Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс для анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей
Полезная модель относится к области потенциометрических и хемометрических методов анализа. Технический результат заключается в возможности количественного анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, содержащих хлориды натрия и калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид. В состав потенциометрического мультисенсорного измерительного комплекса для количественного анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей входят кросс-селективный ПД-сенсор, откликом которого является доннановская разность потенциалов на межфазной границе перфторированный сульфокатионитовый полимер/ анализируемый раствор, калий-селективный электрод, натрий-селективный электрод, кальций(магний)-селективный электрод, хлорсеребряный электрод сравнения, многоканальный высокоомный вольтметр, блок управления. Полезная модель может быть использовано для контроля компонентов на всех стадиях и в конечном продукте при производстве лечебно-профилактических пищевых солевых смесей.
Полезная модель относится к области потенциометрических и хемометрических методов анализа. Она может быть использована для экспрессного определения компонентов на всех стадиях и в конечном продукте при производстве лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, в состав которых входят хлориды натрия, калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид.
Известна потенциометрическая мультисенсорная система, включающая набор ионселективных электродов (ИСЭ) и биосенсор, организованный на основе аммиак-селективного электрода для определения аминокислоты лизин в фармацевтических препаратах в присутствии NH4
+, K+, Na+, Ca2+ , Mg2+, Li+ с точностью от 70% (Garsia-Villar N., Saurina J., Hernandez-Cassou S. // Fresenius' journal of analytical chemistry. 2001. Volume 371. 
7. P. 1001-1008). Помимо низкой точности, недостатком известной сенсорной системы является малое время жизни активного слоя биосенсора не превышающее 4 недель, которое требует регенерации активного фермента после измерения, снижает срок эксплуатации сенсора и стабильность анализа, делает сенсор непригодным для использования в длительных непрерывных технологических процессах.
Известен потенциометрический сенсор для селективного определения лизина в водных растворах в присутствии нейтральных аминокислот и ионов NH4+. Сенсор состоит из двух корпусов, в одном из которых установлен хлорсеребряный электрод, в другом установлена перфторированная сульфокатионитовая трубка или мембрана, или стержень, таким образом, что один их конец размещен в первом корпусе, а другой выступает за пределы второго корпуса (патент РФ 2376591, 2009). Недостатком данного сенсора является снижение селективности, стабильности и точности в многокомпонентных водных растворах, содержащих соли щелочных и щелочноземельных металлов.
Наиболее близким является потенциометрический измерительный комплекс для совместного определения некоторых органических и неорганических электролитов в многокомпонентных водных растворах, который включает блок управления, многоканальный вольтметр, хлоридсеребряный электрод сравнения, калий-селективный электрод, натрий-селективный электрод и кросс-селективный сенсор (патент РФ 87260,2009).
Данный комплекс предназначен для определения компонентов водных растворов, содержащих органические электролиты, в частности, лизин моногидрохлорид, и хлориды калия и натрия, поэтому не может быть использован для анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, которые наряду с вышеуказанными компонентами, содержат сульфат магния, лизин моногидрохлорид. К ним, например, относятся «Pansalt», Copyright 2003 IMI Lifestyle Products Pte Ltd Designed by CJL Media Technologies; «Минеральная соль с пониженным содержанием хлорида натрия» (патент РФ 2286071); а.с. СССР 1079166; патент США 4931305.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в разработке мультисенсорной измерительной системы предназначенной для экспрессного количественного анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, содержащих хлориды натрия и калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид.
Технический результат заключается в возможности реализации поставленной задачи.
Технический результат достигается тем, что мультисенсорный измерительный комплекс для количественного анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, в состав которых входят хлориды натрия и калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид, включает блок управления, высокоомный. многоканальный вольтметр, хлоридсеребряный электрод сравнения, калий-селективный электрод, натрий-селективный электрод, кальций(магний)-селективный электрод и кросс-селективный ПД-сенсор, аналитическим сигналом которого является потенциал Доннана, состоящий из двух корпусов, в одном из которых установлен внутренний хлоридсеребряный электрод сравнения, в другом установлена перфторированная сульфокатионитовая полимерная трубка или мембрана, или стержень, таким образом, что один ее конец размещен в первом корпусе, а другой выступает за пределы второго корпуса. Все электроды и ПД-сенсор через многоканальный вольтметр подключены к блоку управления.
Для разработки мультисенсорного измерительного комплекса использовались перфторированные сульфокатионитовые полимерные (ПСП) трубки, стержни, мембраны в калиевой форме (изготовитель ОАО «Пластполимер», г. Санкт-Петербург, Россия). Гидрофобность политетрафторэтиленовой матрицы и отсутствие макропор в структуре ПСП обеспечивают более высокие величины откликов, чувствительность и точность ПД-сенсоров по сравнению с ПД-сенсорами на основе углеводородных полимеров с гидрофильной матрицей. ПД-сенсор на основе ПСП в калиевой форме характеризуется соизмеримо высокой чувствительностью ко всем определяемым компонентам LysH+ (41±2 мВ/рС); Na+(44±2 мB/pC);K+(42±2 мB/pC); Mg2+(32±2 мB/pC), т.е. является кросс-селективными по отношению к определяемым компонентам. Потенциал определяющими реакциями ПД-сенсора на основе ПСП в калиевой форме являются реакции ионного обмена с участием катионов определяемых компонентов. ИСЭ чувствительны преимущественно к соответствующим неорганическим катионам, однако не являются высокоселективными в исследуемых растворах.
На фиг.1 представлена схема мультисенсорного измерительного комплекса для анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, содержащих хлориды натрия и калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид.
Конструкция мультисенсорного измерительного комплекса для анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей, содержащих хлориды натрия и калия, сульфат магния, лизин моногидрохлорид, включает кросс-селективный ПД-сенсор 1, организованный на основе ПСП в калиевой форме, калий-селективный электрод (К-СЭ) 2, натрий-селективный электрод (Na-СЭ) 3, кальций(магний)-селективный электрод (Mg(Ca)-CЭ) 4, хлоридсеребряный электрод сравнения 5, закрепленные в штативе 6, высокоомный многоканальный вольтметр 7, блок управления 8, причем все электроды (2-5) и ПД-сенсор 1 через многоканальный вольтметр подключены к блоку управления. Конструкция ПД-сенсора 1 включает два пластиковых корпуса 9 и 10 объемом соответственно 5 и 0,5 см3, заполненных 0,1 М раствором КСl. Корпуса 9, 10 соединяются через герметичное уплотнение 11, например, резиновую пробку, и герметично закрываются герметичными (резиновыми) пробками 12, 13. Внутренний электрод сравнения 14 (серебряная проволока, покрытая хлоридом серебра), закреплен в корпусе 9. Трубка (или стержень, или мембрана) 15 длиной 6-8 см, закреплена в пробках 11, 13 и одним концом 16 находится внутри корпуса 9, основная его часть находится внутри корпуса 10, второй конец 17 выступает за пределы корпуса 10. При длительном хранении конец 17 ПСП закрывается защитным колпачком 18. Между измерениями ПД-сенсор 1 следует хранить в 0,1 М растворе КС1. Блок управления 8 включает персональный компьютер с программным обеспечением.
Работа мультисенсорного измерительного комплекса реализуется следующим образом. В корпусе 9 (пд-сенсор 1) 0,1 М раствор КСl заменяется 1 М раствором КСl. Из корпуса 10 ПД-сенсора 1 раствор удаляется. ПД-сенсор 1 свободным концом 17 трубки 15, К-СЭ 2, Na-СЭ 3, Mg(Ca)-CЭ 4, хлоридсеребряный электрод сравнения 5 погружаются в анализируемый раствор. Потенциалы ПД-сенсора 1 и электродов (2-4) измеряют относительно электрода сравнения 5 с помощью высокоомного многоканального электронного вольтметра 7. Значения потенциалов фиксируются через 2-5 минут, автоматически выводятся на персональный компьютер, обрабатываются с помощью программного обеспечения, значения концентраций определяемых компонентов исследуемых растворов выводятся на экране. Электрохимические цепи для определения отклика массива сенсоров определяются выражениями:
(ПД-сенсор 1) Ag |AgCl, 1M KCl| ПСП в К+ форме | анализируемый раствор | насыщенный раствор KCl, AgCl | Ag (электрод сравнения 5) (электрод 2) Ag | AgCl, 0,1М KCl | ПВХ мембрана | анализируемый раствор | насыщенный раствор KCl, AgCl | Ag (электрод сравнения 5) (электрод 3) Ag | AgCl, 0,1M HCl | стеклянная мембрана | анализируемый раствор | насыщенный раствор KCl, AgCl | Ag (электрод сравнения 5) (электрод 4) Ag | AgCl, 0,1М KCl | ПВХ мембрана | анализируемый раствор | насыщенный раствор KCl, AgCl | Ag (электрод сравнения 5)
ПРИМЕР 1
Объектами анализа служили образцы лечебно-профилактической «Минеральной соли с пониженным содержанием хлорида натрия» (Патент РФ 2286071, 2006), содержащей NaCl по ГОСТ 13830, KCl по ГОСТ 4234-71, MgSO4, по ГОСТ 4523-77, LysHCl, соответствующий ТУ 9291-001-51711-02, в следующем массовом соотношении 0,35-0,58; 0,31-0,40; 0,05-0,10; 0,02-0,10. Данный продукт позволяет расширить российский ассортимент профилактических и диетических солевых смесей с пониженным содержанием хлорида натрия.
Для вывода уравнений многомерной калибровки были получены значения откликов ПД-сенсора на основе ПСП в калиевой форме, К-СЭ, Na-СЭ, Mg(Ca)-CЭ, измеренных относительно хлоридсеребряного электрода сравнения в смешанных водных растворах хлоридов калия, натрия, сульфата магния, моногидрохлорида лизина. Индивидуальные концентрации компонентов в исследуемых растворах варьировались от 10-3 до 10-2 М для КСl, NaCl и от 10-4 до 10 -3 М для MgSO4, LysHCl.
На основании полученных данных с помощью методов многомерного анализа подобрана оптимальная система уравнений для расчета концентраций компонентов в водных растворах хлоридов калия, натрия, сульфата магния, моногидрохлорида лизина:
Градуировочные уравнения (1) являются адекватными на уровне значимости 0,05. Использование статистических моделей, учитывающих взаимодействие компонентов системы, снизило соответственно в 1,9 и 1,7 раза ошибки ПД-сенсора и Na-СЭ. Относительные погрешности определения откликов ПД-сенсора, К-СЭ, Na-СЭ, Ca(Mg)-CЭ в соответствующих многокомпонентных растворах с помощью градуировочных уравнений (1) составили 1,6%, 3%, 7%, 0,2% соответственно.
Для определения состава образцов лечебно-профилактической «Минеральной соли с пониженным содержанием хлорида натрия» значения откликов ПД-сенсора, К-СЭ, Na-СЭ, Mg(Ca)-CЭ измеряли относительно электрода сравнения в водных растворах 1 г/л соли. Число определений составляло 3-5. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили при доверительной вероятности 0,95. Определенные с помощью системы уравнений (1) концентрации ионов Na+ , K+, Mg2+, LysH+ составили 9,0·10-3±0,5·10-3, 5,1·10 -3±0,3·10-3, 4,5·10-4 ±0,3·10-4, 1,0·10-4±0,4·10 -4 M (это соответствует массовым долям в сухом образце 0,53±0,04 NaCl, 0,38±0,02 КСl, 0,054±0,004 MgSO 4, 0,020±0,008 LysHCl). Таким образом, найденный состав исследуемых образцов лечебно-профилактической соли соответствуют заявленному составу продукта.
1. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс для количественного анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей включает блок управления, высокоомный многоканальный вольтметр, хлоридсеребряный электрод сравнения, калий-селективный электрод, натрий-селективный электрод, кальций(магний)-селективный электрод и кросс-селективный ПД-сенсор, все электроды и ПД-сенсор подключены через многоканальный вольтметр к блоку управления, ПД-сенсор состоит из двух корпусов, соединенных между собой через герметичное уплотнение и закрытых герметичными пробками, в одном из которых установлен внутренний хлоридсеребряный электрод сравнения, в другом установлена перфторированная сульфокатионитовая полимерная трубка, или мембрана, или стержень таким образом, что один их конец размещен в первом корпусе, а другой выступает за пределы второго корпуса.
2. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс по п.1, отличающийся тем, что трубки, мембраны и стержни выполнены из перфторированного сульфокатионитового полимера в калиевой форме.
3. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс по п.1, отличающийся тем, что корпус, в котором установлен внутренний хлоридсеребряный электрод сравнения перекрестно чувствительного ПД-сенсора, заполнен 0,1 М раствором КСl.
4. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс по п.1, отличающийся тем, что электроды и ПД-сенсор смонтированы, например, на штативе.
