Многоканальный капельно-сканерный колориметр для анализа многокомпонентных водных растворов

Многоканальный капельно-сканерный колориметр для анализа многокомпонентных водных растворов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к технике капельного анализа водных растворов методами колориметрии на основе хромогенных реакций, и может быть использовано для создания более эффективных по сравнению с существующими средств экспресс-обнаружения и измерения концентраций веществ, содержащихся в воде.

Потребность в усовершенствованных средствах оценки качества водной среды диктуется необходимостью мониторинга и прогнозирования состояния гидросферы, обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и безопасности опасных объектов, а также снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф.

Одной из важнейших характеристик средств обнаружения и измерения концентраций вредных веществ в воде является их чувствительность. Подавляющее большинство практически используемых экспрессных методов контроля качества воды обладает чувствительностью, которая позволяет определять содержание токсичных и экологически опасных веществ на уровне ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ГН 2.1.5.1315-03). Эти концентрации на порядок выше ПДК вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов (Приказ Госкомитета РФ по рыболовству от 28.04.1999 г.№96). Однако достижение уровня именно последних ПДК является, по мнению экологических и санитарно-эпидемиологических органов, главным критерием чистоты природных вод и поэтому повышение чувствительности аналитических устройств является желательным.

Большая часть существующих экспресс-методов не позволяет проводить одновременный анализ водной среды по многим компонентам, то есть методы не являются многоканальными. Как правило, водная среда анализируется "вручную" путем отбора проб и их последующих исследований химическими, колориметрическими или другими, более сложными и дорогостоящими методами, по каждому веществу отдельно. На такие исследования затрачивается довольно много времени (несколько десятков минут, часы, иногда дни), что в ряде экстренных ситуаций (катастрофы, теракты) просто недопустимо.

Таким образом, для усовершенствования средств анализа водной среды главными ориентирами должны являться повышение чувствительности и обеспечение режима многоканальности измерений.

Наиболее простыми и распространенными методами определения содержания вредных примесей в воде в настоящее время являются колориметрические методы, основанные на проведении хромогенных реакций анализируемых веществ (аналитов) с индикаторными реагентами. При этом для увеличения чувствительности таких методов и повышения достоверности полученных с их помощью результатов измерений часто применяется капельная техника.

Капельным анализом (мокрым методом) принято называть химический анализ, в котором, по крайней мере, один компонент реакции - обычно определяемое вещество - применяют в виде капли его раствора. Наиболее обычная методика выполнения капельного анализа заключается в нанесении капель испытуемого раствора на поверхность пористых веществ, предварительно обработанную хромогенными химическими реагентами, изменяющими свой цвет в результате реакции с аналитом. К пористым веществам здесь относятся фильтровальная бумага, прессованные таблетки из порошкообразных или гранулированных пористых материалов, пористые полимерные или нетканые волокнистые материалы и пр.

В капельном анализе используются такие характеристики, как предел обнаружения и предельное разбавление, характеризующие чувствительность метода. При надлежащем воздействии на эти характеристики, меняя условия проведения реакций, можно существенно повысить чувствительность и надежность метода.

Имеются описания способов и устройств, базирующихся на капельном методе (Тананаев Н.А. Капельный метод. М.-Л. ГОСНИТИ ХЛ. 1954. 271 с.; Файгль Ф., Ангер В. Капельный анализ неорганических веществ, (пер. с англ.) М. Мир. 1976. Т.1, 2). В этих работах представлено описание хромогенных реагентов для обнаружения и определения около 150 видов неорганических ионов. Описана техника проведения хромогенных капельных реакций. В качестве основного недостатка описанных методов отметим то, что они не являются многоканальными. Кроме того, отсутствуют описания конкретных условий проведения реакций, способствующих увеличению чувствительности методов.

Описаны состав и способ его применения (RU №2200953, G01N 33/52, 20.03.2003) для экспресс-тестирования нитрат-ионов методом капельно-визуального колориметрического анализа. В качестве положительного эффекта отмечено, что данное решение позволяет увеличить диапазон определяемых концентраций нитрат-иона, сократить объем пробы и время определения. Недостатком описанного способа экспресс-тестирования является отсутствие в нем свойства многоканальности.

Известно устройство (US 5515170, G01J 3/52, 07.05.1996) для обнаружения и измерения концентрации аналита в биологической жидкости. В устройстве измеряется изменение интенсивности диффузного отражения света от тест-формы, произошедшее в результате протекания в ней хромогенной химической реакции аналита с индикаторным реагентом, после того как в объем тест-формы была введена капля испытуемого раствора. В качестве защищаемого признака, обладающего положительным эффектом, в устройстве используется змеевидная конфигурация держателя тест-формы, позволяющая быстро и надлежащим образом фиксировать положение тест-формы в пространстве относительно оптической апертуры измерительной системы диффузного отражения. Недостатком известного устройства является отсутствие в нем свойства многоканальности.

Известен способ измерения концентрации аналита в биологических жидкостях (US 6268162, C12Q 1/54, 31.07.2001), в котором измеряется изменение интенсивности диффузно отраженного света от поверхности матричной тест-формы, изготовленной в виде прямоугольной пластины из пористого материала, пропитанного хромогенным реагентом, после того как в объем тест-формы вводится капля испытуемой жидкости, содержащей аналит. С целью унификации времени протекания реакции в ряду независимых экспериментов и тем самым увеличения их воспроизводимости в способе предложено последовательное проведение измерений интенсивности отражения вначале от первой поверхности пластины, после того как на нее нанесена капля образца, а затем от второй поверхности, после того как ее достигнет испытуемая жидкость. Недостатком описанного способа является отсутствие в нем свойства многоканальности.

Описан способ визуально-капельно-таблетного колориметрического экспресс-анализа (RU 2290637, G01N 33/00, 27.12.2006). Способ характеризуется тем, что анализируемую жидкую пробу в объеме одной или нескольких капель (примерно 0,05-0,20 мл) наносят на компактную форму - порцию смеси всех функционально необходимых реагентов и вспомогательных веществ в виде таблетки или порции россыпи, хранящихся в герметизированной емкости - ячейке блистера. Масса и объем таблетки или порции россыпи сопоставимы с массой и объемом наносимой пробы и вместимостью блистерной ячейки, которая после нанесения пробы служит для осуществления цветной реакции и наблюдения ее результата - через 5-7 мин результат визуально сравнивают с цветной шкалой. Недостатками данного способа являются отсутствие в нем свойства многоканальности и использование визуального метода определения цвета. Отсутствие многоканальности, как говорилось выше, резко увеличивает трудозатраты и время для проведения анализа. Визуальный метод характеризуется большой субъективной составляющей и малой точностью, так как одним из элементов измерений является визуальное сравнение оператором цвета пробы с цветом цветовой шкалы.

Наиболее близким к предлагаемому многоканальному колориметру является мультисенсорное устройство для анализа многокомпонентных водных сред, описанное в патенте RU 2315976, G01N 21/00, 27.01.2008 (прототип). Устройство-прототип содержит набор селективных чувствительных элементов и преобразователь аналитического сигнала отклика чувствительных элементов. Селективные чувствительные элементы представляют собой тест-формы на основе селективных хромогенных аналитических реагентов, нанесенных на твердый носитель и помещенных в картридж, выполненный с возможностью экспонирования в анализируемой водной среде. Число тест-форм в картридже совпадает с количеством веществ, определяемых в многокомпонентной водной среде. В качестве преобразователя аналитического сигнала отклика чувствительных элементов (селективных тест-форм) в устройстве использован портативный сканирующий модуль, управляемый персональным компьютером.

Важным преимуществом устройства-прототипа является его многоканальность, обусловленная следующими признаками:

- наличие в устройстве нескольких тест-форм (каналов), количество которых совпадает с числом регистрируемых аналитов в испытуемом растворе;

- одновременное протекание хромогенных химических реакций во всех тест-формах;

- одновременное определение цветовых координат (оцифровка цвета) для всех прореагировавших тест-форм сканерным методом.

Недостатки устройства-прототипа связаны с тем, что хромогенные реакции аналитов с селективными индикаторными реагентами протекают в нем в результате экспонирования картриджа, содержащего тест-формы, путем его погружения в анализируемую водную среду. При этом условия протекания реакций во всех тест-формах в картридже одинаковы независимо от концентрации аналита в испытуемом растворе. Другими словами, в устройстве-прототипе невозможно независимое регулирование количества анализируемого раствора, поступающего в каждую тест-форму для проведения хромогенной реакции. В результате чувствительность и точность измерений для некоторых аналитов может резко снизиться. Например, может возникнуть ситуация, когда реакция аналита, находящегося в растворе в большой концентрации, достигает стадии, при которой интенсивность цвета окрашенной тест-формы оптимальна для ее оцифровки, тогда как глубина протекания реакции аналита, имеющего низкую концентрацию в этом же растворе, недостаточна для проведения точных количественных цветометрических измерений.

Задачей изобретения является разработка такого многоканального колориметра для обнаружения и измерения концентраций аналитов в многокомпонентных водных растворах, который позволит осуществлять независимое регулирование количества анализируемого раствора, поступающего в каждую тест-форму для проведения хромогенной реакции, путем одновременного независимого капельного дозирования испытуемого раствора по разным каналам, что обеспечит протекание хромогенных реакций во всех тест-формах, находящихся в устройстве, в оптимальных концентрационных условиях и позволит достичь максимальной чувствительности и точности измерений для всех определяемых аналитов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым многоканальным колориметром для анализа многокомпонентных водных растворов, содержащим набор селективных индикаторных тест-форм на основе селективных хромогенных аналитических реагентов и сканирующий преобразователь аналитического сигнала отклика селективных индикаторных тест-форм, который выполнен с возможностью проведения капельного анализа, для чего набор селективных индикаторных тест-форм, предназначенных для проведения реакций анализируемого раствора с хромогенными реагентами тест-форм, помещен в реакторный блок, который оснащен многоканальным устройством дозировки и подачи проб, обеспечивающим независимую капельную подачу анализируемого раствора в каждый канал колориметра, содержащий селективную индикаторную тест-форму.

Предлагаемый многоканальный колориметр имеет электронный модуль для управления работой реакторного блока и многоканального устройства дозировки и подачи проб, соединенный через интерфейс с персональным компьютером.

Набор селективных индикаторных тест-форм может быть выполнен в виде тест-слайдов, размещенных в держателе тест-слайдов, при этом реакторный блок оснащается направляющим желобом с фиксаторами для закрепления в нем держателя тест-слайдов.

В реакторном блоке могут располагаться нагревательные элементы, обеспечивающие независимые нагрев и термостатирование каждой из тест-форм, находящихся в тест-слайде, в которых протекают реакции анализируемого раствора с хромогенными реагентами.

Реакторный блок может содержать микровентиляторы, обеспечивающие постреакционную сушку тест-слайда.

Сканирующий преобразователь аналитического сигнала отклика селективных индикаторных тест-форм может представлять собой слайд-сканер.

Тест-формы изготавливаются путем пропиточного нанесения растворов селективных хромогенных аналитических реагентов на поверхность носителей с их последующей просушкой. В качестве носителей для изготовления тест-форм могут быть использованы сорбенты для жидкостной хроматографии - модифицированные силикагели мелких фракций.

В качестве примера в таблице приведены компоненты, которые могут быть использованы для изготовления тест-форм, входящих в состав тест-слайдов в предлагаемом колориметре, предназначенных для анализа некоторых аналитов (химически опасных веществ).

Аналит	Хромогенный аналитический реагент	Носитель
Алюминий (III)	Эриохромцианин Р	Диасфер-130-нитрил
Аммоний-ион (NH4 +)	Реактив Несслера+хлорамин Б	Диасфер-130-нитрил
Железо (III)	Трипиридилтриазин	Диасорб-130-сульфо
Медь (II)	Купризон	Диасорб-1500-ТА
Мышьяк	2-(4,5-диметилтиазолил-2)-3,5-дифенилтетразолий бромистый	Диасфер-130-нитрил
Нефтепродукты, суммарно	2,3,5-трифенилформазан	Диасорб-130-ИДК
Нитраты (по NO3 -)	Реагент на основе N,N-диэтил1-аминонафталина	Диасорб-130-сульфо
Нитриты (по NO2 -)	Реагент на основе N,N-диэтил1-аминонафталина	Диасфер-130-нитрил
АПАВ	Тиазолиловый синий	Диасфер-130-нитрил
Свинец	Арсазен	Диасорб-1500-ТА
Сульфаты (по SO4 2-)	Комплексы бария с бериллоном (II)	Диасорб-130-сульфо
Сульфиды	N,N'-диэтилпарадиметиланилин	Диасорб-130-сульфо
Фенолы (фенольный индекс)	4-аминоантипирин в присутствии окислителя	Диасорб-130-ИДК
Фториды (F-)	4-нитрофенилазоарсоновая кислота	Диасорб-130-сульфо
Хлориды (Cl-)	Трифенилкарбоксиформезан ртути	Диасорб-130-сульфо
Цинк	Пиридилазорезорцин	Диасорб-130-сульфо

На фиг.1 приведен чертеж конструкции реакторного блока (1) и соединенного с ним многоканального устройства дозировки и подачи проб (дозатора) (2), являющихся основными элементами предлагаемого многоканального капельно-сканерного колориметра. Главным элементом дозатора (2) являются наконечники (3), обеспечивающие независимую капельную подачу анализируемого раствора в каждую тест-форму. В реакторном блоке (1) имеется направляющий желоб с входной (4) и выходной (5) прорезями для помещения в направляющий желоб и извлечения из него держателя тест-слайдов (6). Держатель тест-слайдов (6) закрепляется в направляющем желобе фиксаторами (7). В реакторном блоке (1) под тест-формами, в которых протекают реакции анализируемого раствора с хромогенными реагентами, расположены нагревательные элементы (8), обеспечивающие независимые нагрев и термостатирование каждой из тест-форм, находящихся в тест-слайде. Реакторный блок (1) оснащен микровентиляторами (9) для постреакционной сушки тест-слайда перед помещением его в сканирующий преобразователь аналитического сигнала отклика индикаторных тест-форм (в слайд-сканер), управляемый персональным компьютером (не показаны). Для сигнализации об окончании одного цикла процесса хромогенных реакций (в одном тест-слайде) реакторный блок оснащен звуковым (10) и световым сигнализатором (11). Дозатор (2) соединяется с реакторным блоком (1) при помощи крепежной стойки (12). В правом верхнем углу фиг.1 приведен схематический чертеж реакторного блока (1) с крепежной стойкой (12) без дозатора и держателя тест-слайдов.

На фиг.2 показано взаимное расположение выходных отверстий наконечников (3) дозатора (2) и тест-форм (13) в тест-слайде (14), в которых протекают реакции анализируемого раствора с хромогенными реагентами. Тест-слайды (14) размещены в держателе тест-слайдов (6).

Предлагаемый колориметр имеет электронный модуль (не показан) для управления работой реакторного блока и многоканального устройства дозировки и подачи проб, соединенный через интерфейс EIA/TIA-485 с персональным компьютером. Функционирование электронного модуля обеспечивается программой, позволяющей осуществлять непрерывный контроль и регулирование процессов, протекающих в реакторном блоке.

Работа предлагаемого многоканального капельно-сканерного колориметра осуществляется следующим образом.

В соответствии с утвержденным протоколом измерений изготавливаются тест-формы (13) необходимой номенклатуры и в нужных количествах. С использованием подготовленных тест-форм (13) изготавливаются тест-слайды (14), которые вставляются в держатель тест-слайдов (6). Дозатор (2), предварительно заполненный анализируемой пробой, помещается в крепежную стойку (12) реакторного блока (1) и подключается через интерфейс EIA/TIA-485 к электронному модулю, управляющему работой реакторного блока и дозатора. Подготовленный держатель тест-слайдов (6) вставляется во входную прорезь (4) направляющего желоба реакторного блока и фиксируется фиксаторами (7) до щелчка. При этом за счет юстировки конфигурации крепежной стойки (12) реакторного блока (1) выходные отверстия наконечников (3) дозатора (2) автоматически располагаются напротив центров окружностей тест-форм (13) в тест-слайде (14) (см. фиг.2). Запускается программа, контролирующая работу электронного модуля, осуществляющего управление реакторным блоком и дозатором, в соответствии с которой производится одновременная инжекция заранее установленных доз анализируемой пробы воды из наконечников (3) в тест-формы (13), находящиеся в одном тест-слайде (14). Затем в соответствии с программой с помощью нагревательных элементов (8) осуществляется независимый нагрев и термостатирование каждой из тест-форм (13), находящихся в тест-слайде (14), в которых протекают хромогенные реакции. По окончании цикла хромогенных реакций электронный модуль включает микровентиляторы (9) для постреакционной обработки (сушки) тест-слайда (14) (перед помещением его в слайд-сканер) и затем звуковой (10) и световой (11) сигнализаторы, оповещающие о завершении одного цикла анализа (в одном тест-слайде). Держатель тест-слайдов (6) либо извлекается из направляющего желоба и помещается в слайд-сканер для считывания цветовой информации с тест-форм (13) "прореагировавшего" тест-слайда (14), либо передвигается для проведения анализа в следующем тест-слайде. Длительность одного цикла анализа в одном тест-слайде от момента установки держателя тест-слайдов во входной прорези направляющего желоба реакторного блока до выведения данных анализа на дисплей персонального компьютера не превышает нескольких минут.

Таким образом, предлагаемый многоканальный капельно-сканерный колориметр позволяет осуществлять одновременное независимое капельное дозирование анализируемого раствора по разным каналам, то есть позволяет регулировать количество анализируемого раствора, поступающего в каждую отдельную селективную индикаторную тест-форму, что обеспечивает оптимальные концентрационные условия для протекания хромогенных реакций во всех тест-формах. Кроме того, благодаря оснащению колориметра нагревательными элементами, способными осуществлять независимое нагревание и термостатирование каждой тест-формы, обеспечиваются оптимальные температурный и временной режимы для полного завершения каждой хромогенной реакции. Разработанная конструкция предлагаемого колориметра позволяет достичь максимальной чувствительности и точности измерений для всех одновременно определяемых аналитов, присутствующих в многокомпонентных водных растворах.

1. Многоканальный колориметр для анализа многокомпонентных водных растворов, содержащий набор селективных индикаторных тест-форм на основе селективных хромогенных аналитических реагентов и сканирующий преобразователь аналитического сигнала отклика селективных индикаторных тест-форм, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью проведения капельного анализа, для чего набор селективных индикаторных тест-форм, предназначенных для проведения реакций анализируемого раствора с хромогенными реагентами тест-форм, помещен в реакторный блок, который оснащен многоканальным устройством дозировки и подачи проб, обеспечивающим независимую капельную подачу анализируемого раствора в каждый канал колориметра, содержащий селективную индикаторную тест-форму.

2. Многоканальный колориметр по п.1, отличающийся тем, что он имеет электронный модуль для управления работой реакторного блока и многоканального устройства дозировки и подачи проб, соединенный через интерфейс с персональным компьютером.

3. Многоканальный колориметр по п.1, отличающийся тем, что набор селективных индикаторных тест-форм выполнен в виде тест-слайдов, размещенных в держателе тест-слайдов.

4. Многоканальный колориметр по п.3, отличающийся тем, что реакторный блок имеет направляющий желоб с фиксаторами для закрепления в нем держателя тест-слайдов с набором селективных индикаторных тест-форм.

5. Многоканальный колориметр по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в реакторном блоке расположены нагревательные элементы, обеспечивающие независимые нагрев и термостатирование каждой из тест-форм, находящихся в тест-слайде, в которых протекают реакции анализируемого раствора с хромогенными реагентами.

6. Многоканальный колориметр по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что реакторный блок содержит микровентиляторы, обеспечивающие постреакционную сушку тест-слайда.

7. Многоканальный колориметр по п.1, отличающийся тем, что сканирующий преобразователь аналитического сигнала отклика селективных индикаторных тест-форм представляет собой слайд-сканер.