ИК-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В СМЕСЯХ С ВОДОЙ

Настоящее устройство относится к области аналитической химии, в частности к анализу материалов с помощью оптических средств, и может быть использовано для идентификации и количественного определения легколетучих органических жидкостей в смесях с водой методом инфракрасной спектрометрии и может быть использовано в химической, микробиологической, пищевой промышленности.
Заявленное техническое решение относится к области аналитической химии, в частности к анализу материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, и может быть использовано для идентификации и количественного определения легколетучих органических жидкостей в смесях с водой методом инфракрасной спектрометрии.
Определение качественных и количественных характеристик материалов ИК-спектрометрическим методом основано на избирательном поглощении инфракрасной энергии. Для регистрации спектра поглощенного ИК-излучения служат ИК-спектрометры. В настоящее время наиболее распространены ИК-спектрометры с Фурье преобразованием. Основными компонентами этих спектрометров являются источник ИК-излучения, интерферометр и детектор. ИК-излучение из источника попадает в интерферометр, где происходит модуляция излучения за счет интерференции на подвижном и неподвижном зеркалах. Модулированное ИК-излучение проходит через образец и регистрируется детектором. Полученная интерферограмма обрабатывается компьютером для получения традиционного спектра. Для расчета используется Фурье преобразование. ИК-Фурье-спектрометры - однолучевые приборы, поэтому для компенсации поглощения ИК-излучения атмосферными газами, компонентами спектрометра, кюветой и растворителями регистрируют фоновый спектр (спектр сравнения) без образца. Затем фоновый спектр вычитают из аналитического.
До недавнего времени анализ водно-органических смесей методом ИК-спектроскопии был ограничен возможностями «соляной» оптики ИК-спектрометров. Известен ИК-спектрометрический способ, при котором определение содержания растворенных веществ проводят при удалении растворителя. Для этого аликвоту раствора упаривают до образования сухого остатка. Остаток переносят в агатовую ступку, где проводят его измельчение. Затем исследуемый порошок перемешивают с навеской бромида калия и тщательно измельчают в ступке. Полученную смесь помещают в пресс-форму и проводят прессование [Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982, - с. 93-94 /1/]. В результате получаются прозрачные или полупрозрачные таблетки, пригодные для ИК-спектрометрического анализа. Основное преимущество метода - отсутствие мешающих полос поглощения ИК-излучения растворителем. Для успешного приготовления таблеток с бромидом калия необходимо длительное (тщательное) измельчение смеси остатка после испарения растворителя и порошка бромида калия. Также необходимо прессование с равномерно увеличивающейся нагрузкой, желательно с вакуумированием. Вследствие этого приготовление таблеток занимает значительное количество времени и требует использования дополнительного оборудования: лабораторного гидравлического пресса, вибромельницы и вакуумного насоса. Соответственно недостатком этого метода является значительные трудозатраты и соответственно стоимость выполнения анализа.
Известный [Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982, - с. 154-155 /1/] ранее метод анализ легколетучих органических жидкостей в смесях с водой методом многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) на германиевом кристалле не получил распространения, т.к. для середины 60-х годов XX-го века этот метод был редким и затратным. Современные методы ИК-спектроскопии, в сочетании с водостойкими спектральными материалами, позволяют разрабатывать эффективные методики анализа таких «неудобных» объектов.
Аналогом предлагаемого технического решения является устройство для ИК-спектрометрического микроанализа качественного и количественного состава веществ, известное как интегрирующая сфера диффузионного отражения [Пат. №6147350 США, МКИ G01J 005/02. Spectroscopic residue detection system and method / M. Beecroft (США), M.M. Szczesniak (США); Surface Optics со (США). - №221771; заявлено 28.12.98; опубл. 14.11.2000 /2/]. Это устройство состоит из двух полых полусфер, внутренняя поверхность которых способна отражать ИК-излучение (чаще всего на поверхность нанесено золотое покрытие). В сфере имеется, по крайней мере, одно отверстие. Через это отверстие в сферу направляют ИК-излучение, которое многократно диффузно отражается от стенок сферы с изменением угла отражения. Отраженный свет фокусируется линзой или каким-либо другим способом и регистрируется детектором. При отражении ИК-излучения стенками сферы происходит его поглощение анализируемым веществом, предварительно нанесенным на внутреннюю поверхность. При анализе растворов аликвоту пробы помещают в устройство, причем сфера является емкостью, в котором происходит испарение растворителя. После испарения жидкости сухой остаток, содержащий анализируемое вещество, остается на внутренней поверхности сферы. Это устройство позволяет отказаться от использования дополнительных материалов и операций, применяемых в предыдущем способе.
Недостатком устройства является высокая стоимость, так как интегрирующая сфера сложна в изготовлении и выполняется из дорогостоящих материалов.
Аналогом предлагаемого устройства является ИК-спектрометрическая ячейка для микроанализа [Пат. 5334837 США, G01N 021/01, G01N 021/35. Micro analytical method, sampling plate used in same, method of detecting organic compound by use of said micro analytical method, apparatus for same and method of dividing for micro-liquid flow / Ikeda Masahiko (Япония), Uchihara Hirosi (Япония). - №954267; заявлено 30.09.92; опубл. 02.08.94 /3/]. Эта ячейка предназначена для определения нелетучих веществ с испарением растворителя. Анализируемый раствор по каплям помещается на гидрофобную пленку и быстро испаряется. При этом происходит концентрирование анализируемого вещества. Гидрофобная пленка, например, на основе фторированных смол необходима для уменьшения растекания испаряющейся капли раствора. Пленка наносится либо на ИК-прозрачную пластину, либо на металлическое зеркало соответственно для ИК-спектрометрического анализа в режиме пропускания или в режиме отражения. Для лучшего концентрирования анализируемого вещества в гидрофобной пленке может быть выполнено отверстие, углубление или зона со сниженной энергией поверхностного натяжения. Для этого участок требуемого размера в гидрофобной пленке обрабатывают лазерным лучом или ультрафиолетовым излучением. Это приспособление позволяет выполнять определение веществ в растворителях, сильно поглощающих ИК-излучение, в тоже время, просто в изготовлении и не обладает высокой стоимостью.
-1
Недостатком этого устройства является поглощение гидрофобной пленкой на основе фторорганических смол ИК-излучения в области 900-1300 см. Это делает невозможным анализ ряда веществ, таких как фтор-, хлорпроизводных эфиров, кремнийорганических соединений и т.д.
Аналогом предлагаемого устройства является для определения содержания органических веществ в жидких и твердых образцах [Пат. RU (11)84566(13) U1 Россия, МКИ G01N 33/24. Устройство для определения содержания органических веществ в жидких и твердых образцах / Зуев Б.К. (RU), Моржухина СВ. (RU), Филоненко В.Г. (RU). - №2009108964/22; заявлено 12.03.2009; опубл. 10.07.2009 /4/], содержащее печь, снабженную термодатчиком, коаксиально установленную в ней камеру сгорания пробы, соединенную трубопроводом с последовательно установленными датчиком кислорода, ловушкой паров воды, ротаметром, побудителем расхода, регулятором газового потока, и электронный блок управления и сбора данных с компьютером. Ячейку помещают в кюветное отделение ИК-спектрометра. Регистрируют фоновый спектр ячейки. Затем ячейку устанавливают на горизонтальную поверхность и вносят в коническую емкость аликвоту анализируемого раствора. Раствор упаривают при комнатной или повышенной температуре до полного удаления растворителя. При этом сухой остаток, в котором содержится анализируемое вещество, концентрируется на поверхности окна, изготовленного из селенида цинка, хлорида серебра, германия и т.д. Эта операция аналогична испарению растворителя в способе ИК-спектрометического анализа с использованием таблеток из бромида калия. После чего ячейку помещают в кюветное отделение ИК-спектрометра и регистрируют аналитический спектр ячейки с остатком после испарения. Недостатком устройства является высокая стоимость и сложность использования, так как интегрирующая сфера сложна в изготовлении и не может быть использована для анализа легколетучих органических жидкостей в смесях с водой.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является ик-спектрометрическая ячейка [WO 2007060398 А1]. Устройство включает в себя впускной кран, присоединенный к газовой линии, через которую подается инертный газ, который через впускной кран поступает в цилиндрическую емкость, характеризуемую определенным оптическим путем и изготовленную из материал, стойкого к действию анализируемого раствора К боковым частям емкости герметично приклеены два окна 4 и 5 из материала, прозрачного в ИК-области. Емкость снабжена нагревательным элементом для испарения анализируемой пробы и термодатчиком, позволяющим контролировать температуру среды внутри емкости. Кроме того ик-спектрометрическая ячейка снабжена капиллярным устройством для ввода анализируемой пробы.
Недостатком устройства является то, что это устройство предназначено и сокращает время анализа для регистрации спектров в потоке, а не из ограниченного объема; в этом устройстве проба должна обладать способностью достаточно полно испаряться, иначе неиспарившиеся остатки будут накапливаться в месте ввода пробы (в инжекторе) и преграждать путь новым порциям пробы; в этом устройстве отсутствует система вентиляции (очистки) оптической ячейки от паров предыдущей пробы, в приведенном случае остатки пробы должны конденсироваться и стекать обратно в поток жидкости; это устройство настраивается только на определенный объем пробы за счет диаметра и наполнения входного отверстия.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является создание ИК-спектрометрической ячейки для качественного и количественного анализа, который бы обеспечивал сокращение стоимости и времени анализа легколетучих веществ в водно-органических смесях и расширение круга анализируемых объектов.
ИК-спектрометрическую ячейку, иллюстрируемую чертежом, где показано на фиг. 1 - схема ячейки ИК-спектрометрической, вид сбоку;
ИК-спектрометрическая ячейка (фиг. 1) содержит впускной и выпускной краны (1 и 2) подсоединенные к газовой линии, через которую подается инертный газ. Газ через впускной кран 1 поступает в цилиндрическую емкость 3, характеризуемую определенным оптическим путем L и изготовленной из материала, стойкого к действию анализируемого раствора, например из нержавеющей стали, никеля и т.д. К боковым частям емкости герметично приклеены два окна 4 и 5 из материала, прозрачного в ИК-области, например селенида цинка, хлорида серебра, германия и т.д. В емкость вмонтированы нагревательные элементы 6 для испарения анализируемой пробы и термодатчик 7, позволяющий контролировать температуру среды внутри емкости. В центре верхней поверхности цилиндрической емкости 3 находится отверстие 8, изолированное эластичной мембраной 9, исключающей потери пробы, ее загрязнение, через которую осуществляется ввод пробы анализируемого образца микрошприцом 10. Проба анализируемого вещества может вводится в жидком или газовом состоянии. Объем пробы ограничивается пределом прочности кюветы. Рекомендуемые объемы проб: в жидком состоянии 1/50000, в газовой фазе 1/5. Испарение всего жидкого анализируемого образца происходит в цилиндрической емкости 3. При этом анализируемое вещество переходит в паровую фазу в собственно самом объеме емкости 3, ограниченном отверстиям 4 и 5, в это время снимается ИК-спектр данной паровой фазы, что позволяет сократить время анализа. Проба в паровой фазе не требует нагрева и последующего испарения, и, поэтому возможно непосредственное снятие ИК-спектра исследуемой паровой фазы. Получения соответствующего спектра паровой фазы испарившейся из ограниченного объема жидкости, позволит качественно и количественно охарактеризовать состав испаряемой жидкости. Наличие продувки камеры инертным газом, который через впускной кран 1 поступает в цилиндрическую емкость 3, позволит быстро очистить ячейку от паров предыдущей пробы, что также позволяет сократить время анализа. В центре нижней поверхности цилиндрической емкости находится углубление 11, которое может быть использовано для реакционного концентрирования анализируемой пробы, посредством наполнения веществом поглощающим воду, например оксидом кальция и т.д. из смеси пробы. Данный прием позволит увеличить объем подаваемой на анализ пробы, вследствие исключения из объема ячейки паровой фазы растворителя. Углубление может быть использовано также для проведения реакций внутри ячейки и анализа газового продукта реакции непосредственно в процессе реакции. Ячейка помещается в стандартный держатель кювет ИК-Фурье-спектрометров, серийно выпускаемых промышленностью.
Предлагаемая ИК-спектрометрическая ячейка применяется следующим образом. Ячейку помещают в кюветное отделение ИК-спектрометра. Включают обогрев ячейки и регулируют поток инертного газа. Регистрируют фоновый спектр ячейки. Затем в ячейку вносят аликвоту анализируемого раствора либо газа через отверстие 8, изолированное эластичной мембраной 9 находящееся в центре верхней поверхности цилиндрической емкости 3 кюветы с помощью микрошприца 10. Раствор переходит из жидкого в парофазовое состояние при повышенной температуре с использованием нагревательного элемента, либо остается в неизменном паровом состоянии. При этом паровая фаза, в котором содержится анализируемое вещество, концентрируется в объеме кюветы снабженной окнами 4 и 5 и регистрируют аналитический спектр ячейки исследуемой пробы.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшенное качество анализа материалов с помощью оптических средств, что может быть использовано для идентификации и количественного определения легколетучих органических жидкостей в смесях с водой методом инфракрасной спектрометрии, позволит выполнять анализ экспрессно и экономично, с сохранением высокой надежности идентификации и точности определения. По сравнению с существующими методами заявляемый способ имеет следующие преимущества.
1. Сокращает время анализа проб из ограниченного объема, так как отсутствует необходимость пробоподготовки.
2. Конструктивные особенности устройства позволяют жидкой пробе испаряться как полностью, так и частично.
3. Имеет систему вентиляции (очистки) от паров предыдущей пробы
4. Конструктивные особенности устройства позволяют регулировать объем пробы положением поршня шприца при вводе пробы.
5. Не содержит деталей растворимых или реагирующих с анализируемым раствором и поглощающих ИК-излучение, что позволяет проводить анализ практически всех легколетучих органических веществ в смесях с водой.