СПОСОБ ИОНОМЕТРИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа и контроля концентрации ионов в различных средах и может найти применение в сельском хозяйстве, почвоведении, медицине и пищевой промышленности.

Известен способ ионометрии, включающий электрохимический анализ на принципах полярографических преобразований, в основе которых лежит явление поляризации на одном из электродов электролизной ячейки, представляющем собой самоочищающийся катод, поверхность которого однородна и непрерывно обновлена, в частности капающий ртутный, вращающийся или из благородного металла [1]
Недостатком этого способа является его применимость только в стационарных условиях. Кроме того, этот метод ведет к загрязнению исследуемой пробы продукта в результате контакта с ртутным электродом.

Наиболее близким к изобретению является способ ионометрии с помощью емкостной ячейки в электрической цепи переменного тока высокой частоты, включающий измерение проводимости исследуемой среды, по величине которой судят о концентрации определяемого иона [2]
При измерении проводимости в исследуемой среде происходит пассивация электрода диссоциированными ионами, тем самым изменяется проводимость исследуемой среды и ячейки. В этом способе изменяют абсолютное значение проводимости и в результате этого на величину проводимости влияют внешние факторы: давление, влажность, температура и пр. Измерение производят при постоянной частоте в диапазоне до 1000 Гц, что не позволяет учитывать изменение проводимости, обусловленное внешними факторами, а именно влажностью, температурой, давлением, а также загрязнением электрода, вызываемым относительно-восстановительными процессами. Это снижает точность определения проводимости исследуемой среды, соответствующей концентрации исследуемого иона.

В основу изобретения положена задача повышения точности определения концентрации ионов в исследуемой среде путем снижения погрешности измерений, обусловленной внешними факторами, за счет оценки концентрации исследуемых ионов через ее относительную величину, а также за счет измерений, выполняемых в точке резонанса на фиксированной частоте.

Поставленная задача решается тем, что в способе ионометрии, с помощью емкостной ячейки в электрической цепи переменного тока высокой частоты, включающем измерение проводимости исследуемой среды, по величине которой судят о концентрации определяемого иона, предварительно проводят эталонные измерения с помощью схемы замещения ячейки, поддерживая напряжение одинаковым и изменяя частоту переменного тока от 10⁴ до 10⁸ Гц, находят величину проводимости в точке экстремума, после заполнения ячейки исследуемой средой измеряют ее проводимость на частоте экстремума, найденного при эталонных измерениях, находят отклонение проводимости среды от проводимости при эталонных измерениях, а концентрацию С определяемого иона рассчитывают по формуле
C b₀ + b₁f + b₂V + b₃fV + b₄f² + b₅V², (1)
где f частота переменного тока в точке экстремума;
V отклонение проводимости среды от проводимости при эталонных измерениях;
b₀, b₁, b₂, b₃, b₄, b₅ - коэффициенты уравнения множественной корреляции.

Предварительный подбор схемы замещения исследуемой среды по ее проводимости при нормальной концентрации ионов позволяет подобрать базу сравнения для последующих измерений с исключением влияния внешних факторов на результат измерения.

Изменение частоты и поддержание стабильного напряжения на ячейке с установленной на ней схемой замещения позволяют определить точку экстремума на участке, где при равном шаге изменения частоты происходит максимальное изменение пpоводимости; этот участок соответствует диапазону от 10⁴ до 10⁸ Гц. В этом диапазоне проводимости измерительной ячейки и исследуемой среды соизмеримы и в исследуемой среде возникает резонанс между собственной частотой колебаний иона и подаваемой частотой, что позволяет наиболее точно определить проводимость исследуемой среды, соответствующую концентрации определяемого иона.

Таким образом, выполняют операцию устранения погрешности измерений, обусловленных внешними факторами, и повышают точность измерения проводимости за счет ее определения в точке резонанса на фиксированной частоте.

Показание измерительного прибора относительно эталона с учетом изменения частоты и коэффициентов множественной корреляции, характерных для совокупности определяемых ионов позволяют по зависимости (1) определить концентрацию ионов, в исследуемой среде.

Для каждого иона в исследуемой среде характерны присущие только ему одному собственные колебания, частота которых соответствует значениям коэффициентов множественной корреляции зависимости (1).

На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа.

Устройство состоит из последовательно соединенных генератора 1, регулятора напряжения 2, выполненного на переменном резисторе (как делитель напряжения), измерительной ячейки 3, содержащей два электрода, выполненных коаксиально из нержавеющей стали, усилителя 4, детектора 5, выполненных по типовой схеме, и измерительного прибора 6. На вход генератора 1 подключен регулятор 7 частот, выполненный в виде набора конденсаторов и резисторов.

Способ осуществляется следующим образом.

В качестве исследуемой среды выбирают, например, картофель, а в качестве определяемого иона нитрат-ион. Нормальная концентрация нитрат-иона в картофеле составляет около 250 мг/кг. При нормальной концентрации нитрат-иона плод обычного картофеля обладает соответствующей проводимостью. Схему замещения исследуемой среды по проводимости при нормальной концентрации подбирают из резисторов и емкостей. Она по форме выполнена в виде колпачка, надеваемого на ячейку 3, при этом колпачок замыкает электроды вместо исследуемой среды. Затем приступают к настройке прибора без контакта ячейки с картофелем. На ячейку 3 подают напряжение от генератора 1, постоянно увеличивают регулятором 7 частоту, начиная от 10⁴ Гц, и на измерительном приборе 6 наблюдают точку экстремума проводимости, принимаемую за эталон, которая является началом отсчета на измерительном приборе, при этом фиксируют на генераторе 1 частоту, соответствующую этому экстремуму. Устанавливают значение рабочего напряжения генератора 1 равным 1,5 В, что соответствует началу частотного диапазона. Этим заканчивают этап настройки прибора на определение содержания нитрат-иона в картофеле.

Собственно измерения содержания нитрат-иона начинают с того, что освобождают электроды ячейки 3 от колпачка схемы замещения и погружают их в плод картофеля. Производят измерение проводимости на фиксированной частоте. Отклонение результатов измерения от эталона фиксируют на измерительном приборе 6, а концентрацию нитрат-ионов в картофеле определяют по зависимости (1) с использованием коэффициентов множественной корреляции. Аналогично настраивают прибор на определение содержания других ионов в исследуемой среде, например хлор-ионов, концентрацию которых определяют также по зависимости (1).

Использование: сельское хозяйство, почвоведение, медицина, биология и пищевая промышленность. Сущность изобретения: измерение проводимости, соответствующей концентрации определяемых ионов, с помощью емкостной ячейки в электрической цепи переменного тока высокой частоты. Предварительно подбирают схему замещения исследуемой среды по ее проводимости при нормальной концентрации ионов в среде. Затем на ячейку с установленной на ней схемой замещения подают напряжение, увеличивая его частоту от 10⁴ до 10⁸ Гц, поддерживают значение напряжения соответствующим началу частотного диапазона, определяют точку экстремума проводимости ячейки со схемой замещения, фиксируют частоту, соответствующую этому экстремуму. Ячейку заполняют исследуемой средой и измеряют проводимость на частоте найденного ранее экстремума. Концентрацию определяемого иона устанавливают на основании корреляционной зависимости. 1 ил.

Способ ионометрии с помощью емкостной ячейки в электрической цепи переменного тока высокой частоты, включающий измерение проводимости исследуемой среды, по величине которой судят о концентрации определяемого иона, отличающийся тем, что предварительно проводят эталонные измерения с помощью схемы замещения ячейки, поддерживая напряжение одинаковым и изменяя частоту переменного тока от 10 ⁴ до 10⁸ Гц, находят величину проводимости в точке экстремума, после заполнения ячейки исследуемой средой измеряют ее проводимость на частоте экстремума, найденного при эталонных измерениях, находят отклонение проводимости среды от проводимости при эталонных измерениях, а концентрацию С определяемого иона рассчитывают по формуле
С b₀ + b₁f + b₂v + b₃fv + b₄f² + b₅v²,
где f частота переменного тока в точке экстремума;
v отклонение проводимости среды от проводимости при эталонных измерениях;
b₀, b₁, b₂, b₃, b₄, b₅ - коэффициенты уравнения множественной корреляции.