khimie.ru

История аналитических приборов — это в значительной степени история соответствующих методов анализа; за рождением идеи, принципа метода обычно следует и его аппаратурное оформление: сначала в виде макета, потом опытного образца, а затем серийного, продаваемого прибора. Однако аналитическая техника совершенствуется и в рамках известного метода причем иногда очень радикально. Сформировались некоторые общие тенденции таких изменений: минитиатюризация блочно-модульного принципа, автоматизация измерений, минитиатюризация, гибридизация (реализация разных методов в одной установке), создание приборов для внелабораторного анализа.

Многие приборы разного назначения имели сходные, а подчас и просто одинаковые узлы — усилители, насосы и т.д. Поэтому естественной была мысль собирать приборы по принципу детского конструктора, из отдельных унифицированных элементов. Причем не обязательно на заводе, можно и непосредственно в аналитической лаборатории. Четкую формулировку этой идеи и дальнейшую ее реализацию приписывают американцам Мальмштадт и Энке (конец 1950-х гг.). Сейчас блочно-модулъный принцип обще признан, по крайней мере при выпуске массовых приборов.

Важной тенденцией является автоматизация многократны измерений и других рутинных операций. Постепенно приборы стали выполнять такие операции, которые аналитики ранее осуществляли вручную. Уже простая запись изменений сигнала спомощью самописца или на экране катодно-лучевого осциллографа была большим шагом вперед. В 1920-е гг. появились самописцы, встроенные в регистрирующий прибор (полярограф Гейровского) или автономные, которые можно было использовать в сочетании с разными приборами. В 1930-е гг. появились автоматические титраторы (титрометры, титриметры, титрогра’фы)’. Электронные устройства позволили еще в 1951 г. создать опередивший свое время автоматизированный сканирующий спектрофотометр, позволявший снимать спектр в видимой области 60 раз в секунду и отображать результаты на катодно-лучевом осциллографическом экране («Аmеriсаn Орticа1 Со.»). Однако тогдашняя электроника была довольно плохой, прибор не обеспечивал нужной точности; надежные приборы того же типа появились лишь 20 лет спустя.

Для второй половины XX в. характерна гибридизация методов анализа и соответственно выпуск «гибридных» приборов. Здесь можно выделить несколько направлений. Первое — сочетание разделения смесей с количественным определением разделенных компонентов; это направление реализовано в виде хроматографов (практически для всех вариантов хроматографии), а также в виде приборов для капиллярного электрофореза. Второе — объединение в одном устройстве пробоподготовки и собственно определения; этот подход воплощен в приборах для проточно-инжекиио ного анализа. Третье — соединение в одном приборе (комбайне нескольких разных методов определения. Примером могут быть установки для анализа поверхности или приборы для кондуктометрических и потенциометрических измерений. Все три направления сложились в последней трети XX в.

Следующей тенденцией в развитии аналитического приборостроения, как и в развитии самого химического анализа, является миниатюризация. На протяжении столетий уменьшались навес нализируемых веществ, объемы исследуемых растворов и т. Еще в первой половине XIX в. Й. Я. Берцелиус и другие химики стали работать с навесками массой не более 1 г. Шагом в сторону миниатюризации был и перевод качественного химического анализа в небольшие пробирки. В начале XX в. были созданы микрокоды органического элементного анализа. В середине века разрабатывались ультрамикрометоды, осуществляемые на предметном столике микроскопа.

На наших глазах та же тенденция проявилась и по отношению аналитическим приборам. От громоздких напольных приборов (первые жидкостные хроматографы и ИК-спектрометры) мы перешли к более компактным настольным, и их сейчас абсолютное большинство. Некоторые приборы этого типа к тому же транспортабельны. Затем появились приборы второго поколения, которые можно назвать мини-приборами. Речь идет об анализаторах небольшого размера (до 15 см в длину), массы (до 1 кг) и стоимости (до 500 долл.). Это приборы для определения газов, растворенного в воде кислорода, а также рН-метры и другие приборы для анализа жидкостей.

С начала 90-х гг. XX в. целью стало создание аналитических приборов третьего поколения, которые можно именовать микроприборами. Имеются в виду измерительные приборы на микрочипах, размер которых составляет несколько квадратных сантиметров. Вначале становилась задача создать более или менее универсальные, многоцелевые приборы: для капиллярного электрофореза, хроматографии, проточно-инжекционного анализа. Правда, столкнувшись с трудностями в решении задач универсализации, исследователи обычно сужают предназначение создаваемых ими устройств, двигаясь в сторону решения отдельных проблем, особенно биологических и медицинских. Работа на этом уровне сулит ряд существенных выгод. Помимо очевидных достоинств мм приборов (меньший расход реактивов, электроэнергии, анализируемых веществ, площади и т.д.) переход к малым объемам обеспечивает ускорение химических взаимодействий. В качестве «мощных реакторов» можно использовать каналы глубиной порядка 50 мкм и такой же или несколько большей ширины. Направление, которое мы здесь обсуждаем, в мировой литературе фигурирует под разными названиями: μ-ТАS, Lab-оn-а-Сhiр, Мicrofluidic Sуstеms. Ему посвящается огромное число публикаций, много научных конференций, создан журнал «Lab-оn-а-Сhiр». Некоторые фирмы («Shimadzu», «Аgilent») уж_е выпускают приборы с микрочипами, преимущественно для капилярного электрофореза. Разрабатывают микрочиповые флюидные системы аналитического и биомедицинского назначения и российские организации.

Еще одной тенденцией в развитии аналитического приборостроения стало создание устройств для анализа вне лаборатории. Вероятно, первыми техническими средствами такого типа были полевые военные приборы для обнаружения отравляющих веществ. Прогресс в создании приборов для внелабораторного анализа, определялся, с одной стороны, быстрым ростом потребности, а с другой — техническими достижениями, которые позволяли создавать подобные приборы. Что касается потребностей, то они очевидны и довольно остры. Анализ автомобильных выхлопов, определение содержания азота, фосфора, калия в почве непосредственно в поле, определение глюкозы в крови диабетика в домашних условиях, проверка водителей на пары алкоголя в выдыхаемом воздухе, быстрая оценка характера и степени загрязненности водоема прямо на месте — таких задач существует множество. Решение подобных проблем определяется возможностью создавать мобильные лаборатории, портативные, в том числе переносные, приборы, простые в использовании, но селективные и высокочувствительные тест-средства. Достижения здесь очень существенны. Практически все они относя ся ко второй половине XX в. и к началу XXI в.