CZ200740A3 - Zpusob automatizovaného merení elektrochemických signálu na nekolika sadách elektrod a zarízení k provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zpusobu automatizovaného merení elektrochemických signálu na nekolika sadách elektrod, pricemž každá sada elektrod obsahuje mernou, referentní a prípadne také pomocnou elektrodu. Rešení spocívají v tom, že na sady elektrod se postupne ve zvoleném poradí vkládá potenciálový ci proudový signál a merené elektrochemické signály se postupne snímají ve zvoleném poradí. Vynález se dále týká zarízení k provádení shora popsaného zpusobu, které sestává z rídicího pocítace (1), obsahujícího rídící a vyhodnocovací software (2), spojeného sD/A prevodníkem (3), jehož výstupy jsou pripojenyk potenciostatu (4) nebo galvanostatu (5), které jsou pripojeny k multiplexu (6), k jehož kontaktumjsou paralelne pripojeny sady elektrod (S1 až Sn). Proudový výstup z multiplexoru je pripojen na prevodník proud-napetí (7), pripojený k obvodum rízení citlivosti (8). Výstup z obvodu rízení citlivosti (8) je následne veden na zesilovac (9), zatímconapetové výstupy z multiplexoru jsou vedeny prímona zesilovac (9). Výstup ze zesilovace (9) je veden na A/D prevodník (3), a výstup z A/D prevodníku(3) je priveden do rídícího pocítace (1).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu automatizovaného sekvenčního měření elektrochemických signálů na několika sadách elektrod a zařízení k provádění tohoto způsobu měření pro polarografické, voltametrické, chronopotencimetrické, chronoamperometrické, coulometrické a od nich odvozené elektrochemické metody.

Dosavadní stav techniky

Moderní elektroanalytické metody nabývají v poslední době, zejména v souvislosti s novými ekologickými, zemědělsko-potravinářskými, biotechnologickými, biomedicínskými a průmyslovými programy stále více na významu. Dovolují stanovovat velmi malé koncentrace produktů či meziproduktů, ale i škodlivin, jakými jsou například těžké kovy, herbicidy apod. Mimořádná pozornost je věnována biologicky významným látkám, mezi jiným i DNA, RNA, enzymům a jiným bílkovinám, kterých je k dispozici většinou jen omezené množství (objem typického vzorku stovky mikroíitrů nebo méně). Na elektrochemické mikroelektrodové systémy provádějící tuto analýzu jsou kladeny velké nároky. Jedná se hlavně o citlivost měření, jeho reprodukovateinost a v souvislosti s kvalitou prováděných měření o rychlost a přesnost měření a zaznamenávání výsledků. Neméně důležitou se jeví i časová produktivita měření a náročnost na obsluhu, zejména v těch případech, kdy je nutno analyzovat sady paralelních vzorků, včetně nezbytných pozitivních a negativních kontrol (to je typickým rysem např. analýzy DNA technikami molekulární hybridizace, kde je paralelní nebo automatizovaná sekvenční analýza sad vzorků v praxi naprostou nezbytností).

Česká republika patří k zemím, kde má jak vývoj, tak praktické užívání elektrochemických metod, především polarografie a voltametrie, bohatou tradici (Nobelova cena za objev polarografie udělená prof. Heyrovskému v roce 1959). Jejich aplikace v současné době je omezená, a to jak v oblasti vědeckých, tak i praktických laboratoří, a elektrochemické techniky (především voltametrické resp. polarografické) jsou postupně nahrazovány v čím dál větší míře jinými metodami, především spektrálními (AAS, AES). Příčin je hned několik. Jednou z nich je často diskutovaná, avšak naprosto nepodložená obava z toxicity kapalné rtuti (http://www.europarl.europa.eu/news/expert/infopress_page/064-6115-073-03-11-91120060309IPR06021-14-03-2006-2006-false/default_cs.htm), která v některých případech vede naprosto protismyslně k nahrazování rtuťové kapkové elektrody rtuťovými filmovými • ·· ·· · ······ • · · · · · · · · · ··· · · ♦ ·*· ··· · · · ··· • · · · · ·· ··· ·· ·

-2elektrodami, pro jejichž přípravu se však používají látky o několik řádů toxičtější a představující pro životní prostředí daleko větší zatížení.

Pořizovací náklady elektrochemických přístrojů jsou podstatně nižší oproti spektrálním či chromatografickým, které by bylo možno použít pro obdobné účely. Tato výhoda je vyvážena jistou nevýhodou v podobě potřeby dostatečně kvalifikované obsluhy, znalé problematiky. Jedním z největších nedostatků bránících většímu rozšíření uvedených metod do praktických laboratoří je však relativně nižší produktivita práce. Zatímco spektrometry bývají vybaveny poměrně často karusely a zpracovávají analýzy sady vzorků včetně jejich vyhodnocení v zásadě automatizovaně, bez většího zásahu obsluhy, srovnatelné elektrochemické přístroje se v současnosti prakticky nevyskytují. Poměrně značným přínosem bylo zavedení počítačem řízených přístrojů. Zvýšení produktivity mohlo přinést připojení více pracovních stojanů k jednomu počítači, který slouží pouze jako řídicí jednotka více přístrojů stejného typu (Dřevínek

M., Trojánek F.: Chem. Listy. 2004, 98, 188). Do počítače je vloženo několik interfaceových karet, přičemž každá z nich komunikuje s připojeným elektrodovým systémem. Toto řešení sice zkrátí prostoje, ale je náročnější pro obsluhu, a kromě toho, počet stojánků je relativně omezený počtem slotů pro interfaceové karty v běžném počítači (cca 4-8).

Dalším vývojovým stupněm bylo paralelní řízení experimentu pomocí jednoho počítače (Dřevínek M.: Systém pro paralelní analýzu více vzorků elektroanalytickými technikami. PV 2003-489). Tento systém počítal se zapojením většího počtu elektrodových systémů, osazených samostatnými galvanostaty a napěťovými sledovací k řídícímu systému tak, že výstupní signály řídicího systému byly přivedeny současně ke všem elektrodovým systémům a měřené signály po případném zpracování přivedeny na jednotlivé vstupy multiplexoru systému pro akvizici dat. To umožňovalo současné zpracování více nezávislých signálů a tudíž zvýšení počtu analytických měření za jednotku času. Značnou nevýhodou tohoto řešení je potřeba více nezávislých elektrodových systémů, jejichž pořizovací cena není zanedbatelná. Na trhu běžně dostupná výpočetní technika (PC, notebooky) vykazuje poměrně dostačující parametry pro řízení a hlavně zpracování dat jednoho experimentu, ale pokud by mělo dojít ke zpracování většího objemu dat v časové jednotce (např. v případě potenciometrického strippingu, rychlých stejnosměrných (DC) či diferenčně pulzních (DP) měřeních), nemusela by být postačující. Dalším problémem při těchto měřeních se jeví přechodové jevy, které vznikají při přepínání multiplexoru mezi jednotlivými systémy.

Pokud byl napojen elektrochemický analyzátor na karusel, jednalo se spíše o prototypové kusy ve vědeckých laboratořích.

« ·· 99 · ·· ···· ···· ···· · · · • 99 999 999

9 9 9 9 9 9 9 9

999 99 99 999 99 9

-3Na principu scannovacího elektrochemického mikroskopu je založen přístroj, který přesouvá pomocí krokového motoru titrační desku s 96 otvory, v nichž jsou umístěny analyzované roztoky a pomocí dalšího krokovacího motorku se spouští svazek elektrod do příslušného otvoru, v němž probíhá analýza (Márkle W., Speiser B., Tittel C., Vollmer M.: Electrochimica Acta. 2005, 50, 2753), avšak jeho užití se omezuje pouze na voltametrické techniky.

Podstata vynálezu

Předmětem předloženého vynálezu je způsob automatizovaného měření elektrochemických signálů na několika sadách elektrod, přičemž každá sada elektrod obsahuje měrnou (pracovní), referentní a případně pomocnou elektrodu, jehož podstata spočívá vtom, že na sady elektrod se postupně ve zvoleném pořadí vkládá potenciálový či proudový signál a měřené elektrochemické signály se postupně snímají ve zvoleném pořadí.

Elektrochemickými signály, které lze takto měřit, jsou například proud nebo potenciál (resp. napětí), popř. jejich časové změny.

Řešení podle předloženého vynálezu umožňuje automatizované autonomní měření elektrochemických signálů, tj. provádění elektrochemických měření na jednotlivých sadách elektrod různými metodami, s různými parametry měření a/nebo na různých vzorcích při jedné automatizované měřicí sekvenci, což žádný z dosud známých způsobů automatizovaného měření elektrochemických signálů na více sadách elektrod neumožňoval.

Předmětem předloženého vynálezu je zařízení k provádění způsobu měření podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z řídícího počítače, obsahujícího řídicí a vyhodnocovací software, spojeného s D/A převodníkem, jehož výstupy jsou připojeny k potenciostatu nebo galvanostatu, které jsou připojeny k multiplexoru, k jehož kontaktům jsou paralelně připojeny sady elektrod, a proudový výstup z multiplexoru je připojen na převodník proud-napětí, připojený k obvodům řízení citlivosti a následně na zesilovač, zatímco napěťové výstupy z multiplexoru jsou vedeny přímo na zesilovač, přičemž výstup ze zesilovače je veden na A/D převodník, a výstup z A/D převodníku je přiveden do řídicího počítače.

Ve výhodném provedení jsou kontakty multiplexoru propojeny tak, že kterákoliv elektroda může sloužit jako společná elektroda pro více sad elektrod, například jako společná pomocná nebo referentní elektroda pro několik čidel.

» ·« ·· ♦ 44 4*4* • ••4 «4 44 44 4 ··· 444 4*4 ♦ · · 44 4 4 4 4 • 44 44 44 444 44 4

Měření s použitím zařízení pro sekvenční automatizovaná elektrochemická měření probíhá následovně: Z řídicího počítače vybaveného řídícím a vyhodnocovacím softwarem je vygenerován signál, který je převeden pomocí D/A převodníku na analogový signál, který je přiveden na vstup potenciostatu nebo galvanostatu. Výstupní signál z nich je přiváděn na vstup multiplexoru, který pomocí řídicího signálu vybere příslušnou sadu elektrod (zvolenou měrnou, referentní a pomocnou elektrodu) (S^ S_2| ..., S_n). Zařízení umožňuje propojení kontaktů pro referentní, popř. pomocné elektrody tak, že jedna elektroda může sloužit jako společná pro více sad elektrod (S,) (např. společná pomocná elektroda pro několik čidel). Proud protékající těmito elektrodami je následně přiveden na převodník proud-napětí a obvody řízení citlivosti. Takto upravený signál, stejně jako výstupní napěťový signál, který není nijak upravován, vstupují do zesilovače. Výstupní signál zesilovače je přiveden na A/D převodník a digitalizovaný signál je zpracován vyhodnocovacím softwarem v řídicím počítači.

Multiplexor zabudovaný v zařízení podle vynálezu umožňuje řízenou aktivaci zvolené sady elektrod, jak pro vkládání vstupních, tak pro registraci a měření výstupních signálů sady elektrod (měrná, referentní a popř. pomocná). Řídicí software určuje, která ze sady elektrod bude v určenou chvíli aktivní (ostatní nejsou připojeny) a nastavuje odpovídajícím způsobem multiplexor tak, aby byly vkládány či odečítány příslušné signály ze zvolených elektrod. Měřené analogové signály jsou zesíleny zesilovačem, následně pak digitalizovány a přenášeny do řídicího počítače, v němž mohou být v digitální podobě data ukládána, přenášena z něj do dalších zařízení a periferií (monitor, tiskárna aj.), či dále zpracovávána či archivována.

Zařízení může pracovat jak v dvoj-, tak v trojelektrodovém uspořádání.

Hlavní přínos zařízení podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že prostřednictvím řídicího softwaru lze pro každou sadu elektrod určit samostatnou elektrochemickou techniku či jejich kombinaci (např. stejnosměrnou, cyklickou, diferenčně pulzní, tast, normální pulzní voltametrii či polarografii, square-wave voltametrii, potenciometrický stripping, diferenční potenciometrický stripping, chronopotenciometrii, chronocoulometrii), zvolit dvoj- či trojelektrodové uspořádání a zvolit následnou techniku vyhodnocení (podle náboje, plochy signálového píku, jeho výšky) a sled, ve kterém mají být sady elektrod připojovány, a měření provést za aplikace rozdílných parametrů pro každou sadu elektrod.

Počet sad elektrod je určen možnostmi multiplexoru (např. od 2 do 256). Pro potlačení vnějšího šumu je zařízení vybaveno uzemněním, které je možno připojit na vnější uzemňovací zařízení, a zároveň je celé zařízení možno umístit do Faradayovy klece. Zařízení je schopno pracovat s velkou přesností, a to i pro velmi rychlá měření, kde se rychlosti polarizace pohybují okolo ·· ··*• t « I · «

-5jednotek voltů za sekundu (což dovoluje podstatně zvýšit citlivost metody měření, hlavně ve stejnosměrných (DC) technikách). Výběrem kvalitních součástek s minimální tolerancí je zajištěna dobrá reprodukovatelnost výsledků.

Před zahájením měřicího bloku se nastaví všechny požadované parametry a konstanty v řídicím programu řídicího počítače. Měření se realizují automatizovaně, bez dalších zásahů obsluhy - sekvenčně (ve zvoleném pořadí) na celém souboru sad elektrod či jeho části (třeba i jediné sadě elektrod). Při automatizovaných měřeních je pomocí řídicích signálů vdaném okamžiku připojena vždy jen jediná sada elektrod, na niž a z níž se přenáší vkládané, resp. měřené signály.

Sady elektrod k provádění elektrochemických měření jsou připojeny k měřicímu boxu paralelně.

Sady elektrod jsou umístěny buď jednotlivě každá zvlášť, nebo jsou spojeny ve větší blok či bloky senzorů.

Ve výhodném provedení jsou sady elektrod vytvořeny jako sdružený senzor, který sestává z vhodné izolační podložky (těla senzoru, vyrobeného z materiálu jako je např. teflon, polyethylen, plexisklo, PVC), ohraničené vyvýšeným okrajem elektrodového prostoru, v němž jsou uspořádány elektrody, centrálně rozmístěné kolem společné referentní nebo pomocné elektrody, která je umístěna uprostřed, přičemž případná třetí elektroda je vsunuta do analyzovaného roztoku látky, jenž překrývá uvedené elektrody. Tento sdružený senzor může obsahovat jeden nebo více druhů sad elektrod. Elektrody jsou uspořádané tak, že uprostřed těla senzoru se nachází společná pomocná nebo referentní elektroda (E_p, E_r). Po obvodu jsou rozmístěny jednotlivé stejné či různé měrné elektrody (E_M). Elektrodový prostor je umístěn v ohraničené části předmětného senzoru, do nějž se vnáší analyzovaný roztok. Případná třetí elektroda (referentní či pomocná) se vsune do tohoto ohraničeného prostoru. Celkový počet měrných elektrod se v principu může pohybovat od 2 do 256 či více. Všechny elektrické kontakty mohou být připojeny k multiplexoru zařízení podle vynálezu, který řídí a vyhodnocuje signály.

Jiné výhodné uspořádání sad elektrod je vhodné pro použití například jednorázových tištěných (screen printed) elektrod. Po obvodu kruhového či oválného či mnohoúhelníkového těla elektrodového držáku jsou uspořádány měrné elektrody nebo nosiče měrných elektrod, na kterých jsou nanesené pracovní elektrodové materiály, ve středu držáku je umístěna referentní a popřípadě také pomocná elektroda, přičemž všechny elektrody vystupují na stejné straně těla elektrodového držáku a jsou při měření ponořeny do měřeného roztoku. Všechny elektrické ·· · ···

-6kontakty mohou vést k multiplexoru zařízení podle vynálezu, které řídí, vyhodnocuje a zpracovává signály. Elektrody upevněné v držáku mohou být při měření ponořeny do společné nádobky se základním elektrolytem či zkoumanou látkou (případně dalšími komponentami analytické procedury). Toto uspořádání je vhodné zejména pro ty případy, kdy je analyzovaná látka (např. DNA) imobilizována na povrchu měrných elektrod. Každá ze sad elektrod upevněných v držáku může být ponořena v jiném analyzovaném roztoku nebo všechny měrné elektrody mohou být ponořeny do stejného analyzovaného roztoku a pak lze použít jedinou společnou referentní a jedinou společnou pomocnou elektrodu.

Dalším výhodným uspořádáním je lineární blok nádobek sestávající ze soustavy nádobek, k němuž může být připojen libovolný lineární držák měrných elektrod či tyto měrné elektrody mohou být připevněny každá zvlášť, přičemž v každé nádobce je umístěna samostatná referentní a popřípadě pomocná elektroda a v lineárním držáku měrných elektrod jsou uspořádány měrné elektrody tak, že po nasazení lineárního držáku elektrod na soustavu nádobek je každá měrná elektroda vsunuta v jedné nádobce. Toto uspořádání je vhodné spíše pro měření sady různých vzorků obsahujících analyzovanou látku v roztoku. Blok sestává z nádobek pro měření v oddělených kompartmentech, vytvořených (např. vyvrtaných) ve vhodném materiálu (plexisklu, polyethylenu aj.). V každém kompartmentu je zabudována či zasunuta referentní elektroda (E_r) a případně pomocná elektroda (E_p). Pomocné elektrody mohou být vzájemně propojeny a zapojeny ke společné zdířce na mnohokanálovém přístroji.

Přehled obrázků

Obr. 1 znázorňuje blokové schéma mnohokanálového přístroje pro sekvenční automatizovaná elektrochemická měření, sestávajícího z (1) - řídicího počítače; (2) - řídicího a vyhodnocovacího software; (3) - D/A a A/D převodníků; (4) - potenciostatu; (5) - galvanostatu; (6) - multiplexoru; (7) - převodníku proud-napětí; (8) - obvodů řízení citlivosti; (9) - zesilovače; S1, S2, ..., Sn - sady elektrod (měrná, referentní a pomocná elektroda).

Obr. 2 představuje nárys (A) a bokorys (B) výhodného provedení sdruženého senzoru pro komplexní měření vzorku pro připojení k mnohokanálovému přístroji.

(10) - E_m - měrné elektrody; (11) - E_r, E_p, - referentní nebo pomocná elektroda; (12) - hranice elektrodového prostoru; (13) - elektrodový prostor; (16) - tělo senzoru.

Obr. 3 znázorňuje výsledek analýzy směsi adeninu (Ade) a guaninu (Gua) pomocí sdruženého

8-elektrodového senzoru pro komplexní měření vzorku při připojení k mnohokanálovému přístroji pro sekvenční automatizovaná elektrochemická měření.

• · · · · ·

-7Použité zkratky: m-AgSAE - stříbrná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem, MF-AgSAE - stříbrná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým filmem, p-AgSAE - leštěná stříbrná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým filmem, mCuSAE - měděná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem, CuE měděná elektroda; AuE - zlatá elektroda; PtE - platinová elektroda; GCE - elektroda ze skelného uhlíku;

DCV - stejnosměrná voltametrie, CSV - katodická stripping voltametrie, DPV - diferenčně pulzní voltametrie, CV - cyklická voltametrie, E_acc - potenciál akumulace, E_teg - potenciál regenerace, E_in - počáteční potenciál, H_fin - konečný potenciál, E_fev = reverzní potenciál, f_acc doba akumulace, v - rychlost polarizace

3A: DC - CSV na měrné elektrodě m-AgSAE; 3B: DC - CSV na měrné elektrodě MF-AgSAE; 3C: DC - CSV na měrné elektrodě p-AgSAE; 3D: DC - CSV na měrné elektrodě CuE; 3E: CV na měrné elektrodě m-CuSAE; 3F: DPV na měrné elektrodě AuE; 3G: DPV na PtE; 3H: DPV na měrné elektrodě GCE;

Křivka 1: základní elektrolyt: 0,1M octanový pufr pH 4,8; Křivka 2: základní elektrolyt, 5Ί0'⁵Μ Gua a 5Ί0'⁵Μ Ade. DCV a CV rychlost polarizace v = 500 mV s'¹, DPV v = 20 mV s'¹. Elektrochemická regenerace před každým scanem pro m-AgSAE, MF-AgSAE, p-AgSAE a mCuSAE: Ereg = -1300 mV, freg = 30 s; pro CuE: Ereg = -900 mV, freg = 30 s; pro AuE: Ereg = -400 mV, freg = 30 s; pro PtE: Ereg! = -200 mV, řreg, = 30 s, Erag 2 = +200 mV, řreg 2 = 30 s; pro GCE: Ereg, = -200 mV, freg! = 30 s, Ereg 2 = +400 mV, freg 2 = 30 s. Další důležitější parametry pro stanovení na m-AgSAE: DCV, Eacc = -100 mV, řaco = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro MF-AgSAE: DCV, Eacc = -150 mV, f_acc = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro p-AgSAE: DCV, Eacc = -200 mV, facc = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro CuE: DCV, Eacc = -250 mV, ř_acc = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro m-CuSAE: CV, Eacc = -250 mV, řacc = 60 s, Ein = -250 mV, Erev = -1700 mV, v = 500 mV s'¹; pro AuE: DPV, Ein = +200 mV, Efj_n = +1400 mV, v = 20 mV s¹; pro PtE: DPV, Ein = +200 mV, Efn = +1350 mV, v = 20 mV s'¹; pro GCE: DPV, Ein = +200 mV, E_fin = +1400 mV, v = 20 mV s’¹.

Obr. 4 znázorňuje nárys (A) a bokorys (B) výhodného provedení kruhového držáku elektrod pro připojení k mnohokanálovému přístroji.

(17) - E_m - Měrné elektrody; (18) - E_r- Referentní elektroda; (19) - E_p- Pomocná elektroda (20) - Tělo elektrodového držáku; (22) - Aktivní elektrodový materiál měrné elektrody; (23) - E_r - Referentní elektroda; (24) - E_p- Pomocná elektroda; (25) - Kontakty elektrod; (26) - Nosiče měrných elektrod.

Obr. 5 ukazuje (A) bokorys výhodného provedeni lineárního bloku nádobek pro připojení k mnohokanálovému přístroji a možné provedení lineárního držáku elektrod, (B) nárys výhodného provedení lineárního bloku nádobek dle obr. 5(A).

• · 4 · · · • · • 4 • 4 a ·

4 • * · · · • · 4 ·

4 4

4 4 « (27) - Tělo elektrodového držáku podle příkladu; (28) - Otvory pro umístění vzorku a měrných elektrod; (29) - E_r - Referentní elektrody; (30) - Spojovací kontakt pomocných elektrod; (31) E_p - Pomocné elektrody; (32) - Kontakty měrných elektrod; (33) - Tělo lineárního elektrodového držáku; (34) - Nosiče měrných elektrod; (35) - Aktivní elektrodový materiál měrné elektrody.

Vynález je dále objasněn na následujících příkladech, aniž by jimi byl jakkoliv omezen.

Příklady

Příklad 1

8-kanálový přístroj pro připojení 8 měrných elektrod k mnohokanálovému přístroji pro sekvenční automatizovaná elektrochemická měření.

8-kanálový přístroj, jehož blokové schéma je znázorněno na obr. 1, je řízen počítačem 1 se softwarem Multielchem 2. Do takovéhoto stolního počítače vybaveného sběrnicí PCI je vsunuta multifunkční interfaceová karta s vysokým rozlišením PCI-1716 (16-bitové rozlišení; vzorkovací rychlost 250 KS/s, 16 digitálních vstupních kanálů, 16 digitálních výstupních kanálů, jeden 10MHz čítač s 16-bitovým rozlišením) (Advantech, USA), která v sobě obsahuje mj. A/D a D/A převodníky 3. Tato karta je vybavena PCI sběrnicí pro řízení přenosu dat. Pro řízení byl použit operační systém Windows XP, počítač s procesorem Intel Pentium 2, 128 MB RAM. Interfaceová karta je pomocí 68-pinového SCSI kabelu spojena s měřicím boxem, vybaveným potenciostatem 4, galvanostatem 5, multiplexorem 6, převodníkem proud-napětí 7, obvody pro řízení citlivosti 8 a zesilovačem 9.

Řídicí signály podle pokynů řídicího software jsou zpracovány interfaceovou kartou a řídicím boxem. Z řídicího počítače 1 vybaveného řídicím a vyhodnocovacím softwarem 2 je vygenerován signál, který je převeden pomocí D/A převodníku 3 na analogový signál, který je přiveden na vstup potenciostatu 4 nebo galvanostatu 5. Výstupní signál z nich je přiváděn na vstup multiplexoru 6, který pomocí řídicího signálu vybere příslušnou sadu senzorů (zvolenou měrnou, referentní a pomocnou elektrodu). V uvedeném výhodném případě bylo možno připojit 8 sad elektrod (8 měrných, 8 referentních) (S_b S₂,..., S₈). Pro úsporu objemu řídicího boxu byla zvolena jediná přípojná svorka pro pomocnou elektrodu, společnou pro všechny sady elektrod. Proud protékající těmito elektrodami je po výstupu z multiplexoru následně přiveden na převodník proud-napětí 7 a obvody řízení citlivosti 8. Takto upravený signál, stejně jako napěťový signál, vstupují do zesilovače 9. Výstupní signál zesilovače je přiveden na A/D převodník 3 a digitalizovaný signál je zpracován vyhodnocovacím softwarem 2 v řídicím • · · · · ·

-9počítači 1. Některé jednoduché obvody, které plní pouze pomocnou funkci, nejsou z důvodů přehlednosti na obr. 1 popisovány (např. přepínače elektrod, obvody řízení multiplexory).

Díky zabudování multiplexoru je umožněna řízená aktivace zvolené sady elektrod (jedné z osmi), jak pro vkládání vstupního, tak pro registraci a měření výstupních signálů sady elektrod (měrná, referentní a popř. pomocná). Řídicí software určuje, která z 8 sad elektrod bude v určenou chvíli aktivní (ostatní nejsou připojeny) a nastavuje odpovídajícím způsobem multiplexor tak, aby byly vkládány či odečítány příslušné signály ze zvolených sad elektrod. Měřené analogové signály jsou v měřicím boxu zesíleny, následně pak digitalizovány a přenášeny do řídicího počítače, v němž mohou být v digitální podobě ukládány, přenášeny z něj do dalších zařízení a periferií (monitor, tiskárna aj.), či dále zpracovávány či archivovány. Zařízení je schopno pracovat jak v dvoj-, tak v trojelektrodovém uspořádání.

Tento přístroj umožňuje prostřednictvím řídicího softwaru pro každou sadu elektrod určit samostatnou elektrochemickou techniku či jejich kombinaci (stejnosměrnou, cyklickou, diferenčně pulzní, tast, normální pulzní voltametrii či polarografii, potenciometrický stripping, diferenční potenciometrický stripping, chronopotenciometrii, chronocoulometrii), parametry, se kterými má být tato metoda realizována (např. počáteční, konečné potenciály, rychlost polarizace, zvolit dvoj- či trojelektrodové uspořádání a zvolit následnou techniku vyhodnocení (podle výšky píku či vlny nebo podle náboje, resp. plochy signálového píku či vlny) a sled, ve kterém mají být sady elektrod připojovány.

Pro potlačení vnějšího šumu může zařízení být vybaveno uzemněním, které je možno připojit na vnější uzemňovací zařízení, a zároveň je celé zařízení možno umístit do Faradayovy klece. Zařízeni je schopno pracovat s velkou přesnosti, a to i pro velmi rychlé děje, kde se rychlosti polarizace pohybují v řádu jednotek voltů za sekundu, což dovoluje podstatně zvýšit citlivost metody měření, hlavně v DC technikách. Výběrem kvalitních součástek s minimální tolerancí je zajištěna dobrá reprodukovatelnost výsledků.

Před zahájením měřicího bloku se nastaví všechny požadované parametry a konstanty v řídicím programu řídicího počítače. Měření se realizují buď automatizovaně (bez dalších zásahů obsluhy) - sekvenčně (ve zvoleném pořadí) na celém souboru sad elektrod nebo na jeho části (třeba i jediné sadě elektrod). Při automatizovaných měřeních je pomocí řídicích signálů v daném okamžiku připojena jen jediná sada elektrod, na niž a z níž se přenáší vkládané, resp. měřené signály.

Sady elektrod k provádění elektrochemických měření jsou připojeny k měřicímu boxu paralelně.

• « · « « ·

-10Sady jsou situovány buď jednotlivě každá zvlášť, nebo jsou spojeny ve větší blok či bloky senzorů.

Příklad 2

Sdružený 8-elektrodový senzor pro komplexní měření vzorku pro připojení k mnohokanálovému přístroji

K mnohokanálovému přístroji z příkladu 1 lze připojit sdružený 8-elektrodový senzor (obr. 2). Sestává z teflonového válcovitého těla o průměru 10 mm 16. V horní části je elektrodový prostor 13 o průměru 8 mm, ohraničený hranicí elektrodového prostoru 12, do nějž je vyvrtáno 8 otvorů, do nichž jsou vneseny elektrodové materiály měrných elektrod 10 (stříbrná pevná amalgámová elektroda leštěná (p-AgSAE), filmová (MF-AgSAE) a modifikovaná rtuťovým meniskem (m-AgSAE) (všechny 0 0,8 mm), měděná elektroda (0 0,6 mm) (CuE), měděná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem (m-CuSAE) (0 0.8 mm), zlatá elektroda (AuE) (0 0,6 mm), platinová elektroda PtE (0 0.6 mm) a elektroda ze skelného uhlíku (GCE; 0 2.0 mm)). Uprostřed těla senzoru 16 je umístěna společná pomocná platinová elektroda H (E_p) (0 0.8 mm). Elektrodový prostor 13 vhodný pro vzorky o objemu 200-500 μΙ. Jako referentní se používá stříbrná amalgámová referentní elektroda, která má tvar komplementární k popsanému elektrodovému prostoru 13 a uzavírá jej. Všechny kontakty elektrod byly připojeny ke shora popsanému mnohokanálovému přístroji, který řídí a vyhodnocuje signály.

Pomocí sdruženého 8-elektrodového senzoru pro komplexní měření vzorku při připojení k mnohokanálovému přístroji pro sekvenční automatizovaná elektrochemická měření byla proměřena směs adeninu (Ade) a guaninu (Gua) (obr. 3). Měření bylo provedeno po vložení níže uvedených parametrů zcela automaticky, stiskem jediné klávesy, bez jakéhokoliv dalšího zásahu obsluhy či nutnosti její přítomnosti, během přibližně 15 minut.

Použité zkratky: m-AgSAE - stříbrná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem, MF-AgSAE stříbrná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým filmem, pAgSAE - leštěná stříbrná pevná amalgámová elektroda, m-CuSAE měděná pevná amalgámová elektroda modifikovaná rtuťovým meniskem, CuE - měděná elektroda; AuE - zlatá elektroda; PtE-platinová elektroda; GCE - elektroda ze skelného uhlíku.

DCV - stejnosměrná voltametrie, CSV - katodická stripping voltametrie, DPV - diferenčně pulzní voltametrie, CV - cyklická voltametrie, E_acc = potenciál akumulace, E_reg - potenciál ·· ···*

- 11 regenerace, E_ín - počáteční potenciál, Ε_ίη - konečný potenciál, E_rev = reverzní potenciál, ř_acc doba akumulace, v - rychlost polarizace

Obr. 3A znázorňuje DC - CSV na měrné elektrodě m-AgSAE; Obr. 3B znázorňuje DC - CSV na měrné elektrodě MF-AgSAE; Obr. 30 znázorňuje DC - CSV na měrné elektrodě p-AgSAE; Obr. 3D znázorňuje DC - CSV na měrné elektrodě CuE; Obr. 3E znázorňuje CV na měrné elektrodě m-CuSAE; Obr. 3F znázorňuje DPV na měrné elektrodě AuE; Obr. 3G znázorňuje DPV na PtE; 3H: DPV na měrné elektrodě GCE;

Měření byla provedena při následujících parametrech: DCV a CV rychlost polarizace v = 500 mV s'¹, DPV v = 20 mV s‘¹. Elektrochemická regenerace před každým scanem pro m-AgSAE, MF-AgSAE, p-AgSAE a m-CuSAE: potenciál regenerace Ereg = -1300 mV, doba regenerace fy = 30 s; pro CuE: Ereg = -900 mV, fy = 30 s; pro AuE: Ereg = -400 mV, fy = 30 s; pro PtE: Ereg ·, = -200 mV, fy 1 = 30 s, Ereg 2 = +200 mV, freg 2 = 30 s; pro GCE: Ereg ·, = -200 mV, řreg ! = 30 s, Ereg 2 = +400 mV, fy 2 = 30 s. Další důležitější parametry pro stanoveni na m-AgSAE: DCV, potenciál akumulace Eacc = -100 mV, doba akumulace řacc = 60 s, rychlost polarizace v = 500 mV s'¹; pro MF-AgSAE: DCV, Eacc = -150 mV, ř_acc = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro p-AgSAE: DCV, Eacc = -200 mV, fy = 60 s, v = 500 mV s'¹; pro CuE: DCV, Eacc = -250 mV, fy - 60 s, v - 500 mV s'¹; pro m-CuSAE: CV, Eacc = -250 mV, fy = 60 s, počáteční potenciál Ejn = -250 mV, reverzní potenciál Erev - -1700 mV, v = 500 mV s'¹; pro AuE: DPV, Em = +200 mV, konečný potenciál E^ = +1400 mV, v = 20 mV s'¹; pro PtE: DPV, Ein = +200 mV, £fin = +1350 mV, v = 20 mV s'¹; pro GCE: DPV, Ein = +200 mV, E_fin = +1400 mV, v = 20 mV s’¹.

Křivka 1: základní elektrolyt: 0,1 M octanový pufr pH 4,8; Křivka 2: základní elektrolyt, 5·10'⁵Μ Gua a 5Ί0'⁵Μ Ade.

Příklad 3

Kruhový držák elektrod pro připojení k mnohokanálovému přístroji

K mnohokanálovému přístroji z příkladu 1 lze jako držák sady elektrod připojit držák pro připojení například jednorázových tištěných (screen printed) elektrod, který je zobrazen na obr. 4 (zobrazeno pro případ 8 měrných elektrod): Do kruhového těla 20 o průměru 58 mm a výšce 3 mm jsou po jeho obvodu do štěrbiny (délka 13 mm) zasunuty nosiče měrných elektrod z keramiky 26, na kterých jsou nanesené (natištěné) pracovní elektrodové materiály z uhlíkového materiálu 22. Z opačné strany těla jsou připevněny elektrodové kontakty 25. Ve střední části těla jsou zasunuty referentní (E_r) (1M argentochloridová) elektroda (otvor o průměru 7 mm) 18 a případně společná pomocná platinová elektroda (otvor o průměru 5 mm) (E_p) 19. Všechny elektrické kontakty vedou k shora popsanému mnohokanálovému přístroji, • · ♦ · · ·

-12který řídí a vyhodnocuje a zpracovává signály. Elektrody upevněné v držáku jsou při měření ponořeny do společné polarografické nádobky se základním elektrolytem a komponentami analytické procedury. Toto uspořádání bylo otestováno pro případ imobilizované DNA na povrchu měrných elektrod, resp. hybridizační analýzy imobilizované DNA.

Příklad 4

Lineární blok pro připojení k mnohokanálovému přístroji

Pro měření sady různých vzorků obsahujících analyzovanou látku v roztoku je vhodné uspořádání ve tvaru lineárního bloku nádobek pro připojení k mnohokanálovému přístroji (Obr.

5). Blok o výšce 35 mm, šířce 13 mm, délce 200 mm sestává z 8 nádobek pro měření v oddělených kompartmentech 28 (0 12 mm, hloubka 30 mm, rozteč mezi středy 23 mm), vyvrtaných v kvádrovitém bloku teflonu 27. Do nádobky je možno zasunout jak elektrodu tištěnou (použitou v případě kruhového držáku, popsaného v předešlém odstavci), tak jakoukoliv jinou pevnou měrnou elektrodu. V každém kompartmentu je zabudována či zasunuta 1M argentochloridová referentní elektroda (E_r) 29 a případně pomocná platinová elektroda (E_p) 31. Pomocné elektrody byly vzájemně propojeny 30 a zapojeny ke společné zdířce na mnohokanálovém přístroji.

Průmyslová využitelnost

Jedná se o přístroj umožňující komplexní analýzu vzorku nebo současnou analýzu sady vzorků za pomoci elektrochemických metod (polarografických, voltametrických, coulometrických, potenciometrických a metod od nich odvozených), který je použitelný jak ve vědeckých laboratořích, tak v praxi (analýza sad vzorků z oblasti životního prostředí, toxikologie, klinické biochemie, molekulární diagnostiky apod.)

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY ίΟΟΤ1. Způsob automatizovaného měření elektrochemických signálů na několika sadách elektrod, přičemž každá sada elektrod obsahuje měrnou, referentní a případně pomocnou elektrodu, vyznačený tím, že na sady elektrod se postupně ve zvoleném pořadí vkládá potenciálový či proudový signál a měřené elektrochemické signály se postupně snímají ve zvoleném pořadí.
2. 2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačené tím, že sestává z řídicího počítače (1), obsahujícího řídící a vyhodnocovací software (2), spojeného s D/A převodníkem (3), jehož výstupy jsou připojeny k potenciostatu (4) nebo galvanostatu (5), které jsou připojeny k multíplexoru (6), k jehož kontaktům jsou paralelně připojeny sady elektrod (S1 až Sn), a proudový výstup z multíplexoru je připojen na převodník proud-napětí (7), připojený k obvodům řízení citlivosti (8) a výstup z obvodů řízení citlivosti (8) je následně veden na zesilovač (9), zatímco napěťové výstupy z multíplexoru jsou vedeny přímo na zesilovač (9), výstup ze zesilovače (9) je veden na A/D převodník (3), a výstup zA/D převodníku (3) je přiveden do řídícího počítače (1).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že kontakty multíplexoru jsou propojeny tak, že kterákoliv elektroda může sloužit jako společná elektroda pro více sad elektrod.
4. 4. Zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že sady elektrod jsou vytvořeny jako sdružený senzor, který sestává z vhodné izolační podložky - těla senzoru (16), ohraničené vyvýšenou hranicí elektrodového prostoru (12), v níž jsou uspořádány měrné elektrody (10), centrálně rozmístěné kolem společné referentní nebo pomocné elektrody (11), která je umístěna uprostřed, přičemž případná třetí elektroda je vsunuta do analyzovaného roztoku látky, jenž překrývá uvedené elektrody.
5. 5. Zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že sady elektrod jsou vytvořeny tak, že po obvodu kruhového či oválného čí mnohoúhelníkového těla elektrodového držáku (20) jsou uspořádány měrné elektrody (17) nebo nosiče měrných elektrod (26), na kterých jsou nanesené pracovní elektrodové materiály, ve středu držáku je uspořádána referentní (18) a popřípadě také pomocná (19) elektroda, přičemž všechny elektrody vystupují na stejné straně těla elektrodového držáku a jsou při měření ponořeny do měřeného roztoku.
6. 6. Zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že sady elektrod jsou vytvořeny jako lineární blok nádobek sestávající ze soustavy nádobek (28), k němuž může být připojen libovolný lineární držák měrných elektrod či tyto měrné elektrody mohou být připevněny každá zvlášť, přičemž v « - ~ • · · · ·—. * · Ť Λ-.

   2ΟΟΑ -4o

   -14v každé nádobce je umístěna samostatná referentní (29) a popřípadě pomocná elektroda (31) a v lineárním držáku elektrod jsou uspořádány měrné elektrody tak, že po nasazení lineárního držáku elektrod na soustavu nádobek je každá měrná elektroda vsunuta v jedné nádobce.