Контроль ионного состава пищевой продукции с использованием амперометрических ионоселективных электродов

КОНТРОЛЬ И КАЧЕСТВО

Контроль ионного состава пищевой продукции

с использованием амперометрических ионоселективных электродов

Н.К. Зайцев, С.В. Шорин

ООО «Эконикс-Эксперт»

Usage of Ampere ion selective electrodes allows to significantly increase the sensitivity and selectiveness of determination of ions in water solutions comparing to regular potential measuring ion selective electrodes.

Контроль ионного состава пищевой продукции является важной задачей, поскольку употребление пищи с несбалансированным ионным составом может вызывать появление различ-

200

150

100

50

~~i i i i i i i i i i i г

0 1 2 3 4 5 6 7

Рис. 1. Зависимость потенциала АИСЭ от логарифма концентрации М03- в водном растворе

160 -120 80 I 40 0

-40

-10

-7 -6 -5 -4 -3 -igCao4

Рис. 2. Зависимость потенциала АИСЭ от логарифма концентрации перхлората, добавленного в раствор МаМ0, Ю-4 М

ных заболеваний. Например, одной из актуальных проблем до сих пор остается избыточное содержание нитратов в продуктах питания. Постоянное поступление нитратов в организм человека может привести даже к возникновению рака, так как избыток нитрат-ионов способствует образованию канцерогенных нитрозоаминов. Необходимость контроля содержания нитратов и ряда других ионов в пище ни у кого не вызывает сомнения, поэтому усовершенствование и разработка новых методов, позволяющих повысить селективность и чувствительность к определяемым ионам, представляется весьма актуальной задачей.

В настоящее время широко применяются потенциометрические ионосе-лективные электроды (ИСЭ) [1-3]. Ионометрия на ИСЭ - экспрессный, простой и сравнительно незатратный метод, позволяющий проводить определение большого числа ионов в водных растворах, полученных в результате соответствующей пробоподготов-ки. Однако при этом возникает проблема влияния мешающих ионов, которые могут вносить вклад в величину измеряемого потенциала ИСЭ и за счет этого значительно искажать результаты анализа. Кроме того, в некоторых случаях чувствительность ИСЭ оказывается недостаточной. Решению этих проблем может способствовать применение амперометрических ионоселективных электродов (АИСЭ) [4-6]. В основе метода вольтамперо-метрии на АИСЭ лежит явление межфазного перехода ионов через поляризуемую границу раздела фаз электролит/электролит. Вольтамперные измерения на АИСЭ, являющиеся, по сути, динамическим аналогом ионо-метрии на потенциометрических ИСЭ с жидкими мембранами, позволяют существенно повысить селективность и чувствительность определения ионов.

Настоящая работа посвящена сравнительному изучению селективности и пределов обнаружения ионов, достигаемых на потенциометрических и амперометрических ионоселективных

электродах. Исследование проводили на примере определения иона Ы03- в модельном водном растворе, в том числе в присутствии мешающего иона С104-. При этом в обоих методах - по-тенциометрическом и вольтамперо-метрическом - использовался один и тот же АИСЭ, чтобы показать, насколько можно улучшить метрологические характеристики, изменяя лишь схему включения отдельно взятого электрода.

Потенциометрические измерения на ИСЭ. Для потенциометрических измерений использовали АИСЭ, подключенный к иономеру по двухэлектрод-ной схеме. Измерения проводили в модельных растворах ЫаЫ03 с концентрацией определяемых нитрат-ионов от 10-7 до 3-10-1 М. Перед началом эксперимента АИСЭ предварительно выдерживали в 10-2 М растворе ЫаЫ03 в течение 24 ч. На рис. 1 представлен график зависимости величины потенциала АИСЭ относительно электрода сравнения от логарифма концентрации Ы03- в растворе.

Как видно из рис. 1, зависимость имеет линейный характер в диапазоне от 10-4 до 3-10-1 М с наклоном прямой 52 мВ на декаду, что несколько ниже теоретического значения (58,7 мВ). При уменьшении концентрации Ы03- от 10-4 до 10-5 М потенциал увеличивается всего на 21,5 мВ, а при более низких концентрациях чувствительность АИСЭ резко снижается и потенциал практически не меняется. Таким образом, предел обнаружения нитрат-ионов в растворе в по-тенциометрическом измерении составил 10-5 М.

Для оценки влияния мешающих определению нитрата ионов были проведены потенциометрические измерения в растворе, содержащем постоянную концентрацию Ы03- (10-4 М), в который вносили добавки ИС104 от 10-8 до 10-2 М. Выбор модельного перхлорат-иона обусловлен тем, что он служит классическим примером иона, мешающего потенциометрическому определению нитрата.

На рис. 2 показан график зависимости потенциала АИСЭ от логарифма

CONTROL AND QUALITY

концентрации перхлората, добавленного в раствор Ы03- 10-4 М.

Согласно полученному графику, присутствие в растворе С104 в концентрации от 10-8 до 3-10-7 М практически не изменяет величину потенциала, отражающего содержание 10-4 М нитрат-ионов, которая составляет 170 мВ. При дальнейшем увеличении концентрации С104- в растворе потенциал АИСЭ резко снижается и достигает при концентрации С104- 10-2 М значения -75 мВ. В таких условиях определение нитрата в растворе становится невозможным, так как на величину потенциала все большее влияние начинает оказывать мешающий перхлорат, т.е. смешанный потенциал АИСЭ отображает уже содержание не нитрата, а перхлората. Определению нитрата в концентрации 10-4 М препятствует присутствие мешающего перхлорат-иона уже при соотношении концентраций [К103-] :[С104-] = 300.

Вольтамперометрические измерения на АИСЭ. Вольтамперометри-ческое определение Ы03- в растворе выполнялось с помощью того же самого АИСЭ, включенного по 4-элект-родной схеме с использованием че-тырехэлектродного вольтамперомет-рического анализатора. Измерения в растворе, содержащем одновременно ионы Ы03- и С104-, проводили в переменно-токовом режиме с частотой 4 Гц и амплитудой 14 мВ. Неизменная концентрация Ы03- в растворе была выбрана 5-10-5 М, а концентрацию С104- изменяли от 1-10-5 до 5-10-5 М.

Графики, представленные на рис. 3, показывают, что каждому типу ионов соответствует свой аналитический сигнал с характерным значением потенциала межфазного перехода, что объясняется различием в способности ионов Ы03- и С104- переходить через поляризуемую границу раздела электролит/электролит.

При этом увеличение пика при добавках С104 в раствор не искажает величину пика Ы03-, вызывая только его незначительное смещение по оси токов.

Результаты исследований показали, что вольтамперометрия на АИСЭ позволяет определять 5-10-5 М нитрата в присутствии равной концентрации перхлората, мешающего в потенцио-метрических измерениях. Очевидно, что вольтамперометрические измерения на АИСЭ более информативны, чем потенциометрические и позволяют учитывать влияние мешающих ионов за счет разделения пиков на вольтам-перограмме.

При этом предел обнаружения Ы03-в растворе составил, как и в случае потенциометрии, 10-5 М. Однако, при использовании АИСЭ существует возможность значительно снизить предел обнаружения за счет накопительного процесса Ы03- в мембране при проведении инверсионной вольтам-перометрии. Выполненные исследования показали, что инверсионная переменно-токовая вольтамперометрия на АИСЭ позволила снизить предел обнаружения нитрата (а также ряда других ионов, например С104-, Ке04-, I-, БСЫ-, сб+, КЬ+ и др.) в исследуемом водном растворе по сравнению с по-тенциометрическим измерением на том же электроде, по крайней мере, в 20 раз.

Таким образом, применение АИСЭ позволяет значительно повысить чувствительность и селективность определения ионов в водных растворах в сравнении с обычными потенциомет-рическими ИСЭ. Вольтамперометрия на АИСЭ может найти широкое применение в контроле качества пищевой продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Корыта Ю. Ионы, электроды, мембраны. Пер. с чешск.- М.: Мир, 1983.

< *10

0

-350

350

E, мВ

Рис. 3. Переменнотоковые вольтамперограммы, полученные в растворе, содержащем одновременно ионы Ы0- в концентрации 5-Ю'5 М и С104- в концентрации от 1-10-5 до 5-10-5 М

2. Морф В.Е. Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт. - М.: Мир, 1985.

3. Никольский Б.П., Матерова Е.А. Ионоселективные электроды. - Л.: Химия, 1980.

4. Senda M., Katano H., Yamada M. Amperometric ion-selective electrode. Voltammetric theory and analytical applications at high concentration and trace levels // J. Electroanal. Chem. 1999. V. 468. № 1. P. 34-41.

5. Дедов А. Г., Зайцев Н. К, Юрицын

B. В., Шорин С. В. Амперометрические ионоселективные электроды для обычной и инверсионной вольтамперомет-рии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. № 2.

C. 18-21

6. Дедов А.Г., Зайцев Н.К., Шорин С.В. Сравнение некоторых характеристик потенциометрических и амперо-метрических ионоселективных электродов // Химическая технология. 2003. № 7. С. 42-47.

0

ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ

для кондитерского и хлебопекарного масложирового и других видов производств

Производительность: от 10 до 2500 кг пара/час Виды топлива: электрическое, газовое, твердое, жидкое Температура пара: до 300 С Давление от 0,7 до 9 ATM

Центр парового машиностроения и технологии

(095) 366-19-92,366-23-71 www.par-ma.ru |

Мконпкс-Рксперт

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Производство и реализация химико-аналитического оборудования для пищевой промышленности:

- рН-метры-иономеры и кондуктометры;

- анализаторы йода и тяжелых металлов;

- анализаторы нитратов и нитритов "Микон-2";

- специализированные приборы для анализа молочных продуктов и др.

117630, Москва, Старо калужское ш., 62 тел./факс: (095) 974 2345, теп,: (095) 974 2346 и 933 7396 http://www.ionomer.ru E-mail: ionomer@ionomer.ru