Способ фотометрического определения количества анализируемого вещества с использованием видеоизмерительного комплекса

 

Изобретение относится к аналитической химии, а именно обнаружению и количественному фотометрическому определению вещества в исследуемых пробах по аналитическому эффекту реакции с колориметрическим окончанием с использованием видеоизмерительного комплекса. Способ осуществляется путем преобразования аналогового сигнала цветного видеоизображения пробы в цифровой сигнал с последующей его обработкой на ЭВМ по параметрам международной колориметрической системы RGB. Используемый видеоизмерительный комплекс позволяет количественно определить исследуемое вещество в диапазоне максимума поглощения путем сравнения параметра RGB анализируемой пробы с параметрами RGB граудировочных стандартов, что приводит к повышению чувствительности за счет снижения локальности поперечной до 2,0-5,0 мм и продольной до 0,1-1,0 мм и улучшению основных метрологических характеристик фотометрического способа анализа определяемого вещества. 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к фотометрическому определению количества анализируемого вещества по аналитическому эффекту реакции с колориметрическим окончанием с использованием видеоизмерительного комплекса. Данный способ может быть использован в системе войсковой и промышленной индикации, на объектах по уничтожению химического оружия, а также при проведении экологического мониторинга различных объектов окружающей среды.

Для обнаружения и количественного определения физиологически активных веществ в исследуемых пробах могут быть использованы различные инструментальные и химические методы анализа. Однако наибольшее практическое применение получили химические методы, основанные на аналитическом эффекте, получаемом от взаимодействия определяемого вещества с цветореагентами. Интенсивность окраски продуктов реакции линейно связана по оптическому закону Бугера-Ламберта-Бэра с содержанием определяемого вещества в анализируемой пробе. К настоящему времени в практике химического контроля известны различные способы обнаружения, идентификации и количественного определения исследуемых веществ, с использованием различных средств регистрации аналитического эффекта. Разработанные способы отличаются по технологии анализа, аналитическому принципу и имеют различные метрологические характеристики (чувствительность определения, точность, воспроизводимость, технологичность и др. ). Важно также отметить, что современным аналитическим задачам характерна ярко выраженная тенденция к скоротечному снижению требуемых пределов обнаружения микро- и макрокомпонентов, особенно при количественном определении супертоксикантов. В подобных аналитических задачах требуемые пределы обнаружения достигают значений на уровне пикограмм в литре или в килограмме анализируемой пробы, что нередко находится за принципиальными возможностями таких инструментальных методов, как хромато-масс-спектрометрия, электротермическая атомно-абсорбционная спектрометрия и т.д. В соответствии с этим перед аналитиками встает задача по поиску новых гармоничных комбинаций известных методов, приводящих к качественно большим аналитическим возможностям, чем аддитивная сумма аналитических возможностей каждого из методов.

Практика химического контроля показала, что фотометрические методы анализа располагают широкими аналитическими и техническими возможностями. В данных методах количество вещества определяется по интенсивности окраски или светопоглощению окрашенных соединений, полученных в ходе химических реакций. Интенсивность окраски растворов этих соединений зависит от их свойств и от состава среды. Регистрация аналитического эффекта может осуществляться визуально, по постоянным стандартам (эталонам), а также посредством приборов (колориметры, фотоколориметры, фотометры, спектрофотометры [1. Булатов М.И. и др. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. - М.: Химия, 1975]. В настоящем описании приведены основные широко используемые в практике химического контроля способы индикации, обнаружения и количественного определения веществ, основанные на цветовом аналитическом эффекте используемого соединения при взаимодействии со цветореагентами.

Существуют колориметрические способы обнаружения и количественного определения веществ, основанные на визуальном сравнении интенсивностей окраски стандарта (эталона) и анализируемой пробы [1. Е.А.Перегуд и др. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. - М.: Госхимиздат, 1962. 2. М.И. Булатов и др. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. - Л.: Химия, 1976. 3. Ф.Файгль. Капельный анализ органических веществ. - М.: Госхимиздат, 1962]. В качестве стандарта (эталона) используют интенсивность окраски известной концентрации определяемого вещества в диапазоне определяемых концентраций. Экспериментально установленная зависимость интенсивности окраски определенного стандарта от концентрации используется затем в виде градуировки при визуальном определении анализируемого вещества. Количественное определение вещества оценивается путем подбора (сравнения) окраски из общего набора эталонных картинок стандартных растворов. Однако данный метод в настоящее время малопригоден для достоверного определения малых концентраций вещества (1·10^-3 мг/мл и менее) из-за низкой точности воспроизводимости результатов определения.

Известен ряд фотометрических способов качественного и количественного определения веществ, основанных на аналитических реакциях с последующей регистрацией цветового эффекта (оптической плотности) с помощью колориметров или фотометров [1. М.И.Булатов и др. Практическое руководство. - Л.: Химия, 1976].

Измерения оптической плотности основаны на сравнении интенсивности световых потоков, прошедших через сравниваемые растворы. В дальнейшем, используя градуировочную зависимость интенсивности окраски от концентрации определяемого вещества, оценивается содержание вещества в исследуемой пробе. Однако колориметрические способы также не нашли широкого использования в войсковой и промышленной индикации в связи с ограниченными инструментальными и метрологическими возможностями используемых приборов.

Разработаны фотометрические способы обнаружения и количественного определения различных веществ с использованием фотоэлектрических колориметров и фотометров [1. Е.А.Перегуд и др. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. - М.: Госхимиздат, 1962. 2. М.И.Булатов и др. Практическое руководство. - Л. : Химия, 1976]. Интенсивность аналитического эффекта измеряется с помощью оптических приборов, применяемых для измерения степени поглощения (пропускания) полихроматического света с помощью фотоэлементов. Затем, используя градуировочную зависимость оптической плотности от концентрации, рассчитывают количественно содержание вещества в анализируемой пробе. Однако используемые в данном способе средства измерения также обладают ограниченными возможностями по определению малых концентраций вещества в пробах. Максимально возможная регистрация аналитического эффекта (оптической плотности) позволяет количественно определять содержание вещества в пробе на уровне 1x10^-4 мг/мл. При этом на пределе чувствительности способа погрешность анализа может составлять ± 20% и более, что является недостаточным для спектрофотометрических методов. Кроме того промеряемый данными приборами диапазон оптических плотностей составляет от 0,05 до 1,0, что ограничивает возможности массового анализа и требует дополнительных операций по концентрированию или разбавлению проб.

В настоящее время разработаны спектрофотометрические способы количественного определения веществ в различных пробах с использованием в качестве средств регистрации аналитических эффектов фотометрических спектрофотометров [1. М. И.Булатов и др. Практическое руководство. - Л.: Химия, 1976. 2. Е.А. Перегуб и др. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. - М.: Госхимиздат, 1976]. Регистрация аналитического эффекта снована на измерении поглощения (пропускания) монохроматического света, прошедшего через слой окрашенного исследуемого раствора. В настоящее время измерение оптической плотности окрашенных растворов осуществляется различными типами и модификациями оптических приборов. По своим техническим и метрологическим характеристикам данные приборы позволяют достоверно регистрировать значения оптических плотностей от 0,03 до 2,0, что соответствует, как правило, диапазону определяемых концентраций от 5·10^-4 до 5·10^-1 мг/мл. Величина суммарной погрешности для спектрофотометрических методик количественного определения анализируемого вещества составляет величину относительного стандартного отклонения S_r = 0,20. Кроме того погрешность анализа сильно зависит от условий проведения анализа и колебаний величин оптической плотности "холостой" пробы. 3начение величины "холостой" пробы на уровне D_хол. = 0,05 - 0,10 отрицательно сказывается на чувствительности определения вещества в растворах и затрудняет задачу оценки микроконцентраций анализируемых соединений в окружающей среде. В связи с этим вышеуказанные недостатки ограничивают развитие спектрофотометрических способов и их использование в практике войсковой и промышленной индикации.

В настоящее время развитие электроники и микропроцессорной техники открыло широкие возможности по повышению эффективности спектрофотометрических измерений. Одним из перспективных направлений является сочетание спектрофотометра с ЭВМ, что приводит к появлению по существу нового вида спектрального цветоизмерительного прибора - спектрофотометра, выдающего наряду со спектральными характеристиками отражения измеряемого образца и другие его колориметрические характеристики: координаты цвета и цветности в различных цветовых системах, степень отличия измеряемого цвета и цветности в различных цветовых системах, степень отличия измеряемого цвета от цвета образца сравнения и т.д.

К настоящему времени известен способ, позволяющий оценивать окраску поверхности по координатам цвета и цветности МКО для стандартных наблюдателей с помощью спектроколориметра [М.И.Кривошеев и др. Цветовые измерения. - М.: Энергоатомиздат, 1990]. Разработанный способ позволяет измерять наряду со спектральными характеристиками отражения исследуемого образца и другие его колориметрические величины: координаты цвета и цветности в различных цветовых системах, степень отличия измеряемого цвета от цвета образца сравнения. Важно отметить, что используемые приборы для регистрации характеристики цветности исследуемых образцов широко применяются в настоящее время как анализаторы цвета телевизионных изображений.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности (предела обнаружения), точности, воспроизводимости, универсальности, расширение диапазона определяемых концентраций, уменьшение величины аналитического фона и упрощение способа фотометрического количественного определения анализируемого вещества с использованием видеоизмерительного комплекса и локального анализа.

Это достигается тем, что фотометрическое определение количества анализируемого вещества проводится в микрообъеме по аналитическому эффекту реакции с колориметрическим окончанием и основано на измерении окраски (интенсивность окраски, оптическая плотность) путем преобразования аналогового сигнала цветного видеоизображения пробы в цифровой сигнал с последующей его обработкой на ЭВМ по параметрам международной колориметрической системы RGB.

Отличие данного изобретения от способа-прототипа состоит в том, что используемый видеоизмерительный комплекс позволяет количественно оценивать исследуемое вещество в микрообъеме, в диапазоне максимума поглощения, путем сравнения параметра RGB анализируемой пробы с параметрами RGB градуировочных стандартов, что приводит к повышению чувствительности за счет снижения локальности поперечной до 2,0 - 5,0 мм продольной до 0,1 - 1,0 мм и улучшению основных метрологических характеристик фотометрического способа анализа определяемого вещества.

Пример фотометрического количественного определения вещества (на примере ацетонциангидрина) с использованием видеоизмерительного комплекса.

1. Используемые реактивы и растворы Раствор N 1 - 2% ацетоновый раствор о-толидина.

Раствор N 2 - смесь 30% перекиси водорода с 0,1 N раствором натриевой (калиевой) щелочи в объемном соотношении 1:1.

Растворитель - этиловый (метиловый) спирт.

2. Приготовление стандартных растворов.

Для приготовления стандартных растворов навеску ацетонциангидрина растворяют в этиловом спирте и получают серию стандартов с концентрациями 1,0·10^-1, 5·10^-2, 2·10^-2, 1·10^-2, 5·10^-3, 2·10^-3, 5·10^-3, 5·10^-4, 2·10^-4, 5·10^-5, 2·10^-5, 5·10^-6 мг/мл. Затем стандартные растворы анализируют по 3-4 параллельным опытам на спектрофотометре типа SPECTPO N IC 710 (фирмы BAUSCH and LOMB) для получения зависимости оптической плотности (D) от концентрации (С) анализируемого стандарта. По результатам измерений строят график зависимости D = f(C) Одновременно с помощью видеоизмерительного комплекса (блок-схемы представлены на фиг. 1 и 2) снимают цветовые характеристики анализируемых растворов по параметрам международной колориметрической системы RGB. Значения RGB градуировочных стандартов и "холостой" пробы заносят в память ЭВМ с целью последующего достоверного определения количества анализируемого вещества. Достижение необходимого предела обнаружения вещества в исследуемой пробе осуществляется подбором размеров локальности поперечной и продольной, с сохранением точностных характеристик предлагаемого способа измерения.

3. Ход фотометрического анализа.

К 5 мкл экстракта определяемого вещества добавляют последовательно 0,1 мкл раствора N 1 и 0,1 мкл раствора N 2. Затем содержимое пробы выдерживают в течение 3 часов для последующего сканирования окрашенных продуктов реакции с помощью видеокамеры. Фотометрирование окрашенных растворов проводят в проходящем и в отраженном свете.

Блок-схемы проведения фотометрирования приведены на чертеже, где на фиг. 1 показана блок-схема для измерений в проходящем свете, а на фиг. 2 - в отраженном.

Блок-схема состоит из источника 1 подсветки, кюветы 2 с фотометрируемой пробой, дифракционной решетки 3, видеокамеры 4 и ЭВМ 5.

Цветное видеоизображение пробы переводится путем преобразования аналогового сигнала с видеокамеры в цифровой сигнал для последующей обработки по параметрам RGB на ЭВМ. Полученные значения сравниваются со значениями RGB градуировочных стандартов и по ним определяется количество вещества в анализируемой пробе. Результаты определений на примере окрашенных стандартных растворов приведены в табл. 1 (см. в конце описания).

Из данных, приведенных в табл.1, можно сделать вывод о том, что существует зависимость между параметрами RGB (оптической плотностью) и концентрацией определяемого вещества в исследуемых растворах. Данную зависимость можно использовать для количественной оценки определяемого вещества в анализируемом растворе. Переход к локальному анализу позволяет повысить чувствительность количественного определения анализируемого вещества. Основные метрологические и эксплуатационно-технические характеристики предлагаемого способа приведены в табл. 1 - 3.

При необходимости установления максимума поглощения исследуемого раствора используется спектрофотометрический способ.

Расчет концентрации определяемого вещества в исследуемой пробе проводится по формуле C = C₀ · P · U, где С₀ - количество вещества, найденное по градуировочному графику D = f(C), мг/мл; P - кратность разбавления; U - объем анализируемой пробы, мл.

Предлагаемый способ прошел всестороннюю лабораторную проверку, которая показала пригодность данного способа для целей химического контроля по количественному определению различных веществ. Правильность метода оценивали по способу "введено-найдено".

Экспериментальные данные по оценке правильности предлагаемого способа приведены в табл. 2 (см. в конце описания) применительно к количественному определению ацетонциангидрина.

Данные, приведенные в табл.2, показывают высокую сходимость результатов определения ацетонциангидрина в диапазоне реальных полевых (производственных) концентраций заявляемым способом по сравнению с существующим методом количественного определения данного вещества.

В табл. 3 приведены данные по сравнительной оценке заявляемого способа и способа-прототипа (см. в конце описания).

Из табл.3 следует, что использование заявляемого способа по сравнению с существующим обеспечивает следующие преимущества: повышает чувствительность определения (нижний предел обнаружения) и обеспечивает расчет минимально-допустимой концентрации вредных веществ в производственных и полевых условиях; уменьшает величину аналитического фона и расширяет диапазон определяемых концентраций; повышает точность и воспроизводимость результатов количественного определения, что увеличивает надежность и объективность определения физиологически активных веществ в исследуемых пробах; упрощает технологию массового анализа и повышает производительность в 2-3 раза;
предлагаемый способ позволяет оценивать глубину распространения опасных микроконцентраций вредных веществ в производственных и полевых условиях при возможных аварийных ситуациях, а также решать различные задачи при уничтожении химического оружия и проведении экологической экспертизы различных объектов;
повышает универсальность и оперативность получения, сохранения и передачи экспериментальных материалов по анализу исследуемых проб с использованием современного телевизионного и электронно-вычислительного оборудования.

Формула изобретения

Способ фотометрического определения количества анализируемого вещества, основанный на измерении прошедшего исследуемый образец излучения и преобразовании полученного аналогового сигнала приемного элемента в цифровой сигнал с последующей его обработкой на ЭВМ, отличающийся тем, что в качестве приемного элемента для получения аналогового сигнала при измерении цвета используют видеокамеру и измерение интенсивности окраски осуществляют путем преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал с последующей его обработкой на ЭВМ по параметрам RGB, а количество исследуемого вещества определяют путем сравнения параметров RGB анализируемой пробы с параметрами RGB градуировочных стандартов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9