Визначення концентрації нітратів у воді методом багатоспектрального УФ-аналізу
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.69(1).2025.331822Ключові слова:
оптика, нітрати, ультрафіолетова спектроскопія, Random Forest, багатоканальний аналіз, диференціальний метод, контроль якості води, автоматичний моніторинг, фотометрія, гумінові речовини, оптичні вимірювання, неруйнівний контрольАнотація
У роботі представлено результати дослідження з розробки, калібрування та випробування експериментального прототипу портативної системи для визначення концентрації нітратів у воді на основі багатоспектрального ультрафіолетового аналізу в поєднанні з алгоритмами машинного навчання. Актуальність проблеми пов’язана з масштабним поширенням нітратного забруднення природних і питних вод, що виникає через надмірне використання азотних добрив, стоки та природне ґрунтове вимивання. Високі концентрації нітратів у воді викликають серйозні загрози здоров’ю, особливо у дітей, зумовлюючи розвиток метгемоглобінемії та сприяючи виникненню хронічних захворювань. З огляду на це, критично необхідним є створення автономних рішень, здатних забезпечити швидкий і точний аналіз води без використання складних лабораторних процедур та хімічних реагентів. Запропонована система базується на використанні чотирьох світлодіодів з довжинами хвиль 265, 308, 365 і 395 нм. Кожен з каналів виконує окрему функцію: 308 нм — виявлення нітратів, 265 нм — контроль органічних домішок, 365 нм — моніторинг мутності, 395 нм — стабілізація вимірювань. Оптична система побудована на фотодіоді у фотопровідному режимі з трансимпедансним підсилювачем. Було реалізовано алгоритм автоматичного затримання вимірювання у випадку виявлення нестабільного середовища за допомогою каналу 395 нм. Диференційна обробка спектральних даних (A308−A265, A308/A265) у поєднанні з алгоритмом Random Forest забезпечила точне визначення концентрації нітратів у діапазоні до 300 мг/л. Отримано високу кореляцію між прогнозованими та реальними значеннями (R² = 0.9806) при середній абсолютній похибці 0.77 мг/л. Запропонований підхід дозволяє розв’язати проблему впливу спектрального фону та відхилень від закону Бугера–Ламберта–Бера за рахунок використання адаптивної математичної моделі. Система має перспективи впровадження у мобільних польових приладах моніторингу водних ресурсів, станцій спостереження за довкіллям, аграрному секторі та побутовому водокористуванні. Подальші дослідження передбачають розширення кількості каналів, інтеграцію сенсорів pH та електропровідності, а також застосування в складніших багатокомпонентних системах.
Посилання
World Health Organization, Guidelines for Drinking-water Quality, 4th ed., incorporating the First Addendum. Geneva: WHO Press, 2017. [Online]. Available: https://www.who.int/publications/i/item/9789241549950
Organisation for Economic Cooperation and Development, Water and Agriculture: Nitrate Pollution. Paris: OECD Publishing, 2020. [Online]. Available: https://www.oecd.org/content/dam/oecd/en/publications/reports/2020/05/oceanpolicies_18ba8794/european-union-nitratepollution-preventionregulations_c500b487/pdf/european-unionnitrate-pollution-prevention-regulations.pdf
M. Bischoff, A. M. Hiar, & R. F. Turco, “Evaluation of nitrate analysis using test strips: Comparison with two analytical laboratory methods”, Communications in Soil Science and Plant Analysis, vol. 27, is. 15–17, pp. 2765–2774, 1996. DOI: 10.1080/00103629609369739
T. I. Brinton, R. C. Antweiler, & H. E. Taylor, Method for the determination of dissolved chloride, nitrate, and sulfate in natural water using ion chromatography. U.S. Geological Survey Open-File Report 95–426A, 1996. DOI: 10.3133/ofr95426A
H. Altundag, S. Agar, E. Altıntıg, A. Ates, & S. Sivrikaya, “Use of ion chromatography method on the determination of some anions in the water collected from Sakarya, Turkey”, Journal of Chemical Metrology, vol, 13, no. 1, pp. 14–20, 2019. DOI: 10.25135/jcm.26.19.03.1221
A. C. Edwards, P. S. Hooda, & Y. Cook, “Determination of nitrate in water containing dissolved organic carbon by ultraviolet spectroscopy”, International Journal of Environmental Analytical Chemistry, vol. 80, is. 1, pp. 49–59, 2001. DOI: 10.1080/03067310108044385
M. Huebsch, F. Grimmeisen, M. Zemann, O. Fenton, K. G. Richards, P. Jordan, A. Sawarieh, P. Blum, and N. Goldscheider, “Technical Note: Field experiences using UV/VIS sensors for highresolution monitoring of nitrate in groundwater”, Hydrol. Earth Syst. Sci., vol. 19, is. 4, pp. 1589–1598, 2015. DOI: 10.5194/hess-19-1589-2015.
D. A. Skoog, F. J. Holler, and S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 7th ed. Boston, MA: Cengage Learning, 2017.
L. Breiman, “Random forests,” Mach. Learn., vol. 45, pp. 5–32, 2001. DOI: 10.1023/A:1010933404324
J. Dong, J. Tang, G. Wu, & R. Li, “A turbidity compensation method for nitrate measurement based on ultraviolet difference spectroscopy”, Molecules, vol. 28, is. 1, 250, 2023. DOI: 10.3390/molecules28010250
N. Zashchepkina and D. Melnychenko, “AUTONOMOUS SPECTROPHOTOMETRIC SYSTEM FOR NITRATE AND NITRITE ANALYSIS IN WATER,” MEASURING AND COMPUTING DEVICES IN TECHNOLOGICAL PROCESSES, (3), pp. 29–33, Aug. 2024. [Online]. Available: https://doi.org/10.31891/2219-9365-2024-79-3 {in Ukrainian}
H. Wang, A. Ju, & L. Wang, “Ultraviolet spectroscopic detection of nitrate and nitrite in seawater simultaneously based on partial least squares”, Molecules, vol. 26, is. 12, 3685, 2021. DOI: 10.3390/molecules26123685
E. Yeshno, S. Arnon, and O. Dahan, “Real-time monitoring of nitrate in soils as a key for optimization of agricultural productivity and prevention of groundwater pollution”, Hydrol. Earth Syst. Sci., vol. 23, is. 9, pp. 3997–4010, 2019. DOI: 10.5194/hess-23-3997-2019.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Наталія Защепкіна, Дмитро Мельниченко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
