Понятие об аналитическом сигнале
Информацию о качественном и количественном составе анализируемого объекта химик-аналитик получает из аналитического сигнала.
Аналитический сигнал - среднее значение результатов измерения физической величины в заключительной стадии анализа, функционально связанное с содержанием (концентрацией) определяемого компонента. Сам факт появления ожидаемого аналитического сигнала (например, осадка определённого цвета) является качественной характеристикой.
Аналитический сигнал складывается, как правило, из
Однократное выполнение всех последовательных операций, предусмотренных методикой анализа, называетсяединичным определением. Значение содержания вещества, найденное при единичном определении, с указанием единицы измерения называется результатом единичного определения.
Проведенные в практически одинаковых условиях несколько единичных определений называются параллельными определениями. Средний результат параллельных определений называется результатом анализа.
В зависимости от способа расчёта содержания вещества по величине аналитического сигнала методы количественного анализа бывают
Стандартными образцами называют специально приготовленные материалы, состав и свойства которых достоверно установлены и официально аттестованы специальными государственными метрологическими учреждениями.
Стандартные вещества - достаточно чистые и устойчивые вещества известного состава.
10.3. Методы расчёта концентрации вещества по величине аналитического сигнала
Существует 3 основных метода расчёта концентрации по величине аналитического сигнала: метод градуировочного графика, метод стандартов и метод добавок.
Метод градуировочного графика
При использовании данного метода готовится серия стандартных растворов с разными концентрациями вещества, которые считаются точно известными. Затем для каждого приготовленного раствора в одинаковых условиях получают соответствующую величину аналитического сигнала (рис. 10.1).
Для получения градуировочных графиков иногда используют внутренние стандарты - компоненты, содержание которых во всех пробах, используемых для построения градуировочного графика, и в анализируемой пробе одинаково (они могут содержаться в исходной пробе или специально в неё добавляться). В качестве аналитического сигнала в случае использования внутреннего стандарта используют отношение y/yвс.
Рис. 10.1. Построение градуировочного графика и его основные параметры
Уравнения, описывающие градуировочный график, можно получить методом наименьших квадратов: коэффициенты a и b должны быть такими, чтобы сумма квадратов отклонений реальных значений от рассчитанных по полученному уравнению была бы минимальной. Согласно методу наименьших квадратов коэффициенты b и a рассчитываются по следующим формулам:
· градуировочный график не проходит через начало координат
· градуировочный график проходит через начало координат
«Качество» полученного градуировочного графика можно охарактеризовать коэффициентом корреляции (r). Чем ближе его значение к 1, чем меньше разброс точек относительно полученной прямой. Для практических целей рекомендуется использовать градуировочные графики c r > 0,99.
Градуировочный график желательно строить в таком интервале, чтобы неизвестная концентрация вещества попадала примерно в его середину, так как погрешность при этом будет минимальной.
Пример 10.1. При измерении оптической плотности растворов с известной концентрацией растворённого вещества были получены следующие значения:
| С, мг/л | 1,00 | 3,00 | 5,00 | 7,00 | 9,00 |
| A | 0,125 | 0,350 | 0,570 | 0,795 | 1,010 |
Раствор с неизвестной концентрацией вещества имел оптическую плотность 0,500. Определить концентрацию вещества в данном растворе.
Методом наименьших квадратов можно определить, что
A = 0,111C + 0,016 (r = 0,999)
Для расчётов удобнее использовать обратное уравнение градуировочного графика, характеризующего зависимость концентрации от оптической плотности. Для данного случая
C = 9,03A - 0,15
Концентрация вещества в исследуемом растворе равна 4,37 мг/л.
Метод стандартов
В методе одного стандартного раствора измеряют величину аналитического сигнала (yст) для раствора с известной концентрацией вещества (Cст). Затем измеряют величину аналитического сигнала (yx) для раствора с неизвестной концентрацией вещества (Сx).
Такой способ расчёта можно использовать в том случае, если зависимость аналитического сигнала от концентрации описывается линейным уравнением без свободного члена. Концентрация вещества в стандартном растворе должна быть такой, чтобы величины аналитических сигналов, полученных при использовании стандартного раствора и раствора с неизвестной концентрацией вещества, были бы как можно ближе друг к другу.
В методе двух стандартных растворов измеряют величины аналитических сигналов для стандартных растворов с двумя разными концентрацией вещества, одна из которых (C1) меньше предполагаемой неизвестной концентрации (Cx), а вторая (C2) - больше.
или 
Метод двух стандартных растворов используют, если зависимость аналитического сигнала от концентрации описывается линейным уравнением, не проходящим через начало координат.
Пример 10.2.Для определения неизвестной концентрации вещества были использованы два стандартных раствора: концентрация вещества в первом из них равна 0,50 мг/л, а во втором - 1,50 мг/л. Оптические плотности данных растворов составили, соответственно, 0,200 и 0,400. Чему равна концентрация вещества в растворе, оптическая плотность которого составляет 0,280?
= 0,90 мг/л
Метод добавок
Метод добавок обычно используется при анализе сложных матриц, когда матричные компоненты оказывают влияние на величину аналитического сигнала и невозможно точно скопировать матричный состав образца. Данный метод может быть использован лишь в том случае, когда градуировочный график является линейным и проходит через начало координат.
При использовании расчётного метода добавок вначале измеряют величину аналитического сигнала для пробы с неизвестной концентрацией вещества (yx). Затем к данной пробе прибавляют некоторое точное количество определяемого вещества и снова измеряют величину аналитического сигнала (yдоб).
Если необходимо учесть разбавление раствора
Пример 10.3. Исходный раствор с неизвестной концентрацией вещества имел оптическую плотность 0,200. После того, как к 10,0 мл этого раствора добавили 5,0 мл раствора с концентрацией этого же вещества 2,0 мг/л, оптическая плотность раствора стала равной 0,400. Определите концентрацию вещества в исходном растворе.
= 0,50 мг/л
Рис. 10.2. Графический метод добавок
|
В графическом методе добавок берут несколько порций (аликвот) анализируемой пробы, в одну из них добавку не вносят, а в остальные добавляют различные точные количества определяемого компонента. Для каждой аликвоты измеряют величину аналитического сигнала. Затем получают линейную зависимость величины полученного сигнала от концентрации добавки и экстраполируют её до пересечения с осью абсцисс (рис.10.2). Отрезок, отсекаемый данной прямой на оси абсцисс, будет равен неизвестной концентрации определяемого вещества.
10.4. Неопределённость и погрешности измерений
Любой результат анализа всегда имеет некоторую неопределённость. Это связано с особенностью работы приборов, несовершенством работы химика-аналитика при проведении отдельных операций, влиянием посторонних веществ, присутствующих в матрице, реактивах и с другими причинами.
Неопределённость измерения - параметр, связанный с результатом измерения и характеризующий разброс значений (например, ширина доверительного интервала, стандартное отклонение), которые с достаточным основанием могут быть приписаны измеряемой величине.
Погрешность результата - это разность между данным результатом и истинным значением измеряемой величины (абсолютная погрешность 
) либо отношение этой разности к истинному значению измеряемой величины (относительная погрешность).
Истинное значение измеряемой величины - идеальная величина, которую можно достичь только в том случае, когда устранены все источники погрешностей измерения и выбрана вся генеральная совокупность.
Неопределённость измерения и погрешность измерения - разные понятия. Погрешность является идеализированным понятием, её нельзя знать точно. Погрешности, как таковой, в каждом опыте соответствует единственное значение, неопределённость выражается в виде интервала. Результат измерения может быть, например, очень близок к истинному значению измеряемой величины, но иметь большую неопределённость.
В зависимости от причины возникновения погрешности бывают
К появлению систематической погрешности могут приводить следующие основные причины:
· методические (погрешность отбора пробы, погрешность разделения и концентрирования, пренебрежение сигналом контрольного опыта и т.д.);
· реактивные (использование недостаточно чистых реактивов);
· инструментальные (использование неправильно градуированного прибора);
· индивидуальные (особенности работы химика-аналитика)
Причина грубых погрешностей - неправильная работа химика-аналитика.