PL218149B1 - Układ do analiz chemicznych w przepływie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do analiz chemicznych w przepływie prowadzonych w laboratoriach.

Prowadzone we współczesnych laboratoriach analizy chemiczne muszą sprostać pewnym wymaganiom. Są to przede wszystkim odpowiednia dokładność i precyzja oznaczeń osiągane przy odpowiednim poziomie stężeń analizowanych składników próbki. Coraz ważniejsze są jednak względy ekonomiczne takie jak oszczędność odczynników i tym samym szkodliwych dla środowiska ścieków, skrócenie czasu poświęcanego na wykonanie analizy. Stawia się również na automatyzację oznaczeń i miniaturyzację całych systemów pomiarowych. Wymaganiom tym starają się sprostać różnego typu techniki przepływowe. Wymieć tu należy przede wszystkim klasyczną już analizę wstrzykowoprzepływową (ang. flow injection analysis, FIA) realizowaną w układzie, gdzie ruch cieczy odbywa się w sposób ciągły i wymuszony jest za pomocą jednej lub wielu pomp perystaltycznych. Wprowadzanie roztworu próbki i reagentów do strumienia nośnego, którym jest najczęściej najtańszy reagent lub woda, odbywa się w tej technice za pomocą zaworu wstrzykowego, który obsługiwany jest w sposób manualny przez analityka. Wadą tego typu układów przepływowych jest stosunkowo duże zużycie odczynników.

Znaczną redukcję ilości zużywanych odczynników i większą automatyzację analizy osiągnąć można stosując w układach przepływowych elementy elektrycznie sterowane i komputerowo programowane. Dotyczy to takich elementów jak zawory elektromagnetyczne stosowane w multikomutacyjnej analizie przepływowej (ang. multicommutation flow analysis, MCFA) oraz elektromagnetyczne pompy pulsowe stosowane w analizie wielopompowej (ang. multi-pumping flow system, MPFS). W MCFA zawory elektromagnetyczne przejęły role ręcznie przełączanego zaworu wstrzykowego. Umożliwiają one wprowadzanie zarówno próbki, jak i reagentów do strumienia nośnego. Najczęściej stosowanymi zaworami są zawory trójdrożne. Dzięki nim możliwy jest wybór kanału, przez który przepływa ciecz. Normalnie otwarte są w tzw. pozycji „0”. Odpowiednio zaprogramowany komputerowo sygnał elektryczny może przełączyć zawór trójdrożny w pozycje „1” i zmienić w ten sposób kanał, którym ciecz jest zasysana lub do którego jest pompowana.

Układy przepływowe w analizie multikomutacyjnej (MCFA) są najczęściej jednokanałowe, podczas gdy w systemach FIA są to systemy wielokanałowe. W dalszym ciągu wymagane, jest jednak stosowanie pompy perystaltycznej, która jest najdroższym i największym elementem całego systemu przepływowego. Pompa perystaltyczna może być zastąpiona za pomocą tańszych, bardzo precyzyjnych i odpornych chemicznie pomp pulsowych, co robi się w analizie MPFS. Pompy te charakteryzują się ponadto mniejszymi rozmiarami i mniejszym poborem mocy, co umożliwia miniaturyzację całego systemu przepływowego. Obydwa typy systemów przepływowych, tzn. MCFA oraz MPFS łączy się uzyskując sieć sprzężonych ze sobą zaworów elektromagnetycznych i pomp pulsowych. Połączenie takie daje możliwość całkowitej automatyzacji pomiarów, przy jednoczesnej miniaturyzacji całego systemu. Pracę zarówno pomp pulsowych, jak i zaworów elektromagnetycznych można dowolnie zaprogramować. Można ograniczyć ilość wprowadzanych do systemu odczynników, gdyż nie jest konieczny stały przepływ cieczy.

Dodatkowe zmniejszenie zużycia odczynników i skrócenie czasu trwania analizy można uzyskać poprzez bezpośrednie wprowadzanie próbki do komory detekcyjnej układu przepływowego za pomocą pompy pulsowej (zgłoszenia patentowe nr. P.391593 z dn. 22.06.2010; P.393184 z dn. 9.12.2010). W proponowanych wcześniej detektorach, z uwagi na rodzaj detekcji (fotometryczny, chemiluminescencyjny) nie wymagane było dodatkowe wymieszanie wstrzykiwanej próbki z roztworem reagenta. Niektóre rodzaje detektorów stosowane w metodach przepływowych, np. potencjometryczne, amperometryczne, mikrograwimetryczne, wymagają jednak tego, żeby roztwór w komorze detekcyjnej miał charakter jednorodny. Przy tego typu rodzajach detekcji realizowanych w systemach nieprzepływowych stosuje się wszelkiego typu mieszadła (mechaniczne, magnetyczne). W metodach przepływowych (FIA, MCFA, MPFA) mieszanie takie odbywa się głównie na drodze dyspersji. Aby mieszanie to było bardziej wydajne stosuje się tzw. spiralę reakcyjną.

Według wynalazku układ do analiz chemicznych w przepływie składa się z detektora, w którym umieszczona jest komora detekcyjna, korzystnie o kształcie stożka, do której doprowadzane są co najmniej dwa kanały, jeden kanał doprowadzający roztwór nośny i drugi kanał doprowadzający próbkę. Na szczycie stożka znajduje się wylot połączony poprzez zawór z jednej strony z naczyniem ściekowym a z drugiej strony poprzez pompę pulsową i zawór trójdrożny z kanałem doprowadzającym

PL 218 149 B1 roztwór nośny. Zawór trójdrożny kierujący kanałem doprowadzającym roztwór nośny połączony jest poprzez pompę pulsową z roztworem nośnym. Kanał doprowadzający próbkę połączony jest poprzez pompę pulsową z próbką. W komorze detekcyjnej umieszczone są elektrody, które w zależności od zastosowania mogą być wykorzystywane np. do detekcji potencjometrycznej czy amperometrycznej.

Układ według wynalazku w porównaniu z innymi metodami przepływowymi (FIA, MCFA, MPFA) zapewnia znacznie mniejsze zużycie odczynników i skrócenie czasu wykonania analizy. Dzięki zastosowaniu pompy pulsowej służącej do recyrkulacji możliwe jest szybkie wymieszanie roztworu po wprowadzeniu próbki i reagentów. Homogenizacja roztworu jest konieczna w większości stosowanych metod detekcji, np., amperometrycznych, potencjometrycznych, mikrograwimetrycznych. Układ jest prostszy niż zastosowanie np. mieszadła magnetycznego z mieszadełkiem umieszczonym w komorze reakcyjnej.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku gdzie na fig. 1 pokazany jest układ do analiz chemicznych w schemacie ogólnym.

Układ do analiz chemicznych w przepływie składa się z detektora 1, w którym umieszczona jest komora detekcyjna 2, korzystnie o kształcie stożka, do której doprowadzane są co najmniej dwa kanały, jeden kanał 3 doprowadzający roztwór nośny i drugi kanał 4 doprowadzający próbkę. Na szczycie stożka znajduje się wylot 5 połączony poprzez zawór 6 z jednej strony z naczyniem ściekowym 7 a z drugiej strony poprzez pompę pulsową 8 i zawór trójdrożny 9 z kanałem 3. Zawór trójdrożny 9 połączony jest poprzez pompę pulsową 10 z roztworem nośnym 11. Kanał 4 połączony jest poprzez pompę pulsową 12 z próbką 13. W komorze 2 umieszczone są elektrody 14, które w zależności od zastosowania mogą być wykorzystywane np. do detekcji potencjometrycznej czy amperometrycznej.

Pompy pulsowe i zawory elektromagnetyczne sterowane są przy pomocy układu elektronicznego, korzystnie za pomocą komputera. Cykl wykonania analizy składa się z kilku etapów.

W pierwszym etapie do komory detekcyjnej 1 przez kanał 4 wstrzykiwana jest badana próbka 13 za pomocą pompy pulsowej 12. W etapie tym mogą być wstrzykiwane poprzez dodatkowe kanały konieczne inne reagenty. Objętość wprowadzonej próbki i reagentów powinna być niniejsza od objętości komory tak, aby po ich wstrzyknięciu część z nich nie została przez kanał 5 i zawór 6 usunięta do ścieków 7.

Następnym etapem jest etap recyrkulacji cieczy dokonywany przy pomocy pompy pulsowej 8. Zawory elektromagnetyczne 6 i 9 przestawiane są w pozycję, która pozwala na zasysanie cieczy z kanału 5 i wprowadzanie jej do kanału 3. Podczas tego etapu następuje dokładne wymieszanie próbki z roztworem nośnym.

Kolejnym etapem jest odczytanie sygnału analitycznego np. przy pomocy elektrod 14 lub dowolnej innej metody detekcji.

Końcowym etapem jest usuwanie roztworu z próbką z komory 2 detektora 1 i wpompowanie do niej roztworu nośnego 11. Podczas tego etapu pompa 10 pompuje roztwór 11 do komory detektora, a następnie po przełączeniu zaworów 6 i 9 w pozycję do recyrkulacji przemywane są również kanały od wylotu 5 poprzez zawór 6, pompę 8 i zawór 9 do wlotu 3.

Korzystne jest wykonanie komory 2 detektora 1 w kształcie stożka, gdzie wylot cieczy znajduje się na szczycie i skierowany jest do góry. Ułatwia to usuwanie pęcherzyków powietrza, które mogą znaleźć się w komorze. Objętość pojedynczej porcji cieczy pompowanej przez pompę 8 powinna być możliwie mała, a węże znajdujące się w obwodzie recyrkulacji powinny być elastyczne. Ponieważ podczas recyrkulacji ciecz znajduje się w zamkniętym obwodzie, to elastyczne węże muszą zawierać odpowiednio dużą objętość cieczy, która w etapie zasysania przez pompę jest przemieszczana z węży do komory pompy. W obwodzie tym można dodatkowo wstawić zbiornik buforowy cieczy np. z elastyczną przeponą.

Opisany układ można wykorzystać do potencjometrycznego oznaczania zawartości fluorków ₃ w analizowanych próbkach. Jako roztwór nośny wykorzystuje się NaCl o stężeniu 0,2 mol/dm³ w bufo₃ rze octanowym o stężeniu 0,2 mol/dm³ i pH 5,2. Wykorzystywana jest elektroda jonoselektywna czuła na jony fluorkowe. Jako elektroda odniesienia zastosowana jest elektroda chlorosrebrowa w postaci drutu srebrnego pokrytego AgCl, umieszczonego bezpośrednio w komorze detektora. Objętość komory detekcyjnej wynosi 100 μΚ Objętości pompowane przez pompy pulsowe 8 i 12 wynoszą po 10 μ!, a przez pompę pulsową 10 po 50 μΗ Zawory elektromagnetyczne 6 i 9 są zaworami trójdrożnymi. Metodą tą można oznaczać fluorki w zakresie stężeń od mikrogramów do miligramów na litr.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do analiz chemicznych w przepływie wyposażony w układ kanałów i pompy pulsowe, znamienny tym, że składa się z detektora (1), w którym umieszczona jest komora detekcyjna (2), korzystnie o kształcie stożka, do której doprowadzane są co najmniej dwa kanały, jeden kanał (3) doprowadzający roztwór nośny i drugi kanał (4) doprowadzający próbkę a na szczycie stożka znajduje się wylot (5) połączony poprzez zawór (6) z jednej strony z naczyniem ściekowym (7) a z drugiej strony poprzez pompę pulsową (8) i zawór trójdrożny (9) z kanałem (3) przy czym zawór trójdrożny (9) połączony jest poprzez pompę pulsową (10) z roztworem nośnym (11) natomiast kanał (4) połączony jest poprzez pompę pulsową (12) z próbką (13) a w komorze (2) umieszczone są elektrody (14) do detekcji potencjometrycznej czy amperometrycznej.