Лекция 1, Вводная. Термин «Биоэкологические исследования»

Морфометрия- измерение различных морфологических показателей; Весовые измерения – суточная динамика накопления организмами биомассы, ^ Измерение концентрации, качественного и количественного состава растворов – Ионселективная потенциометрия, кондуктометрия, полярография, спектрофотометрия, фотоэлектроколориметрия; ^ Исследование газообмена – Газовая хроматография Другие хроматографические методы – тонкослойная хроматография и ВЭЖХ Измерение концентрации, качественного и количественного состава растворов . Кондуктометрия. . Кондуктометрический метод. Под термином «кондуктометрия» обычно понимается целая группа родственных методов (прямая и косвенная кондуктометрия, кондуктометрическое титрование и т.д.), основанных на измерении проводимости (или сопротивления) исследуемого раствора. Большая часть этих методов известны еще с 50-х годов 20 в. и широко применяются в научных исследованиях, при проведении различных видов химического анализа, а также – в промышленности (например – на очистных сооружениях, для определения качества воды). В физиологии растений может быть с успехом применен метод, называемый «прямая кондуктометрия». К сожалению, он применим для отслеживания динамики только общего потребления ЭМП, поскольку используемая аппаратура не обладает селективностью, т.е. неспособна различать отдельные группы катионов и анионов. Однако, метод обладает высокой чувствительностью в диапазоне (10-3 – 10-5 М/л). Оборудование. В комплект оборудования для прямой кондуктометрии входит стандартная кондуктометрическая ячейка и непосредственно сам измерительный прибор. При исследовании раствор помещается во внутренний объем ячейки, который представляет собой кубическую полость со стороной 1 см. В две боковые противоположно расположенные грани этой кубической полости вмонтированы квадратные платиновые электроды, площадью 1 кв.см. каждый. Возможны также варианты экспериментов, в которых вместо стандартной ячейки используются выносные электроды. В этом случае появляется возможность отслеживать мгновенные значения потребления ЭМП. Измерительный прибор представляет собой стандартный мост переменного тока (например, серии Р-5010). ^ Принцип метода. Согласно современным представлениям, проводимость водных растворов определяется следующими факторами: Наличием частиц - переносчиков заряда. В качестве таких частиц выступают, в первую очередь, различные ионы, и в гораздо меньшей степени – недиссоциированные молекулы растворенных в воде органических веществ. Подвижностью частиц – носителей заряда в водном растворе. Этот показатель зависит в первую очередь от концентрации раствора и от его температуры. Общим количеством частиц- переносчиков заряда. Этот параметр зависит от концентрации раствора, а для слаборастворимых соединений и растворов высокой концентрации – еще и от степени их диссоциации. Таким образом при кондуктометрическом исследовании растворов наблюдается следующая картина: дистиллированная вода характеризуется максимальным значением сопротивления (порядок величин – 105 Ом) и минимальным – проводимости в силу того, что в ней всегда присутствуют ионы Н+ и ОН- . При постепенном увеличении концентрации солей общее сопротивление раствора быстро снижается на несколько порядков и достигает минимума при общей концентрации примерно 0,5 М/л (порядок величин – 10-1 Ом). При дальнейшем насыщении раствора, его сопротивление снова начинает возрастать, в силу того, что снижается подвижность ионов. Оценка концентрации исследуемого раствора производится при помощи калибровочного графика. Поскольку зависимость показаний прибора от концентрации раствора носит явно выраженный нелинейный характер, калибровочный график необходимо строить на основании 6-7 точек, расположенных в интересующем исследователя диапазоне концентраций. Необходимо отметить, что в отличие от описанного ниже потенциометрического метода исследования растворов, аппаратура, используемая для кондуктометрии, не содержит элементы, имеющие заведомо «плавающие» показатели. Поэтому единожды построенной калибровочной кривой можно пользоваться на протяжении нескольких месяцев. В силу того, что особенно на малых концентрациях метод обладает высокой чувствительностью, необходимо тщательно следить за чистотой ячейки. В качестве способа контроля чистоты ячейки можно порекомендовать снятие показаний проводимости при заполнении ячейки дистиллированной водой. Кроме того, необходимо отслеживать и стандартизировать температуру исследуемых растворов. При отсутствии стандартной электрохимической ячейки ее функции может выполнить стеклянная химическая посуда небольшого объема, в которую погружаются выносные платиновые электроды. При этом, кроме температуры необходимо стандартизировать следующие параметры: Линейные геометрические размеры ячейки. Идеальной ситуацией является использование одной и той же посуды на протяжении всей серии экспериментов. Количество исследуемого раствора. Фактически количество исследуемого раствора определяет его линейные размеры и в частности – площадь поперечного сечения раствора как проводника. Превышение количества исследуемого раствора в 2 раза при прочих равных условиях может привести к ошибке в 20%. Площадь электродов, их ориентацию относительно друг друга и исследуемого раствора. В отличие от измерения сопротивления радиодеталей, измерение сопротивления (или проводимости) водных растворов проводится при переменном напряжении. Частота, при которой производится измерение показателей проводимости растворов, автоматически подбирается прибором, и может варьировать в диапазоне 1-10 Кгц. Необходимость в использовании переменного напряжения вызвана тем, что при постоянном напряжении на электродах начинают происходить явления, характерные для электролиза – осаждение отдельных ионов окислов и гидроокислов, выделение газов и т.д. В результате всего вышесказанного значительно искажаются результаты измерений ^ Ионселективная потенциометрия (ионометрия) Данный метод представляется наиболее удобным и перспективным для анализа динамики поглотительной функции корней. С его помощью можно непрерывно отслеживать динамику активной концентрации многих элементов минерального питания непосредственно в питательном растворе в диапазоне концентраций от 10-1 до 10-4 М/л и выявлять индивидуальные различия в потреблении растениями отдельных ионов. Метод потенциометрического определения концентрации стал возможен только после изобретения ионселективных электродов (ИСЭ), обладающих избирательной чувствительностью к отдельным анионам и катионам. В настоящее время изготовляются ИСЭ, чувствительные к большинству одно- и двухвалентным анионам и катионам (ионам водорода, калия, натрия, кальция, аммония, меди, магния, хлорид-иона, нитрат-иона, карбонат-иона и т.д.). К сожалению, потенциометрическое определение такого важного ЭМП, как фосфат- ион, невозможно из-за его трехвалентной природы. Причина заключается в том, что в водных растворах диссоциация солей этого иона может идти по одной, по двум, или по трем ступеням, и по каждой ступени степень диссоциации может быть различной. В результате в растворе образуются различные количества одно- двух- и трехвалентных фосфат-содержащих ионов, что в целом делает невозможным точное определение количества этого иона потенциометрическим методом. Оборудование. Для определения концентрации ионов потенциометрическим методом необходимы ионселективные электроды, электроды сравнения, первичный преобразователь-усилитель сигнала и растворы для калибровки и отмачивания электродов. Варианты комплектации оборудования различны. В 70-80 х годах 20 в. Советском Союзе получили большое распространение отдельные ионселективные электроды (например ЭМ-1) с полимерной мембраной. Электродами сравнения для них служили каломельные или хлорсеребрянные электроды (типа ЭВЛ-1). Впоследствии на смену электродам с полимерной мембраной пришли ИСЭ, обладающие кристаллической мембраной. В настоящее время хорошо известны выносные чувствительные элементы, в которых электрод сравнения и чувствительный электрод сразу изготовлены в блоке. Кроме того, у современных ИСЭ имеется функция автоматической термокомпенсации. Оборудование, которое может выступать в качестве первичного преобразователя- усилителя сигнала также разнообразно. В различных лабораториях встречаются универсальные иономеры (например, отечественные ЛПУ-01, ЭВ-74 ) различные цифровые и аналоговые рН- и ионометры отечественного и иностранного производства. Из современного отечественного оборудования особенного упоминания заслуживают многоканальные цифровые иономеры серии «Экотест», наиболее удобные для экспериментов в области минерального питания. Кроме оборудования, имеющего выносные электроды, встречается также и проточное оборудование, снабженное устройством для забора проб. ^ Принцип метода. По своему принципу потенциометрический метод ничем не отличается от приборной рН-метрии. Ионселективный электрод заполнен внутри раствором соли исследуемого иона с концентрацей порядка 10-1 М/л. Например, при изуччении концентрации иона калия для заполнения ИСЭ пригодны растворы KCl, KNO3 данной концентрации. Электрод сравнения служит показателем нулевого потенциала раствора. При помещении ИСЭ и электрода сравнения в раствор с исследуемым ионом происходят следующие события: Ионы исследуемого вещества обратимо присоединяются к чувствительной мембране ИСЭ. В результате присоединения ионов на внешней стороне мембраны происходит накопление заряда. При присоединении катионов на внешней стороне накапливается положительный заряд, а при присоединении анионов – отрицательный. Величина заряда пропорциональна количеству присоединенных исследуемых ионов, то есть, в конечном итоге, их концентрации. Накопление положительного или отрицательного заряда на внешней стороне мембраны ИСЭ вызывает обратимое осаждение на ней изнутри ионов из раствора, которым заполнен ИСЭ. Эти ионы имеют заряд, противоположный тому, который имеют ионы исследуемого вещества. В результате мембрана ИСЭ поляризуется. Перемещение ионов изменяет и делает отличным от нуля окислительно-восстановительный потенциал раствора в районе погруженного в него контакта ИСЭ. Изменение окислительно-восстановительного потенциала во внутреннем растворе ИСЭ приводит, таким образом, к накоплению заряда на контакте ИСЭ. Знак заряда равен знаку заряда исследуемых ионов, а его величина – их концентрации в исследуемом растворе. Таким образом на выводах ИСЭ и электрода сравнения возникает постоянное напряжение, величина которого пропорциональна концентрации исследуемого иона, а полярность – его заряду. Полученный постоянный сигнал электронной пары направляется в ионометр, а также, если необходимо, на другую регистрирующую аппаратуру. Графически принцип работы ионселективной техники на примере измерения концентрации иона калия представлен на ^ Рис.. Методика проведения исследований. Если ионселективные электроды используются впервые, то предварительно необходимо заполнить их растворами солей с соответствующими ионами. Растворы для заполнения зачастую продаются в комплекте с ИСЭ. Кроме того, перед началом экспериментов следует провести вымачивание электродов в специально приготовленных для этого растворах. Концентрация растворов и их состав указаны в методиках проведения отдельных ионометрических исследований. Растворы для вымачивания служат также для хранения электродов в перерывах между экспериментами, если есть необходимость поддерживать электроды в работоспособном состоянии. Если по каким либо причинам произошло высыхание мембран ИСЭ, вымачивание необходимо повторить. При проведении измерений пару электродов (ИСЭ и электрод сравнения) необходимо погрузить в сосуд с исследуемым раствором. После этого, если необходимо, осуществляется термокомпенсация. Далее прибор следует перевести в режим измерения, выбрать необходимый диапазон показаний и подождать 1-2 минуты, чтобы показания прибора стали стабильными.. Пересчет показаний прибора в реальные значения концентрации осуществляется при помощи калибровочных графиков. Потребление ионов растениями оценивается по снижению, относительно контроля, концентрации раствора, который эти растения потребляли. Ионометрические измерения можно проводить в сосудах разного размера, т.к. показания аппаратуры (в отличие от кондуктометрического метода) не зависят от геометрических показателей: объема сосуда, уровня жидкости, расстояния между электродами и т.д. В то же время большое внимание следует уделять температуре исследуемых растворов и при необходимости проводить термокомпенсацию. Также после каждого измерения необходимо тщательно промывать в дистиллированной воде и протирать чистой фильтровальной бумагой погружаемые части электродов. Поскольку зависимость показаний прибора от концентрации носит линейный характер, для калибровочного графика обычно бывает достаточно двух точек. Одной точке должна соответствовать концентрация раствора заведомо меньшая, а другой - заведомо большая, чем у исследуемого раствора. В силу того, что у отдельных элементов измерительной схемы (в первую очередь – у электродов) со временем наблюдается дрейф показаний, возникает необходимость в периодическом уточнении калибровочного графика ^ Хроматографические исследования Тонкослойная хроматография. Тонкослойная хроматография (ТСХ, TLC) - один из наиболее используемых методов хроматографического анализа, но наименее популяризируемый. Несмотря на существовавшие до недавнего времени существенные недостатки, она широко используется для качественного анализа смесей, в основном, за счет дешевизны и скорости получения результатов. ^ Физико-химические основы тонкослойной хроматографии. Основой тонкослойной хроматографии является адсорбционный метод, хотя также встречается метод распределительной хроматографии. Адсорбционный метод основан на различии степени сорбции-десорбции разделяемых компонентов на неподвижной фазе. Адсорбция осуществляется за счет ван-дер-вальсовских сил, являющейся основой физической адсорбции, полимолекулярной (образование нескольких слоев адсорбата на поверхности адсорбента) и хемосорбцией (химического взаимодействия адсорбента и адсорбата). Для эффективных процессов сорбции-десорбции необходима большая площадь, что предъявляет определенные требования к адсорбенту. При большой поверхности разделения фаз происходит быстрое установление равновесия между фазами компонентов смеси и эффективное разделение. Так физическое выражение адсорбции-десорбции в упрощенном виде можно выразить уравнением [1] Г=(Г~/К)с. где Г~ -предельно возможная величина адсорбции, К- константа равновесия; с-концентрация абсорбата. В более строгих подходах к теории адсорбции необходимо учитывать взаимодействие между адсорбированными частицами, неоднородность поверхности, давление, температуру и т.д. Но как видно из вышеописанного уравнения адсорбция является линейной функцией концентрации. Еще одним видом используемом в методе тонкослойной хроматографии является распределительная жидкостная хроматография. В распределительной хроматографии обе фазы - подвижная и неподвижная - жидкости, не смешивающиеся друг с другом. Разделение веществ основано на различии в их коэффициентах распределения между этими фазами. Впервые метод тонкослойной хроматографии заявил о себе как "Бумажная тонкослойная хроматография", которая основывалась на распределительном методе разделения компонентов. ^ Распределительная хроматография на бумаге. В связи с тем, что используемая в этом методе хроматографическая бумага (специальные сорта фильтровальной бумаги) содержат в порах воду (20-22%), в качестве другой фазы используются органические растворители. Использование хроматографии на бумаге имеет ряд существенных недостатков: зависимость процесса разделения от состава и свойств бумаги, изменение содержания воды в порах бумаги при изменении условий хранения, очень низкая скорость хроматографирования (до нескольких суток), низкая воспроизводимость результатов. Эти недостатки серьезно влияют на распространение хроматографии на бумаге как хроматографического метода. Поэтому можно считать закономерным появление хроматографии в тонком слое сорбента - тонкослойной хроматографии.

Похожие:

	Методические рекомендации вводная лекция введение в курс лекция 2 Лекция 15. Финансирование государственной службы. Контроль и надзор за соблюдением законодательства о государственной службе		Вводная книга Ни термин сангсара, ни термин нирвана не могут быть приложимы к Этому. Чтобы представить себе Это, нужно достичь состояния Будда....
	Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...		Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...
	Лекция №1 10. 02. 2009 «Вводная» Филатов: симптомы (пятна Филатова-Коплика-Бельского у детей), скарлатинозное сердце		Вводная лекция Отметки каких специалистов должны стоять в личной медицинской книжке проводника пассажирского вагона
	Вводная лекция Предмет цитологии. Историческое развитие цитологии. Эволюция клетки. Прокариоты и эукариоты		Лекция сущность и роль финансов Впервые термин начал применяться в 13-15 веках в торговых городах Италии и сначала означал любой денежный платёж. В дальнейшем термин...
	Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» Архитектура как совокупность аппаратных решений, присущих определённой группе процессоров. 21		Лекция Введение в информатику > Что такое инфоpматика? Термин "информатика"... Термин "информатика" (франц informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно...