5.6. Автоматизация анализа. Сенсоры*
Приборы. Развитие инструментальных методов количественного анализа означает, что время от времени появляются принципиально новые или более совершенные аналитические приборы. Наиболее важны приборы для измерения аналитического сигнала, но аналитикам нужны и другие – для пробоотбора, разложения пробы, разделения и концентрирования ее компонентов, а также вспомогательные приборы, например, дуговые и искровые генераторы в атомно-эмиссионном спектральном анализе. Первыми измерительными приборами, которые стали применять аналитики, были весы. В XIX веке были разработаны специальные приборы для оптических методов анализа: колориметры, спектроскопы и спектрографы. В XX веке появились рефрактометры и кондуктометры (20-е гг.), полярографы и масс-спектро- метры (20–30-е гг.), pH‑метры (30-е гг.), УФ и ИК-спектрометры (40-е гг.), приборы для радиометрических измерений, для рентгеновской спектроскопии и многие другие. В 50–60-е гг. начался массовый выпуск хроматографов, атомно-абсорбционных спектрометров и газоанализаторов.
Появление новых приборов в аналитических лабораториях было прямым следствием создания новых аналитических методов. Однако приборы непрерывно совершенствуются даже в тех случаях, когда принцип аналитического метода десятилетиями не меняется. Современные приборы становятся все более точными, многофункциональными, миниатюрными. Однако сегодня основная тенденция развития аналитических приборов – это их автоматизация.
Необходимость автоматизации связана с рядом причин. Прежде всего, она позволяет получить более точный результат анализа (устраняются персональные и уменьшаются оперативные погрешности), причем результат получают гораздо быстрее. В этом отношении большим достижением был переход к записи спектров и хроматограмм с помощью самописцев. Еще в 30-е гг. в лабораториях появились самописцы, встроенные в аналитические приборы, а также такие, которые можно было использовать в сочетании с разными приборами, в разных методах анализа. Со временем автоматизированные приборы стали применять даже в классических методах анализа (титраторы, электронные весы и т. п.). Дальнейшие этапы автоматизации связаны с использованием микропроцессоров и компьютеров (конец XX века). Именно компьютер нередко управляет сложными аналитическими приборами.
Автоматизация возможна, а иногда и абсолютно необходима на всех стадиях анализа – не только при измерении аналитического сигнала, но и на стадии пробоотбора, при подготовке пробы к измерению, при расчете результата. Автоматизация важна по соображениям техники безопасности, особенно при работе с токсичными или радиоактивными объектами. Появление новых приборов позволяет уменьшить численность персонала лабораторий и, что важнее, изменить характер работы этого персонала. Можно исключить монотонное повторение рутинных операций. Однако полная автоматизация анализа целесообразна далеко не всегда. Она желательна при массовом анализе более или менее однотипных проб и едва ли оправдана при изучении состава единичных образцов. Следует учитывать экономические соображения.
Комплексная автоматизация анализа, по-видимому, началась с газообразных объектов. Теперь множество газоанализаторов непрерывно контролируют состав воздуха в шахтах, регистрируя содержание метана. Промышленные хроматографы контролируют технологические процессы в химической и нефтехимической промышленности. Автоматизированные приборные комплексы непрерывно определяют токсичные примеси в атмосферном воздухе (см. главу 8). Автоматизированные аналитические приборы находились на борту советских и американских космических кораблей, исследовали состав атмосферы других планет и передавали информацию на Землю.
Значительно труднее автоматизировать количественный анализ твердых и жидких проб, особенно при проведении анализов, включающих стадию пробоподготовки. Здесь успех был обеспечен созданием автоматизированных электронных весов, автосемплеров и приборов для проточного анализа. В конце XX века появились еще более совершенные устройства – лабораторные роботы.
Автосемплеры и анализаторы. Рассмотрим типичную проблемную ситуацию. В каждой крупной клинической лаборатории ежедневно анализируют несколько десятков (а то и сотен) однотипных проб крови и мочи на сахар. Анализы выполняются строго по стандартной методике, предусматривающей введение в пробу ряда реагентов и измерение оптической плотности полученного раствора (спектрофотометрия). Проводить ежедневно сотни подобных анализов вручную – утомительный, нетворческий труд, да и не всегда лаборант, работая вручную, может гарантировать требуемую точность результатов. А ведь промах при выполнении клинического анализа может привести к тяжелейшим последствиям для соответствующего больного.
В середине XX века появились автоматические устройства для ускорения и повышения точности таких анализов. Важный блок автоматизированного прибора – автосемплер (от sample – проба). Это устройство, которое многократно повторяет одну и ту же операцию пробоотбора и ввода пробы в непрерывно работающий аналитический прибор, например, в хроматограф или спектрометр. Автосемплеры снабжены насосами, дозаторами, регуляторами и т. п. Устройства эти не дешевы, но при массовых анализах быстро окупаются. Автосемплеры можно использовать автономно или в составе еще более сложных приборных комплексов – автоматических анализаторов. Если поставить вечером на лабораторном столе поднос с сотней пробирок (каждая в своем гнезде, в каждой проба от определенного больного), за ночь анализатор обработает все пробы по заданной программе. Например, с помощью автосемплера отберет из каждой пробирки ровно по 1,00 мл исследуемого раствора, добавит заданные объемы всех реагентов, выждет необходимое время, измерит оптическую плотность, преобразует сигнал в цифровую форму, рассчитает по заранее заданной формуле концентрацию сахара и запишет ее в таблицу. Особо будут выделены записи о пробах с аномально высоким или низким содержанием определяемого показателя. Утром результаты распечатают и отправят заинтересованным лицам. Все операции проводятся не только без прямого участия человека, но и в его отсутствие, по программе, записанной в память компьютера.
Обычно анализаторы работают по конвейерной схеме. Жидкие пробы движутся от автосемплера к реактору и затем к детектору по соответствующим трубкам, как по конвейеру. Разные пробы разделены пустыми промежутками (пузырьками воздуха или, лучше, инертного газа), периодически проводится измерение аналитического сигнала.
Проточно-инжекционный анализ. В 1975 г. была предложена другая схема работы анализаторов. Ее развитие привело к созданию нового метода – проточно-инжекционного анализа (ПИА). От каждой пробы отбирают несколько аликвот и поочередно впрыскивают их в непрерывно движущийся поток растворителя. Одновременно туда же добавляют реагенты (если это нужно). В особой трубке (реакторе спирального типа) происходит перемешивание растворов и химическая реакция. Затем раствор проходит через детектор – устройство, которое непрерывно измеряет аналитический сигнал. Детектором в ПИА может быть любое измерительное устройство – спектрофотометр, флуориметр, потенциометр, кондуктометр и т. д. Чем длиннее путь жидкости, тем больше время от смешивания растворов до измерения сигнала детектором (это важно для сравнительно медленных реакций). Закончив работу с одной пробой, прибор начинает впрыскивать в поток растворителя аликвоты другой пробы, и все повторяется сначала. Компьютер по заданной программе управляет работой автосемплера, детектора и других узлов прибора; обрабатывает сигналы детектора и выдает пользователю результаты анализа. Принципиальная схема ПИА-анализатора показана на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Схема автоматического анализатора для проточно-инжекционного анализа
На рис. 5.4. сплошные стрелки – движение жидкостей, пунктир – передача электрических сигналов. АЦП и ЦАП – устройства, преобразующие электрический сигнал из аналоговой в цифровую форму и обратно. В ходе работы анализатора регистрируются серии пиков разной высоты (рис. 5.5):
Рис. 5.5. Вид регистрограммы в проточно-инжекционном анализе
Высота или площадь пика пропорциональны содержанию Х в эталоне или в исследуемой пробе. После записи ряда пиков для некоторой пробы их высоты автоматически усредняются, затем проводится статистическая обработка данных и результат анализа рассчитывается в виде доверительного интервала. Производительность анализаторов (конвейерных или ПИА) обычно составляет несколько десятков проб в час. Анализ становится гораздо более точным и надежным. Основная область применения анализаторов – медицина, в меньшей степени – охрана окружающей среды.
Автоматический анализатор легко перенастроить с одной методики на другую. Достаточно отметить другую позицию в меню соответствующей компьютерной программы – и анализатор вместо сахарозы начнет определять какой-либо фермент или гормон. При этом впрыскиваться в поток жидкости будут другие реактивы, автоматически изменится длина волны детектирования, расчет концентрации пойдет по другой формуле и т. п. Но все же лучше постоянно использовать анализатор для проведения одних и тех же анализов. С разнообразными и постоянно меняющимися задачами человек справляется лучше, чем компьютер, и наоборот.
Приборы для проточно-инжекционного анализа используют в специализированных лабораториях. Но анализ не всегда связан с отбором проб и далеко не всегда его проводят в лабораториях, оснащенных стационарными приборами. Чтобы оперативно управлять технологическими процессами, следить за содержанием опасных веществ в окружающей среде, контролировать состояние тяжелобольных и в других случаях, необходимо очень часто или даже непрерывно контролировать химический состав газов или жидкостей. В принципе инструментальные методы позволяют делать это без доставки проб в лабораторию и вообще без пробоотбора. Обычно для непрерывного измерения содержания какого-либо вещества применяют специальные датчики – сенсоры.
Сенсоры – это миниатюрные измерительные устройства, содержащие чувствительный элемент, который формирует аналитический сигнал определяемого вещества и в случае необходимости преобразует сигнал в электрическую форму. Можно дать следующее определение.
Химический сенсор это устройство для обратимого и непрерывного определения концентрации некоторого вещества в газах и жидкостях в режиме реального времени, без пробоотбора и, как правило, без пробоподготовки. В идеале это устройство портативно и может тиражироваться в больших масштабах.
«Физическими» аналогами химических сенсоров являются термометры и гигрометры, непрерывно измеряющие температуру и относительную влажность воздуха в помещении.
Используемые в датчиках химического состава чувствительные элементы (сенсоры) весьма разнообразны. Большинство сенсоров по принципу действия являются электрохимическими (потенциометрическими или кондуктометрическими), меньшая часть – оптическими (спектрофотометрическими, рефрактометрическими и др.). Известны также хроматографические, биологические и некоторые другие сенсоры. Примерами «химических» сенсоров могут быть: кондуктометрический датчик (солемер), непрерывно регистрирующий содержание соли в технологическом растворе (рассоле); биохимический ферментный датчик, контролирующий уровень гемоглобина в крови во время хирургической операции; фотометрический датчик, регистрирующий содержание углекислого газа в воздухе и установленный в системе жизнеобеспечения космического корабля или подводной лодки. Действие этого сенсора основано на селективном поглощении инфракрасного излучения с определенной длиной волны молекулами CO2.
Еще один пример – стеклянный ион-селективный электрод, потенциал которого линейно связан с величиной рН раствора, в который погружен электрод. Если вмонтировать такой электрод внутрь трубопровода, непрерывно регистрировать создаваемый потенциал и передавать его значения по проводам на пульт оператора, то последний сможет в любое время проконтролировать или скорректировать технологический процесс. Так, если мимо датчика в реактор по трубе пойдет слишком кислый раствор, оператор сможет уменьшить его подачу или разбавить этот раствор. «Внелабораторный» анализ может даже не включать стадию расчета результатов. Оператору важно, находятся ли показания датчика в границах нормы или нет, а если находятся – то точное значение рН раствора рассчитывать не обязательно. Такой датчик может быть включен в схему автоматического регулирования технологических процессов. Тогда оператор становится вообще ненужным: при отклонении показаний датчика от заданного значения, соответствующего оптимальному составу раствора, автоматически будет включаться некоторое корректирующее устройство, а когда показания датчика нормализуются, устройство будет автоматически отключаться.
Создание и использование сенсоров составляет самостоятельное направление в развитии современного химического анализа. Одним из самых важных аналитических параметров, которым должны обладать химические сенсоры, является селективность. Вообще говоря, сенсоры должны откликаться только на определяемый компонент. Если в контролируемой среде ничего, кроме этого компонента, появиться не может, селективность сенсора не имеет значения. Диапазон определяемых содержаний задается конкретной ситуацией; вовсе не обязательно, чтобы химические сенсоры всегда обладали высокой чувствительностью. Важно, чтобы сенсор безотказно и стабильно работал в течение длительного времени.
С помощью набора малоселективных сенсоров можно сформировать обобщенный образ объекта, в частности для его опознания. Возможности сенсоров даже выходят за рамки химического анализа. Так, применяя математические алгоритмы распознавания образов и соответствующее программное обеспечение, мультисенсорная система «электронный язык» выявляет фальсифицированные товары (например, кофе или коньяк); устанавливает тип нефти, разлитой в океане; выясняет, какая фармацевтическая фирма изготовила данный лекарственный препарат. В развитии «электронного языка» в самом конце XX века существенную роль сыграли российские аналитики (Ю.Г. Власов). Мультисенсорные системы используют и для анализа газов («электронный нос»).