Определение микроэлементов в комбикормах и премиксах

Г.Н.Носков, А.В.Заичко, А.Н.Мержа,
В.И.Чернов, ООО "НПП Томьаналит"

Микроэлементами называют химические элементы, содержа­ние которых в организмах находится на уровне тысячных процента и ниже, такие как кадмий, железо, свинец, мышьяк, медь, цинк, ни­кель, кобальт, селен, йод и др. Несмотря на малое количество мик­роэлементов, они играют важную роль в жизнедеятельности, так как входят в состав ряда ферментов, витаминов, гормонов, дыхательных пигментов.

Микроэлементы занимают значительное место в питании живот­ных. Они необходимы для роста и размножения, влияют на функции кроветворения, эндокринных желез, иммунитет, регулируют обмен веществ. Потребность в микроэлементах частично удовлетворяется за счет их содержания в ингредиентах корма. Однако, в компонен­тах корма, выращенного в разных географических регионах, может наблюдаться дефицит одних и избыток других микроэлементов, что приводит к возникновению различных патологий у животных. Зачас­тую как недостаточное, так и избыточное поступление в животный организм одного и того же элемента служит причиной возникнове­ния заболеваний.

Приведем несколько примеров. Токсичность соединений мы­шьяка (особенно неорганических: мышьяковистого ангидрида, ар-сенитов, арсенатов) известна давно, поэтому долгое время мышьяк считался классическим ядом, и это привело к постоянному ужесто­чению его ПДК. Однако, в многолетних опытах на животных при оп­ределении недостатка мышьяка наблюдались неоднократные случаи внезапной смерти от сердечной недостаточности. Кроме того, дефи­цит мышьяка вызывал задержку роста животных и деформацию их конечностей. Медики установили, что в малых количествах мышьяк оказывает благотворное действие на организм животных: улучшает кроветворение, повышает усвоение азота и фосфора, ограничивает распад белков и ослабляет окислительные процессы.

В настоящее время известно, что одним из микроэлементов, учас­твующих в работе основных защитных систем животных, созданных в ходе эволюции, является селен. Он принимает активное участие в многочисленных метаболических реакциях. При недостатке селена в рационе животных возникают задержка в росте, бесплодие, дист­рофия скелетной мускулатуры, дегенеративные изменения в печени, семенниках, почках и других внутренних органах. Но первый интерес к этому элементу был связан не с дефицитом, а с токсичностью для животных. Еще в 1933г. было замечено, что пшеница с полей, богатых селеном, действует отравляюще на скот. Описаны случаи селеноток-сикоза у животных, обусловленного избыточным поступлением этого элемента в организм вместе с растениями, которые являются концен­траторами селена (астрагал, Stanlea, Happlopappus и др.).

В организм животных (как и в организм человека) более 70 % микроэлементов поступает с пищей. Поэтому достаточно важно про­водить определение содержания микроэлементов в кормах, премик­сах как с точки зрения их безопасности, так и с точки зрения полез­ных свойств. Для их надежного определения требуется применение высокочувствительных аналитических методов. Это приводит к не­обходимости приобретения специального оборудования, стоимость которого зачастую превышает финансовые возможности аналити­ческой лаборатории. Сравнительно низкой стоимостью оборудова­ния наряду с высокой чувствительностью обладает метод инверси­онной вольтамперометрии. Ценными свойствами метода являются возможность одновременного определения нескольких элементов, а также определение различных форм элементов. Благодаря этим достоинствам метод оказался конкурентноспособным с атомно-аб-сорбционной спектроскопией и востребованным в аналитических и испытательных лабораториях России.

Для проведения анализа методом инверсионной вольтампе­рометрии в электрохимическую ячейку вольтамперометрического анализатора наливают раствор, содержащий определяемое вещес­тво или несколько определяемых веществ. Для уменьшения сопро­тивления раствора в него добавляют индифферентный электролит, называемый фоновым электролитом. Опускают в раствор электроды - рабочий электрод и электрод сравнения - и в автоматическом ре­жиме проводят регистрацию аналитического сигнала, которую ус­ловно можно разделить на четыре стадии:

• подготовка электродов и раствора к регистрации;
• концентрирование (накопление) определяемого вещества на по­верхности рабочего электрода при заданном потенциале электрода;
• регистрация тока растворения концентрата определяемого ве­щества при изменении потенциала рабочего электрода;
• расшифровка полученной зависимости тока от потенциала.

Регистрируемая зависимость тока от потенциала, приложенного к электродам электрохимической ячейки, называется вольтамперог-раммой или вольтамперной кривой (рис.1). Ток электрорастворения концентрата определяемого элемента с поверхности электрода на вольтамперограмме имеет вид пика. Высота пика, измеренная в ам­перах, является аналитическим сигналом определяемого элемента. Положение пика на оси потенциалов, т.е. потенциал пика, характери­зует природу определяемого вещества, а высота и площадь зависят от его концентрации в растворе. Таким образом, вольтамперограмма позволяет одновременно получить качественную и количественную информацию об элементах, присутствующих в растворе электрохи­мической ячейки.

Вольтамперограмма содержит один пик, если на рабочем элек­троде концентрируют один элемент (рис.1). Если подобраны усло­вия одновременного накопления на рабочем электроде нескольких элементов, то вольтамперограмма может содержать два, три, четы­ре пика, соответствующие последовательному электрорастворению концентратов определяемых элементов (рис.2). При этом возможно одновременное определение концентрации всех элементов, пики которых регистрируются на вольтамперограмме.

Метод инверсионной вольтамперометрии является инструмен­тальным методом. Приборы для проведения анализа вольтампе-рометрическими методами называются полярографами или воль-тамперометрическими анализаторами. Достоинства и недостатки вольтамперометрических методик анализа сильно зависят от качес­тва и возможностей используемого анализатора. Это и чувствитель­ность, и погрешность, и простота выполнения анализа.

Наряду с преобладающим количеством положительных, сущес­твует значительное число негативных отзывов о применении мето­да ИВ. В ряде лабораторий вольтамперометрические анализаторы применяют только для определения цинка, кадмия, свинца и меди, сочтя результаты внедрения методик по определению таких важных показателей как содержание мышьяка, ртути, марганца неудовлет­ворительными. Есть даже лаборатории, в которых вольтамперомет-рический анализатор не смогли вывести на рабочий режим. Наибо­лее часто это связано не с преувеличением возможностей метода, а с трудностью освоения'анализатора и низким качеством методик анализа, со сложностью их реализации и нечеткостью изложения. Зачастую к анализатору прилагаются методики, разработанные для вольтамперометрических анализаторов другого типа или устарев­шие методики, несответствующие современным требованиям.

На российском рынке аналитического оборудования представле­но более десяти вольтамперометрических анализаторов, со своими электродами, программным и методиче-ским обеспечением: ана­лизаторы с одной электрохимической ячейкой: ИВА-5 (ООО НПВП "ИВА", г.Екатеринбург), АВА-2, АВА-3 (НПП "Буревестник", г.С-Петербург), АВС-1.КНТФ "Вольта", г.С.-Петербург), ПЛС-2А ("Инф-ратрон", г.Москва), АКВ-07МК ("Аквилон", г.Москва), Экотест-ВА.

(000 "Эконикс-Эксперт", г.Москва), АЖЭ-11М (ОАО "Союзцветме-тавтоматика", г.Москва) и др.; анализаторы с тремя электрохими-ческми ячейками: ТА-2М, ТА-07 (000 "НПП Техноаналит", г.Томск), СТА (000 ВНПФ "ЮМХ", г.Томск), ТА-4, ТА-ПРАКТИК (000 "НПП Томьаналит", г.Томск); автоматизированный комплекс с автосамп-лером ЭКСПЕРТИЗА-ВА-ЗР (000 "Эконикс-Эксперт", г.Москва) и др.

Информацию о них можно найти в каталогах фирм-изготови­телей, проспектах и буклетах различных выставочных мероприятий, в международной компьютерной сети Интернет. Большинство ана­лизаторов работают под управлением персонального компьютера с помощью специализированных программ. Классическая схема воль-тамперометрического анализатора достаточно проста, однако, тре­бования к чувствительности измерения, необходимость компенса­ции помех, автоматизация и компьютеризация анализа значительно усложняют приборы. Это же приводит к отличительным особеннос­тям анализаторов, выпускаемым различными предприятиями-изго­товителями.

Достоверность результатов анализа, полученных методом инвер­сионной вольтамперометрии, зависит от качества вольтамперомет-рического анализатора и его методического обеспечения. Если Вы хотите, чтобы в Вашей лаборатории для определения микроэлемен­тов использовался недорогой, но высокочувствительный метод ин­версионной вольтамперометрии и при этом не возникало проблем, основательно подойдите к выбору вольтамперометрического анали­затора. Приведем некоторые вопросы, ответы на которые желатель­но получить у производителей при выборе вольтамперометрическо­го оборудования.

В плане самого анализатора:

• в каких организациях можно получить отзывы о надежности, удобстве и безопасности работы (желательно в Вашем городе или регионе);
• какое количество анализаторов данного типа и какое время ра­ботает в лабораториях, аналогичных Вашей;
• что входит в комплектацию анализатора и достаточно ли этого для проведения измерений хотя бы по одной из методик;
• стоимость анализатора с полной, минимальной и частичной комплектацией; возможность дополнительного приобретения мето­дик, электродов, реактивов, посуды в дальнейшем;
• как проходит обучение работе на анализаторе; наличие обучаю­щих видеокурсов и методических пособий;
• как проводится сервисное, гарантийное обслуживание и повер­ка анализатора.

Рис. 1. Вид вольтамперограммы при определении одного элемента

В плане методического обеспечения:

• статус методик (уровень их утверждения) и их соответствие нормативным документам (ГОСТ Р ИСО 5725; ГОСТ Р 8.563);
• надежность, простота применения и четкость изложения, исхо­дя из отзывов пользователей или исходя из прописи методик анали­за (или хотя бы одной из них);
• метрологические характеристики и их соответствие принятым нормам;
• кто является разработчиком методик анализ, возможность кон­сультации у разработчиков методики при ее освоении;
• для каких типов вольтамперометрических анализаторов мето­дики разработаны (универсальность методик анализа, как правило, приводит к дополнительным трудностям);
• доступность применяемых реактивов;
• срок службы электродов.

Рис. 2. Вид вольтамперограммы при одновременном определении четырех элементов

Одним из основных направлений деятельности научно-произ­водственного предприятия "Томьаналит" (г.Томск) является раз­работка и производство вольтамперометрических анализаторов, методического и программного обеспечения и вспомогательного оборудования для проведения химического анализа. Основным де­визом сотрудников предприятия является девиз: "Удобство в работе - залог успеха". Поэтому достаточно большое внимание при выпус­ке аналитических приборов уделяется не только их качеству, но и удобству их применения, легкости освоения, четкости и доступности изложения методик анализа и сопроводительных документов.

Благодаря тесному сотрудничеству с Томским политехническим университетом создан вольтамперометрический анализатор ТА-4 (рис.3), который реализует практически все достоинства метода инверсионной вольтамперометрии. Анализатор ТА-4 выпускается с 2003г. и зарекомендовал себя как надежный, чувствительный при­бор для определения микроэлементов в воде, почве, воздухе, пище­вых продуктах, кормах, премиксах.

С использованием вольтамперометрического анализатора. ТА-4 можно проводить надежное определение мышьяка, кадмия, свинца, цинка, меди, олова, никеля, йода и селена. При этом определение содержания цинка, кадмия, свинца и меди проводят из одного рас­твора. Перечислим отличительные особенности ТА-4, позволившие ему получить множество положительных отзывов и сделавшие его в настоящее время одним из самых востребованных вольтамперомет­рических анализаторов в России:

• три электрохимических ячейки в составе анализатора позволяют одновременно анализировать три пробы в условиях повторяемости;
• в методическое обеспечение анализатора ТА-4 входят методики определения As (включая формы As), Hg, Zn, Cd, Pb, Cu, Mn, I (вклю­чая формы I), Cr (включая формы Cr), Fe, Ag, Se, Ni, Co, Sb, Bi, Ir, Pt, Pd, Os в различных типах вод; As, Zn, Cd, Pb, Cu, Ni, Se, Sn, I в пи­щевых продуктах, продовольственном сырье, кормах; As, Hg, Zn, Cd, Pb, Си, Ni, Mn, Co, Ir, Pt, Pd, Os в почвах, илах, донных отложениях, твердых отходах;
• методики анализа содержат подробное описание процедур подготовки проб к анализу и проведения измерений, внесены в Фе­деральный реестр МВИ (кроме методик определения Ir, Pt, Pd, Os), в ПНД Ф и соответствуют требованиям ГОСТ Р 5725
• корпус из коррозионноустойчивой стали делает анализатор устойчивым к механическим, химическим воздействиям и помехоус­тойчивым, что увеличивает надежность и срок его работы;
• специализированные электродные колпачки исключают контакт оператора с рабочей поверхностью электродов, что увеличивает бе­зопасность работы на анализаторе;
• программное обеспечение анализатора обладает широкими возможностями, позволяющими настроить программу индивидуаль­но и сделать ее максимально удобной для каждого пользователя;
• анализатор содержит два источника УФ-излучения (суммарная мощность 22 Вт), которые воздействуют на анализируемые растворы с двух сторон, что уменьшает время измерений и позволяет снизить расход реактивов и увеличить чувствительность определения Cd, Pb, Zn, Cu,Sn, Se, I;
• расчет результата анализа и его характеристик погрешности проводится автоматически по двум (или трем) результатам единич­ных измерений, полученным в двух (трех) ячейках анализатора в со­ответствии с ГОСТ Р 5725; при этом для расчета результата анализа по выбору оператора могут быть использованы приписанные методике характеристики погрешности (при Р=0,95 и/или при Р=0,90) или показатели точности, установленные в лаборатории.

Б 2006г. по результатам применения ТА-4 более чем в 150 лабо­раториях проведено обновление элементной базы, усовершенство­вание механических узлов анализатора и сертифицирование новой версии прибора. Это позволило расширить функциональные воз­можности и увеличить удобство использования анализаторов типа ТА-4. В комплект поставки новой версии анализатора ТА-4 входят элементы, облегчающие его освоение и применение в практике:

• обучающий фильм на DVD диске, в котором рассмотрены те­оретические основы метода инверсионной вольтамперометрии, подробно показана процедура выполнения анализа (более 5 часов видеоматериала);
• практическое пособие по освоению анализатора, в котором подробно изложены действия оператора на всех этапах обучения;
• практическое пособие по проведению анализов методом ин­версионной вольтамперометрии;
• схемы проведения анализа и поверки анализатора.

По желанию заказчика анализатор может быть укомплектован ноутбуком, а также набором посуды и реактивов, необходимых для реализации каждой из методик анализа.

На основе вольтамперометрических методик определения мышь­яка сотрудниками Томского политехнического университета и ООО "НПП "Томьаналит" в 2006г. создан специализированный анализатор ПАН-As . Управление работой анализатора ПАН-As осущест­вляется с помощью сенсорной панели, расположенной непосредствен­но на графиче-ском дисплее анализатора. Применение анализатора не требует обучения специалиста, так как анализ ведется в диалоговом режиме. В ходе анализа оператор может просмотреть градуировочные графики и вольтамперограммы с аналитическим сигналом мышьяка, что увеличивает надежность результатов анализа и уверенность опера­тора в их достоверности. Имеется возможность подключения прибора к компьютеру для архивации, просмотра, печати результатов анализа и зарегистрированных аналитических сигналов мышьяка. В настоящее время анализатор не имеет аналогов в мировой практике.

При создании анализатора мы постарались включить в его функ­ции дополнительные возможности, упрощающие анализ и повыша­ющие его информативность:

• в ходе анализа оператор может просмотреть градуировочные графики и вольтамперограммы с аналитическим сигналом мышьяка, что увеличивает надежность результатов анализа и уверенность опе­ратора в их достоверности;
• наличие в составе электрохимической ячейки анализатора трех рабочих электродов позволяет одновременно получать три единич­ных результата анализа проб;
• результат анализа рассчитывается по градуировочному графику и дополнительно может быть рассчитан методом добавок; для получе­ния результата анализа по градуировочному графику оператор выпол­няет три операции: добавляет раствор подготовленной пробы в ячейку анализатора, вводит параметры пробы и нажимает кнопку "Пуск"; .
• результат анализа (концентрация мышьяка в анализируемой пробе) и его характеристики погрешности автоматически рассчи­тываются по двум (или трем) единичным, результатам, полученным одновременно, в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725 и высвечиваются на панели анализатора;
• результаты анализа могут быть сохранены в память анализатора.

Для снижения трудоемкости и упрощения одной из сложнейших стадий анализа пробоподготовки разработаны и выпускаются про­граммируемые двухкамерные пёчи ПДП-18М.

Печь ПДП-18М имеет закрытую камеру озоления проб и разме­щенную на ней полузакрытую камеру-плитку для выпаривания проб. Печь управляется с помощью программируемого пульта. Пульт хра­нит в памяти по 9 программ термообработки для двух камер. Каждая программа содержит по 9 этапов, характеризующихся температурой и временем. Значения параметров этапов устанавливаются, исходя из процедуры, рекомендованной в методике анализа.

Камеры озоления и выпаривания могут работать как одновре­менно, так и раздельно. Печь компактна, удобна, имеет высокую точность и равномерность поддержания температур. Детали корпуса выполнены из нержавеющей стали, что допускает эксплуатацию ее в присутствии агрессивных паров кислот.

	Полезные ссылки
Департамент ветеринарии Краснодарского края Ассоциация Практикующих Ветеринарных Врачей