Индикатор концентрации нитратов в продуктах

Министерство образования  Республики Беларусь

Учреждение Образования

«Белорусский государственный  университет информатики и радиоэлектроники»

 

Факультет заочного обучения

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

 

по дисциплине: «ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ»

 

на тему:  «Индикатор концентрации нитратов в продуктах»

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр.  801801 Специальности   МдЭ Падченко Е.Н.		Проверил:  Собчук Н. С. Оценка: ________________ ________________________ (подпись) ________________________ (дата)

Минск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ..3

1. Обзор существующих методов измерения и аппаратов……………...4

1.1. Обзор принципов работы измерителя концентрации нитратов .5

1.2. Анализ существующих приборов………………………………..9

      1.3. Потребительские испытания нитрат-тестеров………………... 13

1.4. Лабораторные испытания нитрат-тестеров……………………15

1.5.Вывод о необходимости разработки…………………………....16

     2. Разработка структурной схемы прибора…………………………….17

      3. Разработка электрической принципиальной схемы………………...18

                 3.1. Питание…………………………………………………………..18

                3.2. Разработка аккумуляторной батареи…………………………..19

  4. Выбор элементной базы……………………………………………...21

            5. Разработка методики измерения……………………………………26

5.1. Разработка алгоритма работы программы микро-контроллера.........................................................................................26

  5.2. Проведение замеров…………………………………………………….28

    6.  Разработка блока калибровки……………………………………..…33

 7. Разработка сборочного чертежа печатной платы…………………...36

           7.1. Расчет элементов печатного  рисунка…………………………38

 

Список использованных источников ..40

Приложение А …

Приложение Б………………………………………………………………

                                                    

 

 

 

 

Введение

Нитраты (соли азотной кислоты) широко распространены в природе. Они  содержатся в почве, воде, входят в  состав растений, являются продуктами обмена веществ организма человека и животных.

Нитраты считаются одними из самых опасных химических соединений, так как способны вызвать серьезные  нарушения в организме человека. Нитраты присутствуют во многих удобрениях, которые активно используют в  сельском хозяйстве для повышения  урожайности культур. По этой причине  нитраты в овощах и фруктах  часто содержатся в значительной концентрации. Попадая с пищей  в организм человека, нитраты в  больших количествах, способны вызывать отравления нитратами, различные расстройства и хронические заболевания.

До недавнего времени  определение нитратов было довольно трудоемким и дорогостоящим процессом. Сейчас есть прекрасная возможность  приобрести специальный прибор для  измерения нитратов - нитратомер, который  можно всегда носить с собой а  так же иметь в своей лаборатории.

Нитратомер  способен с  высокой точностью провести тест на нитраты в овощах и фруктах, определить нитраты в воде. Специалисты  лабораторий  испытали нитратомер на практике и рекомендуют использование  этих приборов в повседневной жизни. Нитратомер поможет  вовремя распознать опасные продукты и защитить себя от отравления нитратами. Данный прибор используется в разных лабораториях Европы а так же пользуется большим  спросом среди простого населения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Обзор существующих методов измерения и аппаратов.

 

Среди методов определения  нитратов в продуктах главенствующее положение занимают физико-химические: спектрофотометрия, хроматография, электрохимия и хемилюминесценция.

Спектрофотометрические методы определения нитратов можно разделить на 4 группы, основанные на:

•   нитровании ароматических органических соединений (особенно фенолов);

•   окислении органических соединений;

•   восстановлении нитрат-ионов до нитрит-ионов;

•   поглощении нитратов в УФ-области спектра. Получаемые соединения имеют максимум светопоглощения в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Интенсивность светопоглощения пропорциональна содержанию нитратов в анализируемой пробе.

Давно известен метод газожидкостной хроматографии, который заключается в нитровании органических соединений ароматического ряда — бензола и его производных в присутствии серной кислоты, разделение их с помощью колонки, заполненной специальными сорбентами, испарении и количественном определении нитропроизводных пламенно-ионизационным детектором или детекторами электронного захвата.

Газохроматографический  метод определения нитратов обладает высокой чувствительностью и  достаточной точностью. Недостатком  этого метода является влияние на результаты анализа сопутствующих  веществ. Наличие галогенидов приводит к занижению результатов анализа, а загрязненность серной кислотой нитратами  — к их завышению, причем оба влияния  значимы и не поддаются оценке.

Наиболее распространенным для анализа воды и водных экстрактов пищевых продуктов является потенциометрический (ионометрический) метод определения нитратов, основанный на измерении потенциала, возникающего на мембране ионоселективного электрода при погружении последнего в раствор, содержащий нитрат-ионы. Метод привлекает простотой, быстротой выполнения, возможностью вести определение в мутных и окрашенных средах. Он достаточно хорошо изучен, экспериментально отработан и обеспечен аппаратурой. Чувствительность и избирательность метода зависят от свойств нитратселективного электрода, точнее обусловлены свойствами его мембраны.

В настоящее время разработан также ряд быстрых полуколичественных тест-методов, которые позволяют  с достаточной точностью определять содержание нитрат-иона в большом  количестве проб без применения сложного оборудования.

 

1.1. Обзор принципов работы измерителя концентрации нитратов

 

ГОСТ 29270-95 рекомендует определять нитраты в овощах двумя способами.

Первый способ состоит в восстановлении нитратов до нитритов на кадмиевой колонке. Затем нитриты переводят в окрашенное азосоединение, которое и фотометрируют.

Другой способ состоит в ионометрическом определении нитратов с помощью нитратного электрода. Так как первый способ гораздо более трудоемок, то рассматривать его мы не будем. Остановимся на ионометрической методике.

Подготовка  пробы

Различают 4 вида анализируемых  объектов:

• сушеные овощи и фрукты;
• соки, напитки, коктейли;
• овощи семейства крестоцветных (капуста);
• остальные овощи, которые не были упомянуты выше.

В зависимости от принадлежности к какой-либо группе, анализируемый  объект подвергается той или иной обработке.

Сначала приготавливается экстрагирующий раствор, который представляет собой  раствор алюмокалиевых квасцов  с концентрацией 1%. Затем проба  в 10,00г овощей или фруктов измельчается гомогенизатором и заливается 50 мл экстрагирующего раствора. (Если нет гомогенизатора, то можно измельчить пробу в мясорубке или протереть  на терке.) Проба встряхивается 5 минут. После этого проба считается  приготовленной и готовой для  проведения последующего определения. Соки и напитки не разбавляется экстрагирующим раствором, так как кристаллы  квасцов растворяются прямо в  пробе. На 100 мл пробы сока добавляют 1г алюмокалиевых квасцов. Сушеные  овощи после измельчения заливаются двойной порцией экстрагирующего  раствора. Затем проба нагревается  на водяной бане 5 минут.

Экстрагирующий раствор  для овощей семейства крестоцветных, помимо квасцов, содержит марганцовокислый калий и серную кислоту. Для приготовления  этого раствора используется обычный  экстрагирующий раствор, к 1000 мл которого добавляют 1г KMnO4 и 0.6мл концентрированной  серной кислоты. Эти добавки способствуют окислению некоторых органических веществ, которые выводят ионоселективный  нитратный электрод из строя.

Исследования проведем путем сравнительного анализа содержания нитрат-ионов в пищевых продуктах растительного происхождения с использованием 1) электронного нитрат-тестера НУК-019-2 и 2) комбинированного нитрат-селективного электрода, ионометрическим методом в соответствии с ГОСТ 29270-95 «Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения нитратов».

Ионометрический (потенциометрический) метод с использованием комбинированного нитрат-селективного электрода дает возможность проводить прямое определение содержания нитрат-иона.

Диапазон определяемых содержаний определяется техническими характеристиками электрода (7-10-6 - 1 моль N03-/n) и априорными данными. Если содержание нитрат-иона в анализируемой пробе превышает  верхнюю границу диапазона, то допускается  разбавление пробы.

Ионометрический (потенциометрический) метод основан на измерении электродвижущих  сил обратимых гальванических элементов  и применяется для определения  концентрации ионов в растворе. Для  измерения электродвижущей силы применяют систему двух электродов - индикаторного и электрода сравнения  или комбинированные электроды.

Для определения содержания непосредственно нитрат-иона используются нитрат-селективные (ионселективные) электроды. Ионоселективные электроды (ИСЭ) - сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциал  которых линейно зависит от логарифма  активности определяемого иона в  растворе. Важнейшей составной частью ИСЭ является полупроницаемая мембрана, способная пропускать только определенные ионы. Мембраны изготавливаются из специальных сортов стекла, монокристаллов, органических полимеров, пленок ферментов, жидких ионообменников. На границе  мембрана - раствор устанавливается  равновесие обмена ионами и возникает  разность потенциалов. Потенциал ИСЭ  зависит от активностей определяемого  иона в анализируемом растворе и  во внутреннем растворе электрода.

Содержание нитрат-иона определяют с помощью предварительно построенной  градуировочной характеристики (ГХ), которая  представляет собой экспериментально определённую зависимость содержания нитрат-иона от аналитического сигнала (электродного потенциала). Для построения ГХ используют измерения аналитических  сигналов на стандартных образцах (ГО), которые представляют собой стандартные  растворы KN03, приготовленные путем  последовательного десятикратного разведения основного стандартного раствора с концентрацией 10 г/дм3 дистиллированной водой. Основной стандартный раствор  готовят растворением навески массой 16.30 г KN03, взвешенной с погрешностью 0.02 г, в 1000 см3 дистиллированной воды. Калибровку проводят на фоне буферного раствора для регулирования общей ионной силы, в качестве которого используется раствор сульфата аммония (NH4)2S04 с концентрацией 2 моль/дм3. Соотношение стандартного и буферного растворов 50:1.

Подготовка анализируемых  проб (овощей и фруктов) осуществлялась в соответствии с ГОСТ 29270-95 «Продукты  переработки плодов и овощей. Методы определения нитратов».

При работе использованы реактивы соответственно с ГОСТ 29270-95.

Таблица 1 - Доступные для анализа содержания нитратов продукты.

№	Продукт Норма	ПДК	Обозначение в  меню
1	Абрикос	60	Абрикос
2	Арбуз	60	Арбуз
3	Банан	200	Банан
4	Баклажан	300	Баклажан
5	Виноград	60	Виноград
6	Груша	60	Груша
7	Зелень	200	Зелень
8	Дыня	90	Дыня
9	Капуста ранняя	900	Капуста Р
10	Капуста поздняя	500	Капуста П
11	Кабачок	400	Кабачок
12	Картофель	250	Картофель
13	Клубника	100	Клубника
14	Лук (реп)	80	Лук (реп)
15	Лук (зел)	600	Лук (зел)
16	Манго	60	Манго
17	Морковь ранняя	400	Морковь Р
18	Морковь поздняя	250	Морковь П
19	Нектарин	60	Нектарин
20	Огурец грунтовой	300	Огурец грунтовой
21	Перец (сладкий)	200	Перец сл.
22	Персик	60	Персик
23	Помидор	250	Помидор
24	Редис	1500	Редис
25	Редька	1000	Редька