Способ обнаружения ионов аммония в водной среде

 

Использование: при определении ионов аммония в водных средах, например в молоке, сокосодержащих напитках, соках, любых безалкогольных, алкогольных напитках и сточных водах, в любых других веществах, образующих аммиак или соли аммония в соответствующих условиях, например белка, аминокислот, азотистых оснований, мочевины, для расширения спектра определяемых соединений и области применения способа, снижения предела обнаружения (до 10 мкг/л) и повышения точности определения ионов аммония. Сущность изобретения: проводят подготовку пробы, прибавляют к ней индикатор и щелочной раствор окислителя, фотометрируют и судят по полученным данным о содержании иона аммония. В качестве окислителя выбирают органическое соединение из группы органических соединений, способных к свободнорадикальным реакциям в щелочной среде, а в качестве индикатора используют соединения из группы органических ароматических соединений, содержащих по крайней мере одну гидроксигруппу в молекуле. Техническим результатом является расширение спектра определяемых соединений, снижение предела обнаружения и повышение точности определения. 15 з. п.ф-лы.

Изобретение относится к способам исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, в частности систем, в которых материал вступает в химическую реакцию, путем наблюдения за изменением цвета химического индикатора. Изобретение может быть использовано для определения ионов аммония в водных средах, например, в молоке, сокосодержащих напитках, соках, любых безалкогольных, алкогольных напитках и сточных водах. Изобретение также может быть использовано для определения любых других веществ, образующих аммиак или соли аммония в соответствующих условиях, например белка, аминокислот, азотистых оснований, мочевины.

Любые твердые или жидкие смеси могут быть обработаны водой и водный экстракт может использоваться для определения ионов аммония, например в минеральных удобрениях или синтетических моющих смесях (CMC).

Изобретение также может быть использовано для анализа ультрамалых концентраций паров аммиака в воздухе и иных газовых смесях после концентрирования аммиака на сорбенте, например силикагеле, марле, вате, ткани, пропитанном кислотой. В случае высоких концентраций аммиака (например, при диагностике работы холодильного оборудования) возможно его качественное определение путем прокачивания воздуха через сорбент, пропитанный используемыми в рамках метода реактивами.

Известно, что при растворении в воде аммиак образует ион аммония NH₄ ⁺, поэтому любые способы определения аммиака в водных растворах основаны на определении концентрации ионов аммония в растворе.

Известен способ определения аммиака (ГОСТ 24.066-80. Молоко. Метод определения аммиака. - М., 1986. Переизд. с Изменением 1) в сыром молоке путем отбора пробы, обработки ее уксусной кислотой. Образовавшуюся после осаждения казеина сыворотку обрабатывают реактивом Несслера и по изменению окраски судят о наличии аммиака и о его повышенном содержании.

Этот способ имеет очень высокий предел обнаружения ионов аммония (более 40 мг/л) и не позволяет определять природное содержание аммиака в молоке, которое находится на уровне до 10 мг/л, т.е. применительно к молоку является качественной реакцией на добавленный в молоко аммиак.

Известен способ по т.н. реакции Бертло, используемый для определения ионов аммония (Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнений атмосферы. - Л.: Химия, 1981, с. 186-189), который включает применение окислителя (гипохлорита натрия), индикатора (фенола) и щелочи, добавляемых в пробу.

Способы, основанные на реакции Бертло, имеют достаточно высокие пределы обнаружения (более 10 мг/л) ионов аммония, низкую точность и воспроизводимость, так как окраска образующихся соединений неустойчива.

Известен также способ определения аммиака (RU 2122740 С, 27.11.1998, G 01 N 33/84) при определении концентрации мочевины путем обработки ее ферментом - уреазой, разложения мочевины до аммиака и двуокиси углерода с последующим определением аммиака по реакции Бертло с применением фенола или 4-оксикумарина и гипохлорита натрия. Этот способ включает добавление катализатора в раствор, например нитропруссида натрия. Катализатор в данном случае просто ускоряет реакцию и несколько повышает экспрессность метода, практически не влияя на точность результатов и снижение предела обнаружения ионов аммония.

В качестве индикатора в этом способе применяют как сам фенол, так и более сложные производные, такие как 4-оксикумарин, что незначительно повышает точность метода за счет некоторой стабилизации окраски индикатора.

Известен способ определения аммиака ферментативным методом (US 5780256, А, July 14, 1998, C 12 Q 1/32), однако он требует применения дорогостоящих лиофилизированных ферментов и имеет высокий предел обнаружения (более 10 мг/л ионов аммония).

Известен также способ ионометрического обнаружения ионов аммония и аммиака с применением ион-селективных электродов (RU 2085927 С, 27.07.1997, G 01 N 27/113). Этому способу присущ высокий предел обнаружения (более 25 мг/л ионов аммония), невысокая точность и необходимость использовать ион-селективные электроды, при этом точность и чуствительность метода в основном лимитированы конструкционными особенностями применяемых электродов, а также наличием в растворе мешающих ионов.

Известен способ обнаружения паров аммиака с применением датчиков, содержащих металлокомплексы порфиринов (RU 96113302/25 А, 27.10.1998, G 01 N 27/12), например тетрафенилпорфирина, являющихся сенсорами электропроводности по отношению к газообразному аммиаку. Способ требует изготовления дорогостоящих электродов и имеет ограниченную область использования, так как применим только для обнаружения газообразного аммиака.

Известен способ определения аммиака с помощью датчиков электропроводности - сенсоров аммиака, изготавливаемых, например, с применением биядерных комплексов 3d-переходных металлов с основаниями Шиффа (RU 2024859 С, 15.12.1994, G 01 N 27/02) или с применением пленок окисленных дифталоцианинов редкоземельных элементов или их комплексов с йодом (RU 2065158 С, 10.08.1996, G 01 N 27/12). Недостатки этих способов - применение дорогостоящих реагентов и необходимость использования сложного оборудования.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является способ обнаружения ионов аммония в водной среде (RU 2105289 С, 20.02.1998, G 01 N 21/78), включающий улавливание паров аммиака на сорбенте путем просасывания анализируемого воздуха через активированный солянокислым раствором силикагель, промывание его 0,1М щелочным раствором гипобромита натрия и 0,5М щелочным раствором фенола и последующим фотометрированием окрашенного смыва на длине волны 625 нм с пересчетом интенсивности окраски анализируемого раствора на концентрацию аммиака стандартным методом.

Нижняя граница определяемых содержаний аммиака данным способом равна 10 мг/л.

К недостаткам этого способа относятся: узкий круг определяемых компонентов, т.е. в рамках этого способа можно определять только одно соединение - газообразный аммиак, достаточно высокий предел обнаружения и недостаточная точность определения аммиака вблизи предела обнаружения.

Задачей изобретения является создание способа обнаружения ионов аммония и определения их концентрации в любых водных растворах, в пищевых продуктах, например в питьевой воде, молоке и молочных продуктах, в соках и сокосодержащих смесях. В рамках данного изобретения возможно также определение любых веществ, способных в определенных условиях к стехиометрическому образованию ионов аммония, например белка, аминокислот, мочевины, азотсодержащих органических соединений.

В результате решения поставленной задачи при осуществлении изобретения достигаются следующие технические результаты: расширение спектра определяемых соединений за счет перевода их в соли аммония в соответствующих условиях, а также снижение предела обнаружения и повышение точности определения ионов аммония за счет существенно более высокой чувствительности реакции с используемыми в рамках метода органическими окислителями, что может быть использовано для обнаружения следовых количеств ионов аммония (менее 50 мкг/л), расширение области применения способа за счет возможности использования для анализа жидких твердых и газообразных соединений и сред.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе обнаружения ионов аммония в водной среде, включающем подготовку пробы, прибавление к ней индикатора и щелочного раствора окислителя, фотометрирование и суждение по полученным данным о содержании иона аммония, в качестве окислителя добавляют вещество из группы органических соединений, способных к свободнорадикалъным реакциям в щелочной среде, а в качестве индикатора используют соединения из группы органических ароматических (в т.ч. гетероциклических) соединений, содержащих по крайней мере одну гидроксигруппу в молекуле.

Отличительными признаками изобретения является то, что в качестве окислителя добавляют органическое соединение из группы органических соединений, способных к свободнорадикальным реакциям в щелочной среде, а в качестве индикатора используют соединения из группы органических ароматических соединений, содержащих по крайней мере одну гидроксигруппу в молекуле.

Преимущественно для фотометрирования образуют в пробе окрашенное соединение ионов аммония с индикатором, который выбирают из групп фенола, и/или замещенного фенола, и/или нафтола, и/или полифенола, и/или полинафтола и/или любого другого полиядерного фенола.

В некоторых случаях для фотометрирования образуют в пробе окрашенное соединение ионов аммония с индикатором, в качестве которого используют 2,4-дихлорфенол, и/или 4-нитрофенол, и/или 1-нафтол, и/или 2-нафтол, и/или 4-сульфо-2-нафтол, и/или 4-фенилфенол, и/или пирогаллол, и/или гидрохинон и/или 1-окси-5-диметиламинонафталин.

Преимущественно для фотометрирования используют электромагнитное излучение с длиной волны 400-750 нм.

Целесообразно в качестве органического вещества, способного к свободнорадикальным превращениям в щелочной среде, использовать натриевую соль 3,5-дихлоризотиоциануровой кислоты, и/или хлорамин Т, и/или соли надуксусной кислоты, и/или органические перекиси, и/или гидроперекиси.

В некоторых случаях в качестве органической перекиси используют перекись бензоила, а качестве органической гидроперекиси - гидроперекись кумола.

Целесообразно в качестве пробы использовать водные растворы, воду питьевую, воду сточную, жидкие пищевые продукты, твердые пищевые продукты после обработки их водой, лекарственные препараты, биологические жидкости, биологические ткани.

В качестве пробы могут быть использованы водные растворы удобрений, дезинфицирующих средств, моющих средств, лакокрасочные составы, антифризы, электролиты, а также жидкие пищевые продукты, молоко и кисломолочные продукты, соки, напитки, нектары, алкогольные напитки и пиво.

В качестве кисломолочных продуктов могут быть йогурт, сметана, кефир, ряженка.

Целесообразно для проведения реакции обнаружения иона аммония в пробу добавить соединения, стандартный электродный потенциал восстановления которых в щелочной среде превышает 0,9 В.

При подготовке пробы в нее преимущественно добавляют гипохлориты металлов и/или пероксиды металлов.

При подготовке пробы для определения белка в нее последовательно добавляют серную кислоту, перекись водорода, сульфат калия и сульфат меди.

В некоторых случаях в качестве пробы из биологических жидкостей используют слюну, мочу, кровь, спинно-мозговую жидкость человека и животных, а в качестве пробы биологических тканей используют мышечную ткань, а также ткань внутренних органов человека и животных.

Дополнительно для определения в пробе концентрации мочевины(С_М) ее разделяют на две части, первую часть гидролизуют, добавляя фермент - уреазу, до аммиака и двуокиси углерода, определяют концентрацию иона аммония в первой (С_АМ1) и во второй части (С_АМ2) и рассчитывают концентрацию мочевины в пробе по формуле С_М=(С_АМ1-С_АМ2)•К, где К - коэффициент массового пересчета.

Суть способа - образование в определенных условиях окрашенных соединений аммиака с индикатором из группы ароматических фенолов и окислителем из группы органических соединений, способных к свободнорадикальным реакциям в щелочной среде.

Для приготовления рабочих растворов используют дважды дистиллированную воду или, что еще желательней, дистиллированную воду, обработанную смесью нитрита натрия и серной кислоты при нагревании для получения воды, содержащей менее 10 мкг/л ионов аммония. Использование обычной дистиллированной воды для приготовления реактивов в случае анализа следовых количеств аммонийных солей недопустимо, поскольку вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72 может содержать до 20 мкг/л ионов аммония. Реактивы при определении следовых количеств ионов аммония должны быть квалификации (осч) или перекристаллизованы не менее 2 раз в очищенной указанным выше способом дистиллированной воде. Однако в случае, если величина ожидаемого содержания ионов аммония в пробе выше 100 мкг/л, возможно применение реактивов обычного качества (хч) и однократно дистиллированной воды по ГОСТ 6709-72.

Приготовление реагентов осуществляют следующим образом.

Раствор индикатора, например 4-нитрофенола.

Взвешивают на аналитических весах 250-500 мг 4-нитрофенола и переносят в колбу на 25-50 мл, добавляют этиловый, метиловый или изопропиловый спирт, полностью растворяют индикатор при встряхивании и доводят объем до метки спиртом.

Буферный раствор.

В химический стакан емкостью 1 л помещают 350-500 г тетрагидрата калий-натрий тартрата и приливают 570-780 г дистиллированной воды. Перемешивают и помещают в водяную баню. Добавляют 1-150 г катализатора - нитропруссида натрия. Нагревают до 70-80^oС, периодически перемешивая до полного растворения осадка тартрата. После этого фильтруют в горячем состоянии. Охлаждают. Вместо калий-натрий тартрата возможно применение ацетата натрия и/или других солей слабых органических кислот и щелочных металлов.

Раствор окислителя В стакане смешивают 0,1-50 г окислителя, например натриевой соли дихлоризотиоциануровой кислоты, 100-300 мл этилового спирта и 300-700 мл воды, получая 400-1000 мл раствора окислителя.

Методика эксперимента Пример 1.

Определение ионов аммония в яблочном соке В кювету фотометра толщиной 1-5 см помещают 0,5-2,5 мл пробы исследуемого яблочного сока, проба должна быть прозрачной, 0,5-2,5 мл воды, 0,5-2,5 мл буферного раствора (см. выше), 0,5-2,5 мл 1-4М едкого натра, 0,2-1,0 мл раствора фенола (10-50 г/л изопропанола или этанола) и 0,4-2,0 мл раствора натриевой соли дихлоризотиоциануровой кислоты в воде (1-20%).

Через 5-15 мин фотометрируют на длине волны 400-800 нм. Окраска раствора достигает максимума через 3-5 мин после добавления окислителя и стабильна в течение 30 мин, после чего раствор медленно обесцвечивается.

Калибруют прибор в интервале концентраций ионов аммония 1-50 мг/л, параллельно ставя "холостой опыт".

Пример 2.

Определение ионов аммония в сыром молоке К пробе сырого молока объемом 50 мл приливают 1-15 мл 1-15% раствора гексацианоферрата калия. Перемешивают. Затем прибавляют 1-15 мл 1-15% раствора сульфата цинка. Перемешивают. Фильтруют. Фильтрат используют согласно тексту методики в примере 1.

Пример 3.

Определение содержания общего белка в молочных продуктах Предварительно проводят разложение проб молока, сыворотки, творога, сметаны или йогурта. Разложение проводят для перевода белка, содержащегося в пробе, в ион аммония (NH₄ ⁺) следующим образом - 1-5 г пробы молока, сыворотки, творога, сметаны или йогурта (для сухого молока его предварительно восстанавливают, разбавляя водой в 1-10 раз по массе), смешивают с 5-20 мл концентрированной серной кислоты, 5-10 мл перекиси водорода концентрацией 30-50%, 2-8 г безводного сульфата калия или натрия и 1-5 мл 5-10% раствора сульфата двухвалентной меди.

Нагревают до слабого кипения содержимого колбы и кипятят с обратным холодильником 5-15 мин до полного осветления пробы. Затем охлаждают и переносят в колбу на 100-1000 мл, доводя дистиллированной водой до метки. После этого определяют аммоний согласно описанию, данному в примере 1, и вычисляют содержание азота С_аз по формуле: С_аз=С_NH4•14/18, а содержание белка растворимого С_б.р. расчитывают по формуле: С_б.р.=6,38•С_аз., Пример 4.

Определение мочевины в сыворотке крови 1. Приготовление Реагента 1.

В ЭДТА-буфере (0,04 М, рН 6,4-7,4) растворяют уреазу (200-1800 ед./л), нитропруссид натрия (0,1-50 г/л).

2. Приготовление Реагента 2.

В дистиллированной воде растворяют 4-сульфо-2-нафтол (0,50-50 г/л).

3. Приготовление Реагента 3.

К 150 частям раствора NaOH (2 г/л) приливают 1 часть раствора натриевой соли 3,5-дихлоризотиоциануровой кислоты (16 г активного хлора на литр дистиллированной воды).

Ход определения.

Реагент 1 разливают в пробирки по 50-250 мкл, затем вносят по 2-200 мкл исследуемой сыворотки крови, встряхивают и инкубируют 1-15 мин при температуре 30-37^oС.

Параллельно инкубируют холостую пробу (50-250 мкл Реагента 1 и 2-200 мкл дистиллированной воды) и пробу, содержащую 50-250 мкл Реагента 1 и 2-200 мкл калибратора (мочевина, 1-100 ммоль/л). После окончания инкубации во все пробирки добавляют по 50-250 мкл Реагента 2, встряхивают и инкубируют 1-10 мин при комнатной температуре. Затем во все пробирки вносят по 0,25-1,5 мл Реагента 3, встряхивают и инкубируют еще 5-15 мин при 37^oС. Окрашенные пробы фотометрируют при 400-750 нм. Концентрацию мочевины в исследуемых пробах рассчитывают по формуле С_{мочевины}=(Е_о/Е_к)• C_{стандарта}, ммоль/л, где Е_о и Е_к - оптические плотности исследуемых проб и проб с калибратором соответственно; С_{стандарта}, ммоль/л - концентрация мочевины в калибраторе.

Пример 5.

Определение аммиака в воздухе При высоких ожидаемых концентрациях аммиака определение ведут следующим образом.

Для приготовления водных растворов используют дистиллированную воду, обработанную нитритом натрия и серной кислотой (см. выше).

Раствор 1. Готовят раствор 1-50 г 1-окси-5-диметиламинонафталина в этиловом спирте (1 л).

Раствор 2. Готовят раствор 100 г натрия-калия виннокислого в 1 л воды.

Раствор 3. Готовят раствор 50 г гидроокиси калия в 1 л воды.

Раствор 4. Готовят раствор 10 г перекиси бензоила в 1 л этилового ацетона.

Смешивают 1 объем раствора 1 с двумя объемами раствора 2, одним объемом раствора 3 и двумя объемами раствора 4, получая индикаторный раствор для определения паров аммиака в воздухе.

Индикаторным раствором пропитывают нейтральный сорбент, например вискозу или хлопок или иной пористый носитель, помещают пропитанный раствором носитель в трубку диаметром 1-20 мм, так чтобы не менее 0,5 см длины трубки было заполнено пропитанным сорбентом. Далее прокачивают (продувают) через трубку не менее 50 мл воздуха и сравнивают окраску трубки с эталонами окраски, отвечающими различным концентрациям аммиака в воздухе.

В случае ультрамалых концентраций аммиака в воздухе используют те же нейтральные сорбенты, пропитанные 1% раствором кислоты, например серной и/ли азотной и/ли фосфорной и/или уксусной. Прокачивают через трубку не менее 1л воздуха, затем промывают трубку 10-50 мл свободной от ионов аммония дистиллированной воды, собирают смыв в мерную колбу на 25-100 мл и затем ведут в ней определение ионов аммония согласно примеру 1.

Пример 6.

Определение содержания желатина в стабилизаторах Пробу стабилизатора обрабатывают согласно тексту п.3. После этого определяют аммоний согласно описанию, данному в примере 1, и вычисляют содержание азота С_аз по формуле: С_аз=CNH₄•14/18, определяют содержание желатина С_ж по формуле: С_ж=7,25•С_аз.

Благодаря высокой яркости и устойчивости образующихся окрашенных соединений с применением указанных окислителей и индикаторов чувствительность предлагаемого способа существенно увеличивается и можно обнаружить следы ионов аммония (менее 50 мкг/л), чего не обеспечивают известные способы.

Формула изобретения

1. Способ определения иона аммония, включающий подготовку пробы, прибавление к ней индикатора и щелочного раствора окислителя, фотометрирование и суждение по полученным данным о содержании иона аммония, отличающийся тем, что в качестве окислителя выбирают органическое соединение из группы органических соединений, способных к свободнорадикальным реакциям в щелочной среде, а в качестве индикатора используют соединения из группы органических ароматических соединений, содержащих по крайней мере одну гидроксигруппу в молекуле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для фотометрирования образуют в пробе окрашенное соединение ионов аммония с индикатором, который выбирают из групп фенола, и/или замещенного фенола, и/или нафтола, и/или полифенола, и/или полинафтола, и/или любого другого полиядерного фенола.

3. Способ по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что для фотометрирования образуют в пробе окрашенное соединение ионов аммония с индикатором, в качестве которого используют 2,4-дихлорфенол, и/или 4-нитрофенол, и/или 1-нафтол, и/или 2-нафтол, и/или 4-сульфо-2-нафтол, и/или 4-фенилфенол, и/или пирогаллол, и/или гидрохинон, и/или 1-окси-5-диметиламинонафталин.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для фотометрирования используют электромагнитное излучение с длиной волны 400 - 750 нм.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве органического вещества, способного к свободнорадикальным превращениям в щелочной среде используют натриевую соль 3,5-дихлоризотиоциануровой кислоты, и/или хлорамин Т, и/или соли надуксусной кислоты, и/или органические перекиси, и/или гидроперекиси.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве органических перекисей и/или гидроперекисей используют перекись бензоила и/или гидроперекись кумола.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве пробы используют водные растворы, воду питьевую, воду сточную, жидкие пищевые продукты, твердые пищевые продукты после обработки водой, лекарственные препараты, биологические жидкости, биологические ткани.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве пробы из водных растворов используют растворы удобрений, дезинфицирующих средств, моющих средств, лакокрасочные составы, антифризы, электролиты.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве пробы из жидких пищевых продуктов используют молоко и кисломолочные продукты, соки, напитки, нектары, алкогольные напитки и пиво.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что в качестве пробы из кисломолочных продуктов используют йогурт, сметану, кефир, ряженку.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что для проведения реакции обнаружения иона аммония в пробу добавляют соединения, стандартный электродный потенциал восстановления которых в щелочной среде превышает 0,9 В.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что при подготовке пробы молока в нее добавляют гипохлориты металлов и/или пероксиды металлов.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что при подготовке пробы молока в нее последовательно добавляют серную кислоту, перекись водорода, сульфат калия и сульфат меди.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пробы из биологических жидкостей используют слюну, мочу, кровь, спинно-мозговую жидкость человека и животных.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пробы биологических тканей используют мышечную ткань, а также ткань внутренних органов человека и животных.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно для определения в пробе концентрации мочевины (С_М), ее разделяют на две части, первую часть гидролизуют, добавляя фермент - уреазу, до аммиака и двуокиси углерода, определяют концентрацию иона аммония в первой (С_АМ1) и во второй части (С_АМ2) и рассчитывают концентрацию мочевины в пробе по формуле
С_М=(С_АМ1-С_АМ2)•К,
где К - коэффициент массового пересчета.