Пробоотбор и пробоподготовка

Загрязнение ОС — поступление в нее вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают на нее негативное воздействие. Загрязняющее вещество — вещество или смесь веществ, количество и (или) концентрация которых превышают установленные для химических веществ, в том числе радиоактивных, иных веществ и микроорганизмов, нормативы и оказывают негативное воздействие на ОС.

При качественном и количественном анализе не всегда можно провести непосредственное измерение величин. Зачастую требуется отбор пробы, ее дозирование и взвешивание, фильтрование, термообработка, что совершенно не характерно для измерения, например, электрических величин.

Пробоотбор — это совокупность операций, обеспечивающих отбор пробы от контролируемого объекта, технической системы или ОС и преобразование ее неизмеряемых параметров с целью подготовки для обработки в соответствии с методикой анализа. Его назначение состоит в получении представительной пробы с соответствующими параметрами.

Автосамплер — это устройство, которое многократно повторяет одну и ту же операцию иробоотбора и ввода отобранной пробы в непрерывно работающее СИ, например в хроматограф или спектрометр. Автосамплеры снабжены насосами, дозаторами, регуляторами и т. п. Они могут быть использованы автономно или входить в состав автоматических анализаторов.

На рис. 2.1 изображен автосамплер, который предназначен для работы с газовым хроматографом. Он позволяет последовательно вводить пробу в два испарителя хроматографа (см. гл. 7). Лоток для проб вмещает 110 кювет объемом 2 мл с образцом. С помощью шприца проба извлекается из кюветы, переносится и вводится в хроматографическую колонку. Затем шприц автоматически очищается продувкой газом-носителем. Можно задавать различные режимы ввода пробы и промывки шприца.

Рис. 2.1. Автосамплер.

Пробоподготовка — совокупность операций, обеспечивающих подготовку пробы к измерению ее параметров в соответствии с методикой анализа. Ее назначение заключается в обеспечении достоверности измерений. Процедура подготовки пробы вещества или материала обычно включает в себя две стадии — предварительную и окончательную.

Таким образом, средства пробоотбора — это составная часть технологического оборудования, а средства пробоподготовки — составная часть анализатора.

Скрининг — двухступенчатый анализ, реализуемый, например, мри контроле загрязнения воздуха. На первом этапе скрининга отбраковывают пробы, не содержащие искомого или искомых компонентов. Отрицательный результат, т. е. необнаружение компонента, считается окончательным, и к соответствующей пробе больше не возвращаются. «Положительные» пробы исследуют более подробно. При реализации подобного подхода на первой стадии могут быть использованы упрощенные и относительно дешевые и экспрессные методы, например с применением тест-средств, или биологические методы с применением тест-организмов (см. параграф 11.1). При этом скрининг экономит много труда, времени, реактивов и т. д., поскольку количество детально анализируемых проб в этом случае резко сокращается.

Проба вещества (материала) — часть вещества объекта аналитического контроля, отобранная для анализа и исследования его структуры, определения свойств, отражающих его химический состав, структуру, свойства (ГОСТ Р 52 361—2005). Она должна обладать следующими характеристиками:

• • быть представительной, т. е. характеризовать действительный состав анализируемой среды;
• • иметь параметры, соответствующие требованиям, указанным в стандартах или технической документации;
• • должна быть обработана согласно методике анализа с целью выделения или усиления физико-химических параметров, измерение которых обусловливает определение требуемого параметра состава и свойств среды.

В зависимости от способа получения различают следующие виды проб: разовая, точечная (единичная, частная), мгновенная, суточная и т. п. В зависимости от стадии первичной обработки существуют пробы: исходная, промежуточная, объединенная, средняя, сокращенная, лабораторная, аналитическая и др. По назначению различают следующие виды проб: контрольную, рабочую, резервную, арбитражную и др.

Для проведения анализа, как правило, берут представительную пробу, т. е. пробу, которая по химическому составу, свойствам или структуре принимается идентичной объекту аналитического контроля, от которого она отобрана.

Различают также генеральную, лабораторную и анализируемую пробы.

Генеральная (первичная, большая или грубая) проба отбирается непосредственно из анализируемого объекта. Она достаточно большая — обычно 1—50 кг, для некоторых объектов, например руды, составляет иногда 0,5—5 т.

Из генеральной пробы путем ее сокращения отбирают лабораторную пробу (обычно от 25 г до 1 кг). Одну часть лабораторной пробы используют для предварительных исследований, другую сохраняют для возможных в будущем арбитражных анализов, третью используют непосредственно для анализа, это так называемая анализируемая проба. В случае необходимости пробу измельчают и усредняют. В анализируемой пробе проводят несколько определений компонента: из отдельных навесок массой 10—1000 мг, если анализируемый объект — твердое вещество, или аликвот, если анализируемый объект — жидкость.

Способы отбора пробы и ее величина, прежде всего, определяются физическими и химическими свойствами анализируемого объекта. При отборе пробы необходимо учитывать:

• • агрегатное состояние анализируемого вещества, так как способы отбора проб газов, жидкостей и твердых тел различны;
• • неоднородность анализируемого вещества и размер частиц, с которых начинается неоднородность;
• • требуемую погрешность оценки содержания компонентов пробы.

Отбор пробы жидкости. Существуют различные способы отбора гомогенных и гетерогенных жидкостей.

Гомогенные жидкости, как и газы, отличаются высокой степенью однородности, поэтому способы отбора просты. Пробы гомогенной жидкости отбирают с помощью пипеток, бюреток и мерных колб. Отбор пробы из общей емкости проводят после тщательного перемешивания. Отбор гомогенной жидкости в потоке осуществляют так же, как и в случае с газами (рис. 2.2, б). Отбор проб на глубине осуществляют специальными пробоотборниками — батометрами, которые представляют собой цилиндр емкостью 1—3 л, сверху и снизу закрывающийся крышками (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Отбор пробы жидкости или газа в потоке:

а — метод продольных струй; 6 — метод поперечных сечений Пробы гетерогенных жидкостей отбирают не только, но объему, но и по массе. Чтобы отобрать пробу, поступают но-разному: в одних случаях жидкость гомогенизируют, в других, наоборот, добиваются ее расслоения. Гомогенизацию проводят, изменяя температуру жидкости, перемешивая ее или подвергая вибрации. Если гомогенизировать жидкость нельзя, то ее расслаивают и отбирают пробу каждой фазы. Так, например, отбирают на анализ различные фракции продуктов нефтепереработки.

Размер генеральной пробы невелик и не превышает нескольких литров или килограммов (табл. 2.10).

Генеральная проба различных жидкостей.

Приборы и устройства для отбора, первичной обработки и хранения проб природной воды различают следующим образом:

• • приборы для отбора проб воды;
• • устройства для первичной обработки проб воды;
• • устройства для хранения проб воды.

По назначению приборы для отбора проб воды различают следующим образом:

• • для отбора проб воды из водотоков, водоемов и морей;
• • отбора проб воды из скважин, колодцев и других горных выработок;
• • отбора проб атмосферных осадков.

На рис. 2.3, а показан черпак цилиндрический с клапаном, который регулируется вручную. Черпак объемом 50 мл изготовлен из хромированного металла и стерилизуется, длина ручки — 500 мм, а на рис. 2.3, б показан донный пробоотборник объемом 0,5 л.

Рис. 23. Пробоотборники для жидкости:

а — черпак; б — донный пробоотборник Отбор пробы газов. Проба воздуха — объем воздуха, который полагают представительным для исследуемого воздуха и по которому определяют характеристики качества воздуха (ГОСТ Р ИСО 6879—2005). Степень однородности газов и их смесей велика, поскольку неоднородность наблюдается только на молекулярном уровне. Поэтому генеральная проба может быть небольшой, и отбор пробы обычно не представляет трудностей. Пробу газа отбирают, измеряя его объем с помощью вакуумной мерной колбы или бюретки с соответствующей запорной жидкостью, иногда конденсируют газ в ловушках при низких температурах. По-разному отбирают газ из замкнутой емкости и из потока. При отборе из замкнутой емкости, например рабочего помещения, пробу газа отбирают из разных мест и затем смешивают и анализируют. При отборе пробы из трубопровода обычно используют метод продольных струй (см. рис. 2.2, а) или метод поперечных сечений (см. рис. 2.2, б).

Когда состав анализируемого газа часто изменяется во времени, то в зависимости от требуемой информации пробы усредняют или анализируют отдельно объемы газов, отобранных в разное время.

Пробоотборник воздуха (рис. 2.4) отбирает пробу воздуха на посев микроорганизмов. Он позволяет определить конкретный микроорганизм, присутствующий в воздухе, подсчитать концентрацию жизнеспособных микроорганизмов, концентрацию частиц, на поверхности которых присутствуют микроорганизмы, и их размеры. Жидкость, в которую собирают микроорганизмы, — стерильный изотонический раствор. При этом жидкость непрерывно циркулирует (таким образом увеличивается время ее контакта с биологически аэрозолем).

Аспиратор — прибор, предназначенный для измерения объема пробы анализируемого воздуха и ее отбора с помощью улавливающих устройств. Аспираторы классифицируют следующим образом:

• • в зависимости от продолжительности отбора проб — для отбора разовых и среднесуточных проб;
• • в зависимости от расхода воздуха при отборе проб:
  • — малорасходные — расход менее 10 дм³/мин;
  • — среднерасходные — расход 10—500 дм³/мин;
  • — высокорасходные — расход более 500 дм³/мин;
• • в зависимости от источника энергии — сетевые, аккумуляторные и универсальные;
• • в зависимости от объекта отбора проб — для отбора проб газовых или аэродиснерсных примесей;
• • в зависимости от способа управления — автоматические и неавтоматические;
• • в зависимости от назначения — однои многоканальные;
• • в зависимости от способа использования — лабораторные, переносные, автономные и устанавливаемые на транспортные средства.

На рис. 2.5 показаны автоматические пробоотборники (аспираторы), которые служат для отбора и измерения объема проб атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны, жилых и общественных помещений, газов от источника загрязнения атмосферы, газов — конечной продукции технологических процессов с целью последующего определения состава или свойств.

Рис. 2.4. Пробоотборник воздуха.

Рис. 2.5. Пробоотборник пыли (аспиратор):

а — одноканальный; б — многоканальный Принцип действия аспиратора (см. рис. 2.5, б) основан на прокачивании через поглотитель воздуха или газа с заданным номинальным расходом и временем отбора пробы. Анализируемый газ прокачивается побудителем расхода через один или два параллельно включенных поглотительных сосуда, подключаемых с помощью пневмоклапанов. Прокачиваемый объем приводится к нормальным условиям автоматически. Число каналов отбора проб — 4, количество отбираемых параллельно проб — 2. Пределы основной относительной погрешности измерения объемного расхода — ±5%.

В соответствии с ГОСТ 17.2.3.01—86 пробы для контроля качества воздуха населенных пунктов отбирают следующим образом:

• 1) продолжительность отбора проб загрязняющих веществ при определении разовых концентраций составляет 20—30 мин;
• 2) продолжительность отбора проб загрязняющих веществ для определения среднесуточных концентраций при дискретных наблюдениях по полной программе составляет 20—30 мин, при непрерывном отборе — 24 ч;
• 3) отбор проб при определении приземной концентрации примеси в атмосфере проводят на высоте от 1,5 до 3,5 м от поверхности Земли.

Конкретные требования к способам и средствам отбора проб, необходимым реактивам, условиям хранения и транспортирования образцов, индивидуальным для каждого загрязняющего вещества, установлены в НТД на методы определения загрязняющих веществ.

Отбор пробы твердых тел. При отборе пробы твердых тел руководствуются размером (диаметром) неоднородных частиц d (табл. 2.11).

Таблица 2.11

Масса представительной пробы.

Для расчета оптимальной массы пробы используют следующую формулу: где Q — масса пробы, обеспечивающая ее представительность, кг; л — эмпирический коэффициент (0,02—1); d — наибольший диаметр неоднородной частицы, мм.

Способы отбора твердого вещества различны для веществ, представляющих собой целый кусок (слиток, кусок, прут и т. д.) или сыпучий материал (зерно, гранулированное удобрение, руда, порошок и т. д.). При отборе пробы целый кусок дробят, распиливают через равные промежутки либо высверливают в разных местах. При отборе пробы сыпучего материала массу исследуемого объекта перемешивают и пробу отбирают в разных местах и на разной глубине, используя при этом специальные щупы-пробоотборники.

В процессе отбора пробы и ее хранения возможны потери определяемых компонентов, внесение загрязнений, изменение химического состава, что приводит к увеличению общей погрешности анализа. Потери в виде пыли при измельчении твердых образцов могут составлять до 3%. При отборе и хранении пробы возможна потеря летучих продуктов. Большие потери могут также возникнуть из-за адсорбции определяемого компонента на поверхности емкостей для хранения проб. Погрешности, обусловленные внешними загрязнителями, особенно велики при определении следовых количеств веществ.

Пробу почвы отбирают с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, а также с учетом особенностей загрязняющих веществ или организмов (ГОСТ 17.4.3.01—83). Отбор проб производят на пробных площадках (часть исследуемой территории, характеризующаяся сходными условиями), закладываемых так, чтобы исключить искажение результатов анализов под влиянием ОС. При общем загрязнении почв пробные площадки намечают по координатной сетке, указывая их номера и координаты.

В зависимости от цели исследования размер пробной площадки, количество и вид пробы должны соответствовать параметрам, приведенным в табл. 2.12.

Таблица 2.12

Размер, количество и вид пробной площадки.

При мощности горизонта или слоя свыше 40 см отбирают раздельно не менее двух проб с различной глубины. Масса объединенной пробы должна быть не менее 1 кг. Монолиты следует отбирать объемом не менее 100 см³.

При исследовании загрязнения почв сельскохозяйственных угодий патогенными микроорганизмами и вирусами пробы отбирают с пахотного горизонта глубиной 0—5 и 5—20 см.

При отборе проб почвы используют следующую аппаратуру (рис. 2.6) (ГОСТ 28 168−89):

• • буры тростьевые БП-25−15 или аналогичные буры, обладающие такими же метрологическими характеристиками;
• • лопаты штыковые;
• • мешочки полотняные, пакеты полиэтиленовые или бумажные, коробки картонные;
• • этикетки;
• • основы картографические.

Рис. 2.6. Переносные комплекты для взятия проб почвы

На рис. 2.7 показаны автоматические пробоотборники почвы на базе квадроцикла. Смешанная почвенная проба набирается автоматически за 15—30 минипроб. Один цикл извлечения минипробы составляет 5—10 с.

Рис. 2.7. Автоматические пробоотборники почвы