PL214073B1 - Uklad do analiz chemicznych w przeplywie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do analiz chemicznych w przepływie przeznaczony do zastosowania w chemii analitycznej. Układ taki może mieć zastosowanie w laboratoriach analitycznych i pracowniach chemicznych do oznaczania pierwiastków.

Analizy chemiczne prowadzone rutynowo we współczesnych laboratoriach wykonywane są często w warunkach przepływowych. Dzięki temu możliwa jest automatyzacja pomiarów, polepszenie precyzji oznaczeń oraz znaczne skrócenie czasu ich trwania. Innym atutem metod przepływowych jest możliwość zmniejszenia ilości zużywanych odczynników w porównaniu do klasycznych metod nieprzepływowych. Umożliwia to z kolei zmniejszenie ilości powstających, często szkodliwych dla środowiska, ścieków i jednocześnie obniżenie kosztów analiz.

Najbardziej popularną techniką przepływową jest wstrzykowa analiza przepływowa (ang. flow injection analysis, FIA). Realizowana jest ona w układzie, gdzie ruch cieczy odbywa się w sposób ciągły, wymuszony za pomocąjednej lub wielu pomp perystaltycznych. Wprowadzanie roztworu próbki i reagentów do strumienia nośnego odbywa się za pomocą zaworu wstrzykowego, który obsługiwany jest w sposób manualny przez analityka. Roztworem nośnym jest najczęściej najtańszy reagent lub woda. Wadą tego typu układów przepływowych jest stosunkowo duże zużycie odczynników.

Znaczą redukcję ilości zużywanych odczynników i większą automatyzację analizy osiągnąć można stosując w układach przepływowych elementy elektrycznie sterowane i komputerowo programowane, np. zawory elektromagnetyczne, pompy perystaltyczne. Zawory elektromagnetyczne stosowane są w multikomutacyjnej analizie przepływowej (ang. multicommutation flow analysis, MCFA). W analizie tej najczęściej układy są jednokanałowe, podczas gdy w systemach FIA są to zazwyczaj systemy wielokanałowe. W dalszym ciągu wymagane jest jednak stosowanie pompy perystaltycznej, która jest najdroższym elementem całego systemu przepływowego, wymagającym najwięcej czynności związanych z obsługą systemu pomiarowego. Pompa perystaltyczna może być zastąpiona tańszymi pompami pulsowymi, które charakteryzują się również mniejszymi rozmiarami, co umożliwia miniaturyzację systemu. Pracę zarówno pomp pulsowych, jak zaworów elektromagnetycznych można dowolnie zaprogramować, co umożliwia realizację nawet dość skomplikowanych procedur analitycznych. Zastosowanie pomp pulsowych pozwala na ograniczenie ilości wprowadzanych do systemu odczynników, gdyż nie jest konieczny stały przepływ cieczy. Mikropompy pulsowe znajdujące zastosowanie w chemii analitycznej pompują ciecze porcjami o objętości rzędu dziesiątek mikrolitrów.

Jedną z metod detekcji stosowanych w analizie przepływowej jest detekcja wykorzystująca zjawisko chemiluminescencji. Zjawisko to polega na emisji światła towarzyszącej niektórym reakcjom chemicznym. Detekcja chemiluminescencyjna charakteryzuje się bardzo niskimi granicami wykrywalności, szerokimi zakresami liniowości wykresów kalibracyjnych i nie wymaga skomplikowanej aparatury. Rolę detektora zwykle pełni fotopowielacz, zaś rolę detekcyjnego naczynka przepływowego spełnia przepuszczająca światło spirala emisyjna. Może ona być wykonana ze szkła, kwarcu lub z elastycznej rurki z tworzywa sztucznego i umieszczona bezpośrednio przed okienkiem fotopowielacza.

Roztwór analizowanej próbki mieszany jest najpierw w spirali reakcyjnej z luminoforem i pozostałymi reagentami, następnie przepływa do spirali emisyjnej znajdującej się przed okienkiem fotopowielacza. Spirale reakcyjne mają zwykle długość rzędu kilkudziesięciu centymetrów. Reagenty wymieszane z próbką w spirali reakcyjnej muszą dopłynąć do spirali emisyjnej i przez nią przepłynąć, co wydłuża czas od zmieszania reagentów do detekcji. Zastosowanie tego typu rozwiązania wymusza stosowanie tylko takich luminoforów, które dają stabilny sygnał świetlny trwający co najmniej kilkadziesiąt sekund.

Według wynalazku układ do analiz chemicznych w przepływie wyposażony w fotopowielacz charakteryzuje się tym, że ma detektor, w którego korpusie umieszczona jest komora reakcyjna zamknięta od strony fotopowielacza ścianką przepuszczającą światło, przy czym komora reakcyjna ma kształt lejka a jej objętość jest większa od łącznej objętości wstrzykiwanej próbki i reagentów a do detektora doprowadzone są naprzeciwko siebie kanały wstrzyknięcia próbki i reagenta oraz kanały roztworu nośnego i kanał odprowadzający ciecz, umieszczony w osi detektora. Kanały wprowadzające ciecze połączone są poprzez pompy pulsowe z naczyniami z próbką i odczynnikami a kanał odprowadzający połączony jest z naczyniem do ścieków.

Układ charakteryzuje się bardzo krótkim czasem analizy ze względu na brak spirali reakcyjnej, przez którą musi przepłynąć próbka i wymieszać się z reagentami. W przedstawionym rozwiązaniu mieszanie próbki z reagentami następuje w ciągu ułamka sekundy, bezpośrednio w komorze detekto

PL 214 073 Β1 ra. Daje to możliwość kilkudziesięciokrotnego skrócenia czasu wykonania analizy w porównaniu z innymi metodami przepływowymi.

Układ daje możliwość wykorzystania do analizy chemicznej reakcji, w których czas generowania światła jest krótki, trwający poniżej sekundy.

Stosując układ według wynalazku uzyskujemy znaczne zmniejszenie ilości zużytych odczynników, do objętości rzędu ułamka mililitra na jedną próbkę. W metodach wcześniej opisanych są ilości rzędu mililitrów roztworów odczynników na jedną próbkę.

Większa objętość komory detektora niż łączna objętość wprowadzanej próbki i reagentów pozwala na zatrzymanie w całości świecących produktów reakcji przed okienkiem fotopowielacza i nie jest konieczne dokładne wymieszanie reagentów i próbki z roztworem nośnym.

W porównaniu z układami zawierającymi pompy perystaltyczne czy strzykawkowe nasze rozwiązanie jest znacznie tańsze. Stosowana jest znacznie mniejsza liczba elementów wymagających obsługi operatora, przez to układ jest bardziej niezawodny i tańszy w eksploatacji.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat fotopowielacza i detektora, fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny przez detektor, a fig. 3 pokazuje układ do analizy chemicznej.

Układ wyposażony jest w fotopowielacz 1_ służący do pomiaru natężenia światła, będącego wynikiem reakcji chemicznej zachodzącej w komorze reakcyjnej oraz detektor 2, w którego korpusie umieszczona jest komora reakcyjna 3 zamknięta od strony fotopowielacza 1_ ścianką 4 przepuszczającą generowane światło. Komora reakcyjna 3 ma kształt lejka a jej objętość jest większa od łącznej objętości wstrzykiwanej próbki i reagentów. Do komory doprowadzone są naprzeciwko siebie kanały 5 wstrzyknięcia próbki i kanał 6 reagenta oraz kanały 7 i 8 roztworów nośnych i kanał 9 odprowadzający ciecz, umieszczony w osi detektora 2. Kanały 5, 6, 7, 8 połączone są poprzez pompy pulsowe 10, 11, 12, 13 z naczyniami 14, 15, 16 z odczynnikami a kanał 9 połączony jest z naczyniem 17 do ścieków.

Działanie układu zostanie pokazane na zestawie przeznaczonym do oznaczania kationów metali ciężki np. Co²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, gdzie wykorzystywana jest reakcja utleniania luminolu za pomocą nadtlenku wodoru w środowisku zasadowym, w której oznaczane jony spełniają rolę katalizatora. Podczas utleniania luminolu następuje emisja światła, którego natężenie mierzone jest za pomocąfotopowielacza I. Detektor 2 wykonany jest z teflonu, w którym wykonana jest komora reakcyjna 3 o średnicy 10 mm i głębokości 4 mm, objętość około 100 μΙ. Średnica kanałów doprowadzających ciecze 1,5 mm. Badana próbka z naczynia 14 doprowadzana jest poprzez pompę pulsową 10 (10 μΙ) do kanału 5 detektora 2. Luminol rozpuszczony w roztworze buforowym w naczyniu 15 (pH 10) doprowadzany jest poprzez pompę pulsową 11 (10 μΙ) do kanału 6, a utleniacz, którym jest roztwór H₂O₂ w naczyniu 16 doprowadzany jest poprzez pompę pulsową 12 (10 μΙ) do kanału 7. Roztwór ten jest jednocześnie roztworem nośnym, który poprzez pompę pulsową 13 (50 μΙ) doprowadzany jest do kanału 8. Ciecz z detektora odprowadzana jest kanałem 9 do ścieków 17. Wykonanie analizy polega na jednoczesnym podaniu impulsu sterującego na pompy 10, 11 i 12, co powoduje wymieszanie wszystkich trzech składników. Następnie do pompy 12 podawany jest jeszcze jeden impuls sterujący, który spowoduje wtłoczenie mieszaniny reakcyjnej pozostającej w kanale do komory detektora. Po dokonaniu odczytu natężenia światła, do pompy 13 podawanych jest kilka impulsów sterujących powodujących usunięcie mieszaniny reakcyjnej z komory detektora do ścieków. Ciecze wprowadzane do komory 3 detektora powodują ruch wirowy cieczy w komorze i przemieszczanie się jej od obwodu w kierunku wylotu znajdującego się w osi detektora Układ gotowy jest do wykonania kolejnej analizy. Metodą tą możliwe jest oznaczanie kationów metali ciężkich na poziomie kilku do kilkudziesięciu ppb.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do analiz chemicznych w przepływie zawierający fotopowielacz, znamienny tym, że ma detektor (2), w którego korpusie umieszczona jest komora reakcyjna (3) zamknięta od strony fotopowielacza (1) ścianką (4) przepuszczającą światło, przy czym komora reakcyjna (3) ma kształt lejka a jej objętość jest większa od łącznej objętości wstrzykiwanej próbki i reagentów, a do detektora doprowadzone są naprzeciwko siebie kanały (5) wstrzyknięcia próbki i kanał (6) reagenta oraz kanały (7) i (8) roztworów nośnych i kanał (9) odprowadzający ciecz, umieszczony w osi detektora (2) natomiast kanały (5), (6), (7), (8) połączone są poprzez pompy pulsowe (10), (11), (12), (13) z naczyniami (14), (15), (16) z odczynnikami a kanał (9) połączony jest z naczyniem (17) do ścieków.