PL218149B1

PL218149B1 - System for chemical analysis in the flow

Info

Publication number: PL218149B1
Application number: PL397161A
Authority: PL
Inventors: Sławomir Kalinowski; Stanisława Koronkiewicz
Original assignee: Univ Warmińsko Mazurski W Olsztynie
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2014-10-31
Also published as: PL397161A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do analiz chemicznych w przepływie prowadzonych w laboratoriach.The subject of the invention is a system for chemical analyzes in the flow conducted in laboratories.

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.Chemical analyzes carried out in modern laboratories must meet certain requirements. These are primarily the appropriate accuracy and precision of determinations achieved at the appropriate concentration level of the analyzed components of the sample. However, economic considerations are becoming more and more important, such as saving reagents and thus environmentally harmful wastewater, shortening the time spent on performing the analysis. It also focuses on the automation of determinations and miniaturization of entire measurement systems. Various types of flow techniques try to meet these requirements. The classic flow injection analysis (FIA) should be mentioned here, carried out in a system where the fluid movement takes place continuously and is forced by one or more peristaltic pumps. In this technique, the introduction of the sample solution and reagents into the carrier stream, which is usually the cheapest reagent or water, is carried out by means of an injection valve which is manually operated by the analyst. The disadvantage of this type of flow systems is the relatively high consumption of reagents.

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.A significant reduction in the amount of reagents used and greater automation of the analysis can be achieved by using electrically controlled and computer-programmed elements in the flow systems. This includes components such as solenoid valves for multicommutation flow analysis (MCFA) and electromagnetic pulse pumps for multi-pumping flow systems (MPFS). At MCFA, solenoid valves have taken over the role of a manually operated injection valve. They allow both the sample and the reagents to be introduced into the carrier stream. The most commonly used valves are three-way valves. Thanks to them, it is possible to select a channel through which the liquid flows. They are normally open in the so-called the "0" position. An appropriately computer-programmed electrical signal can switch the three-way valve to the "1" position and thus change the channel through which the liquid is sucked or into which it is pumped.

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.Flow systems in multi-switch analysis (MCFA) are most often single-channel, while in FIA systems they are multi-channel systems. Still required, however, is the use of a peristaltic pump, which is the most expensive and largest component of the entire flow system. The peristaltic pump can be replaced with cheaper, very precise and chemically resistant pulse pumps, which is done in the MPFS analysis. In addition, these pumps are smaller in size and require less power, allowing the entire flow system to be miniaturized. Both types of flow systems, ie MCFA and MPFS, are combined to form a network of interconnected solenoid valves and pulse pumps. Such a combination makes it possible to fully automate the measurements, with the simultaneous miniaturization of the entire system. The operation of both pulse pumps and solenoid valves can be freely programmed. The amount of reagents introduced into the system can be limited as there is no need for a constant flow of liquid.

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.An additional reduction in reagent consumption and the duration of the analysis can be obtained by direct introduction of the sample into the detection chamber of the flow system with the use of a pulse pump (patent applications No. P.391593 dated June 22, 2010; P.393184 dated December 9, 2010). In the previously proposed detectors, due to the type of detection (photometric, chemiluminescent), additional mixing of the injected sample with the reagent solution was not required. However, some types of detectors used in flow methods, e.g. potentiometric, amperometric, microgravimetric, require that the solution in the detection chamber is homogeneous. In this type of detection carried out in non-flow systems, all types of stirrers (mechanical, magnetic) are used. In the flow-through methods (FIA, MCFA, MPFA), such mixing takes place mainly by dispersion. To make this mixing more efficient, the so-called reaction spiral.

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 doprowadzającymAccording to the invention, the flow chemical analysis system consists of a detector in which a detection chamber is placed, preferably conical in shape, to which at least two channels, one channel for the carrier solution and the other channel for the sample are fed. At the top of the cone there is an outlet connected via a valve on one side to the sump and on the other side via a pulse pump and a three-way valve with a supply channel

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.Carrier solution. The three-way valve directing the carrier solution feed channel is connected with the carrier solution via a pulse pump. The sample feed channel is connected to the sample via a pulse pump. In the detection chamber there are electrodes which, depending on the application, can be used, for example, for potentiometric or amperometric detection.

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.The system according to the invention, compared to other flow methods (FIA, MCFA, MPFA), ensures significantly lower consumption of reagents and shortening the time of analysis. Thanks to the use of a pulse pump for recirculation, it is possible to quickly mix the solution after introducing the sample and reagents. Solution homogenization is necessary for most of the detection methods used, e.g., amperometric, potentiometric, microgravimetric. The system is simpler than the use of e.g. a magnetic stirrer with a stirrer placed in the reaction chamber.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku gdzie na fig. 1 pokazany jest układ do analiz chemicznych w schemacie ogólnym.The subject of the invention will be presented in an embodiment in the drawing, where in Fig. 1 a system for chemical analyzes is shown in a general scheme.

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.The flow chemical analysis system consists of a detector 1 in which a detection chamber 2 is placed, preferably of a conical shape, to which at least two channels, one channel 3 for the carrier solution and the other channel 4 for the sample are fed. At the top of the cone there is an outlet 5 connected via a valve 6 on one side to the sump 7 and on the other side via a pulse pump 8 and a three-way valve 9 to a channel 3. The three-way valve 9 is connected via a pulse pump 10 to the carrier solution 11. The channel 4 is connected it is via a pulse pump 12 with the sample 13. The chamber 2 contains electrodes 14 which, depending on the application, can be used, for example, for potentiometric or amperometric detection.

Pompy pulsowe i zawory elektromagnetyczne sterowane są przy pomocy układu elektronicznego, korzystnie za pomocą komputera. Cykl wykonania analizy składa się z kilku etapów.Pulse pumps and solenoid valves are controlled by an electronic system, preferably by a computer. The analysis execution cycle consists of several stages.

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.In the first step, the test sample 13 is injected through the channel 4 into the detection chamber 1 by means of a pulse pump 12. In this step, the necessary other reagents can be injected through additional channels. The volume of the introduced sample and reagents should be smaller than the volume of the chamber so that, after their injection, some of them will not be discharged through the channel 5 and valve 6 to the sewage 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.The next step is the liquid recirculation step by means of a pulse pump 8. The solenoid valves 6 and 9 are set to a position that allows liquid to be sucked in from channel 5 and fed into channel 3. During this step, the sample is thoroughly mixed with the carrier solution.

Kolejnym etapem jest odczytanie sygnału analitycznego np. przy pomocy elektrod 14 lub dowolnej innej metody detekcji.The next step is to read the analytical signal, e.g. by means of electrodes 14 or any other detection method.

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.The final step is to remove the solution with the sample from the chamber 2 of the detector 1 and pump the carrier solution 11 into it. During this step, the pump 10 pumps the solution 11 into the detector chamber, and then, after switching valves 6 and 9 to the recirculation position, the channels are also washed from the outlet 5 through valve 6, pump 8 and valve 9 to inlet 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.It is advantageous to design the chamber 2 of the detector 1 in the shape of a cone, where the liquid outlet is at the top and points upwards. This makes it easier to remove air bubbles that may end up in the chamber. The volume of a single batch of liquid pumped by pump 8 should be as small as possible, and the hoses in the recirculation circuit should be flexible. Since the liquid is in a closed circuit during recirculation, the flexible hoses must contain a sufficiently large volume of liquid which is displaced from the hoses into the pump chamber during the suction step by the pump. In this circuit it is possible to additionally insert a liquid buffer tank, e.g. with a flexible diaphragm.

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.The described system can be used for potentiometric determination of fluoride ₃ content in the analyzed samples. As the carrier solution used in NaCl at a concentration of 0.2 mol / dm ³ in Bufo ₃ sculpture acetate at a concentration of 0.2 mol / dm ³ and pH 5.2. An ion-selective electrode sensitive to fluoride ions is used. The reference electrode is a silver chloride electrode in the form of AgCl coated silver wire placed directly in the detector chamber. The volume of the detection chamber is 100 µΚ. The volumes pumped by the pulse pumps 8 and 12 are 10 µ! And by the pulse pump 10 are 50 µΗ each. The solenoid valves 6 and 9 are three-way valves. Fluoride can be determined with this method in the concentration range of micrograms to milligrams per liter.

Claims

Patent claim

System for chemical analyzes in the flow, equipped with a system of channels and pulse pumps, characterized by the fact that it consists of a detector (1) in which a detection chamber (2) is placed, preferably of a conical shape, to which at least two channels are fed, one channel (3) for the carrier solution and the second channel (4) for the sample, and at the top of the cone there is an outlet (5) connected via a valve (6) to the drain vessel (7) on one side and via a pulse pump (8) on the other side and a three-way valve (9) with a channel (3), the three-way valve (9) being connected via a pulse pump (10) with the carrier solution (11) and the channel (4) connected via a pulse pump (12) with the sample (13) and in the chamber (2) there are electrodes (14) for potentiometric or amperometric detection.