Портативный спектрофотометрический анализатор для аналитического контроля качества природной и питьевой воды
.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
  • zadachi.bystrickaya.ru/patogenez.html
  • doklad.bystrickaya.ru/veniamin-kaverin-pered-zerkalom-roman-stranica-5.html
  • pisat.bystrickaya.ru/svedeniya-o-studentah-nahodyashihsya-na-socialnom-obespechenii-otchet-o-rabote-medicinskogo-kolledzha-2-po-itogam.html
  • znanie.bystrickaya.ru/4-politicheskoe-flesh-mob-dvizhenie-programmi-obucheniya-repressirovannih-36-11-iniciativi-v-sfere-molodezhnoj-politiki.html
  • control.bystrickaya.ru/brak-po-semejnomu-pravu-poryadok-i-usloviya-zaklyucheniya-i-prekrasheniya-braka-chast-2.html
  • turn.bystrickaya.ru/poluchit-vsyo-ot-zhizni-7-glava-chudo-golodaniya-9.html
  • essay.bystrickaya.ru/bozhij-proekt-schastlivoj-semi-lester-samral-vstuplenie-stranica-8.html
  • institut.bystrickaya.ru/tablica-59-sostav-i-dvizhenie-debitorskoj-zadolzhennosti-metodicheskie-ukazaniya-k-vipolneniyu-kursovih-rabot-dlya.html
  • education.bystrickaya.ru/231-vsemirnie-tendencii-urbanizacii-kurs-lekcij-dlya-studentov-1-kursa-vseh-form-obucheniya-specialnostej-030504.html
  • desk.bystrickaya.ru/pervoe-sobornoe-poslanie-apostola-ioanna-bogoslova-sobornie-poslanie.html
  • university.bystrickaya.ru/glava-9-den-braun-angeli-i-demoni.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/raspisanie-zanyatij-gruppi-im-21.html
  • uchit.bystrickaya.ru/uchebnij-proekt-organizaciya-nauchnogo-obshestva-uchashihsya-yunij-issledovatel-soderzhanie.html
  • control.bystrickaya.ru/doklad-o-rabote-dou-detskij-sad-segodnya.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/zakon-o-byudzhete-voronezhskoj-oblasti-na-2010-god-napravlen-na-nulevoe-chtenie.html
  • crib.bystrickaya.ru/instrukciya-po-topograficheskoj-semke-v-masshtabah-1-5000-1-2000-1-1000-i-1-500.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/programmi-mordovskomu-respublikanskomu-fondu-obyazatelnogo-medicinskogo-strahovaniya-obespechit-finansirovanie-okazaniya-medicinskoj-pomoshi-v-obemah-sredstv-predusmotrennih-programmoj.html
  • essay.bystrickaya.ru/buhgalterskij-uchet-i-audit-ch2-232-103-voprosa-90-rublej-ishite-testi-ne-tolko-po-nazvaniyam-no-i-po-soderzhaniyu.html
  • lesson.bystrickaya.ru/nformacjn-sistemi-v-ekonomc.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/programma-vstupitelnogo-ispitaniya-po-predmetu-informatika-i-informacionno-kommunikacionnie-tehnologii.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/programma-i-pravila-provedeniya-dopolnitelnogo-profilnogo-ekzamena-anglijskij-yazik.html
  • doklad.bystrickaya.ru/vladimir-bogolyubovo-gorohovec-cheboksari-raifa-kazan-nizhnij-novgorod-suzdal.html
  • universitet.bystrickaya.ru/syuzheti-vtorogo-etapa-zhenskoj-samorealizacii-tak-chto-zhe-takoe-skazkoterapiya-pervoe-chto-prihodit-v-golovu-terapiya.html
  • letter.bystrickaya.ru/normativnie-urovni-veroyatnosti-proyavleniya-otdelnih-vidov-riska-ip-uchebno-metodicheskij-kompleks-disciplini-opd.html
  • zanyatie.bystrickaya.ru/motostrelkovij-tankovij-batalon-i-artillerijskij-divizion-chast-4.html
  • institute.bystrickaya.ru/fakti-narusheniya-ssha-svoih-obyazatelstv-v-sfere-nerasprostraneniya-oruzhiya-massovogo-porazheniya-i-kontrolya-nad-vooruzheniyami.html
  • report.bystrickaya.ru/ii-sistema-upravleniya-obrazovatelnim-uchrezhdeniem-otchet-o-rezultatah-samoobsledovaniya-deyatelnosti-tehnikuma-na-01-09-2011-g.html
  • teacher.bystrickaya.ru/glava-10-a-a-a-vot-ti-gde-rodimij-zasekla.html
  • writing.bystrickaya.ru/gosduma-prinyala-obrashenie-k-predsedatelyu-pravitelstva-rf-mihailu-fradkovu-s-prosboj-uskorit-zaklyuchenie-s-estoniej-soglasheniya-o-statuse-voinskih-zahoronenij.html
  • letter.bystrickaya.ru/mezhdunarodnaya-programma-konvencii-sites-po-kontrolyu-peremeshenij-i-torgovli-obektami-dikoj-flori-i-fauni-traffic-international-sibirskoe-tamozhennoe-upravlenie.html
  • grade.bystrickaya.ru/nazvanie-temi-i-ee-soderzhanie.html
  • kolledzh.bystrickaya.ru/analiz-uchebnoj-deyatelnosti-po-predmetam-gumanitarnogo-cikla-krasnogvardejskoj-specshkoli-internata-vi-vida-za-2011-2012-uchebnij-god.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/razdel-iii-prevoshodstvo-papskoj-vlasti-predislovie.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/programma-disciplini-fiziologiya-centralnoj-nervnoj-sistemi-dlya-napravleniya-521000-psihologiya-podgotovki-bakalavra.html
  • spur.bystrickaya.ru/metodicheskie-rekomendacii-po-izucheniyu-disciplini-i-vipolneniyu-domashnej-kontrolnoj-raboti-dlya-uchashihsya-zaochnikov-po-specialnosti.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.