Классификация методов исследования

Метод - это определение принципов, положенных в основу анализа без о тносительно к конкретному объекту и определяемому веществу. Методика -подробное описание всех условий и операций проведения анализа определенного объекта. Например, в основу гравиметрического метода анализа положено определение массы соединения, содержащего или реже теряющего определяемый компонент. В методику гравиметрического определения компонента входят: описание условий осаждения малорастворимого соединения, способ отделения осадка от раствора, перевод осажденного вещества в удобную для взвешивания форму и т.д. Если проводят определение компонента в конкретном объекте, то в методику входит также описание операций отбора пробы и подготовки ее к анализу (например, растворение образца в подходящем растворителе и устранение влияния веществ, мешающих определению).

На рисунке 1 приведена классификация методов анализа в зависимости от применяемых средств измерений.

Рисунок 1 – Классификация методов анализа

в зависимости от применяемых средств измерения

Регистрационные методы – это методы определения показателей качества продукции, осуществляемые на основе наблюдения и подсчета числа определенных событий, предметов и затрат. Эти методы основываются на информации, получаемой путем регистрации и подсчета определенных событий, например, подсчета числа дефектных изделий в партии и т.д.

Расчетные методы отражают использование теоретических и эмпирических зависимостей показателей качества продукции от ее параметров. Эти методы применяют в основном при проектировании продукции, когда последняя еще не может быть объектом экспериментального исследования. Этим же методом могут быть установлены зависимости между отдельными показателями качества продукции.

Социологические методы основаны на сборе и анализе мнений фактических и возможных потребителей продукции; осуществляется устным способом, с помощью опроса или распространения анкет-вопросников, путем проведения конференций, совещаний, выставок, дегустаций и т.п. Этот метод применяют для определения коэффициентов весомости.

Экспертные методы – это методы, осуществляемые на основе решения, принимаемого экспертами. Такие методы широко используют для оценки уровня качества (в баллах) при установлении номенклатуры показателей, учитываемых на различных стадиях управления, при определении обобщенных показателей на основе совокупности единичных и комплексных показателей качества, а также при аттестации качества продукции.

Экспертные методы оценки качества продукции применяются при невозможности или нецелесообразности по конкретным условиям оценки использовать расчетные или измерительные методы.

Органолептические методы – методы, осуществляемые на основе анализа восприятий органов чувств. Значения показателей качества находятся путем анализа полученных ощущений на основе имеющегося опыта. Толкование термина «органолептический» происходит от греческого слова «organon» (орудие, инструмент, орган) плюс «lepticos» (склонный брать или принимать).

Измерительные методы базируются на информации, получаемой с использованием средств измерений и контроля. С помощью измерительных методов определяют такие показатели, как масса, размер, оптическая плотность, состав, структура и др.

Измерительные методы в свою очередь могут быть подразделены на физические, химические и биологические.

Физические методы применяют для определения физических свойств продукции – плотности, коэффициента рефракции, вязкости, липкости и так далее. К таким методам относятся микроскопия, поляриметрия, колориметрия, рефрактометрия, спектроскопия, реология, люминесцентный анализ и др.

Химические методы применяют для определения состава и количества, входящих в продукцию веществ. Они подразделяются на количественные и качественные – это методы аналитической, органической и биологической химии.

Биологические методы используют для определения пищевой и биологической ценности продукции. Их подразделяют на физиологические и микробиологические. Физиологические применяют для установления степени усвоения и переваривания питательных веществ, безвредности, биологической ценности.

Микробиологические методы применяют для определения степени обсемененности продукции различными микроорганизмами.

На рисунке 2 приведена классификация методов анализа в зависимости от используемых при исследовании процессов.

Физические методы применяются для определения с помощью приборов физических параметров исследуемого объекта (плотность, вязкость, температура замерзания).

Химические методы анализа основаны на протекании химических процессов. Химические методы анализа разделяют на качественные и количественные методы. Для качественного анализа достаточно только зафиксировать появление аналитического сигнала (например, образование осадка, изменение цвета раствора, выделение газа, появление запаха). Для количественного анализа необходимо измерить величину аналитического сигнала и по известной зависимости этой величины от состава рассчитать содержание компонента в исследуемом объекте. Аналитическим сигналом в этом случае является либо масса продукта реакции (гравиметрия), либо объем раствора вещества, количественно прореагировавшего с определяемым компонентом (титриметрия с визуальным обнаружением конечной точки титрования), либо объем газа, образующегося в результате химической реакции (волюмометрия).

По способу количественных определений различают безэталонные и эталонные инструментальные методы анализа. Безэталонные методы основаны на строгих закономерностях, формульное выражение которых позволяет пересчитать интенсивность измеренного аналитического сигнала непосредственно в количестве определяемого вещества с привлечением только табличных величин. В качестве такой закономерности может выступать, например, закон Фарадея, позволяющий по току и времени электролиза рассчитать количество определяемого вещества в растворе при кулонометрическом титровании.

Наиболее распространённым приёмом является применение эталонов, т.е. образцов веществ или материалов с точно известным содержанием определяемого элемента (или нескольких элементов). При проведении анализа измеряют определяемое вещество исследуемого образца и эталона, сравнивают полученные данные и по известному содержанию элемента в эталоне рассчитывают содержание этого элемента в анализируемом образце. Эталоны могут быть изготовлены промышленным способом (стандартные образцы) или в лаборатории непосредственно перед проведением анализа (образцы сравнения). Если в качестве стандартных образцов применяют химически чистые вещества (примесей меньше 0.05%), то их называют стандартными веществами.

 

Рисунок 2 – Классификация методов анализа

в зависимости от используемых процессов

К физико-химическим методам относят большое число методов анализа. При использовании физико-химических методов для получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец подвергают воздействию какого-либо вида энергии. В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение энергетического состояния составляющих его частиц (молекул, ионов, атомов), выражающееся в изменении того или иного свойства (например окраски, магнитных свойств и т.п.). Регистрируя изменение этого свойства как аналитический сигнал, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.

То есть, под физико-химическими понимают такие методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а аналитический сигнал представляет собой физическую величину, функционально связанную с концентрацией или массой определяемого компонента. При этом, измеряют такие характеристики как плотность, поверхностное натяжение, вязкость, показатели преломления, электропроводность и. т.д.

Особенностью физико-химических методов является то, что используется не только взаимодействие веществ с тем или иным реактивом, но и взаимодействие электрического тока или различного вида полей с веществом. Ряд современных физико-химических методов анализа позволяют одновременно в одной и той же пробе выполнять как качественный, так и количественный анализ компонентов.

Точность анализа современных физико-химических методов сопоставима с точностью классических методов, а в некоторых, например, в кулонометрии, она существенно выше. Физико-химические методы исследования позволяют проводить анализ на расстоянии, автоматизировать процесс анализа и выполнять его без разрушения образца (недеструктивный анализ).

К недостаткам некоторых физико-химических методов следует отнести высокую стоимость используемого оборудования (приборов и материалов), трудоемкость, необходимость применения эталонов, длительность пробоподготовки. По сравнению с классическими химическими методами физико-химические методы исследования отличаются меньшим пределом обнаружения.

Четко разграничить различные группы методов трудно. В отличие от классических в физических и физико-химических методах обычно используется более сложное аналитическое оборудование (приборы для регистрации физических величин), поэтому их часто объединяют как методы инструментального анализа.

Классификация физико-химических методов исследования

В основу классификации физико-химических методов анализа положена природа измеряемого физического параметра анализируемой системы (природа аналитического сигнала), величина которого является функцией количества вещества. В соответствии с этим физико-химические методы подразделяют на группы.

В зависимости от природы аналитического сигнала можно выделить следующие основные группы методов физико-химических исследований (рисунок 3):

Классификация методов физико-химических исследований по виду энергии возмущения и измеряемого свойства (аналитического сигнала) приведена в Приложении А (таблица А.1).

Оптические и спектральные методы основаны на использовании оптических свойств исследуемых объектов. При этом происходит измерение эффектов, возникающих при взаимодействии вещества с электромагнитными волнами оптического диапазона (ультрафиолетового – 200-400 ммк; видимого – 400-750 ммк; инфракрасного – 750 – 25 000 ммк). Вещество может поглощать, излучать или изменять характеристики электромагнитных волн. Характер и величина поглощения и отражения волн, а так же степень изменения его характеристик, зависят от природы вещества и его концентрации в растворе.

 

Рисунок 3 – Группы методов физико-химического анализа в зависимости

от природы аналитического сигнала

Группы методов физико-химического анализа подразделяются на виды. Классификация методов физико-химических исследований на виды представлена в таблице 1.

Электрохимические методы. Основаны на процессах, протекающих в электролитической ячейке (системе из электродов и электролитов) при этом в качестве аналитического сигнала выступают электрические параметры, зависящие от концентрации природы и структуры вещества участвующего в электрохимическом процессе.

Электрохимические методы анализа можно классифицировать следующим образом:

1). Без наложения постороннего потенциала - измеряется ЭДС, которая возникает в гальваническом элементе вследствие протекания ОВР:

- Потенциометрия - метод основан на измерении потенциала электрода, погруженного в раствор; в основе метода лежит зависимость равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона, описываемая уравнением Нернста;

2). С наложением постороннего потенциала (под его воздействием протекает окислительно-восстановительные реакции):

- Электрогравиметрия (электровесовой) - метод основан на измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в чистом виде на погруженных в анализируемый раствор электродах при прохождении через раствор постоянного электрического тока. Существует вторая разновидность данного метода (используется крайне редко), где постоянный ток возникает при погружении в анализируемый раствор гальванической пары: в этом случае внешнего источника тока не требуется (это так называемый метод внутреннего электролиза).

Таблица 1– Виды физико-химических методов исследования

Группы физико-химических методов	Аналитический сигнал	Виды физико-химических методов
Оптические методы	Преломление светового потока	Рефрактометрия
Изменение угла вращения плоскости поляризованного света	Поляриметрия
Свечение	Люминоскопия
Изменение оптической плотности	Фотоэлектроколориметрия
Спектральные методы	Поглощение света	Спектрофотометрия
Спектры излучения	Эмиссионная спектроскопия
Спектры поглощения	Адсорбционная спектроскопия
Электрохимические методы	Масса вещества, образующего на электроде	Электрогравиметрия
Изменение электропроводимости	Кондуктометрия
Потенциал системы	Потенциометрия
Изменение силы тока при электролизе	Полярография
Сила тока	Кулонометрия
Радиометрические методы	Радиоактивное излучение активированных атомных ядер	Радиоактивационный анализ
Изменение изотопного состава определяемого элемента при добавлении радиоактивного изотопа к анализируемому образцу	Метод изотопного разбавления
Термические методы	Тепловые эффекты	Термография
Масс-спектрометрические методы	Отношение заряда частицы к его массе	Масс-спектрометрия

- Кондуктометрия – метод основан на измерении электрической проводимости раствора, зависящей от концентрации электролита

- Полярография (вольтамперометрия) – метод основан на изучении вольтамперометрической кривой (зависимости силы тока от потенциала); измеряется потенциал полуволны (качественный анализ) или величина предельного диффузионного тока (количественный анализ)

- Кулонометрия - метод основан на измерении количества электричества, израсходованного на электролиз определенного количества вещества (в основе метода лежит закон Фарадея)

Радиометрические методы. В этой группе аналитическим сигналом является радиоактивное излучение, возникающее при распаде ядер атомов. К радиометрическим методам относится активационный анализ, метод изотопного разбавления. Термические методы - основаны на измерении тепловых эффектов. В масс-спектрометрических методах информации о составе пробы получают в результате измерения отношения заряда к массе ионизированных осколков молекул. Существуют следующие разновидности радиометрических методов:

- Метод изотопного разбавления - метод основан на разбавлении соединения, меченного радиоактивным изотопом, неактивным компонентом смеси;

- Радиоактивационный анализ - принцип метода заключается в переводе стабильных изотопов элемента в радиоактивное, измерение радиоактивности которых служит критерием содержания данного элемента в анализируемом объекте.

Термические методы. Основаны на взаимодействии веществ с тепловой энергией. Наибольшее применение в практике анализа находят термические эффекты, которые являются причиной или следствием химических реакций. В меньшей степени применяются методы, основанные на выделении или поглощении теплоты в результате физических процессов. Виды термических методов приведены далее.

- Термогравиметрия – основана на измерении потери массы пробы при изменении температуры;

- Термический анализ – заключается в измерении температуры (или разности) в зависимости от количества подводимой или отводимой теплоты;

- Термотитриметрия – изучают зависимость температуры анализируемой системы от объема добавляемого титранта

- Энтальпиметрия – основана на определении количества вещества по разностям температур, соответствующим изменениям энтальпии

- Дилатометрия – в основе метода лежит изменение линейных или объемных размеров в зависимости от температуры.

Физико-химические методы разделения и концентрирования. Часто эту группу методов относят к методам исследования, несмотря на то, что они могут применяться только в сочетании с каким-то другими методами определения состава. Они применяется для предварительного разделения смеси исследуемых веществ и выделения исследуемого компонента (экстракция, диализ, электрофорез, хроматография и др.). Часто используют гибридные методы, например, в последнее время широко применяется хроматомасс-спектрометрия.

Классификация методов измерения

По способам определения различают прямые и косвенные ФХМА. В прямых методах количество вещества находят непосредственным пересчётом измеренного аналитического сигнала в количество вещества (массу, концентрацию) с помощью уравнения связи. В косвенных методах аналитический сигнал используется для установления конца химической реакции (как своеобразный индикатор).

В аналитической практике при проведении физико-химических исследований чаще всего используются следующие методы прямых количественных измерений:

- метод градуировочного графика;

- метод молярного свойства;

- метод добавок.

Метод градуировочного графика. Данный метод позволяет установить концентрацию химического компонента по интенсивности аналитического сигнала. Вначале, измеряется интенсивность аналитического сигнала у нескольких стандартных образцов, концентрация химического компонента для которых известна. По полученным данным строится график в координатах I = f (С) (рисунок 4). Затем при тех же условиях проводится определение интенсивности аналитического сигнала у анализируемого образца (I_x) и по градуировочному графику устанавливается концентрация определяемого химического компонента (C_x).

Интервал концентраций на градуировочном графике должен охватывать предполагаемую область анализируемых концентраций, а состав стандартного образца должен быть близок к составу анализируемого. Данный метод наиболее часто применяется при проведении физико-химических исследований.

 

Рисунок 4 – Зависимость интенсивности аналитического сигала

от концентрации определяемого компонента в стандартном образце

Метод молярного свойства. При использовании данного метода также измеряется интенсивность аналитического сигнала для нескольких стандартных образцов. Далее рассчитывается молярное свойство (А), то есть, интенсивность аналитического сигнала, пропорциональная одному молю вещества по формуле (1):

 

, (1)

 

где А – молярное свойство,

С – концентрация;

I – интенсивность аналитического сигнала.

Затем, в исследуемых образцах при тех же условиях измеряется интенсивность сигнала анализируемой пробы и по формуле (2) рассчитывается концентрация определяемого компонента.

 

, (2)

где А – молярное свойство,

С – концентрация;

I – интенсивность аналитического сигнала.

Метод добавок. При использовании данного метода, вначале определяется интенсивность аналитического сигнала анализируемой пробы, а затем в нее вводится определенный объем стандартного раствора до концентрации С_cm и снова определяется интенсивности аналитического сигнала.

Если I_x интенсивность аналитического сигнала пробы, а I_x+cm – интенсивность сигнала после добавления стандартного раствора, то расчет ведется по формуле (3):

 

I = A ∙ C_x или I_x+cm = A · (C_x + С_cm), (3)

 

Решение данных уравнений относительно величины С_x приводит к следующему выражению (формула 4):

 

, (4)

 

К косвенным методам относятся методы титрования. Количество определяемого вещества, вступившего в реакцию, находят с помощью закона эквивалентов (формула 5), т.е. по уравнению, непосредственно не связанному с названием метода.

 

С₁·V₁ = С₂·V₂ (4), (5)

где С₁ – концентрация раствора 1 ();

V₁ – объем раствора 1 (л);

С₂ - концентрация раствора 2 ();

V₂ - объем раствора 2 (л)

 

V HCl (мл)

 

Рисунок 5 – Кривая, полученная при титровании

0,1М раствора аланина 0,1М раствором соляной кислоты

Точка эквивалентности находится по кривой титрования. Виды кривых титрования многообразны. Они могут связывать интенсивность аналитического сигнала с концентрацией определяемого компонента, концентрацией титранта или концентрации продукта реакции. Пример кривой титрования представлен на рисунке 5.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое «аналитический сигнал»? Приведите примеры аналитического сигнала.

2. Приведите классификационные признаки методов исследования.

3. Какие существуют методы исследования в зависимости от применяемых средств измерения?

4. Приведите классификацию методов по природе аналитического сигнала.

5. На какие группы делятся методы физико-химического анализа в зависимости от вида аналитического сигнала?

6. В чем отличие качественного и количественного анализа?

Планирование эксперимента

Экспериментом называется совокупность опытов, объединенных единой целью, единой системой ограничений в пространстве и времени. Опытом можно считать реализацию на каком-либо объекте некоторых условий, правил. В результате чего появляется то или иное событие. Появление события регистрируется при помощи какого-либо параметра, имеющего, как правило, численное значение и наиболее полно характеризующего результат. Такой параметр отражает эффективность события и называется критерием оптимальности (у). Всеобъемлющим, глобальным критерием оптимальности является экономический критерий. Частным критерием оптимальности может быть любой технологический параметр, характеризующий технологический результат процесса, такой критерий называют выходом процесса.

Результат процесса зависит от условий его протекания, характеризуемых значениями параметров, влияющих на процесс. Независимые параметры процесса называют факторами. Оптимизация процесса (объекта) сводится к отысканию таких условий его протекания (конструктивных размеров, технологических параметров и т.д.), при которых критерий оптимальности будет иметь экстремальное значение: максимум, если численное значение критерия оптимальности означает увеличение эффективности процесса (объекта), или минимум, если его увеличение означает снижение эффективности процесса (объекта).

Условия проведения каждого опыта эксперимента в виде конкретного значения исследуемых факторов, а иногда и очередность проведения опытов регламентируются планом эксперимента. Планирование эксперимента включает следующие этапы проведения исследования:

1 этап – изучение сведений об исследуемом объекте;

2 этап – формулирование систем предпосылок, призванных ограничить объект в пространстве и времени, выделить главные черты объекта, упростить схему взаимодействия элементарных процессов внутри объекта и объекта с окружающей средой;

3 этап – создание модели объекта, которой может быть:

- сам объект, ограниченный в пространстве и времени, с упрощенной схемой взаимодействия элементарных процессов внутри объекта и объекта с окружающей средой;

- дубликат объекта, уменьшенный или увеличенный по сравнению с натурным объектом, созданный на основе теории подобия.

4 этап – исследование модели объекта на основе применения наиболее эффективных и экономичных методов математического планирования экспериментов, современных приборов и методик;

5 этап – анализ экспериментальных данных методами математической статистики и формализации этих данных (создание адекватной математической модели объекта);

6 этап – использование полученной математической модели для решения поставленных задач;

7 этап – экспериментальная проверка полученного решения;

8 этап – составление отчета по научному исследованию.

Планы, обеспечивающие получение наименьшей величины максимальной дисперсии предсказания, называют G-оптимальными. Планы, обеспечивающие получение одинаковых дисперсий предсказания для точек, равноотстоящих от центра эксперимента, называют ротатабельными. Планы, обеспечивающие получение одинаковой величины дисперсии предсказания для любой точки в пределах изучаемой области, называют униформ-ротатабельными. D-оптимальными называют планы, обеспечивающие получение минимальной обобщенной дисперсии коэффициентов уравнения. Планы, обеспечивающие получение уравнения, коэффициенты которого независимы друг от друга и имеют одинаковую дисперсию, называют ортогональными. По результатам опытов, следуя определенному алгоритму, получают соответствующее уравнение, характеризующее влияние факторов на эффективность исследуемого процесса.

Математизация исследований предполагает получение математической модели исследуемого процесса, достаточно точно, адекватно его описывающей. При наличии такой модели возникает возможность дальнейшие исследования процесса заменить анализом его математической модели для получения решения поставленных задач. Применение вероятностно-статистических методов для изучения сложных технологических систем возможно в двух направлениях:

· статистический анализ полученных экспериментальных данных с целью определения однородности собранного материала, его достоверности и точности с позиции принятого уровня значимости, его достаточности для принятия тех или иных решений;

· разработка математико-статистических моделей, используемых в дальнейшем для оптимального управления процессом или оптимального конструирования объекта и т.д.

Различают так называемые теоретические (эвристические) модели, описывающие механизм происходящих в объекте физико-химических и механических процессов на микро- и макроуровнях, и модели эмпирические (статистические, или стохастические). Методы математического планирования эксперимента позволяет получить математические модели в реализованном диапазоне изменения многих факторов, влияющих на процесс, наиболее экономичным и эффективным способом.

Несовпадение результатов эксперимента с ожидаемыми или стандартными значениями называется ошибкой (погрешностью).

Ошибка или погрешность – это оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. В зависимости от характера проявления выделяют следующие погрешности (рисунок 6):

 

Рисунок 6 – Виды ошибок (погрешностей) по характеру

Систематические ошибки (погрешности) – погрешности измерения, повторяющиеся и неменяющиеся при определении, одинаковые по знаку и влияющие на результат. Положительные систематические ошибки приводят к завышению значения определяемой величины, отрицательные к его занижению. Систематические ошибки могут возникнуть из-за направленного изменения во времени влияния на процесс какого-либо неучтенного фактора. Если величина систематической ошибки становится известна исследователю, а исключить причины, вызвавшие ее появление, не представляется возможным, то в результаты вносят соответствующие поправки. Постоянные или аддитивные систематические ошибки связаны с абсолютным значением аналитического сигнала, пропорциональные или мультикативные - пропорциональны значению измеряемого аналитического сигнал зависимости от причин появления, выделяют несколько видов систематических ошибок (рисунок 7).

Причиной методических ошибок являются ошибки, которые зависят от особенности применяемого метода (неполное протекание реакции, частичное растворение осадка, свойство индикатора). Оперативные ошибки возникают при погрешностях выполнения отдельных операций – недостаточное промывание осадка на фильтре, неточное взвешивание. Индивидуальные – ошибки лаборантов (способность точно определять окраску при титровании, психологические ошибки). Инструментальные - связаны с недостаточной точностью используемых приборов.

Случайные ошибки – возникающие при определениях случайные погрешности измерения, которые меняются от опыты к опыту. Неконтролируемое случайное изменение, влияющее на процесс, вызывает случайные отклонения измеряемой величины от ее истинного значения. Следовательно, результаты параллельных опытов образуют набор случайных величин. Статистический анализ экспериментальных данных основывается на том, что эти данные являются случайной величиной, распределенной по нормальному закону.

 

 

Рисунок 7 – Виды систематических ошибок

Промахи – грубые ошибки, которые обусловлены неправильными подсчетами, потерей части раствора, просыпанием осадка.

Таким образом, причинами случайных ошибок и промахов могут быть: резкое изменение условий проведения опыта, невнимательность экспериментатора, ошибки при проведении расчетов, то есть субъективные факторы.