CC BY
5
УДК 541.18:616.9.05.7
ТАЛДОНОВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА,
simaTGASU@t_sk.ru
ПОНОМАРЕВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА,
pov80@vtomske.ru
САРКИСОВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, u-s-sarkisov@yndex.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
АНТИПОВ ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ, докт. физ.-мат. наук, antip@elefot.tsu.ru
Томский университет систем управления и радиоэлектроники,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 40
ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ПОРТРЕТИРОВАНИЕ ЖИДКИХ СРЕД ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В работе рассматриваются различные методы портретирования жидких сред. Предложен экспресс-метод диагностики биологических, пищевых, технологических жидкостей и обоснованы области их применения. Показано, что метод портретирования жидкости затворения цементных систем может иметь широкие перспективы, как индикатор процессов гидратации и структурообразования.
Ключевые слова: экспресс-метод, спектроскопическое высоковольтное свечение, прочности цементных систем.
TALDONOVA, NATALIA VLADIMIROVNA, simaTGASU@t_sk.ru PONOMAREVA, OLGA VIKTOROVNA, pov80@vtomske.ru
SARKISOV, YURI SERGEYEVICH, Doc. of tech. sc, prof., u-s-sarkisov@yndex.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
ANTIPOV, VLADIMIR BORISOVICH, Doc of phys.-math. sc.,
antip@elefot.tsu.ru
Tomsk University of Management Systems and Radio Electronics,
40, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia
HIQH-VOLTAQE PORTRAITURE OF LIQUID MEDIUM OF MULTIFUNCTIONAL PURPOSE
Various methods of portraiture of liquid mediums are considered in the article. The method of express-diagnostics of biological, food, technological liquids are suggested and the areas of their application are proved. It is shown, that the method of portraiture of liquid of mixing cement systems may have wide prospects as the indicator of processes of hydration and struc-ture-formation.
© Н.В. Талдонова, О.В. Пономарева, Ю.С. Саркисов, В.Б. Антипов, 2010
Keywords: express-method, spectroscopic high-voltage light emission, durability
of cement systems.
В последние годы активно развивается перспективное направление создания экспресс-диагностик биологических и технологических жидкостей, а также пищевых продуктов. Известно, что когда капля жидкости сложного состава высыхает, на подложке остается ее след в виде концентрических зон [1]. Например, при заболеваниях состав жидкостей (крови, слюны, мочи) меняется, отчего высохшая капля выглядит не так, как у здорового человека. Анализируя след высохшей капли под микроскопом, можно ставить диагноз. Однако это требует специальной квалификации.
В настоящее время разрабатываются новые технологии диагностики и исследования технологических, пищевых, биологических и лекарственных продуктов и препаратов. Так, сотрудниками прикладной физики РАН [4, 5] после проведения тестирования различных технических жидкостей показано, что в каждом случае возникает и формируется неповторимый «портрет». Чтобы его увидеть, крошечную капельку наносят на плоскую поверхность электроакустического резонатора, подключенного к измерительной схеме и совершающего колебания с частотой 50 Гц. Получается картина высыхания: «новый портрет» жидкости содержит информацию о составе и структуре жидкости. Представляет особый интерес метод клиновидной и краевой дегидратации биологических жидкостей, который позволяет получить интегрированную информацию, заложенную в особенностях морфологической картины твердой фазы биологических жидкостей, так как дегидратированная биологическая жидкость представляет собой тонкую пленку и фактически является тонким срезом неклеточной ткани организма. Результат достигается тем, что гомогенат центрифугируют в течение 15 мин со скоростью 900 об/мин, а полученную надосадочную жидкость в объеме 2,0-2,5 мкл наносят на поверхность стекла в виде капли и высушивают ее методом клиновидной или краевой дегидратации до получения структуры твердой фазы [3].
Другой метод анализа биологических жидкостей - это экспресс-анализ спектра Винера, т. е. мазка крови микрофотометрическим методом [2]. Он основан на том, что распределение интенсивности светового потока, прошедшего через мазок крови, должно нести информацию о структуре образца, которую можно характеризовать формой, размером, числом и коэффициентом прозрачности клеток крови.
При исследовании технологических жидкостей известен способ [6], согласно которому исследуемый материал помещается в область электрического разряда с последующей регистрацией и анализом спектра свечения. При проведении аналитического обзора экспресс-методов контроля качества смазочных масел рассматривались только методы, которые могут быть автоматизированы и обеспечивают достижение измерения за считанные минуты и с достаточной точностью. Наиболее простым методом, позволяющим проводить количественную оценку загрязненности масла, является определение его плотности. Для этого по экспериментальным данным устанавливается зависимость плотности от общей загрязненности масла и предлагается экспресс-метод оценки содержания в масле нерастворимых продуктов. Также дается
оценка погрешностей метода определения загрязненности работавшего моторного масла по его плотности и устанавливается корреляционная зависимость между этими параметрами.
Подробно описаны и широко используются на практике спектральные методы оценки качества масла [7].
В работах описаны методики анализа масел с использованием мото-электрических установок типа МФС-3 и МФС-5. Авторы считают, что получение достоверных результатов при таком анализе зависит от способа предварительной подготовки проб, и предлагают помимо механического перемешивания применять ультразвуковую обработку каждой пробы масла перед анализом. Этим способом фотометрически проводят измерения загрязнения в области инфракрасного излучения. Детально описывается принцип его действия, который удовлетворительно коррелируется с методом центрифугирования, но имеет преимущества с точки зрения удобства применения.
Другая группа методов связана с определением содержания воды в работающих маслах. Так, по мнению авторов [8], наиболее эффективным методом ранней диагностики дизеля является автоматизированный контроль разжижения или обводнения смазочного масла. Но в связи с тем, что в настоящее время не существует надежных технических средств для этих целей, предлагаются аналитические экспресс-методы определения содержания воды. Для повышения точности анализ предлагается проводить непосредственно у двигателя. Для определения содержания воды в масле предлагается также индикаторно-адсорбционный метод, основанный на избирательной адсорбции воды с помощью цеолитов. Для фиксации зоны адсорбции воды использован принцип индикаторно-жидкостной хроматографии.
Существуют методы определения содержания воды в маслах, основанные на ИК-спектрометрии и спектрофотометрии [9]. Инфракрасные спектры поглощения, отражения или рассеяния несут чрезвычайно богатую информацию о составе и свойствах веществ. Сопоставляя ИК-спектр образца со спектрами известных веществ, можно идентифицировать неизвестное вещество, определить основной состав пищевых продуктов, полимеров, обнаружить примеси в атмосферном воздухе и газах, провести фракционный или структурно-групповой анализ. Методом корреляционного анализа по ИК-спектру пробы также можно определить физикохимические или биологические характеристики, например всхожесть семян, калорийность пищевых продуктов, размер гранул, плотность и т. д. В современных приборах ИК-спектр определяется сканированием по сдвигу фаз между двумя частями разделенного светового пучка (Фурье-спектрометрия). Этот метод дает значительный выигрыш в фотометрической точности и точности отсчета длины волны по методу БИК-спектрометрии, обнаруживается связь инфракрасного спектра поглощения и состава образца. Местоположение полос в спектре поглощения несет информацию о качественном составе образцов, а интенсивность полос -о концентрации соответствующего компонента. Для количественного анализа образца необходимо знать зависимость между интенсивностью поглощения и концентрацией компонента или свойством образца. Для прове-
дения калибровки отбирается набор образцов, представительный к тем образцам, которые будут в дальнейшем анализироваться. Калибровочный набор включает образцы, свойства которых охватывают весь диапазон возможных значений определяемых компонентов и параметров анализируемых образцов. Анализ проводят химическими (референтными) методами для определения в них концентраций компонентов или свойств. Производится регистрация спектров образцов калибровочного набора и рассчитывается калибровочная модель, связывающая спектральные данные со свойствами образца. Для расчета модели используют методы мультивариантной математики, например метод регрессии по основным компонентам, метод дробных наименьших квадратов, множественная линейная регрессия и другие [9]. Если рассчитанные характеристики определяемых параметров попадают в диапазон значений концентраций и свойств калибровочного набора, то эти параметры соответствуют выбранной калибровочной модели.
Если значения определяемых компонентов лежат вне диапазона значений концентрации свойств калибровочного набора, необходимо либо провести докалибровку, либо провести анализ методом экстраполяции, что приводит к увеличению погрешности анализа. Погрешность анализа зависит от погрешности спектрального анализа и погрешности, связанной с построением калибровочной модели.
Однако необходимо отметить, что все исследуемые выше методы имеют свои недостатки: они либо дорогие, либо трудоемкие, либо требуют относительно большого времени для анализа.
Нами в настоящей работе ставилась цель разработать надежный сравнительно простой экспресс-метод диагностики пищевых, биологических, технологических и других жидкостей полифункционального назначения.
Предлагаемый метод состоит в повышении экспрессности диагностики параметров жидкости, в повышении точности оценки, зависящей от концентрации накопившихся компонентов, в повышении аналитического сигнала интенсивности свечения электрического разряда. Это достигалось тем, что при осуществлении способа оценки жидких сред, включающего помещение пробы материала в область электрического разряда, аппаратную регистрацию свечения разряда и алгоритмическую обработку зарегистрированной информации, основанную на сравнительном анализе интенсивности свечения, в отличие от известных прототипов и аналогов, пробы диагностируемого и эталонного материала внедряют в носитель, который помещают в область поверхностного тлеющего высоковольтного разряда от пластинчатого электрода. Последний устанавливают с частичным перекрыванием поверхности носителя с пробой. Аппаратную зону свечения разряда, в области каждой из указанных проб, производят путем фотографирования. Полученное изображение заносят в базу данных компьютера в виде цифрового файла, при этом сравнительный анализ проводят по распределению интенсивности свечения в области указанных проб, выбирая для алгоритмической обработки содержимое цифрового файла.
В нашей работе были исследованы образцы нескольких видов жидкостей. Одна проба является эталоном, другая диагностируется. В качестве но-
сителя использовали бумажный фильтроэлемент. На него наносили крошечные капельки исследуемой жидкости, которые через 20-30 с помещали в зону свечения в виде полосок бумаги, пропитанных жидкостью, располагая их перпендикулярно кромке электрода, линия раздела между ними проходит под держателем электрода, зазор до 1 мм. Исследуемый материал попадает в область поверхностного тлеющего высоковольтного разряда, обеспечивая его взаимодействие с электрическим полем. Частичное перекрывание носителя с пробой пластинчатым электродом обеспечивает присутствие в области разряда пробы исследуемого материала, равномерно распределенной по поверхности носителя. Каждые 5-6 с делается фотографирование области разряда и занесение изображения в базу данных компьютера в виде цифрового файла. Цифровое фотографирование выполняет функцию усреднения спектральной характеристики свечения по трем основным составляющим видимого спектра (рисунок).
Из рисунка видно, что ось отражает длину волны цветов спектров, соотношения исследуемых проб 1 и эталона 2. Данная методика запатентована и защищена патентом РФ [10].
Предлагаемая в работе методика имеет ряд преимуществ перед методами, по которым определяется качество продукта или препарата по минерализации пробы, по полноте охвата совокупных свойств и др. Необходимо подчеркнуть, что развиваемый метод рассматривается как дополнительный к существующим. Его применение позволит на начальном этапе экспресс-методами обрабатывать продукцию и резко сократить число образцов, требующих проведения более глубоких исследований.
Весьма заманчивыми для строителей выглядят перспективы диагностики вытяжных проб воды из строительных смесей и растворов или специально приготовленных их суспензий, которые позволят определять особенности гидратации и структурообразования цементных систем, возраст и первоначальный состав строительных материалов и их эксплуатационные характеристики.
Таким образом, методы портретирования жидкостей могут найти применение в самых различных областях науки, техники и технологии.
Библиографический список
1. Корш, Л.Е Ускоренные методы санитарно-бактериологического исследования воды / Л.Е. Корш. - М. : Наука, 2000. - 436 с.
2. Климов, В.А. Спектр Винера пространственного распределения коэффициента пропускания света мазка крови / В.А. Климов, Н.Г. Кобловаи // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2006. - № 5-6. - С. 9-14.
3. Морфология биологических жидкостей человека/ В.Н.Шабалин [и др.]. - М: Хризостом, 2001. - 303 с.
4. Портрет жидкости //Химия в России. - № 5. - 2003. - С. 20-21.
5. Гончарук, И.В. Портрет жидкости / И.В. Гончарук // Химия и жизнь XXI. - 2004. -№ 5. - С. 8-9.
6. Диагностирование технического состояния дизелей методом экспрессного спектрального анализа рабочих масел // Эффективные экспресс-методы контроля работоспособности смазочного масла на объектах эксплуатации / М.С. Поляков [и др.]. - Л. : ЛДНТП, 1983. - С. 51-57.
7. Спектрофотометрический метод определения содержания воды в нефтяных маслах / А.Я. Зайналова [и др.] // Химия и технология топлив и масел. - 1986. - № 8. - С. 43.
8. Ковальский, Б.И. Экспресс-метод контроля эксплуатационных свойств моторных масел // Эффективные экспресс-методы контроля работоспособности смазочного масла на объектах эксплуатации / Б.И. Ковальский. - Л. : ЛДНТП, 1983. - 2832 с.
9. Применение метода образцовых сигналов и микропроцессорной техники для повышения точности ИК-анализаторов воды в жидких материалах // Измерительная техника. -1986. - № 3. - С. 40.
10. Способ оценки степени выработки ресурса смазочного материала: пат. № 2305274 Рос. Федерация / Ю.С. Саркисов [и др.] 27.08.07. Вып. № 24.
