Лабораторные роботы

Еще одно направление автоматизации процесса анализа — использование лабораторных роботов. Лабораторный робот представляет собой механический манипулятор, устроенный подобно человеческой руке. Он имеет несколько подвижных стержней, аналогичных пальцам, которые приводятся в движение при помощи системы двигателей и могут перемещаться в различных плоскостях. С помощью таких манипуляторов можно выполнять самые разнообразные механические действия с анализируемой пробой: взвешивание, диспергирование (разбавление), операции пробоподготовки, включая смешение с реагентами, управление измерительными приборами (рис. 7.14). Выполнение всей последовательности операций можно осуществлять программным путем.

Рис. 7.14. Лабораторный робот и его окружение.

Лабораторные роботы широко применяются при манипуляциях с токсичными веществами и пробами неизвестного состава. Так, в производственных лабораториях весь цикл анализа органических веществ методом ЯМР выполняют при помощи роботов с тем, чтобы оператор не вступал в непосредственный контакт с неизвестным веществом.

Химические сенсоры

Потребность в разработке химических датчиков (сенсоров) обусловлена многими причинами. Во-первых, сенсоры призваны хотя бы отчасти заменить собой выполнение длительных и трудоемких методик химических методов анализа. Характерным примером может служить тенденция к замене метода фотометрии пламени для определения калия, натрия, лития и кальция в крови на химические датчики на основе ионселективных электродов.

Во-вторых, использование сенсоров неразрывно связано с авто-матизацией производственных процессов. Для управления и контроля производства необходимо постоянное измерение множества химических параметров. Наилучшим средством таких измерений непосредственно в технологическом производственном потоке (раздел 7.3) являются химические сенсоры. Для использования на производстве к сенсорам предъявляется много требований. Они должны быть надежны в эксплуатации, иметь большой срок службы и быть устойчивы к воздействиям высоких и низких температур.

В таких областях, как водное хозяйство, охрана окружающей среды, служба техники безопасности, медицина, необходимо постоянное наблюдение и контроль (мониторинг) целого ряда химических параметров. Примерами самых простых задач такого рода могут служить непрерывный контроль величины рН и мутности питьевых или сточных вод. Для решения этих задач можно использовать стеклянный электрод и оптический сенсор. В ближайшее время, вероятно, возникнет острая необходимость в организации такого же непрерывного внелабораторного контроля за содержанием тяжелых металлов или органических веществ в водах. Соответствующие сенсоры должны не реагировать на индивидуальные вещества, а измерять суммарные параметры загрязненности.

В области охраны окружающей среды актуальной задачей является контроль за выбросами из дымовых труб, за содержанием оксидов азота и серы в атмосфере. Очень удобным средством такого контроля могут служить газовые сенсоры (оптические и микроэлектронные). Значительно труднее организовать непрерывный контроль загрязнений почвы или донных отложений. Для этого потребуются сенсоры, способные осуществлять дистанционный анализ твердых тел.

Для оценки общего уровня загрязненности нужны недорогие, выпускаемые массовыми партиями датчики, от которых требуется регистрация лишь суммарных (за определенный период времени) или максимальных (пиковых) показателей. Для горнодобывающей промышленности необходимы датчики на взрывоопасные газы, а для метеорологии — датчики влажности или содержания СО в атмосфере.

В медицине бывает необходимо непосредственно в ходе хирургической операции постоянно контролировать соотношение калия и натрия в отдельно взятой клетке организма, поскольку эта величина является одним из важнейших показателей общего состояния пациента. Роль подобных измерений in situ непрерывно возрастает. Химические сенсоры незаменимы и для контроля за концентрацией в организме лекарственных средств и продуктов их метаболизма, анестетиков. В перспективе подобные задачи призваны решать сенсоры нового поколения, не вводимые непосредственно в организм. Уже есть примеры использования такого рода сенсоров для определения глюкозы в крови на основании путем регистрации спектра ногтей в ближней ИК-области.

Требования к химическим сенсорам и основные принципы их действия

Официальное определение химического сенсора гласит:

Химический сенсор -- это измерительное устройство, обычно небольших размеров, способное непрерывно измерять концентрацию какого-либо компонента в потоке жидкости или газа и преобразовывать химическую информацию в электрический или оптический сигнал.

Сенсор состоит из химически чувствительного слоя («распознавателя» веществ), преобразователя исходной химической информации в электрический или оптический сигнал и устройства регистрации и вывода данных, интегрированного в корпус сенсора. Примером химического сенсора может служить ионселективный электрод. В нем химически чувствительным слоем является твердая или жидкая мембрана, а исходная химическая информация преобразуется в электрический сигнал — величину потенциала, которую можно измерить при помощи соответствующего измерительного прибора.

К химическим сенсорам предъявляется множество разнообразных требований. Часть из них является общими для любых методов анализа, часть — специфическими. Важнейшие из требований представлены в табл. 7.4.

Наличие такого множества различных требований означает, что не может быть единого принципа работы химического сенсора, пригодного для всех случаев. Обзор основных принципов действия химических сенсоров приведен в табл. 7.5. Некоторые из них мы уже обсуждали в главах, посвященных соответствующим методам анализа, поэтому здесь мы остановимся лишь на особенностях реализации этих принципов применительно к сенсорам. Новые принципы,

положенные в основу микроэлектронных и оптоволоконных сенсоров, мы рассмотрим подробнее.

Таблица 7.4. Основные характеристики химических сенсоров и требования, предъявляемые к ним.

Электрохимические и микроэлектронные сенсоры

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: