СПОСОБ ПРОТОЧНОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИДКОСТЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD FOR FLOW SPECTROPHOTOMETRIC MEASUREMENT OF CONCENTRATION OF CHEMICAL ELEMENTS IN LIQUIDS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область применения изобретения относится к химическим методам измерения концентраций различных химических элементов или соединений, окрашивающие жидкости, и определяемых в выбранных областях спектра на спектрофотометрах, оснащенных предлагаемой проточной системой.
Изобретение может эффективно использоваться в аналитических лабораториях, проводящих массовые анализы химического состава почв, кормов и пищевого сырья с применением спектрофотометрических методов (лаборатории агрохимслужбы, санэпидемслужбы, службы экологии, лаборатории проектно-изыскательских служб, учебных и исследовательских учреждений и других ведомств).
Известны способы определения химического состава жидких сред с использованием, например, фотометров фотоэлектрических КФК-3, имеющих проточную гидравлическую систему с перистальтическим насосом или автоанализаторов проточного или проточно-дискретного типов (Ю.М.Логинов, А.Н.Стрельцов. «Автоматизация аналитических работ и приборное обеспечение мониторинга плодородия почв и качества продукции растениеводства», Москва. Агробизнесцентр. 2010, стр.14, 65, 226). В этом случае перистальтический насос по эластичной трубке подает в проточную кювету анализируемую жидкость. Проточная кювета представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в двух местах под прямым углом, которая герметично соединена с входящей и выходящей эластичной трубкой.
При измерении концентрации определяемого элемента или химического соединения отобранной и окрашенной пробы в проточной кювете спектрофотометра не должны быть пузырьки воздуха. В противном случае они будут перекрывать световой поток в кювете и искажать результаты определения химического состава пробы.
В автоанализаторах проточного типа для того, чтобы пузырьки воздуха не попадали в проточную кювету, используют специальное устройство - пузырькоотделитель, который обеспечивает удаление из гидравлической системы пузырьков воздуха перед поступлением жидкости в кювету колориметра. Такая система требует надежной работы пузырькоотделителя и дополнительного канала для отвода пузырьков воздуха, что усложняет и удорожает систему.
Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом проточном способе измерения концентрации химического элемента в гидравлической системе (фиг.2 - автоматизированный вариант измерения и фиг.4 не автоматизированный вариант измерения) с помощью перистальтического насоса в оптическую кювету 5 (см. фиг.1) по одному каналу через трубку 1 поступает анализируемая жидкость, а по другому каналу через трубку 3 жидкость одновременно обратно отбирается из кюветы. При этом кювета закрыта пластиковой крышкой 4, через которую проходят указанные трубки, соединенные одна с каналом поступления жидкости, а вторая с каналом отбора жидкости из кюветы. Кроме этого в крышке 4 имеется отверстие 2 для выравнивания давления внутри кюветы с атмосферным давлением. Трубка 1, по которой поступает жидкость в кювету, находится над уровнем жидкости 6 в кювете 5, а трубка 3, по которой производится отбор жидкости из кюветы, находится на уровне жидкости в кювете. Глубина погружения в кювету трубки 3 определяет объем и высоту уровня жидкости 6 в кювете. При этом производительность канала для откачки жидкости из кюветы должна быть больше производительности канала подачи жидкости в кювету.
Предлагаемая конструкция обеспечивает постоянный уровень жидкости в кювете и удаление пузырьков воздуха без пузырькоотделителя, которые всплывают на поверхность жидкости и не перекрывают светового потока при проведении измерений. Кроме этого обеспечивается хорошая промывка кюветы при поступлении в нее проб с сильно разнящимися концентрациями определяемого элемента. Конструкция кюветы не нарушает целостность стенок оптической кюветы (не требует сверления каналов в материале, из которого сделана кювета).
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления можно использовать как в автоанализаторах проточного и проточно-дискретного типов, так и в отдельных спектрофотометрах, оснащенных предлагаемой проточной системой.
На фигуре 2 показана гидравлическая схема для предлагаемого способа измерения концентрации требуемого элемента с помощью автоанализатора проточного типа. С помощью полой иглы поочередно отбирается анализируемая проба из емкости 8 и дистиллированная вода из промывного сосуда 13 автомата подачи проб 14. Отобранные жидкости по каналу 18 поступают в смеситель 16, в котором смешиваются с окрашивающим реактивом, поступающим по каналу 9 из емкости 21. Проявление окраски зоны пробы происходит в термостате 17, который автоматически поддерживает определенную температуру теплообменника. После охлаждения в холодильнике 19 гидравлический поток поступает в спектрофотометр 7 с оптической кюветой 5. Через трубку 1 происходит заполнение кюветы 5, а через трубку 3 происходит отбор жидкости из кюветы по каналу 11 и далее в канализацию 12. Так как производительность канала 11 выше производительности канала 9, то уровень жидкости в кювете все время поддерживается на одном уровне, определяемом глубиной погружения в кювету 5 трубки 3 отбора жидкости. Уровень жидкости 6 в кювете устанавливают так, чтобы пузырьки воздуха, всплывающие на поверхность, не мешали прохождению светового луча от излучателя до светоприемника.
Дистиллированная вода непрерывно поступает в сосуд 13 с помощью перистальтического насоса 10 из емкости 15 по гидравлическому каналу 20.
На фигуре 3 показано изображение монитора двухканального автоанализатора проточного типа для определения фосфора колориметрическим методом и калия пламенно-фотометрическим методом в почвенной вытяжке. Регистрограмма колориметрического канала на фигуре 3 получена по предложенному способу измерения концентрации подвижного фосфора в почвенной вытяжке.
В верхней части графика в районе 2800 единиц аналого-цифрового преобразователя находится базовая линия с нулевым содержанием фосфора. В нижней части графика в районе 800 единиц аналого-цифрового преобразователя находятся сигналы в виде пиков при определении фосфора одной и той же концентрации - 200 мг/кг в почве. Первые 6 измерений проводились без дополнительной промывки гидравлической системы дистиллированной водой после каждой пробы, следующие 4 измерения - с дополнительной промывкой системы дистиллированной водой после каждой пробы. Из регистрограммы видно, что величина сигнала для всех измерений концентрации фосфора практически одинакова. Это говорит о хорошей воспроизводимости результатов измерений. Анализ проведен 13.04.2011.
На фигуре 4 показана гидравлическая схема для предлагаемого способа измерения концентрации требуемого элемента подготовленных к спектрофотометрированию проб, в не автоматизированном варианте.
Окрашенные и подготовленные к спектрофотометрированию пробы отбираются из емкости 8 технологической кассеты или из иной емкости с помощью перистальтического насоса 10 и по каналу 9 поступают в кювету 5. Отбор жидкости из кюветы 5 производится по каналу 11. В остальном описание этого варианта измерения совпадает с изложенным выше измерением концентрации требуемого элемента с помощью автоанализатора проточного типа.
В предлагаемом изобретении могут быть использованы два режима измерений:
1. с непрерывной работой перистальтического насоса в автоанализаторе проточного типа;
2. с остановкой перистальтического насоса в момент нахождения пробы в кювете колориметра в проточно-дискретном анализаторе или в спектрофотометре в случае использования не автоматизированного варианта анализа.
При использовании предлагаемого изобретения уменьшается ошибка измерения, связанная с влиянием проб с высоким содержанием определяемого элемента на пробы с малым содержанием его, когда эти пробы следуют в гидравлической системе друг за другом. Кроме этого увеличивается точность определения анализируемого показателя из-за устранения пузырьков воздуха на пути прохода светового потока в кювете.
Таким образом, нами предлагается следующее:
1. Способ проточного спектрофотометрического измерения концентраций химических элементов в жидкостях с использованием автоанализаторов проточного или проточно-дискретного типов, или отдельных спектрофотометров, имеющих гидравлическую систему с перистальтическим насосом, эластичными трубками и проточной кюветой, отличающийся тем, что в предлагаемом проточном способе измерения концентраций химических элементов в гидравлической системе с помощью перистальтического насоса в оптическую кювету по одному каналу через трубку поступает анализируемая жидкость и одновременно по другому каналу с большей призводительностью через другую трубку жидкость отбирается из кюветы, при этом трубка, по которой поступает жидкость в кювету, находится над уровнем жидкости в кювете, а трубка, по которой производится отбор жидкости из кюветы, находится на уровне жидкости в кювете, тем самым обеспечивая постоянный уровень жидкости в кювете и устраняя негативное влияние на результаты измерения пузырьков воздуха, которые всплывают на поверхность жидкости в кювете и не мешают прохождению светового луча от излучателя до светоприемника.
2. Кювета оптическая проточная с обратным отбором жидкости для осуществления проточного способа спектрофотометрического измерения концентраций химических элементов в жидкостях, состоящая из корпуса, который закрывается крышкой, через которую проходят один канал для соединения с атмосферой и две трубки, одна из которых служит для поступления жидкости в кювету, а вторая для обратного отбора жидкости с большей производительностью из кюветы, отличающаяся тем, что трубки внутри кюветы находятся на разных уровнях и при непрерывном поступлении жидкости обеспечивают постоянный уровень жидкости в кювете, при этом трубка, подающая жидкость в кювету, изогнута под прямым углом, а выходное отверстие скошено для предварительного удаления пузырьков воздуха из жидкости.