Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

9. fejezet - Automatikus és távoli elemzés (Felinger Attila)

9. fejezet - Automatikus és távoli elemzés (Felinger Attila)

Automatikus analizátorok

Ma már természetes, hogy maga a műszeres mérés lépése könnyen automatizálható (pl. számítógépes vezérlés és automatikus mintaváltók segítségével). Az elterjedt automatikus mintaváltók azonban viszonylag egyszerű szerkezetek: lényegében programozható, motorizált pipetták, amelyek a mintaelőkészítés szempontjából igen korlátozott képességekkel rendelkeznek; pl. változtatható az injektált oldattérfogat (pl. kalibrációhoz) és valamilyen reagens/hígítószer hozzákeverése lehetséges. A teljes analitikai folyamat automatizálásához ennél többre van szükség.

Érdemes ugyanakkor tekintetbe venni, hogy az analízis folyamatának a leginkább idő- és anyagigényes része a mintaelőkészítési lépés (oldatbavitel, szeparáció, stb.), ezért a automatikus analizátorok kifejlesztésének ez a fő mozgatórugója. Az automatizált analízisek általában jobb precizitású, jobb stabilitású és kisebb költségigényű (kevesebb reagens igényű) méréseket tesznek lehetővé, ráadásul sokszor még gyorsabban is. Ma egy fontos területe az analitikai kémiai kutatásoknak az automatizált mérőrendszerek kidolgozása.

Működési elv

Ezen a területen kétféle koncepció létezik. A diszkrét analizátorokban az elemzés minden egyes mintára külön-külön (pl. külön mérőcsatornában, egymás után robotizált lépések révén, futószalagon, stb.) valósul meg. Ezt az irányzatot képviselik például a centrifugális analizátorok. Az áramlásos rendszerekben egy folyadékáramlásba injektáljuk a mintákat és reagenseket egymás után, amelyek ugyanazokon az eszközökön, mintaelőkészítési, mérési lépéseken mennek keresztül; a minták előrehaladását a rendszerben a vivőközeg biztosítja. Az alábbiakban csak az utóbbi, elterjedtebb módszert mutatjuk be röviden.

Ma az áramlásos rendszerű analizátoroknak három válfaja ismert: szegmentált áramlásos analizátor (segmented flow analyzer, SFA), folyadék injektálásos analizátor (flow injection analyzer, FIA) és szekvenciális injektálásos analizátor (sequential flow analyzer, SIA).

Az SFA analizátort a TechniCon cég vezette be az 1950-es években és azóta is elterjedten alkalmazzák, főként a klinikai analízis területén. Ez a rendszer beinjektált minták diszperziójának megakadályozására és részben a reagenssel való hatékonyabb elkeveredés érdekében levegő (vagy inert gáz) buborékokat alkalmaz. Ennek a megoldásnak leginkább az az előnye, hogy minden folyadék szegmensben (egy buboréktól egy másik buborékig tartó szakasz) idővel stacioner állapot áll be és a teljes csőhossz nem befolyásolja a működést. Hátránya viszont, hogy a gázbuborékok összenyomhatósága miatt a rendszerben a minták mérésének időzítése kevésbé reprodukálható.

A FIA koncepciót két dán kutató vezette be 1970-es években (Jaromir Ruzička és Elo Hansen). A koncepció újdonsága, hogy szegmentálatlan folyadékáramlással dolgozik és „kontrollált diszperziót” alkalmaz. Ebben a rendszerben a folyadékok összenyomhatatlansága miatt az előrehaladás során nagymértékben reprodukálható tranziens koncentrációgradiens jön létre a csőben. A diszperziót a csőhosszal és az áramlási sebességgel szabályozza. Kvantitatív meghatározásnál a koncentráció mérése a tranziens koncentrációgörbe bármely pontján elvégezhető, noha a legérzékenyebb eset nyilván az, amikor a maximumon mérünk. A FIA kinetikai lehetőségeket is rejt magában.

A SIA valójában egy második generációs FIA koncepció, amelyet J. Ruzička és G.D. Marshall 1990-ben javasolt. Az elképzelés elsődleges célja, hogy leegyszerűsítse a csőrendszert és tovább csökkentse az oldószerfogyasztást (főleg a vivőközegét). A koncepció lényege az, hogy egy dugattyús (fecskendő) pumpa egy tároló csőszakaszba (tekercsbe) szívja fel egymás után a mintát és a reagenseket, majd a folyadékáramlás iránya megfordul és a folyadék a tárolótekercsből a reakciótekercs felé pumpálódik. Az elképzelés az előnyök mellett hátrányokkal is bír, így például csak egyszerűbb mintaelőkészítési feladatokat képes megoldani.

A továbbiakban elterjedtsége miatt csak a FIA elrendezésekről írunk.

Eszközök és módszerek

Az áramlásos rendszerű analizátorokban a minta egy folyamatos folyadékáramlásba kerül bele injektálás révén (pl. a HPLC technikából ismert hatutas adagolószeleppel). A mintához hozzákeverik a szükséges reagenseket (egyszerű T vagy Y csőszakaszok segítségével) és elegendő reakcióidőt hagynak egy csőreaktorban (csomózott vagy tekercs alakú kivitel) való áthaladás révén, végül az oldat átfolyik a detektoron. A folyamatos folyadékáramot perisztaltikus pumpa biztosítja. A módszer minták sorozatos elemzésére jól alkalmazható, könnyen automatizálható.

Egy folyadék injektálásos rendszerű automata analizátor (FIA) felépítésének sémája

Az áramló közeg állandó térfogatáramát perisztaltikus pumpával állítják elő. A pumpák főként sokgörgős, több csatornás perisztaltikus fajták a pulzálásmentes folyadékáramlás érdekében. Az alkalmazott áramlási sebesség 1 µL/min – 40 mL/min, a nyomás néhány atmoszféra. A csövek anyaga általában PTFE, Nafion, Tygon, PVC, stb. (az utóbbi kettő főként a perisztaltikus pumpa rugalmas csöveiként használatosak). A szelepek a HPLC-ben megismert mintaadagoló szelepek, mégpedig négy vagy még több porttal, szinte mindig motorizálva. A mintatatartó hurok térfogata 1-200 µL. Detektorként főként spektrofotométert, ionszelektív potenciometrikus elektródot, amperometriás szenzort, stb. alkalmaznak.

A legegyszerűbb megvalósítás csak egyetlen áramlásos csatornát tartalmaz. Ahhoz, hogy az áramlás során több kémiai reakció is lejátszódjék, a reagenseket megfelelően adagolhassuk, esetenként többcsatornás készülékekre van szükség.

A FIA-készülékbe elválasztóegység is beépíthető, amely dialízist, gázdiffúziót, extrakciót vagy csapadékleválasztást tesz lehetővé. Az alábbi ábra példaképpen egy olyan elválasztóegységet szemléltet, ahol folyadék-folyadék extrakció játszódik le két egymással nem elegyedő folyadék szegmentált áramlásával. Ennek a megoldásnak érdekessége, hogy a kapillárisokban (vékony csövekben) haladó, egymással nem elegyedő folyadékok itt nem sűrűségük szerint válnak szét fázisokra; viselkedésüket a felületi feszültség határozza meg, ezért a folyadékok egymást követő cseppek formájában haladnak át a kapillárison. Ez az extrakció hatékonyságát megnöveli.

Áramlásos rendszerű elválasztó egység

A folyamatos, gázbuborék nélküli áramlás kompatibilis a kisnyomású HPLC oszlopokkal is, ezért katalitikus, ioncserés, stb. oszlopok is előnyösen integrálhatók egy FIA rendszerbe dúsítás, mátrix-elválasztás, in-situ reagens generálási stb. célokra.

Analitikai teljesítőképesség

Az áramlásos injektálásos elemzéskor rögzített detektorjelen a konvekció és a diffúzió hatása is megjelenik. Az alábbi ábrán tajelöli azt az időt, amely a minta adagolásától a minta frontjának detektorba érkezéséig eltelik. A T tartózkodási idő az adagolás időpontja és a csúcsmaximum megjelenése között eltelt idő. E két idő különbsége t’ = T - ta nullához tart akkor, ha a konvekció a meghatározó. t’ növekedése arra utal, hogy a diszperzió folyamata válik meghatározóvá az áramlás alatt. A tranziensidő, amely alatt a jel visszatér az alapvonalra, szintén két értékkel jellemezhető. Δt idő telik el a jel megugrása és alapvonalra visszatérése között. Alapvetően ez az időintervallum határozza meg, hogy legfeljebb milyen gyakorisággal lehet a mintát adagolni. A jelmaximum megjelenése után T’ idővel tér vissza a jel az alapvonalra. A h csúcsmagasság (pontosabban a csúcs alatti terület) a mennyiségi elemzés alapja. A csúcs magasságát és szélességét az áramlásos rendszer mérete, az adagolt minta mennyisége, az áramlási sebesség, a keverő- és reakciózóna kialakítása határozza meg. Az áramlás közben lejátszódó kémiai reakciók kinetikája szintén erősen hat a csúcsok alakjára és nagyságára.

A FIA rendszerekre jellemző detektorjel időbeli lefutása és jellemzői paraméterei

A legtöbb alkalmazás esetén a FIA a hagyományos titrimetriai, spektrofotometriai, vagy elektrokémiai eljárást váltja ki. A FIA-rendszer mérete azonban lehetővé teszi, hogy a hagyományos eljárásokhoz képest jóval kisebb mintamennyiségeket, koncentrációkat vizsgáljunk. A FIA-módszerek pontossága, helyessége hasonló a vele kiváltott klasszikus módszerekéhez, kimutatási határai azonban általában valamivel rosszabbak, hiszen nem egyensúlyi körülmények között dolgozunk. A reakciók nem játszódnak le teljes mértékben, a diszperzió hígítja az oldatot. A módszer szelektivitása általában jó, sőt egyes elektrokémiai szenzorokkal kombinálva és az időzítésben rejlő kinetikai lehetőségeket is kihasználva jobb lehet, mint az „off-line” módszereké. Mindazonáltal legnagyobb előnye az automatizálhatósága, amely következtében óránként akár több száz minta vizsgálata is megoldható.

Jellegzetes alkalmazási területek

Az automata analizátorokat azokon a területeken használják elterjedten, ahol nagyszámú, hasonló típusú folyadékminta gyakori, rutin mérésére van szükség; ilyen terület a klinikai laboratóriumok, növény- és talajvédelmi állomások, környezetanalitikai intézmények, minőségellenőrzési laboratóriumok. Az alkalmazások kisebb, de számottevő részét képviselik azok a FIA megoldások, amikor szokásos asztali műszerek (pl. atomspektrométerek) on-line, automatizált mintaelőkészítését oldják meg ilyen úton.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Ismertesse az áramlásos és diszkrét automatikus analizátorok közötti fő különbségeket!

  2. Ismertesse a SFA, FIA és SIA analizátor koncepciók lényegét!

  3. Hogyan alakul, milyen paraméterektől függ a detektorjel időbeli lefutása FIA elemzéseknél?

  4. Hasonlítsa össze a FIA rendszereket analitikai teljesítőképesség szempontjából a klasszikus analitikai mérőrendszerekkel!

  5. Milyen mintaelőkészítési/analitikai feladatokat lehet megoldani FIA elrendezésben?