СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИТРИТ-ИОНОВ
METHOD OF DETERMINING NITRITE IONS

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам количественного и полуколичественного определения нитрит-ионов, и может использоваться при мониторинге загрязнений окружающей среды и контроле качества пищевых продуктов.
Известен способ определения нитрит-ионов (см. патент РФ №2578024 по кл. МПК G01N 33/18, опубл. 20.03.2016), включающий приготовление раствора нитритов, извлечение нитритов полиметакрилатной мембраной с иммобилизованным сафранином в качестве реагента, последующее ее отделение от раствора, измерение аналитического сигнала и оценку содержания нитрит-ионов, при этом в качестве аналитического сигнала используют светопоглощение при 530 нм или визуальную оценку интенсивности окраски оптической мембраны, оценку содержания нитритов проводят по градуировочному графику методом добавок или визуально-тестовым методом.
При взаимодействии сафранина с раствором нитрит-ионов в сильнокислой среде наблюдается уменьшение интенсивности малиновой окраски соответствующей матрицы (обесцвечивание) за счет протекания реакции диазотирования в твердой фазе пропорционально увеличению концентрации нитрит-ионов в растворе. Диапазон определяемых содержаний составил 1000-5000 нг/мл с пределом обнаружения 500 нг/мл.
Однако данный способ характеризуется недостаточно высокой чувствительностью, что не позволяет определять количество нитрит-ионов на уровне долей предельно-допустимых концентраций (ПДК).
п-
Известен также способ определения нитрит-ионов в образцах воды и почвы(Cherian T., Narayana B. New system of spectrophotometric determination of trace amounts of nitrite in environmental samples // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2006. V. 17. №. 3, p. 577-581),основанный на их реакции с нитроанилином в кислой среде с образованием иона диазония, который в сочетании со сложным эфиром (этоксиэтиленмалеиновый эфир или этилцианоацетат) в основной среде образует азокрасители, измерение поглощения которых позволяет определять нитрит-ионы в диапазонах 500-15000 нг/мл или 200-18000 нг/мл соответственно.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая чувствительность определения и, как следствие, невозможность определения нитрит-ионов на уровне долей ПДК.
3-
-7,8-
-1,2,3,4-
2-
4-
Известен способ фотометрического определения нитрит-ионов в жидкой среде (см. патент РФ №2265828 по кл. МПК G01N21/75, опубл. 10.12.2005), включающий взаимодействие нитритов  с композицией хромогенных реагентов, а именно гидроксибензотетрагидрохинолином в сочетании с аминобензойной (аминобензойной), либо с сульфаниловой кислотой, либо с сульфаниламидом, закрепленных на бумажном носителе, который помещают в фотометрируемый раствор поперек светового потока. Способ позволяет определять концентрацию нитритов в диапазоне 100 - 20000 нг/мл.
3-
-7,8-
-1,2,3,4-
К недостаткам способа можно отнести использование малодоступного реагента гидроксибензотетрагидрохинолина, а также недостаточно высокая чувствительность определения, что не позволяет определять нитрит-ионы на уровне долей ПДК.
п-
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ спектрофотометрического определения нитрит-ионов, основанный на их цветной реакции с нитроанилином в присутствии дифениламина в кислых средах и последующей мицеллярной экстракции в точке помутнения неионным ПАВ образующегося красителя (Afham A. et al. Micelle-mediated extraction for the spectrophotometric determination of nitrite in water and biological samples based on its reaction with p-nitroaniline in the presence of diphenylamine // Analytical biochemistry. 2005. V. 336. № 2, p. 295 - 299). Способ применен для обнаружения нитрит-ионов в сточных водах, водопроводной воде и образцах мочи человека. Диапазон определяемых содержаний составил 2-40 нг/мл с пределом обнаружения 0,87 нг/мл.
К недостаткам этого способа можно отнести: 1) необходимость термостатирования системы на водяной бане в течение 10 минут при 70°С для завершения реакции азосочетания и достижения температуры помутнения неионного ПАВ; 2) центрифугирование системы в течение 5 минут при 3000 об/мин для достижения в ней разделения фаз; 3) применение метанола в качестве растворителя для разбавления мицеллярной фазы при ее фотометрировании.
Технической проблемой является разработка упрощенного способа определения нитрит-ионов при повышении его чувствительности.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение предела обнаружения нитрит-ионов до уровня сотых долей предельно-допустимых концентраций, расширение диапазона определяемых содержаний и понижение погрешности определения.
4-
-4
-3
-3
-2
-4
-3
-2
-1
Для достижения заявляемого результата в способе определения нитрит-ионов, включающем обработку анализируемой пробы растворами органических реагентов, один из которых на основе п-нитроанилина, а другой - дифениламина, выделение из полученной реакционной смеси мицеллярной фазы в присутствии поверхностно-активного вещества и оценку содержания нитрит-ионов, согласно изобретению, в качестве поверхностно-активного вещества используют додецилсульфат натрия, а в качестве органических реагентов используют водные растворы  4-нитроанилина и дифениламина, полученные их диспергированием в растворе додецилсульфата натрия, причем диспергированный раствор 4-нитроанилина дополнительно подкисляют соляной кислотой до рН 1-3,  при этом добавляют полученную смесь нитроанилина и додецилсульфата натрия к анализируемой пробе в количестве 1⋅10 - 2⋅10 М и 2⋅10 - 1⋅10 М соответственно, а смесь дифениламина и додецилсульфата натрия  в количестве 1⋅10 - 2⋅10 М и 2⋅10 - 1⋅10 М, выделение мицеллярной фазы осуществляют путем добавления к реакционной смеси соляной кислоты в количестве 2,7-4,1 М, причем оценку содержания нитрит-ионов проводят по градуировочному графику или визуально-тестовым методом путем сравнения окраски мицеллярных фаз с окраской цветовой шкалы.
4-
Способ поясняется иллюстрацией, где представлена цветовая шкала для визуально-тестового определения нитрит-ионов, представляющая собой цифровые изображения ПАВ-обогащенных фаз с различным содержанием азосоединения, образующегося по реакции взаимодействия реагентов (нитроанилина и дифениламина) с  нитрит-ионами.
4-
4-
Способ осуществляется следующим образом. Исходный раствор нитроанилина диспергируют в растворе одного из наиболее часто применяемых представителей анионных ПАВ - додецилсульфата натрия (ДДС) и подкисляют соляной кислотой (HCl) до рН (1-3). Водный раствор ДДС является альтернативой органическим растворителям, например, этанолу, увеличивает растворимость нитроанилина и стабилизирует его раствор, в то время как низкие значения рН способствуют увеличению скорости образования диазотирующей частицы (хлорида нитрозила) и стабилизации малоустойчивой соли диазония.
4-
4-
4-
пара-
4-
К анализируемой пробе (вода или водная вытяжка), содержащей нитрит-ионы, добавляют диспергированный в ДДС нитроанилин (НА) в кислой среде, в результате чего протекает реакция его диазотирования с образованием соли нитрофенилдиазония. Выбор диазотируемого ариламина обусловлен его высокой реакционной способностью (электроноакцепторная группа в положении повышает электрофильность катиона диазония), устойчивостью к окислению и выраженными гидрофобными свойствами. Кроме того, нитроанилин - слабое основание и, поэтому, оно способно диазотироваться в сильнокислых средах без предварительного протонирования, что, с одной стороны, благоприятно для образования соли диазония, а с другой - необходимо для фазового разделения раствора анионного ПАВ.
4-
р
-4
-3
-3
-2
-4
-3
-2
-1
4-
НА
ДДС
ДФА
ДДС
а
После обработки анализируемой пробы раствором НА, диспергированного в растворе ДДС, в количестве 1 ⋅ 10 ≤ С ≤ 2 ⋅ 10М и 2 ⋅ 10 ≤ С ≤ 1 ⋅ 10М, к соли диазония добавляют дифениламин (ДФА), исходный раствор которого диспергируют в ДДС, в количестве 1 ⋅ 10 ≤ С ≤ 2 ⋅ 10М и 2 ⋅ 10 ≤ С ≤ 1 ⋅ 10М, в результате чего образуется окрашенное азосоединение. Выбор ДФА в качестве азосоставляющей обусловлен его выраженным гидрофобным характером, низкой растворимостью в воде и, следовательно, хорошей растворимостью в мицеллах ПАВ. Дифениламин (вторичный ариламин) с небольшим значением константы кислотности (К) не подвергается диазотированию, поэтому с его применением исключается ряд побочных реакций.
4
1-(4-
-4-
Введение в предложенную систему ПАВ анионного типа приводит к: 1) стабилизации растворов -нитроанилина и его соли диазония; 2) увеличению растворимости образующегося азосоединения (дифениламин)нитробензола), малорастворимого в водных средах, вследствие его солюбилизации мицеллами ДДС, что делает возможным применять предложенную систему в фотометрическом анализе; 3) образованию мицеллярно-насыщенных ПАВ кислотно-индуцированных фаз, в которые экстрагируется аналитическая форма азокрасителя.
Затем добавляют соляную кислоту в количестве (2,7-4,1) М, которая способствует фазовому разделению системы и образованию двух изотропных фаз. Выбор HCl обусловлен отсутствием у нее окислительных свойств, тогда как применение кислот-окислителей (азотная или хлорная кислоты), может привести к нежелательным процессам окисления компонентов системы.
l =
max
Полученные ПАВ-насыщенные фазы отбирали и фотометрировали в стеклянных кюветах (1см) при λ = 540 нм относительно дистиллированной воды.
В другом варианте оценивали содержание нитрит-ионов путем сравнения окраски мицеллярно-насыщенных фаз с цветовой шкалой.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Приготовление исходных растворов реагентов:
4-
4-
4-
-1
-2
1) Для приготовления раствора нитроанилина (НА) концентрацией 1⋅10 М в 5⋅10 М в растворе анионного ПАВ додецилсульфата натрия (ДДС) навески 1,3800 г НА и 1,4419 г ДДС помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, добавляют дистиллированную воду на 2/3 объема колбы, подкисляют соляной кислотой HCl (1 : 1) до рН (1-3), диспергируют компоненты смеси в ультразвуковой установке 5-10 минут. После осаждения пены ДДС доводят содержимое колбы дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают.
-1
-1
2) Для приготовления раствора дифениламина (ДФА) концентрацией  1⋅10 М в 2⋅10 М растворе ДДС навески 1,6920 г ДФА и 5,7676 г ДДС помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, добавляют дистиллированную воду на 2/3 объема колбы, диспергируют компоненты смеси в ультразвуковой установке 5-10 минут. После осаждения пены ДДС доводят содержимое колбы дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают.
Построение градуировочного графика.
2
2
Точную навеску свежеперекристаллизованного NaNO (х.ч.) 0,1725 г помещают в мерную колбу на 25 мл и растворяют в дистиллированной воде (раствор содержит 7 мг/мл NaNO). Данный раствор разбавляют дистиллированной водой в 1000 раз для получения раствора нитрита натрия с концентрацией 7 мкг/мл (раствор А).
-1
-2
-1
-1
-
-2
4-
l
с
с
конц.
max
540
2
2
Для построения градуировочной характеристики в мерные колбы емкостью 25 мл помещают 0,01 мл (0,07мкг/мл), 0,05 мл (0,35 мкг/мл), 0,10 мл (0,7 мкг/мл), 0,15 мл (1,05 мкг/мл), 0,20 мл (1,4 мкг/мл), 0,25 мл (1,75 мкг/мл) раствора А, в каждую колбу добавляют по 2,5 мл 1⋅10 М раствора НА в кислой среде (рН 1 - 3), приготовленного в 5⋅10 М растворе ДДС. Спустя 5-7 минут в каждую колбу добавляют по 2,5 мл 1⋅10 М раствора ДФА, приготовленного в 2⋅10 М растворе ДДС, тщательно перемешивают. Далее добавляют 7-8 мл HCl, перемешивают и доводят дистиллированной водой объем каждой колбы до метки, после чего тщательно их перемешивают. Наблюдают помутнение системы и образование двухфазной системы с окрашенной в розовый - малиновый цвет, в зависимости от концентрации нитрит-иона, мицеллярно-насыщенной фазой, локализующейся в верхней части расслаивающейся системы. При фотометрическом детектировании полученные мицеллярные экстракты отделяют от водной фазы декантацией, разбавляют и измеряют оптическую плотность полученного окрашенного раствора с помощью спектрофотометра Shimadzu UV - 1800 в кювете с  = 1 см при длине волны λ = 540 нм относительно дистиллированной воды. Уравнение градуировочной  зависимости имеет вид: А = 17,52 ⋅ (NO) - 0,02 (r = 0.991), где (NO) - концентрация нитрит-ионов, мкг/мл. Диапазон линейности полученной градуировочной зависимости составляет (0,07 - 7) ⋅ 10 мкг/мл или 0,7 - 70 нг/мл.
Пример 2.
Определение содержания нитрит-ионов методом добавок
2
-
При определении содержания нитрит-ионов методом добавок готовят анализируемый раствор 25 мл с содержанием NO (0,0175-1,125 мкг), а также растворы с добавкой дополнительно 1-5 мл рабочего раствора нитрит-ионов с концентрацией 100 нг/мл.
-1
-2
-1
-1
4-
конц.
В каждую колбу добавляют по 2,5 мл 1 ⋅ 10 М раствора НА в кислой среде (рН 1-3), приготовленного в 5⋅10 М растворе ДДС. Спустя 5-7 минут в каждую колбу добавляют по 2,5 мл 1⋅10 М раствора ДФА в 2⋅10 М растворе ДДС, тщательно перемешивают. Далее добавляют 7-8 мл HCl, перемешивают, и доводят дистиллированной водой объем каждой колбы до метки, после чего тщательно их перемешивают.
540
540
0
1
0
1
2
-
Фотометрирование полученных мицеллярных экстрактов осуществляют аналогично примеру 1. Содержание нитрит-ионов определяют графическим способом, экстраполируя прямолинейную зависимость изменения поглощения ΔА от концентрации нитрит-ионов в добавке до значения А = 0, где ΔА = А - А (А, А- проба без добавки и с добавкой NO соответственно).
Результаты определения приведены в таблице 1.
Пример 3.
Визуально-тестовое определение содержания нитрит-ионов
Для визуально-тестового определения нитрит-ионов получена цветовая шкала путем регистрации окраски ПАВ-обогащенных фаз систем, полученных при построении градуировочной зависимости (пример 1), цифровым фотоаппаратом (разрешение ≥12 MegaPixeles).
с
2
-
Определение выполняется аналогично методике, прописанной в примере 1, с тем отличием, что полученные мицеллярные экстракты не отделяли от водной фазы и не фотометрировали, а проводили сравнение окраски с цветовой шкалой (см. ил.), что позволяет полуколичественно определять содержание нитрит-ионов (NO) в интервале концентраций 2-35 нг/мл.
4-
Установлены оптимальные концентрации реагентов в реакционной системе: НА и ДДС (табл. 2), ДФА и ДДС (табл. 3), HCl (табл. 4). Последовательность проводимых операций аналогично примеру 1.
-2
-2
-4
-3
-3
-2
п
п
Как видно из табл. 2, введение в реакционную смесь 0,25 - 5,0 мл 1⋅10 М раствора -НА, диспергированного в 5⋅10 М растворе ДДС, позволяет достигать наименьших ошибок определения нитрит-ионов, не превышающих 5-7 %. Таким образом, оптимальные концентрации в реакционной смеси -НА и ДДС составляют соответственно 1 ⋅ 10 ≤ С ≤ 2 ⋅ 10М и  2 ⋅ 10 ≤ С ≤ 1 ⋅ 10М.
-2
-1
-4
-3
-2
-1
п
Как видно из табл. 3, введение в реакционную смесь 0,25 - 5,0 мл 1 ⋅ 10 М раствора -НА диспергированного в 2⋅10 М растворе ДДС, позволяет достигать наименьших ошибок определения нитрит-ионов не превышающих 5-7 %. Таким образом, оптимальные концентрации в реакционной смеси ДФА и ДДС составляют соответственно 1 ⋅ 10 ≤ С ≤ 2 ⋅ 10М и  2 ⋅ 10 ≤ С ≤ 1 ⋅ 10 М.
Данные табл. 4 свидетельствуют о том, что в интервале концентраций соляной кислоты 2,7-4,1 М достигается наименьшая ошибка определения нитрит-ионов.
l
Установлены границы определяемых содержаний нитрит-ионов ( = 1 см), которые представлены в табл. 5, в интервале концентраций 0,7-70 нг/мл с погрешностью, не превышающей 7 %, в отличие от прототипа, в котором диапазон определяемых содержаний составляет 2-40 нг/мл.