khimie.ru

Становление каждого метода анализа сопровождается конструированием соответствующих приборов. Иногда даже трудно определить, «где курица, а где яйцо», — настолько неразрывно рождение метода связано с созданием приборов. Речь идет не только об измерительных приборах, хотя они, безусловно, являются самыми важными. Нужны и другие — для пробоотбора, разложения пробы, разделения и концентрирования ее компонентов, а также вспомогательные приборы, например дуговые и искровые генераторы в атомно-эмиссионном анализе.

Для обеспечения химического анализа в XX в. сложилась особая отрасль промышленности и инженерной науки — аналитическое приборостроение. Его история неразрывно связана с историей аналитической химии, а потому должна быть отражена в этой книге. Появление и совершенствование технических средств, применяемых в отдельных методах анализа, мы рассматривали одновременно с историей самих методов. Однако в развитии аналитического приборостроения есть вехи, которые существенны для многих методов анализа и имеют общее значение. Это появление первых электронных приборов, создание полупроводниковой микроэлектроники, использование лазеров, распространение компьютеров и начало выпуска полностью «компьютеризированных» аналитических приборов. Немалое значение имело и создание новых способов измерения и преобразования сигналов, особенно хемометрических алгоритмов. Их разработка тоже вела к появлению приборов нового типа, например фурье-спектрометров.

Первыми аналитическими измерительными приборами были весы, известные с глубокой древности, а также, может быть, ареометр, изобретенный в античные времена. В XIX в. немалые достижения связаны с оптическими приборами; были разработаны компараторы, колориметры, спектроскопы и спектрографы. В первые десятилетия XX в. быстро развивались новые аналитические методы и соответствующие им технические средства. Появились первые масс-спектрометры (1910—1920-е гг.), полярографы (1920 — 1930 е гг.), рН-метры (1930-е гг.), УФ- и ИК-спектрометры (1940 е гг.), приборы для радиометрических измерений, для рентгеновской спектроскопии и многие другие. В послевоенные годы процесс создания приборов получил новое развитие. В это время начался массовый выпуск автоматизированных приборов, в частности газоанализаторов. Автоматизация коснулась даже классических методов анализа (титраторы, электронные весы, дериватографы). Дальнейшие этапы автоматизации связаны с использованием микропроцессоров и компьютеров.

Развитие электроники привело к появлению приборов нового типа или радикальным образом изменило возможности известных приборов. Регистрация и усиление аналитического сигнала вначале осуществлялись с помощью аналоговых схем, ключевым элементом которых были электронные лампы. Первое использование электронной техники в аналитическом приборостроении некоторые авторы датируют 1930 г., когда в Массачусетском технологическом институте (США) А. Херди разработал регистрирующий ламповый спектрофотометр. Производство этих приборов затем освоила фирма «Gеnеrа1 Е1есtriс». В 1940-1941 гг. были выпущены снабженные электронными устройствами (на лампах, конечно) два новых спектрофотометра. Один из них — широко известный спектрофотометр Бекмана, охватывающий УФ область. Этот прибор распространялся по всему миру под маркой 011 и послужил прототипом для аналогичных приборов фирмы «А. Hulger», а также для отечественного прибора СФ-4, который выпускало Ленинградское оптико-механическое объединение (ЛОМО). Ламповые приборы для электрохимических методов появились в середине 1930-х гг. Первым, очевидно, был рН-метр Бекмана (1935), оказавшийся очень удачным. Большое значение для аналитического приборостроения — с точки зрения эффективного использования электронной техники — имела деятельность Р. X. Мюллера в США. который в 1942 г. выпустил учебник «Ехреrimental Е1есtronics».

Второй этап внедрения электроники в аналитическое приборостроение начинается примерно в 1960 г., когда стали получать распространение полупроводниковые приборы. Твердофазные элементы, конечно, во всех отношениях эффективнее вакуумных ламповых устройств; как минимум, они потребляли меньше энергии и были намного компактнее. Замена ламп на транзисторы вначале даже не требовала создания новых схем. Потом, разумеется, стали создавать и принципиально иные схемы.

Постепенно происходило разделение аналитических приборовна две большие группы. Приборы первой группы предназначали для определения одного вещества в более или менее однотипных объектах. Например, специализированные титраторы для определения воды по методу Фишера или устройства для определения какого-либо одного газа в смеси. Впоследствии такие приборы стали называть анализаторами, по крайней мере в СССР. Приборы второй группы задумывались как универсальные, пригодные для определения множества компонентов в объектах разного типа, примером могут быть спектрофотометры. Электронные устройства использовали в приборах обеих групп, и в анализаторах они были порой сложнее.

Развитие инструментальной базы химического анализа должно было обеспечить обработку аналитического сигнала в ходе его регистрации и после нее. Речь идет о самых разных процедурах, осуществляемых для увеличения выхода практически важной информации. Это могут быть сглаживание, свертка, усиление сигнала повышение отношения сигнал/шум и вообще улучшение сигнала в соответствии с решаемой задачей. Например, вместо кривой титрования можно регистрировать ее первую производную, это позволяет точнее определить положение точки эквивалентности. Аналогичные процедуры возможны и целесообразны при обработке вольтамперных или спектральных кривых. По мере развитая математических алгоритмов и технических средств подобные преобразования стали осуществляться в автоматическом режиме. В частности, в полярографах и спектрофотометрах появились устройства для получения первой и второй производных. Сглаживание, отсеивание, усреднение результатов измерений основывались на алгоритмах математической статистики, но выполнялись с помощью относительно простых электронных схем, включавших емкости и сопротивления (аналоговый метод).

Широкое внедрение методов и устройств для обработки сигналов произошло после Второй мировой войны. Немалую роль сыграло рассекречивание достижений военного времени, использование их в гражданских целях. Так, устройства для выделения слабых сигналов на фоне многочисленных помех — достижение техники радиолокации. Приемы накопления слабых сигналов также были заимствованы из других областей, они позволили существенно увеличить чувствительность ряда аналитических методов, особенно спектроскопии ЯМР. Аналоговые системы совершенствовались: в 1956 г. появились операционные умножители, их стали использовать в контрольно-аналитических системах. Большое значение имела разработка систем модуляции сигнала, трансдьюсеров. В 1970-е гг. начался переход от аналоговых к цифровым системам, что полностью изменило приборную базу аналитической химии, обеспечивая компьютеризацию измерений. Однако переход к Цифровым приборам к началу XXI в. еще не завершился.

На второй Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2005) Л. Н. Москвин и один из авторов этой книги охарактеризовали ситуацию с аналитическими приборами следующим образом «Аналитическое приборостроение — своеобразный индикатор приборостроения технологического развития страны. В аналитическом приборостроении проходят первичную апробацию многие открытия не только в химии, но и в физике и технике. Можно вспомнить, что еще в «неторопливом» XIX в. разрыв между открытием А. Вольтой гальванического элемента (1800) и первым его аналитическим применением для откгц, мышьяка Фишером в 1812 г. составил всего 12 лет. В XX в. от открытий их практических приложений для решения задач аналитической химии временная дистанция еще сокращается. Между открытием в сравнительно недавнем прошлом лазеров и появлением спектральных приборов с лазерным возбуждением трудно вообще найти временной разрыв. Другим примером может быть появление микропроцессоров и включение их практически во все типы аналитических приборов от автотитраторов, реализующих классические методы титриметрии, до сложнейших спектральных комплексов, включающих базы данных для обработки результатов аналитических измерений. Единственным исключением в плане практической реализации научной идеи явилось открытие хроматографии. В этом случае от открытия метода до появления аналитического прибора — хроматографа прошло более пятидесяти лет. Тем не менее на уровне развития отдельных направлений хроматографии можно найти подтверждение общего правила. Так первые публикации по ионной хроматографии (1975—1978) появились практически одновременно с ионными хроматографами, созданными фирмой «Dionex».

Возможности быстрой адаптации достижений естественных наук в аналитическом приборостроении в значительной степени определяются технологической базой страны, в особенности состоянием точной механики и электроники, включая элементную базу последней. Кроме того, важнейшим фактором является наличие квалифицированных кадров инженеров-конструкторов и рабочих. Если с обозначенных позиций взглянуть на состояние аналитического приборостроения в Советском Союзе, приходится констатировать, что этот индикатор свидетельствовал о слабой конкурентоспособности нашего народного хозяйства. В то же время нельзя не отметить, что в СССР существовал дисбаланс между уровнем оригинальных научных идей (их всегда было много) и возможностями их практической реализации».