Способ проведения химического анализа

 

Использование: изобретение относится к аналитической химии и м.б. использовано при проведении анализов для нужд экологии, здравоохранения, сельского хозяйства, пищевой и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: к реакционной трубке, заполненной растворителем и пробой, прикладывают разность электрических потенциалов, смешивают реагенты и регистрируют продукт реакции в зоне встречи пробы и реагента, при этом разноименно заряженные пробы или электронейтральные пробы, или реагент вводят с противоположных концов реакционной трубки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам проведения химического анализа жидкой пробы в наполненной растворителем реакционной трубке, и может быть использовано при проведении анализов для нужд экологии, здравоохранения, сельского хозяйства, пищевой и фармацевтической промышленности.

Известен способ проведения химического анализа жидкой пробы в потоке растворителя (проточно-инжекционный анализ), включающий формирование в тонкой трубке ламинарного потока растворителя, введение дискретных объемов исследуемой пробы и реагента, последующее перемешивание пробы и реагента с помощью смесителя и определение концентрации продукта реакции (патент США n 4022575, кл. G 01 N 1/14).

Недостатками способа являются, во-первых, разбавление и размывание пробы при ее движении вдоль реакционной трубки, обеспечивающемся перепадом гидростатического давления, во-вторых, турбулизация при перемешивании пробы и реагента приводит к уширению зоны протекания реакции, в-третьих, независимо от выбора приема смешивания перемешивание пробы и реагента требует значительного промежутка времени, превышающего характерное время химической реакции.

Известен способ проведения ферментного анализа, включающий введение с одного конца капиллярной трубки фермента и субстрата, имеющих различные электрофоретические подвижности, приложение к ним разности потенциалов, при этом реагент, имеющий более высокую электрофоретическую подвижность, догоняет реагент, имеющий более низкую электрофоретическую подвижность, происходит перемешивание фермента и субстрата, протекает реакция, продукт которой регистрируется (J.Bao, F.E. Regnier, Ultramicro enzyme assays in a capillary electrophoteric system. J. of Chromotography 608 (1992) 217-224). При таком способе проведения анализа мало или отсутствует разбавление и размывание реагентов, так как диффузия является единственной силой, приводящей к их разбавлению и размыванию. Не требуется турбулизация для перемешивания, и уширение зоны протекания реакции отсутствует. Перемешивание требует минимального времени, что позволяет проводить исследование в кинетическом режиме.

Однако способ имеет ряд недостатков. Во-первых, возможна сорбция пробы и реагента на стенках реакционной трубки, которая при введении пробы и реагента с одного конца трубки приводит к тому, что реакция начинается еще до того, как компонент, имеющий большую подвижность, догонит компонент, имеющий меньшую подвижность, и произойдет смешивание. При этом будет иметь место реакция между сорбированным на стенках "медленным" компонентом и "быстрым" компонентом по всей длине реакционной трубки до точки догона. Это приводит к существенному искажению формы пика продукта. Во-вторых, способ требует использования реакционных трубок достаточно большой длины, так как при введении пробы и реагента с одного конца их перемешивание произойдет только при длине трубки, превышающей l_кр где V_медл объем компонента (пробы или реагента), обладающего меньшей подвижностью; V_быстр объем компонента, обладающего большей подвижностью; μ_медл подвижность медленного компонента; Δμ разность подвижностей пробы и реагента; S площадь поперечного сечения трубки.

В известном способе анализ осуществлялся в реакционных трубках длиной 35-60 см. Достаточно большая длина трубки требует приложения значительных разностей потенциалов для обеспечения достаточно быстрого перемешивания и высокой производительности проведения анализов. В-третьих, при вводе пробы и реагента с одного конца трубки возможно перекрестное загрязнение емкостей с пробой и реагентом, что приводит к неправильным результатам при проведении серии экспериментов.

Задачей изобретения является создание способа проведения химического анализа, обеспечивающего высокую чувствительность, производительность и позволяющего проводить исследования в реакционных трубках малой длины.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе проведения химического анализа жидкой пробы, включающем формирование в реакционной трубке, наполненной растворителем, дискретного объема исследуемой пробы, смешивание пробы и реагента приложением к пробе и реагенту разности электрических потенциалов и регистрацию продукта реакции в зоне встречи пробы и реагента, согласно изобретению при разноименно заряженных пробе и реагенте или при электронейтральной пробе или реагенте их вводят с противоположных концов реакционной трубки.

Для получения зоны образования продукта реакции наименьшей длины, а следовательно, повышения концентрации продукта реакции и чувствительности способа целесообразно объемы пробы и реагента выбирать из соотношения где V_пр объем пробы; V_реаг объем реагента;
μ_пр подвижность пробы, равная сумме электрофоретической и электроосмотической подвижностей;
μ_реаг подвижность реагента, равная сумме электрофоретической и электроосмотической подвижностей.

При электронейтральной пробе или реагенте для обеспечения переноса электронейтральных частиц электроосмотическим потоком целесообразно стенки реакционной трубки модифицировать до необходимого значения ζ-потенциала.

При введении пробы и реагента с противоположных концов реакционной трубки компоненты до встречи двигаются по разным участкам трубки и сорбированные на стенках молекулы или ионы в реакцию не вступают, поэтому форма пика продукта остается неискаженной, кроме того, при таком вводе компонентов исключается возможность перекрестного загрязнения емкостей с пробой и реагентом.

При введении пробы и реагента с противоположных концов реакционной трубки встреча и перемешивание их произойдут вне зависимости от длины трубки, что дает возможность работать с короткими реакционными трубками при относительно невысоких разностях электрических потенциалов и позволяет миниатюризировать устройство для анализа.

При введении пробы и реагента с противоположных концов трубки возможен их одновременный ввод приложением разности потенциалов к пробе и реагенту на время ввода, что уменьшает общее время проведения анализов, а также является достаточным для выполнения условия оптимального соотношения объемов пробы и реагента, выраженного формулой

На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки для осуществления способа; на фиг. 2-4 результаты проведенных исследований.

Экспериментальная установка для осуществления способа содержит кварцевую реакционную трубку 1, источник 2 напряжения, электрод 3, соединенный с нулевой клеммой источника 2 напряжения, и электрод 4, соединенный с положительной клеммой источника 2 напряжения. В цепи источника 2 напряжения установлен микроамперметр 5. Установка снабжена дозаторами 6 и 7 с наборами ампул. Один конец реакционной трубки 1 и электрод 3 размещены в ампуле дозатора 6, а другой конец трубки 1 и электрод 4 в ампуле дозатора 7. Для фотометрической регистрации продукта реакции может быть использован фотометрический детектор, содержащий источник 8 света, сменный светофильтр 9, фотодиод 10 в качестве фотоприемного устройства и самописец 11, электрически соединенный с фотодиодом 10.

Пример 1. Реакция определения ионов железа Fe³⁺ в воде.

Известная реакция ионов Fe³⁺ с сульфосалициловой кислотой (2-окси-5-сульфобензойная кислота) при рН 4-7 приводит к образованию коричневато-оранжевого комплекса с соотношением Fe/сульфосалициловая кислота1/2. Реакцию осуществляли в следующей последовательности. Реакционную трубку 1 длиной 15 см заполняли дистиллированной водой. Для введения пробы и реагента в реакционную трубку 1 ампулу дозатора 7 заполняли исследуемым водным раствором Fe³⁺, ампулу дозатора 6 сульфосалициловой кислотой и включали источник 2 напряжения, при этом электрическая цепь замыкалась. Напряжение источника 2 составляло 15 кв, ток в цепи измерялся амперметром 5 и составлял 5 мка, введение пробы и реагента осуществляли в течение 30 с, после чего источник 2 напряжения отключали. При этом соотношение объемов пробы и реагента соответствовало формуле

Ампулы дозаторов 6 и 7 заполняли дистиллированной водой и вновь включали источник 2 напряжения. Под действием приложенного напряжения в реакционной трубке 1 происходило встречном движением катионов железа и анионов кислоты, и в зоне их встречи протекала реакция. Образовавшийся в ходе реакции продукт за счет электроосмоса перемещался по трубке 1 и проходил мимо фотометрического детектора. Измерения производили на длине волны 430 нм, результат фиксировали с помощью самописца 11. Форма полученного сигнала приведена на фиг. 2. Измерения концентрации Fe³⁺ производили в диапазоне 10^-5-10^-4 г/мл. Зависимость логарифма амплитуды сигнала детектора от концентрации F³⁺ приведена на фиг. 3. Минимально детектируемая концентрация ионов железа при отношении сигнал/шум, равном 3, составляла 10^-5 г/мл.

Пример 2. Реакция определения ионов Ti⁴⁺ в воде.

Известная реакция Ti⁴⁺ с серной кислотой и перекисью водорода приводит к образованию оранжево-желтого комплекса
Ti(SO₄)₂+H₂O₂ _→ [TiO₂(SO₄)₂]^2-+2H⁺
Реакцию проводили в реакционной трубке длиной 15 см. Внутренняя поверхность трубки имела отрицательный ζ-потенциал, что обеспечивало электроосмотический поток в направлении от положительной к нулевой клемме источника. Реакционную трубку заполняли дистиллированной водой. Ампулу дозатора 6 заполняли раствором серной кислоты, ампулу дозатора 7 водным раствором перекиси водорода, источник 2 напряжения включали на 20 с, при этом осуществлялось введение с одного конца трубки 1 раствора серной кислоты, а с другого раствора перекиси водорода. Затем ампулу дозатора 7 заполняли дистиллированной водой и включали источник 2 напряжения на 10 с для образования в трубке 1 зоны дистиллированной воды между реагентом H₂O₂ и пробой Ti₄₊. После этого ампулу дозатора 7 заполняли пробой раствором Ti⁴⁺ и источник 2 напряжения включали на 40 с. Таким образом в реакционную трубку были введены проба и реагенты. Ампулы дозаторов 6 и 7 заполняли дистиллированной водой, включали источник 2 напряжения, ток в цепи не превышал 10 мка. При этом нейтральные молелулы перекиси водорода двигались вдоль трубки 1 со скоростью электроосмотического потока, положительно заряженные ионы титана двигались со скоростью равной сумме электрофоретической скорости и скорости электроосмотического потока, догоняли молекулы H₂O₂ и перемешивались с ними. Навстречу им двигались анионы SO²₄^-, в зоне встречи происсходила реакция с образованием оранжево-желтого комплекса, регистрировавшаяся фотометрически. На фиг. 4 приведены выходные сигналы детектора от прдукта в серии из 3-х опытов. Была получена зависимость выходного сигнала детектора от концентрации Ti⁴⁺ в диапазоне концентраций 1,5·10^-5-9·10^-5 г/мл. Результаты измерений приведены на фиг. 3. Предельно детектируемая концентрация ионов титана оказалась практически такой же, как и в случае ионов титана оказалась практически такой же, как и в случае ионов железа в примере 1. Использование предлагаемого способа проведения химического анализа обеспечивает высокую чувствительность, производительность и позволяет проводить исследования в реакционных трубках малой длины, что дает возможность миниатюризиииииировать устройство для анализа.

Формула изобретения

1. Способ проведения химического анализа жидкой пробы, включающий формирование в реакционной трубке, наполненной растворителем, дискретного объема исследуемой пробы, смешивание пробы и реагента приложением к пробе и реагенту разности электрических потенциалов и регистрацию продукта реакции в зоне встречи пробы и реагента, отличающийся тем, что при разноименно заряженных пробе и реагенте или при электронейтральной пробе или реагенте их вводят с противоположных концов реакционной трубки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемы пробы и реагента выбирают из соотношения

где V_пр объем пробы;
V_реаг объем реагента;
μ_пр подвижность пробы;
μ_реаг подвижность реагента.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при электронейтральной пробе или реагенте стенки реакционной трeбки модифицируют до необходимого значения ζ - потенциала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.07.2004

Извещение опубликовано: 10.10.2005        БИ: 28/2005

---