Opracowanie redakcja e-automatyka.pl 2012-08-07

Pipetiowanie za pomocą systemu Liquid Jandler: wygodnie, dokładnie i automatycznie.

Pipetiowanie za pomocą systemu Liquid Jandler: wygodnie, dokładnie i automatycznie.

Czy jesteśmy w stanie przeprowadzić miareczkowanie dużej ilości próbek bez konieczności ich ważenia, gdzie jedynym działaniem do wykonania jest dodanie próbek do zlewek umieszczonych na podajniku próbek, przy czym wszystkie pozostałe czynności wykona za nas automatyczny system pipetujący i miareczkujący? Czy takie rozwiązanie może zadziałać w praktyce? Przeczytaj jak to osiągnięto.

Pipetowanie czy ważenie?

Jest to kluczowa decyzja, którą wielu kierowników laboratoriów musi podjąć na etapie przygotowania próbek poddawanych badaniom w ramach prowadzonej analitycznej kontroli jakości. Odpowiedź jest oczywista w przypadku próbek stałych, natomiast w przypadku cieczy trudno jest podać jednoznaczną odpowiedź. W tym drugim przypadku pojawiają się dodatkowe pytania, a mianowice:

  • czy lepkość cieczy pozwala na pipetowanie?
  • czy dokładność pipetowania w odniesieniu do masy spełnia analityczne wymagania jakościowe, czy też ważenie daje lepsze wyniki?
  • którą z tych technik można łatwiej i bardziej ekonomicznie zautomatyzować?

Wizyta w laboratorium kontroli jakości działającego w firmie petrochemicznej pozwoli nam uzyskać wyczerpującą odpowiedź na te pytania.

W jaki sposób można odmierzać duże ilości próbek dokładnie, wiarygodnie i wydajnie?

W laboratorium w ciągu roku badanych jest około 115 tys. próbek zużytego oleju (oleje stosowane w okrętowych silnikach diesla), z czego 55 tys. próbek jest miareczkowanych w celu oznaczenia liczby kwasowej lub zasadowej. Personel laboratorium zwraca szczególną uwagę na wiarygodność wyników analiz, ponieważ jest to laboratorium kontraktowe. Przy tak dużej ilości analiz zastosowanie automatyzacji jest koniecznością. Kierownik laboratorium stanęła ostatnio przed koniecznością wybrania rozwiązania zwiększającego wydajność Laboratorium, które jednocześnie nie narażałoby wiarygodności wyników badań. Ważenie przy pomocy wagi analitycznej wydawało się dobrym rozwiązaniem ze względu na osiąganą dokładność. Z drugiej jednak strony występowały wątpliwości dotyczące praktyczności tego rozwiązania oraz prawdopodobieństwa popełniania błędów. Oprócz jednoznacznej identyfikacji próbki, do titratora musi być także przesłana masa próbki, co pomoże prowadzić do powstawania błędów, szczególnie wtedy, gdy praca jest wykonywana pod presją czasu. Ważenie próbki jest czynnością wykonywaną ręcznie, a zatem mogą tu występować błędy. Poza tym, ważenie tak dużej ilości próbek wydłuża znacząco czas badań.

Czynniki te zadecydowały o tym, że kierownik laboratorium zwróciła uwagę na rozwiązania alternatywne. Zastosowanie pipetowania wydawało się logiczne, ponieważ wszystkie próbki są cieczami. W tym przypadku dodatkowo należy spełnić następujące warunki:

  • pracownik laboratorium musi wprowadzić do zlewki jedynie przybliżoną ilość próbki. System pipetujący musi automatycznie pobrać ze zlewki wymaganą ilość próbki bez jakiegokolwiek udziału człowieka.
  • liczba kwasowa większości próbek olejów mieści się w zakresie od 0.05 do 1mg KOH/h, ale wartości z zakresu od 5 do 8 mg KOH/g również nie należą do rzadkości. Oznacza to, że system pipetujący musi posiadać zdolność dokładnego i precyzyjnego odmierzania optymalnej próbki.
  • lepkość próbek olejowych waha się od "wodnistej/swobodnie płynąćej" (15Cst w 40'C) do "podobnej do smoły/lepkiej" (1000Cst w 40'C). System pipetujący musi posiadać zdolność dostosowania się do konkretnych właściwości reologicznych próbek olejów poprzez dobór odpowiednich szybkości zasysania i dozowania.
  • liczba kwasowa próbki oleju jest obliczana w oparciu o masę próbki oraz zużycie titranta do punktu końcowego miareczkowania zasadą. Aby obliczyć masę próbki, odpipetowaną objętość próbki należy pomnożyć przez gęstość każdej próbki oleju. Okazuje się, że próbki oleju posiadają zbliżoną gęstość. Oznacza to, że w przypadku wszystkich próbek można posłuzyć się stałą wartością 0.89 g/cm3. Wyjątkiem są tu próbki zużytych olejów o liczbach kwasowych poniżej 0.1 mg KOH/g. Nie ma możliwości pipetowania takich olejów, tak więc w takich przypadkach pozostaje klasyczna technika ważenia.
  • musi istnieć możliwość wiarygodnego automatycznego zmiareczkowania od 60 do 80 próbek dziennie w trybie bezobsługowym. Całkowity czas analizy jednej próbki nie powinien być dłuższy niż 6 minut.

Ze względu na różnorodność próbek przedstawione powyżej wymagania są dla systemu automatycznego powaznym wyzwaniem, zarówno z punktu widzenia przygotowania próbki jak i w odniesieniu do samego procesu miareczkowania.
Rozwiązanie: połączenie systemu dozująco-pipetującego z zasobnikiem próbek.

W odpowiedzi na wymagania kierownika laboratorium zaproponowano automatyczny system miareczkujący składający się z następujących elementów:

  • pipetowanie: system dozująco-pipetujący,
  • podajnik próbek: zasobnik próbek direct 80,
  • titrator: titrator T90 Excellence,
  • obróbka danych: oprogramowanie LabX pro titration.

Podajnik próbek

Miareczkowe oznaczanie liczby kwasowej jest wykonywane przy pomocy zasobnika próbek direct 80. Statyw na zasobniku próbek może pomieścić 80 naczyń miareczkowych. Cztery naczynia umieszcza się w pozycjach specjalnych. Zlewki znajdujące się w trzech pozycjach zawierają roztwory kondycjonujące o wzrastającej polarności (toulen - izopropanol - woda); pozycja czwarta (SR) jest przeznaczona do przygotowania i czyszczenia pipety i czujnika. Jest ona również wykorzystywana podczas miareczkowania.

Naczynie miareczkowe samo w sobie jest wykonanym ze szkła dziełem sztuki o specjalnej konstrukcji. Naczynie to jest wyposażone w specjalny system drenażowy mający połączenie z pompą perykrystaliczną SP250. Odpompowuje ona roztów próbki po zakończonym miareczkowaniu lub ciecz płuczącą do ścieków, nie pozostawiając przy tym żadnych resztek. Naczynie jest zatem czyste i gotowe do następnej analizy. Rozwiązanie to zapobiega występowaniu problemu wzajemnego zanieczyszczania się próbek (carryover).

Dla próbek olejowych przeznaczonych jest w sumie 75 naczyń. Naczynia te można przydzielić niezaleznym próbkom lub kilku seriom próbek, które zostaną zbadane zgodnie z wybraną metodą miareczkowania. Długi czujnik DGi113-CS został skonstruowany z myślą jego wykorzystania w miareczkowaniu zasadą w środowisku niewodnym, prowadzonym na zasobniku próbek direct 80 oraz podajniku Rondo 30. W przeciwieństwie do nieco podobnego do niego czujnika DGi113-SC, nie posiada on złącza masa-szkło, stąd można go bardzo prosto ustawiać i mocować na głowicy miareczkowej, korzystając ze standardowego adaptera.

Dokładny pomiar próbki

Podstawowa procedura przedstawia się następująco: pracownik laboratorium wprowadza do naczynia 15ml próbki oleju i umieszcza je w dowolnej pozycji na statywie próbek. Znajdująca się w naczyniu skala objetościowa daje pewność, że w naczyniu znajduje się wystarczająca ilość próbki umożliwiająca pobranie próbki analitycznej oraz, że odległość między próbką i wkładkami miareczkowymi (czujnik, mieszadło, rurki dozujące i drenażowe) jest wystarczająco duża. Jest to konieczne, ponieważ te wkładki są przymocowane do głowicy miareczkowej. Podczas pobierania próbki muszą one zostać zanurzone do zlewki. W zlewce zanurza się jedynie pipeta. Przy jej pomocy zasobnik próbek pobiera odpowiednią ilość próbki w taki sposób, aby nie nastąpiło jednocześnie zassanie pęcherzyków powietrza.

Pobrana ilość próbki wędruje następnie do znajdującego się w pozycji "SR" naczynia miareczkowego. Próbka jest rozpuszczana w znajdującym się tu rozpuszczalniku. Zastosowanie techniki pipetowania daje pewność, że próbka oleju znajduje się tylko w pipecie oraz rurce zasysającej. Unika się w ten sposób możliwego zanieczyszczenia biurety zainstalowanej na zasobniku przez próbkę oleju. Próba oleju jest zasysana przy pomocy rurki pełniącej funkcje pipety. Pipeta jest zamocowana na głowicy miareczkowej. Jest ona połączona rurką z zaworem 6-drożnym zasobnika próbek.

Wszechstronność i pipetowanie

Objętość próbki, którą należy odpipetować, jest zdefiniowana w metodzie w postaci formuły np. f*2. Współczynnik f jest specyficzny dla każdej próbki. Dzięki temu w edytorze serii próbek oprogramowania Sample Handler Manager sterującego pracą zasobnika można zdefiniować pipetowane objętości dla poszczególnych próbek odpowiednio do spodziewanych wartości liczb kwasowych, bez konieczności dokonywania zmian metody.

Im większa jest lepkość próbki, tym proces jej zasysania do pipety powinien być wolniejszy. System zapewnia możliwość ustawienia szybkości zasysania w zakresie od 1.5 mL/min do 150 mL/min. Oprócz tego, szczególnie w przypadku próbek o dużej lepkości, powinna istnieć możliwość odczekania po zakończeniu procesu zasysania próbki, aby do pipety wpłynęła cała jej wymagana ilość. Te dwa parametry można swobodnie obliczać w odniesieniu do poszczególnych próbek, korzystając ze współczynnika f.

Stosunkowo czasochłonny proces pipetowania można zoptymalizować w taki sposób, aby spełnić wymaganie wykonania analizy jednej próbki w ciagu 6 minut. Można tego dokonać, definiując odpowiednie funkcje obliczeniowe. Metoda ta zapewnia, że odpipetowana ilość próbki będzie odpowiednia w odniesieniu do spodziewanego wyniku liczby kwasowej.

Pipetowanie dokładne i powtarzalne

Dokładność dozowania i pipetowania osiągana przez zasobnik próbek jest doskonała. Wyniki wykonywanych pomiarów metrologicznych dowiodły, że system spełnia wymagania normy ISO 8655-3 w zakresie dokładności dozowania dla pipet tłokowych niezaleznie od pipetowanej objętości. Odmierzane objętości są zawsze dokłanie niezależne od tego czy dozowana lub pipetowana jest objętość 10, 20, 100, 1000 lub 50.000 uL.

Proces automatyczny

Przed miareczkowaniem odbywa się kalibracja czujnika DGi113-SCS przy pomocy buforów pH 4 i pH 11. następnie określana jest wartość ślepej dla mieszaniny rozpuszczalników na podstawie wyników trzykrotnego oznaczenia przez miareczkowanie 0.1M KOH w izopropanolu. Wartość ślepej jest przechowywana w ustawieniach titatora T90 Excellence jako wartość pomocnicza. Do oznaczania wartości ślepej oraz dla celów wykonania badania zasobnik próbek odmierza dokładnie 50 uL mieszaniny rozpuszczalników.

Po zakończonym procesie pipetowania system przystępuje do miareczkowania. Miareczkowanie jest prowadzone w szklanym naczyniu miareczkowym. po jego zakończeniu następuje odprowadzenie z naczynia mieszaniny poreakcyjnej do ścieków. Elementy systemu mające kontakt z próbką są czyszczone, natomiast czujnik jest zanurzany kolejno w trzech roztworach kondycjonujących i cykl badawczy dla kolejnej próbki zaczyna się od początku. Proces kalibracji czujnika, oznaczenia wartości ślepej oraz miareczkowania można zaprogramować w oprogramowaniu Sample Handler manager w postaci sekwencji serii próbek i może on przebiegać całkowicie automatycznie.

Działania zapewniające prawidłowy przebieg procesu badania serii próbek.

Skuteczne czyszczenie i usuwanie odpadów

Miareczkowanie jest prowadzone do punktu końcowego przy pH 11, następuje obliczenie wartości liczby kwasowej dla próbki po uwzględnieniu wartości ślepej dla mieszaniny rozpuszczalników. Roztwór pozostały po miareczkowaniu jest odprowadzany do ścieków. Czujnik i pozostałe elementy systemu miareczkowego są w sposób ciagły czyszczone mieszaniną rozpuszczalników przy pomocy systemu płuczącego PowerShower. Roztwór płuczący jest również odprowadzany do ścieków. Pozwala to skutecznie usunąć nawet bardzo kleiste resztki. nie występuje tu problem wzajemnego zanieczyszczania się próbek. Nie ma też kłopotów z nieprawidłowym działaniem czujnika mającym swoje źródło w zablokowanej diafragmie.

Ponieważ po każdym miareczkowaniu oraz cyklu czyszczenia mieszaniny rozpuszczalników jest wysyłana do zbiornika na odpady znajdującego się pod wyciągiem, statyw na próbki zasobnika pozostaje w staniu quasi "wolnym od rozpuszczalników". Unika się w ten sposób pojawiania się zanieczyszczeń w środowisku laboratorium. Zlewki zawierające próbki są w odpowiedni sposób utylizowane po pobraniu z nich porcji próbki do badań.

Czujnik

Po zakończonym miareczkowaniu czujnik jest poddawany przez pewien czas kondycjonowaniu z mieszaniem w mieszaninie rozpuszczalników znajdującej się w zlewce kondycjonującej C1, w izopropanolu C2 i na końcu w wodzie C3. Ten sposób kondycjonowania zwiększa skuteczność czyszczenia oraz zapewnia regenerację hydratowanej warstwy membrany czułej na obecność jonów wodorowych. Charakterystyki operacyjne czujnika są utrzymywane w ten sposób na stałym wysokim poziomie podczas analizy całej serii próbek, przyczyniając się do zwiększenia integralności wyników oraz wydłużenia okresu eksploatacji czujnika. Przed przystąpieniem do miareczkowania kolejnej próbki naczynie miareczkowe jest płukane mieszaniną rozpuszczalników w celu usunięcia resztek wody.

Ostrzeżenia

Warunkowe funkcje metody dostępne w titratorze T90 Excellence stwarzają dogodne warunki do niezawodnego i bezpiecznego przeprowadzenia analizy całej serii próbek. Proces może, na przykład, przerwać komunikat ostrzeżenia informujący uzytkownika, że roztwory kondycjonujące należy wymienić. pozwala to utrzymać jakość "zintegrowanej konserwacji czujnika".

Bezpieczne mocowanie wkładek

Przy tak dużej ilości próbek badanych w trybie bezobsługowym w tym laboratorium kontroli jakości zachodzi potrzeba utrzymania wysokiego poziomu bezpieczeństwa poszczególnych procesów. Rurka dozująca i drenażowa są przymocowane do pipety. Daje to pewność, że są one bezpiecznie skierowane do zlewek i nie nastąpi ich splątanie z napędem mieszadła lub czujnikiem - rozwiązanie proste i jednocześnie bardzo skuteczne.

Wnioski

Automatyczny system miareczkowania składający się z titratora T90 i zasobnika próbek spełnia wszystkie oczekiwania kierownika laboratorium. Duża wszechstronność i dokładność zasobnika próbek z głowicą miareczkującą pozwala mieć pełne zaufanie do systemu dozującego zastosowanego do nadania próbek oleju. Trwała konstrukcja systemu daje gwarancję jego bezproblemowej obsługi, nawet wtedy, gdy zachodzi konieczność badania dużej ilości próbek.Istnieje także możliwość miareczkowania próbek oleju, które ze względu na swoją wysoką lepkość muszą być odważane bezpośrednio do naczynia miareczkowego. Wszechstronność zasobnika próbek wynikająca z jego konstrukcji robi wrażenie.

Oprogramowanie LabX pozwala bezpiecznie zarządzać dużą ilością gromadzonych danych. Podczas rozbudowy elektronicznego systemu zarządzania danymi, która nastąpi w późniejszym terminie, oprogramowanie LabX zainstalowane na komputerze sterującym zasobnikiem próbek zostanie zintegrowane z systemem LIMS. Celem jest przygotowanie serii próbek w systemie LIMS i przesłanie wyników po zakończeniu badań bezpośrednio do tego systemu. System działa niezawodnie od chwili jego zainstalowania. Personel laboratoryjny chętnie pracuje z systeme, ponieważ jest on prosty w obsłudze. Można teraz odpowiedzieć na pytanie postawione na wstępie artykułu. Pipetowanie prowadzone na zasobniku próbek jest doskonałą alternatywą dla procesu ważenia!

Na podstawie: mt.com

Zapraszamy do skomentowania artykułu

Treść opini 
Popis 

Pozostałe artykuły z tej kategorii