Обеспечение стабильности результатов спектрофотометрических измерений при анализе состава смесей

Рассмотрены спектрофотометрические методы исследований состава смесей. Указано на необходимость повышения стабильности и точности результатов спектрофотометрических измерений при анализе веществ с малыми коэффициентами поглощения или малой концентрацией определяемого вещества. Описан спектрофотометрический комплекс с термостатированной ячейкой, позволяющей исследовать газообразные и жидкие смеси. Приведены результаты исследования на данном комплексе спектров поглощения изомеров жидкого ксилола и их смесей. Рассмотрены способы повышения стабильности результатов спектрофотометрических измерений и необходимые для этого аппаратные средства и методы обработки данных. Показано, что термостатирование не только парообразных, но и жидких образцов является одним из необходимых условий обеспечения стабильности результатов измерений. Представлена методика выполнения экспериментов и обработки результатов спектрофотометрических измерений. Разработан дифференциальный метод уменьшения влияния нестабильностей сигнала спектрофотометра на точность определения состава смесей. Метод заключается в использовании в качестве входных данных для множественной линейной регрессии не спектра поглощения, а его производной по длине волны. На примере анализа состава смесей двух изомеров ксилола показано, что применение этого метода позволяет уменьшить среднее квадратическое отклонение определения состава смесей приблизительно в 1,6 раза. Отмечено, что для уменьшения погрешностей определения состава смесей может потребоваться дополнительная фильтрация (сглаживание) рассчитанной по результатам измерений производной спектра поглощения. Разработанный метод уменьшения влияния нестабильностей сигнала спектрофотометра на результаты анализа состава смесей представляет наибольший интерес для анализа веществ с малыми значениями коэффициента поглощения или в случае малых концентраций исследуемых веществ и может применяться при решении задач экологического мониторинга, например, при определении углеводородных загрязняющих примесей в атмосфере.

1. Веснин В. Л. Анализ состава водно-спиртовых смесей по инфракрасным спектрам поглощения их паров. Журнал прикладной спектроскопии, 88(6), 933–941 (2021). https://doi.org/10.47612/0514-7506-2021-88-6-933-941

2. Калинин А. В., Крашенинников В. Н., Титов В. Н. Спектрометрия изомеров триглицеридов жирных кислот в жиромасляных продуктах: сливочном и пальмовом маслах. Клиническая лабораторная диагностика, 63(5), 260– 267 (2018). https://www.elibrary.ru/xnjcvn

3. Борисевич Н. А., Буслов Д. К., Хрипач В. А., Жабинский В. Н. Инфракрасные спектры S- и R-изомеров биологически активных брассиностероидов. Журнал прикладной спектроскопии, 75(5), 623–630 (2008). https://www.elibrary.ru/jkejah

4. Абышев А. З., Нгуен К. Б., Зинчук Л. Н. Анализ структурных особенностей кето-кетальных изомеров варфарина спектральными методами. Разработка и регистрация лекарственных средств, (1), 138–145 (2018). https://www.elibrary.ru/yrtkwt

5. Brown C. W., Lo S.-C. Feasibility of on-line monitoring of the BTU content of natural gas with a near-infrared fi ber optic system. Applied Spectroscopy, 47(6), 812–815 (1993). https://opg.optica.org/as/abstract.cfm?uri=as-47-6-812

6. Mullins O. C., Daigle T., Crowell C., Groenzin H., Joshi N. B. Gas-oil ratio of live crude oils determined by near-infrared spectroscopy. Applied Spectroscopy, 55(2), 197–201 (2001). https://opg.optica.org/as/abstract.cfm?uri=as-55-2-197

7. Башкин С. В., Морозов А. Н., Фуфурин И. Л., Башкина Ю. А. Трассовый метод определения паров химических соединений на базе Фурье-спектрорадиометра. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана, (12), 24 (2011). https://www.elibrary.ru/oozgzf

8. Zador J., Turanyi T., Wirtz K., Pilling M. Measurement and investigation of chamber radical sources in the European Photoreactor (EUPHORE). Journal of Atmospheric Chemistry, 55(2), 147–166 (2006). https://doi.org/10.1007/s10874-006-9033-y

9. Sydoryk I., Lim A., Jаger W., Tulip J., Parsons M. T. Detection of benzene and toluene gases using a midinfrared continuous-wave external cavity quantum cascade laser at atmospheric pressure. Applied Optics, 49(6), 945–949 (2010). https://doi.org/10.1364/AO.49.000945

10. Parsons M., Sydoryk I., Lim A., McIntyre T., Tulip J., Jager W., McDonald K. Real-time monitoring of benzene, toluene, and p-xylene in a photoreaction chamber with a tunable mid-infrared laser and ultraviolet differential optical absorption spectroscopy. Applied Optics, 50(4), A90–A99 (2011). https://doi.org/10.1364/AO.50.000A90

11. Volkamer R., Molina L. T., Molina M. J., Shirley T., Brune W. H. DOAS measurement of glyoxal as an indicator for fast VOC chemistry in urban air. Geophysical Research Letters, 32(8), L08806 (2005). https://doi.org/10.1029/2005GL022616

12. Volkamer R., Etzkorn T., Geyer A., Platt U. Correction of the oxygen interference with UV spectroscopic (DOAS) measurements of monocyclic aromatic hydrocarbons in the atmosphere. Atmospheric Environment, 32(21), 3731–3747 (1998). https://doi.org/10.1016/S1352-2310(98)00095-8

13. Веснин В. Л., Мурадов В. Г. Спектрофотометрический комплекс на основе монохроматора МДР-41 для исследования спектров поглощения в диапазоне 400–1800 нм. Известия Самарского научного центра Российской Академии наук, 10(3), 724–731 (2008). http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2008/2008_3_724_731.pdf

14. Веснин В. Л., Мурадов В. Г. Влияние обтюратора на мультипликативный шум спектрофотометрической аппаратуры при исследовании инфракрасных спектров нефти и смесей углеводородов. Радиоэлектронная техника, (1), 155–160 (2013). https://www.elibrary.ru/ugbnoz

15. Веснин В. Л., Мурадов В. Г. Анализ ароматических составляющих в многокомпонентных смесях углеводородов методом ИК спектроскопии с использованием множественной линейной регрессии. Журнал прикладной спектроскопии, 79(4), 533–537 (2012). https://www.elibrary.ru/paared

16. Веснин В. Л., Мурадов В. Г. Термостатированная ячейка для исследования спектров поглощения паров углеводородов. Радиоэлектронная техника, (1), 167–170 (2015). https://www.elibrary.ru/ucrocj

17. Plane J. M. C., Saiz-Lopez A. UV-Visible differential optical absorption spectroscopy (DOAS). In: Analytical techniques for atmospheric measurement, ed. Heard D. E. Chapter 3, рр. 147–188. Blackwell Publishing Ltd. (2006).