Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления индикаторной пластины для определения микропримеси свинца в растительном сырье

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способу изготовления индикаторной пластины, и может быть использовано в системе контроля за содержанием металлов-загрязнителей в растительном сырье.

Усиление антропогенной нагрузки на компоненты биосферы, приводящее к нарушению экологического равновесия, в первую очередь изменяет состав и свойства почвы, поскольку она является главным приемником и аккумулятором экотоксикантов [Ляшенко Галина Михайловна Загрязнение почв и растений свинцом в придорожных агроценозах чернозема обыкновенного Приазовской зоны Ростовской области: дис. канд. сельскохоз. наук: 06.01.03, 06.01.09 п. Персиановский, 2007 160 с.], что в свою очередь приводит к накоплению их в лекарственных растениях. Одним из наиболее опасных экотоксикантов, содержание которого контролируется не только в фитопрепаратах, но и продуктах питания, а также объектах окружающей среды, является свинец. Содержание свинца в растительном сырье, произрастающем на незагрязненных территориях, колеблется от 0,1-5 мг/кг воздушно-сухой массы, а предположительно максимальное 10 мг/кг [Ельчининова О.А. Микроэлементы - биофилы и тяжелые металлы в лекарственных растениях Северного Алтая / О.А. Ельчининова, Т.А. Рождественская, Е.Ю. Черных - Мат. междунар. конф. «Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных территорий: настоящее, прошлое и будущее - Горно-Алтайск. - 2008. - С. 51-56.]. Употребление подобных образцов в лекарственной терапии даже с незначительным превышением экотоксиканта сопровождается нарушением обмена гемоглобина, угнетением выделения железа в порфиритовое кольцо, а также отравлением ферментов [Геохимия и экология химических элементов: Справочное пособие / Н.К. Чертко, Э.Н. Чертко Мн.: Издательский центр БГУ, 2008. - с. 83-84]. Содержание свинца, как один из «показателей безопасности» растительного сырья согласно ОФС.1.5.3.0009.15 «Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах» контролируется способами атомно-абсорбционной спектрометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и рентгенофлуоресцентной спектрометрии. К сожалению возможности этих способов ограничиваются сложностью аппаратурного оформления, необходимостью проведения пробоподготовки, что увеличивает время единичного определения. В связи с чем, наиболее перспективными в области контроля экотоксикантов в реальных объектах становятся тест-методики, не требующие консервации проб, дорогого оборудования и высококвалифицированного персонала.

Известен способ изготовления индикаторной пластинки для тест-методики определения свинца в объектах окружающей среды, включающий нанесение на индикаторную пластину (пенополиуретан) хелатообразующего реагента 10-(2-пиридилазо)-нафтола-2. Использование данной индикаторной пластины позволяет определять экотоксикант в широком интервале рН (1÷12) [Новый твердофазный реагент на основе пенополиуретана для сорбционно-спектрофотометрических и тест-методов определения кадмия и свинца / X.А. Мирзаева, М.А. Бабуев / Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2003. №3 (175). С. 39-43].

Недостатком способа является длительность подготовительного периода, а процесс модификации носителя требует лабораторных условий.

Известен способ изготовления индикаторной пластинки для тест-методики определения ионов Pb(II), включающий нанесение на индикаторную пластину (пенополиурентан) фосфатаз различного происхождения, модифицированных N-фталилхитозаном. Нижняя граница определения ионов Pb(II) составляет 0,05 нг/мл [Тест-методы определения цинка (II) и свинца (II) на основе иммобилизованных щелочных фосфатаз различного происхождения / И.А. Веселова, А.М. Жаворонкова, С.В. Мугинова, Т.Н. Шеховцова / Журнал аналит. хим. 2003. Т. 58. №7. С. 740-741].

Известно изготовление индикаторной пластины для тест-методики определения ионов Pb(II) в водных растворах, включающий обработку тканевого носителя реагентом, в качестве которого используют 1-фенил-3-изопропил-5-(бензилбензимидазол-2-ил)формазан, взятый в количестве 0,032-0,158% от массы тканевого носителя. После выдерживания обработанного тканевого носителя на воздухе ведут сравнение интенсивности окраски с имитационной шкалой [RU №2441232, G01N 31/22 (G01N 31/02), G01N 21/78, 27.01.2012].

Недостатком способа является существенная погрешность визуального определения, возникающая в результате неоднородности поверхности модифицированного сорбента.

Известен способ изготовления индикаторной пластины для определения свинца (II), включающий нанесение на носитель (коммерческую фотопленку с толщиной желатинового слоя ~20 мкм) бромпирогаллолового красного (рН 4,5) [Визуальное тест-определение Pb(II) с использованием индикаторной желатиновой пленки / П.В. Анисимович, З.А. Темердашев, Т.Б. Починок, Е.А. Решетняк, Т.С. Смоленская, О.Ю. Ломакина / Аналитика и контроль. 2014. Т. 18. №3. с. 328-337].

Недостатком способа является длительность подготовительного периода, так как возникает необходимость удаления галогенидов серебра с поверхности фотографической пленки.

Известен способ изготовления индикаторной пластины для определения Pb(II), включающий нанесение на носитель с высокими капиллярными свойствами (хроматографическую бумагу или пластина для тонкослойной хроматографии) индикаторной смеси, содержащей сульфарсазен, тартрат натрия, щелочь (до рН 9,55) [Торопов Л.И. Тест-определение ионов свинца с сульфарсазеном / Современные проблемы науки и образования. - 2011. - №6.; URL: http://www.science-educauon.ru/ru/article/view.id=5112 (дата обращения: 20.05.2016).]

Недостатком способа является низкая воспроизводимость определения в результате смыва реагента с поверхности пластины тонкослойной хроматографии или разрыва фильтровальной бумаги при пропускании через нее анализируемого раствора.

Наиболее близким к заявленному изобретению является индикаторная пластина для определения свинца, представляющая собой носитель с высокими капиллярными свойствами, покрытый индикаторным составом, содержащим водные растворы 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрации 0,08-0,20 мас. % и ацетата аммония с концентрацией 20-40 мас. %. Причем пластина во влажном состоянии размещена в герметичной упаковке [RU №2218563, G01N 31/22 (G01N 31/02)].

Недостатком способа является сложность подготовительного периода, включающая пропитку пластины носителя индикаторным составом, причем перед пропиткой пластину носителя размещают в пакете из водогазонепроницаемого материала с центральным отверстием на одной стороне пакета, пропитку проводят капельным методом через центральное отверстие, а затем герметизируют упаковку, закрывая сторону пакета с отверстием вторым слоем водогазонепроницаемого материала.

Задачей настоящего изобретения является упрощение разработанной индикаторной пластинки для определения свинца в растительном сырье, позволяющей проводить анализ в «полевых условиях» и расширить ассортимент средств данного назначения.

Технический результат заявленного изобретения состоит в упрощении изготовления индикаторной пластины для повышения селективности определения свинца в растительном сырье.

Это достигается тем, что способ изготовления индикаторной пластины для определения микропримеси свинца в растительном сырье, включающий нанесение на носитель, с высокими капиллярными свойствами, индикаторного состава, содержащего 4-(2-пиридилазо)резорцина, размещение индикаторной пластины во влажном состоянии в герметичной упаковке, согласно изобретению на носитель первоначально наносят раствор 4-(2-пиридилазо)резорцина в концентрации 0,10-0,30 мас. %, а затем раствор 1 М тартрата натрия, в молярном соотношении 7,5:1 соответственно.

Отличие заявляемой индикаторной пластаны состоит в последовательной ее обработке водными растворами 4-(2-пиридилазо)резорцина и тартрата натрия. Данная последовательность обработки индикаторной пластины позволяет проводить определение свинца в присутствии кадмия. При погружении индикаторной пластины в анализируемый раствор ионы кадмия образуют в тартратный комплекс и не взаимодействуют с 4-(2-пиридилазо)резорцином. При минимальном молярном соотношении реагентов 7,5:1 способ позволяет определять свинец в присутствии 15 мкг кадмия, что превышает предельно допустимые для биологически активных добавок в 1,5 раза. Непосредственная обработка индикаторной пластины ацетатом аммония, необходимая для создания кислотности (рН 9,0÷10,0), как указано в прототипе, может вызвать образование на ней осадков оснований щелочноземельных металлов, что мешает фиксировать изменение ее окраски. Создание кислотности непосредственно при проведении пробоподготовки позволяет устранить влияние ионов металлов, образующих при рН 9,0 нерастворимые основания.

Для перевода образца в жидкую форму образец растительного сырья обрабатывали 0,5-1,5 мл H₂SO_4(конц) и нагревали до полного обугливания. Полученную золу обрабатывали 1 мл HNO_(конц) и 5 капель H₂SO_4(конц), после чего вновь нагревали до полного окисления образца. Подготовленную пробу прокаливали в муфельной печи, при температуре около 500°С до получения зольного остатка, который растворяли в 4-5 мл 6 М растворе HCl. Полученный раствор количественно переносили в мерную колбу, фильтруя через беззольный фильтр, прибавляли 10 мл аммиачного буферного раствора и доводили диализованной водой до метки (ОФС.1.5.3.0009.15 «Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах»).

В полученный раствор помещали индикаторную пластину, выдерживали в течение 1-2 минут (время, необходимое для развития окраски) и сравнивали интенсивность окраски с имитационной цветной шкалой, полученной в результате анализа модельных систем (Рис. 1).

Достоверности полученных результатов оценивали фотометрическим способом [Спектрофотометрическое определение бромида свинца и двубромистого диметилсвинца с 4-(2-пиридилазо)резорцином / И.И. Жерин, О.С. Андриенко, Н.Б. Егоров, Д.В. Индык, Г.Н. Амелина, Д.В. Акимов / Известия Томского политехнического университета 2012. Т. 321. №3 с. 93-96] и инверсионно-вольтамперометрическим [ГОСТ Р 51301-99. Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). - Москва: Изд-во Стандартов, 2000].

Осуществление способа приведено в примере 1.

Пример 1. Получение имитационной цветовой шкалы.

Хроматографическую бумагу (5×2 см) последовательно обрабатывали водными растворами 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрацией 0,10 и 0,30 мас. % (используется в зависимости от содержания свинца), 1 М раствором тартрата натрия, не допуская высушивания, индикаторную пластину запаивали в герметическую упаковку. Полученные индикаторные пластины хранили в течение 3 месяцев.

Рабочий раствор свинца готовили путем разбавления диализованной водой 5,0 мл стандартного раствора (ГСО 7877-2000) в мерной колбе емкостью 25 мл.

Для получения имитационной цветной шкалы в 9 мерных колб емкостью 25,0 мл вводили 0,0÷12,5 мл рабочего раствора свинца (с шагом 2,5 мл), 10 мл аммиачного буферного раствора и доводили диализованной водой до метки. Полученные растворы переносили в 9 лабораторных стакана емкостью 50,0 мл, погружали в них по три индикаторные пластины, для развития окраски выдерживали их в течение 1-2 минут. Полученную окраску индикаторной пластины фиксировали 5 независимых наблюдателей. Результаты анализа представлены в табл. 1, Рис. 2.

Согласно результатам, представленным на Рис. 2, индикаторные пластины, обработанные водными растворами 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрацией 0,10 мас. %, пригодны для анализа образцов, содержащих не более 30,0 мкг свинца, при больших содержаниях экотоксиканта возникает необходимость использования индикаторных пластин, обработанных водным растворам 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрацией 0,30 мас. %.

Определение Pb(II) по индикаторным пластинам устанавливали на стандартных растворах методом «введено-найдено» и фотометрическим способом. Для этого в растворы погружали по три индикаторные пластины, содержание Pb(II) оценивали 5 наблюдателей, пользуясь имитационной цветовой шкалой: 0,00; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,10 мг/кг. Из 15 результатов определения вычислили средние значения концентраций. Результаты определения представлены в табл. 1

Для определения правильности результатов определения свинца по индикаторным пластинам использовали фотометрический способ, основанный на измерении оптической плотности фотометрируемой формы, полученной в результате химического взаимодействия свинца с водным раствором 4-(2-пиридилазо)резорцина в аммиачно-буферной среде (рН 9,0). Для этих целей в мерную колбу емкостью 25 мл, содержащую 5 мл аммиачного буферного раствора (рН 9,0), 5 мл 0,1 или 0,3 мас. % раствора 4-(2-пиридилазо)резорцина, вводили стандартный раствор свинца, содержащий от 5 до 35 мкг экотоксиканта, и доводили водой до метки. Оптическую плотность измеряли относительно раствора сравнения при 490 нм. Результаты определения представлены в табл. 2.

На основании данных табл. 2 получена зависимость изменения оптической плотности фотометрируемой формы от количества введенного свинца, представленная на Рис. 3.

Зависимость, представленная на Рис. 3, линейна в интервале 0,00÷20,00 и 0,00÷35,00 мкг свинца при использовании водных раствор 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрациями 0,10 и 0, 30 мас. % соответственно. Таким образом, при определении содержания свинца меньше 20,00 мкг в аналите используется водный раствор 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрацией 0,10 мас. %. Применение растворов с высокой концентрацией 4-(2-пиридилазо)резорцина нецелесообразно, вследствие не только дороговизны реагента, но и внесения ошибки определения за счет наличия собственной окраски реагента, что приводит к искажению окраски индикаторной пластины при определении свинца. Однако применение индикаторных пластин, обработанных водным раствором 4-(2-пиридилазо)резорцина с концентрациями 0,10 мас. %, не позволяет проводить «количественную» оценку содержания экотоксиканта при его содержании выше предельно допустимых.

Пример 2. Определение оптимальной концентрации раствора тартрата натрия.

Согласно ОФС.1.5.3.0009.15 «Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах» в понятие «тяжелые металлы» включено содержание свинца, кадмия и ртути. Для устранения влияния кадмия и ртути на результаты определения свинца индикаторную пластину обрабатывали водным раствором тартрата натрия.

Для выявления оптимального количества тартрата натрия в мерную колбу емкостью 25 мл, содержащую 5 мл аммиачного буферного раствора (рН 9,0), 5 мл 0,1 мас. % раствора 4-(2-пиридилазо)резорцина, стандартный раствор свинца и кадмия, содержащий 15 и 15 мкг экотоксикантов соответственно, вводили от 0,00 до 0,004 моль тартрата натрия. Объем в мерной колбе доводили водой до метки. Оптическую плотность измеряли относительно раствора сравнения при 490 нм. Результаты определения представлены в табл. 3.

Согласно результатам, представленным в табл. 3, для устранения влияния кадмия при содержании до 15 мкг в пробе необходимо введение в систему 3⋅10^-3 моль тартрата натрия. Так как содержание кадмия варьируется в широком диапазоне, для устранения его влияния индикаторную пластину обрабатывали 3,0-4,0 мл 1 М раствором тартрата натрия, что соответствует (3-4)⋅10^-3 моль реагента.

Пример 3. Определение свинца в PC

Образец дикорастущего (Tanacetum vulgare L, Artemisia vulgaris L, Urtica dioica L) и культивированного (Tanaceti Flore, Chamomillae flores) растительного сырья и фитопрепаратов (Грудной сбор 4) массой 2,0-4,0 г проводили через все стадии пробоподготовки согласно ОФС.1.5.3.0009.15 «Определение содержания тяжелых металлов и мышьяка в лекарственном растительном сырье и лекарственных растительных препаратах». Дальнейшее определение проводили согласно примеру 1. Результаты определения представлены в табл. 4.

Содержание свинца, найденное по окраске индикаторной пластины, фтотометрическим и инверсионно-вольтамперометрическим способами согласуются между собой (табл. 4). Согласно результатам, представленным в табл. 4, содержание экотоксиканта варьируется от 1,34 мг/кг до 28,4 мг/кг. Высокое содержание свинца наблюдается в образцах Urtica dioica L (Крапива двудомная) и возможно обусловлено средой произрастания, а также антропогенной деятельностью человека.

Таким образом, предложенная индикаторная пластина для определения свинца в растительном сырье позволяет проводить анализ экотоксиканта в присутствии переходных металлов (Cd, Hg), не требует дорогостоящего оборудования и реактивов и может быть использована в «полевых условиях», что позволит сделать вывод о безопасности отобранного растительного сырья.