WALIDACJA SYSTEM ZAPEWNIENIA JAKOCI TECHNIKI EKSPERYMENTALNE W KONTROLI JAKOCI

Transkrypt

1 TECHNIKI EKSPERYMENTALNE W KONTROLI JAKOCI INSTRUMENT POMIAROWY DETEKTOR CZUJNIK METROLOGIA - nauka o pomiarach (metron miara, logos słowo, nauka) Pomiar - dowiadczalne porównanie okrelonej wielkoci mierzalnej z wzorcem tej wielkoci przyjtym za jednostk miary, którego wynikiem jest przyporzdkowanie wartoci liczbowej mówicej ile razy wielko mierzona jest wiksza lub mniejsza od wzorca. ródło zjawiska Przyrzd pomiarowy Wzorzec Obserwator Podane cechy pomiaru: wiarygodno, dokładno, jednolito w skali krajowej i midzynarodowej, spójno pomiarowa WALIDACJA SYSTEM ZAPEWNIENIA JAKOCI Spójno pomiarowa Legalizacja Obiekt pomiaru Błd pomiaru Przyrzd pomiarowy (przymiar liniowy) Metr odległo jak pokonujewiatło próni w czasie 1/ s. (od 1983r.) Niepewno pomiaru: Błd pomiaru Błd wykonania podziałki przymiaru Instrument pomiarowy urzdzenie elektroniczne (rzadziej mechaniczne) przy pomocy którego przeprowadza si pomiar wielkoci fizycznych lub chemicznych. Niektóre instrumenty pomiarowe stosowane w yciu codziennym: Niektóre instrumenty pomiarowe stosowane w analityce chemicznej: KONDUKTOMETR pomiar przewodnictwa roztworów elektrolitów ph-metr / JONOMETR pomiar ph lub aktywnoci innych jonów 1

2 SPEKTROFOTOMETR pomiar st enia na podstawie adsorpcji promieniowania w zakresie UV/VIS ANALIZATOR ELEKTROCHEMICZNY (POLAROGRAF) pomiar st e ró nymi technikami woltamperometrycznymi i polarograficznymi z elektrod rt ciow o kontrolowanym wzro cie kropli (CGMDE) FOTOMETR PŁOMIENIOWY pomiar st e metali alkalicznych i ziem alkalicznych na podstawie emisji promieniowania SPEKTROMETR ASA pomiar st e pierwiastków metod absorpcji promieniowania SPEKTROMETR ICP-MS pomiar st e pierwiastków metod spektrometrii mas po jonizacji w palniku plazmowym WYSOKOSPRAWNY CHROMATOGRAF CIECZOWY (HPLC) pomiar st e zwi zków chemicznych po ich rozdzieleniu na kolumnie chromatograficznej. ANALIZATOR FIA (Wstrzykowa Analiza Przepływowa) automatyczny pomiar st e pierwiastków i zwi zków chemicznych. SPEKTROMETR ICP-OES pomiar st e pierwiastków na podstawie emisji promieniowania przez atomy wzbudzone w palniku plazmowym SPEKTROMETR FLUORESCENCJI RENTGENOWSKIEJ pomiar st e pierwiastków na podstawie emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego TITRATOR AUTOMATYCZNY POTENCJOMETRYCZNY pomiar zawarto ci jonów metod miareczkowania potencjometrycznego. KULOMETRYCZNY TITRATOR ZAWARTO CI WODY titrator wykorzystuj cy metod kulometryczn oznacznia wody w substancjach organicznych (metoda Karla Fishera) 2

3 Metody instrumentalne SKALA ICP-OES Metody instrumentalne s to metody w których informacj analityczn uzyskuje si za pomoc aparatury pomiarowej. Stanowi one warsztat dowiadczalny wykorzystywany do prowadzenia prac: badawczych; analitycznych; kontroli procesów. KONDUKTOMETR Odpowiednio ukierunkowanie studiowanie metod instrumentalnych pozwoli na zrozumienie krytycznych elementów aparatury i moliwoci wykorzystania jej dla rozwizywania problemów analitycznych. Niewłaciwe podejcie do stosowania instrumentów analitycznych i pomiarowych: Brak zrozumienia zasady metody i wynikajcych z niej ogranicze. Stosowanie do wszystkich problemów jednej metody, z któr jest si najlepiej zaznajomionym nawet gdy osigalna jest metoda bardziej odpowiednia. Poprawne stosowanie metod instrumentalnych wymaga pełnego zrozumienia: zasady fizykochemicznej na której oparta jest metoda instrumentalna; praw fizycznych stanowicych podstaw pracy instrumentu pomiarowego; ogranicze wynikajcych z zastosowania metody pomiarowej; przypadków w których instrument moe by najlepiej uyty zgodnie z zasad. Współczesne instrumenty pomiarowe stosowane w praktyce chemika s bardzo rozbudowane, wiele aparatów jest skomputeryzowanych i zautomatyzowanych. Sytuacja ta stawia nowe wysokie wymagania wobec uytkowników którymi s: chemicy analitycy; badacze; technologowie. Przygotowanie powinno si rozpoczyna ju w trakcie studiów i by kontynuowane w trakcie dalszej pracy (np. studia podyplomowe, samokształcenie). Przy wyborze techniki instrumentalnej oprócz czynników merytorycznych (wynikajcych z parametrów analitycznych metody) powinny by uwzgldniane: koszt aparatury; koszt utrzymania aparatury i niezbdnego do pracy wyposaenia dodatkowego (materiały, odczynniki, czci zamienne, wzorce); złoono postpowania analitycznego; wymagania od obsługi zrcznoci technicznej i manualnej. 3

4 ROZWÓJ INSTRUMENTÓW POMIAROWYCH NA PRZYKŁADZIE WOLTAMPEROMETRII Polarograf Shibaty-Heyrowskiego lata 20-te XX wieku Polarograf zmiennopr dowy firmy Yokogawa - lata 50-te XX wieku. Polarografy zmiennopr dowy i stałopr dowy Univector produkcji Cambridge Instruments - lata 40-te XX wieku. Polarograf fali prostok tnej firmy Mervyn-Harwell lata 60te XX wieku Polarograf impulsowy prod. ZUT Telpod przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Lata 70-te XX wieku 4

5 Analizator elektrochemiczny produkcji f-my MTM przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Analizator elektrochemiczny z elektrod CGMDE produkcji fmy MTM-ANKO przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Lata 90-te XX wieku Przełom XX i XXI wieku Analizator elektrochemiczny produkcji f-my MTM-ANKO przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH DETEKTOR PRZETWORNIK WEJ CIA MODYFIKACJA SYGNAŁU ODCZYT Odbiorca Proces fizykochemiczny SCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU POMIAROWEGO 2010 r. DETEKTOR PRZETWORNIK WEJ CIA MODYFIKACJA SYGNAŁU ODCZYT Odbiorca Proces fizykochemiczny SCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU POMIAROWEGO Detektor urz dzenie za pomoc którego fizyczne lub chemiczne wła ciwo ci substancji przekształcane s na sygnał analityczny. [Słownik chemii analitycznej, WNT 1984] Detektor np. fotometryczny, konduktometryczny; Przetwornik wej cia np. przetwornik pr d napi cie, wtórnik napi ciowy; Modyfikacja sygnału np. wzmocnienie, logarytmowanie, przetwarzanie A/C; Odczyt np. wy wietlacz ciekłoktystaliczny, rejestrator XY, komputer. 5

6 DETEKTOR KONDUKTOMETRYCZNY A S = κ = kκ l A k = l k stała detektora konduktometrycznego DETEKTOR KONDUKTOMETRYCZNY Schemat zastpczy detekora konduktometrycznego DETEKTORY PROMIENIOWANIA fotokomórki próniowe fotopowielacze przyrzdy półprzewodnikowe fotoogniwa fotodiody fotooporniki FOTOKOMÓRKI PRÓNIOWE FOTOKOMÓRKI PRÓNIOWE Efekt fotoelektryczny zewntrzny fotony wybijaj z materiału katody elektrony dajce prd proporcjonalny do natenia padajcego promieniowania. 6

7 FOTOPOWIELACZ FOTOPOWIELACZ Fotony padajc na katod wybijaj z niej elektrony w wyniku zjawiska fotoelektrycznego zewntrznego. Elektrony przyspieszane s w polu elektrycznym, uderzajc o kolejne dynody wybijaj z nich elektrony wtórne, powodujce znaczne wzmocnienie prdu. Dynody zasilane s stopniowo zwikszajcym si napiciem dodatnim. FOTOPOWIELACZ KANAŁOWY FOTOOGNIWO I FOTODIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA FOTODIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA FOTOOGNIWO 7

8 FOTOOPORNIK CHARAKTERYSTYKA DETEKTORÓW PROMIENIOWANIA I UKŁAD POMIAROWY Rezystancja materiału półprzewodnikowego maleje ze wzrostem natenia owietlenia. U = wy RI we CZUJNIKI (SENSORY) DETEKTOR PRZETWORNIK WEJCIA + MEMBRANA SELEKTYWNA CZUJNIK Sensor chemiczny małe urzdzenie które moe by uyte do bezporedniego pomiary analitu w matrycy próbki. [J.Wang, Analtical Electrochemistry, VCH 1994] Sensor chemiczny jest urzdzeniem przetwarzajcym informacje chemiczne w sygnał uyteczny analitycznie. [definicja IUPAC] Sensor chemiczny = Czujnik chemiczny AMPEROMETRYCZNY SENSOR GLUKOZY I TLENU BUDOWA SENSORA 8

9 Z punktu widzenia receptora mona czujniki podzieli na: - chemiczne (sensory chemiczne): działanie receptora opiera si na reakcjach chemicznych (zobojtniania, kompleksowania, redoks) zastosowanych do rozpoznania jonów bd czsteczek, lub na rozpoznaniu ich na podstawie wielkoci lub kształtu; - biologiczne (biosensory): zawdziczaj swoje działanie receptorowi biologicznemu, którym najczciej s enzymy (w postaci izolowanej lub zawarte w tkankach czy mikroorganizmach), membrany biologiczne oraz ciała i antyciała stanowice elementy układu odpornociowego organizmu (immunosensory). Najczciej stosowany podział czujników opiera si na przetworniku wejcia (transducer), który jest elementem detekcyjnym (np. fotodiod, kryształem piezoelektrycznym itp.). Element ten przetwarza wielko fizyczn lub fizykochemiczn powstajc w receptorze na sygnał elektryczny. Czujniki amperometryczne i woltamperometryczne Czujniki elektrochemiczne: przetwarzaj efekt elektrochemicznego oddziaływania pomidzy analitem a receptorem na sygnał elektryczny. Ze wzgldu na rodzaj oddziaływania elektrochemicznego czujniki te dzielimy dalej na kilka rodzajów: Czujniki konduktometryczne Czujniki potencjometryczne Czujniki amperometryczne i woltamperometryczne Czujniki pojemnociowe Pomiar prdu czujnik polaryzowany jest napiciem z zewntrznego ródła wzgldem elektrody odniesienia (która moe by wbudowana do czujnika) Amperometryczny czujnik tlenu (elektroda Clarka) Czujniki optyczne: przetwornik wejcia transformuje zmiany właciwoci optycznych receptora wystpujce na skutek jego oddziaływa z analitem, na sygnał elektryczny. Wykorzystywane tu właciwoci optyczne to absorbancja, reflaktancja, luminescencja (fluorescencja lub fosforescencja), rozpraszanie wiatła, współczynnik załamania wiatła a take kt skrcenia płaszczyzny polaryzacji. Czujniki masowe: przetwarzaj zmiany masy powodowane akumulacj analitu na powierzchni receptora na sygnał elektryczny (czstotliwo). W grupie tej wystpuj czujniki piezoelektryczne (np. oparte na mikrowadze kwarcowej) lub wykorzystujce powierzchniow fal akustyczn. Charakterystyka sensora: Specyficzno w rzeczywistoci sensory s raczej selektywne ni specyficzne i ich odpowied (R) moe by opisana: R = S C + a + K C i i i j i j j Czuło (nachylenie funkcji pomiarowej S i) powinna by jak najwiksza aby umoliwi detekcj jak najmniejszych zmian stenia analitu. Czas odpowiedzi (moliwie krótki). Trwało (co najmniej kilka miesicy). Mały rozmiar i moliwo zastosowania nowych technologii produkcji. 9

10 CZAS ODPOWIEDZI CZUJNIKA 10