Способ определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале
Владельцы патента RU 2428663:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к инструментальным методам химического анализа и может быть использовано для обнаружения и определения вещества в исследуемых пробах по аналитическому сигналу с использованием цветовой шкалы. Способ заключается в использовании оптодов, иммобилизованных реагентом, который взаимодействует с анализируемым веществом. После взаимодействия получают цветовую шкалу. Затем аналоговый сигнал цветового изображения шкалы преобразуют в цифровой сигнал, по которому определяют цветовые координаты для каждого оптода. Определяют цветовые различия оптодов, необходимые для построения градуировочной зависимости цветового различия от концентрации анализируемого вещества. После изменения цвета оптода при взаимодействии с раствором преобразуют аналоговый сигнал цветового изображения оптодов в цифровой сигнал, по которому определяют его цветовые координаты. Вычисляют цветовое различие этого оптода и по параметрам полученной ранее градуировочной зависимости определяют количество анализируемого вещества в пробе изучаемого объекта. Изобретение направлено на снижение предела обнаружения, повышение точности определения, расширение диапазона определяемых концентраций и сокращение времени получения аналитического сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Изобретение относится к инструментальным способам химического анализа, а именно обнаружению и количественному определению вещества в исследуемых пробах по аналитическому сигналу с использованием цветовой шкалы.
Известен способ определения количества ионов лития (E.Hirayama, T.Sugiyama, H.Hisamoto, K.Suzuki. Visual and colorimetric lithium ion sensing based on digital color analysis. Analytical Chemistry, 2000, 72, 465-474), который основан на определении цветового различия в стандартной колориметрической системе XYZ с использованием цифрового цветометрического анализатора, который подключается к компьютеру для обработки полученных данных.
Недостатки этого способа заключаются в следующем:
- способ предназначен только для определения ионов лития;
- в качестве сенсора используется бумажный оптод, обладающий пористой и неровной поверхностью, что приводит к ухудшению его оптических характеристик.
Наиболее близким, принятым за прототип является способ определения количества анализируемого вещества с использованием твердофазной спектрофотометрии (N.A.Gavrilenko and N.V.Saranchina. Solid Phase Spectrophotometric Determination of Silver Using Dithizone Immobilized in a Polymethacrylate Matrix, Journal of Analytical Chemistry, 2010, vol.65, no.2, pp.148-152), в котором в качестве оптодов используются мембраны, созданные из реагентов, иммобилизованных на оптически прозрачных твердых полимерных матрицах. Иммобилизованные реагенты, взаимодействуя с определяемым компонентом, изменяют цвет оптода, оптическую плотность которого измеряют с помощью спектрофотометра. Определение концентрации анализируемого вещества в пробе производится по градуировочной зависимости оптической плотности от концентрации.
Недостатками прототипа являются значительные временные затраты на получение результатов определения анализируемого вещества и низкая чувствительность и селективность определения за счет использования единичного сигнала при определенной длине волны.
Задачей изобретения является снижение предела обнаружения, повышение точности определения анализируемого вещества, расширение диапазона определяемых концентраций и сокращение времени получения аналитического сигнала с оптода при определении количества анализируемого вещества с использованием цветовой шкалы.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале используют оптоды, иммобилизованные реагентом, который взаимодействует с анализируемым веществом. После взаимодействия получают цветовую шкалу, по которой строят градуировочную зависимость аналитического сигнала от концентрации анализируемого вещества. Далее получают раствор пробы изучаемого объекта, в который помещают оптод. После изменения цвета оптода при этом взаимодействии определяют его аналитический сигнал, используя значение которого находят количество анализируемого вещества по градуировочной зависимости, полученной ранее.
Согласно изобретению после получения цветовой шкалы аналоговый сигнал цветного изображения шкалы преобразуют в цифровой сигнал, по которому определяют цветовые координаты колориметрической системы для каждого оптода. Далее определяют цветовые различия оптодов, необходимые для построения градуировочной зависимости цветового различия от концентрации анализируемого вещества. Затем получают раствор пробы изучаемого объекта, в который помещают оптод. После изменения цвета оптода при этом взаимодействии преобразуют аналоговый сигнал цветового изображения оптода в цифровой сигнал, по которому определяют его цветовые координаты колориметрической системы. Далее определяют цветовое различие для этого оптода и по параметрам полученной ранее градуировочной зависимости цветового различия от концентрации определяют количество анализируемого вещества в пробе изучаемого объекта.
На фиг.1 представлена цветовая шкала для определения серебра.
На фиг.2 приведена градуировочная зависимость цветового различия от концентрации серебра в растворе.
В таблице 1 представлены уравнение и метрологические характеристики градуировочной зависимости для определения серебра предложенным способом.
В таблице 2 представлены результаты определения серебра в медицинском препарате «Аргосульфан» предложенным способом.
В таблице 3 представлена сравнительная характеристика способа-прототипа и заявляемого способа на примере определения серебра.
Предложенный способ определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале осуществляли следующим образом (рассмотрен на примере цветовой шкалы для определения серебра).
1. Получение цветовой шкалы
Полиметакрилатную матрицу в виде прозрачной пластины толщиной (0,60±0,04) мм получали радикальной блочной полимеризацией (патент РФ №2272284, G01N 31/22, опубл. 20.03.2006). Из исходной пластины вырезали пластины размером 6,0×8,0 мм массой около 0,05 г.
Раствор дитизона 0,002 M готовили ежедневно растворением точной навески в 0,005 M растворе NaOH. Исходный раствор серебра с содержанием 1 мг/мл готовили растворением точной навески AgNO3 в воде (ГОСТ 4212. Реактивы. Методы приготовления растворов для колориметрического и нефелометрического анализа). Рабочие растворы серебра с меньшей концентрацией готовили разбавлением исходного раствора в день эксперимента. Необходимое значение pH создавали растворами HNO3 и NaOH и контролировали с помощью иономера И-160.
Иммобилизацию реагента - дитизона - в полиметакрилатную матрицу проводили сорбцией из раствора реагента в неизменном режиме. Для этого 25 мл раствора реагента перемешивали с полиметакрилатной матрицей в течение 1 минуты, полиметакрилатная матрица окрашивалась в желто-оранжевый цвет.
Взаимодействия серебра с оптодом проводили в статических условиях. Для этого оптоды одновременно помещали в 50,0 мл раствора серебра с концентрациями 0; 0,024; 0,050; 0,074; 0,100; 0,124; 0,150; 0,174; 0,200 при pH 9, перемешивали в течение 30 минут. После контакта оптодов с раствором достали и промокнули оптоды фильтровальной бумагой. Получили цветовую шкалу для определения серебра.
2. Преобразование цвета в координаты RGB
Для преобразования цвета в координаты RGB цветовую шкалу для определения серебра отсканировали с использованием сканера Hewlett Packard Scanjet в цветовом режиме RGB 24 бит с разрешением 300 dpi, который подключен к компьютеру (фиг.1).
3. Построение градуировочной зависимости и определение метрологических характеристик цветовой шкалы
Градуировочную зависимость цветового различия от концентрации анализируемого вещества строили по n оптодам (для определения серебра использовали 9 оптодов) следующим образом:
- определили цветовые координаты R, G и B для каждого оптода с помощью графического редактора Adobe Photoshop, которым ставили в соответствие известную концентрацию C анализируемого вещества;
- вычисляли аналитический сигнал, в качестве которого использовали величину цветового различия ΔЕ (G.Sharma (Ed.). Digital Color Imaging Handbook, CRC Press, Boca Raton, USA, 2003), которую определяли по формуле:
где ΔR=R0-R;
ΔG=G0-G;
ΔB=B0-B;
R0, G0, B0 - координаты цвета оптодов после контакта с раствором, не содержащим серебро;
R, G, В - координаты цвета оптодов после контакта с раствором, содержащим серебро;
- полученные данные наносили на график ΔE=f(C) (фиг.2) и методом наименьших квадратов получили линейную градуировочную зависимость с коэффициентом корреляции r=0,998:
ΔE=-1,2+233,7·cAg;
- рассчитали предел обнаружения серебра (табл.1) по выражению:
,
где s0 - стандартное отклонение фонового сигнала (аналитического сигнала при C=0);
S - тангенс угла наклона градуировочной зависимости (если она линейна) для обнаружения серебра S=233,7.
4. Определение количества анализируемого вещества
Определение серебра в реальном объекте проводили на примере определения серебра в медицинском препарате «Аргосульфан» методом добавок (РМГ 61-2003. ГСИ. Показатели точности, правильности, прецизионности методик количественного химического анализа).
Один грамм препарата «Аргосульфан» помещали в фарфоровую чашку, приливали 3 мл концентрированной HNO3 и нагревали до разложения, затем чашку охлаждали, полученный раствор переносили в мерную колбу вместимостью 100,0 мл и разбавляли водой до метки. Для анализа отбирали 0,3 мл полученного раствора.
Анализируемый раствор (0,3 мл) вводили в мерную колбу вместимостью 50,0 мл, создавали pH 10 (NaOH, контроль pH-метром) и разбавляли водой до метки. В анализируемый раствор помещали оптод и перемешивали в течение 30 минут, затем вынимали, подсушивали фильтровальной бумагой.
Отсканировали оптод с использованием подключенного к компьютеру сканера Hewlett Packard Scanjet в цветовом режиме RGB 24 бит с разрешением 300 dpi. Определили его цветовые координаты R, G и B с помощью графического редактора Adobe Photoshop, вычислили значение цветового различия ΔE.
Из уравнения градуировочной зависимости цветовой шкалы для определения серебра определили концентрацию серебра в медицинском препарате «Аргосульфан», используя градуировочную зависимость.
Измерения провели семь раз и определили относительное среднее квадратическое отклонение (СКО) результатов анализа Sr.
Результаты определения серебра в медицинском препарате «Аргосульфан» представлены в таблице 2.
В таблице 3 представлены результаты сравнения предлагаемого способа и прототипа, полученные при определении серебра. Как видно из таблицы, предлагаемый способ определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале позволяет повысить точность определения анализируемого вещества, снизить предел обнаружения и временные затраты на получение аналитического сигнала с оптода, расширить диапазон определяемых концентраций.
| Таблица 1 | ||||
| Аналитический сигнал | Уравнение градуировочной зависимости | Коэффициент корреляции, r | Диапазон определяемых содержаний, мг/л | Предел обнаружения, мг/л |
| ΔЕ | ΔE=-1,2+233,7·cAg | 0,998 | 0,02-0,20 | 0,015 |
| Таблица 2 | ||||
| Объект | Количество наблюдений, n | Найдено, мг/г | СКО результатов анализа, Sr, % | Указано на упаковке, мг/г |
| Медицинский препарат «Аргосульфан» | 7 | 22,8±1,3 | 5,9 | 20 |
| Таблица 3 | ||
| Сравнительные характеристики | Способ-прототип | Заявляемый способ |
| Предел обнаружения, мг/л | 0,030 | 0,015 |
| Точность, характеризуемая величиной относительного стандартного отклонения, Sr, % | 10,7 | 5,9 |
| Диапазон определяемых содержаний, мг/л | 0,03-0,20 | 0,01-0,20 |
| Принцип измерения | Измерение оптической плотности оптодов на спектрофотометре при длине волны в максимуме поглощения | Преобразование цвета в аналоговый сигнал и оцифровка изображения цветовой шкалы в виде параметров стандартной колориметрической системы |
| Градуировочная характеристика | Зависимость оптической плотности от концентрации определяемого вещества | Зависимость цветового различия от концентрации определяемого вещества |
| Стойкость окраски цветовой шкалы | Зависит от реагента и образуемого комплекса | Не меняется, так как заложена в память компьютера |
| Время получения аналитического сигнала с оптода | 1 мин | 10 мкс |
1. Способ определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале, заключающийся в использовании оптодов, иммобилизованных реагентом, взаимодействующим с анализируемым веществом, получении цветовой шкалы, построении градуировочной зависимости аналитического сигнала от концентрации анализируемого вещества, получении раствора пробы изучаемого объекта, в который помещают оптод, после изменения цвета оптода при этом взаимодействии определяют его аналитический сигнал, используя значение которого определяют количество анализируемого вещества по градуировочной зависимости, отличающийся тем, что после получения цветовой шкалы преобразуют аналоговый сигнал цветного изображения шкалы в цифровой сигнал, по которому определяют цветовые координаты колориметрической системы для каждого оптода, определяют цветовые различия между оптодом, вступившим во взаимодействие с раствором, не содержащим анализируемое вещество, и каждым из оптодов, вступивших во взаимодействие с раствором, содержащим анализируемое вещество, по полученным значениям строят градуировочную зависимость цветового различия от концентрации анализируемого вещества, после чего получают раствор пробы изучаемого объекта, в который помещают оптод, после изменения цвета оптода при этом взаимодействии преобразуют аналоговый сигнал цветового изображения оптодов в цифровой сигнал, по которому определяют цветовые координаты колориметрической системы для этого оптода, определяют цветовое различие между этим оптодом и оптодом, вступившим во взаимодействие с раствором, не содержащим анализируемое вещество, и по параметрам полученной ранее градуировочной зависимости цветового различия от концентрации определяют количество анализируемого вещества в пробе изучаемого объекта.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цветовое различие определяют из выражения: 
, где ΔR=R0-R; ΔG=G0-G; ΔВ=В0-В; R0, G0, B0 - координаты цвета оптодов после контакта с раствором, не содержащим серебро; R, G, В - координаты цвета оптодов после контакта с раствором, содержащим серебро.
