СПОСОБ АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВ В ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХ С ЭКСТРАКЦИОННЫМ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N21/43 B01D61/24 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к способам осуществления массообменных процессов с применением оптоволоконных химических датчиков. Изобретение может быть использовано для разработки приборов контроля качества воды и воздушных сред, где используются экстракционные методы анализа.

Известны способы организации экстракции и устройства для их осуществления (1, 2), в которых процесс проведения химического анализа предполагает, по крайней мере, две стадии: непосредственно - стадия экстракции, а затем процесс измерений в лабораторных условиях. При такой организации экстракции устройства представляют собой мембраны, между которыми помещен пористый полимерный материал, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является подход, реализованный в патенте 2109555 (3) в примере количественного определения нефтепродуктов в воде, где использован способ организации экстракционного концентрирования, являющийся частным случаем массообмена. Устройство для реализации этого способа позволяет проводить аналитические измерения в непрерывном режиме. Суть данного подхода заключается в том, что поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны, причем между последними помещают пористый материал, имеющий систему поверхностных капилляров, не смачиваемых той же фазой, которая не смачивает мембраны. Процесс экстракции происходит на всей капиллярной поверхности в объеме полимерного материала с открытыми порами. Затем экстрагированные анализируемые соединения подаются на измерительные устройства с помощью системы насосов и клапанов.

К недостаткам известных способов организации экстракции можно отнести:
- большую инерционность системы, являющуюся следствием большого объема полимерного материала с открытыми порами, где происходит экстракция;
- необходимость использования дополнительных устройств для подачи экстрагента в массообменную камеру и на измерительное устройство;
- подверженность воздействию механических примесей, что проявляется в их высаждении в объеме полимерных структур и приводит к изменению пропускной способности всего массообменного блока, в конечном итоге к выходу из строя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение быстродействия аналитической системы при одновременном уменьшении влияния механических примесей, упрощение конструкции и повышение надежности аналитической системы.

Поставленная задача решается следующим образом.

1. В способе анализа химического состава веществ в жидких и газообразных средах с экстракционным концентрированием, заключающемся в том, что анализируемое вещество экстрагируется в органическую фазу и анализируется оптическим методом, экстракцию осуществляют на поверхности двухслойной, пористой гидрофобной композиции, наполненной органическим растворителем и состоящей из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, а анализ проводят на границе раздела органической фазы и оптического волновода, причем сконцентрированные анализируемые соединения попадают на границу раздела за счет диффузии в системе органическая фаза - двухслойная, пористая гидрофобная композиция, а обновление органической фазы происходит за счет ее выноса в пробу.

2. В устройстве для анализа химического состава веществ в жидких и газообразных средах с экстракционным концентрированием, содержащем массообменную камеру и регистрирующее оптическое устройство, массообменная камера выполнена в виде двухслойной, пористой гидрофобной композиции, постоянно наполненной органическим растворителем и состоящей из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, а органический растворитель-экстрагент имеет показатель преломления меньше, чем у материала оптического волновода.

Наличие двухслойной, пористой гидрофобной композиции обеспечивает высокую эффективность массообмена, при этом уменьшается расход реагентов, необходимых для анализа, поскольку из объемной композиции появилась возможность перейти в плоскостную. По этой же причине увеличивается отклик системы и уменьшается влияние механических загрязнений анализируемой пробы. Обновление органического растворителя происходит за счет взаимного растворения двух несмешивающихся жидкостей или испарения в поток газа.

На фиг. 1 представлено схемное изображение предлагаемого устройства. На фиг.2-4 - варианты осуществления реализации предлагаемого изобретения.

Основным узлом устройства по фиг.1 является массообменная камера, через коллектор 1 которой подается анализируемое вещество. Массообменная камера выполнена в виде единого конструктивного блока и представляет собой двухслойную, пористую гидрофобную композицию 2, постоянно наполненную органическим растворителем. Двухслойная, пористая гидрофобная композиция состоит из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода 3, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров. Органический растворитель-экстрагент постоянно наполняет композицию из резервуара 4 и имеет показатель преломления меньше, чем у материала оптического волновода.

Под действием капиллярных сил смачивающая жидкость-экстрагент из резервуара 4 заполняет поры микропористой мембраны и поверхность открытых пор полимера, на которую подается анализируемое вещество. Экстрагируемые соединения за счет явления массопереноса концентрируются в экстрагенте, меняя при этом условия распространения света на границе раздела оптического волновода и смачивающей жидкости. Оптическая регистрация обеспечивается за счет эффекта нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) на границе раздела оптического волновода и смачивающей жидкости-экстрагента. Остальные элементы устройства аналогичны стандартным оптическим датчикам, работающими на НПВО, и содержат источник излучения и регистрирующие устройства (не показаны).

Данное изобретение представляет собой новый подход к осуществлению в непрерывном режиме химического анализа индивидуальных соединений или классов соединений.

Варианты осуществления изобретения
Основным компонентом изобретения является массообменный блок, выполненный в виде двухслойной, пористой гидрофобной композиции, состоящей из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода, и полимера, имеющего систему открытых пор. Наполнение двухслойной, пористой гидрофобной композиции смачивающей жидкостью осуществляется за счет капиллярных сил из резервуара. При экстракции определяемых компонентов на границе раздела фаз с органическим растворителем происходит их накопление внутри объема микропористой мембраны, а следовательно, меняются оптические характеристики среды, а именно:
1. Показатель преломления - устройство выполнено конструктивно в виде рефрактометра и измеряется изменение показателя преломления по изменению пропускания или угла отклонения (фиг.2)
Пример 1. Измерение нефтепродуктов в воде рефрактометрическим способом
Двухслойная, пористая гидрофобная композиция 2, состоящая из микропористой мембраны, нанесенная на поверхность оптического волокна 3, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, наполняется за счет капиллярных сил органическим растворителем из резервуара 4. Излучение от диодного лазерного источника 5 с помощью согласующей линзы вводится через торец волокна и распространяется в волокне за счет полного внутреннего отражения. На выходе волокна расположен фотоприемник 6, который измеряет интенсивность света, прошедшего через волокно. Когда устройство (волоконный датчик) помещается в поток воды, содержащей нефтепродукты, в органическом растворителе, который наполняет мембрану, начинают накапливаться нефтепродукты, коэффициент преломления которых в большинстве случаев отличается от коэффициента преломления растворителя. При этом меняются условия распространения лазерного излучения внутри волокна, что регистрируется в виде изменения интенсивности прошедшего света или угла отклонения.

2. Интенсивность флуоресценции - тогда устройство работает как флуориметр (фиг.3)
Пример 2. Измерение нефтепродуктов в воде флуоресцентным методом
Двухслойная, пористая гидрофобная композиция 2, состоящая из микропористой мембраны, нанесенную на поверхность кварцевой пластины 3, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, заполнена гексаном для спектральных измерений, имеющего низкий фон собственной люминесценции в ультрафиолетовой области спектра. При этом кварцевая пластина имеет низкий фон собственной люминесценции в ультрафиолетовой области спектра. Гексан подается в композицию 2 из резервуара 4 за счет капиллярных сил. Экстракция нефтепродуктов в гексан из водной фазы происходит при ее протекании вдоль композиции. Возбуждение флуоресценции в граничном слое кварц-гексан осуществляется на полном внутреннем отражении, а измерение интенсивности флуоресценции нефтепродуктов, сконцентрированных из воды в гексан, которая пропорциональна их концентрации, осуществляется с противоположной стороны кварцевой пластины или с ее торцов, а в случае использования световолокна регистрация флуоресценции производится с внешней поверхности волокна или с его торца.

3. Пропускание - в этом случае устройство выполнено в виде фотометра (фиг.4)
Пример 3. Фотометрический способ измерения содержания ионов меди в воде
Двухслойная, пористая гидрофобная композиция 2, состоящая из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волокна или световода 3, и полимера, имеющего систему открытых капилляров, наполнена за счет капиллярных сил раствором диэтилдитиокарбаминатом свинца в хлороформе. В качестве источника света 5 используется светодиод в сочетании с согласующей линзой с максимумом излучения 436 нм. Прошедшее через датчик излучение регистрируется с помощью фотодиода 6 при помещении датчика в поток воды, содержащий ионы меди, за счет того, что медь образует более прочный комплекс с диэтилдитиокарбаминатом в хлороформе, окрашивая его в желто-коричневый цвет. Оптическая регистрация обеспечивается при распространении света за счет полного внутреннего отражения, когда менее плотная среда имеет показатель поглощения, отличный от нуля.

Список литературы
1. С. Ю.Ивахно, А.В.Афанасьев, Г.А.Ягодин. Итоги науки и техники. Неорганическая химия. Т.13. - М., 1985.

2. Babcock W.C., Bakez R.W., Kelly D.J., et all. J US government research reports. 1980, 7. PB 80-110430, p. 1174.

3. Патент 2109555.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к способам осуществления массообменных процессов с применением оптоволоконных химических датчиков. Изобретение может быть использовано для разработки приборов контроля качества воды и воздушных сред, где используются экстракционные методы анализа. Способ анализа заключается в том, что анализируемое вещество экстрагируется в органическую фазу и анализируется оптическим методом. Экстракцию осуществляют на поверхности двухслойной, полимерной композиции в системе открытых пор, нанесенной на поверхность оптического волновода. Анализ проводят на границе раздела органической фазы и оптического волновода, причем сконцентрированные анализируемые соединения попадают на границу раздела за счет диффузии в системе органическая фаза - двухслойная полимерная композиция, а обновление органической фазы происходит за счет ее выноса в пробу. Устройство содержит массообменную камеру и регистрирующее оптическое устройство. Массообменная камера выполнена в виде двухслойной, пористой гидрофобной композиции, постоянно наполненной органическим растворителем и нанесенной на поверхность оптического волновода. Двухслойная, пористая гидрофобная композиция состоит из микропористой мембраны и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, а органический растворитель-экстрагент имеет показатель преломления меньше, чем у материала оптического волновода. Техническим результатом является увеличение быстродействия аналитической системы при одновременном уменьшении влияния механических примесей, упрощение конструкции и повышение надежности аналитической системы. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ анализа химического состава веществ в жидких и газообразных средах с экстракционным концентрированием, заключающийся в том, что анализируемое вещество экстрагируется в органическую фазу и анализируется оптическим методом, отличающийся тем, что экстракцию осуществляют на поверхности двухслойной пористой гидрофобной композиции, наполненной органическим растворителем и состоящей из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, а анализ проводят на границе раздела органической фазы и оптического волновода, причем сконцентрированные анализируемые соединения попадают на границу раздела за счет диффузии в системе органическая фаза – двухслойная пористая гидрофобная композиция, а обновление органической фазы происходит за счет ее выноса в пробу.2. Устройство для анализа химического состава веществ в жидких и газообразных средах с экстракционным концентрированием, содержащее массообменную камеру и регистрирующее оптическое устройство, отличающееся тем, что массообменная камера выполнена в виде двухслойной пористой гидрофобной композиции, постоянно наполненной органическим растворителем, и состоит из микропористой мембраны, нанесенной на поверхность оптического волновода, и полимера, имеющего систему открытых поверхностных капилляров, а органический растворитель–экстрагент имеет показатель преломления меньше, чем у материала оптического волновода.