.RU

Портативный спектрофотометрический анализатор для аналитического контроля качества природной и питьевой воды


ПОРТАТИВНЫЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНОЙ И ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Терлецкий О.В., Терещенко А.Г.

Институт физики НАН, Киев, Украина

Терлецкая А.В.

Институт химии и химии воды им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев, Украина


ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных условий обеспечения населения качественной питьевой водой есть оперативный контроль её химического состава от источника водоснабжения к потребителю. На сегодняшний день нормативными документами регламентируется около шестидесяти параметров, которые гарантируют безопасность её химического состава, благоприятные органолептические свойства, безвредность в эпидемическом и радиационном отношении.

Для веществ органического и неорганического происхождения установлены предельно допустимые концентрации (ПДК), перечень которых расширился, а нормативы приблизившись к рекомендациям ВОЗ и требуют проведения мониторинга состава воды на местах отбора проб с оперативным выполнением большого количества определений.

Методы. Большинство регламентированных параметров качества воды основаны на фотометрическом методе анализа с использованием стандартных и унифицированных методик. В них контролируемый компонент переводится в интенсивно окрашенное соединение, полоса интегрального поглощения которого прямо пропорциональна массовой концентрации определяемого компонента.

Ужесточение нормативов и перенесение аналитических методов в полевые условия требует создания портативных устройств с высокими динамическими характеристиками, способными регистрировать малые изменения коэффициента поглощения. Такие системы должны удовлетворять требованиям энергосбережения и быть высоко интегрированными системами для съёма и обработки данных с использованием компьютерных технологий.

Результаты и обсуждение

Вниманию специалистов предлагается специализированный спектрофотометрический анализатор рис.1, разработанный нами для проведения рутинного контроля параметров воды в полевых условиях. В основу такого фотометрического спектроанализатора, адаптированного под измерение оптической плотности растворов, положено линейное устройство ПЗС с параллельным накоплением и переносом зарядовой плотности (размер пиксела (14х200) µ и их число 2048). Отличительной чертой применённого нами ПЗС устройства является большой размер пиксельной потенциальной ямы, в которой можно накопить и удержать фотогенерируемые электроны, с порогом насыщения (4 – 6) 105 электронных зарядов, что позволило повысить динамические характеристики регистрирующей система. Созданный дифракционный малогабаритный спектрометр по сути оптический многоканальный анализатор (ОМА) с параллельным накоплением электронного заряда, проводящий Фурье разложение пространственного распределения освещенности спектральной щели диапазоне 300– 950 нм, с последующим преобразованием в зарядовый эквивалент. Оптическая схема, по которой был оптимизирован размер дифракционного спектрометра, построена по так называемой Сherry-cross field модифицированной схеме, в которой благодаря пересечению оптических полей и применению реплики на 600 шт/мм удалось на базе с выходным объективом f = 50мм охватить спектральный диапазон в 650 нм. При этом разрешение пиксел-пиксел составило 0,33нм. Габариты спектрометра не превысили линейных размеров 85х180х50 мм, благодаря минимизации моноблочной оптической платформы спектрометра и кюветного отсека, рассчитанного под стандартную кювету на 1см. В качестве источника света использована миниатюрная лампа накаливания, работающая в форсированном импульсном (Flash) режиме с пред накалом, со смещенным в ультрафиолетовую область спектральным распределением. Приведенное к оптической щели коллиматором изображение спирали, благодаря поворотной 900 призме, вдвое увеличивает эффективный путь поглощения и соответственно повышает чувствительность регистрации пороговых концентраций.

Спектрометр прокалиброван по реперным линиям аргонового разряда, а калибровка контролируется микроконтроллером. В основе метода слежения за калибровкой и стабильностью оптической схемы положен способ, который сводится к следующему: дифрагируемое излучение приводится к пиксельной зоне под углами близкими к 900 и в результате интерференции на микронной подложке пиксельной зоны световой поток промодулирован с хорошо разрешенными интерференционными максимумами (рис.2); положение этих максимумов относительно пиксельной шкалы зависит как от длины волны, так и от температурной стабильности оптических элементов схемы. По заложенному алгоритму микроконтроллер подстраивает калибровку спектрометра, компенсируя температурный дрейфа всей платформы и выводит сообщение на ЖКИ монитор в случае выхода за пределы допустимых значений. Следует отметить, что точность подстройки определена аппаратной функцией оптического прибора и шириной спектральной щели. Интерферометрический способ применяется в лямдометрах, однако в дифракционных приборах он не нашел применения. Для решения нашей задачи при исследовании полос поглощения в 20 – 50 нм такой метод автокаллибровки вполне корректен и составляет погрешность выхода на начальную калибровку прибора ∆ ±1 нм.

Методика создания концентрационной базы данных для градуировки прибора.

Для создания базы данных используются Межгосударственные стандартные образцы растворов ионов металлов и анионов. В качестве примера (рис.3, рис.4), приведено не нормированное на холостой раствор спектральное распределение оптической плотности, полученное на спектрофотометрическом анализаторе АКВА-ТЕСТ 2000 SP для фенола и марганца при выбранных концентрациях. Этот массив выводится в графическом виде на местный монитор для подтверждения работоспособности системы и корректного ввода процедуры на определение. Процедура измерения сводится к следующему: проводится измерение на “Холостом” растворе, который регламентируется методиками анализа, оптимизируются параметры экспозиции, усиления и числа выборок для достижения заявленной точности определения и запоминаются эти установочные параметры; измеряется так называемый background для этих параметров – темновой фон; после измерения на растворе со стандартной концентрацией и нормировки на “холостой” и background, спектральное распределение на примере фенола (Phe) представлено на рис.5. Интеграл от этого контура ставится в соответствие с концентрацией и полученная зависимость, в общем случае, аппроксимируется квадратичным полиномом (рис.6). Коэффициенты разложения сохраняются как идентификатор в матричной форме на все заявленные тесты, с заданием , как фиксированного параметра, области интегрирования спектральной полосы поглощения.

Следует остановиться ещё на одном моменте, который обуславливает точность определения концентраций. В общем случае линии поглощения образованных комплексов и соединений представляют структурные, неоднородно уширенные линии с перекрытием полос, с шириной спектрального распределения 20 – 50 нм, положения которых априори не определено и зависит от концентрации. Такие линии нельзя описать чистым Гауссовым распределением с центрированием интегрального поглощения в максимуме полосы. Поэтому в приборах на фиксированный, ограниченный спектральный диапазон пропускания (обычно для колориметров полоса пропускания определена используемыми фильтрами и составляет от 6 – 20 нм), внося тем самым систематическую погрешность, так как интегрируется сигнал в пределах этих значений пропускания, без учёта вкладов от крыльев. В некоторых случаях ошибка, по нашим оценкам, может составить 20 – 50 % если линия поглощения попадает на край диапазона.

Проводя прямое интегрирование по всей полосе контура полосы поглощения, мы достигли точности не хуже 10% и можем зафиксировать изменение концентрации на уровне 0,001мг/дм3 .

Методики аналитического определения.

Спектрофотометрический анализатор «АКВА-ТЕСТ 2000 SP» может быть использован для определения неорганических и органических компонентов воды, для которых известны методики анализа в спектральном диапазоне 300 - 950 нм. Представленная в статье модель анализатора предназначена для контроля качества питьевой воды и в ее память введены градуировочные характеристики для определения более 35 нормируемых показателей (Al, Fe, Mn,Cr, Cu, Co, Ni, Ag, Mo, NO3 ¯, NO2 ¯, Si, CN¯, Br ¯, I ¯, фенолы, мутность и др.). Для определения указанных выше компонентов использованы стандартные и унифицированные методики анализа, а также методики, разработанные или модифицированные в ИКХХВ НАН Украины с установленными метрологическими характеристиками (таблица). При разработке новых фотометрических методик использованы как групповые реагенты (1-(2-пиридилазо)-нафтол-2, бромпирогалоловый красный), так и селективные (тиокетон Михлера). По сравнению с известными, эти методики имеют ряд преимуществ: более высокую чувствительность и селективность; проведение фотометрических реакций в водно-мицеллярной среде исключает необходимость экстракции окрашенных соединений токсичными органическими растворителями и делает анализ экологически безопасным; использованы маскирующие вещества, которые в ряде случаев менее токсичны, чем применяемые в стандартном методе. Методика определения серебра в воде с тиокетоном Михлера является одной из наиболее селективных и чувствительных на этот элемент и применяется на практике для контроля качества фасованных питьевых вод и воды бассейнов. Предложенные методы позволяют значительно сократить количество используемых в портативной лаборатории органических реагентов: например, для определения цинка, никеля, кобальта вместо трех разных реагентов использован один; при определении серебра и меди использован один реагент вместо двух разных. Методики упрощены по сравнению со стандартными, а длительность определения отдельных компонентов сокращена в 6-7 раз (Ni, Zn, Mo). Методики приведены в полном объёме без использования ”скрытых„ реагентов.


Таблица. Новые селективные и без экстракционные методики, используемые в портативной лаборатории «АКВА –ТЕСТ 2000» для определения нормируемых в воде компонентов

Определяемый компонент

Химический

реагент


Интервал определяемых

концентраций,

мг/дм 3

Предельно-допустимые концентрации,

мг/дм 3

Ссылка


Серебро

Тиокетон Михлера,

СПАВ*

0,005 – 0,2

0,05(0,025)

[4,5]

Медь

Тиокетон Михлера,

СПАВ

0,005 – 1,0

1,0

[6,7]

Никель

1-(2-пиридил-азо) -нафтол, СПАВ

0,01-0,3

0,1

[8]

Цинк

1-(2-пиридил-азо) -нафтол, СПАВ

0,01-0,4

5

[9]

Кобальт


1-(2-пиридил-азо) -нафтол, СПАВ

0,01-0,25

0,1

[7]

Молибден

Бромпирогаллоловий красный, СПАВ

0,01-0,5

0,25 (0,07)

[ 7]

Остаточная концентрация флоккулянтов катионного типа

Бромпирогаллоловий красный, Mo(IV)

pH 0,5-1,0

0,05-1,0

0,2-1,0

[10]



* СПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества

Параметры портативной лаборатории АКВА – ТЕСТ 2000 :

- спектральный диапазон 300 – 950 нм

- спектральное разрешение 0,33 нм

- динамический диапазон, дБ, не хуже 75

- дискретизация определения массовой концентрации, мг/дм3 0,001

- относительная ошибка определения массовой концентрации в пределах

диапазона концентрации ПДК±5% не 5

- границы суммарной относительной погрешности измерений, % 10

- сохранение калибровочных характеристик в памяти в температурном диапазоне,0С- 5+40

- тестирование системы на готовность к проведению измерений: автокаллибровка, контроль и сообщение об объёме свободной памяти для сохранения данных, состояние источника излучения и контроль напряжения.

Меню пользователя:

- выбор тестируемого компонента или группы компонентов, количество 35

- задание файлового идентификатора местности отбора проб , количество 1000

- графическое отображение спектрального распределения оптической плотности

- процентное отношение определяемой массовой концентрации к ПДК

- сохранение данных и передача на РС протокола проведенного тестирования

- номинальное напряжение автономного источника питания, В 4.5

- габаритные размеры портативной лаборатории, мм 460х340х160

- габаритные размеры спектрометрического анализатора „АКВА-ТЕСТ 2000 SP”, м 85х180х50

- масса портативной лаборатории, кг не больше 8

- масса спектрометрического модуля „АКВА-ТЕСТ 2000 SP”, кг 0.3

ВЫВОДЫ

Разработан портативный спектрофотометрический анализатор для проведения контроля качества питьевой воды в полевых условиях. Он обладает всеми функциями необходимыми для съёма, накопления и обработки данных, вывода их в графической и протокольной форме на местный ЖКИ монитор, сохранения тестовых калибровок на стандартных растворах в энергонезависимой flash памяти, передачи в протокольной форме через USB порт на РС и понятный пользовательский интерфейс; возможно введение дополнительных калибровок для расширения перечня контролируемых элементов. Объем памяти, применение энергосберегающих технологий позволяют пользователю проведение до 200 – 300 тестов без подзарядки устройства в полевых условиях.







Рис.2: Интерференция на пиксельной подложке приведенного дифрагированного излучения источника света. Положение максимумов на коротковолновом крыле

служат эталоном для контроля за состоянием оптической схемы и автокалибровки.




Рис.3:Спектральное распределение оптической плотности на растворах с концентрациями фенола С = (0.0, 0.1,0.2 , 0.3,0.5, 0.75, 1.0, 1.5) мг/дм3.




Рис.4:Спекр оптической плотности на растворах с концентрацией Mn:

С= (0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.75, 1.0, 1.5),мг/дм3




Рис.5: Нормированное спектральное распределение оптической плотности для стандартной концентрации фенола 0.3мг/дм3.




Рис.6: Градуировочная зависимость оптической плотности от концентрации Мn. Используется для создания базы данных спектофотометра АКВА-ТЕСТ 2000 SP. В общем случае она апроксимирована полиномом второй степени, а его коэффициенты храняться в памяти в виде матричной формы на все контролируемые параметры.


^ Список литературы

[1] А.С. №1096579, СССР. Способ определения серебра в воде / Пилипенко А.Т., Мацибура Г.С., Терлецкая А.В – Опубл.10.06 -1984- Бюл. № 21.

[2] МВВ 081/12-0258–06 «Определение серебра в воде питьевой, воде питьевой фасованной и воде плавательных бассейнов фотометрическим методом» //Аттестовано: ДП Всеукраинский государственный научно-производственный центрстандартизации, метрологии, сертификации и защиты прав потребителей (Укрметртестстандарт)”.Свидетельство о метрологической аттестации от 10.02.2006 г.

[3] Пилипенко А.Т., Мацибура Г.С., Терлецкая А.В., Рябушко В.О. / Химия и технология воды. – 1990.– 12, №10. – С. 903– 906.

[4] Международная конференция по аналитике и химическому анализу (2005). Экспрессные фотометрические методы анализа воды в полевых условиях. Безэкстракционное определение нормируемых металлов с 1-(2-пиридилазо)-нафтолом-2, Доклад Р2-18, Институт коллоидной химии и химии воды НАН Украины, Киев, Украина.

[5] Патент 75500, Украина, МПК 7, G01 N21/00. Фотометрический способ определения никеля в воде // Терлецкая А.В., Богословская Т.А., Іевлева О.С.и Кущевская Н.Ф.– Опубл. 17.04.2006. – Бюл. № 4.

[6] Патент 74293, Украина, МПК 7, G01N 30/00 Способ определения цинка в воде // Терлецкая А.В., Богословская Т.А. – Опубл. 15.11.2005. – Бюл. № 11.

[7] Патент 75500, Украина, МПК, G01N21/00. Cпособ определения полигексаметиленгуа нидина в воде (варианты) // Гончарук В.В., Терлецкая А.В., Иевлева О.С., Богословская Т.А. и Кущевская Н.Ф. – Опубл. 15.01.2007. – Бюл. № 1.

posevvtoroe-izdanie-1973-g-stranica-9.html
poshagovaya-instrukciya-novichkuneznakomomu-s-vebdizajnompo-sozdaniyu-sobstvennogo-sajta.html
poshiv-gotovih-izdelij-rekomendacii-35-makro-uroven-36-otraslevoj-uroven-39-mikro-uroven-44-monitoring-i-ocenka-47.html
posilayu-vam-informaciyu-dlya-abiturientov-2012-goda.html
positionmode-rukovodstvo-polzovatelya-rukovodstvo-i-spravochnik.html
poskolku-rezultati-auditorskoj-proverki-yavlyayutsya-osnovoj-mnozhestva-ekonomicheskih-reshenij-audit-vo-vseh-stranah-dostatochno-zhestko-reguliruetsya-vnekotorih-iz.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/literatura-18-vvedenie-pri-sovremennom-razvitii-tehnologij-pochti-kazhdij-iz-nas-ne-mozhet-obojtis-bez-mobilnogo-telefona-za-70-10-let-eto-ustrojstvo-proshlo-dolgij-put-ot-urovnya-tolko-pozvonit.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/titulnij-list-programmi-obucheniya-po-discipline-syllabus-forma.html
  • composition.bystrickaya.ru/perevod-yu-yahninoj-i-l-zoninoj-stranica-8.html
  • turn.bystrickaya.ru/podgotovka-i-zashita-vipusknoj-kvalifikacionnoj-raboti-bakalavra.html
  • otsenki.bystrickaya.ru/sovershenstvovanie-metodov-raschetnoj-ocenki-prochnosti-i-dolgovechnosti-bazovih-elementov-neftegazovogo-oborudovaniya-s-uchetom-korrozii-metalla.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/tema-6-organizacionnie-strukturi-v-menedzhmente-metodicheskoe-posobie-po-podgotovke-k-itogovomu-gosudarstvennomu.html
  • exchangerate.bystrickaya.ru/esli-cherez-tri-dnya-korolyu-ne-stanet-luchshe-mozhno-vsego-ozhidat-skazal-doktor-korol-tyazhelo-bolen-i-esli-cherez-tri-dnya-sostoyanie-ego-ne-uluchshitsya-mozhn-stranica-8.html
  • zanyatie.bystrickaya.ru/municipalnaya-vlast-ee-yuridicheskie-priznaki-chast-4.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-disciplina-informacionnie-sistemi-v-ekonomike-specialnost.html
  • grade.bystrickaya.ru/novgorodskaya-oblast-energetiki-osvetyat-iverskij-monastir-regionsru-07092005.html
  • books.bystrickaya.ru/dzhon-ronald-ruel-tolkien-stranica-3.html
  • student.bystrickaya.ru/39-zasedanie-verhovnogo-suda-severnoj-osetii-po-delu-kulaeva-stranica-2.html
  • writing.bystrickaya.ru/dohodi-i-rashodi-gosudarstvennogo-byudzheta-rf.html
  • otsenki.bystrickaya.ru/sooruzheniya-dlya-mehanicheskoj-ochistki-stochnih-vod-stroitelnie-normi-i-pravila-kanalizaciya-naruzhnie-seti-i-sooruzheniya.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/rabochej-programmi-uchebnoj-disciplini-sociologiya-bezopasnosti-uroven-osnovnoj-obrazovatelnoj-programmi.html
  • tetrad.bystrickaya.ru/vospominanie-dvoyurodnoj-sestri-belyaeva-aleksandra-filippovicha-geroya-sovetskogo-soyuza-nashego-zemlyaka.html
  • urok.bystrickaya.ru/pril-14-na-shkolnom-urovne.html
  • assessments.bystrickaya.ru/e-a-selivanova-cherkasskij-nacionalnij-universitet-ukraina.html
  • lesson.bystrickaya.ru/pir-voobrazhenya.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/programma-disciplini-po-kafedre-ekonomicheskaya-kibernetika-informacionnaya-sistema-v-biznes-reinzhiniringe.html
  • desk.bystrickaya.ru/polozhenie-o-provedenii-pervogo-otkritogo-respublikanskogo-festivalya-konkursa.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/rasskazi-scenki-nabroski-stranica-36.html
  • abstract.bystrickaya.ru/2-cel-i-zadachi-podprogrammi-pasport-programmi-naimenovanie-programmi-municipalnaya-dolgosrochnaya-celevaya-programma.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/prakticheskie-rekomendacii-sevastopolskaya-federaciya-sportsmenov-invalidov-s-poda-centr-zhenskie-alternativi-2006-g.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/zakon-chuvashskoj-respubliki-stranica-26.html
  • lecture.bystrickaya.ru/advokatura-ukraini-chast-3.html
  • essay.bystrickaya.ru/dokladi-zaslushannie-na-plenarnom-zasedanii-stranica-4.html
  • lesson.bystrickaya.ru/sravnitelnij-analiz-opredeleniya-ekonomicheskoj-effektivnosti-investicionnih-proektov-po-raznim-metodikam.html
  • assessments.bystrickaya.ru/chast-xii-porcha-kancelyarskaya-oruzhie-slovo-kotlyachkov-a-gorin-s-k63-oruzhie-slovo-oborona-i-napadenie-s-pomoshyu.html
  • desk.bystrickaya.ru/otchet-o-rezultatah-samoobsledovaniya-gosudarstvennogo-byudzhetnogo-obrazovatelnogo-stranica-12.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/kontrolnaya-rabota-po-teme-evropa-posle-napoleonovskih-vojn-do-konca-xix-veka.html
  • lecture.bystrickaya.ru/antonina-eto-sovsem-ne-vpechatlyaet-german-pesa-dlya-chteniya-i-teatra-komediya-v-5-dejstviyah-dejstvuyushie-lica.html
  • control.bystrickaya.ru/edinorossi-naehali-na-miliciyu-po-vsem-pravilam-gosduma-rf-monitoring-smi-4-aprelya-2007-g.html
  • thescience.bystrickaya.ru/iii-mesto-predmeta-russkij-yazik-v-uchebnom-plane-programma-russkij-yazik-dlya-chetiryohletnej-nachalnoj-shkoli.html
  • write.bystrickaya.ru/federalnoe-agentstvo-po-ribolovstvu-stranica-5.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.