СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА КАПЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD FOR DETERMINING OF THE DROP LIQUIDS ELEMENTAL COMPOSITION

Способ может применяться для определения состава примесей в жидкостях, использующихся в химической, пищевой промышленности, в фармацевтике, микроэлектронике, медицине, геологии при поиске полезных ископаемых, экологическом мониторинге при контроле гидросферы, для контроля изменений в составе питьевой воды на водозаборах, в системах водоснабжения, а также в других различных направлениях деятельности человека, где необходим контроль элементного состава жидкостей. Суть способа заключается в возбуждении в нормальных условиях плазменного разряда, содержащего частицы анализируемой жидкости, регистрации спектра излучения плазмы, проведении его анализа и получении результата с точностью сертифицированных методик спектрального анализа. При разработке способа ставилась задача регистрации изменений элементного состава анализируемой жидкости с использованием мобильной автономной тест-системы.
Известен способ, в основе которого лежит использование разряда в жидкости, включающее инициализацию электрического разряда в области диафрагменного отверстия, выполненного в элементе конструкции электролитической ячейки, и регистрацию возникающих при этом эмиссионных спектров [1]. Разряд инициируют в присутствии токопроводящего элемента, размещенного в электролите в области разряда вблизи диафрагменного отверстия, обеспечивают квазинепрерывный режим поддержания разряда, перед инициализацией разряда проводят поляризацию токопроводящего элемента током меньшей величины, одноименной с разрядом полярности и регистрируют эмиссионный спектр в начальный момент установления квазинепрерывного режима разряда. Особенностью метода, представленного в качестве первого аналога, является обязательное наличие в жидкости ионов в составе исследуемой жидкости. При отсутствии заряженных частиц в анализируемой жидкости разряд может вообще не возникнуть, поэтому указанный метод может быть использован только для жидкостей, являющихся электролитами, что существенно снижает возможности его применения даже в лабораторных условиях. При формировании разряда в жидкости по представленной методике вблизи токопроводящего элемента формируется повышенная концентрация заряженных частиц, ионов, и в излучении формируемого разряда наиболее заметны будет характеристическое излучение именно этих заряженных частиц. Вместе с тем в составе исследуемой жидкости могут присутствовать молекулы и частицы, не имеющие заряда, но интенсивность их характеристического излучения в полученной спектрограмме будет существенно ниже, что искажает картину диагностики элементного состава и понижает чувствительность метода по отношению к регистрации элементов, являющихся составными частями нейтральных соединений анализируемого раствора. Локализация разряда ограничивает объем анализируемого вещества. Цветовая гамма и прозрачность анализируемых жидкостей также существенно искажает спектрограммы и снижает чувствительность этого метода.
Известен также способ, в основе которого лежит возбуждение плазмы лазерным излучением с фокусировкой этого излучения на анализируемом веществе, получением лазерной плазмы с последующей регистрацией спектра излучения и анализом элементного состава вещества [2]. Возбуждение лазерной плазмы осуществляют электронным пучком, обеспечивают длительность лазерного излучения 15 нс, при этом используют ускоритель электронов с энергией 100-200 кэВ, длительностью импульса 5 нс. Включение лазера, ускорителя и спектроанализатора синхронизировано с помощью специальной системы синхронизации. Представленный способ предполагает формирование вспышки плазмы длительностью не более 15 нс, при этом энергия, которую получают элементы анализируемого вещества для возбуждения, весьма незначительна для формирования адекватных условий для полноценного возбуждения элементов всех примесей, присутствующих в анализируемом веществе и являющихся составными частями молекул и структур анализируемого вещества. По этой причине в анализируемом спектре излучения не будут визуально и полноценно представлены все линии характеристического излучения, свойственные элементам анализируемого вещества. При регистрации излучения представленным способом можно использовать только спектрометры с синхронным накоплением аналитических сигналов. Дополнительно необходимо отметить, что контролируемая область анализируемого вещества ограничена сечением электронного пучка. При условии неоднородности анализируемого вещества локальный контроль элементного состава может быть не объективен.
Ближайший аналог относится к способам анализа элементного состава веществ [3]. В способе применяют одноэлектродный высокочастотный плазменный разряд в режиме чередующихся импульсов. При этом в соответствии с направлением газа вдоль, перпендикулярно или навстречу плазмообразующему электроду применятся различные конструкции горелок устройства. Регистрацию спектров излучения ведут в направлении, зависящем от типа применяемого спектрометра: перпендикулярном указанному сформированному разряду для щелевого спектрометра и параллельно - для диафрагменного спектрометра.
К недостаткам способа относится необходимость наличия газа-носителя, элементы которого под воздействием одноэлектродного плазменного разряда в режиме чередующихся импульсов формируют плазменный разряд, в который вводятся исследуемая проба вещества. Газ-носитель имеет собственное излучение, сопровождающееся существенным фоновым излучением, связанным с неконтролируемым поведением элементов газа-носителя и его собственных примесей под воздействием внешнего поля. Такое фоновое излучение препятствует определению полезного сигнала от примесей и элементов исследуемого вещества и существенно снижает чувствительность метода. Уровень фонового излучения плазмы газа-носителя может существенно колебаться в зависимости от изменяющихся внешних условий, связанных с нестабильностью состава газа-носителя, что неизбежно отразится на условиях возбуждения элементов и примесей исследуемого вещества, что также приведет к снижению чувствительности метода и снижению воспроизводимости результатов спектрально анализа микропримесей в исследуемом веществе. Кроме этого контроль элементного состава, представленного по методу ближайшего аналога, лимитирован наличием самого газа-носителя, хранящегося в баллонах и специальных емкостях, что снижает возможность применения этого метода вне лабораторных условий и препятствует созданию мобильной автономной тест-системы.
Задачей изобретения является повышение чувствительности способа, упрощение реализации спектральной диагностики элементного состава анализируемой жидкости, снижение себестоимости каждого измерения, создание возможности реализации измерений на основе мобильной тест-системы вне лабораторных условий.
Суть изобретения заключается в определении элементного состава жидкостей, включающем возбуждение плазменного разряда, доставку в зону разряда частиц анализируемой жидкости, регистрацию и обработку спектров излучения анализируемой жидкости. Особенностью предлагаемого способа является то, что возбуждение плазменного разряда проводят при атмосферном давлении, основными носителями заряда в плазме являются электроны, генерируемые катодом плазменной горелки или каким-либо другим источником заряженных элементарных частиц. Регистрацию излучения ведут в направлении максимального сигнала излучения плазмы с применением оптических фокусирующих, фильтрующих, отражающих систем или без них. Для регистрации излучения плазмы используют регистрирующую аппаратуру, имеющую технические возможности регистрации, записи и обработки спектров в диапазоне частот от 10 нм до 1 мм в любом интервале частот этого диапазона. При регистрации спектров излучения плазмы анализируемая жидкость поступает в зону плазменного разряда в виде мелкодисперсных частиц или пара. Для получения достоверной информации о составе анализируемой жидкости в процессе анализа участвует не менее 90% пробы анализируемой жидкости, при этом объем анализируемой жидкости за один цикл измерений составляет не менее 100 мл. Плазменный разряд в среде частиц анализируемой жидкости возбуждается под воздействием либо внешнего высокочастотного поля, либо при формировании дугового или емкостного разряда.
Основное условие для возникновения плазменного разряда - высокая концентрация носителей заряда. В случае представляемого изобретения - это свободные электроны, генерируемые катодом или каким-либо другим источником. Необходимая концентрация электронов достижима в небольшом объеме внутри полости плазменной горелки. Для возникновения плазменного разряда необходимо наличие внешнего поля, которое может быть создано либо ВЧ-индуктором, либо при формировании дугового разряда, либо серией емкостных разрядов с длительностью, обеспечивающей квазидинамическое состояние среды при условии поступления новых носителей заряда (электронов). Генерация плазмы осуществляется при наличии носителей заряда, внешнего поля и частиц анализируемой жидкости в виде мелкодисперсной взвеси или пара, формируемых за счет испарения, эжекции или какого-либо другого механизма распыления. В условиях сформированной плазмы с присутствием частиц анализируемой жидкости, спектр ее излучения содержит характеристические линии излучения, свойственные элементам, из которых состоит исходная анализируемая жидкость, включая ее примеси и ее основной состав. В процессе анализа элементного состава жидкости практически весь объем анализируемой пробы участвует в процессе формирования плазменного разряда с соответствующей генерацией излучения в течение времени проведения анализа. Также в спектре могут присутствовать характеристические линии излучения элементов материала внутренней полости плазменной горелки, прежде всего - катода. Излучение с длинами волн, соответствующих элементам разрядной полости плазменной горелки, будет всегда присутствовать в спектре излучения плазмы, однако, их интенсивность может быть минимизирована и практически сведена к нулю за счет оптимизации потоков подачи частиц анализируемой жидкости. Также нивелировать влияние фонового излучения плазмы можно путем математической обработки сигнала спектрограмм.
На Фиг. 1 представлен эскиз модели устройства для формирования плазменного дугового разряда с подачей в зону плазменного разряда пара из частиц анализируемой жидкости, где 1 - Стержневой электрод, 2 - Сквозное отверстие, 3 - Насадка, 4 - Трубчатый электрод, 5 - Держатель электрода, 6 - Капиллярно-пористая оболочка, 7 - Диэлектрическая трубка, 8 - Пробка, 9 - Патрубок, 10 - Возвратная пружина, 11 - Кнопка, 12 - Влаговпитывающий материал, 13 - Шток, 14 - Испаритель, 15 - Резервуар.
Пример конкретного выполнения определения элементного состава водного раствора йодированной поваренной соли с концентрацией соли - 1 мг/л, на основе предлагаемого к патентованию способа.
Через патрубок 9, Фиг. 1, подают водный раствор соли, пропитывая влаговпитывающий материал 12 в резервуаре 15 и заполняя им каналы, сообщающие резервуар с разрядной камерой, до появления капли водного раствора соли из сквозного отверстия 2 насадки 3. Патрубок 9 закрывают пробкой 8. Включают независимый источник электрического тока и подают напряжение на стержневой электрод 1 относительно насадки 3. Нажатием кнопки 11 сообщают возвратно-поступательное перемещение стержневому электроду 1 и кратковременно приближают торец стержневого электрода 1 к насадке 3 вплоть до положения взаимного контакта, затем отпускают кнопку 11, и возвратная пружина 10 отводит стержневой электрод 1 от насадки 3 в исходное положение, создавая зазор, позволяющий водному раствору соли протекать через сквозное отверстие 2 насадки 3. При разрыве электрического контакта стержневого электрода 1 и насадки 3 между ними возбуждается электрическая дуга. Энергия, выделяемая на насадке 3, при протекании электрического тока через дугу разогревает ее, и тепло через трубчатый электрод 4 передается водному раствору соли. Водный раствор соли превращается в пар, используемый в качестве плазмообразующей среды, создавая избыточное давление, под действием которого пар проходит по каналам, сообщающим резервуар с разрядной камерой, сжимает столб электрической дуги и выходит через сквозное отверстие 2 насадки 3 с образованием плазменной струи. Напротив плазменной струи размещают либо спектрометр, либо фокусирующее зеркало для отражения излучения образованной плазмы и его фокусировки на спектрометр. Спектрометр размещают таким образом, чтобы регистрация спектра осуществлялась в зоне максимальной интенсивности излучения плазмы, но без ущерба для его работоспособности. Обработку сигналов спектрограммы осуществляют путем сравнения полученной спектрограммы с эталонной спектрограммой или каким-либо другим способом, включая математическую обработку как цифрового, так и аналогового сигнала спектрограммы.
Излучение плазмы при анализе элементного состава жидкости содержит фоновый и полезный сигнал, причем уровень фонового сигнала минимизирован, а уровень полезного сигнала близок к 95%.
Чувствительность обнаружения основных и примесных элементов анализируемой жидкости соответствует уровню сертифицированных методик спектрального анализа.
Анализ элементного состава жидкостей достаточно прост с точки зрения технической реализации и максимально информативен при условии минимальной себестоимости.
На основе мобильной автономной тест-системы диагностики элементного состава жидкости возможна организация on-line - мониторинга гидросферы, систем водоснабжения, промышленных и инфраструктурных объектов с использованием систем беспроводной связи.
Использование технического решения изобретения позволит создать комплект мобильных автономных тест-систем для экспресс-диагностики элементного состава примесей в жидкостях на уровне лучших методик спектрально анализа, ранее реализуемых только в лабораторных условиях.
Источники информации
1. Патент РФ 23268845.
2. Патент РФ 2270994.
3. Патент РФ 2252412 – прототип.