AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA ÉS MINIATÜRIZÁLÁSA Bevezetés

Átírás

1 Automatikus és miniatürizált analizátorok Galbács Gábor AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA ÉS MINIATÜRIZÁLÁSA Bevezetés Ma már természetes, hogy maga a műszeres mérés lépése könnyen automatizálható (számítógépes vezérlés és automatikus mintaváltók segítségével). Az automata mintaváltók lényegében programozható, motorizált pipetták, amelyek amintaelőkészítés szempontjából igen korlátozott képessegékkel rendelkeznek; pl. változtatható az injektált oldattérfogat (pl. kalibrációhoz) és valamilyen reagens/hígítószer hozzákeverése lehetséges.

2 AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA ÉS MINIATÜRIZÁLÁSA Bevezetés Vegyük tekintetbe, hogy a kémiai mintaelőkészítés általában az a része az analízis folyamatának, amelyhez a legtöbb idő és anyag szükségeltetik. Következésképpen majdnem természetes az igény, hogy minél inkább automatizált és miniatürizált legyen ez a folyamat is. További szempont, hogy az automatizált analízisek általábanláb jobb precizitású, itá jobb stabilitású és kisebb költségigényű é ű (kevesebb reagens) méréseket tesznek lehetővé, ráadásul sokszor még gyorsabban is (a rövidebb mintautak, csőszakaszok miatt). Ma tehát egy fontos területe az analitikai kémiai kutatásoknak az automatizált és miniatürizált mérőrendszerek kidolgozása. Az automatizálás szempontjából kétféle koncepció létezik. A diszkrét analizátorokban az elemzés minden egyes mintára külön-külön (pl. külön mérőcsatornában vagy egymás után robotizált lépések révén, stb.) valósul meg. Az áramlásos rendszerekben egy folyadékáramlásba injektáljuk a mintákat és reagenseket egymás után, amelyek ugyanazokon az eszközökön, lépéseken mennek keresztül. Mivel szelepek és injektorok révén valósul meg a folyamat, ezért szokás ezt a koncepciót Lab-on-a-valve (LOV) elnevezéssel is illetni. AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA A diszkrét automata analizátorok alapkoncepciója A = hagyományos, manuális analízis folyamata B = a futószalag elv szerint, lépésekre bontott, automatizált folyamat

3 AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Robotizált megoldások a diszkrét analizátorokra AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Diszkrét (centrifugális) analizátor Egy érdekes diszkrét analizátor koncepció a centrifugális analizátorok esete. Ezeket először az 1960-as és 70-es években az USA-ban fejlesztették ki klinikai laborok számára (pl. GeMSAEC). Ebben a folyadékok k mozgatását áá és reagensekkel való elkeverését a centrifugális erő szolgáltatja, mivel egy korongban (amelyet megpörgetnek) elhelyezett vájatokban halad a folyadék a tengelytől kifelé. A külső szakaszokon fotometriás detektálásra kerül sor.

4 AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Száraz reagensek alkalmazása diszkrét analizátorokban Főként a klinikai analízis körében ma is népszerűek a folyadékminták elemzésére a hosszú eltarthatósági idejű száraz reagenseket alkalmazó kitek, amelyek slide -okra rögzítése és a reakcióidő letelte után robotizált módon a mérési pozícióba (reflexió vagy abszorpció mérése) való beforgatásával diszkrét automatikus analizátorok valósíthatók ók meg. AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Bevezetés Áramlásos rendszerű analizátorok Az áramlásos rendszerű analizátorokban (continuous flow analyzers) amintaegy folyamatos folyadékáramlásba kerül bele injektálás révén (pl. hatutas adagolószeleppel). A mintához hozzákeverik a szükséges reagenseket (egyszerű T vagy Y csőszakaszok segítségével) és elegendő reakcióidőt hagynak egy csőreaktorban ő (csomózott vagy tekercs alakú kivitel) i való áh áthaladás révén, é majd az oldat átfolyik a detektoron. Ma az áramlásos rendszerű analizátoroknak három fontos vállfaja ismert: szegmentált áramlásos analizátor (SFA, segmented flow analyzer) folyadék injektálásos analizátor (FIA, flow injection analyzer) szekvenciális injektálásos analizátor (SIA, sequential flow analyzer)

5 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Szegmentált áramlásos analizátor (SFA) 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 a mellékelt séma szerint. Főbb jellemzők: a folyadékszegmensben idővel egy stacioner állapot (koncentráció) áll be, a detektálás ekkor történik meg (minden szegmenst egyszer mér meg a detektor) a folyadékszegmensek párhuzamos vagy új mintákat tartalmazhatnak, vagyis a teljes csőhosszban egyszerre sok minta tartózkodhat a teljes csőhossz nem befolyásolja a működést, nem indukál túlzott diszperziót, ami előnyös a többi áramlásos rendszerhez képest de: a gázbuborékok összenyomhatósága miatt a rendszer időzítése kevésbé reprodukálható, mint a többi áramlásos rendszeré ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) 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. A folyadékok összenyomhatatlansága miatt az előrehaladás során nagymértékben ékb 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, ezért részletesen tárgyaljuk.

6 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Szekvenciális injektálásos analizátor (SIA) A SIA valójában egy második generációs FIA koncepció, amelyet J. Ruzicka és G.D. Marshall 1990-ben vezetett be. 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 ő (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: pl. csak egyszerűbb mintaelőkészítési feladatokat képes megoldani. ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) alapvető alkatelemek A szelepek a HPLC-ben is ismert szelepek 4 vagy több porttal, szinte mindig motorizálva. A mintatatartó hurok térfogata µl. A pumpák főként sokgörgős, több csatornás perisztaltikus pumpák a pulzálásmentes folyadékáramlás érdekében. Az alkalmazott áramlási sebesség 1 µl/min 40 ml/min. A nyomás kicsi, néhány bar. A csövek anyaga általában PTFE, Nafion, Tygon, PVC, stb. (az utóbbi kettő főként pumpacsőként használatosak). A detektor spektroszkópiás, esetleg elektrokémiai jellegű.

7 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) a tekercs és geometriája Háromféle reaktor tekercs van használatban: hagyományos csavarvonalú csomózott csőszakasz kigyózó kigyózó tekercs ( serpentine serpentine reactor) ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) membrán műveletek Membránok többféle műveletben is használhatók, pl.: gáz/folyadék szeparáció hígítás extrakció szűrés, stb.

8 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) egyéb műveletek Az egyik gyakori további művelet a hígítás, ami háromféle módon is megoldható: 1.) elektronikusan (a detektálási idő vagy a csőhossz változtatásával) 2.) zóna mintavételezéssel (két vagy több szeleppel valódi higítás lehetséges) 3.) membrán transzporttal A folyamatos áramlás (buborék nélkül!) 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. ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) egyéb műveletek Kalibráció eltérő dimenziójú csőszakaszok alkalmazásával Csapadékképzésen alapuló elválasztás Folyadék extrakció

9 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák Kloridionok UV/Vis meghatározása ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák Kinetikai diszkrimináció kihasználása Elektrokémiai szenzorok, amelyek jele az analit diffúziójával közvetlenül összefügg, gyakran mutatnak kinetikai diszkriminációt (az áramlási/keverési sebességtől függ a jel). Ilyen szenzorok (pl. ionszelektív elektródok vagy amperometriás szenzorok) FIA alkalmazásakor ezt a diszkriminációt ki is használhatjuk arra, hogy a lehető leginkább zavarmentes jelet mérhessük. Pl. az alábbi példában (glükóz amperometriás mérése) a kalibrációs görbe linearitását javíthatjuk.

10 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák Rodanid ionok UV/Vis meghatározása ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák Koprecipitációs dúsítás és hidridképzés

11 ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák Diszkrét mintaoldat-beporlasztás AAS Előny: kevesebb minta fogy, tömény/viszkózus oldatok is beporlaszthatók MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Bevezetés Az eddig ismeretett automatizált analizátorok alkalmasak a mintaelőkészítés és mérés folyamatának nagymértékű automatizálására, emiatt rutin analitikai területeken (pl. orvosdiagnosztika) elterjedten alkalmazzák őket. Ezek az automatizálási koncepciók azonban nem valósítják meg a miniatürizálást, hiszen asztali készülékekről van szó, amelyek detektora a szokásos önálló, manuális készülékekhez hasonló. A technológiailag legkorszerűbb koncepció a mikrofabrikáció segítségével megkísérli a teljes mérőrendszert (így a detektorokat is) a lehető legnagyobb mértékben miniatürizálni. Ennek a megközelítésnek a gyűjtőneve a Lab-on-achip (LOC). Egy másik gyakori rövídítés a µtas (micro total analysis system). Az ilyen szintű miniatürizálás komoly gyakorlati igényeket hivatott kielégíteni egyes területeken, mint pl. az orvosdiagnosztika, űrkutatás, élelmiszeripar. Az olcsó sorozatgyártás és alkalmazás ugyanis olyan helyekre/terepre is eljuttathat fejlett biokémiai teszteket (pl. vírusok, baktériumok kimutatása) vagy kémiai analitikai rendszereket, ahol nagy laborok fenntartása lehetetlen.

12 MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Lab-on-a chip Az elektrokémiai szenzorok miniatürizálása, elektromos kapcsolatok, mikrofluidikai csatornák kialakítása és persze a vezérlő/adatgyűjtő számítógép és mikroelektronika chip méretű megvalósítása ma már nem nagy probléma, ugyanakkor vannak mérési módszerek és technikák (pl. HPLC, spektroszkópia, termoanalitika, stb.) vagy egyes feldolgozó elemek (pl. pumpák, szelepek) amelyek lekicsinyítése, miniatürizálása igen komoly kihívás, ha egyáltalán lehetséges. A megvalósítás során szerep jut a korszerű szenzorikának, mikrofabrikációnak, nanotechnológiának,félvezetőiparnak, stb. MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikrofluidikai csatornák kialakítása A mikrofabrikáció számos módszere használható mikrofluidikai csatornák (mm-nél kisebb, tipikusan kb. 100 µm-es csatornák kialakítására. Két népszerű módszert mutatnak be az alábbi ábrák; a lézeres anyagmegmunkálást (egy polimerből ablációval elpárologtatják az anyagot ott, ahol csatornát akarnak kialakítani) és a fotolitográfiát (a hordozó kémiai maratása UV-érzékeny védőlakk és fotomaszk segítségével). Az elkészült csatornát egy fedőlemezzel befedik. lézeres mikrofabrikáció fotolitográfia

13 MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikroszelepek és pumpák Mikroszelepek és -pumpák a mikrofluidikához elengedhetetlen eszközök. Egyik megvalósítási módjuk szilícium vagy üveg lapkákon rugalmas polimer csövek (pl. 20 µm vastag falú poli-para-xililén/parilén vagy poli-dimetil-sziloxán/pdms) formájában történhet. Két ilyen cső egymáson keresztül fektetve máris megvalósítja a szelep funkciót: az egyikben nyomás alatt lévő gázt áramoltatva (ki/be kapcsolva) a másikban a folyadékáramlás megállítható/elindítható. Perisztaltikus pumpa kialakításához három ilyen kereszteződés már kielégítő megoldást ad. MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikroszelepek és pumpák Egy másik megvalósítási módjuk az elektrosztatikus erővel mozgatott rugalmas membránok esete. Ilyenkor lényegében parilén vagy PDMS bevonattal látnak el két egymás felett elhelyezett l elektródot, amelyek így a kémiai hatásoktól védetté válnak (a két membrán között áramlik a gáz/folyadék). Amikor feszültséget kapcsolnak a két elektród közé az elektrosztatikus erő a szabadon mozgó felső membránt megfeszíti (az alsó membrán a hordozóhoz rögzített), így nyitható/zárható az áramlás útja. Több ilyen, szinkronizáltan működő mikroszeleppel perisztaltikus pumpa kialakítható (lásd jobbra).

14 MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikroszelepek és pumpák Egy további lehetőség a termo-pneumatikus megoldás, amikor rugalmas anyagból (pl. gumi) lézer mikrofabrikációval egy zárt kamrát alakítanak ki, amibe folyadékot zárnak és egy elektromos fűtőelemet helyeznek el. Ha a fűtést bekapcsolják, a folyadék kitágul és megfeszíti a rugalmas falú kamrát, amivel a szelepet működésbe hozza. A mozgó membrán bá és a folyadékkamra alakja finoman szabályozható a gyártáskor. MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Detektorok Miniatürizált kivitelben az optikai és az elektrokémiai szenzorok a legnépszerűbbek. A mikrofabrikált abszorpciós vagy fluoreszcenciás optikai mérőcellák kialakítása koncepcionálisan igen hasonló a száloptikás FIA mérőcellák működéséhez. Az elektrokémiai szenzorok közül az elektromos vezetőképességi és a félvezetőő alapú potenciometriás iá ionszelektív, valamint amperometriás szenzorok a leggyakoribbak.

15 MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Chromatography on a chip Egy viszonylag egyszerű LOC rendszert jelent a kisnyomású ionkromatográfia (vagy GC) esete vezetőképességi detektorral. Az oszlop csatorna anioncserélő szemcsékkel van megtöltve. Az ábrán az áthúzott szelepek azt jelentik, hogy azok éppen le vannak zárva, a sötétkék zónák pedig a filterek, amelyek a minta folyadékáramot szűrik. MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikroplazmák létrehozása LOC eszközökön Egy érdekes LOC alkalmazást jelentenek a mikroplazmák atom és sugárforrások lapkára integrálása atomspetkroszkópiai célokra. Mikroelektródok között áramló nemesgázban (főként He) hozzák létre ezeket a plazmákat, amelyek mérete pár milliméter, elektromos teljesítménye néhány Watt, működési frekvenciája MHz, gázáramlási sebessége ml/min, kinetikai hőmérséklete 1500 K (gerjesztési akár 8000 K). Leírtak már DBD (dielectric barrier discharge), MIP (microwave induced plasma), GD (glow discharge) és más plazmákat ilyen mikro méretben. DBD ICP

16 MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Száloptikás (hordozható) spektrométerek A száloptikás spektrométerek egyre népszerűbbek és szintén a miniatürizált (legalábbis ultra-kompakt) detektorok egy példáját jelentik. Elsősorban az UV, Vis, illetve a NIR tartományban használatosak. Az optikai szálak a fényvezetést flexibilis módon és miniatűr (sub mm) méretben teszik lehetővé. Felépítésük az alábbi. + polimer puffer bevonat a cladding-en (védi a nedvességtől) ömlesztett SiO 2 (fused silica) polimer vagy ömlesztett SiO 2 polimer vagy fém köpeny (védi a mechanikai hatásoktól HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) - módusok A módus (mode) a száloptikáknál a stabil fényterjedési mintázatot jelenti. Többféle hullámhosszúságú fény, eltérő sebességgel tud haladni az ilyen fénykábelben, de a fényimpulzusok diszperziót szenvednek µm tipikus méret jellemzi. Ez a leggyakrabban alkalmazott spektroszkópiai fénykábel. Kisebb átmérőjű (max. 100 µm) fénykábel, amelyben a cladding Ge, Al (n nő) vagyb,f(n csökken) adalékolt szilika, amivel elérik, hogy a törésmutató fokozatosan csökkenjen a core/cladding határon. Az eredmény: kisebb impulzus diszperzió (nagyobb átviteli sebesség). A legkisebb átmérőjű (5-10 µm) fénykábel, lényegében step index konstrukcióban. Az eredmény: csak egyetlen módus tud tovaterjedni benne, de az nagyon gyorsan, diszperzió nélkül. Ezt a típust csak telekommunikációban használják.

17 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) UV/Vis/IR transzmisszió A szilika alapanyag OH csoport tartalma alapvetően befolyásolja a transzmissziót. A kis koncentráció (low OH fiber) azirtranszmissziónakkedvez, míg a nagy koncentráció (high OH fiber) pedig az UV transzmissziónak. kis OH tartalmú száloptika csillapítási görbéje nagy OH tartalmú száloptika csillapítási görbéje (intenzív OH abszorpciós sávok nm között) HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) szolarizációs effektus A szilikát a mély UV expozíció fototermikus hatások révén károsítja. Az ömlesztett kvarc besötétedik fénycentrumok képződése miatt, amelyeket szennyeződések (pl. halogének) jelenléte okoz. Ennek eredményeképpen a hagyományos száloptikák 260 nm alatt nem használhatók. A mély UV tartományban ezért speciális, szolarizáció ióellenálló (solarizationl i resistant) t) száloptikákat t alkalmaznak. l k

18 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) szolarizáció ellenálló optikai szálak Kétféle szolarizáció ellenálló száloptikát gyártanak: UVI és UVM. Az UVI jelű típust hidrogénezik a gyártás során, ami kihajtja a szennyező halogéneket és kiváló UV transzmissziót iót biztosít. A hidrogén szilikában tartását alumínium puffer bevonattal érik el (bizonyos ideig). Az UVM típust egy másik gyártástechnológiával készítik, aminek ugyan kisebb a transzmissziója, de ez az érték állandó. HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) alkalmazások Az elmondottak alapján a száloptikák alapvetően három alkalmazási területen használhatók analitikai kémiai célokra: monokromatikus vagy széles spektrumú UV/Vis/IR fény továbbítása illumináció és/vagy spektrális adatgyűjtés céljára. Erre a célra általában közepes átmérőjű UVI/UVM multimódusú száloptikákat alkalmaznak, sok esetben kötegelve. nagy teljesítményű impulzusüzemű lézerfény (MW) továbbítása anyagmegmunkálás (letörési plazma, abláció, stb.) céljára. Ebben az esetben nagy átmérőjű, multimódusú száloptika szükséges. képalkotási célra (fiberscope) multimódusú száloptika kötegeket (max. kb szálból) alkalmaznak.

19 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Monokromatikus miniatür fényforrás a félvezető (dióda) lézer Mint ismeretes, a lézer fényforrások működése stimulált emisszió előidézésén alapul egy alkalmas aktív közegben létrehozott populáció inverzió révén. A legkisebb lézer fényforrás a félvezető (vagy dióda) lézer. Alézerfény nyaláb főbb jellemzői: nagy kollimáció igen nagy intenzitás nagymértékű monokromatikusság impulzus vagy folytonos üzemmód koherens HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Monokromatikus miniatür fényforrás a félvezető (dióda) lézer aktív közeg: pl. GaAs, AlGaAs, InGaAsP, InGaN pumpálás: elektromos áram nm (nem folytonos) emissziós hullámhossz, h tipikusan ik ± 5 nm hangolhatósággal l hangolás árammal vagy hőmérséklettel cw vagy modulált üzemmód (max. GHz) optikai teljesítmény: mw

20 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Félvezető fotodetektorok a fotodióda Adalékolt (dópolt Si félvezetők) Fény nélkül az elektromos vezetés igen csekély negatív előfeszítés mellett (na-µa). Ha viszont elegendő energiájú fotonok esnek a pn átmenetre, akkor lyuk-elektron párokat hoznak létre, amelyek vezetést produkálnak. Az előálló áramerősség arányos a fényintenzitással. HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Gyakori monokromátor elrendezések Czerny Turner Bunsen

21 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Kétdimenziós félvezető fotodetektorok Photodiódasor (Photodiode array) Lináris PDA vagy CCD detektor Töltéscsatolt detektor (CCD, charge coupled device) HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Az Echelle rácsos polikromátor Echelle rácsos polikromátor

22 HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikás UV/Vis/NIR CCD mini spektrométerek Moduláris száloptikás CCD spektrométer Száloptikás CCD spektrométer felépítése HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák és optikai szenzorok Abszorpciós elrendezés Transzmissziós bemerülő száloptikás szonda Száloptikás ph-mérő szenzor Reflexiós/fluoreszcenciás bemerülő száloptikás szonda