Методика и аппаратура для измерения изотопического отношения углерода 13 С/12 С в углекислом газе выдыхаемого воздуха методами диодной лазерной спектроскопии

• Автор: Зырянов, Павел Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава
Глава
Глава
Методы определения изотопического отношения углерода 13С/12С в С02. Их приложения и требования к точности. Обзор литературы.
1.1 Величины, измеряемые при определении изотопного отношения углерода.
1.2 Аналитические методы определения изотопного отношения углерода.
1.3 Характеристика диодной лазерной спектроскопии как метода.
1.4 Приложения анализа изотопического отношения углерода. Требования к чувствительности. Автоматизированный анализатор изотопического отношения углерода на основе перестраиваемых диодных лазеров.
2.1 Выбор аналитического диапазона.
2.2 Оптическая схема.
2.3 Автоматизированная система регистрации и управления и накачки лазера.
2.4 Выбор рабочих режимов.
Методика эксперимента и обработки данных. Оценка и моделирование воспроизводимости и точности.
3.1 Основы моделирования точности спектральных измерений концентрации.
3.2 Методика спектральных измерений ИОУ с помощью

3.3 Основные источники погрешностей определения

3.4 Моделирование систематических погрешностей.
Глава 4 Экспериментальные результаты.
4.1 Экспериментальный спектр С02 и его обработка.
4.2 Воспроизводимость измеряемых величин.
4.3 Статистика экспериментальных данных.
4.4 Апробация применительно к дыхательному тесту.
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Определение отношения содержания стабильных изотопов углерода 13С/12С в газообразной двуокиси углерода является эффективным диагностическим инструментом для целого ряда разнообразных приложений. Одна из областей применения относится к исследованию явлений, связанных с изотопной селективностью некоторых физикохимических и биологических процессов, и включает такие направления, как разведка полезных ископаемых, минералогия, планетарная геофизика и исследования элементного состава планет Солнечной системы [1,2,3]. При решении подобных задач атомы стабильных изотопов углерода из исследуемого объекта тем или иным образом переводятся в газообразную СОг, которая далее подвергается изотопическому анализу.
Поскольку естественное соотношение между концентрациями изотопов углерода 12С и 13С составляет приблизительно 99:1, а значимые для приложений вариации этого соотношения составляют 0.1-10%, то для обеспечения анализа ИОУ с отношением сигнал/шум ~3, разница между одновременно регистрируемой концентрацией 12С02 и точностью измерения концентрации 13С02 составит почти 6 порядков. Таким образом, диагностика, основанная на анализе ИОУ в С02, требует от применяемого инструмента сочетания высокой чувствительности, точности и широкого динамического диапазона измерений.
К началу исследований, составивших предмет данной работы, определение ИОУ в С02 с такой точностью возможно при использовании двух инструментальных подходов: масс-спектрометрии в сочетании с газовой хроматографией (МС-ГХ) и спектрофотометрии (СФ). В первом из них непосредственно используется различие масс молекулярных изотопомеров 12С02 и 13С02, а второй основан на изменении спектральных свойств молекулы С02 при замене одного изотопа углерода другим. В обоих случаях реализуется высокая селективность измерения

Волновое число, см'
Рис.4. Спектры оптической плотности поглощения трех пар линий 13С02 и 12С02, перспективных для спектрального анализа изотопического отношения углерода. Суммарное давление воздушной смеси - 760 мм рт.ст., парциальное давление С02 - 22 мм-рт.ст., длина оптического пути - 10 см. При расчете использованы спектральные параметры Н1Т1ЪШ96.
эмулированные на основе табличных данных для реальных условий
анализа (Ратм=760 ммрт.ст., рСог=22 ммрт.ст., Т=293К, Ъ- 10 см).
Отказ от ближнего ИК диапазона обусловлен необходимостью усложнения установки за счет применения многоходовой кюветы, и, как следствие, увеличением необходимого объема пробы. Еще одним аргументом против является отсутствие доступных лазеров и сильная интерференция с линиями воды для единственной пригодной для анализа паре линий.
Таким образом, в результате рассмотрения и эмуляции спектра выбрано 3 пары линий, удовлетворяющих сформулированным выше критериям. В выбранном спектральном диапазоне отсутствуют линии резонансного поглощения других атмосферных и эндогенных газов, которые могли бы оказать существенное влияние на результаты измерений.