PL189308B1 - Pomiarowy element przepływowy do analizy wieloparametrowej i porównawczej czujników chemicznych - Google Patents

Abstract

Pomiarowy element przeplywowy do analizy wieloparametrowej i porów- nawczej czujników chemicznych posiada- jacy zespól komór i wykonanych w nich gniazd do mocowania czujników i elektro- dy odniesienia, znamienny tym, ze elek- troda odniesienia (10) umieszczona jest centralnie w krazku (1) w komorze (9a) wzgledem promieniscie rozmieszczonych badanych n-czujników (13), opcjonalnie róznego typu, mocowanych w niedestruk- cyjny sposób a komora (9a) polaczona jest z n-czujnikami (13) niezaleznymi samo- odpowietrzajacymi kanalami (2), wyposa- zonymi w indywidualnie sterowane elemen- ty odcinajace przeplyw (7) do równoodle- glych gniazd (8) badanych czujników (13). Fig.2 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest pomiarowy element przepływowy do analizy wieloparametrowej i porównawczej czujników chemicznych, umożliwiający jednoczesne oznaczanie kilku składników w tej samej próbce.

Wieloparametrowa analiza chemiczna umożliwiająca jednoczesne oznaczanie kilku składników w tej samej próbce jest obecnie wysoce atrakcyjną i pożądaną techniką analityczną. Szczególnie atrakcyjną wydaje się technika umożliwiająca oznaczanie analitów w strumieniu ciekłej próbki (wstrzykowa analiza przepływowa). Ze względu na stosowane tradycyjnie detektory chemiczne (np. spektrofotometryczne czy przewodnościowe) układy do wieloparametrowej analizy chemicznej wymagają zastosowania wstępnego etapu rozdzielania składników próbki (np. chromatograficznego czy elektroforetycznego).

Zastosowanie jako detektorów sensorów chemicznych, zdolnych do selektywnego oznaczania wybranego składnika próbki jest alternatywnym rozwiązaniem umożliwiającym zbudowanie efektywnego stanowiska pomiarowego. Implementacja czujników chemicznych w jakichkolwiek technikach analitycznych wymaga wcześniejszych prac przygotowawczych polegających na ich projektowaniu, optymalizacji i określeniu parametrów metrologicznych.

Badania takie często mają charakter porównawczy tzn. ich podstawowym zadaniem jest umożliwienie oceny populacji czujników, wyników przeprowadzonych doświadczeń, parametrów pracy etc. Wiarygodność tych badań wiąże się między innymi ze stworzeniem warunków, w których poszczególne elementy ocenianego zbioru są testowane w najbardziej powtarzalny sposób.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest uniwersalny element przepływowy umożliwiający zamontowanie n-czujników różnego typu (elektrochemiczne, optyczne, masowe lub bioczujniki), selektywnych i czułych na wybrane składniki badanej próbki, przeznaczony do wieloparametrowej analizy chemicznej. Jednocześnie wynalazek umożliwia przeprowadzanie porównawczego badania serii czujników chemicznych, co jest szczególnie istotne na etapie testowania czujników projektowanych dla potrzeb wieloparametrowych analizatorów chemicznych.

W przypadku badań czujników chemicznych (optycznych, elektrochemicznych i innych) w literaturze opisano różnorakie rozwiązania techniczne elementów przepływowych. Według opinii konstruktorów tych elementów pozwalają one umieszczać poszczególne czujniki w sposób korzystny dla prowadzenia wspomnianych wcześniej badań. Jedną z takich konstrukcji opisano w P.L.H.M. Cobben, R.J.M. Egberink, J.G. Bomer, R. Schouwenaar, Z. Brzózka, M. Boś, P. Bergveld, D.N. Reinhodt, Analytica Chemica Acta, 276 (1993) 347-352. Przepływowa celka pomiarowa zbudowana jest z trzech rozłącznych elementów A’, A i B. Między element A' i B oraz B i A w gniazdach umieszczone są czujniki typu CHEMFET.

189 308

Oba czujniki omywane są od strony membrany strumieniem roztworu z oznaczanym jonem. Strumień ten przepływa przez kanał wykonany w kształcie litery Z. Wyprowadzenia sygnału napięciowego dokonuje się przy pomocy elastycznych przewodów sprężyście kontaktujących się z odpowiednimi elementami struktury półprzewodnikowej czujnika CHEMFET. Uszczelnienie układu uzyskuje się ściskając zespół elementów A', A i B, tak aby odkształcone membrany czujników pełniły role uszczelek.

Inna konstrukcja przedstawiona jest w publikacji C. Jimenez, I. Marques, J. Bartroli, Analytical Chemistry, 68 (1996) 3801-3807. Można ją uznać za modyfikację poprzedniego rozwiązania. W miejsce zacisku zewnętrznego struktury czujnika półprzewodnikowego mocowane są w bloku A elementy z naciętym gwintem zewnętrznym posiadającym osiowo wykonane kanały na wyprowadzenie sygnału. Struktura czujnika wraz z przewodami osadzona jest na płytce drukowanej o odpowiednim kształcie stanowiąc wymienny podzespół. W miejsce kanału przepływowego wykonano mikrogniazdo, do którego kapilarami doprowadza się i odprowadza elektrolit. Podobnie jak w poprzednim wypadku układ pozwala na badanie jedynie pojedynczych struktur czujników.

Kolejne rozwiązanie opisane jest w publikacji H.H. van den Vlekkert, U.H. Verkerk, P.D. van der Wal, A. van Wingerden, D.N. Reinhoudt, J.R. Haak, G.W.N. Honig, H.A.J. Holterman, Sensors & Actunators B, 6 (1992) 34-37. W tej modułowej konstrukcji możliwe jest jednoczesne badanie więcej niż jednego czujnika. Poszczególne moduły składają się z bloku A z przewierconym prostopadle do osi gniazda na CHEMFET kanałem, przez który przepływa elektrolit. W bloku tym wykonano też odpowiednie otwory do łączenia ze sobą poszczególnych modułów. Uszczelniania struktury półprzewodnikowej dokonywane jest przy pomocy o-ringu (uszczelki pierścieniowej) dociskanego do wspomnianego gniazda w wyniku zamontowania bloku B, w którym znajdują się otwory umożliwiające połączenie elektryczne czujnika z układem pomiarowym.

W opisanej konstrukcji szeregowe łączenie modułów powoduje, że dany czujnik styka się z elektrolitem, który już pozostawał w kontakcie z poprzednimi czujnikami, co wobec bardzo małych objętości elektrolitu przepływającego przez celki może prowadzić do błędnych wyników. Ponadto, każdy z czujników znajduje się w innej odległości od elektrody odniesienia co wyklucza wiarygodną ocenę porównawczą serii czujników.

Rozwiązanie konstrukcyjne celki przepływowej usuwające wspomnianą niedogodność przedstawiono w artykule P.D. van der Wal, E.J.R. Sudholter, D.N. Reinhoudt, Analytica Chemica Acta, 245 (1991) 159-166. W tym przypadku dwa czujniki typu CHEMFET, umocowane do bloków poliwęglanowych, umieszczone są w równej odległości od elektrody odniesienia. Czujniki zamocowanie są w sposób trwały do podłoża poliwęglanowego i ich wymiana związana jest z wykonaniem nowego modułu. Układ zawiera mikrokomorę, w której zachodzi mieszanie dwóch strumieni: pomiarowego - zawierającego badany analit w roztworze nośnika i odniesienia - zawierającego tylko roztwór nośnika. Strumienie omywają badane czujniki i wyprowadzane są na zewnątrz celki przepływowej trzema kanałami. Ze względu na przedstawione umieszczenie czujników bezpośrednio w mikrokomorze pomiarowej nie jest możliwe odłączanie wybranego czujnika od badanego medium w trakcie pomiaru.

Pomiarowy element przepływowy według wynalazku wykonany jest w postaci bloku z tworzywa sztucznego o korzystnych właściwościach chemicznych. W bloku celki wydrążonych jest n indywidualnych kanałów doprowadzających badane medium do warstw receptorowych poszczególnych czujników. Każdy z kanałów wyposażony jest w niezależny zawór, umożliwiający odcięcie dowolnego czujnika od strumienia badanego medium. Kształt i rozmieszczenie kanałów w bloku zaprojektowano tak, aby zapewnić samoodpowietrzanie elementu przepływowego. Centralnie w bloku umieszczona jest elektroda odniesienia, zaś gniazda n-komór czujnikowych rozmieszczone na zewnętrznym obwodzie elementu.

Taka konstrukcja celki przepływowej zapewnia taką samą odległość elektrody odniesienia od poszczególnych czujników, co jest szczególnie istotne w pomiarach czujników elektrochemicznych. Korzystny profil komory oraz odpowiednie umiejscowienie samego gniazda względem kanału umożliwia optymalne warunki omywania czujnika przez badane medium. Czujnik uszczelniany jest za pomocą o-ringu dociskanego wtyczką. Komora czujnikowa wykonana jest w sposób umożliwiający zamontowanie czujników różnego typu: elektrochemicz4

189 308 nych, optycznych, masowych i innych. W zależności od użytego typu czujnika wtyczka zawiera doprowadzenia elektryczne bądź włókna światłowodowe. W niniejszym wynalazku struktura .czujnika nie jest w żaden sposób zintegrowana z komorą czy wtyczką co pozwala na jej wymianę a sposób jej montażu ma charakter niedestrukcyjny, umożliwiając jej wielokrotne mocowanie.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pomiarowy element przepływowy w widoku z góry, fig. 2 - pomiarowy element przepływowy w przekroju A-A, fig. 3 - przekrój obudowy komory i wtyczki dla czujników elektrochemicznych a fig. 4 - przekrój obudowy komory i wtyczki dla czujników optycznych.

Przykład przedstawia sześciogniazdowy element przepływowy.

Z płyty plexiglasowej o grubości 20 mm wytoczono krążek 1 o średnicy 64 mm. W krążku 1 promieniście co 60° wykonano kanały 2 o średnicy 2 mm. W krążku 1 wykonano również kanały 3 łączące się prostopadle z kanałami 2 i służące do odprowadzania elektrolitu do kolektora 4, którego zagłębienie wykonano w odległości 3 mm od ścianki bocznej krążka 1. Na obwodzie krążka 1 wykonano jeden otwór przelotowy 5 służący do odprowadzenia badanego elektrolitu z kolektora 4 na zewnątrz krążka 1. W połowie odległości między ścianką zewnętrzną krążka 1 a kolektorem 4, na drodze kanału 2 i prostopadle do niego wykonano otwór 6 na zawór sterujący przepływem elektrolitu i zamocowano w nim element odcinający przepływ 7. Właściwe umocowanie elementu 7 zapewnia sprężynka 14 wraz z trzpieniem 15.

Od strony przeciwnej niż kolektor 4 wykonano gniazda 8 (o średnicy 10 mm i głębokości 5 mm) na umieszczenie badanych czujników w ten sposób, że osie symetrii obu kanałów 2 i 3 i gniazda 8 przecinają się w jednym punkcie, a oś symetrii gniazda tworzy kąt 45° z osiami obu kanałów. W osi krążka 1 wykonano gwintowany otwór (o średnicy 10 x 0,75) 9. Po zamontowaniu w tym otworze elektrody referencyjnej 10 i wkręceniu z przeciwnej strony odpowiedniego króćca 11 doprowadzającego badany elektrolit powstaje komora 9a, z której następuje rozpływ elektrolitu do kanałów 2 a dalej do testowanych czujników chemicznych 13, kanałów 3, kolektora 4 i otworu 5.

Z polimetakrylanu metylu wykonano sześć kompletów wtyczek 12 i obudów komory czujnika 13 o wymiarach odpowiednio:

1. średnica zewnętrzna wtyczki 12 - 12mm/gwint wewnętrzny 10 x 0,5

2. średnica zewnętrzna obudowy komory czujnika 13 - gwint 10 x 0,5

3. średnica korpusu wtyczki 14 lub 19-8 mm

4. średnica wlotu 20 do komory czujnikowej - 2 mm

5. średnica gniazda 21 do umieszczenia uszczelki typu o-ring 16-6 mm

6. średnica gniazda 22 do umieszczenia czujnika - 8 mm.

Wysokość wtyczki i obudowy komory czujnika nie są krytyczne. W zależności od typu badanego czujnika 13 wykonano dwie wersje korpusów wtyczki: 14 dla czujników typu elektrochemicznego z wyprowadzeniami elektrycznymi 17 oraz 19 dla czujników optycznych z doprowadzonymi włóknami światłowodowymi 18. Obudowy komór czujników wklejono do gniazd czujnikowych 8.

Pomiary testowe elementu przepływowego wykonano badając czujniki wykonane na bazie jonoczułych tranzystorów polowych (ISFET). Sześć identycznego typu czujników (przetestowanych uprzednio) do pomiarów stężenia jonów sodowych umieszczono w gniazdach pomiarowych elementu przepływowego. Przepływ elektrolitu (z szybkością 18 ml/min) wymuszano za pomocą pompy perystaltycznej. Pomiarów sygnałów generowanych przez czujniki dokonywano za pomocą wielokanałowego systemu komputerowego własnej konstrukcji przetestowanego w innych badaniach. W trakcie pomiarów stwierdzono, że rozrzut czasów reakcji czujników nie przekracza 2 sekund, przy całkowitym czasie odpowiedzi rzędu 2 minut. Można zatem stwierdzić, że wykonany zgodnie z opisem element przepływowy zapewnia symetryczny rozpływ badanego elektrolitu i spełnia założenia projektowe.

189 308

Fig.3

Fig.4

189 308

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Pomiarowy element przepływowy do analizy wieloparametrowej i porównawczej czujników chemicznych posiadający zespół komór i wykonanych w nich gniazd do mocowania czujników i elektrody odniesienia, znamienny tym, że elektroda odniesienia (10) umieszczona jest centralnie w krążku (1) w komorze (9a) względem promieniście rozmieszczonych badanych n-czujników (13), opcjonalnie różnego typu, mocowanych w niedestrukcyjny sposób a komora (9a) połączona jest z n-czujnikami (13) niezależnymi samoodpowietrzającymi kanałami (2), wyposażonymi w indywidualnie sterowane elementy odcinające przepływ (7) do równoodległych gniazd (8) badanych czujników (13).