7. Методы измерения концентрации вещества

Аналитические измерения, задачей которых является определение состава и концентрации веществ, широко применяются для контроля производственных процессов, в химических, биологических, геологических, космических исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине, криминалистике и в ряде других областей. Объектами рассматриваемых измерений являются практически все существующие вещества и химические элементы, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях.

О масштабности аналитических измерений говорит тот факт, что только в химической промышленности необходимо производить анализ более 75 тыс. различных веществ и материалов. Особое значение аналитические измерения имеют для охраны труда и решения проблемы охраны среды обитания. Диапазон измеряемых концентраций чрезвычайно широк. Так, для измерения влажности и концентрации ряда чистых веществ в производственных условиях требуются приборы с верхним пределом измерения 100 %.

При изготовлении полупроводниковых материалов, волоконных световодов и чистых металлов необходимо определять примеси, концентрация которых составляет до 10^–8 %. Развитие новых отраслей науки и техники, технология производства новых материалов и веществ с заранее заданными свойствами выдвигают все возрастающие требования к аналитическим измерениям.

Регулирование ряда сложных технологических процессов по косвенным параметрам (расход, температура, давление) уже недостаточно эффективно – требуются быстродействующие и точные средства измерения, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерение параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов.

Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества. Все более широко используются внутриатомные и внутриядерные эффекты, позволяющие создавать наиболее чувствительные и избирательные методы анализа.

Особенностью аналитических измерений является существенная зависимость результатов измерений от общего состава вещества, его агрегатного состояния, внешних условий (давление, температура, скорость перемещения и др.). Эти факторы особенно влияют на точность методов, основанных на использовании интегральных свойств вещества, таких как электропроводность, теплопроводность, магнитная и диэлектрическая проницаемость. Все это ограничивает возможности таких отдельно взятых методов измерения, каждый из которых, за небольшим исключением, пригоден для измерения концентрации одного компонента при известном и не особенно сложном составе анализируемой смеси. Современная тенденция развития аналитического приборостроения – это более широкое применение селективных, комбинированных и многопараметрических методов, которые позволяют создавать чувствительные и точные средства определения состава и измерения концентрации многокомпонентных веществ.

Селективные методы в отличие от интегральных позволяют переходить от измерения свойств веществ в целом к определению характеристик отдельных компонентов. Среди них особенно перспективны многие спектрометрические методы, основанные на использовании «глубинных» внутриатомных и ядерных явлений, на которые изменения внешних условий практически не влияют.

Для анализа многокомпонентных веществ широко применяются комбинированные методы, такие как масс-спектрометрические, хроматографические и их сочетание или многопараметрический метод, основанный на одновременном или последовательном измерении ряда параметров исследуемого вещества и совместной математической обработке полученных результатов для определения концентрации каждого компонента. Успешному использованию этих методов способствует широкое применение средств вычислительной техники как для автоматизации самого процесса измерения, так и для обработки результатов измерений. Встроенные микропроцессоры и микроЭВМ позволяют не только повысить точность аналитических измерений, но и существенно увеличить быстродействие комбинированных средств измерений, которые применяются не только для научных исследований, но и в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Весьма сложной является задача метрологического обеспечения аналитических измерений, особенно в связи с повышением требований к их точности. Значительное число объектов исследования и разнообразие используемых методов и средств измерений затрудняет унифицированный подход к метрологическому обеспечению этой области измерений.

Для большинства методов и средств аналитических измерений метрологическое обеспечение осуществляется на основе использования стандартных образцов состава или поверочных смесей с заданными свойствами и нормированных выходных сигналов, а для других – на основе эталонов, образцовых средств измерений и соответствующих поверочных схем.

В системе СИ в качестве основной единицы количества вещества введена единица «моль», которая определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде – 12 массой 0,012 кг. Эта единица должна быть положена в основу обеспечения единства измерений состава и концентрации всех веществ и материалов в жидком, газообразном и твердом состоянии, включая аэрозоли и гидрозоли. Однако в настоящее время нет возможности точного воспроизведения моля в соответствии с его определением, поэтому основой обеспечения единства аналитических измерений являются чистые вещества, абсолютные методы их аттестации и создаваемые на их основе меры концентрации – стандартные образцы состава (СО) в виде образцовых жидких, твердых и газовых смесей известного состава и их комбинаций. Многие методы измерений концентрации веществ основаны на сравнении свойства анализируемого объекта с мерой свойств с последующим переходом к определению концентрации по известной зависимости «состав – свойство», поэтому аналитические приборы могут иметь «шкалу свойств» и «шкалу концентраций».