Инверсионная вольтамперометрия: метод анализа, определение материалов

Инверсионная вольтамперометрия - электрохимический метод анализа, основанный на изучении вольтамперных кривых, получаемых при накоплении определяемого вещества на рабочем электроде и последующем его окислении. Метод отличается высокой чувствительностью и позволяет определять следовые количества веществ.

Сущность метода инверсионной вольтамперометрии

Суть метода инверсионной вольтамперометрии заключается в следующем:

1. На первом этапе происходит накопление (концентрирование) определяемого вещества на поверхности индикаторного электрода в результате электролиза при определенном постоянном потенциале.
2. Затем следует стадия инверсии - быстрой смены направления электродной реакции, в результате чего накопленное вещество окисляется.
3. Регистрируется зависимость силы тока от приложенного напряжения - вольтамперная кривая.

Инверсионная вольтамперометрия отличается от классической вольтамперометрии тем, что определяемое вещество предварительно концентрируется на рабочем электроде. Это позволяет достичь очень низких пределов обнаружения.

Оборудование и рабочие электроды

Для реализации инверсионной вольтамперометрии применяют специальные трехэлектродные электрохимические ячейки. Рабочий электрод, на котором происходит накопление и последующее окисление определяемого вещества, выполняют из ртути или твердых материалов (графит, металлы).

Наибольшее распространение получили ртутные пленочные электроды, представляющие собой стеклянную или графитовую подложку, покрытую тонким слоем ртути.

Кроме рабочего электрода, в ячейке присутствуют электрод сравнения (обычно хлоридсеребряный или каломельный) и вспомогательный электрод. Управление процессом накопления и инверсии потенциала осуществляется с помощью потенциостата.

Определяемые вещества

Инверсионная вольтамперометрия широко используется для определения:

• Тяжелых металлов (медь, свинец, кадмий, цинк, ртуть)
• Металлоидов (мышьяк, сурьма, висмут)
• Некоторых органических соединений

Определение методом инверсионной вольтамперометрии наиболее часто применяется для анализа природных, питьевых и сточных вод, почв, продуктов питания и биологических жидкостей на содержание токсичных элементов. Например, контролируют содержание свинца, ртути и мышьяка в пищевых продуктах, цинка и меди в воде.

Метод широко используется для экологического мониторинга, в частности для определения тяжелых металлов методом инверсионной вольтамперометрии в почвах, грунтовых и поверхностных водах.

Преимущества и недостатки метода

К достоинствам инверсионной вольтамперометрии относятся:

• Высокая чувствительность – возможность определять вещества в следовых концентрациях (10^-6 - 10^-9 М).
• Хорошая воспроизводимость результатов.
• Быстрота анализа.
• Низкая стоимость оборудования.
• Простота автоматизации метода.

К недостаткам следует отнести использование дорогих химически чистых реактивов и необходимость тщательной подготовки электродов перед измерением.

Примеры применения метода

В работе Горностаевой Ю.М. и Пронина И.А. описана инверсионная вольтамперометрия приборы для определения золота методом инверсионной вольтамперометрии.

Были исследованы водные растворы, моделирующие технологические растворы гидрометаллургического передела золотосодержащего сырья. В качестве фонового электролита использовали 1 М раствор HCl. Электролитическое накопление золота проводили при потенциале 0,2 В в течение 300 с на ртутно-графитовом электроде. Затем регистрировали анодную вольтамперную кривую.

Было показано, что предложенный подход позволяет определять золото в хлоридных растворах в диапазоне концентраций от 1·10^-7 до 1·10^-4 г/л с пределом обнаружения 2·10^-8 г/л.

Влияние условий анализа

На результаты инверсионной вольтамперометрии могут влиять различные факторы, в том числе природа и концентрация фонового электролита, потенциал и время накопления, материал и состояние поверхности рабочего электрода, температура, рН среды.

Правильный подбор условий анализа позволяет повысить чувствительность и селективность определения. Например, введение комплексообразователей способно существенно улучшить определение следовых количеств ионов цветных и тяжелых металлов.

Метрологические характеристики метода

Для инверсионной вольтамперометрии установлены следующие метрологические характеристики:

• Правильность результатов анализа не менее 95%.
• Прецизионность - относительное стандартное отклонение результатов анализа не более 5%.
• Пределы обнаружения зависят от определяемого компонента и могут достигать 10^-9-10^-10 М.

Точность инверсионной вольтамперометрии обеспечивается градуировкой по стандартным образцам, методом добавок и с использованием внутренних стандартов.

Автоматизация инверсионно-вольтамперометрических измерений

Инверсионная вольтамперометрия легко поддается автоматизации. Современные инверсионно-вольтамперометрические анализаторы позволяют автоматически выполнять все стадии анализа: дозирование пробы, проведение электролиза, регистрацию и обработку вольтамперной кривой.

Результаты измерения выводятся на дисплей или принтер. Автоматизация способствует повышению производительности анализа, улучшению воспроизводимости и снижению предела обнаружения.

Перспективы развития метода

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию инверсионной вольтамперометрии, основными направлениями которых являются:

1. Создание новых типов твердотельных химически модифицированных электродов с улучшенными аналитическими характеристиками.
2. Разработка экспрессных методик определения токсичных элементов и соединений в объектах окружающей среды и продуктах питания.
3. Совершенствование алгоритмов обработки вольтамперометрических кривых.
4. Развитие подходов к определению нескольких компонентов в одной пробе (многокомпонентный анализ).

Эти разработки позволят расширить области применения инверсионной вольтамперометрии для решения актуальных аналитических задач.

Сравнение с другими электрохимическими методами

По сравнению с полярографией, инверсионная вольтамперометрия обладает более высокой чувствительностью и селективностью за счет стадии предварительного накопления определяемого вещества на электроде.

В то же время, по чувствительности инверсионная вольтамперометрия уступает таким методам, как анодная и катодная стриппинг-вольтамперометрия. Однако эти методы требуют более сложного оборудования и тщательной подготовки рабочего электрода.

Реализация метода в коммерческих анализаторах

В настоящее время выпускается широкий ассортимент анализаторов для инверсионной вольтамперометрии. В их основе лежат сменные одноразовые электрохимические ячейки со встроенными потенциостатом и электродной системой.

Такие анализаторы компактны, просты в эксплуатации и позволяют быстро проводить измерения в полевых и лабораторных условиях.

Процедура анализа при реализации метода

Процедура анализа методом инверсионной вольтамперометрии включает следующие этапы:

1. Приготовление анализируемого раствора с фоновым электролитом.
2. Установка параметров электролиза и инверсии потенциала.
3. Проведение накопления определяемого компонента на рабочем электроде.
4. Регистрация и обработка вольтамперной кривой.
5. Оценка концентрации по градуировочному графику.

Процедура полностью автоматизирована в современных приборах.

Требования к квалификации персонала

Работа на инверсионно-вольтамперометрических анализаторах не требует специальной подготовки от оператора. Достаточно практического инструктажа по работе с конкретной моделью прибора и применяемыми методиками.

Для разработки новых методик требуются квалифицированные специалисты-аналитики, обладающие базовыми знаниями в области электрохимических методов анализа.

Разработка методики инверсионно-вольтамперометрического определения

Разработка методики анализа методом инверсионной вольтамперометрии включает следующие этапы:

1. Подбор условий фонового электролита и параметров накопления, обеспечивающих максимальную амплитуду аналитического сигнала.
2. Исследование зависимости аналитического сигнала от концентрации определяемого компонента и построение градуировочной зависимости.
3. Определение аналитических характеристик: предела обнаружения, коэффициента чувствительности, интервала линейности.
4. Исследование влияния мешающих веществ и оценка селективности методики.
5. Оценка воспроизводимости и правильности результатов анализа.

Определение токсичных элементов в пищевых продуктах

Одним из важных приложений инверсионной вольтамперометрии является определение токсичных металлов и металлоидов в пищевых продуктах - мясе, рыбе, молоке, зерновых, овощах, фруктах.

Контролируют содержание свинца, кадмия, меди, цинка, ртути, мышьяка, висмута и других потенциальных загрязнителей, накапливающихся в пищевой цепи и представляющих риск для здоровья человека.

Анализ биологических жидкостей

Метод находит применение для определения тяжелых металлов, лекарственных препаратов и их метаболитов в биологических жидкостях - крови, моче, слюне.

Анализ позволяет диагностировать отравления токсичными элементами, контролировать фармакокинетику лекарств, оценивать степень воздействия промышленных загрязнителей на человека.

Контроль технологических растворов гидрометаллургии

Инверсионная вольтамперометрия успешно применяется для экспрессного определения благородных (золото, серебро, платина, палладий) и цветных (медь, цинк, никель, кобальт) металлов в технологических растворах гидрометаллургической переработки минерального сырья.

Метод отличается высокой скоростью и точностью анализа, не требует сложной пробоподготовки.