Мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред

Изобретение относится к области аналитической химии. Устройство содержит набор селективных чувствительных элементов и преобразователь аналитического сигнала отклика чувствительных элементов. Селективные чувствительные элементы представляют собой тест-формы на основе селективных хромогенных аналитических реагентов, нанесенных на твердый носитель, помещенные в картридж. Для преобразования аналитического сигнала отклика использован портативный сканирующий модуль, управляемый персональным компьютером. Количество селективных чувствительных элементов в устройстве зависит от числа анализируемых компонентов. Технический результат - возможность одновременного определения концентрации различных веществ в многокомпонентной водной среде. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для создания быстродействующих переносных портативных приборов для обнаружения и идентификации химических веществ в водной среде.

Потребность в таких приборах в настоящее время чрезвычайно возросла, в особенности для проведения экологического и токсикологического контроля и мониторинга.

В последние годы широкое распространение получили компактные приборы для контроля различных технологических процессов и окружающей среды на основе химических сенсоров, отличающихся высоким быстродействием, чувствительностью и специфичностью. Наиболее широко в таких сенсорах применяются металлоксидные датчики, проводящие полимеры, пьезокристаллические и оптоэлектронные датчики, каталитические транзисторы, принципы функционирования которых основаны на измерении: проводимости, приращения массы, измерения емкостных зарядов, оптических параметров и т.п. Такие сенсоры позволяют определять большое количество химических веществ в окружающей среде и практически весь спектр приоритетных токсикантов.

Принципиальными задачами, стоящими перед разработчиками сенсорных устройств, являются увеличение их чувствительности и селективности по отношению к отдельным веществам.

Следует подчеркнуть, что сенсорные устройства, предназначенные для анализа воздушной и водной сред, значительно различаются по физико-химическим принципам, лежащим в их основе.

Наиболее распространенным и эффективным типом сенсоров для водных растворов являются электрохимические сенсоры, основанные на потенциометрических методах анализа. В настоящее время хорошо известны разработки по созданию мультисенсорной системы с использованием массива химических сенсоров (ионселективных электродов) и искусственных нейронных сетей для количественного анализа многокомпонентных водных растворов (Ю.Г.Власов, А.В.Легин, A.M.Рудницкая, К.Ди Натале, А.Д.'Амико, Мультисенсорная система с использованием массива химических сенсоров ("электронный язык") и искусственных нейронных сетей для количественного анализа многокомпонентных водных растворов. Журнал прикладной химии, 1996, Т.69, Вып.6, с.958-964). Однако такой метод имеет определенные недостатки. Упомянутые электроды в полном смысле слова нельзя назвать высокоселективными, поскольку все виды ионов дают свой вклад в электропроводность и электрический потенциал. В этой связи именно из-за наличия перекрестной чувствительности сенсорной системы возникла потребность подвергнуть экспериментальные данные (потенциалы электродов) современной математической обработке (метод нейронных сетей) с целью получения более достоверных величин концентраций ионов.

Данный известный метод не может быть применен для обнаружения и идентификации заранее указанного вещества, в особенности органической природы, находящегося в непредсказуемой среде неизвестного состава, без предварительной калибровки всего раствора. Другими словами, наличие перекрестной чувствительности (слабая селективность) делает весьма затруднительной или даже невозможной идентификацию и измерение концентрации проблемного вещества в любой априорно неизвестной среде.

Известен способ для обнаружения химических веществ в водной среде с помощью измерения остаточной магнитной индукции (RU 2175136, G01N 33/543, G01N 33/532, 20.10.2001). В данном способе производится количественный анализ химических веществ в жидкой фазе с помощью измерения остаточной магнитной индукции связывания с использованием соединений, пригодных для этого. При этом сначала маркируют вещества, имеющие специфическую структуру, ферримагнитными или ферромагнитными веществами, а затем эти магнитно-маркированные вещества со специфической структурой добавляют к измеряемой пробе, измеряемую пробу намагничивают с помощью прикладываемого снаружи магнитного поля и после отключения внешнего поля измеряют остаточную магнитную индукцию намагничивания с помощью сенсоров магнитного поля, при этом измеряют остаточную магнитную индукцию, возникающую вследствие специфического связывания.

Недостатками этого метода является необходимость предварительной маркировки веществ со специфической структурой ферри- или ферромагнитными метками, что усложняет и без того трудоемкую процедуру измерений.

В патенте RU 2263904, G01N 27/00, 10.11.2005 описывается сенсор на антиоксиданты, представляющий собой устройство одноразового действия для детектирования присутствия или отсутствия в водном образце окислительно-восстановительного реакционноспособного анализируемого вещества. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку, имеющую сенсорную камеру, первый электрод, второй электрод, отверстие для введения образца в сенсорную камеру и реагент, содержащийся внутри сенсорной камеры. Электрохимическая ячейка сконструирована заменяемой после использования в одном отдельно взятом эксперименте. При этом реагент способен подвергаться окислительно-восстановительной реакции непосредственно с анализируемым веществом с генерацией электрического сигнала, указывающего на присутствие или отсутствие анализируемого вещества.

Очевидным недостатком устройства является принципиальная невозможность создания на его основе мультисенсорной системы для анализа многокомпонентного водного раствора. Кроме того, на основе таких датчиков невозможно сконструировать малогабаритное сенсорное устройство.

Известны флюоресцентные сенсоры для анализа многокомпонентных водных сред на основе многоканальных структур. В патенте US 6023540, МКИ G02B 6/26, НКИ 385/12, 08.02.2000 описан сенсор, полученный путем спекания пучка из большого числа оптиковолоконных нитей, каждая из которых состоит из двух коаксиальных слоев. Внутренний слой каждой нити вытравлен на небольшую глубину, куда помещают микрогранулы твердого сорбента. В патенте RU 2252411, G01N 21/64, G01N 23/223, 20.05.2005 многоканальная структура флюоресцентного сенсора представляет собой отрезок поликапиллярной трубки со сквозными капиллярами, образующими микроканалы, которые заполнены двумя слоями несмешивающихся веществ. Один слой образован водой или водным раствором, а другой - органическим веществом. В водный слой в микроканалы помещены микрогранулы сорбента. В этом устройстве микрогранулы сорбента выполняют роль концентратора анализируемых веществ. Концентрация анализируемых веществ определяется с помощью рентгено-флюоресцентного или люминисцентного спектральных методов, выполняющих в данном случае роль трасдьюсера (преобразователя) первичного сигнала чувствительного элемента. В данной мультисенсорной системе капилляры с наполнителем играют роль чувствительных элементов. Характерные времена анализа водных растворов с помощью этой системы составляют десятки-сотни минут, что позволяет определять очень низкие концентрации аналитов, недоступные при прямом аналитическом контроле методом рентгеновской флюоресценции.

Основными недостатками многоканальных флюоресцентных сенсоров являются сложная технология их изготовления и необходимость использования громоздких и дорогих приборов типа люминисцентного спектрального анализатора или рентгенофлюоресцентного анализатора, выполняющих роль трансдьюсеров (преобразователей) первичных сигналов концентрационно чувствительных элементов. Недостатком является также длительное время проведения анализа (десятки-сотни минут). Кроме того, процедура проведения измерений является довольно сложной и требующей специальных навыков и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных или газовых сред, представлящее собой матричную пьезосорбционную ячейку детектирования, описанное в патенте RU 2212657, G01N 27/12, 20.09.2003 (прототип). Пьезосорбционная ячейка детектирования состоит из корпуса с двумя патрубками (один для ввода жидкой анализируемой пробы, другой - для газообразной, если один из патрубков не эксплуатируется, он закрывается герметичной заглушкой), внутри которого (на крышке корпуса) расположен набор из шести пьезосенсоров с чувствительными селективными пленочными покрытиями сорбционного типа, и устройств для возбуждения колебаний и для регистрации и преобразования аналитического сигнала откликов пьезосенсоров. К крышке корпуса детектора подсоединена микросхема для управления генерацией колебаний и фиксирования первичных сигналов отклика чувствительных элементов, которые передаются в компьютер и обсчитываются по определенному алгоритму. Ввод анализируемой пробы осуществляется в статических условиях.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность и высокая стоимость изготовления селективных концентрационно чувствительных элементов, размещенных в пьезосорбционной ячейке, а также их ограниченное количество (шесть сенсоров). Кроме того, подготовка системы к повторным измерениям путем регенерации сорбционных пленок на пьезодатчиках, например, промывкой чистой водой, если она возможна, занимает слишком много времени. Замена пьезосенсоров на новые приводит к значительному удорожанию анализа. Кроме того, процедура проведения измерений и принятия решения является довольно сложной и требует специальных навыков и высокой квалификации операторов.

Задачей изобретения является разработка такого высокоселективного мультисенсорного устройства для анализа многокомпонентных водных сред, которое обеспечит достижение технического результата, заключающегося в упрощении и удешевлении технологии изготовления мультисенсорного устройства, в практически неограниченном увеличении числа анализируемых компонентов в водных растворах и в упрощении процедуры проведения измерений, не требующей специальных навыков и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым мультисенсорным устройством для анализа многокомпонентных водных сред, содержащим набор селективных чувствительных элементов и преобразователь аналитического сигнала отклика чувствительных элементов, в котором селективные чувствительные элементы представляют собой тест-формы на основе селективных хромогенных аналитических реагентов, помещенные в картридж, выполненный с возможностью экспонирования в анализируемой водной среде, и число тест-форм в картридже совпадает с количеством веществ, определяемых в многокомпонентной водной среде.

Селективный хромогенный аналитический реагент в тест-форме может быть нанесен на твердый носитель, который может быть выполнен на основе нетканого материала, бумаги или ткани.

В качестве преобразователя аналитического сигнала отклика чувствительных элементов может быть использован портативный сканирующий модуль, управляемый персональным компьютером.

Тест-формы, содержащие селективные хромогенные аналитические реагенты, компонуются в картридж, причем число тест-форм в картридже совпадает с количеством веществ (аналитов), определяемых в многокомпонентной водной среде. Каждая тест-форма строго соответствует определенному аналиту. Картридж для тест-форм изготовлен из полупроницаемой в водной среде полимерной пленки. Картридж с тест-формами предназначен для однократного использования. Отметим, что процедура изготовления хромогенных тест-форм, сводящаяся к пропитке твердых носителей растворами хромогенных аналитических реагентов и дальнейшей просушке, может быть легко и быстро выполнена в обычной химической лаборатории персоналом невысокой квалификации.

В таблице для примера показаны некоторые из хромогенных аналитических реагентов в сопоставлении с соответствующими им стандартными приоритетными загрязнителями водных сред списка РД 52.04.253-90 аварийно химически опасных веществ (АХОВ), утвержденного Росгидрометом.

Таблица.
№	Анализируемое вещество (ион)	Хромогенные аналитические реагенты
1	Алюминий	Эриохромцианин Р или хромазурол С
2	Аммоний	Реактив Несслера или салициловая к-та+хлорамин Б
3	Бензпирен	Собственная люминесценция
4	Железо	о-фенантролин или трипиридилтриазин
5	Медь	Купризон или диэтилдитиокарбамат цинка
6	Мышьяк	Соли тетразолия
7	Нефтепродукты	Формазаны
8	Нитраты	Восстановители на основе цинковой пыли. Реагенты на основе хромотроповой кислоты или N,N-диэтил1-аминонафталина
9	Нитриты	Реагенты на основе хромотроповой кислоты или N,N-диэтил1-аминонафталина
10	АПАВ*	Основный краситель
11	КПАВ**	Кислотный трифенилметановый краситель
12	Свинец	Арсазен, ПАН
13	Сульфаты	Комплексы бария с азокрасителями(бериллон (II) и аналоги)
14	Фосфаты	Молибдаты органических оснований
15	Хлориды	Комплексы ртути с хромогенными реагентами
16	Фенолы	4-аминоантипирин в присутствии окислителя
17	Фториды	Комплексы циркония и галлоцианина или азокрасителя
18	Сульфиды	N.N-диэтилпарадиметиланилин
19	Хроматы	Дифенилкарбазид
20	Цинк	Азокрасители (ПАР, сульфарсазен)
* АПАВ - анионное поверхностно-активное вещество.
** КПАВ - катионное поверхностно-активное вещество.

Предлагаемое мультисенсорное устройство состоит (см. чертеж) из хромогенных тест-форм (1), помещенных в картридж (2), портативного сканера (4) и персонального компьютера (5).

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Картридж (2) заправляется заранее подготовленными хромогенными тест-формами (1), подобранными для набора химических веществ, обнаружение и измерение концентраций которых в водной среде предполагается. Картридж с тест-формами экспонируется в анализируемой водной среде, а затем для измерения изменения цветометрических характеристик (3) тест-форм он помещается на стекло планшетного столика сканера (4). В случае необходимости на стекло планшетного столика помещается эталонная цветовая шкала, параметры которой также могут быть заранее введены в память компьютера. В сканере происходит первичное преобразование цветовой информации, после чего данные передаются в компьютер (ноутбук) (5). При помощи компьютера осуществляется управление работой сканирующего модуля, считывание из него информации, ее математическая обработка и вывод на дисплей, принтер (6) или носители информации (7) в виде конечных результатов анализа. Длительность анализа не превышает нескольких минут.

Таким образом, предлагаемое мультисенсорное устройство является высокоселективным - позволяет одновременно определять с высокой точностью концентрации большого числа различных веществ в многокомпонентной водной среде, отличается простотой и низкой стоимостью его изготовления, простотой и легкостью процедуры анализа, не требующей специальных навыков и высокой квалификации обслуживающего персонала. Длительность анализа не превышает нескольких минут. Количество селективных чувствительных элементов в устройстве с учетом их легкой заменяемости и низкой стоимости не ограничено и зависит лишь от числа анализируемых компонентов.

1. Мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред, содержащее набор селективных чувствительных элементов и преобразователь аналитического сигнала отклика чувствительных элементов, отличающееся тем, что селективные чувствительные элементы представляют собой тест-формы на основе селективных хромогенных аналитических реагентов, помещенные в картридж, выполненный с возможностью экспонирования в анализируемой водной среде, и число тест-форм в картридже совпадает с количеством веществ, определяемых в многокомпонентной водной среде.

2. Мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред по п.1, отличающееся тем, что селективный хромогенный аналитический реагент в тест-форме нанесен на твердый носитель.

3. Мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред по п.2, отличающееся тем, что твердый носитель в тест-форме выполнен на основе нетканого материала, бумаги или ткани.

4. Мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в качестве преобразователя аналитического сигнала отклика чувствительных элементов использован портативный сканирующий модуль, управляемый персональным компьютером.