Исследование новых методов идентификации оптических спектров жидких смесей сложных соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Конюшенко, Игорь Олегович

• Конюшенко, Игорь Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Конюшенко, Игорь Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКИЙ ОБРАЗ КАК ОТРАЖЕНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТЁ И ИХ СМЕСЕЙ.

1.1 Что такое оптический образ вещества или среды.

1.2 Основные задачи спектроскопического исследования ЖССС и метод распознавания образов.

1.3 Основные требования к оптическому образу вещества и его надежность

1.4 Основные оптико-физические принципы формирования оптических образов ЖССС.

1 Л. 1 Абсорбция.

1.4.2 Нарушенное полное внутреннее отражение (ППВО).

1.4.3 Флуоресценция.

ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

СПЕКТРОВ И ИХ РАЗВИТИЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ.22 2.1 Цели математической обработки оптических образов веществ и их смесей

2.2 Формализация спектроскопических данных.

2.3 Основные методы математической обработки оптических образов. Формулировка задачи анализа спектроскопической информации.

2.4 Основы теории статистического распознавания образов и ее развитие применительно к оптическим образам.

2.4.1 Основные положения.

2.4.2 Построение классификатора.

2.4.3 Определение ошибки классификации.

2.5 Методы снижения размерности.

2.6 Метод главных компонент.

2.7 Многоступенчатый метод главных компонент и распознавания образа.

ГЛАВА 3 АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ

ОБРАЗОВ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ.

ЗЛ Особенности классификации спектроскопических образов моторных топлив и масел.

3.2 Моторные топлива.

3.2Л Формирование оптических образов моторных топлив.

3.2.2 Статистический анализ спектральных распределений коэффициента пропускания моторных топлив.

3.3 Машинные масла.

3.3.1 Применение абсорбционного метода для формирования образов моторных масел.

3.3.2 Статистический анализ спектральных распределений коэффициента пропускания моторных масел, исследование влияния экспериментального разброса измерений.

ГЛАВА 4 ЛАЗЕРНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ.

4.1 Моторные топлива.

4.1.1 Формирование оптических образов моторных топлив.

4.2 Моторные масла, возможность использования временных характеристик флуоресценции для формирования образа.

ГЛАВА 5. РЕФРАКТОМЕТРИЯ В ФОРМИРОВАНИИ ОБРАЗОВ ЖССС.

5.1 Теоретические предпосылки к использованию рефрактометров для получения спектральных образов жидких смесей.

5.2 ~ Схема световодиой рефрактометрии.-.

5.3 Полихромная световодная рефрактометрия.

5.4 Простейший случай полихромной световодиой рефрактометрии -двухцветная рефрактометрия.

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ МОНОХРОМНОГО РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖССС.

6.1 Монохромная рефрактометрия как предельный случай полихромной. „

6.2 Использование монохромного рефрактометрического метода для получения образа слабопоглощающих веществ.

6.3 Использование рефрактометрического метода для исследования сильнопоглощающих веществ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование новых методов идентификации оптических спектров жидких смесей сложных соединений»

Жидкие смеси сложных соединений (ЖССС) - чрезвычайно широкий класс веществ, многие группы которых играют большую роль в различных областях деятельности общества. Они могут иметь как природное происхождение (например, нефть), так и быть продуктом промышленной переработки или синтеза. Это могут быть ископаемые вещества (нефть, природный газ), биологические материалы, медицинские препараты, пищевые продукты и т.д. Свойства ЖССС определяются не только их молекулярным составом, но и тем, в какие структуры и каким образом объединяются молекулы. Из сказанного уже очевидно, что аналитическое исследование ЖССС в целом представляется очень широким спектром подходов, как в качественном и количественном анализе элементного или молекулярного состава, так и в идентификации ЖССС. При этом чисто внешние обстоятельства при аналитическом исследовании одной и той же ЖССС могут потребовать применения существенно различных подходов (например, различные условия, в которых проводятся исследования, требования к скорости, производительности, стоимости исследования и т.д.) Таким образом, учитывая многообразие ЖССС, а также условий их добычи, производства, использования, хранения и транспортировки, представляется актуальной любая работа, посвященная исследованию физических, физико-химических или химических свойств отдельных представителей рассматриваемого класса веществ, направленная на поиск новых особенностей в этих свойствах, особенностей, которые в конечном итоге создают" принципиальные предпосылки получения новых возможностей в аналитических исследованиях. Кроме того, в той же мере актуальными представляются работы, в которых исследуются свойства рассматриваемых веществ, определяющие возможности формирования комплексных, обобщенных подходов в аналитических исследованиях той или иной группы ЖССС.

В предложенной работе исследуются особенности оптической спектроскопии такой группы ЖССС как нефтепродукты, и обусловленные ими новые возможности в их аналитическом, в связи с чем представленная работа является актуальной.

Цель и основные задачи работы

Основной целью работы является исследование возможностей оптимизации условий формирования спектроскопических образов группы ЖССС, обеспечивающих их эффективное сочетание с адаптированными схемами методов распознавания образов и создание на этой основе комплексного, обобщенного подхода в формировании и классификации (идентификации) образа смеси.

В связи с поставленной задачей, в работе большое внимание уделяется вопросу формирования спектроскопических образов такого класса ЖССС как нефть и нефтепродукты (моторные топлива - бензины различных марок и дизтоплива, машинные масла различного назначения). Для формирования спектроскопических образов в работе используются абсорбционные, рефрактометрические, лазерно-флуоресцентные методы в различных модификациях.

Научная новизна.

1. Впервые разработан и реализован комплексный подход к решению проблемы оптимизации условий формирования спектроскопических образов группы ЖССС на основе результатов спектроскопических исследований и с учетом конкретных оптических свойств смесей. Проведен анализ возможности применения статистических методов распознавания образов для определения типов смесей по спектроскопическим данным в зависимости-от-сложности исходной задачи и объема спектроскопической информации.

2. Определены оптимальные условия формирования спектральных образов применительно к комплексной схеме.

3. Проведена адаптация статистических методов распознавания образов в целях обеспечения возможности классификации спектральных образов ЖССС.

4. Впервые разработана методика использования световодных рефрактометров с малым радиусом изгиба измерительного Ц-образного элемента для исследования оптических свойств смесей сложных жидких соединений. Экспериментально показана высокая эффективность такого рефрактометра при оптических исследованиях жидких сред, характеризующихся высокой мутностью и большим количеством неоднородностей и твердых включений.

Практическая ценность

1. Созданный комплексный обобщенный метод применен к решению задач классификации (идентификации) групп машинных масел (12 объектов) и моторных топлив (8 объектов).

2. На основе результатов произведенных исследований разработан комплекс новых аналитических подходов для количественного анализа ЖССС.

Основные положения выносимые на защиту

1. Комплексный обобщенный подход в распознавании спектроскопического образа ЖССС на основе оптимизации условий получения образов и адаптации используемых статистических методов обработки результатов измерений.

2. Оптимальные условия формирования спектроскопических образов исследуемых веществ с использованием различных физических методов. " -----------

3. Адаптация и развитие статистических методов распознавания образов до модели, позволяющей получить конечный результат распознавания спектроскопических образов в виде вероятностной оценки.

4. Аналитическое использование рефрактометров на основе нерегулярных световодов.

5. Комплекс разработанных методических решений.

Содержание работы: диссертация состоит из введения, шести глав и заключения

Заключение диссертации по теме «Оптика», Конюшенко, Игорь Олегович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты работы

1. Предложен комплексный обобщенный подход в формировании и классификации оптических образов ЖССС. Возможности такого подхода проиллюстрированы на примере исследований нефтепродуктов.

2. Создана универсальная экспериментальная установка для проведения спектроскопических исследований жидких смесей сложных соединений абсорбционным и рефрактометрическим методами, а также методом лазерной флуоресценции (в том числе и с кинетической разверткой сигнала флуоресценции).

3. Проведены оптические исследования ряда широко используемых смесей сложных соединений, таких бензины, машинные масла, нефти и сахарные пульпы и растворы. На основе этих исследований получен большой объем экспериментального материала, который использовался для отработки методов классификации образов конкретных типов смесей.

4. Осуществлено развитие описанных в литературе методов распознавания образов с целью их адаптации к решению поставленных в работе задач.

5. Впервые разработана методика использования световодных рефрактометров с малым радиусом изгиба измерительного Ц-образного элемента. Экспериментально показана высокая эффективность такого рефрактометра при оптических исследованиях жидких сред, характеризующихся высокой мутностью и большим количеством неоднородностей и твердых включений, в частности технологических пульп при производстве сахара.

6. Анализ спектроскопических данных, полученных при исследовании машинных масел и бензинов, проведенный с использованием методов распознавания образов показал возможность надежной классификации получаемых оптических образов.

7. Разработанные методики классификации оптических образов применены к решению задач идентификации нефтепродуктов и позволяют надежно устанавливать их соответствие (или несоответствие) тому или иному стандартному образцу.

8. Рассмотрены возможности использования планарного световодного рефрактометра для исследования сильнопоглощающих сред на примере нефти.

9. На основе проведенных исследований и разработок создана совокупность аналитических решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Конюшенко, Игорь Олегович, 2008 год

1. Батуева И.Ю., Гайле А.А., Поконова Ю.В. и др. Химия нефти Л.: Химия, 1984.

2. Евдокимов И.Н., Лосев А.П. Применение уф-видимой абсорбционной спектроскопии для описания природных нефтей// Нефтегазовое дело (электронный журнал) 2007 - 20 марта 07

3. Igor N. Evdokimov, Aleksandr P. Losev. On the Nature of UV/Vis Absorption Spectra of Asphaltenes // Нефтегазовое дело (электронный журнал) 2007 - 20 марта 07

4. С.А.Доленко, И.В.Гердова. Лазерная флуориметрия смесей сложных органических соединений с использованием искусственных нейронных сетей.// «Квантовая электроника» 2001 -т.31, №9 с.834-838

5. Simon М. Scott, David James, Zulfiqur Ali, William T. O'Hare, Fred. J. Rowell. Total luminescence spectroscopy with pattern recognition for classification of edible oils//Analyst-2003 -v.128 p.966-973

6. М.Борн Э.Вольф. Основы оптики. Москва: Наука, 1973.

7. F. Е. Hoge. Laser measurement of the spectral extinction coefficients of fluorescent, highly absorbing liquids// Applied Optics 1982 - Vol. 21 - No. 10

8. H. Харрик. Спектроскопия внутреннего отражения. М.:Мир, 1970.

9. Michael D. Green, Henry Nettey, Ofelia Villalva Rojas, Chansapha Pamanivong, Lamphet Khounsaknalath, Miguel Grande Ortiz, Paul N. Newton, Facundo M.

10. Fern'andez, Latsamy Vongsack, Ot Manolin. Use of refractometry and colorimetry as field methods to rapidly assess antimalarial drug quality// Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 2007 - v.43 - p. 105-110.

11. Kai Zirk, Harald Poetzschke. A refractometry-based glucose analysis of body fluids // Medical Engineering & Physics 2007 - v.29 - p.449-458.

12. A.L. Chaudharia, A.D. Shaligram. Multi-wavelength optical fiber liquid refractometry based on intensity modulation // Sensors and Actuators 2002 - v. 100 — p. 160-164.

13. I.V.Boychuk, T.A.Dolenko, V.V.Fadeev, M.Kompitsas, R.Reuter. Real abilities and problems of laser monitoring (in situ)of oil pollution in coastal marine waters // Proceedings of EARSeL-SIG-Workshop LIDAR, Dresden, FRG, June 16 17, 2000 p.l 15-121.

14. R. Kotzick, R. Niessner. Application of time-resolved, laser-induced and fiber-optically guided fluorescence for monitoring of a РАН-contaminated remediation site // Fresenius J. Anal Chem — 1996 — v.354 — p.-72-76. -

15. E. Hcgazi, A. Hamdan. Estimation of crude oil grade using time-resolved fluorescence spectra //Talanta 2002 - v.56 - p.989-995

16. Eduarda R. Carvalho. Interactions of Chlorine with Tropical Aquatic Fulvic Acids and Formation of Intermediates Observed by Fluorescence Spectroscopy // J. Braz. Chem. Soc. 2004 - Vol. 15 - No. 3 - p.421-426

17. Luiz Severe Silva Jr., Marcello G. Trevisan, Susanne Rath, Ronei J. Poppi, Felix G. R. Reyes. Chromatographic Determination of Riboflavin in the Presence of

18. Tetracyclines in Skimmed and Full Cream Milk using Fluorescence Detection // J. Braz. Chem. Soc.-2005-Vol. 16-No. 6A-p.l 174-1178.

19. В.Н.Королев, А.В.Маругин, В.Б.Цареградский. Метод определения детонационных характеристик нефтепродуктов на основе регрессионного анализа спектров поглощения в ближнем ИК диапазоне//ЖТФ — 2000 том 70 - вып.9 — стр.83-88

20. Alan G. Ryder, Thomas J. Glynn, and Martin Feely. Influence of chcmical composition on the fluorescence lifetimes of crude petroleum oils.// Proceedings of SPIE 2003 - Vol. 4876 - p.l 188-1195

21. В.В.Фадеев, С.А.Доленко, Т.А.Доленко. Лазерная диагностика сложных органических соединений и комплексов методом флуориметрии насыщения//Квантовая электроника — 1997 т.24 - №6 — стр.571-574

22. Дронов С.В. Многомерный статистический анализ. Барнаул:Изд-во Алт. гос. ун-та, 2003.

23. Olga V. Ivanova,-Laura Marcu, Michael С. K. Khoo. A Nonparametric Method for Analysis of Fluorescence Emission in Combined Time and Wavelength Dimensions // Annals of Biomedical Engineering 2005 - Vol. 33 - No. 4 - pp. 531-544

24. J. Bublitz, A. Christophersen, W. Schade. Laser-based detection of PAHs and BTXE-aromatics in oil polluted soil samples // Fresenius J Anal Chem 1996 — v.355 -p.684—686

25. P. Karlitschek, F. Lewitzka, U. Bunting, M. Niederkriiger, G. Marowsky. Detection of aromatic pollutants in the environment by using UV-laser-induced fluorescence // Appl. Phys. 1998 - v.67 - p.497-504

26. О.Звелто. Принципы лазеров М.:Мир 1990 г.

27. Лазерная аналитическая спектроскопия. Под ред. B.C. Летохова М.:Наука 1986г.

28. С.А.Айвазян, В.М.Бухштабер, И.С.Енюков, Л.Д.Мешалкин. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.:Финансы и статистика 1989г.

29. К.Фукунага. Введение в статистическую теорию распознавания образов. М.: Наука 1979г.

30. Дж.Ту, Р.Гонсалес. Принципы распознавания образов. М.: Мир 1978г.

31. А.А. Шишловский. Прикладная физическая оптика. М.: Физматгиз, 1961.

32. A.M. Алексеев, Ю.А. Голод, В.М. Немец. Волоконно-оптический рефрактометр // Заводская лаборатория — 1995 т. 61 - №7 - с. 24-26. >

33. А.Л. Патлах. Амплитудные преобразователи физических величин на основе нерегулярных световодов. // Измерения, контроль, автоматизация — 1987 т.62 -№2-с. 14-31.

34. H.-G. LoEhmannsroEben, Th. Roch. In situ laser-induced fluorescence (LIF) analysis of petroleum product-contaminated soil samples // J. Environ. Monit. 2000 -v.2 — p.17-22

35. Samuel B. Howerton, John V. Goodpaster, Victoria L. McGuffin. Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbonsin environmental samples by selective fluorescence quenching // Analytica Chimica Acta — 2002 — v.459 p.61-73

36. S. Landgraf. Use of ultrabright LEDs for the determination of static and time-resolved florescence information of liquid and solid crude oil samples// J. Biochem. Biophys. Methods-2004-v.61 p.125-134

37. Zhendi Wang, Merv F. Fingas. Development of oil hydrocarbon fingerprinting and identification techniques // Marine Pollution Bulletin 2003 - v.47 - p.423-452

38. Carl E. Brown, Mervin F. Fingas. Review of the development of laser fluorosensors for oil spill application //Marine Pollution Bulletin — 2003 — v.47 — p.477— 484