Способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах

Изобретение относится к области аналитической химии и может найти применение в промышленности для контроля выхода нанообъектов при их производстве. Способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах по изменению электропроводности включает следующие операции: размещают сложный раствор в кондуктометрической ячейке, пропускают через него ток от источника питания, при постоянном контроле электропроводности сложного раствора производят его разбавление дистиллированной водой, строят график изменения электропроводности во времени при разбавлении сложного раствора или с применением в цепи с кондуктометрической ячейкой генератора-усилителя автоколебаний, с предварительно настроенной спектрально-частотной характеристикой с использованием раствора, содержащего известный нанообъект, на автоколебание, вызываемое присутствием этого нанообъекта в сложном растворе, затем воздействуют на исследуемый сложный раствор этим предварительно настроенным генератором-усилителем, по возникновению резонансной электропроводности обнаруживают присутствие искомого нанообъекта в сложном растворе, при этом дополнительно измеряют температуру сложного раствора в кондуктометрической ячейке, а концентрацию нанообъектов определяют по величине резонансного максимума по графику градуировочной зависимости величины электропроводности от температуры и количества нанообъектов. Изобретение обеспечивает высокую достоверность и чувствительность при контроле нанообъектов в сложном растворе. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии и может найти применение в промышленности для контроля выхода нанообъектов при их производстве.

Известен способ [Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. Учеб. пособие для ун-тов. М.: «Высш. школа», 1975. 295 с.] аналитической кондуктометрии для определения одного компонента в многокомпонентном растворе по изменению его электропроводности.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности контролировать нанообъекты при работе с многокомпонентными растворами. Также данный способ не применим к обнаружению не растворяемых нанообъектов в сложных растворах.

Известен способ (№434300, G01N 27/02, РФ) анализа растворов электролитов по измерению различных физических и физико-химических свойств, заключающийся в том, что определение компонентов производят по температурам фазового перехода жидкость-пар и жидкость-твердое вещество.

Данный способ применим только к трехкомпонентным растворам. Данный способ не применим к обнаружению не растворяемых нанообъектов в сложных растворах.

Известен способ (№2122726, G01N 27/06, РФ) избирательного измерения концентрации слабо диссоциированного вещества в сложном растворе по электропроводности, заключающийся в том, что организуют саморегулируемые по частоте автоколебания на выходе генератора-усилителя высокочастотного кондуктометра, его положительных и отрицательных обратных связей через раствор, причем так, что расстояние между электродами положительной связи меньше, чем между электродами отрицательной связи. Для определения вещества используют эффект Дебая-Вина, заключающийся в свойстве вещества изменять удельную электропроводность среды в зависимости от частоты автоколебаний.

Данный способ применим только к определению концентрации известного растворимого вещества в сложном растворе. Причем концентрация вещества должна быть значительной.

Кроме того, недостатком данного способа также является невозможность обнаружения и определения концентрации не растворяемых нанообъектов в сложных растворах.

За прототип принят способ (№2327149, G01N 27/06, РФ) обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах, заключающийся в измерении электропроводности в цепи высокочастотного кондуктометра, который может включать в себя генератор-усилитель автоколебаний, настроенный на известный нанообъект. В процессе измерения, по возникновению резонансной электропроводности, обнаруживают присутствие искомого нанообъекта в сложном растворе, а по величине этого резонансного максимума определяют концентрацию искомого нанообъекта, используя градировочную зависимость электропроводности от количества нанообъекта. Так же способ реализуется и без использования генератора-усилителя автоколебаний. Размещают сложный раствор в кондуктометрической ячейке, пропускают через него ток от источника питания, при постоянном контроле электропроводности сложного раствора производят его разбавление дистиллированной водой, строят график изменения электропроводности во времени при разбавлении сложного раствора, по резонансному возрастанию электропроводности определяют присутствие нанообъекта в сложном растворе, а по величине резонансного максимума определяют концентрацию нанообъекта, используя градировочную зависимость электропроводности от количества нанообъекта.

Недостатком способа прототипа является недостаточно высокая точность определения концентрации нанообъектов, обусловленная тем, что не учитывается влияние температуры на электропроводностьи сложного раствора.

Техническая задача изобретения – повышение точности определения концентрации нанообъектов в сложных растворах.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах по изменению электропроводности, включающий следующие операции: размещают сложный раствор в кондуктометрической ячейке, пропускают через него ток от источника питания, при постоянном контроле электропроводности сложного раствора производят его разбавление дистиллированной водой, строят график изменения электропроводности во времени при разбавлении сложного раствора или с применением в цепи с кондуктометрической ячейкой генератора-усилителя автоколебаний, с предварительно настроенной спектрально-частотной характеристикой с использованием раствора содержащего известный нанообъек на автоколебания вызываемое присутствием этого нанообъекта в сложном растворе, затем воздействуют на исследуемый сложный раствор этим предварительно настроенным генератором-усилителем, по возникновению резонансной электропроводности обнаруживают присутствие искомого нанообъекта в сложном растворе. В процессе исследования измеряют температуру сложного раствора в кондуктометрической ячейке и определяют значение концентрации нанообъектов по градировочной зависимости электропроводности от количества нанообъектов и температуры.

Сущность способа заключается в следующем.

Берут исследуемую пробу, потенциально содержащую искомый нанообъект, и подготавливают ее для исследований в виде сложного раствора, состоящего из чистой (дистиллированной) воды и исследуемой пробы в пропорции, например, пятьдесят к одному соответственно. Исследуемая проба с искомым наноообъектом может быть в виде жидкости или твердого вещества и может включать в себя различные биологические объекты, химические элементы и их соединения.

В кондуктометрическую ячейку размещают сложный раствор, измеряют его температуру и пропускают через него от источника питания электрический ток заданного значения. Контролируют электропроводность сложного раствора. При постоянном измерении электропроводности сложного раствора производят его разбавление путем дозированного пропускания через ячейку дистиллированной воды и диспергирования. Контролируют момент резонансного возрастания электропроводности, по наступлению которого констатируют присутствие искомого нанообъекта в исследуемой пробе, а по величине резонансного максимума определяют концентрацию нанообъекта по градировочной зависимости величины электропроводности от температуры и количества нанообъекта.

Так же способ реализуется с использованием генератора-усилителя автоколебаний. Предварительно настраивают генератор-усилитель путем изменения его спектрально-частотной характеристики при взаимодействии с эталонным раствором, содержащим известный нанообъект. Подготовленный эталонный раствор представляет собой дистиллированную воду с известным нанообъектом.

Затем в сложном растворе кондуктометрической ячейки, подготовленный аналогично описанному выше, измеряют значение температуры и подают сигнал со спектрально-частотной характеристикой искомого нанообъекта от предварительно настроенного генератора-усилителя высокочастотного кондуктометра, при этом контролируют электропроводность сложного раствора. В случае резонансного увеличения электропроводности в сложном растворе констатируют наличие в исследуемой пробе искомого нанообъекта. По величине резонансного увеличения электропроводности определяют концентрацию нанообъекта, используя градировочную зависимость электропроводности от температуры количества нанообъекта.

Электропроводность сложного раствора можно рассматривать, как сумму электропроводностей чистой воды (H2O) и сложного раствора:

Рассмотрим электропроводность чистой воды.

Важной характеристикой, используемой в математических моделях, является ионное произведение воды (Kw) и его зависимость от температуры. Этим показателем определяются равновесные концентрации ионов гидроксония и гидроксила согласно уравнению химической реакции

или в упрощенном выражении - ионов водорода и гидроксила:

Равновесные концентрации ионов Н+ и ОН- (в форме активностей) связаны через ионное произведение воды:

Kw =aH+ aOH-.

Известны различные виды эмпирических зависимостей по определению значения Kw в зависимости от температуры.

По формуле Боусквита [Bousquet La Tribune du CEBEDEAV. - 1978. - № 410. - Р. 11-26.], ионное произведение воды определяется уравнением

pKw(T) = 484,51/T + 362500/T2 +8,29202 (1)

где T – температура воды, K

В книге Г. Харнеда и Б. Оуэна [Харнед Г., Оуэн Б. Физическая химия растворов электролитов. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1952] следующие зависимости:

lgKw(T) = - 5242,39/T + 35,3944 - 0,008530T – 11,8261 · lgT 2)

lgKw(T) = - 6013,79/T – 23,6521 · lgT + 64,7013 (3)

lgKw(T) = - 4470,99/T + 6,0875 – 0,01760 T (4)

В.Ф. Очков [Копылов А.С., Лавылин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. – М.: Изд-во МЭИ, 2003] в расчетах использует формулу

pKw(T) = 4780,13/T + 0,019559 T – 7,8560 (5)

Зависимость для широкого диапазона температур и давлений выглядит следующим образом [Мартынова О.И., Копылов А.С. Водно-химические режимы АЭС, системы их поддержания и контроля. – М.:Энергоатомиздат, 1983]:

lgKw(T) = (13,957 – 1262,3/T + 8,5641·105/T2)lg ρ –

- 4,098 – 3245,2/T + 23020/T2 – 3,984·107/T3 (6)

где ρ - плотность воды при температуре T, кг/дм3, которая может быть определена по эмпирической формуле [Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.1 / Ред. кол.: Кпунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1988.]

ρ(T) = 4360,3/T + 112,2181 lg(T) – 246,665 – 0,198729 T +

+ 1,75795·10-4T2 – 7,787·10-8T3 (7)

Зависимость (7) описывает справочные данные [Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.1 / Ред. кол.: Кпунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1988.] с максимальной ошибкой аппроксимации 0,27 %, средней - 0,08 %.

По формуле Хольцапфеля [Lalleland M., Vidal D. Variation of the polarizability of noble gases with density // J. Chem. Phys. - 1977. - Vol. 66. - №11. - Р. 4776-4780; Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. - М.: Высш. шк., 1990], в широком диапазоне температур и плотностей имеем

pKw(T, ρ) = -2(7,5 + (2ρ/ρo)) lg(ρ/ρo) – lg(Kw(T, ρo)), (8)

где ρo - плотность воды при стандартных условиях, кг/м3o = 1000 кг/м3).

Численное значение Kw при температуре 25 °С составляет 1,00·10-14 [5]. Анализ представленных зависимостей дает при этой температуре результаты с погрешностями: (1) - 1,6 %; (2)-(4) - 1,2 %; (5) - 1,9 %.

Расчетное уравнение удельной электропроводности к ее значению при температуре 25 °C для чистой воды имеет вид

График зависимости удельной электропроводности абсолютно чистой воды от температуры (диапазон от 0 до 50 °С) показан на фиг.1: 1 - расчетная зависимость; ■ - справочные данные [Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. -М.: Химия, 1971. - С. 105-107; Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке. - Наукова думка, 1980].

Расчетные и справочные данные показывают сильную зависимость электропроводность чистой воды (H2O) от температуры. Принято считать что, повышение температуры на 1°С приводит к увеличению электропроводности примерно на 2%.

В зависимости от природы добавок в сложном растворе, электропроводность может как увеличиваться так и уменьшаться при t°C – constant. При изменении температуры сложного раствора задача значительно усложняется.

Моделирование электропроводности сложного раствора от температуры, является трудно решаемой задачей и в практике для оценки электропроводности используются экспериментальные данные для каждого раствора.

Для проверки работоспособности способа обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложном растворе, проводили проба подготовку. Смешивали чистую воду с углеродным материалом в пропорции пятьдесят к одному и диспергировали в течение трех минут. Такая смесь представляет собой суспензию с твердофазными компонентами. Углеродный материал, состоящий из углеродных нанообъектов, аморфного углерода и катализатора, предварительно исследовали методом электронной микроскопии.

Кондуктометрические исследования проводили на установке (фиг.2), состоящей из источника постоянного тока 1, двух платиновых электродов 2, датчика температуры 3, проточной кондуктометрической ячейка с дозатором дистиллированной воды и диспергатором 4, микроамперметра 5.

Размещали подготовленный сложный раствор в кондуктометрическую ячейку, измеряли значение температуры, пропускали через него от источника питания ток, равный 500 мкА, и контролировали электропроводность сложного раствора. При постоянном измерении электропроводности сложного раствора производили его разбавление путем дозированного пропускания через ячейку дистиллированной воды и диспергирования. На основании полученных экспериментальных данных был построен графи к изменения электропроводности во времени при разбавлении сложного раствора (фиг.3). По резонансному возрастанию электропроводности констатировали присутствие нанообъекта в сложном растворе, а по величине резонансного максимума определяли концентрацию нанообъекта по графику зависимости величины электропроводности от температуры и количества нанообъекта (фиг. 4)

Предлагаемое техническое решение позволяет принципиально повысить точность результатов измерений по сравнению с известным способом.

Таким образом, разработанный способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах имеет ряд существенных преимуществ перед известными способами указанного назначения, что несомненно позволит использовать его в практике контроля нанообъектов при их производстве и также других отраслях хозяйства.

Способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах по изменению электропроводности, включающий следующие операции: размещают сложный раствор в кондуктометрической ячейке, пропускают через него ток от источника питания, при постоянном контроле электропроводности сложного раствора производят его разбавление дистиллированной водой, строят график изменения электропроводности во времени при разбавлении сложного раствора или с применением в цепи с кондуктометрической ячейкой генератора-усилителя автоколебаний, с предварительно настроенной спектрально-частотной характеристикой с использованием раствора, содержащего известный нанообъект, на автоколебания, вызываемые присутствием этого нанообъекта в сложном растворе, затем воздействуют на исследуемый сложный раствор этим предварительно настроенным генератором-усилителем, по возникновению резонансной электропроводности обнаруживают присутствие искомого нанообъекта в сложном растворе, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру сложного раствора в кондуктометрической ячейке, а концентрацию нанообъектов определяют по величине резонансного максимума по графику градуировочной зависимости величины электропроводности от температуры и количества нанообъектов.



 

Похожие патенты:

Использование: для определения концентрации анализируемого вещества в образце. Сущность изобретения заключается в том, что определяют эталонную концентрацию анализируемого вещества в эталонном образце посредством измерения анализируемого вещества, определяют концентрацию анализируемого вещества в исследуемом образце посредством измерения анализируемого вещества измерительным прибором, сравнивают значение концентрации анализируемого вещества в исследуемом образце с эталонным значением концентрации анализируемого вещества в эталонном образце, осуществляют оценку результата сравнения, значение эталонной концентрации анализируемого вещества вводят в программу для ЭВМ, обеспечивающую получение, хранение, регистрацию, обмен и обработку данных, осуществляют подготовку исследуемого образца посредством разведения водой заданного средства до заданной концентрации анализируемого вещества, исследуемый образец в заданном количестве размещают в емкости с возможностью его контакта с измерительным прибором, снабженным программой для ЭВМ, измерительным прибором осуществляют измерение количества анионов и катионов по меньшей мере одного анализируемого вещества в исследуемом образце, результат измерений в виде числовых значений катионов и анионов анализируемого вещества вводят в программу для ЭВМ для его обработки методами многомерной статистики, вычисляя концентрацию анализируемого вещества в исследуемом образце и сравнивая ее, результат сравнения значения концентрации анализируемого вещества автоматически вводят в программу для ЭВМ для табличного оформления, анализа и его оценки, по итогам которой осуществляют вывод о концентрации анализируемого вещества исследуемого образца, при этом заданное средство представляет собой дезинфицирующее средство с анализируемым веществом в виде активно действующего вещества.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к средствам контроля состава солевых смесей жидкосолевого реактора и исследования коррозионной стойкости конструкционных материалов реактора. Устройство измерения окислительно-восстановительного потенциала расплавленных смесей на основе системы LiF-BeF2 содержит изолированные друг от друга молибденовую подложку динамического бериллиевого электрода, молибденовый индикаторный электрод и противоэлектрод, при этом молибденовая подложка динамического бериллиевого электрода и молибденовый индикаторный электрод размещены и загерметизированы с помощью силиконового узла в корундовой двухканальной трубке, герметично установленной с одного конца в стальную трубку с прикрепленной к ней с другого конца стальной втулкой с футоркой, на наружной поверхности которой закреплен противоэлектрод в виде трубы из плотного графита с отверстиями, причем стальная трубка, стальная втулка с футоркой и противоэлектрод образуют единый корпус, а внутри футорки вкручен изолятор из нитрида бора с каналами, через которые проходят молибденовая подложка бериллиевого электрода и индикаторный электрод, при этом площадь поверхности противоэлектрода, предназначенной для погружения в расплав, не менее чем в 5 раз превышает площадь погружаемой в расплав поверхности молибденовой подложки динамического бериллиевого электрода.

Изобретение относится к биотехнологии. Описана система для обнаружения целевого агента, содержащая: аналитический картридж, включающий тестовую ячейку, содержащую возбуждающий электрод и сенсорный электрод, причем тестовая ячейка выполнена с возможностью вмещать образец, содержащий целевой агент, подвергающийся процессу амплификации, причем указанный целевой агент содержит нуклеиновую кислоту; и считывающее устройство, включающее: область, выполненную с возможностью принимать аналитический картридж, нагреватель, располагающийся таким образом, чтобы нагревать используемый аналитический картридж внутри полости, память, хранящую по меньшей мере машиночитаемые инструкции по хранению, и процессор, конфигурируемый указанными инструкциями таким образом, чтобы по меньшей мере: приводить к нагреванию аналитического картриджа нагревателем до заданной температуры для выполнения процесса амплификации внутри тестовой ячейки; подавать ток возбуждения на возбуждающий электрод на протяжении по меньшей мере части времени протекания процесса амплификации, принимать сигнал от сенсорного электрода, соответствующий току возбуждения после его затухания вследствие взаимодействия по меньшей мере с образцом внутри тестовой ячейки, раскладывать указанный сигнал на составляющую активного сопротивления и составляющую реактивного сопротивления, анализировать составляющую реактивного сопротивления для определения наличия перепада сигнала относительно времени и на определенной частоте указанного сигнала, указывающего на положительный образец, содержащий целевой агент, на протяжении по меньшей мере части времени протекания процесса амплификации, и в ответ на определение возникновения перепада сигнала выводить положительный результат теста; или в ответ на определение отсутствия перепада сигнала выводить отрицательный результат теста.

Изобретение относится к области кондуктометрии и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости электролитов при физико-химических исследованиях. Техническим результатом является обеспечение возможности непрерывного измерения при исключении контакта датчика с реакционной массой.

Изобретение относится к области исследования свойств органических и неорганических жидкостей методами высокочастотного титрования, в частности к оперативным методам контроля стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков. Сущность способа заключается в том, что в процессе синтеза алкидных смол при производстве алкидных лаков замеряют во времени добротность параллельного колебательного контура, в котором исследуемая жидкость (реакционная масса) используется в качестве нагрузки.

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей электрофизическими методами, в частности к методам контроля окисления растительного масла в производстве олифы. Способ контроля электрофизическими методами анализа процесса окисления растительного масла в производстве олифы включает нагрев окисляемого масла до температуры (135-140)°С, при этом контроль за ходом окисления осуществляют посредством непрерывного измерения во времени текущей величины электрофизического параметра окисляемого масла - активного сопротивления R, при этом полученную абсолютную величину R пересчитывают в относительную величину строят графики зависимости отношений разности активных сопротивлений от времени (t) и от вязкости находят на графиках экстремум, который остается квазистабильным в течение 0,5 часа, принимают его как критерий завершения процесса, и с этого момента процесс считается законченным.

Изобретение относится к устройству и способу электродеионизации жидкости. Устройство содержит анодную камеру, имеющую два отверстия и анод, катодную камеру, имеющую два отверстия и катод, камеру обработки, находящуюся между анодной и катодной камерами, имеющую два отверстия и ионообменную смолу, причем анодная и катодная камеры отделены от камеры обработки мембраной с селективной проницаемостью, и источник энергии, функционально связанный с анодом и катодом.

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в системах контроля качества чистой и деионизированной жидкости, в частности воды, путем измерения ее электрической проводимости в производстве полупроводниковых приборов и в фармацевтической промышленности. Способ измерения электрической проводимости чистой и деионизированной жидкости предназначен для использования в системах контроля качества чистой и деионизированной жидкости, в частности воды, в производстве полупроводниковых приборов и в фармацевтической промышленности.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контактным датчикам электропроводности СТД-зондов, и предназначено для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде. Сущность изобретения заключается в том, что датчик удельной электропроводности, имеющий U-образную форму, включает в себя измерительную зону и зону, служащую для запирания силовых линий тока, содержащие два общих токовых электрода, дополнительную зону для измерения дополнительных параметров морской воды, содержащую датчики температуры и давления морской воды, имеющие с датчиком электропроводности морской воды и датчиком температуры корпуса общие корпус и крышку.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области кондуктометрии. Контактный датчик удельной электрической проводимости (УЭП) жидкости состоит из возбуждающих и измерительных электродов, представляющих собой круглые стержни одинаковой длины и диаметра, установленные на опорном элементе, изготовленном из непроводящего материала в виде прямоугольной рамки, попарно, параллельно друг другу, таким образом, что расстояния между осями электродов в парах меньше расстояния между соседними парами, расстояния между осями электродов в двух или более парах различаются между собой, при этом каждый измерительный электрод снабжен дополнительным электрически связанным и смежным с ним электродом, образующим с другим дополнительным электродом дополнительную пару, причем датчик снабжен устройством контроля и обработки данных, содержащее устройство сравнения, формирующее сигнал, зависящий от изменения отношения значений УЭП, измеренных в межэлектродных промежутках упомянутых пар.

Группа изобретений относится к промышленности строительных материалов – к производству ячеистых бетонов, в частности пенобетона, применяемого для изготовления мелких стеновых блоков производственных помещений, многоэтажных и индивидуальных жилых домов. Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетона включает получение раствора катализатора путем растворения аммония молибденовокислого 4-водного (NH4)6Mo7O24⋅4H2O при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения, добавления в раствор алюминия азотнокислого 9-водного Аl(NO3)3⋅9H2O, магния нитрата 6-водного Mg(NO3)2⋅6H2O, кобальта азотнокислого 6-водного Co(NO3)2⋅6H2O и лимонной кислоты при температуре раствора 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин, предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляют в полученный раствор катализатора и перемешивают при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин, затем пропитанный песок подвергают прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе до образования на поверхности частиц песка ксерогеля, состоящего из оксидов молибдена, кобальта, магния и алюминия, и для синтеза на поверхности частиц песка многослойных углеродных нанотрубок – МУНТ, песок помещают в реактор периодического действия: время синтеза - 60 мин, газовая смесь - пропан-бутан, температура процесса - 650°C, при следующем содержании сырья, используемого для получения катализатора, мас.%: кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO3)2⋅6H2O 22,2, магний нитрат 6-водный Mg(NO3)2⋅6H2O 23,2, алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO3)3⋅9H2O 10,5, аммоний молибденовокислый 4-водный (NH4)6Mo7O24⋅4H2O 1,3, кислота лимонная моногидрат 42,8.
Наверх