Andrzej Hantz Centrum Metrologii im. Zdzisława Rrauszera - RADWAG Wagi Elektroniczne Minimalizacja procesu parowania przy wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną poprzez zastosowanie kurtyny parowej.. Wstęp Artykuł przedstawia wyniki badań i rozwiązanie w zakresie minimalizacji procesu parowania cieczy podczas wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną wg wymagań normy ISO 8655-6. Jednym z podstawowym czynników zakłócających proces wzorcowania pipet tokowych jest parowanie używanej do tego procesu wody destylowanej. Parowanie cieczy podczas ważenia zazwyczaj minimalizowane jest poprzez stosowanie odpowiednich naczyń wagowych z przykrywką. W procesie ważenia cieczy wydalanej przez pipetę przy je wzorcowaniu bardzo istotnym elementem jest czas wykonywania poszczególnych serii pomiarów. Aby zminimalizować proces parowania cieczy oraz przyspieszyć proces wzorcowania zastosowano specjalną przystawkę do wagi nazwaną kurtyna parową. Referat przedstawia wyniki pomiarów prowadzonych przez Laboratorium Pomiarowe RADWAG przy zastosowaniu kurtyny parowej. Pomiary objętości realizowany jest przy użyciu jednostki miary objętości metr sześcienny [m 3 ], która jest jednostka pochodną wyrażoną najprościej za pomocą iloczynu długości, szerokości i wysokości obiektu mierzonego. W pomiarach chemicznych (na przykład w analizie miareczkowej) bardzo istotne znaczenie ma dokładne odmierzanie objętości cieczy, które przeprowadza się za pomocą różnych naczyń miarowych. Rozwój nauki pociąga również za sobą rozwój w dziedzinie metrologii wszelkich wielkości. Możemy cały czas obserwować coraz doskonalsze i coraz dokładniejsze przyrządy pomiarowe. Nie inaczej jest w technikach odmierzania cieczy za pomocą pipet, technikach popularnie nazywanych liquid handling. Dzisiaj mamy do dyspozycji nowoczesne pipety tłokowe, które dozują objętości już na poziomie dziesiątych części mikrolitra [µl]. Obecnie międzynarodowym standardem dla pipet tłokowych (oraz innych przyrządów tłokowych) jest seria międzynarodowych norm ISO 8655:003 Tłokowe naczynia do pomiaru objętości. Normy zawierają wymagania konstrukcyjne, które są istotne dla producentów pipet, błędy graniczne dopuszczalne oraz w części 6 grawimetryczną metodę wzorcowania. Grawimetryczna metoda pomiaru Do wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną niezbędne jest odpowiednie wyposażenie pomiarowe, których wymagania metrologiczne są określone w normie ISO 8655-6. Waga analityczna Podstawowym przyrządem pomiarowym jest odpowiednio dobrana waga analityczna. Norma ISO 8655-6 określa dokładne wymagania dotyczące stosowanych wag w zależności od objętości wzorcowanej pipety: Badana objętość Działka elementarna d Powtarzalność Standardowa niepewność pomiaru i liniowość V mg mg mg ul V < 0ul 0,00 0,00 0,00 0 ul < V < 00 ul 0,0 0,0 0,0 00 ul < V < 000 ul 0, 0, 0, ml < V < 0 ml 0, 0, 0, 0 ml< V < 00 ml Tabela Minimalne wymagania dla wag (wg ISO 8655-6) Warunki środowiskowe przy kalibracji pipet Według wymagań normy temperatura powietrza powinna być utrzymywana na stałym poziomie nie przekraczającym odchyleń podczas wykonywania pomiarów ± 0,5 C w zakresie od 5 C do 30 C, natomiast wilgotność względna powinna być utrzymywana na poziomie około 50%. Obiekt wzorcowania oraz woda destylowana powinny być poddane procesowi stabilizacji temperaturowej bezpośrednio w laboratorium minimum godziny tak, aby temperatura pipety i wody destylowanej zrównała się z temperaturą panującą w laboratorium. Parowanie Parowanie jest naturalnym zjawiskiem fizycznym. Norma ISO 8655-6 wymaga, aby proces parowania uwzględniać w obliczeniach oraz aby zmniejszać ryzyko wystąpienia ewentualnych błędów pomiarów. Dla objętości poniżej 50 µl norma wyraźnie wymaga stosowania naczynia wagowego z przykryciem lub innych metod kompensujących niekorzystne zjawisko.
. Zastosowanie kurtyny parowej w wagach elektronicznych Budowę i zasadę działania kurtyny parowej przedstawiono na rysunku poniżej Rys. Budowa i zasada działania kurtyny parowej Kurtyna parowa umieszczana jest w komorze wagowej mikro lub analitycznej wagi elektronicznej. W części górnej znajduje się specjalne naczynie kurtyny parowej, zamknięte od góry przykrywką. Woda parując tworzy w komorze wagowej wilgotność względną około 90%. W środku naczynia znajduje się otwór przez który na szalce wagi umieszczone jest naczynko kalibracyjne, do którego wydalana a następnie ważona woda. Zgodnie z Tabelą przygotowano odpowiednie wagi do realizacji procedury: Mikrowaga elektroniczna MYA.3Y.P do kalibracji pipet Producent: RADWAG Max g, d = 0,0 mg, Powtarzalność: 0,00 mg Czas stabilizacji: 5 s Naczyńko: Ø = 4,6 mm, V ml Waga analityczna elektroniczna XA 8/0.3Y z przystawką do sprawdzania pipet Producent: RADWAG Max 8 g/0 g, d = 0,0 mg/0, mg, Powtarzalność: 0,0 mg/0,08 mg Czas stabilizacji: 5 s Naczynia: Ø = 4,5 mm, V 00 ml Określenie czasu stabilizacji wilgotności w komorze wagowej Istotnym elementem, który ma zasadniczy wpływ na rozpoczęcie procedury pomiarowej jest stabilizacja wilgotności w komorze wagowej przy wypełnionym naczyniu kurtyny parowej. Pomiary przeprowadzono przy zastosowaniu wagi analitycznej MYA.3Y.P z naczyniem kurtyny parowej, termohigrometru oraz stopera. Sondę higrometru umieszczono w komorze wagowej, tak jak przedstawiono na zdjęciu. W wyniku przeprowadzonych pomiarów wilgotności w komorze wagowej został wyznaczony czas stabilizacji wilgotności.
50 90 humidity [%] t t czas stabilizacji wilgotności t 4 55 time [min] Rys. Wykres zmian wilgotności w komorze wagowej w ciągu upływu czasu dla wagi MYA.3Y.P Na rysunku przedstawiono wykres zmian wilgotności w komorze wagowej podczas upływającego czasu. Dla potrzeb analizy wykresu wprowadzono oznaczenia: t czas [min], w którym napełniono naczynie kurtyny parowej t czas [min], w którym zaobserwowano stabilizację wilgotności t okres czasu stabilizacji wilgotności w komorze wagowej t = t t [min] () Wykonane badanie pozwoliło wyznaczyć z równania () czas stabilizacji t, który wynosi około 50 minut. Wpływ działania kurtyny parowej na szybkość parowania cieczy w czasie w zależności od powierzchni parowania Przeprowadzono pomiary masy w odcinkach czasu t = 0 sekund. Badanie polegało na umieszczaniu w komorze wagowej poszczególnych naczyń z woda destylowaną (małego Ø 4,5mm dla wagi MYA.3Y.P oraz większego Ø,5mm dla wagi XA 8/0.3Y). Dokonywano odczytu wartości masy wody w odcinkach czasu równych 0 sekund. Pomiar wykonywano przez około 600 sekund (0 minut) dla każdego naczynka. Wyniki pomiarów przedstawiono w Tabeli oraz na wykresach. Średnica naczynia Średnica naczynia Ø 4,5mm Ø,5mm Z kurtyna parową Bez kurtyny parowej Z kurtyna parową Bez kurtyny parowej m/t 0,003mg / 0,05mg / 0,54mg /,87mg / 0 min. 0 min. 0 min.. 0 min. Tabela Wyniki zmiany masy w czasie w wyniku parowania cieczy z zastosowanym naczyniem kurtyny parowej Rys. 3 Wpływ kurtyny parowej na parowanie: a) waga MYA.3Y.P, b) waga XA8/0.3Y Z wykresów można odczytać, że zastosowane naczynia w obu przypadkach wyeliminowało lub wyhamowało efekt parowania praktycznie całkowicie. Długotrwałe pomiary, w dłuższym czasie wykazały występowanie efektu parowania, jednak dla potrzeb realizacji procedury kalibracji pipet odcinki czasu są krótkie. 3
Analizując prędkości parowania dla poszczególnych wag w jednostce µg/mm s, wyniki przedstawiają się następująco: Waga Prędkość parowania w jednostce [mg/pp 600s] Prędkość parowania w jednostce [µg/mm s] MYA.3Y.P z kurtyną 0,003 0,00003 XA 60/0/X bez kurtyny z kurtyną bez kurtyny 0,05 0,0005 0,54 0,006,87 0,004 Tabela 3 Szybkość parowania dla poszczególnych wag. Wyniki badań pozwoliły określić wpływ kurtyny parowej na zahamowanie zjawiska parowania. Przeprowadzone wcześniej badanie wykazało, że kurtyna parowa powoduje zwiększenie wilgotności w komorze wagowej. Z powszechnych praw fizyki wiadomo, że szybkość procesu parowania zależy między innymi od wilgotności środowiska, w którym proces zachodzi. Wykonane obliczenia pozwoliły określić, o ile proces został zahamowany. Te wyniki pozwalają na określenie optymalnego czasu wykonania cyklu pomiarów dla jednej badanej objętości pipety. Wpływ zastosowania kurtyny parowej na wyniki pomiarów przy sprawdzaniu pipet Badanie miało na celu określenie wpływu parowania na błąd graniczny dopuszczalny pipety tłokowej określony dla poszczególnych objętości w międzynarodowej normie ISO 8655-. Badaniu poddano objętości: ul, 0ul, 00ul oraz 000ul. Wyznaczono dla każdej objętości po 0 średnich objętości z 0-ciu serii pomiarów, przy zastosowaniu wagi MYA.3Y.P. Wyniki pomiarów, wartości błędów granicznych dopuszczalnych wg ISO 8655- oraz błędów granicznych określonych przez producenta przedstawia Tabela 4. Lp. Badana objętość ul Badana objętość 0ul Objętość Błąd dopuszczalny Objętość Błąd dopuszczalny [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul],95,97,96,98 9,73 9,76 9,86 9,85 3,97,97 9,76 9,84 4,95,99 9,73 9,85 5,97,98 9,76 9,86 6,96,97 0,04 0,04 9,76 9,85 7,98,99 9,79 9,85 8,96,98 9,73 9,86 9,97,97 9,79 9,85 0,95,98 9,74 9,87 średnia,96,98 9,78 9,85 Lp. 0, 0,06 Badana objętość 00ul Badana objętość 000ul Objętość Błąd dopuszczalny Objętość Błąd dopuszczalny [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] 98,9 99,4 99, 98,7 999,3 999,3 999,9 999,8 3 99,5 99,3 999, 999,8 4 99,3 98,7 999,3 000, 5 99,3 99,5 999, 000,0 6 99,5 99,8 0,3 0,5 999, 000, 7 99,4 99,6 999, 999,8 8 99,5 99,6 999,4 999,8 9 99,3 99, 999, 999,9 0 99,3 99,3 999,3 999,9 średnia 99,9 99,34 999,4 999,9 Tabela 4 Wyniki pomiarów objętości z zastosowaniem kurtyny parowej i bez kurtyny parowej. 3,0,5 Z analizy wyników pomiarów oraz wartości błędów granicznych dopuszczalnych wynika, że: w przypadku objętości ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,0ul przy dopuszczalnym 0,04ul co stanowi 50% błędu wg normy oraz wg specyfikacji producenta w przypadku objętości 0ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,3ul przy dopuszczalnym 0,ul co stanowi 35% błędu wg normy oraz 7% wg specyfikacji w przypadku objętości 00ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,05ul przy dopuszczalnym 0,3ul co stanowi 7% błędu wg normy oraz 33% wg specyfikacji w przypadku objętości 000ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,67ul przy dopuszczalnym 3,0ul co stanowi % błędu wg normy oraz 45% wg specyfikacji producenta. 4
Podobne badanie przeprowadzono przy zastosowaniu przystawki do wagi XA 8/0.3Y. Badanie polegało na określeniu działania dodatkowego zestawu do sprawozdania pipet przeznaczonego dla wag s analitycznych produkcji RADWAG. Zestaw składa się z dodatkowej komory ochronnej wyposażonej w naczynie kurtyny parowej, która umieszczana jest wewnątrz szafki przeciw podmuchowej (komory ważącej) wagi analitycznej. Została zasadniczo zaprojektowany w celu minimalizowania zjawiska parowania podczas ważenia cieczy, przykrycie komory z otworem dozującym naczynie kurtyny parowej komora ochronna naczynie wagowe specjalna szalka wagi Rys. 4 Zestaw przystawka do wag analitycznych produkcji RADWAG do wzorcowania i sprawdzania pipet XA/X Wyniki sprawdzenia pipety przed i po zastosowaniu zestawu do sprawdzania pipet Lp. Badana objętość 0ul Badana objętość 00ul Objętość Błąd dopuszczalny Objętość Błąd dopuszczalny [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] [ul] 9,63 9,66 9,83 9,75 98,5 99,4 99,6 98,7 3 9,66 9,8 99,3 99,6 4 9,63 9,78 99, 98,7 5 9,66 9,76 99, 99,5 6 9,66 9,74 0, 0,06 99, 99,7 7 9,69 9,8 99, 99,5 8 9,63 9,78 99, 99,6 9 9,69 9,73 99,3 99,5 0 9,64 9,79 99,3 99,6 średnia 9,67 9,78 99,7 99,40 Tabela 5 Wyniki pomiarów objętości z zastosowaniem przystawki do sprawdzania pipet 5 0,3 0,5 Z analizy wyników pomiarów oraz wartości błędów granicznych dopuszczalnych wynika, że: w przypadku objętości 0ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,3ul przy dopuszczalnym 0,ul co stanowi 55% błędu wg normy oraz 83% wg specyfikacji w przypadku objętości 00ul udział błędu wskazania pipety spowodowanego odparowaniem wody destylowanej podczas wykonywania pomiaru wynosi 0,05ul przy dopuszczalnym 0,3ul co stanowi 77% błędu wg normy oraz 53% wg specyfikacji Według normy ISO 8655 błędy pomiaru spowodowane parowaniem wody destylowanej powinny być uwzględniane. Dlatego dla niewielkich pojemności, poniżej 50ul zaleca się stosowanie naczyń wagowych z przykrywką lub dodatkowa aplikacja wagi jaką jest kurtyna parowa /evaporation trap/. Słuszność wymagań normy potwierdzają powyższe badania. Oprócz odpowiedniego naczynia lub dodatkowego urządzenia jak kurtyna parowa dużą rolę odgrywa również czas wykonania pomiaru. Ważne jest, aby cykl pomiaru był jak najkrótszy. Zalecane jest, aby pełny cykl zbadania jednej objętości pobrania i wydalenia cieczy był regularny. WNIOSKI Zastosowanie naczynia kurtyny parowej znacząco wpływa na minimalizowanie procesu parowania cieczy podczas wzorcowania pipet tłokowych metodą grawimetryczną, przy jednoczesnym przyspieszeniu procesu ważenia. Przyspieszenie całego procesu pozwala na skrócenie czasu wykonania całej wymaganej normą serii 0-ciu pomiarów badanej objętości. Parowanie cieczy podczas pomiarów przy wzorcowaniu pipet tłokowych metodą grawimetryczną jest jednym z czynników negatywnych, wpływających na wynik pomiarów. Należy pamiętać o pozostałych czynnikach takich jak: nieodpowiednio zastosowanej wadze, nieodpowiednim naczyniu wagowym, parowaniu cieczy podczas ważenia, nieodpowiednich warunkach środowiskowych w pokoju wagowym lub braku ich ciągłego monitorowania, nieodpowiednim stanowisku pomiarowym (wpływ wibracji i podmuchów powietrza), nieodpowiedniej cieczy stosowana do kalibracji, błędach rachunkowych podczas wykonywania obliczeń,
źle dobranych końcówkach pipety (inne niż zalecane przez producenta), nieodpowiednich warunkach fizjologicznych operatora (np. zbyt niska lub wysoka temperatura ciała operatora podczas wykonywania pomiarów), nieergonomicznym stanowisku pracy. Przedstawiona w referacie aplikacja została zastosowana w waga produkcji RADWAG Literatura [] Norma PN-EN ISO 8655-:003 Tłokowe naczynia do pomiaru objętości Część : Terminologia, ogólne wymagania i zalecenia użytkowania; [] Norma PN-EN ISO 8655-:003 Tłokowe naczynia do pomiaru objętości Część : Pipety tłokowe; [3] Norma PN-EN ISO 8655-6:003 Tłokowe naczynia do pomiaru objętości Część 6: Grawimetryczne metody określania błędu pomiaru; [4] ISO/TR 046 Determination of uncertainty for volume measurements made using the gravimetric method edition 000..0; [5] Bulska E.: Metrologia chemiczna. Wydawnictwo Malamut, Warszawa, 008; [6] PKN-ISO/IEC Guide 99:00 Międzynarodowy słownik metrologii. Pojęcia podstawowe i ogólne oraz terminy z nimi związane (VIM); [7] Norma PN-EN ISO/IEC 705:005 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących; [8] Norma PN-EN 4550:999: Zagadnienia metrologiczne wag nieautomatycznych. 6