"МУК 4.1.1510-03. 4.1. Методы контроля. Химические факторы. Инверсионно-вольтамперометрическое измерение концентрации мышьяка в питьевой, природной и сточной воде без применения инертного газа. Методические указания"
(утв. Минздравом России 29.06.2003)

1. Разработаны Федеральным центром госсанэпиднадзора Минздрава России (В.Б. Скачков, Н.С. Ластенко) и НПП "Техноаналит" (Ю.А. Иванов, Л.А. Хустенко, Б.Ф. Назаров, А.В. Заичко, Е.Е. Иванова, Г.Н. Носова, Т.П. Толмачева).

2. Рекомендованы к утверждению Комиссией по госсанэпиднормированию при Минздраве России.

3. Утверждены 29.06.2003 и введены в действие 30.06.2003 Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации, Первым заместителем Министра здравоохранения Российской Федерации.

4. Введены впервые.

Метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ) за последние 5 - 7 лет существенно укрепил свои позиции в повседневном рутинном анализе экологических и пищевых объектов. Высокая чувствительность, относительно небольшое время проведения анализов, хорошая адаптация к автоматизации и компьютеризации, сравнительно низкая стоимость оборудования делает ИВ конкурентоспособным и перспективным методом для проведения повседневных массовых анализов.

Томский политехнический университет является одним из основоположников метода ИВ и совместно с НПП "Техноаналит" постоянно занимается усовершенствованием средств реализации метода. Основными современными средствами реализации метода являются вольтамперометрический анализатор, программное обеспечение и методики анализа. К вспомогательным средствам относятся устройства пробоподготовки. Все эти средства реализации взаимосвязаны и определяют достоинства и недостатки ИВ-комплекса в целом. Аналитические возможности ВА-анализаторов, круг решаемых ими аналитических задач определяются количеством выполняемых на нем методик анализа. Но сущность самой методики анализа, особенно ее метрологические характеристики, зачастую определяются анализатором и программным обеспечением.

Включенные в сборник методики анализа разработаны на анализаторах серии ТА с программным обеспечением VALab-2000 и применением специализированной печи ПДП-18МП.

Анализаторы типа ТА имеют некоторые особенности. Это:

- встроенный ультрафиолетовый облучатель, позволяющий непосредственно в процессе анализа производить деструкцию органических веществ и удалять кислород из анализируемого раствора;

- способ перемешивания анализируемого раствора путем вибрации индикаторного электрода на частоте собственного механического резонанса со стабилизированной амплитудой;

- трехканальный датчик, позволяющий проводить одновременный анализ трех проб;

- анализаторы серии ТА управляются программным способом с помощью ПК, что позволяет автоматизировать настройку прибора и анализ, исключать промахи, гибко и оперативно расширять функциональные возможности прибора.

Вышеперечисленное привело к некоторой индивидуальности анализаторов серии ТА. Но это не исключает возможность их применения с другими вольтамперометрическими анализаторами при соответствующей адаптации высококвалифицированными специалистами.

Метод ИВ становится одним из основных методов анализа, используемых в испытательных лабораториях, и успешно применяется для определения следовых количеств различных металлов в объектах окружающей среды (воздух, вода, почва, растительность), пищевых продуктах, биологических тканях и жидкостях, лекарственных препаратах и других жизненно важных объектах.

Метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ) основан на получении и расшифровке вольтамперограмм, представляющих собой зависимость тока от поляризующего напряжения.

Аналитическое определение элементов в методе ИВ состоит из двух стадий:

- предварительное электролитическое концентрирование в объеме или на поверхности индикаторного электрода при заданном потенциале и перемешивании раствора;

- последующее растворение концентрата элемента при изменяющемся потенциале с регистрацией тока растворения (вольтамперограммы). При этом аналитический сигнал получают в виде пика тока анодного растворения.

Потенциал пика является при определенных условиях стандартной величиной и идентифицирует элемент. Высота пика - максимальный ток растворения - пропорциональна концентрации определяемого элемента, что позволяет использовать ИВ как метод количественного анализа.

В методе ИВ применяют двух- и трехэлектродные ячейки. Двухэлектродная ячейка содержит индикаторный электрод и электрод сравнения. В качестве электрода сравнения используют хлорсеребряный или каломельный электрод. Потенциал этих электродов остается постоянным при протекании тока (неполяризующийся электрод). Из-за простоты конструкции наиболее распространены хлорсеребряные электроды.

В качестве индикаторных электродов чаще всего применяют ртутно-пленочные, графитовые, золотоуглеродистые, стеклоуглеродные электроды.

Ртутно-пленочные электроды применяют для определения ионов металлов, хорошо растворимых в ртути: Zn, Cd, Pb, Cu, Sn, Mn, Bi, Sb. В этом случае регистрируют ток окисления металла из амальгамы.

Золотоуглеродистый электрод применяют для определения мышьяка, ртути, которые концентрируются на поверхности электрода в виде соединений с золотом.

Трехэлектродная ячейка кроме указанных электродов содержит еще вспомогательный электрод, в качестве которого может использоваться хлорсеребряный электрод. Применение трехэлектродной ячейки позволяет избежать омических искажений (сдвиг потенциала и уменьшение высоты пика) аналитического сигнала и снизить требования к вспомогательному электроду. Это особенно актуально при определении Zn, Cd, Pb, Cu из-за сравнительно больших токов, протекающих при электролизе.

Методики ИВ-определения различных элементов обычно предполагают удаление растворенного кислорода из-за его электрохимической активности.

Существуют различные способы удаления кислорода из анализируемого раствора:

- насыщение раствора инертным газом (азотом, водородом, аргоном, гелием);

- химическое взаимодействие с восстановителем:

- фотохимический способ: ультрафиолетовое облучение растворов, содержащих карбоновые или оксикислоты.

Выбор конкретного способа устранения кислорода в каждой методике обусловлен значением рН фонового раствора, химическими и электрохимическими свойствами определяемых элементов, необходимостью определения нескольких ионов из одного раствора.

В настоящее время метод инверсионной вольтамперометрии успешно применяется для определения следовых количеств различных металлов в объектах окружающей среды (воздух, вода, почва, растительность), пищевых продуктах, биологических тканях и жидкостях, лекарственных препаратах и других жизненно важных объектах.

Настоящие методические указания распространяются на пищевые продукты, продовольственное сырье, на питьевую, природную и сточную воду и устанавливают инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания в них токсичных элементов (цинка, кадмия, свинца, меди, мышьяка, ртути) с использованием анализаторов серии ТА.

Включенные в сборник методики метрологически аттестованы и дают возможность контролировать содержание химических веществ на уровне и меньше их предельно допустимых концентраций.

Химические помехи, влияющие на результаты определения элементов, устраняются в процессе пробоподготовки.

Отбор проб проводят по НД на данный вид пищевой продукции, продовольственного сырья или воды.

Настоящие методические указания устанавливают методику количественного химического анализа проб питьевой, природной и сточной воды для определения содержания ионов мышьяка методом инверсионной вольтамперометрии (ИВ) без применения инертного газа.

Диапазон массовых концентраций мышьяка составляет от 0,005 до 0,1 мг/куб. дм включительно. Предельно допустимые концентрации мышьяка в воде приведены в табл. 1.

Методика обеспечивает выполнение измерений с погрешностью, не превышающей приведенной в табл. 2, при доверительной вероятности 0,95.

Методика основана на проведении инверсионно-вольтамперометрического анализа раствора пробы после ее предварительной подготовки. Электроактивной формой является мышьяк в степени окисления (3+); электронакопление проводится в форме As(0); аналитический сигнал получают в результате электрохимической реакции As(0) -> As(3+).

Из предварительно подготовленного раствора As(3+) накапливается в виде As(0) на золотоуглеродистом электроде в течение заданного времени накопления (10 - 300 с) при потенциале -1,6 В. Процесс электрорастворения As(0) с поверхности электрода проводится при изменении потенциала в положительную сторону до +0,2 В. Потенциал анодного пика мышьяка находится в интервале (0,20 +/- 0,05) В. Массовая концентрация мышьяка в пробе определяется методом добавок аттестованной смеси As в анализируемый раствор.

При выполнении измерений применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы.

Допускается использовать другое оборудование и приборы, позволяющие воспроизводить метрологические характеристики, указанные в данной методике анализа.

4.1. При работе с реактивами соблюдают требования безопасности, установленные для работы с токсичными, едкими и легковоспламеняющимися веществами по ГОСТ 12.1.005-88.

4.2. При работе с электроустройствами соблюдают правила электробезопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.019-79 и инструкцией по эксплуатации приборов.

4.3. Анализатор ТА устанавливают в вытяжном шкафу.

К выполнению измерений допускается персонал, владеющий техникой инверсионно-вольтамперометрического метода анализа и изучивший инструкцию по эксплуатации вольтамперометрического анализатора ТА.

При выполнении измерений соблюдают следующие условия.

6.1. Процессы приготовления растворов и подготовки проб к анализу проводят в нормальных условиях согласно ГОСТ 15150-69 при температуре воздуха (20 +/- 10) °С, атмосферном давлении 630 - 800 мм рт. ст. и влажности воздуха не более 80%.

6.2. Выполнение измерений на анализаторе проводят в условиях, рекомендуемых технической документацией к прибору.

Перед выполнением измерений проводят следующие работы: подготовку лабораторной посуды, приготовление растворов, отбор и предварительную обработку проб, подготовку анализатора и электродов.

Сменные кварцевые стаканчики хранят закрытыми калькой или в эксикаторе.

Аттестованные смеси мышьяка (С = 10,0; 5,0; 1,0 мг/куб. дм). Готовят соответствующими разбавлениями растворов в мерных колбах вместимостью 25,0 куб. см бидистиллированной водой согласно табл. 3. Погрешность приготовления аттестованных смесей не превышает 3% отн.

Трилон Б 0,05 М. 1) Разводят фиксанал 0,1 моль-эквивалент (18,6 г) бидистиллированной водой в колбе объемом 1000 куб. см. 2) Растворяют 9,3 г Трилона Б в колбе вместимостью 500 куб. см теплой бидистиллированной водой, охлаждают и доводят до метки бидистиллированной водой.

Сульфит натрия (насыщенный раствор). Сульфит натрия растворяют в бидистиллированной воде, нагретой до кипения, при перемешивании до тех пор, пока на дне колбы не будут присутствовать кристаллы сульфита натрия.

Гидразин сернокислый (насыщенный раствор). Гидразин сернокислый растворяют в бидистиллированной воде при перемешивании до тех пор, пока на дне колбы не будут присутствовать кристаллы сернокислого гидразина.

Соляная кислота 2 М. Вносят 16 куб. см концентрированной соляной кислоты в мерную колбу вместимостью 100 куб. см, наполовину заполненную бидистиллированной водой, доводят до метки бидистиллированной водой.

Натрия гидроокись 2 М. Растворяют 8,0 г NaOH в мерной колбе вместимостью 100 куб. см бидистиллированной водой.

Хлорид калия 1 М. Растворяют 7,46 г КСl бидистиллированной водой в мерной колбе вместимостью 100,0 куб. см. Доводят объем до метки бидистиллированной водой.

7.3.1. Готовят анализатор ТА к выполнению измерений по паспорту на данный прибор. Устанавливают диапазон измерения токов +/- 20 мкА.

7.3.2. Готовят (если в каталоге нет) методику "As без газа" для выполнения измерений с параметрами, приведенными ниже.

Метод измерения: ступенчатый.

Ячейка: двухэлектродная.

Потенциал пика мышьяка: (-0,2) В.

Повторов в серии: 9.

Развертка: от (-0,7) В до 0,2 В.

Скорость развертки: 180 мВ/с.

Шаг развертки: 5 мВ.

Задержка измерения: 0.

Метод расчета пиков: по высоте.

7.3.3. Готовят, если в каталоге нет, методику "Приготовление ЗУЭ для As без газа" для нанесения пленки золота на углеродистый электрод со следующими параметрами.

Метод измерения: ступенчатый.

Ячейка: двухэлектродная.

Повторов в серии: 1.

Развертка: от (-0,3) В до 0,5 В.

Скорость развертки: 180 мВ/с.

Шаг развертки: 5 мВ.

Задержка измерения: 0.

Готовят поверхность нового углеродистого электрода, срезав скальпелем торец толщиной 0,3 - 0,5 мм и промыв бидистиллированной водой. Вставляют в прибор углеродистый (рабочий) и хлорсеребряный (сравнения) электроды. Данный хлорсеребряный электрод использовать только для накопления пленки золота.

Загружают методику "Приготовление ЗУЭ для As без газа". Регистрируют одну вольтамперограмму фона. Ополаскивают электрод обессоленной водой. ЗУЭ хранят на воздухе.

Раствор золота из бюкса не выливают, его используют для последующих накоплений пленки золота.

Хлорсеребряный электрод сравнения. Представляет собой спираль из серебряной проволоки, покрытой AgCl, помещенную в корпус с полупроницаемой пробкой, который заполнен одномолярным раствором КСl. Конец серебряной проволоки имеет токовыводящий контакт для подключения к прибору.

Перед работой корпус электрода заполняют с помощью дозатора или шприца одномолярным раствором хлорида калия, закрывают и выдерживают не менее двух часов (при первом заполнении) в одномолярном растворе КСl для установления равновесного значения потенциала. Электрод перезаполняют новым раствором КСl не реже одного раза в неделю.

Хлорсеребряный электрод (ХСЭ) хранят в одномолярном растворе хлорида калия.

Пробы воды отбирают в соответствии с ГОСТ 24481-80 в полиэтиленовые емкости, объемом 1000 куб. см, промытые предварительно соляной кислотой (1:1), водопроводной и бидистиллированной водой. Воду консервируют добавлением 1 куб. см химически чистой концентрированной азотной кислоты на 1000 куб. см пробы. Консервированные пробы устойчивы в течение 2 - 3 месяцев.

Одновременно проводится подготовка двух параллельных и одной резервной проб с соответствующей маркировкой.

Для полного удаления серной кислоты и разложения избытка гидразина стаканчик прокаливают в муфельной печи при температуре 280 °С в течение 20 мин.

Растворение полученного остатка проводят непосредственно перед выполнением анализа пробы: к охлажденному белому остатку добавляют 2,0 куб. см насыщенного раствора сульфита натрия, 2,0 куб. см бидистиллированной воды (омывая стенки стаканчика), 0,1 куб. см раствора Трилона Б 0,05 М. Раствор перемешивают стеклянной палочкой.

Выполнение измерений проводят в два этапа: отмывка электрохимической ячейки; измерение концентрации мышьяка в растворе предварительно подготовленной пробы. При необходимости проводят проверку работоспособности электродов методом "введено - найдено".

Перед анализом каждой пробы проводят отмывку стаканчиков и электродов.

8.1.1. Подготовленные по п. 7.4 золотоуглеродистые и хлорсеребряные электроды, стаканчики с 10 - 12 куб. см бидистиллированной воды устанавливают в анализатор. Загружают методику "Определение As без газа".

8.1.2. Проводят регистрацию 9 вольтамперограмм фона без накопления (время накопления - 0 с). После окончания отмывки содержимое стаканчиков выливают.

Проверку электродов проводят:

а) после нанесения пленки золота на поверхность электрода;

б) при расхождении результатов параллельных определений свыше допускаемого.

8.2.1. В кварцевые стаканчики вносят по 2,0 куб. см насыщенного раствора сульфита натрия, 8 - 9 куб. см бидистиллированной воды и 0,02 куб. см раствора Трилона Б 0,05 М. Добавляют в стаканчики по 0,02 куб. см аттестованной смеси мышьяка концентрации 5 мг/куб. дм. Стаканчики и подготовленные к работе электроды устанавливают в анализатор.

Устанавливают время накопления 10 с, параметры пробы: объем аликвоты - 1 мл, объем минерализата - 1, масса навески - 1. Проводят регистрацию вольтамперограмм пробы. После серии измерений исключают, если необходимо, невоспроизводимые вольтамперограммы. Количество воспроизводимых вольтамперограмм в каждом окне должно быть не менее двух. В противном случае регистрацию повторяют. Обрабатывают полученные вольтамперограммы.

8.2.2. Изменяют время накопления на 0 с. Проводят регистрацию двух воспроизводимых вольтамперограмм фона. Обрабатывают полученные вольтамперограммы. При разметке пиков мышьяка вершину пика отмечают в соответствии с потенциалом пика мышьяка предварительно снятой пробы.

8.2.3. Изменяют время накопления на 10 с. Устанавливают параметры добавки аттестованной смеси мышьяка: концентрация - 5 мг/куб. дм, объем - 0,02 куб. дм. Вносят в каждую ячейку по 0,02 куб. см аттестованной смеси мышьяка концентрации 5 мг/куб. дм и проводят регистрацию и обработку вольтамперограмм пробы с добавкой.

8.2.4. Выполняют команду "Расчет", включают "Учет фона". Если полученные результаты входят в интервал 0,07 - 0,13 мг/куб. дм, то электроды считают готовыми для работы.

8.2.5. В противном случае повторяют проверку электродов. В случае повторных отрицательных результатов проводят накопление новой пленки золота, предварительно удалив имеющуюся срезанием тонкого слоя с торца электрода (толщиной примерно 0,3 - 0,5 мм) скальпелем.

Рекомендуется одновременно проводить анализ двух параллельных и одной резервной проб.

8.3.1. Загружают методику "As без газа". Устанавливают время накопления 60 с. В чистые кварцевые стаканчики с помощью пипетки или дозатора вносят по 2,0 куб. см насыщенного раствора сульфита натрия, 7 - 8 куб. см обессоленной воды и 0,02 куб. см раствора трилона Б концентрации 0,05 моль/куб. дм. В каждый стаканчик с фоновым раствором вносят аликвоту пробы объемом 1,0 куб. см, подготовленной по п. 7.6. Стаканчики и электроды помещают в анализатор.

Устанавливают параметры пробы: объем аликвоты - объем пробы, добавленный в каждый стаканчик (1 куб. см); объем минерализата - объем, полученный растворением золы после сжигания (4,1 куб. см) и масса навески - объем пробы, взятой для сжигания (5 - 10 куб. см).

Регистрируют вольтамперограммы пробы в масштабе 0,25 - 0,50 мкА. Если пики мышьяка больше 0,4 мкА, уменьшают время накопления. Получают и обрабатывают 2 воспроизводимые вольтамперограммы.

8.3.2. Меняют время накопления на 0 с. Регистрируют и обрабатывают вольтамперограммы фона. При разметке пиков As вершину пика отмечают в соответствии с потенциалом пика мышьяка предварительно снятой пробы (для этого высвечивают на экране монитора вольтамперограммы пробы).

Если пики мышьяка в фоне равны пикам мышьяка в предварительно снятой пробе, повторяют регистрацию вольтамперограмм пробы с временем накопления, увеличенным до 180 - 300 с (чтобы сигналы пробы были в 1,5 - 2 раза больше сигналов фона).

8.3.3. Устанавливают время накопления, при котором были получены вольтамперограммы пробы. Вносят в каждую ячейку добавку аттестованной смеси мышьяка в зависимости от времени накопления по табл. 6.

Регистрируют вольтамперограммы пробы с добавкой. Если добавка оказалась мала (высоты пиков увеличились менее чем на 50%), ее увеличивают, исправив в таблице объем (концентрацию) добавки на большую с учетом уже сделанной. Повторяют регистрацию вольтамперограмм пробы с добавкой. Обрабатывают их.

8.3.4. Выполняют команду "Расчет", включают "Учет фона". В результате будет получено три значения концентрации мышьяка в исходной пробе.

8.3.5. После проведения анализа стаканчики и электроды каждой ячейки промывают бидистиллированной водой.

Примечание. При превышении предельно допустимой концентрации мышьяка повторяют анализ, уменьшив аликвоту подготовленной к измерению пробы до 0,2 куб. см.

9.1. Массовая концентрация мышьяка в анализируемой пробе вычисляется автоматически по формуле:

9.2. В результате анализа получают три значения концентрации определяемого элемента. Условно будем считать два из них параллельными, а один - резервным.

Рассчитывают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений концентрации X' и X":

Определяют допускаемое расхождение между параллельными определениями d, используя d, %, из табл. 7:

Если расхождение между параллельными определениями не превышает допускаемого: |X' - X"| <= d, то среднее арифметическое значение X принимают за результат анализа.

В противном случае расчет повторяют, используя резервный результат анализа и один (более близкий к нему по значению) параллельный результат. Если расхождение между определениями превышает допускаемое, повторяют анализ пробы.

9.3. Характеристика относительной погрешности измерения представлена в табл. 2.

Средние значения результатов измерения концентрации элементов в двух параллельных пробах заносят в протокол по форме:

11.1. Контроль сходимости результатов параллельных определений при анализе одной пробы проводят по двум параллельным результатам анализа, полученным в одинаковых условиях. Его проводят по п. 9.2 настоящих методических указаний.

Оперативный контроль сходимости является предупредительным и проводится при каждом анализе.

Расхождение между результатами анализа одной и той же пробы, полученными в разных условиях, не должно превышать допускаемого:

В противном случае один результат или оба неверны, анализ повторяют. Контроль воспроизводимости также проводится при смене партии реактивов, посуды, после ремонта прибора, но не реже одного раза в месяц.

11.3. Контроль точности результатов анализа. Проводят по одному из двух вариантов.

11.3.1. В первом варианте образцами для контроля точности являются пробы стандартных образцов (ГСО), по составу адекватные пробам анализируемых объектов. Если предварительно установлено, что в анализируемой пробе отсутствует определяемый компонент, то образцами для контроля точности может служить реальная проба с добавками ГСО определяемого компонента в диапазоне определяемых концентраций. Добавку делают на самой ранней стадии (до пробоподготовки).

Значения норматива оперативного контроля точности (внутрилабораторного или внешнего) рассчитывают, используя значения К, %, из табл. 8:

11.3.2. По второму варианту образцами для контроля точности являются пробы реальных анализируемых объектов, а также пробы этих объектов с добавкой ГСО определяемого элемента. К добавке предъявляется ряд требований:

- добавка должна вводиться в пробу на самой ранней стадии, чтобы пробу с добавкой ГСО провести через все стадии пробоподготовки и анализа;

- вводимая добавка должна содержать примерно такое же количество (концентрацию) определяемого элемента, что и анализируемая проба;

- проба с введенной добавкой не должна выходить за верхнюю границу определяемых концентраций элемента.

Методические указания разработаны ООО "НПП Техноаналит", Томский политехнический университет.