции, преимущественно с использованием ферментов. Соответственно, используются реагенты различного механизма действия и различной природы.
Кислотно-основные реакции имеют большое значение при определении величины рН. Определение концентрации водородных ионов при анализе природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей – одна из самых массовых аналитических операций. Несмотря на развитие потенциометрических методов определения рН, определение кислотности с помощью кислотно-основных индикаторных бумаг остаётся весьма распространённой процедурой. Этот способ имеет ряд достоинств: простота анализа, экспрессность, отсутствие необходимости использовать аппаратуру и связанная с этим дешевизна определений, возможность проводить анализ практически в любом месте.