Naughty chick gets a double penetration Univerzitet u Beogradu Tehnolo ko-metalur ki fakultet

Seminarski rad iz predmeta Hemijske metode za kontrolu i pra enje procesa

ON LINE TEHNIKE

Student : Sanja e lija Broj indeksa 3066/2010

Profesor : Ljubinka Rajakovi

januar '11.

UVOD

Usled velikog broja uzoraka ili koraka u analiti kim postupcima neophodna je delimi na ili potpuna automatizacija procesa, posebno prilikom rutinskih analiza. Samo u industrijskoj praksi Federalne Republike Nema ke za potrebe klini kih ispitivanja, pra enja procesa i za tite ivotne sredine, procenjeno je da se obradi nekoliko miliona uzoraka godi nje. Posebno u poslednjih deset godina, automatizacija je iroko rasprostranjena usled prednosti koje pru a, a koje se ogledaju u smanjenju tro kova i trajanja procesa. Automatizacija je najpre kori ena za potrebe klini ko-hemijskih ispitivanja i bila je zasnovana na principima kontinualne proto ne analize (CFA, 1957.) Nakon toga, 1975. godine, u praksu je uvedena proto na injekciona analiza (FIA). Ovi sitemi nazivaju se jo i ma ine za hemijsku analizu ( ili autoanalizatori na polju klini ke hemije). Slede i stepen automatizacije analiti kih postupaka karakteri e se upotrebom analiti kih robota koji se nalaze pod kontrolom mo nih kompjutera. Njihovom razvoju predhodio je veliki iskorak u tehnologiji sezora i mikroprocesora koji predstavljaju uslov funkcionalnosti automatizovanih sistema. Automatizovani analiti ki postupci obezbe uju: -istovremenu analizu velikog broja uzoraka -smanjenje tro kova -ska ivanje vremena proizvodnog ciklusa -ve u ta nost Prvi korak pri automatizaciji procesa jeste ra lanjivanje analiti kog protokola na osnovne operacije . Svaka od osnovnih operacija trebalo bi da se2

obavlja unutar ma ine . U toku procesa prate se parametri dodeljeni razli itim analiti kim koracima koji su programirani. Na slici 1. A dat je primer automatizovanog fotometrijskog odre ivanja fosfata rastvornih u vodi i u rastvorima soli limunske kiseline

Slika 1.

3

Sa slike 1. mo emo zaklju iti da ideja automatizacije po iva na slede im elementima: osnovna operativna ma ina ( slika 1. B), transport uzorka , cenralna kontrola , ulaz podataka , izlaz rezultata. Osnovne operacije uklju uju: merenje doziranje rastvaranje razbla ivanje te no-te nu ekstrakciju vrsto-te nu ekstrakciju (uklju uju i i faznu separaciju) y titraciju y fotometrijsku analizu. y y y y y y Osnovne operaciije izvr avaju se pod kontrolom mikroprocesora . Centralna kontrola obezbe uje prenos podataka do ma ine u kojoj se obavljaju osnovne operacije . Centralna memorija sadr i sve informacije o analiti kom procesu u celini kao i podatke vezane za svaki korak u protokolu i svaki analizirani uzorak . Ulazni podaci i izlazni rezultati (input i output) predstavljaju vezu izme u itavog sistema i korisnika . Na slici 2. prikazan je autoanalizator noviije generacije koji se koristi u svrhe klini kog ispitivanja.

4

Slika 2.

Kontinualna proto na analiza (CFA)Kontinualna proto na analiza je kao tehnika razvijena 1957. godine za potrebe klini kih ispitivanja. Poznata je i pod nazivom Segmentirana proto na analiza (SFA). Prednosti CFA tehnike: y veliki kapacitet analize koji se ostvaruje istovremenom primenom razli itih operacija y jedinstven kvalitet ostvarenih dijagnosti kih rezultata y visok intenzitet i stepen ponovljivosti me anja reakcionih rastvora u svakom stadijumu automatizzovane procedure y izuzetno mali tro kovi uz kori enje standardnih laboratorijskih reagenasa y komplikovana priprema pojedin nih uzoraka izbegnuta je primenom CFA analizatora y ska ivanje vremena proizvodnog ciklusa

Princip rada CFA analizatoraSvaki uzorak ili kalibraciona te nost preuzeta sa autosemplera podeljen je tako da uti e u razli ite usisne cev ice u kojima se istovremeno vr i odre ivanje. Broj uzoraka/h pomno en brojem istovremenih odre ivanja (jedne serije rezultata) daje broj analiza/h CFA analizatora. Transport reagenasa vr i se pomo u peristali ke pumpe. Tok fluida je segmentitan uvo enjem vazduha (u obliku mehuri a). Uzorci za analizu uvode se5

pomo u creva u reakcioni sistem, staklenu spiralu u kojoj se me aju. Definisana zapremina uzoraka odr ava se uranjanjem cevi u kojoj se nalaze uzorci u posudu koja je povezana sa automatskim injektorom uzorka. Me anje i hemijska reakcija de avaju se u spirali. Reakciono vreme definisano je du inom spirale kao i re imom strujanja te nosti. Pre nego to te na struja stigne do elije fotometra, vazduh se uklanja.

Na slici 3. dat je ematski prikaz strukture analiti kog sistema

Slika 3. Vazduh se uvodi u sistem da bi smanjili efekti difuzije u uzdu nom pravcu, kao i da bi se spre ili ili minimizirali rezultati difuzije usled razlika u re imu strujanja te nosti u osi toka i na zidovima staklenih cevi, odnosno creva. Kao rezultat ova dva efekta, na putu ka fotometru do lo bi do me anja uzoraka koji se unose jedan za drugim. Me utim, i pored segmentacije toka te nosti vazduhom, na zidovima cevi formira se film te nosti debljine d.

6

ematski prikaz toka te nosti koji je segmentiran mehuri ima vazduha dat je na slici 4.

Slika 4. Prema tome, mo emo zaklju iti da se uvo enjem mehuri a vazduha smanjuje difuzija du cevi i pospe uje me anje te nosti. Tako e, mehuri i pove avaju vreme analize i zahtevaju uvo enje, tj. uklanjanje to uslovljava dodatne tro kove. Opisani proto ni sistemi omogu avaju precizno zapreminsko doziranje ( uzorka i reagenasa) u ta no odre enim vremenskim intervalima za svaki pojedina ni reakcioni korak. Ukoliko uzorak konstantne koncentracije proti e kroz sistem du i vremenski period, izlazni signal ( zavisnost koncentracije uzorka od vremena trajanja reakcije) posedova e plato, tj. do i e do pojave maksimuma. Ovakva forma signala prikazana je slici 5. a i ukazuje da je reakcija zavr ena. U praksi se, ipak, kao posledica kra eg vremena usisavanja rastvora uzoraka i vode ili pufera u sistem, e e javljaju signali bez platoa ( slika 5.b)

Slika 5. a

Slika 5. b

CFA tehnika na la je primenu u automatizovanom fluorimetrijskom odre ivanju kateholamina.7

Kateholamini, adrenalin i noradrenalin, pripadaju biogenetskim aminima koji se izlu uju prilikom izvesnih fiziolo kih reakcija u organizmu. Informacija o koli ini ovih amina u krvi i urinu veoma je va na u dijagnostici, naro ito prilikom dijagnoze tumora. Preduslov fluorimetrijskog ogre ivanja adrenalina i noradrenalina jeste njihova konverzija u fluorescentne derivate (trihidroskiindole). Najpre se oksiduju pomo u kalijum-heksacijanoferata(III). Ciklizacijom okvinona, koji nastaje kao intermedijer predhodne oksidacije, dobija se adrenohrom. U drugom reakcionom koraku dodaje se redukciono sredstvo da bi se omogu ila izomerizacija u baznoj sredini do forme trihidroksiindola. Dobijene fluorofore stabilisane su sni avanjem pH vrednosti rastvora do 5. Svi navedeni me ukoraci moraju biti izvr eni u ta no odre enim vremenskim intervalima. Na slici 6. dat je ematski prikaz fluorimetrijskog odre ivanja kateholamina.

Slika 6. 1- pufer 2-rastvor uzorka 3-vazduh 4-oksidaciono sredstvo 5-zamena redukcionom sredstvu (opciono) 6- redukciono sredstvo (NaOH)8

7-sir etna kiselina 8-izlaz iz fluorimetrijske elije

Primena CFA tehnike-Odre -Odre -Odre -Odre ivanje organskih jedinjenja koje sadr e fosfor i azot ivanje fenola ivanje cijanida ivanje fluorida

Proto na injekciona analiza (FIA)Razvijena je 1975. godine u Nema koj. Odre ena, reproduktivna zapremina uzorka ubrizgava se u nose u kontinualnu struju te nosti, tj. rastvora reagensa . Dolazi do me anja uzorka i rastvora reagensa konvekcijom i difuzijom. Ovo me anje predstavlja preduslov za konverziju analita u proizvod reakcije koji se mo e detektovati. Sme a koja nastaje ovim me anjem ne mora nu no da bude ravnote na . Kontrolisanje disperzije vr i se na osnovu parametra D. Parametar D, tj. disperzija, dobija se kao odnos po etne koncentracije uzorka i maksimalne koncentracije koju uzorak mo e imati nakon me anja sa strujom reagensa. Stoga, mo emo zaklju iti da parametar D predstavlja meru rastvorljivosti uzorka u FIA sistemu. Na slici 7. prikazana je zavisnost koncenracije uzorka od vremena trajanja procesa.

9

Slika 7. Odre ivanjem parametra D, mo emo predvideti reproduktivno vreme procesa, tj. vreme u kome mo emo izvr iti detekciju eljenog uzorka. FIA tehnika na la je primenu u automatizovanom ode ivanju nitrata u otpadnim vodama. ematski prikaz ovog procesa dat je na slici 8.

Slika 8.

10

elija za dijalizu ovde ima funkciju on line i enja uzorka. Nose e struje C1 i C2 imaju razli ite vrednosti pH. Nitratni joni migriraju kroz membranu za dijalizu u nose u struju C2. Ve i molekuli zaostaju u nose oj struji C1, tako da ne dospevaju u reakcioni sistem gde su pome ani reagensi R1 (sulfamid) i R2 (Nnaftiletilendiamin). Pre ovoga, nitrat je u redukcionoj koloni redukovan do nitrita . Nitrit je zatim konvertovan u azo boju, tj. proizvod reakcije koji je pogodan za detekciju fotometrom.

Primena FIA tehnikeFIA tehnika na la je primenu u razli itim oblastima: -Biologija ( studije o ivoj eliji uptrebom fluorescentne mikroskopije) -Biotehnologija -Imunoanaliza koja uklju uje antitelo/antigen reakcije Za detekciju mogu se koristiti razli ite instrumentalne metode: -Fotometrija -UV-vis spektrofotometrija -Potenciometrija -Atomska spektroskopija

Procesna dinami ka analizaProcesna dinami ka analiza defini e se kao postupak dobijanja kvantitativnih i kvalitativnih informacija o procesu u svrhu kontrole i optimizacije hemijsko-tehnolo kog procesa te u funkciji optimizacije utro ka energije, vremena i sirovina, kontrole kvaliteta, za tite okoline i sigurnosti. Procesna analiza nosi ekonomski benefit kroz brze i pouzdane informacije dobijene kontinuirano ili u pravilnim vremenskim razmacima.

11

Izlazni rezultati koji se dobijaju pri ovakvoj analizi, kao i parametri koji se prate tokom procesa vremenski su zavisni. Procesnoj analizi prethodi: y odre eni stupanj automatizacije u svakom koraku y priprema uzoraka razne robotske ruke i sl. y mogu nost visoke automatizacije instrumentalne metode koje to mogu posti i y automatska obrada podataka ra unari y mogu nost ostvarenja povratne sprege Procesna analiza ukljucuje : y y y y y uzorkovanje pripremu uzorka merenje u realnom vremenu optimizaciju i druge stupnjeve pracenja procesa interpretaciju i primenu dobijenih podataka za kontrolu procesa Na slici 9. ematski su prikazani koraci u procesnoj analizi.

Slika 9.

Procesna analiza mo e biti:12

1. procesna analiza izvan toka (of-line ili at-line) 2. procesna analiza povezana uz protok (on-line) 3. procesna analiza u procesnom toku (in-line)

Slika 10. Pri on-line analizi uzorak se uzima kontinuirano i prenosi do analiti kog instrumenta. Prednost je odvojenost od glavnog procesnog toka te se temperatura i pritisak mogu kontrolisati. Mana je vremenski razmak izme u trenutka uzorkovanja i samog merenja. Kod in-line analize merenje se sprovodi direktno u procesnoj liniji. Prednost je da nema praznog hoda od uzorkovanja do merenja ve je merenje limitirano varijacijama temperature i pritiska. Procesna dinami ka analiza na la je primenu u: 1)industriji - hemijska industrija - metalurgija - farmaceutska industrija -elektronika 2) medicini 3) za titi ivotne sredine13

- analiza vazduha - analiza vode za pi e, otpadne, industrijske - obrada vode za pice, otpadne

Sadr aj

Uvod....................................................................................................... 2 Kontinualna proto na analiza (CFA) ...................................................... 5 Princip rada CFA analizatora............................................................... 5 Primena CFA tehnike ....................................................................... 9 Proto na injekciona analiza (FIA) .......................................................... 9 Primena FIA tehnike ......................................................................... 11 Procesna dinami ka analiza .................................................................. 1114

Literatura

1. K.H. Koch, Process Analytical Chemistry. Control, Optimization, Quality, Economy, Springer Verlag,Berlin 1999. 2. G.Schwedt, The Essential Guide to Analytical Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2004 3. Internet stranica, www.alliance- instruments.at/pdf/cfa_eng.pdf 4. Internet stranica, www.cem.msu.edu/~cem333/Week13.pdf

15