литература для всех / zolotov_yu_a_red_osnovy_analiticheskoy_khimii_v_2_knigakh_kn

Глава 16. Автоматизация

икомпьютеризация анализа

Кавтоматизации аналитических процедур относят оснащение ана­ литических приборов сервисными механизмами и электронными схема­ ми; создание автономных анализаторов для промышленности, клиниче­ ских и других анализов, разработку и оптимизацию схем непрерывного анализа и др. (последняя задача особенно важна — часто массовый авто­ матизированный анализ диктует совсем ие ту логику, что применяется в единичных анализах).

Кавтоматизации примыкает компьютеризация — как аналитических приборов, так и всего аналитического цикла, включая интерпретацию результатов. На компьютер возлагают функции управления приборами (многие из которых оснащаются собственным компьютером) и обработки данных: сглаживание, аппроксимация, интегрирование (дифференцирова­ ние) и другие операции с аналитическими сигналами. В массовый анализ внедряются компьютерные системы сбора и хранения данных (LIMS — Laboratory Information Management Systems; ведение электронных «лабо­ раторных журналов»), особенно важные в автоматизированной лаборато­ рии. Межлабораторные обмены данными ускоряются и упрощаются из-за наличия компьютерных сетей связи. Формируются банки аналитических методик; на их основе в будущем должны возникнуть автоматические системы поиска и выбора методик анализа конкретных объектов. К этой области примыкают уже существующие системы библиографического поиска и хранения литературных сведений.

Некоторые методы анализа вообще невозможно представить без компьютера ( хромато-масс-спектрометрия, жидкостная хроматография с многоканальным детектированием, Фурье-спектрометрия). Успешно раз­ виваются методы идентификации органических соединений, прежде всего по данным ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии. В этом случае компьютер реализует некоторые функции «искусственного интеллекта», сопоставляя экспериментальную картину с имеющимися теоретическими представле­ ниями и делая выводы.

400

16.1. Различные подходы к автоматизации анализа

В многообразии методов и средств автоматизации можно выделить три главных направления: механизация анализа, его автоматизация и, на­ конец, автоматический анализ. Между ними есть существенные различия.

Под механизацией анализа понимают лишь замену ручного труда машинным (рис. 16.1, а). В ее сферу попадает задача более широкого ис-

Поток

в

Рис. 16.1. Сравнение различных способов фотометрического определения: а — «ручной»; б — механизированная конвейерная схема; в — непрерыв­ ный проточный анализ в сегментированном потоке;

/ — отбор пробы; II — добавление реагента; III — перемешивание и дос­ тижение равновесия; IV — измерение оптической плотности; I — воздух; 2 ■—пробоотборник; 3 — реагет

пользования механических и электронных устройств на всех этапах ана­ лиза. Говоря об автоматизации, имеют в виду передачу машине (компь­ ютеру) функций контроля и управления (например, микропроцессорное управление сканированием спектра в современном спектрофотометре). Пример автоматизации — лабораторные роботы и лабораторные компь­ ютерные системы, интегрирующие в единое целое разнородное оборудо­ вание.

Автоматический анализ базируется на несколько ином подходе. Ес­ ли автоматизация и механизация относятся главным образом к отдельным стадиям аналитического цикла (пробоотбор, пробоподготовка, определе­ ние), то автоматический анализ подразумевает «вытеснение» человека из всего цикла (рис. 16.1, б, в). Для химика естественно отдельно разлагать образец, проводить необходимые реакции и выполнять определение (все это может происходить в разных помещениях и, во всяком случае, в раз­ ной посуде). Такой подход ограничивает рост производительности в мас­ совом анализе однотипных объектов. При серийном анализе образцу бы­ ло бы естественнее проходить все стадии сразу, с минимальными задерж­ ками и по возможности в минимальном рабочем пространстве. Этому требованию удовлетворяют схемы автоматического анализа.

Приведенная классификация достаточно условна и не является един­ ственной. Так, учитывая различие в цели автоматизации, можно выделить автоматизацию лабораторного анализа и промышленного, заводского. В последнем случае часто говорят об автоматизированном технологическом контроле.

16.2. Лабораторные роботы

Примером последовательной автоматизации лабораторного анализа являются лабораторные роботы. Это относительно новое направление, развивающееся с начала 1980-х годов. Робот — «машина с человекопо­ добным поведением, которая частично или полностью выполняет функ­ ции человека при взаимодействии с внешним миром». В этом смысле почти любой современный аналитический прибор — робот. Однако под лабораторными роботами обычно понимают устройства иного типа, так называемые роботы-манипуляторы. Главная их особенность — наличие подвижной «механической руки», на конце которой находится «кисть», предназначенная для удерживания набора рабочих инструментов. Инст­ рументом может быть микрошприц для ввода пробы в хроматограф; до­ затор для отмеривания растворов в реакционный сосуд; приспособление для захвата химической посуды и т. п. Итак, основное отличие лабора­

402

торного робота от другого автоматизированного оборудования— универ­ сальность, способность «подстраиваться» под разные задачи.

Обычно сам робот неподвижен, его располагают в центре рабочего пространства, а вокруг группируют все прочее оборудование. Робот, как правило, управляется командами (куда и насколько переместить «руку», что сделать), записанными на специальном языке программирования. Встроенный блок запоминает команды или непосредственно управляет работой при помощи компьютера. Последнее более перспективно — соз­ дается возможность «осмысленно» реагировать на изменение обстановки.

Преимущества, связанные с использованием лабораторных роботов, очевидны. Робот не ошибается или ошибается гораздо реже, чем человек. Качество его работы не снижается от утомления, у него не бывает «по­ сторонних интересов». Робот может работать без присмотра человека в вечернее и ночное время, когда оборудование обычно простаивает. Он всегда (при надлежащем программировании) выполняет правила техники безопасности и облегчает работу с вредными или дурно пахнущими ве­ ществами и т. д. Возможность замены рабочих инструментов, в том числе на нестандартные и самодельные, позволяет приспособить робот почти к любой аналитической методике, будь то пробоотбор, пробоподготовка или определение. Стыковка же с внешним компьютером обеспечивает обработку, хранение и даже интерпретацию результатов.

Перспективы развивающейся лабораторной робототехники, конечно, связаны с интегрированными системами, в которых робот играет роль лаборанта, а компьютер, при помощи алгоритмов хемометрики, модели­ рует рассуждение аналитика. Уже описано применение системы лабора­ торный робот — персональный компьютер для оптимизации аналитиче­ ских методик. Один из примеров — фотометрическое определение фос­ фата по реакции образования молибденовой сини. В ходе работы компь­ ютер исполнял программу симплекс-оптимизации (см. разд. 16.7) и пе­ риодически отдавал роботу команды на проведение анализа в новых ус­ ловиях — менялись пропорции дозирования реагентов. Получив от робо­ та зарегистрированное значение аналитического сигнала, компьютер на­ ходил следующую точку оптимизации, и весь цикл повторялся до тех пор, пока не был достигнут искомый максимум чувствительности определения.

Что делал в этом приборе робот? Он: 1) готовил раствор сравнения и измерял оптическую плотность; 2 ) дозировал растворы хромогенного реагента (молибдата аммония), восстановителя (гидразина) и серной ки­ слоты (необходимой для создания среды) в реакционный сосуд — про­ бирку; 3) перемешивал, а иногда и нагревал пробирку; 4) переносил ее в кюветное отделение спектрофотометра, преобразовывал выходной анало­ говый сигнал прибора в цифровое значение оптической плотности и пе­ редавал значение компьютеру.

Данный пример — достаточно экзотический, пока роботы применя­ ются в основном при массовом анализе, и то в не очень уж значительном масштабе. Весьма перспективны системы, интегрирующие робототехнику с лабораторными информационными системами, LIMS. Еще один суще­ ственный момент в том, что роботы очень подходят при автоматизации процедур пробоотбора и пробоподготовки, разделения; выделения и кон­ центрирования — т. е. как раз тех, которые не очень легко автоматизиро­ вать в проточном анализе, ориентированном на работу с растворами.

Так, в корпорации Parke-Davis Pharmaceutical Research (Анн Арбор, Ми­ чиган, США) используется автоматическая система анализа биологических жидкостей на содержание лекарственных препаратов с применением «твер­ дофазной» экстракции. Она включает в себя робот Zymate ХР и специально изготовленную установку для автоматической экстракции. В той же фирме для фармацевтического анализа применяют автоматизированную систему пробоподготовки для ЯМР и масс-спектрометрии. Робот получает образцы (пробирки, снабженные идентификационным штриховым кодом) и обрабаты­ вает их на основе указаний LEMS. В систему входит считыватель штрих-кода, устройство для перемещения, станция дозирования/пипетирования, станция измерения мутности и фильтрации. Растворы дозируются в пробирки дня ЯМР или масс-спектрометра и помещаются в пробоотборник (autosampler) соответствующего прибора. Сами приборы также автоматизированы и рабо­ тают по расписанию, задаваемому LIMS. Сбор и первичная обработка резуль­ татов проходят полностью без вмешательства человека. Файлы данных хра­ нятся на сервере информационной системы и индексируются, образуя реля­ ционную базу данных. В любой момент можно сделать запрос к этой базе и, например, просмотреть соответствующий спектр. В довершение, вся система построена на основе технологии ИНТЕРНЕТ (точнее, интранет) и потреби­ тель аналитической информации получает результаты по электронной почте; можно также проверить состояние приборов или конкретных образцов при помощи стандартного браузера Netscape.

16.3. Автоматический анализ

Роботы хороши, если требуется решать много разнородных задач. При серийном же анализе незаменимы «конвейерные» схемы.

Дискретный автоматический анализ. «Конвейер» можно органи­ зовать по-разному. Это может быть прямой аналог промышленного кон­ вейера — ленточный транспортер с несколькими остановочными пункта­ ми, в которых пробы подвергаются нагреванию, химическим реакциям, концентрированию и т. д.; «путешествие» пробы заканчивается останов­

404

кой в детектирующем блоке. Такие системы, или дискретные автоматиче­ ские анализаторы, например, фирмы «Дюпон», были распространены в клиническом анализе и характеризовались достаточно высокой произво­ дительностью. К их недостаткам следует отнести сложность и громозд­ кость используемых механических конструкций и ограниченный срок работоспособности. Кроме того, такие приборы предназначены для ана­ лиза образцов сходного состава и не являются универсальными. К на­ стоящему времени такие системы полностью вытеснены более современ­ ными, которые и будут рассмотрены далее.

Проточный анализ. Более распространенная альтернатива дискрет­ ному автоматизированному анализу — проточный анализ. В этом случае пробы включают в поток жидкости-носителя (индифферентного или реа­ гирующего с определяемыми компонентами). По ходу потока, без оста­ новок, выполняются все необходимые операции (см. рис. 16.1, в). Это приводит к очень высокой производительности, до сотен проб в час. За­ крытая проточная система также снижает риск потерь или загрязнения вещества. По способам ввода пробы и реагентов, скоростям потоков жид­ костей проточные методы можно разделить на непрерывный проточный анализ с сегментированным потоком, группу проточно-инжекционных методов и электроинжекционный анализ (табл. 16.1).

Т а б л и ц а 16.1. Классификация и особенности проточных методов анализа

405

Рис. 16.2. Схема потокораспределительной системы для непрерывного проточно­ го анализа с сегментированным потоком:

1 — перистальтический насос; 2 — смесительная спираль; 3 — устройство для удаления пузырьков; 4 — проточный детектор

Включение серии проб в один поток требует определенных предос­ торожностей: пробы не должны смешиваться, их сигналы не должны пе­ рекрываться. Существует два варианта решения этой проблемы: разбие­ ние зон пробы воздухом или несмешивающейся с носителем жидкостью на отдельные сегменты; впрыскивание (инжекция малых порций пробы в поток быстро движущейся жидкости). Первый вариант является основой непрерывного проточного анализа с сегментированным потоком, второй — группы инжекционных методов.

Непрерывный проточный анализ. В НПА, предложенном А. Скеггсом, пробы и реактивы с постоянной скоростью непрерывно прокачива­ ются с помощью насоса по трубкам. Кроме того, через одну из трубок в систему подается воздух, который делит каждую пробу на ряд неболь­ ших, одинаковых по объему сегментов. Сегментированный поток слива­ ется с потоками растворов нужных реактивов, смешивается с ними и по­ сле удаления пузырьков воздуха попадает в детектор (рис. 16.2). Достоинства такого подхода заключаются в высокой степени автоматизации, быстроте и производительности. Изготовленные по этому принципу автоанализато­ ры «Техникон» и «Конгифло» широко использовались в практике лаборатор­ ного химического анализа, в том числе и в нашей стране.

В описанной схеме возможны изменения. Так, для сегментации по­ тока иногда используют не газ, а несмешивающуюся с носителем жид­ кость; однако разбивание потока пузырьками воздуха остается наиболее распространенным. В середине 1980-х годов американской фирмой «А1ркет» был создан фотометрический детектор, позволяющий измерять оп­ тическую плотность в сегментированном потоке жидкости без удаления пузырьков. Это послужило основой бурного развития НПА из-за резкого увеличения производительности анализа.

Инжекционные методы анализа. Лишь в 1975 г. вышла первая пуб­ ликация, авторы которой (Я. Ружичка и И. Хансен) обратили внимание на

406

возможность проведения проточного анализа без сегментации (отдельные работы появлялись и раньше, но им не придавали существенного значе­ ния); это так называемый проточно-инжекционный анализ (ПИА). Родо­ начальники ПИА Я. Ружичка и И. Хансен определили предложенный ими прием химического анализа следующим образом: «метод, основанный на введении (инжекции) пробы жидкого анализированного образца в дви­ жущийся непрерывный поток подходящей жидкости. Зона инжектиро­ ванной пробы транспортируется по направлению к детектору, который непрерывно регистрирует оптическую плотность, электродный потенциал или любой другой физический параметр, непрерывно изменяющийся при пропускании пробы через его проточную ячейку» и «прием, основанный на сочетании инжекции пробы, поддерживания контролируемой дисперсии (размывании зоны пробы) и строго постоянного времени пребывания».

Впоследствии авторы, по-видимому, уже лучше понимая огромные возможности предложенного подхода, дали другое, уточненное опреде­ ление: «Метод анализа, основанный на получении информации по гради­ енту концентрации определяемого вещества, полученного в результате его инжектирования в виде хорошо воспроизводимой зоны в несегментированный поток носителя». Ж. Фан так определили ПИА: «Прием нехро­ матографического проточного анализа, основанный на получении в тер­ модинамически неравновесных условиях хорошо воспроизводимых зон пробы и реагента в непрерывном потоке».

Инжекционные методы в настоящее время активно развиваются: кроме ПИА предложены последовательный инжекционный анализ; последователь­ ный анализ с инжекцией частиц; электроинжекционный анализ (см. табл. 16.1).

Все инжекционные методы основаны на следующих принципах: введе­ ние микропробы образца в ламинарный поток носителя; стабильное движение зоны образца в системе, сопровождающееся протеканием различных процес­ сов (смешивания, химическое взаимодействие, сорбция, экстракция и т. д.); строгий контроль дисперсии (размывания и разбавления) введенного образца в процессе его движения; постоянство времени пребывания образца в систе­

табл. 16.1). Основные компоненты

двухканальной потокораспредели­ тельной системы для ПИА могут быть проиллюстрированы схемой, приведенной на рис. 16.3. Растворы носителя и реагента по узким пла­ стиковым трубкам непрерывно по­

407

даются с помощью насоса. Периодически в ламинарный поток носителя вводятся строго воспроизводимые микрообъемы анализируемой пробы. После ввода каждая микропроба, образующая сегмент в потоке носителя, двигается по направлению к непрерывно работающему детектору. При движении анализируемого раствора, заключенного в виде жидкой зоны (сегмента) в потоке носителя, образец частично разбавляется носителем, в потоке создается градиент концентрации образца. В некоторый момент поток носителя сливается с потоком раствора реагента, смешивается с ним в реакционной спирали, при этом компоненты пробы вступают в хи­ мическую реакцию. Объединенный поток проходит через ячейку детек­ тора, непрерывно регистрирующего аналитический сигнал.

Преимущества ПИА по сравнению с его новыми вариантами, кото­ рые будут рассмотрены ниже, состоят: в хорошей проработке основ ме­ тода, доступности оборудования и простоте эксплуатации (определение может быть реализовано с помощью оборудования для ВЭЖХ), легкости реализации различных приемов для концентрирования и разделения ве­ ществ. К недостаткам следует отнести, в первую очередь, необходимость конструирования и отладки новой потокораспределительной системы для решения каждой аналитической задачи. При необходимости использова­ ния большого числа регентов системы для ПИА весьма громоздки, кроме того в таких случаях наблюдается значительное разбавление зоны пробы, что приводит к снижению чувствительности. Также весьма существен­ ным недостатком является необходимость постоянного прокачивания реагентов, что приводит к их значительному расходу.

Последовательный инжекционный анализ был предложен Я. Ружичкой и Г. Маршал (1990) в качестве дальнейшего развития проточно-инжекционного анализа. Последовательный инжекционный анализ — это простой и удобный вариант проточного анализа. Гибкость подхода обеспечивается использова­ нием многоходового крана, каждый порт которого обеспечивает выполнение различных операций: введение пробы, реагентов, стандартов, подключение различных детекторов и других устройств (рис. 16.4).

Проба

Рис. 16.4. Схема потокораспределительной системы для последовательно-инжекцион- ного анализа:

1 — шприцевой насос; 2 — «удерживающая» спираль; 3 — многоходовой кран; 4 — проточный детектор

408

Рис. 16.5. Процессы, происходящие при последовательно-инжекционном анализе:

1 — инжекция пробы; 2 — иижекция реагента(ов); 3 — движение к «удержи­ вающей» спирали; 4 — изменение направления движения; 5 — детектирование

Концепция основана на последовательной инжекции с помощью шприцевого насоса зон пробы анализируемого образца и реагентов в по­ токораспределительную систему. Последовательность вначале хорошо разделенных зон движется и попадает в «удерживающую» спираль. Затем многоходовой кран переключается на порт детектора, а шприцевой насос изменяет движение потока на противоположное. Зоны реагентов прохо­ дят друг сквозь друга и попадают в детектор, в котором регистрируется аналитический сигнал продукта химической реакции (рис. 16.5 ).

Последовательный инжекционный анализ с возобновляемыми колон­ ками (с инжекцией частиц) был предложен Я. Ружичкой (1994) как вари­ ант дальнейшего развития проточных методов. Были разработаны специ­ альные проточные ячейки, позволяющие проводить детектирование в гетерогенных системах.

Перед каждым определением в автоматизированном режиме ячейку заполняют частицами сорбента (d = 50— 130 мкм), закачивая с помощью шприцевого насоса в потокораспределительную систему суспензию час­ тиц (рис. 16.6). Затем так же как и в последовательном инжекционном анализе, в систему инжектируются проба и необходимые реагенты. После смешения подготовленная проба или продукт ее химической реакции с реагентом направляются в проточную ячейку детектора, где происходит взаимодействие с частицами сорбента, при этом детектор регистрирует

409