Назначение электрохимических методов для анализа объектов окружающей среды.

Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является охрана окружающей среды. К решению этой проблемы имеют отношение различные методы аналитической химии, причем методы электрохимического анализа играют непоследнюю роль. Помимо прямого назначения, они широко применяются для детектирования определяемых веществ в потоке в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза, в проточном инжекционном анализе. Кроме того, аналитический сигнал многих химических и биологических сенсоров – устройств, дающих прямую (без фиксированного объема пробы и ее подготовки) информацию о составе окружающей среды в непрерывном режиме и с малым временем отклика, также имеет электрохимическую природу, т.е. относится к области электрохимического анализа. Объединенные в единый блок и подключенные к компьютеру мультисенсорные системы позволяют получать информацию о природе и составе сложных смесей («электронный язык» и т.п.). Для методов электрохимического анализа характерны необычайно широкие области применения: от определения ионов тяжелых металлов в воде до следовых количеств токсичных органических веществ, с которыми люди контактируют в среде обитания.

Одним из преимуществ методов электрохимического анализа является их относительная простота и невысокая стоимость аппаратуры, возможность измерений в полевых условиях. Зачастую они не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала, что существенно для многочисленных районных лабораторий мониторинга загрязнений окружающей среды. Следует заметить, что электрохимические методы в последние годы переживают своеобразное «возрождение», и не только по причине невысоких затрат на их реализацию, но и потому, что позволяют получить данные не только о содержании определяемых веществ, но и об их химической природе – «speciation analysis». Методы электрохимического анализа постоянно совершенствуются, и можно ожидать, что их совершенствование будет происходить за счет автоматизации и миниатюризации приборов, применения цифровых систем обработки аналитических сигналов больших выборок на основе современных математико-статистических методов.

В докладе рассмотрены ретроспектива развития современных методов аналитической химии и перспективы их применения для контроля объектов окружающей среды. Применяемые на практике методики определения веществ-загрязнителей, как правило, официально аттестованы службами Госстандарта РФ. Однако это не означает, что они лишены недостатков и всегда позволяют получить достоверные результаты измерений. Расширение рынка аналитических приборов и разработанных для них методик можно было бы только приветствовать, однако это привело к возникновению специфических проблем, связанных с некомпетентностью служб, ответственных за контроль за состоянием экологической и санитарно-гигиенической обстановки в стране. Эти службы в своем большинстве не готовы к использованию новейших приборов и методов анализа, их персонал не обладает достаточной квалификацией и знаниями. Строгое «гостирование» методик анализа в сочетании с «жесткой» стандартизацией тормозит прогресс, не позволяет отслеживать и быстро вводить в практику новейшие достижения аналитической химии. Так, в большинстве лабораторий мира группу из 16 приоритетных ПАУ анализируют методами ВЭЖХ или ХМС, тогда как в подразделениях Госкомгидромета продолжают использовать эффект Шпольского, применимый в основном для определения бенз(а)пирена. При определении содержания тяжелых металлов в лабораториях Госкомсанэпиднадзора и в контроле качества пищевых продуктов широко применяют электрохимические методы (инверсионная вольтамперометрия, кулонометрия и др.), которые явно уступают методам атомной эмиссии и атомной абсорбции или масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Метод ХМС также не получил широкого распространения в системе Госкомсанэпидназора. А ведь именно он наиболее универсален для определения стойких органических загрязнителей, вызывающих особую тревогу ученых. В мировой практике 7580 % всех анализов в экологии выполняют методом ГЖХ, 2025 %  ХМС и 15 % ВЭЖХ.

На наш взгляд, из методов электрохимического анализа современным требованиям в наибольшей степени отвечает только инверсионная вольтамперометрия, да и то лишь при определении токсичных металлов и металлоорганических соединений. Методы, основанные на концентрировании органических веществ на поверхности электрода в своем большинстве трудно воспроизводимы, а величина аналитического сигнала зависит от многих факторов, в том числе и от природы матрицы. Преимуществом инверсионной вольтамперометрии применительно к анализу природных объектов является то, что она позволяет наряду с определением концентрации идентифицировать форму нахождения ионов в воде. Дифференциация форм существования элементов в водных экосистемах и их количественное определение является важной задачей, поскольку токсичность природных вод в большей степени определяется не общим содержанием металлов, а формами их нахождения. Это положение в настоящее время стало парадигмой. Такой подход предъявляет жесткие требования к методикам анализа и операциям, связанным с пробоподготовкой. Иными словами, при установлении форм существования металлов в воде необходимы не только дифференциация существующих форм элементов, но и их количественное сохранение при выполнении анализа.

К началу XXI века стало ясно, что электрохимический анализ, как и сама аналитическая химия, вышел за пределы своего классического содержания. Если раньше методология электрохимического анализа по большей части развивалась на основе изучения объектов неорганической природы, то сейчас электрохимический анализ устойчиво «дрейфует» в сторону решения проблем экологии, анализа биологических и медицинских объектов, в которых органическое вещество встречается все чаще и чаще. В решении задач собственно электрохимического анализа актуальным становится конструирование модифицированных электродов, которые дают специфический отклик благодаря иммобилизации на электроде органических молекул или их фрагментов, например ДНК или ее олигомеров. Повышение интереса к анализу объектов органической природы предопределено тем, что число последних на несколько порядков превышает число ионов металлов и их соединений. При этом все шире используется разнообразие электродных процессов, более сложных форм электрического воздействия на изучаемый объект и преобразования аналитического сигнала, в том числе на основе достижений математики, информатики и электронной техники. Очевидно, что необходимый уровень знаний в этой сфере является непременным условием успешной деятельности специалистов в области электрохимического анализа, способных творчески применять и развивать указанные методы.