Методы анализа и средства контроля объектов среды при экологическом мониторинге

Цель работы – ознакомиться с основными методами анализа и средствами контроля объектов и их свойств (или методами определения компонентов - элементов, веществ, объектов).

Методы анализа и средства контроля объектов среды при экологическом мониторинге

На этапе анализа объектов среды при определении в них элементов, веществ, организмов, физических свойств тел применяются различные методы анализа (или методы определения). 

Метод анализа (или метод определения) - это качественноколичественное определение (идентификация) элемента, вещества, объекта, тела по их характерным, индивидуальным физическим, химическим, физико-химическим, биологическим свойствам.

Многие свойства элементов, веществ используются для получения сигналов, по которым определяют данные компоненты. Например, атомы, вещества обладают свойством поглощать или испускать излучения с определенными, только им характерные длины волн, по которым проводят качественно-количественный анализ. Качественный анализ - это идентификация данного элемента, вещества, объекта по их характерным, индивидуальным признакам. Количественный анализ - это определение количества элемента, вещества, объекта путем измерения величины сигнала от содержания определяемого компонента. Соотношения между составом и его свойством устанавливают в виде калибровочного графика, по которому находят неизвестные количества. 

В зависимости от определяемого свойства элемента, вещества, объекта существуют физические, химические, физико-химические, биохимические, биологические методы анализа. Например, к физико-химическому методу относится определение излучения элементов, молекул, а к биологическому - метод определения сероводорода в воздухе по изменению интенсивности свечения бактерий. 

Физические и физико-химические методы анализа называются еще инструментальными, т.к. они основаны на применении инструментов, приборов, для измерений, которые называют средствами измерений.

Главными свойствами методов анализа, учитываемых при их выборе, являются.

1. Чувствительность (предел обнаружения, диапазон содержания) метода - наименьший сигнал, который может быть принят данным методом. Чувствительность метода тем выше, чем меньше то количество компонента, от которого удается принять сигнал. Обычно выбирают метод, чувствительность которого в 10-15 раз превышает измеряемые содержания элемента, вещества. Чувствительность метода можно повысить путем концентрирования пробы. С чувствительностью связан такой параметр как предел обнаружения - это наименьшая концентрация, при которой исчезает аналитический сигнал. Пределы обнаружения зависят от многих факторов (элемента и его содержания, пробоподготовки), но от метода анализа в значительной степени. Например, пределы определения веществ группы полициклических ароматических углеводородов спектрофотометрическим методом составляют порядка 10^-5, спектрофлуоресцентным - 10^-7, а низкотемпературнофлуоресцентным - 10^-10.

2. Точность метода- его способность обеспечить прямое и специфичное измерение аналитического сигнала определяемого компонента с хорошей воспроизводимостью результатов анализа.

3. Производительность - возможность просто, быстро, точно проводить анализ.

4. Автоматизация - самоуправляемость анализа.

5. Стоимость метода и его прибора.

К распространенным методам анализа и определения относятся следующие.

Физические (энергетические)

1. Методы измерения шума основаны на фиксировании звукового давления и преобразовании звукового колебания воздушной среды в электрический сигнал. Основные средства измерения (приборы) - реверберационная и звукомерная камера, шумомеры, микрофоны, анализаторы спектра, магнитофонная техника, радиотехническая аппаратура, акустические фильтры, которые характеризуются чувствительностью, частотной зависимостью, динамическим диапазоном, направленностью. Для измерения уровней громкости шума и сравнении с ПДУ используются шумомеры разных марок («Шум-1»; ВШВ-0,3; RFT-00014; и др.), которые включают блоки: микрофон - усилитель - корректирующие фильтры - детектор - стрелочный индикатор. Ряд НД регламентируют методы измерения шума, например, ГОСТ 13337. «Шум. Методы измерения шума на селитебной территории и в помещениях жилых и общественных зданий»; ГОСТ 17187 «Шумомеры. Общие технические требования и методы испытаний» и другие.

2. Методы измерения вибрации основаны на измерении параметров вибро-скорости, виброускорения, амплитуд, частот и фаз, перемещений с помощью виброметров, акселерометров. Виброизмерительная аппаратура включает: датчики - преобразователи - анализаторы - контрольноизмерительные и сигнализирующие устройства - вибрационные стенды (механические, гидравлические, электродинамические, пьезоэлектрические и др.). Методики измерения вибрации регламентируются (ГОСТ 20844 и др.).

3. Методы измерения ИК-излучения основаны на преобразовании тепловой электромагнитной энергии фотоприемниками с чувствительными элементами в сигнал, определяемый детектором. В зависимости от способа преобразования энергии ИК-излучения приемники бывают тепловые

(изменение температуры термочувствительного элемента в таких приборах как болометры, калориметры, термоэлементы), фотоэлектрические (появление электрического тока или напряжения в таких приборах как фотоприемники разных конструкций, электронно-оптические преобразователи, тепловизоры), люминесцентные (появление люминесценции). Для аэрокосмического мониторинга состояния окружающей среды широкое применение нашли тепловизоры в сочетании с аппаратурой видимого и УФ-диапазонов.

4. Методы измерения УФ-излучения основаны на регистрации УФквантов разными приемниками видимого и УФ света. Чаще всего это фотоматериалы на основе серебра. Широко применяются фотоэлектрические приемники, использующие явления фотоэффекта, ионизации, электронной эмиссии: фотоэлементы (ФЭ), фотоэлектронные умножители (ФЭУ), ионизационные камеры, счетчики фотонов, электронно-оптические преобразователи (ЭОП), фотоэлектрические методы регистрации оптического излучения. Методы измерения параметров ФЭУ регламентированы в ГОСТ 11612.0; ГОСТ 11612.16.

5. Методы измерения электромагнитных полей (ЭМП) основаны на измерении потока энергии электромагнитных колебаний. В зависимости от типа поля (электростатическое, магнитостатическое, переменное низких, промышленных радиочастот и др.) выбирается метод измерений и тип прибора. В области радиоизмерений используется импульсная техника с короткими по длительности импульсами. В электростатике для измерения зарядов и потенциалов проводников используются электрометры, амперметры, вольтметры, гальванометры постоянного тока и др. В магнитостатике постоянные магнитные поля измеряют приборами с датчиками Холла, микровиброметрами. Для анализа переменных сигналов используют осциллографы, частотомеры, спектроанализаторы. Для измерения электрической и магнитной составляющих ЭМП служат приборы типа ИЭМП - ПЗ-15, ПЗ-16, ПЗ-17, радар-тесторы - ГК4-14, ТК4-3А. В технике СВЧ применяют панорамные измерители коэффициента стоячей волны напряжений (КСВН).

6. Методы измерения ионизирующего излучения основаны на способности - частиц и -квантов ионизировать молекулы газов с последующей регистрацией образующегося электрического тока. Наиболее известные приборы - газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера (для электронов и -частиц), сцинтилляционные счетчики (для нейтронов и -квантов), камера Вильсона (для заряженных частиц).  

7. Ядерно-физические методы (радиоизотопный, радиоактивный) предназначены для определения радиоактивных элементов с помощью  -спектрометрии на многоканальных спектрометрах.

8. Нейтронно-активационный метод позволяет определять тяжелые металлы путем облучения их нейтронами и последующего измерения уровней излучения. Метод чувствительный, автоматизированная аппаратура состоит из высокоэф-фективных детекторов, многоканальных анализаторов и регистрирующих ЭВМ.