CZ301131B6 - Zarízení pro chemické analýzy - Google Patents

Abstract

Pro elektrochemické analýzy vodných roztoku vzorku je urceno zarízení opatrené elektrochemickým planárním senzorem (2) tvorícím integrální soucást alespon cásti dna nebo víka (23) mericí cely (1). Zarízení je dále opatrené prostredky pro úpravu hydrodynamických podmínek mericího systému, které jsou tvorené otocne uloženým rozvádecím telesem (8), spraženým s prostredky pro vyvození jeho rotace.

Description

Vynález se týká zařízení pro chemické analýzy opatřené elektrochemickým planámím senzorem, měřicí celou a prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému.

io Dosavadní.stav technikv

Elektrochemická analýza je velmi účinným analytickým nástrojem, zejména proto, že výstupním signálem je elektrické napětí nebo proud. Využití mikroelektronických technologií vede k výraznému snížení cen užívaných elektrod, jejich miniaturizaci a zlepšení užitných vlastností. U všech typů elektrod však odezva, přesnost měření a robustnost významně závisí na toku elektrolytu s analyzovaným vzorkem v okolí elektrody. Jedním ze způsobů, jak zajistit definované hydrodynamické podmínky je využití elektromagnetického míchadla, vloženého do proudu kapaliny a zajišťujícího zlepšené rozprostření kapaliny na pracovní ploše elektrody. Nevýhodou tohoto uspořádání je turbulentní proudění v okolí elektrody, které způsobuje výrazný nárůst šumu výstupního signálu. Definovaného hydrodynamického proudění v okolí elektrody lze též dosáhnout úpravou profilu kanálu v okolí elektrody. Nevýhodou tohoto řešení je možnost usazování sloučenin na začátku nebo na konci profilu. Další nevýhodou je, že pro použití několika měřicích elektrod je nutno vytvořit složitou strukturu rozváděcího profilu, což je nákladné a výsledné zařízení je málo spolehlivé.

Dalším známým způsobem zajištění definované hydrodynamiky je využití proudění v tenké vrstvě, pomocí tzv. tenkovrstvých detektorů, popsaných např. v práci Štulíka a Pacákové „Elektroanalytická měření v proudících kapalinách’¹ z roku 1989. Používají v podstatě tři základní provedení detektorů. U prvního typu je cela tvořená trubicí ve tvaru písmene U a pracovní elektroda je uprostřed. U druhého typu, označovaného jako „wall-jet”, tvoří celu trubice ve tvaru písmene T, kde základním ramenem je přiváděn vzorek, pracovní elektroda je umístěná oproti základnímu rameni v příčném rameni, kterým oběma směiy vzorek odtéká, Třetím typem je tzv. „tubulámí” cela, s pracovní elektrodou v trubici, jíž protéká vzorek. Všechny tyto detektory jsou známé a velmi dobře pracují při použití jedné pracovní elektrody. Při použití více pracovních elektrod jsou problémy s rovnoměrným rozdělením kapaliny na jednotlivé elektrody. Při umístění elektrod za sebou vzniká další problém tím, že elektrody, ležící dále po proudu, jsou ovlivňovány produkty nebo reakcemi, které probíhají na elektrodách předcházejících.

Systém „wall-jet” byl rozšířen na dvě elektrody v uspořádání „ring-disk”, popsaném v práci

Alberyho a Haggetta „New electro-analytical Techniques Applied to Medicine and Biology” a „Electrochemical detectors. Fundamentů! Aspects and Analytícal Applications”, publikované v roce 1984. Je rovněž známo uspořádání, kdy jsou v blízkosti elektrody umístěny objekty, které zlepšují hydrodynamické podmínky v jejím okolí. Takové provedení popsali Horword a Chichester ve své práci „Instrumental Methods in Electrochemistry” zveřejněné 1985. Příkladem jsou průmyslové průtokové měřicí cely s vynucenou turbulencí. V měřicí cele jsou umístěny tyče, fluidní lože, náplňové lože, případné je použita cylindrická elektroda rotující souose s celou. Nevýhodou těchto uspořádání je velmi obtížné rozšíření na systémy s více detekčními prvky.

Nej lepší výsledky z hlediska definování hydrodynamiky a přenosu hmoty k elektrodě byly dosa50 ženy s rotačními diskovými elektrodami. Rotující disková elektroda se skládá z plochého disku o průměru l až 3 mm, umístěného na konci nevodivé tyčinky, která se ponořená v roztoku velmi rychle otáčí. Roztok je promícháván rotačním momentem, Čímž je problém difúze omezen pouze transportem částic nepohyblivou vrstvou roztoku, ulpívající na elektrodovém povrchu. Pokud je

-lCZ 301131 B6 rychlost rotace konstantní a míchací efekt reprodu kováte lný, pak s použitím rotující diskové elektrody probíhá experiment za stejných podmínek. Rotující disková elektroda má oproti jiným tuhým elektrodám několik výhod. K nim patří znalost hydrodynamické teorie této elektrody, která dovoluje matematické zpracování naměřených dat s přesností a správností, srovnatelnou se rtuťovou kapkovou elektrodou. Oproti jiným tuhým elektrodám lze aktivní povrch elektrody mnohem reprodukovatelněji elektrochemicky obnovovat. Elektroda rovněž vykazuje vyšší citlivost než u klasických tuhých elektrod díky definovanému a reprodukovatelnému míchání roztoku, přičemž problém difúze je omezen pouze nepohyblivou vrstvou roztoku na elektrodovém povrchu. Na druhé straně mají rotující diskové elektrody též některé nevýhody, jako je nižší ío reprodukovatelnost měření, problematický převod signálu hodnoty jednotek nA z rotující části na statickou část měřicího zařízení, velmi obtížná konstrukce složitější struktury elektrod a tomu odpovídající vysoká pořizovací cena. Dalšími nevýhodami těchto zařízení je složitá výměna senzoru a také skutečnost, že zbytky zkoumaného roztoku zůstávají v zařízení, což neumožňuje průtokovou analýzu.

Účelem tohoto vynálezu je odstranit nedostatky stávajících řešení, zlepšit hydrodynamické podmínky systému a umožnit definované nastavení rozváděcího tělesa vůěi měřicím elektrodám.

Podstata vynálezu

Uvedeného účelu je dosaženo u zařízení pro chemické analýzy s elektrochemickým planámím senzorem měřicí celou a prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému, v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že elektrochemický planámí senzor tvoří integrální součást alespoň části dna a/nebo víka měřicí cely a prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému jsou tvořeny otočně uloženým rozváděcím tělesem, spřaženým s prostředky pro vyvození jeho rotace. Zařízení může pracovat buď v průtokovém režimu, tak v režimu s vnitřní cirkulací vzorku. Dále podle tohoto vynálezu je dno měřicí cely se senzorem odnímatelné, což dle potřeby umožňuje výměnu senzorů. Ve výhodném prove30 dění je rozváděči těleso spolu s prostředky pro vyvození jeho rotace umístěné na rameni, jehož poloha je stavitelná ve směru kolmém k rovině planámího senzoru. Rovněž podle tohoto vynálezu je rozváděči těleso opatřeno hřídelí s alespoň jedním, podélně vedeným kanálkem pro průtok analyzovaného vzorku, zaústěným do měřicí cely. Ve výhodném provedení je kanálek veden souose s hřídelí. Měřený vzorek může být do měřicí cely přiváděn i přes planámí senzor, který pro takové uspořádání musí být opatřen průchozím otvorem. U provedení s vnitřní cirkulací vzorku je s výhodou hřídel opatřen alespoň jedním radiálně vedeným průchodem propojeným s kanálkem, Lepších výsledků je pak dosaženo tím, že měřicí cela je opatřena clonou, uspořádanou ve tvaru disku planparalelně nad rozváděcím tělesem a ve formě prstence obepínajícího hřídel. Dalšího zlepšení činnosti zařízení je dle předmětného řešení dosaženo tím, že plocha rozváděcí40 ho tělesa přivrácená k planámímu senzoru je opatřená výstupky a/nebo zářezy a/nebo zdrsněním.

Zařízení pro chemické analýzy v provedení podle tohoto vynálezu optimalizuje hydrodynamické podmínky měřicího systému. Navíc umožňuje přesně definované nastavení rozváděcího tělesa nad elektrodami planámího senzoru. Zařízení může pracovat buď v průtokovém režimu, nebo v režimu s vnitřní cirkulací měřeného vzorku.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech. Na obr. 1 je nakresleno předmětné zařízení v nárysu v částečném svislém řezu a na obr. 2 je řez A-A zařízením podle obr, 1. Na obr. 3 je pohled na měřicí celu s planámím senzorem jako víkem, ve svislem řezu. Obr. 4 ukazuje svislý řez měřicí celou s planámím senzorem jako víkem, kde pohon rozdělovacího tělesa je odvozen od rotujícího kotouče s elektroCZ 301131 B6 magnety a na obr. 5 je řešení obdobné provedení podle obr. 4 s alternativním umístěním rotujícího kotouče s elektromagnety. Obr. 6 je provedení s vnitrní cirkulací vzorku a na obr. 7 je výhodná úprava pro provedení podle obr. 6.

Příklady provedení vynálezu

Jak ukazuje obr. 1, předmětné zařízení pro chemické analýzy sestává z měřicí cely I s planámím senzorem 2 a stojanu s prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému.

Měřicí cela s planámím senzorem 2 a stojan jsou uloženy na základně 3. Stojan upevněný na io základně 3 v odstupu od měřicí cely I sestává ze sloupu 4 a vůči němu vertikálně stavitelného a kolmo na něj uspořádaného ramene 5. Na jednom konci ramene 5 je otočně uložen svislý hřídel

6, na druhém konci je upevněn pohonný elektromotor 7 se svisle uspořádaným rotorem. Hřídel 6 je svém spodním konci opatřený rozváděcím tělesem 8 ve tvaru kotouče. V hřídeli 6 je vytvořen souose vedený kanálek 9, který je vyústěný na spodní ploše rozváděcího tělesa 8 a na opačném konci je uzpůsobený pro napojení na přívod analyzovaného vzorku. Hřídel 6 je spražený s elektromotorem 7 pomocí řemene IO a kladek 11, které jsou nasazené na hřídeli 6 a čepu elektromotoru 7. Rozváděči těleso 8 spolu s výše popsanými prostředky pro vyvození jeho rotace a systémem pro nastavení vertikální polohy ramene 5 tvoří prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému.

V pracovní poloze zasahuje hřídel 6 s rozváděcím tělesem 8 do měřicí cely J. Výšková poloha rozváděcího tělesa 8 v měřicí cele J se nastavuje ručně, posuvem ramene 5 po sloupu 4. Rameno 5 je upevněno na trnu 12, který je kluzně uložený v ose sloupu 4. Tm 12, který je v části pod ramenem 5 hladký, je nad ramenem 5 opatřený závitem 13, tvořícím z tmu 12 pohybový šroub.

Ten se otáčí v matici J4 upevněné na sloupu 4. Případné vůle mezi závity pohybového šroubu J3 jsou eliminovány vinutou pružinou J5, volně nasunutou na závitem J3 opatřené části tmu J2. Požadovanému nastavení polohy rozváděcího tělesa 8 napomáhá indikátor J6 spřažený s trnem 12.

Měřicí cela J je válcového tvaru, s odnímatelným dnem, utěsněným vůči plášti pomocí O-krouž30 ku 17. Ve dnu je umístěn planámí senzor 2 s alespoň jednou elektrodou. Plášť cely J je opatřen dvěma úchyty 18, umožňujícím sestavení a zajištění měřicí cely J stavěcími šrouby 19 s křídlovými maticemi 20, Dotažením křídlových matic 20 je O-kroužek J7 stlačen a plášť společně se dnem vytvoří hermetickou měřicí celu J. Odvod vzorku z měřicí cely J je výstupem 2J v jejím plášti.

Kapalina s měřeným vzorkem vstupuje do měřicí cely J kanálkem 9, který je na svém horním volném konci, v prostoru nad ramenem 5, přidržován držákem 22 na ramenu 5 upevněným. Rotací rozváděcího tělesa 8 je vzorek rovnoměrně rozprostřen na pracovní elektrody planámího senzoru 2.

Popsané provedení umožňuje přesně definované nastavení rozváděcího tělesa 8 nad elektrodami a optimalizaci hydrodynamických podmínek systému.

Variantní uspořádání měřicí cely J s planámím senzorem 2 je uvedeno na obr. 3. Elektrochemický planámí senzor 2 zde tvoří součást víka 23 měřicí cely J, které je obdobně jako v předchozím provedení, utěsněno O-kroužkem J7. Rozváděči těleso 8 se otáčí prostřednictvím magne45 tického přenosu momentu z magnetů 24 umístěných na kladce JJ. Kladka JJ je opět hnána pohonem sestávajícím z hnacího řemene JO a na výkrese neznázoměného elektromotoru. Kapalina s měřeným vzorkem je do měřicí cely J přiváděna pevně uloženým kanálkem 9, vyústěným v ose rotace rozváděcího tělesa 8. Výstup 21 kapaliny se vzorkem je v boční stěně měřící cely J.

Další provedení, využívající průtokovou měřicí celu J tzv. tenkovrstvého typu, je uvedeno na obr, 4. Kapalina vstupuje do měřicí cely J v ose rotace rozváděcího tělesa 8, které zajišťuje její

-3CZ 301131 Bó rovnoměrné rozvedení k jednotlivým elektrodám planámího senzoru 2 a odchází radiálně, výstupem 2L Otáčivý moment je na rozváděči těleso 8 přenášen z disku 25 s magnety 24, který rotuje v prostoru nad planámím senzorem 2, tvořícím víko 23 měřicí cely L Prostor měřicí cely i je utěsněn O-kroužkem 17. Uspořádání podle tohoto provedení je vhodné pro levné aplikace, kde není důležitá přesnost, neboť magnetické siločáry protínají vodivě připojené elektrody a indukují v nich rušivá napětí.

Tato nevýhoda je odstraněna u provedeni znázorněném na obr. 5. Funkce měřicí cely 1 je obdobná jako u předcházejícího provedení, pouze s tím rozdílem, že kapalina se vzorkem vstupuio je do měřicí cely 1 otvorem 26 v planámím senzoru 2. Rozváděči těleso 8 je uváděno do pohybu rotací disku 25 s magnety 24, ležícího pod planámím senzorem 2, takže magnetické siločáry se neuzavírají přes elektrody planámího senzoru 2 a tím jsou omezena indukovaná rušivá napětí.

Předmětné řešení lze využít i pro analýzy probíhající v neprůtokovém režimu, při analýzách ís pevně daného množství, tzv. „batch” rozborech. Pro tento režim je hřídel 6 opatřen alespoň jedním radiálně vedeným průchodem 27, který je propojený s kanálkem 9. Tím dochází k vnitřní cirkulaci vzorku, kdy kapalina s analyzovaným vzorkem je z oblasti výstupu 21 vracena průchodem 27 do kanálku 9 a odtud středem rozváděcího tělesa 8 k měřicím elektrodám planámího senzoru 2 ve dnu měřicí cely 1. Pro eliminaci rotace vzorku v okolí jejího vstupu do rozváděcího tělesa 8 je vhodné, jak je znázorněno na obr. 7, opatřit měřicí celu I, resp. rozváděči těleso 8 clonou 28, která je během rotace rozváděcího tělesa 8 nehybná. Clona 28 má tvar kotouče, uspořádaného planparalelně nad rozváděcím tělesem 8 a prstence, obepínajícího volnou spodní část hřídele 6 až k ústí průchodů 27 do kanálku 9. Pro zvýšení účinnost zařízení, zejména v případě práce s viskózními kapalinami, může být čelní plocha rozváděcího tělesa 8 opatřena

2$ zářezy, výstupky, případně může být vhodně zdrsněna.

Claims (7)

1. Zařízení pro chemické analýzy opatřené elektrochemickým planámím senzorem, měřicí celou a prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému, vyznaču35 j í c í s e t í m , že elektrochemický planámí senzor (

2) tvoří integrální součást alespoň části dna a/nebo víka (23) měřicí cely (1), přičemž prostředky pro úpravu hydrodynamických podmínek měřicího systému jsou tvořeny otočně uloženým rozváděcím tělesem (8), spřaženým s prostředky pro vyvození jeho rotace.

40 2. Zařízení podle nároku I, vyznačující se tím, že dno měřicí cely (1) je odnímatelné.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že měřicí cela (1) je opatřena výstupem (21) pro odtok analyzovaného vzorku.

4. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že rozváděči těleso (8) a prostředky pro vyvození jeho rotace jsou umístěny společně na rameni (5), které je nastavitelné ve směru kolmém k rovině planámího senzoru (2).

50 5. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že rozváděči těleso (8) je opatřeno hřídelí (6) s alespoň jedním, podélně vedeným kanálkem (9) pro průtok analyzovaného vzorku, zaústěným do měřicí cely (I).

-4CZ 301131 B6

6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že kanálek (9) je veden souose s hřídelí (6).

7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že hřídel (6) je opatřen

5 alespoň jedním radiálně vedeným průchodem (27) propojeným s kanálkem (9),

8. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se tím, že planámí senzor (2) je opatřen alespoň jedním otvorem (26) pro vstup analyzovaného vzorku do měřicí cely (1).

ío

9. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že plocha rozváděcího tělesa (8) přivrácená k planámímu senzoru (2) je opatřená výstupky a/nebo zářezy a/nebo zdrsněním.

15 10. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že měřicí cela (1) je opatřena clonou (28), uspořádanou ve tvaru disku planparalelně nad rozváděcím tělesem (8) a ve formě prstence kolem hřídele (6).