Импортозамещение эталона активности

Водородный показатель pH — один из ключевых параметров для большинства химических и биохимических процессов в разных сферах жизни человека. Уровень pH важен практически во всех областях промышленности, а также в медицине, фармацевтике и сельском хозяйстве. Методы измерения рН широко используются для оценки качества неорганических и органических материалов, пищевых продуктов, лекарственных препаратов, нефти и нефтепродуктов, для изучения и контроля состояния водных объектов окружающей среды. Однако до самого последнего времени Россия не могла похвастаться возможностью измерять pH, опираясь только на собственное оборудование и растворы.

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Росстандарта разработали новую линейку растворов в области pH- и pX-метрии на базе государственного первичного эталона показателя pH-активности ионов водорода в водных растворах pH ГЭТ 54-2011. Новая продукция представляет собой растворы (шесть наименований), необходимые для эксплуатации измерительных стеклянных электродов рН и в области ионометрии, а также для обеспечения их работы при непосредственном измерении величины водородного показателя, активности ионов и окислительно-восстановительного потенциала в различных сферах жизнедеятельности человека.

«Без этих растворов электроды работать не будут, а потому становится актуальным наладить их производство, — рассказал “Стимулу” ученый-хранитель государственного эталона Сергей Прокунин. — Потребность в разработке появилась из-за огромного количества запросов потребителей. До недавнего времени все использовали дорогостоящие зарубежные аналоги. Разработка новой линейки растворов позволит в значительной степени обеспечить потребителей и выйти на лидирующие позиции в этом сегменте рынка».

В 2013 году учёным-хранителем эталона pH ГЭТ 54-2011 был назначен к.т.н. Сергей Викторович Прокунин. Под его руководством продолжаются исследования по разработке и переизданию государственных стандартов в области pH метрии, пересмотру опорных значений буферных растворов

ВНИИФТРИ

Восстановление эталона

После распада Советского Союза, действующий тогда первичный эталон рН ГЭТ 54-79 остался на территории Грузии в НПО «Исари», и Россия безвозвратно утратила свою метрологическую основу в области рН-метрии. Для восполнения этой потери уже в 1993 году были начаты исследования возможности создания нового эталона рН.

«В результате кропотливой работы ученых института этот эталон был восстановлен в России к концу 1990-х годов. С его помощью проводились дальнейшие исследования в области измерений показателя pH, что позволило в 2011 году модернизировать эталон и повысить точность измерений в этой сфере», — рассказал генеральный директор ФГУП ВНИИФТРИ Сергей Донченко.

Первичный эталон предназначен для воспроизведения, хранения и передачи шкалы рН в диапазоне от 1 до 12.

«Для достижения высокой точности передачи единицы рН потребовалось более двенадцати лет кропотливой работы ученых ВНИИФТРИ, которые анализировали экспериментальные данные, полученные на эталоне, в том числе при проведении международных сличений. Но наука не стоит на месте, и для того, чтобы в дальнейшем достичь наивысшей точности при определении величины водородного показателя, потребуются обновления и модернизация сложного технологического оборудования», — говорит Сергей Прокунин.

Сегодня государственный первичный эталон pH ГЭТ 54-2011, созданный научным коллективом ВНИИФТРИ, входит в пятерку лучших по точности в мире. Институт продолжает активную работу в этой области измерений для дальнейшего совершенствования приборов и повышения точности измерений в области pH- и pX-метрии.

PH (potentia hydrogeni — сила водорода или pondus hydrogenii — вес водорода) — это единица измерения активности ионов водорода в любом веществе, количественно выражающая его кислотность. Уровень рН принято измерять по шкале в диапазоне от 0 до 14.

Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода [H⁺] (рН больше 7) по сравнению с ионами гидроксида [ОН⁻], то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н⁺ (рН меньше 7) — кислую реакцию. В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. В нейтральной воде показатель рН равен семи.

Расширение шкалы

«Чтобы показать важность точного определения величины рН, можно привести конкретные примеры, — рассказывает Сергей Прокунин. — Например, растения по реакции на рН делят на несколько экологических групп. Поскольку фактически все злаковые и плодоовощные культуры — нейтрофильные растения, то при уменьшении рН менее чем до 5,0 начинается прогрессивное уменьшение их урожайности (для хлопчатника, томатов, винограда, цитрусовых — в среднем на 20–30%), а при рН = 3,0 почвы становятся практически бесплодными. Наибольшей опасности закисления подвержены подзолистые почвы таежной зоны. Из-за кислотных выпадений также резко снижается прирост лесов и ухудшается естественное лесовозобновление. Многие животные реагируют на рН почвы: дождевые черви не переносят рН ниже 4,4; моллюски предпочитают среду с рН = 7,0 или чуть выше, и так далее. Поэтому составление эколого-химической характеристики качества почвы обязательно содержит определение величины водородного показателя».

Другое важное направление измерений рН — анализ кислотно-щелочного равновесия в живых организмах, в частности в человеческом теле. Сложный комплекс биохимических реакций поддерживает значение рН в очень узких пределах, и малейшие отклонения от него подчас свидетельствуют о нарушении функционирования внутренних органов, что используется для диагностики патологий.

К примеру, кровь — это хорошо забуференная (главным образом за счет гидрокарбоната и диоксида углерода) система, в которой смещение значения рН на 0,1–0,2 может быть гибельным. Значения рН артериальной крови ниже 7,35 свидетельствуют об ацидемии, а выше 7,45 — об алкалемии крови. По измеренному значению рН рассчитывают содержание углекислого газа в крови.

«Поэтому для анализа должны применяться прецизионные рН-метры (ΔрН = ±0,003… 0,005), градуируемые по двум специально созданным буферным растворам, имеющим ионную силу, близкую ионной силе крови и плазмы. Немалое значение имеет правильный подбор стеклянного электрода, так как наличие в анализируемом растворе протеинов и жиров нарушает обменную способность мембраны по отношению к ионам водорода», — пояснил Сергей Прокунин.

Подводя итог, следует отметить, что сегодня во ВНИИФТРИ проводятся научные исследования, связанные с расширением шкалы рН в сильнокислую область рН ≤ 1, направленные на метрологическое обеспечение медицинских приборов для гастроэнтерологических анализов. Разработка мер кислотности в диапазоне от 0 до 1 позволит повысить точность калибровки используемых зондов, что позволит повысить качество и точность измерений, проводимых при диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта.