МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского
ИНСТИТУТ ХИМИИ
УТВЕРЖДАЮ
Проректор
По учебно-методической работе
Профессор Е.Г.Елина
_____________________
___ ______________ 20___ г.
Рабочая программа дисциплины
Методы и средства экспресс анализа
Направление подготовки
020100 - ХИМИЯ
Профиль подготовки
Аналитическая химия
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
САРАТОВ
2011 г.
2
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Методы и средства экспресс-анализа»
является формирование у студентов понимания теоретических и
практических основ, методологии и современных тенденций развития
экспресс - методов анализа, включающих актуальные направления развития
инструментальной аналитической химии и тест-методов, умений ставить и
решать аналитические задачи, организовывать свою деятельность,
самостоятельно приобретать знания, используя различные источники
информации.
2. Место дисциплины в стуктуре ООП бакалавриата.
Дисциплина «Методы и средства экспресс-анализа» относится к
вариативным дисциплинам профессионального цикла ФГОС ВПО по
направлению «Химия». Материал дисциплины основывается на знаниях
неорганической, органической, физической и аналитической химии в объеме
курсов ООП по направлению 020100 «Химия». Дисциплина логически и
связана с курсами высшей математики, с методами математической
статистики в химии.
Для успешного освоения дисциплины студент должен владеть основами
физико-химического метода анализа и уметь проводить метрологическую
обработку результатов эксперимента, полученных в ходе изучения
дисциплины «Аналитическая химия».
Приобретенные в рамках дисциплины «Методы и средства экспрессанализа» умения студент должен уметь использовать в целях контроля
производства и качества продукции в народном хозяйстве, загрязненности
окружающей среды, медицинской диагностике, фармацевтической
промышленности, а также при изучении последующего вариативного курса
«Методы
анализа
сельскохозяйственной
продукции»
и
научноисследовательской практике в 8 учебном семестре.
3
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины.
В результате освоения дисциплины «Методы и средства экспресс-анализа»
студент приобретает или закрепляет следующие компетенции:
Использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности (ОК- 6).
Владеет основами теории фундаментальных разделов химии (прежде
всего неорганической, аналитической, органической, физической, химии
высокомолекулярных соединений; (ПК – 2).
Владеет навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре
при проведении химических экспериментов (ПК-6).
Имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в
аналитических и физико-химических исследованиях (ПК-7)
Овладевает
методами
регистрации
аналитических
сигналов,
математической обработки результатов анализа; (ПК – 8)
Владеет методами отбора материала для теоретических занятий и
лабораторных работ (определение основных электроаналитических и
оптических характеристик сенсоров, расчет коэффициентов селективности,
параметров перекрестной чувствительности массивов сенсоров и др.). (ПК –
11)
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- основные направления практического использования экспресс - методов в
анализе различных объектов:
 повышения безопасности и снижение нагрузки на окружающую среду;
 совершенствование технологического обеспечения химических
процессов
 сокращение образования побочных продуктов, отходов, потерь сырья
материалов и энергии
 медицинской и фармацевтической отрасли;
- микрофлюидные системы и современные методы детектирования
аналитического
сигнала:
спектроскопические
(люминесценция,
хемилюминесценция,
спектрофотометрия),
электрохимические
(потенциометрия,
амперометрия,
кондуктометрия),
массспектрометрические.
Уметь:
- применять химические тест-средства и сенсоры для решения конкретных
аналитических задач.
Владеть:
- различными приемами измерения аналитического сигнала на серийном
лабораторном оборудовании, с использованием известных химических тест-
4
средств и химических сенсоров, осуществить необходимую пробоподготовку
и предшествующий ей пробоотбор;
- методологией создания современных экспресс-средств и методов
аналитической химии.
4.Структура и содержание дисциплины.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы (144 часа).
4.1 Структура лекционного курса
№ Раздел
п/п дисциплины
1
2
3
4
Фомы
текущего
контроля
Семе Неделя
Виды учебной работы, включая успеваемости
(по
стр
семестра самостоятельную
работу неделям семестра)
студентов и трудоемкость (в Формы
часах)
промежуточной
аттестации
(по
семестрам)
Лекци Самосто Всего
и
ятельны
е
6
1
2
2
4
Собеседование
Миниатюризац
ия приборов и
средств
химического
анализа
актуальное
направлений
развития
инструменталь
ной
аналитической
химии
6
Методы
детектировани
я
аналитического
сигнала
в
микроаналитич
еских системах
6
Методы
разделения и
концентрирова
ния
в
микрофлюидн
ых системах.
6
Проточный
анализ:
непрерывный,
2
2
2
4
Тестирование
3
2
2
4
Собеседование
4
2
2
4
Собеседование
5
5
6
8
9
10
11
12
13
сигментирован
ный, проточноинжекционный
анализ. Общие
вопросы
теории
непрерывного
проточного
анализа
Принципиальн
ая
схема
потокораспред
елительной
системы
непрерывного
проточного
анализа.
Общие
вопросы
теории
непрерывного
проточного
анализа
Методы
и
средства
внелабораторн
ого
анализа.
Подвижные
лаборатории.
Химические и
биохимические
тест-методы
Тест-средства
на
основе
бумаги
и
ткани,
полимеров,
полистиролдив
инильные
диски,
индикаторные
трубки
Методы,
основанные на
использовании
ферментов и на
иммунных
взаимодействи
ях
Электрохимиче
ские сенсоры.
Оптические
6
5
2
2
4
Тестирование
6
6
2
2
4
Устный отчет
6
7
2
3
5
Устный отчет
6
8
2
2
4
Собеседование
6
9-10
4
3
7
Собеседование
6
11,12
4
4
8
Устный отчет
6
13,14
4
4
8
Устный отчет
6
15,16
4
4
8
Устный отчет
6
14
сенсоры.
Полупроводни 6
ковые
и
металлооксидн
ые
газовые
сенсоры
Итого
17,18
4
4
8
36
36
72
Экзамен
Содержание лекционной дисциплины
1. Миниатюризация приборов и средств химического анализа актуальное направлений развития инструментальной аналитической химии.
Создание переносных или мобильных устройств. Потребность в экспрессанализах. Возможности осуществления химического анализа без
стационарной лаборатории. Интеграция большого числа стадий анализа
(пробоотбор,
пробоподготовка,
концентрирование,
проведение
аналитических реакций и измерение аналитического сигнала) в одном
устройстве, желательно малого размера. Понятие «микросистем полного
химического анализа».
2. Миниатюризация систем аналитического определения и связанные с
ней снижение объема пробы, расхода реагентов, себестоимости определения,
время анализа, увеличения воспроизводимости, использование нескольких
детекторов и возрастание объема полученной информации.
3. Материалы и техника создания микроаналитических систем.
Основные блоки. Микрофлюидные системы. Методы детектирования
аналитического сигнала в микроаналитических ситемах: спектроскопические
(люминесценция,
хемилюминесценция,
спектрофотометрия),
электрохимические (потенциометрия, амперометрия, кондуктометрия), массспектрометрические. Области использования: окружающая среда, контроль
технологического процесса непосредственно в цехах и пр.
4. Реализация в микрофлюидных системах проточного анализа.
Хроматография: микрогазовая, микрожидкостная. Методы разделения и
концентрирования в микрофлюидных системах. Капиллярный электрофорез.
5. Проточный анализ: непрерывный, сигментированный, проточноинжекционный анализ. Общие вопросы теории непрерывного проточного
анализа
Достоинства
и
недостатки.
Принципиальная
схема
потокораспределительной системы непрерывного проточного анализа.
Проточно-инжекционный анализ. Основные принципы ПИА. Двухканальная
потокораспределительная система для ПИА. Параметры аналитического
сигнала в ПИА. Основные характеристики системы ПИА (объем пробы,
скорость потока, внутренний диаметр трубок, объем ячейки детектора,
производительность). Достоинства, ограничения и недостатки ПИА. Анализ
7
многокомпонентных систем (использование потокораспределительных
систем с несколькими детекторами). Детектирование в ПИА. Требования к
детектору в ПИА.
6. Методы и средства внелабораторного анализа. Подвижные
лаборатории. Требования к подвижным лабораториям и способы их
реализации.
Классификация.
Примеры
отечественных
подвижных
лабораторий. Проблемы и задачи подвижных лабораторий. Портативные
аналитические приборы в экоаналитике и их общая характеристика.
Сравнительная характеристика некоторых портативных рН-метров.
Кислородомеры.
Портативные
хроматографы.
Газоанализаторы.
Метрологические характеристики некоторых. Соединения, определяемые
газоанализатором Колион-1. Термокаталитические и электрохимические
анализаторы.
7. Химические и биохимические тест-методы анализа воздуха и газов.
Тест-средства. Индикаторные трубки. Индикаторные бумаги, диски и другие
формы.
8. Методы анализа растворов. Методы основанные на гомогенных и
гетерогенных химических реакциях. Тест-средства на основе бумаги и ткани,
полимеров, полистиролдивинильные диски, индикаторные трубки.
Силикагель и родственные материалы. Методы, основанные на
использовании ферментов и на иммунных взаимодействиях. Понятия о
ферментах и иммунохимических процессах. Взаимодействие антигенантитело.
9.
Российский
рынок
тест-средств.
Газовые
сенсоры.
Электрохимические сенсоры. Оптические сенсоры. Полупроводниковые и
металлооксидные газовые сенсоры. Термокаталитические сенсоры.
Пьезоэлектрические сенсоры.
10. Химические дозиметры. Теория пассивной дозиметрии.
Конструкция дозиметров. Аналитические характеристики дозиметров.
Области применения.
11. Дистанционные методы анализа. Определение лигирующих
добавок в металлургии. Контроль состава металлов и сплавов. Обнаружение
утечек газов. Объекты: нефть и нефтепродукты, минеральное сырье и
геологические и космические объекты. Сельскохозяйственные объекты.
Медицина. Взрывчатые вещества и наркотики. Отравляющие вещества.
4.2 Структура лабораторных занятий
№ Раздел
п/п дисциплины
Фомы
текущего
контроля
Семе Неделя
Виды учебной работы, включая успеваемости
(по
стр
семестра самостоятельную
работу неделям семестра)
студентов и трудоемкость (в Формы
часах)
промежуточной
(по
Самостоят Всег аттестации
8
1
2
3
4
5
6
6
Определение
нитрат-ионов с
помощью тестсредств
бум.
основе
6
Определение
жесткости
воды
с
помощью тест
-методов
1
Лаборатор
ные
работы
6
2
6
6
12
6
Сорбционнолюминесцентн
ое определение
тетрациклина в
лекарственных
препаратах
6
Тест-метод
определения
аскорбиновой
кислоты
3
6
6
12
4
6
6
12
Методы
и 6
средства
внелабораторн
ого
анализа.
Подвижные
лаборатории.
6
Экспрессметоды
определения
показателей
воды
5
6
6
12
6
6
6
12
36
36
72
Итого
ельная
работа
о
семестрам)
6
12
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Отчет
по
лабораторной работе.
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Отчет
по
лабораторной работе.
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Отчет
по
лабораторным
работам.
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Отчет
по
лабораторным
работам.
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Отчет
по
лабораторным
работам.
Проверка
оформления
лабораторного
журнала
Экзамен
5.Образовательные технологии
Используются следующие образовательные технологии:
- технология решения исследовательских задач (ТРИЗ);
- технология коллективной системы обучения;
- технология «Дебаты»;
- технология решения исследовательских и проектных задач;
- технология проведения ролевых игр.
Наряду с традиционными образовательными технологиями широко
используются технологии, основанные на методах научно-технического
9
творчества и современных информационных средствах (электронный
учебник и методическое пособие к лабораторным работам), включающие в
том числе обучение на основе учебных дискуссий по теме «Проточный
анализ: непрерывный, сигментированный, проточно-инжекционный анализ.
Общие вопросы теории непрерывного проточного анализа», «Российский
рынок тест-средств», интеллектуальных тренажеров, а также систем
обучения профессиональным навыкам и умениям. Используются различные
образовательные технологии в ходе реализации учебной работы, при этом
предусматривается широкое использование интерактивных форм проведения
занятий: деловых и ролевых игр, разбор конкретных ситуаций,
профессиональные тренинги в сочетании с самостоятельной работой
студентов. Предусмотрены встречи с представителями российских и
зарубежных компаний.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная
работа
студентов
предполагает
освоение
теоретического материала, подготовку к лабораторным работам, оформление
лабораторных работ, выполнение письменных домашних заданий,
подготовку к текущему и итоговому контролю. Фома итогового контроля –
экзамен (билеты в приложении).
Темы рефератов
1.Капиллярный электрофорез как метод разделения в микрофлюидных
системах
2. Методы детектирования аналитического сигнала в микрофлюидных
системах
3.Портативные аналитические системы
4.Принципы создания миниатюризированных систем
5.Микросистемы полного химического анализа
6.Проточно-инжекционный анализ
7.Внелабораторный анализ
8.Химические и биохимические тест-методы анализа воздуха и газов
9. Дистанционные методы анализа
10. Российский рынок тест-средств
11. Материалы и техника создания микроаналитических систем
12.Тест-методы анализа природных вод
13. Химические сенсоры
14. Физические сенсоры
Вопросы для самостоятельной подготовки к устным отчетам:
1.Миниатюризация приборов и средств химического анализа
10
1. Потребность в экспресс-анализе. Возможности осуществления
химического анализа без стационарной лаборатории.
2. Понятие «микросистем полного химического анализа».
3. Материалы и техника создания микроаналитических систем.
Основные блоки микрофлюидных систем.
4. Методы
детектирования
аналитического
сигнала
в
микроаналитических
ситемах:
спектроскопические
(люминесценция, хемилюминесценция, спектрофотометрия),
электрохимические
(потенциометрия,
амперометрия,
кондуктометрия), масс-спектрометрические.
5. Микрогазовая и микрожидкостная хроматография.
6. Методы разделения и концентрирования в микрофлюидных
системах. Капиллярный электрофорез.
7. Непрерывный проточный анализ
8. Дискретные анализаторы
9. Непрерывные анализаторы
10.Непрерывные проточные анализаторы
11.Проточно-инжекционный анализ
12.Сигналы детектора в приточно-инжекционном анализаторе
13.Влияние конвекции и диффузии на концентрационный
профиль зоны определяемого вещества и форму сигнала в
ПИА. Ограничения ПИА. Достоинства ПИА. Детекторы ПИА
14.Основные типы ПИ систем. Системы без химических реакций
15.Основные типы ПИ систем. Системы с гомогенной
химической реакцией
16.Основные типы ПИ систем. Системы с пробоподготовкой на
основе гетерогенных превращений.
17.Требования к химическим сенсорам и основные принципы их
действия
18.Потенциоме6трические сенсоры. Сенсоры на основе твердых
электролитов
19.Потенциоме6трические сенсоры. Газочувствительные сенсоры
20.Потенциоме6трические сенсоры. Биокаталитические
мембранные сенсоры
21.Потенциоме6трические сенсоры. Сенсоры на основе полевых
транзисторов
22.Амперометрические сенсоры
23.Кондуктометрические сенсоры
24.Оптические сенсоры первого поколения
25.Оптические сенсоры второго поколения
26.Оптические сенсоры третьего поколения
27.Производственный анализ, определение суммарного
показателя спектроскопией в УФ- и ближнее ИК-области
28.Производственная рефрактометрия
29.Автоматизированный контроль производственных процессов
11
30.Многоканальные сенсоры
31.Гравиметрические сенсоры
32.Способы осуществления производственного анализа. «В
лаборатории», «На месте», Дискретный анализ «на линии»
33.Способы осуществления производственного анализа.
Непрерывный анализ «на линии»
34.Способы осуществления производственного анализа.
«Бесконтактный»
35.Производственный анализ на основе неселективных
характеристик.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) Основная литература
1. Золотов Ю.А. Внелабораторный анализ. 2010. М.: Наука, 564 с.
2.«Аналитические химия» учебник в 2 кн./В.П.Васильев. М.:Дрофа.2007.
382 с. Кн.2: «Физико-химические методы анализа»
Экземпляры: 21
3. «Основы аналитической химии» в 2 кн. Книга 2 Методы химического
анализа: учебн. Для вузов / Ю.А.Золотов, Е.Н.Дорохова и др. Под
редакцией Ю.А.Золотова. М.Высшая школа. 2004. 494 с.
б) Дополнительная литература
1.Аналитическая химия и физико-химические методы анализа в 2 ч. Т.2.:
учебн. Для студ. Учреждений высш. Проф. Образования/под
ред.А.А.Ищенко.-М.:Издательский центр «Академия», 2010.-416 с. (5 экз)
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Учебная аудитория для чтения лекций
Оверхед-проектор
Учебная лаборатория для выполнения лабораторных работ,
оснащенная спектрофотометром, потенциометром, рН-метром,
аналитическими весами, видеоденситометром.
4. Химические реактивы
8.
1.
2.
3.
12
Программа составлена в соответствии с трениями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки «аналитическая химия»_____________________
Автор ____доц. Смирнова Т.Д._________________
Программа одобрена на заседании кафедры аналитической химии и
химической экологии от _________ года, протокол №_____________
Подписи:
Зав. кафедрой аналитической химии
и химической экологии
Д.х.н., проф., засл. деят. науки РФ
Чернова Р.К.
Директор Института д.х.н., проф.
Федотова О.В.