PL222359B1 - Przepływowy detektor fotometryczny - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 400791 (51) Int.Cl.

G01N 21/05 (2006.01) G01N 21/79 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 17.09.2012 (54) Przepływowy detektor fotometryczny

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 31.03.2014 BUP 07/14	(73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE, Olsztyn, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.07.2016 WUP 07/16	(72) Twórca(y) wynalazku: SŁAWOMIR KALINOWSKI, Olsztyn, PL STANISŁAWA KORONKIEWICZ, Bukwałd, PL

PL 222 359 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przepływowy detektor fotometryczny, współpracujący z pompami pulsowymi, przeznaczony do zastosowania w chemii analitycznej.

Wprowadzenie metod przepływowych do procesu analitycznego pozwoliło na automatyzację pomiarów, skrócenie czasu pomiaru, zmniejszenie zużycia odczynników i obniżenie kosztów analizy. Dużą popularność zyskała wstrzykowa analiza przepływowa (ang. flow injection analysis, FIA), w której przepływ cieczy zapewnia zazwyczaj pompa perystaltyczna, jednokanałowa, w bardziej zaawansowanych układach, wielokanałowa lub zestaw pomp. Próbka wprowadzana była do strumienia nośnego za pomocą ręcznie przełączanego zaworu wstrzykowego. Rozwój elektroniki i sterowania m etodami cyfrowymi pozwolił na wprowadzenie analizy multikomutacyjnej (ang. multicommutation flow analysis, MCFA), gdzie wprowadzanie próbki i reagentów do strumienia nośnego dokonywane było za pomocą zaworów elektromagnetycznych. W takich układach z reguły wystarczała już jednokanałowa pompa perystaltyczna. Pojawienie się w handlu miniaturowych pomp pulsowych pozwoliło na zminiaturyzowanie zestawów analitycznych poprzez zastąpienie nimi z reguły dużych i ciężkich pomp perystaltycznych, ale też zaworów elektromagnetycznych, prowadząc do powstania nowej analitycznej metody przepływowej MPFS (ang. multi-pumping flow system). Wszystkie te metody charakteryzują się jednak ciągłym przepływem roztworu nośnego, którym jest zazwyczaj najtańszy odczynnik. Ogr aniczenie ilości produkowanych ścieków i zużycia odczynników zostało uzyskane w analizie sekwencyjnej (ang. sequential flow analysis, SIA), gdzie zazwyczaj stosuje się pompy strzykawkowe i wielodrożne zawory, gdzie odczynniki i próbka są kolejno zasysane do strumienia nośnego, mieszane, a następnie po zmianie kierunku przepływu wprowadzane do detektora. Wszystkie wymienione metody wymagają stosowania spirali reakcyjnych, w których następuje mieszanie próbki z roztworem n ośnym i reagentami. Wydłuża to czas przepływu roztworów, a tym samym czas analizy i zużycie o dczynników. Czas ten może być znacznie skrócony poprzez wstrzykiwanie próbki wraz z odczynnikami za pomocą pomp pulsowych bezpośrednio do komory detektora.

Konstrukcja jednowiązkowego detektora fotometrycznego z bezpośrednim wstrzykiem do kom ory detekcyjno-reakcyjnej za pomocą pomp pulsowych przedstawiona została w zgłoszeniu wynalazku P. 391593.

Według zgłoszenia wynalazku P. 391593 detektor fotometryczny do współpracy z pompami pulsowymi wyposażony w sparowane diody LED charakteryzuje się tym, że w korpusie detektora znajduje się komora reakcyjna, oddzielona od diod emisyjnej i detekcyjnej okienkami przepuszczającymi światło, a do komory reakcyjnej dochodzi wlot strumienia nośnego poprzez pompę pulsową. W pobliżu wlotu strumienia nośnego umieszczone są co najmniej dwa wloty reagentów połączone z pompami pulsowymi. Objętość komory reakcyjnej jest większa niż objętość wprowadzonych reagentów. W przeciwległym końcu komory umieszczony jest wylot cieczy z detektora.

Jedną z najpopularniejszych metod detekcji w chemii analitycznej jest detekcja fotometryczna, wykorzystująca prawo Lamberta-Beera, mówiące, że absorbancja roztworu jest proporcjonalna do stężenia barwnego składnika, pochłaniającego światło o danej długości fali. Pomiar absorbancji dok onywany jest za pomocą spektrofotometrów jedno lub dwuwiązkowych. Pomiar absorbancji wymaga dwóch odczytów natężenia światła - jednego dla roztworu nośnego bez próbki i drugiego dla roztworu z próbką. W spektrofotometrach jednowiązkowych pomiar wykonywany jest kolejno - najpierw dla roztworu nośnego, dla którego przyjmuje się absorbancję równą zero („kalibracja zera”) i następnie dla roztworu zawierającego barwną próbkę. W spektrofotometrach dwuwiązkowych stosuje się odczyt natężenia światła dwóch wiązek, przechodzących jednocześnie jedna przez roztwór nośny, a druga przez roztwór z próbką. Dzięki temu możliwy jest dokładniejszy pomiar absorbancji, gdyż niestabilność źródła światła nie ma wpływu na wartość odczytywanej absorbancji. Kosztownym elementem spektr ofotometrów jest monochromator, który ze światła białego dokonuje selekcji wiązki o odpowiedniej długości fali. Źródła światła w takich spektrofotometrach pobierają stosunkowo dużo prądu, gdyż niewielka część tego światła jest izolowana w monochromatorze. Gdy detektor fotometryczny jest dedykowany do oznaczania z góry określonych substancji, wtedy może być stosowane monochromatyczne źródło światła o niewielkim poborze mocy, np. barwna dioda LED. Detektory takie pozwalają na miniaturyzację sprzętu pomiarowego i wykorzystywanie go jako urządzenia przenośnego.

Według wynalazku przepływowy dwuwiązkowy detektor fotometryczny, charakteryzujący się tym, że wloty próbki i reagentów połączone są bezpośrednio z komorą detekcyjno-reakcyjną a kanał

PL 222 359 B1 wlotowy roztworu nośnego połączony jest z wlotem komory detekcyjno-referencyjnej, a jej wylot połączony jest z wlotem komory detekcyjno-reakcyjnej.

Detektor wg wynalazku charakteryzuje się prostotą wykonania, bardzo szybkim czasem analizy i bardzo małym zużyciem odczynników. Dodatkowo dochodzą zalety pracy w układzie dwuwiązkowym, związane z niewrażliwością układu na niestabilność źródła światła i barwę roztworu nośnego. Włączenie obu komór detekcyjnych - referencyjnej i reakcyjnej w ten sam strumień cieczy bardzo upraszcza cały układ pomiarowy. Zastosowanie diod LED jako źródła światła i diod detekcyjnych oraz pomp pulsowych tworzy zautomatyzowane urządzenie do analiz chemicznych o niewielkim rozmiarze, wadze i małym poborze mocy, nadające się jako urządzenie przenośne do zastosowania w badaniach terenowych. Układ też może być stosowany w laboratoriach np. przemysłowych czy analitycznych, w postaci urządzenia modułowego, gdzie każdy moduł przeznaczony jest do analizy pojedynczej substancji. Moduły pomiarowe wykorzystujące detektor wg wynalazku charakteryzują się prostą i zwartą konstrukcją m.in. ze względu na brak rozbudowanej części optycznej z monochromatorem oraz brak pompy perystaltycznej czy strzykawkowej, typowej dla układów pracujących w warunkach przepływowych.

Przepływowy detektor fotometryczny zostanie pokazany w przykładzie wykonania na rysunkach, na których fig. 1 to przekrój przez płaszczyznę komory detekcyjno-reakcyjnej i kanałów doprowadzających próbkę i reagenty, fig. 2 to przekrój przez płaszczyznę komór detekcyjno-reakcyjnej i referencyjno-reakcyjnej, na fig. 3 pokazano połączenia detektora z pompami pulsowymi, a na fig. 4 znajduje się schemat części elektronicznej detektora.

Przepływowy, dwuwiązkowy detektor fotometryczny składa się z korpusu 1, w którym wlot 2 próbki i wlot 3 reagentów połączone są bezpośrednio z komorą detekcyjno-reakcyjną 4. Kanał wlotowy 5 roztworu nośnego połączony jest z wlotem komory detekcyjno-referencyjnej 6, a jej wylot kanałem 7 połączony jest z wlotem komory detekcyjno-reakcyjnej 4, a wylot 8 jest odprowadzeniem cieczy do ścieków.

Korpus 1 detektora wykonany jest z jednego kawałka teflonu, w którym wykonane są komory detekcyjne 4 i 6 o średnicy 2 mm i długości 20 mm, o objętości po około 60 pl. Źródłem emisji światła są dwie jednakowe barwne diody LED 9 i 10, a diody 11 i 12 są diodami detekcyjnymi.

Kanał wlotowy 5 detektora połączony jest z wylotem pompy pulsowej 13 a jej wlot połączony jest ze zbiornikiem roztworu nośnego 14. Wlot 2 próbki połączony jest poprzez pompę pulsową 15 ze zbiornikiem z analizowaną próbką 16, a wlot 3 reagentów połączony jest poprzez pompę pulsową 17 ze zbiornikiem z reagentami 18. Wylot 8 detektora połączony jest ze zbiornikiem na ścieki 19. Pompa pulsowa 13 posiada objętość 50 pl, natomiast pompy pulsowe 15 i 17 po 10 pl.

Diody emisyjne 9 i 10 połączone są szeregowo i zasilane poprzez rezystor 20 napięciem U+. Jako diody detekcyjne 11 i 12 korzystnie jest zastosować jednakowe diody LED, wykazujące maksimum czułości spektralnej przy długości fali odpowiadającej maksimum emisji diod 9 i 10. Diody detekcyjne połączone są z wejściami scalonego wzmacniacza logarytmującego LOG101 (Burr Brown, USA) (21). Napięcie na wyjściu układu jest liniową funkcją absorba ncji o nachyleniu 1 V na jednostkę absorbancji. Zastosowanie wzmacniacza logarytmującego kompensuje niestabilność źródła zasilania diod LED emisyjnych i zmiany ich temperatury. Pozwala też na dokładne pomiary z arówno z roztworami o niewielkiej absorbancji, jak też i roztworami o absorbancji przekraczającej wartość 2.

Przedstawiony układ może być wykorzystany do oznaczania stężenia jonów żelaza(lll) metodą rodankową. Jako roztwór nośny 14 wykorzystywany jest roztwór HCI o stężeniu 0,5 mol/dm , oznaczane jony żelaza(lll) znajduje się w roztworze 16, natomiast reagent 18 zawiera jony rodankowe o stężeniu 5%. Jako diody emisyjne 9 i 10 zastosowane są niebieskie diody LED o średnicy 3 mm, połączone szeregowo i zasilane poprzez rezystor 2 kQ 21 napięciem 12V (U+).

Jako diody detekcyjne 11 i 12 zastosowane są diody LED zielone, wykazujące maksimum czułości spektralnej przy długości fali 470 nm. Zakres oznaczanych stężeń od około 0,15 do 50 mg/dm .

Detektor wg wynalazku pracuje w warunkach przepływowych, gdzie próbka 16 i reagenty 18 są wstrzykiwane bezpośrednio do komory reakcyjno-detekcyjnej detektora 4 za pomocą mikropomp pulsowych 15 i 17, przy czym łączna objętość wstrzykiwanej próbki i reagentów jest mniejsza od objętości komory detekcyjno-reakcyjnej 4. Po wstrzyknięciu próbki 16 i reagentów 18, najkorzystniej jednocześnie w przeciwprądzie i zarejestrowaniu sygnału analitycznego, roztwór z komór detekcyjnych usuwany jest przez roztwór nośny 14 do ścieków za pomocą pompy pulsowej 13.

PL 222 359 B1

Gdy detektor jest dedykowany do oznaczania jednego rodzaju substancji, wtedy źródłem światła mogą być dwie jednakowe barwne diody LED 9 i 10, a do detekcji światła przechodzącego przez komory detekcyjne mogą być zastosowane dwie jednakowe diody LED 11 i 12 o czułości spektralnej odpowiadającej zastosowanym diodom LED emisyjnym. Korzystne jest połączenie diod emisyjnych szeregowo, tak aby zmiany prądu płynącego przez diody spowodowane zmianami np. temperatury były jednakowe. Gdy diody detekcyjne 11 i 12 połączone są do wejść wzmacniacza logarytmującego, wtedy zmiany natężenia światła diod emisyjnych 9 i 10 kompensują się i nie wpływa to na wielkość odczytywanego sygnału, a sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do absorbancji w komorze detekcyjno-reakcyjnej 4.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Przepływowy detektor fotometryczny, w którym wloty próbki i reagentów połączone są bezpośrednio z komorą detekcyjno-reakcyjną, znamienny tym, że kanał wlotowy (5) roztworu nośnego połączony jest z wlotem komory detekcyjno-referencyjnej (6), a jej wylot połączony jest kanałem (7) z wlotem komory detekcyjno-reakcyjnej (4).