СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ АНИОННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ Российский патент 2003 года по МПК G01N21/78 G01N31/22 

Область техники
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 анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных средах, например в молоке, сокосодержащих напитках, соках, любых безалкогольных, алкогольных напитках и сточных водах.

Любые твердые или жидкие ПАВ содержащие смеси могут быть обработаны водой, и водный экстракт может использоваться для определения анионогенных ПАВ, например, в шампунях и синтетических моющих смесях (CMC).

Уровень техники
Существует большое количество способов определения наличия отходов и сбросов промышленных предприятий в водной среде.

Известно применение в этих способах родаминов в качестве ярких флуоресцентных красителей.

Обычно они применяются в виде окрашенной метки, по исчезновению или по появлению которой можно судить о тех или иных процессах, происходящих со всей массой исследуемого природного или промышленного образца или процесса.

Известен способ определения наличия сбросов промышленной воды, содержащей, в том числе ПАВ, в окружающую среду путем введения в сточные воды композиций фотодеградируемых красителей, содержащих родамины и их производные (US 5,120,661, A, Baker et al., June 9, 1992). При этом красители никаких соединений с компонентами сточной воды не образуют, а просто служат окрашенной меткой, показывающей присутствие сточных вод в окружающей среде. Дополнительно проводят фотометрирование воды из окружающей среды с целью определения концентрации введенного в сточную воду красителя и, следовательно, концентрации сбросов сточных вод в окружающей среде.

Известен способ получения окрашенных полимеров, используемых при водоочистке, причем в полимерную композицию вводятся родамины или их производные (US 5,705,394, A, Ananthasubramanian et. al., January 6, 1998).

В данном способе краситель также является окрашенной меткой, по которой визуально можно определить степень уноса полимеров (ионообменных смол) со станций водоподготовки или водоочистки.

Известен способ определения молибдена и цинка с применением родаминов или их производных (US 5,435,969, A, Hoots et al., July 25, 1995). В рамках этого способа родамины, преимущественно родамин 4В, используют как индикаторы на присутствие в пробе ионов молибдена и цинка. Реализация указанного способа включает отбор пробы, обработку ее неорганическими реагентами (солями аммония), введение окрашенного индикатора и непосредственно, без какой-либо экстракции, измерение оптических свойств пробы. Оптическими свойствами пробы являются характеристики поглощения или флуоресценции. В этих условиях родамины являются индикаторами исключительно на молибденсодержащие ионы и ионы цинка. Кроме того, в рамках этого способа невозможно применение только родаминов, обязательно требуется введение тиоцианатов как катализаторов.

Известен способ определения анионных ПАВ (RU 2041460 С1, МПК G 01 N 31/22, опубл. 09.08.95) путем обработки анализируемого раствора при pH 4-10 трис (-1, 10 - фенантролин) железа II хлоридатом до концентрации его 5•10^-5-5•10^-4, введения пенополиуретана, выделения окрашенного ионного ассоциата и последующего измерения диффузного отражения. Данный способ требует применения пенополиуретана в качестве сорбента, для которого измеряется спектр не поглощения, а диффузного отражения. Это требует специальной аппаратуры (приставка для измерения спектра диффузного отражения) и всегда менее точно, чем измерение спектра поглощения на обычном фотометре. Кроме того, важную роль играет гранулометрический состав пенополиуретана, т.е. однородность образца при измерении спектра диффузного отражения. При малых размерах частиц пенополиуретана спектр диффузного отражения записывается точнее, однако возникают трудности с количественным отделением частиц пенополиуретана от анализируемого образца.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является способ обнаружения анионных поверхностно-активных веществ в водной среде (см. Пилипенко А.Т. и др. Химия и технология воды, 1990, т. 12, 7, с. 623), включающий введение в анализируемый раствор - исследуемую пробу - при pH 2,7 метилового фиолетового, выделение окрашенного ионного ассоциата экстракцией хлороформом и измерение его оптического свойства - оптической плотности эстракта. Нижняя граница определяемого содержания анионных ПАВ, например додецилсульфата натрия, равна 5 мг/л.

К недостаткам этого способа относятся следующие: узкий круг определяемых компонентов, в рамках этого способа можно определять только один класс соединений: алкил- и/или арилсульфаты, низкая чувствительность этого способа (5 мг/л) не позволяет работать с некоторыми видами анализируемых объектов, такими как сточные воды, так как, например, ПДК содержания ПАВ в воде равна 0,5 мг/л. Кроме того, существует определенная сложность поддержания в пробе точного значения pH 2,7, а любое отклонение от этой величины приводит к существенному увеличению ошибки измерения.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание способа обнаружения анионактивных поверхностно-активных веществ (АПАВ) 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 результате решения поставленной задачи при осуществлении изобретения достигаются следующие технические результаты: расширение видов анализируемых растворов и перечня определяемых АПАВ за счет экспериментально подобранных условий проведения реакции, обеспечивающих более высокую степень связывания красителей, используемых в качестве цветного индикатора, с АПАВ, снижение предела обнаружения и повышение точности определения АПАВ за счет существенно более высокой чувствительности таких красителей к присутствию АПАВ.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе обнаружения анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ) в водной среде, включающем введение в исследуемую пробу индикатора, экстракцию окрашенных соединений органическим растворителем и суждение по интенсивности флуоресценции и/или окраски экстракта о содержании АПАВ, в исследуемую пробу молока, и/или молочных продуктов, и/или соков, и/или сокосодержащих напитков, и/или любых безалкогольных и/или алкогольных напитков добавляют полифосфатный буфер, имеющий высокую ионную силу и pH 2-5 для перевода атома азота в замещенный ион аммония, а в качестве индикатора используют органические флуоресцентные красители, содержащие четвертичный атом азота или смесь неорганической кислоты с органическим флуоресцентным красителем, содержащим амино- и/или алкиламино группу.

Отличительными признаками предложенного способа является то, что в исследуемую пробу молока, и/или молочных продуктов, и/или соков, и/или сокосодержащих напитков, и/или любых безалкогольных и/или алкогольных напитков добавляют полифосфатный буфер, имеющий высокую ионную силу и pH 2-5 для перевода атома азота в замещенный ион аммония, а в качестве индикатора используют органические флуоресцентные красители, содержащие четвертичный атом азота, или смесь неорганической кислоты с органическим флуоресцентным красителем, содержащим амино- и/или алкиламино группу.

Наличие в молекуле органического красителя одновременно амино- и алкиламино групп (9-аминоакридин) значительно усиливает эффект обнаружения АПАВ по рассматриваемому способу вследствие эффекта синергизма.

Тем не менее требуемым свойством обнаружения АПАВ в условиях рассматриваемого способа обладают и красители, содержащие только амино- (7-амино кумарин) или только алкиламино группу (берберин).

Заявленный способ обнаружения АПАВ в равной степени применим как к каждому из перечисленных пищевых продуктов по отдельности, так и к их смесям в любой комбинации.

В качестве органического растворителя применяют, в частности, полярные органические растворители и/или смесь растворителей, не смешивающихся с водой.

В качестве органического растворителя используют галогеноформ, и/или бутилацетат, и/или диэтиловый эфир, и/или смесь гексан-ацетон, и/или смесь гексан-хлороформ и/или их смеси.

Целесообразно использовать в качестве органического растворителя смеси галогеноформа с одним или несколькими поляpными органическими соединениями, например, в смеси с хлороформ-бутилацетат-диэтиловым эфиром при любых их соотношениях, преимущественно при соотношении объемных частей 1-3:2-4:0,5-2. Также возможно использование индивидуальных компонентов указанной смеси, что зависит от характера пробы и требуемой чувствительности способа.

Для повышения предела обнаружения целесообразно добавлять в смесь полярных органических растворителей хотя бы один неполярный - гексан.

Количество гексана в смеси целесообразно подбирать экспериментально в зависимости от массовой доли жира в пробе.

Так, например, при определении АПАВ в сметане 15-20% жирности необходимо использовать смеси растворителей, содержащие минимум 20-30% гексана по объему.

При определении АПАВ в сыром молоке целесообразно использовать смеси растворителей, содержащие не более 5 об.% гексана или бромоформ, не содержащий гексана.

Вместо смеси гексан-хлороформ или вместе с ней может быть использована смесь гексан-ацетон, в том числе в сочетании с теми же растворителями.

Интенсивность окраски экстракта можно определять визуально, или фотометрически, или флуориметрически в отраженном, или рассеянном, или проходящем свете.

В качестве неорганической кислоты целесообразно использовать сильные кислоты, в частности серную, и/или соляную, и/или фосфорную, и/или азотную кислоты.

Указанные кислоты могут быть использованы как по отдельности, так и вместе в любом сочетании и при любом соотношении, поскольку при их смешении химических реакций, мешающих определению АПАВ в пробе, не происходит
В качестве органического флуоресцентного красителя, содержащего четвертичный атом азота, главным образом используют родамин 6Ж, или родамин 4В, или этидиум бромид, или берберин, или их производные.

В качестве органического флуоресцентного красителя, содержащего аминогруппу, используют парарозанилин, или акридиновый оранжевый, или ализариновый красный, или аминокумарины, или крезоловый голубой, или акридин, или их производные.

В некоторых случаях в 3-5 мл исследуемой пробы добавляют последовательно 1-50 мм полифосфатного буфера, имеющего pH 2-5, затем 0,2-1,0 мл раствора органического флуоресцентного красителя, после тщательного перемешивания осуществляют экстракцию, используя 5-100 мл растворителя - галогеноформа и/или бутилацетата, и/или диэтилового эфира, и/или смеси гексан-ацетон, и/или смеси гексан-галогеноформ или любую иную смесь полярного и неполярного органических растворителей, не смешивающуюся с водой.

В качестве интенсивности окраски измеряют оптическую плотность (Е) органического экстракта, а концентрацию АПАВ (C_АПАВ) находят по формуле C_АПАВ= K•E, где К - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке фотометра по стандартным образцам анионогенных ПАВ.

В некоторых случаях измеряют интенсивность флуоресценции органического экстракта, при этом концентрацию АПАВ находят по формуле С_АПАВ=K₁•I, где I - интенсивность флуоресценции органического экстракта, находящегося в кювете, измеренная на длине волны электромагнитного излучения от 400 до 1100 нм, а K₁ - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке флюориметра по стандартным образцам анионогенных ПАВ.

С целью повышения точности способа измеряют одновременно и оптическую плотность, и интенсивность флуоресценции экстракта, используя для измерения оптической плотности длину волны падающего (возбуждающего) излучения, а для регистрации интенсивности флуоресценции - длину волны эмиссии. Для одновременного измерения оптической плотности и интенсивности флуоресценции используют прибор с коаксиально-прозрачной кюветой, имеющей окно с датчиком яркости для измерения флуоресценции, расположенное под углом 45^o к пучку падающего (возбуждающего) излучения. Еще один датчик расположен в торце коаксиальной кюветы и служит для измерения оптической плотности.

В случае замутненных проб появляется мешающее влияние диффузного рассеяния, дающее положительную ошибку в измерении яркости флуоресценции. Во избежание этого ставят холостой опыт с пробой замутненного образца, не содержащей красителя-индикатора. Значение яркости диффузного рассеяния вычитают из значения яркости флуоресценции пробы с красителем.

После экстракции АПАВ и индикатора органическим растворителем для повышения чувствительности определения в него дополнительно добавляют инертный неокрашенный неорганический сорбент, встряхивают смесь 1-5 минут, фильтруют и сушат сорбент, а затем по интенсивности окраски сорбента судят о количестве АПАВ в анализируемой пробе.

В качестве инертного неокрашенного неорганического сорбента могут быть использованы силикагель и/или окись алюминия.

При этом целесообразно измерять коэффициент диффузного отражения (I_R) сорбента в области длин волн электромагнитного излучения 200-900 нм, а концентрацию АПАВ в анализируемой пробе рассчитывать по формуле С_АПАВ=K₂•I_R, где К₂ - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке по стандартным образцам анионогенных ПАВ.

Способ основан на экспериментально установленном свойстве органических флуоресцентных красителей, содержащих четвертичный атом азота, образовывать в определенных условиях в водной среде ионную пару ПАВ-краситель и экстракции ее в несмешивающийся с водой полярный органический растворитель с одновременным тушением или возбуждением флуоресценции красителя в органическом растворителе. Образование ионной пары происходит за счет наличия в молекуле красителя четвертичного (т.е. аммонийного) атома азота, связывающегося с анионоактивным ПАВ в недиссоциируемую соль, растворимость которой в органических растворителях существенно выше, чем в воде.

В присутствии АПАВ краситель, содержащий четвертичный атом азота, например, Родамин 6Ж, и/или акридин, и/или замещенные акридины, подобно метиленовому голубому, образует внутрикомплексную соль состава 1:1 со всеми анионоактивными ПАВ, включая алкилбензилсульфонаты, алкил- и бензил-сульфаты, а также анионы высших жирных кислот - основной компонент мыла. Т.е. такой краситель является групповым реагентом на практически все известные и доступные CMC. Благодаря своей яркой флуоресценции цвет соли легко заметен в подходящем растворителе
В качестве красителей можно использовать также и другие красители, содержащие в молекуле аминогруппу, например аминокумарины. Для того, чтобы такой краситель связывался с анионами ПАВ, необходимо создать условия для протонирования аминогруппы, т.е. для перевода атома азота аминогруппы в замещенный ион аммония. Этими условиями являются наличие буфера с высокой ионной силой и pH менее 5,0.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1. Обнаружение анионных ПАВ в сыром молоке
Для обнаружения АПАВ в сыром молоке вначале готовят реагенты.

Раствор красителя
Взвешивают на аналитических весах 250-500 мг родамина 6Ж и аккуратно переносят в колбу на 250-500 мл. Постепенно добавляя воду, полностью растворяют краситель в воде при встряхивании и доводят объем до метки.

Буферный раствор
В химический стакан емкостью 1 л помещают 1-500 г триполифосфата натрия, приливают 570-780 г дистиллированной воды и перемешивают. Затем приливают 1-150 г концентрированной соляной кислоты с плотностью 1,15-1,20, перемешивают и помещают в водяную баню. Нагревают до 70-80^oС, периодически перемешивая, до полного растворения осадка триполифосфата. После этого фильтруют в горячем состоянии и охлаждают. Величина pH полученного буфера должна находиться в пределах 2,0-5,0.

Приготовление органического растворителя, например, смеси гексана с хлороформом
В стакане смешивают 100-300 мл хлороформа и 300-700 мл н-гексана, получая 400-1000 мл растворителя для экстракции.

Способ обнаружения
В пробирку приливают 0,1-50 мл полифосфатного буфера с pH 2-5. Затем приливают микропипеткой 0,2-1,0 мл раствора красителя (родамина 6Ж) с концентрацией 0,1-10 мг/мл. Затем приливают 3-15 мл анализируемой пробы молока. Встряхивают 2-3 раза с целью хорошего смешения реагентов. Затем приливают 5-10 мл растворителя и еще раз сильно встряхивают. Нижняя часть пробирки ярко окрашивается в сиреневый цвет и не флуоресцирует, а верхний слой только в присутствии АПАВ флуоресцирует желтым цветом (смотреть в отраженном или рассеянном свете), а на просвет окрашен в розовый или малиновый цвет. В случае отсутствия АПАВ верхний слой не окрашен и не флуоресцирует. Браковочным признаком является наличие у верхнего слоя любой окраски. Молоко в отсутствие АПАВ не дает никакого окрашивания верхнего слоя и он остается абсолютно бесцветным при точном соблюдении всех условий эксперимента.

Для обеспечения полной уверенности в наличии АПАВ необходимо поставить три параллельных опыта, при этом окраска верхнего слоя должна появиться во всех трех случаях, что и будет являться браковочным признаком.

Пример 2. Определение анионактивных ПАВ в питьевой воде
Выполняют все операции, как в примере 1, только в качестве пробы берут образец питьевой воды, в качестве красителя используют 0,1% раствор парарозанилина в 0,1 н. фосфорной кислоте, в качестве растворителя берут смесь гексан-этилацетат-хлороформ при соотношении 3:2:1. Аналогичные действия выполняют при определении концентрации АПАВ в образце сточной воды.

Пример 3. Определение анионактивных ПАВ в безалкогольных напитках
Выполняют все операции, как в примере 1, только в качестве пробы берут любой безалкогольный напиток, в том числе газированный, в качестве красителя используют 0,05% раствор акридина в 0,1 н. серной кислоте, в качестве растворителя используют чистый бромоформ и измеряют флуоресценцию экстракта.

Благодаря высочайшей чувствительности цветных и/или флуоресцентных индикаторов можно обнаружить следы любых анионактивных ПАВ, в т.ч. соли жирных кислот, чего не позволяют существующие методы.

Использование: для определения анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ) в водных средах, например в молоке, сокосодержащих напитках, соках, любых безалкогольных, алкогольных напитках. Сущность изобретения: вводят в исследуемую пробу индикатор - органический флуоресцентный краситель, содержащий четвертичный атом азота или смесь сильной неорганической кислоты с органическим флуоресцентным красителем, содержащим амино и/или алкиламино группу, добавляют полифосфатный буфер, имеющий высокую ионную силу и рН 2-5, экстрагируют полученные окрашенные соединения органическим растворителем, измеряют интенсивность его флуоресценции и/или окраски и судят по их величине о содержании АПАВ. Техническим результатом является расширение видов анализируемых растворов, снижение предела обнаружения и повышение точности определения. 12 з.п. ф-лы.

1. Способ обнаружения анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ) в водной среде, включающий введение в исследуемую пробу индикатора, экстракцию окрашенных соединений органическим растворителем и суждение по интенсивности флуоресценции и/или окраски экстракта о содержании АПАВ, отличающийся тем, что в исследуемую пробу молока, и/или молочных продуктов, и/или соков, и/или сокосодержащих напитков, и/или любых безалкогольных, и/или алкогольных напитков добавляют полифосфатный буфер, имеющий высокую ионную силу и рН 2-5 для перевода атома азота в замещенный ион аммония, а в качестве индикатора используют органические флуоресцентные красители, содержащие четвертичный атом азота, или смесь неорганической кислоты с органическим флуоресцентным красителем, содержащим амино и/или алкиламино группу. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя применяют полярные органические растворители и/или смесь растворителей, не смешивающихся с водой. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют галогеноформ, и/или бутилацетат, и/или диэтиловый эфир, и/или смесь гексан-ацетон, и/или смесь гексан-хлороформ и/или их смеси. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что интенсивность окраски экстракта определяют визуально, или фотометрически, или флюориметрически в отраженном, или рассеянном, или проходящем свете. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве неорганической кислоты используют кислоту серную, и/или кислоту соляную, и/или кислоту фосфорную, и/или кислоту азотную. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического флуоресцентного красителя, содержащего четвертичный атом азота, используют родамин 6Ж, или родамин 4В, или этидиум бромид, или берберин, или их производные. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического флуоресцентного красителя, содержащего аминогруппу, используют парарозанилин или акридиновый оранжевый, или ализариновый красный, или аминокумарины или крезоловый голубой, или акридин, или их производные. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в 3-5 мл исследуемой пробы добавляют последовательно 1-50 мм полифосфатного буфера, имеющего рН 2-5, затем 0,2-1,0 мл раствора органического флуоресцентного красителя, после тщательного перемешивания осуществляют экстракцию, используя 5-100 мл растворителя - галогеноформа, и/или бутилацетата, и/или диэтилового эфира, и/или смеси гексан-ацетон, и/или смеси гексан-галогеноформ, или любую иную смесь полярного и неполярного органических растворителей, не смешивающуюся с водой. 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве интенсивности окраски измеряют оптическую плотность органического экстракта, при этом концентрацию АПАВ находят по формуле
С_AПАВ=К•Е,
где Е - оптическая плотность органического экстракта, измеренная на длине волны от 400 до 1100 нм;
К - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке фотометра по стандартным образцам анионогенных ПАВ. 10. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что измеряют интенсивность флуоресценции органического экстракта, при этом концентрацию АПАВ находят по формуле
С_АПАВ=К₁•I,
где I - интенсивность флуоресценции органического экстракта, находящегося в кювете, измеренная на длине волны от 400 до 1100 нм,
К₁ - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке флюориметра по стандартным образцам анионогенных ПАВ. 11. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что после экстракции АПАВ и индикатора органическим растворителем в него добавляют инертный неокрашенный неорганический сорбент, встряхивают смесь 1-5 мин, фильтруют и сушат сорбент, затем по интенсивности окраски сорбента судят о количестве АПАВ в анализируемой пробе. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве инертного неокрашенного неорганического сорбента используют силикагель и/или окись алюминия. 13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что измеряют коэффициент диффузного отражения (I_R) сорбента при длине волны электромагнитного излучения 200-900 нм, а концентрацию АПАВ в анализируемой пробе рассчитывают по формуле
С_АПАВ=К₂•I_R,
где К₂ - калибровочный коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путем при калибровке по стандартным образцам АПАВ.