Физические и физико-химические (инструментальные) методы анализа

Инструментальные методы - методы анализа, основанные на использовании специальных приборов, измеряющих физические характеристики веществ.

Физические методы основаны на прямом измерении физических характеристик анализируемого вещества.

Физико-химические методы основаны на применении химических реакций, в результате которых изменяются физические характеристики какого-либо участника реакции.

Инструментальные методы широко используются для анализа органических и неорганических веществ при решении многих проблем химии, биологии, технологии, экологии. По чувствительности и селективности они близки химическим методам анализа, могут использоваться как для качественного, так и для количественного анализа.

Преимуществами инструментальных методов анализа по сравнению с химическими является небольшая продолжительность анализа и малый объем пробы, необходимый для исследования. Однако оборудование, которое при этом используется, как правило, имеет большую стоимость, необходима высокая профессиональная подготовка химика-аналитика, работающего на этих приборах. Недостатком инструментальных методов является необходимость предварительной калибровки прибора, то есть нахождения зависимости измеряемого прибором сигнала от концентрации анализируемого вещества.

По методу измерения, лежащему в основе анализа, инструментальные методы анализа можно разделить на следующие группы:

спектральные (оптические)
хроматографические
электрохимические
радиофизические
радиометрические
масс-спектроскопические идр.

По диапазону определяемых концентраций различают:
макрометоды 1-100%
полумикрометоды 0,1 – 1%
микрометоды 10^-6 – 0,1%
ультрамикрометоды 10^-9 – 10^-6%

По объему пробы, необходимой для анализа:
макрометоды (0,1 – 1) г; (0,1 – 10) мл
полумикрометоды (0,01 – 0,1) г; (0,1 – 1) мл
микрометоды (10^-3 – 0,01) г; (0,01 – 0,1) мл
ультрамикрометоды (10^-9 – 10^-6) г; (10^-3 – 10^-4) мл

Инструментальные методы анализа характеризуются следующими показателями:

Чувствительность (предел обнаружения) - наименьшая концентрация анализируемого вещества, определяемая данным методом с доверительной вероятностью 0,95.

Селективность (разрешающая способность) - способность метода отличать один аналитический сигнал от другого.

Воспроизводимость - степень совпадения нескольких параллельных результатов; выявляет случайные ошибки.

Правильность (точность) - степень совпадения полученных результатов с истинными значениями; выявляет систематические ошибки.

Биологический:

Биологические методы основаны на том, что для жизнедеятельности - роста, размножения и функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например при исключении из питательной среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения, организм через какое-то время, иногда практически сразу подает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма (называемого индикаторным) с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения или определения. Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические функции, биохимические реакции и т.д. Для биологических методов характерны своя методика эксперимента, аппаратура и способ регистрации ответного сигнала индикаторного организма.

Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить на: 1) жизненно необходимые, 2) токсичные, 3) физиологически неактивные. Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю ответную реакцию организма (аналитический сигнал). Физиологически неактивные вещества могут дать отдаленный результат, или их можно перевести в активное состояние в результате реакций взаимодействия с ингибиторами либо стимуляторами процессов жизнедеятельности организмов.

От характера определяемого вещества зависит выбор того или иного индикаторного организма. Его ответный сигнал на изменение химического состава твердой, жидкой или воздушной сред может быть самым разнообразным: изменение характера поведения (поведенческие реакции); стимуляция или подавление роста, накопления биомассы; изменение пигментации, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей; нарушение функций органов пищеварения, дыхания, размножения; патолого-анатомические изменения организма. Обобщенным показателем эффективности действия определяемого соединения на индикаторный организм является либо выживаемость, либо летальный исход. Все перечисленные или какие-либо другие изменения индикаторного организма в отдельности или в совокупности могут быть использованы в качестве аналитического сигнала, который можно измерить физико-химическим методом или оценить визуально.

Выбор способа регистрации ответного сигнала на заключительной стадии выполнения анализа зависит как от целей анализа, так и от механизма и степени взаимодействия определяемого вещества и индикаторного организма. 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 последнего: 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 зависят от физико-химических и биологических факторов: направленности и продолжительности воздействия химического соединения на организм; температуры, рН среды; уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных, возрастных, половых особенностей.

В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные. Применение этих индикаторных организмов в анализе мы и рассмотрим в статье. При этом следует отметить, что в последние годы все большее внимание ученых привлекают растительные индикаторы. Так, например, по скорости роста, увеличению массы, разветвленности корней растений можно оценить содержание в почве тяжелых металлов (свинца, кадмия).