Хромотографиялық әдістер

15-дәрістің  тақырыбы: Хроматографиялық әдістер мен құрамды автоматты талдау құралдары. Жүйелі пайдаланудың өлшеу-есептеу (микропроцессорлы) құралдары

15.1 Хроматографиялық талдау әдістері

Хроматография – көпкомпонентті қоспалардың физикалық бөлу әдісі, ол кезде қоспаның компоненттері ажырату процесінде екі фазалар арасында таралады, біріншісі беті үлкен қозғалмайтын қабат, ал екіншісі – қозғалмайтын қабат арқылы фильтрацияланатын ағын болып табылады. Бұл кезде компоненттердің ажырауы олардың осы қабатпен әртүрлі сорбирленуіне байланысты қозғалмайтын қабат арқылы қозғалу жылдамдықтарының әртүрлігінің есебінен жүреді.

Хроматография әртүрлі  табиғи (металлдар, сұйықтар, газдар, биологиялық  орталар және т.б.) заттардың көпкомпонентті қоспаларын ажыратудың ең маңызды әдісі болып табылады. Бөлу әдісі сияқты хроматография технологиялық процестерде қолданылады. Оны пайдаланудың ең жетістігі көпкомпонентті қоспалардың құрамын талдау есебімен байланысты.

Қазіргі уақытта хроматографиялық бөлу әдісінің көптеген саны өңделіп шығарылған. Оларды пайдалану компоненттерді бөлудің әртүрлі құбылыстарын (адсорбция, ұшпайтын сұйықтарда еру, ерімейтін қосылыстардың химиялық реакциялар есебінен пайда болуы және т.б.) қолдану, қозғалатын және қозғалмайтын фазалардың агрегатты күйін және талданатын қоспаны қозғалмайтын мен қозғалатын фазаларға беру тәсілдерін пайдалану жолдарымен жүзеге асырылады.

Құрамды тікелей химия-технологиялық  процестерде автоматты талдау үшін қазіргі уақытта хроматографиялық талдауыштар пайдалануда, олар хроматографиялық талдаудың айқындауыш (элюентті) деп аталатын колоналы әдісті қолданады.

Автоматты газды хроматографиялық талдауыштар. Сурет 15.1-де автоматы газды хроматографтың функционалды схемасы көрсетілген, оның газтәріздес және сұйық көпкомпонентті қоспаларды олардың газды-адсорбциялы немесе газдысұйықты хроматографиялық айқындауыш әдіспен ажырату жолымен жүзеге асыра алатын мүмкіндігі бар. Автоматты газды хроматографаның басты блоктары: газдар мен талданатын заттарды даярлау блогы1, аналитикалық құрылғы 5, детектордың сигналын масштабтайтын өлшеу түрлендіргіші 8, өлшеу ақпараттарын өңдеу құрылғысы 9, өзінше жазатын аспап 10 және басқару құрылғысы12.

Даярлау блогы 1 газды-алып жүргіштің 2 параметрлерін (әдетте қысым  мен шығыны) тұрақтандыру мен тазалау  түйінінен, талданатын заттың 3 және қосымша газдың (газдардың) 4 ұқсас түйіндерінен тұрады.

Температурасы автоматты  түрде  тұрақтандырылатын  аналитикалық құрылғыға 5 газдың немесе сұйықтың дозалаушысы 14, буландырғыш 15, хроматографиялық колонна 6, дифференциалды детектор 7 (хроматографада детектор деп газ ағынының физика-химиялық қасиеті әсер ететін алғашқы түрлендіргішті айтады), газды-алып жүргіш ағындарының температурасын тұрақтандырудың жылан түтіктер 13, орнына кейде салыстырмалы (немесе) қосымша хроматографиялық колонка пайдаланылатын түтікше 11 орналастырылады.

Басқару құрылғысы 12 хроматографаның барлық блокатырының жұмысының уақыт бойынша келісуін (қысқартылған 15.1 суретте осы құрылғының хроматографаның қалған блокатырмен  байланысы көрсетілмеген), сонымен қатар аналитикалық құрылғының температурасының автоматты реттелуін жүзеге асырады.

Даярлау блогы мен аналитикалық құрылғы әдетте талданатын заттың іріктелу нүктесінің жанына жайластырылады, ал қалған блоктар операторларда орналастырылады. Автоматты газды хроматографиялық талдауыш циклдік әрекет ететін құрылғы болып табылады және “Даярлау” мен “Талдау” деген екі режимі бар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 15.1 Автоматты газды  хроматографиялық талдауыштың схемасы

Екі режимде  де аналитикалық құрылғыға даярлау блогынан үздіксіз газды-алып жүргіш, талданатын зат және көмекші газ (бұл газ детектордың кейбір түрлерінің жұмысын қамтамасыз ету үшін қажет болады) әкелінеді. “Даярлау” режимінде дозатор 14, буландырғыш 15 және хроматографиялық колонка 6 мен түтікше 11 арқылы гады-алыпжүргіш үрленеді. Осыдан дозалаушы 14 басқару құрылғысының 12 сигналы бойынша талданатын зат пробасының іріктелу режиміне қосылады. “Даярлау” режимі әдетте 1 – 2 минутқа созылады, содан кейін басқару құрылғысының 12 сигналы бойынша дозалаушы 14 хроматографа жұмысының “ Талдау” режиміне сәйкес күйге қосылады. Осыдан қосылу талданатын зат пробасының іріктелуінен жүргізіледі. Әрқашан көлемі бойына тұрақты болатын келісілген проба хроматографиялық колонкаға 6 газды-алыпжүргішпен көліктендіріледі. Егер талданатын зат сұйық болып табылса, онда ол буландырғышт 15а буланады да, ал содан кейін хроматографиялық колонкаға түседі, онда талданатын көпкомпонентті зат газды-алыпжүргіш ағыны арқылы кезекпен колонкадан шайылып шығады да, дифференциалды детектордың өлшеу камерасына көліктендірілетін компонентке бөлінуі жүреді. Бұл детектордың салыстырмалы камерасына барлық уақытта газды-алыпжүргіш ағыны түтікше 11 арқылы ағып түседі. Детектор ағынның кез-келген физика-химиялық қасиетін үздіксіз өлшейді. Детектордың өлшеу және салыстырмалы камералары арқылы газды-алыпжүргіш ағынының ағуы кезінде оныңт шығысында сигналдың U₀ қандай да бір бастапқы мәні пайда болады (коррекциялаушы құрылғы көмегімен бұл мән автоматты түрде нольге тең болып орнатылады). Газды-алыпжүргіштің физика-химиялық қасиетінен өзгеше физикалы-химиялық қасиеттері бар компоненттер детектордың өлшеу камерасына түсуі кезінде детектордың сигналы мен оның физика-химиялық қасиеті (сур.15.2, а) компоненттің гады-алыпжүргіштегі концентрациясына байланысты өзгереді. Кез-келген дифференциялды детектордың әрбір уақыт моментінде DU_i(t) сигналы мына өрнекпен жазылады:

DU_i(t) = U_i(t) – U₀ = k_п(П_i – П_г-н)a_I(t),                                                 

мұндағы U_i(t) – детктор сигналының ағынды мәні; k_п – детектордың физика-химиялық қасиеті бойынша түрлену коэффициенті; П_i и П_г-н – детектор сезімтал газды-алыпжүргіштің және і-нші компоненттің физика-химиялық қасиеті немесе қасиеттер жиынтығы.

Детектор сигналының әрбір компоненттің хроматографиялық колонкасы шығысында уақыт бойынша өзгеруі қалыпты таралу қисығының түріне жақын найза түрінде болады.

Детектор сигналдарының  тізбегі 1, 2, ..., і, ..., n компоненттерде әдетте өзінше жазылатын аспаптың диаграммалы  лентасында тіркелетін хроматограмма (сур. 15.2, а) түзеді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 15.2 Автоматты хроматографикалық  талдауыштың (б) хроматограммасы (а) мен  шығыс сигналы

Талдауыштың тұрақты  шарттарында (газды алыпжүргіштің  тұрақты шығыны мен қысымы, аналитикалық құрылғының температурасы және т.б.) әрбір компонентке мәні автоматты  хроматографиялық талдауышты икемдеу  кезінде алдын-ала анықталатын  толық нақтыланған t_I тоқтату уақытымен сәйкес келеді.

Кез-келген компоненттің талданатын қоспадағы концентрациясын  анықтау үшін сигналдың мәнінің  максималды өзгерісі DU_i^max (шың биіктігі) немесе төменде көрсетілгендей талданатын көпкомпонентті қоспа компоненттерінің концентрациясымен бірмәнде анықталатын осы компоненттің сигналының ауданы S_i (сур. 15.2, а) жөніндегі ақпараттар қолданылады. Детектор сигналы өзінің шығысында детектор сигналына пропорционал бірыңғайланған сигнал тудыратын өлшеу түрлендіргішінің 8 кірісіне келіп түседі. Есептеу құрылғысы 9 шыңның (құрылғының конструкциясына байланысты) биіктігін DU_i^max немесе ауданын S_i анықтайды және хроматографиялық талдауыш жұмысының бір циклының нақты мәнін есте сақтап қалады. Сондықтан да есептеу құрылғысының шығыс сигналы U_ВУ сатылы түрде өзгереді (сур. 15.2, б). Бұл сигнал талдауыштың шығысына келіп түсіп, өзінше жазатын аспап 10 арқылы сатылы қисық түрінде (компоненттің біреуі үшін) тіркеледі.

Хроматографиялық колонкадан талданатын қоспаның компоненттерінің соңғысы кеткеннен кейін хроматографиялық талдауыштың жұмыс циклі яақталады. Басқару құрылғысының 12 сигналдары бойынша ол қайтадан “Даярлау” жұмыс режиміне ауыстырылады. Кейінгі циклдерде қарастырылған барлық операциялар қайталанады.

Автоматты хроматографиялық талдауыштардың тағайындалуына байланысты онда конструкциялары бойынша әртүрлі колонкалар, дозалаушылар және детекторлар қолданылуы мүмкін.

15.2 Жүйелі пайдаланудың  өлшеу-есептеу (микропроцессорлы) құралдары

Өлшеп-есептеу құралдары (ӨЕҚ) – технологиялық процестер  мен объектілерді басқару жүйелері жөніндегі өлшеу ақпараттарын жүйелерді және т.б. ғылыми зерттеу жұмыстарында және кешенді зерттеулерде өлшеу, жинақтау, есептеп өңдеу және таратуды қамтамасыз ететін техникалық құралдар жиынтығы.

ӨЕҚ-ның басты компоненттері  болып аналогты өлшеу түрлендіргіштері, аналогты-санды және санды-аналогты түрлендіргіштер; аналогты, санды және гибридті есептеу (процессорлы) құралдары мен бірігу құралдары жатады. Осы компоненттердің үйлесімділігі мен олардың құрылымдық ұйымдастырылуы өлшеу каналының (ӨК) қажетті функциялары мен орнатылған қателігін қамтамасыз етеді.

ӨЕҚ негізіндегі өлшеу каналы. Өлшеу каналы (сур. 15.3) аналогты өлшеу түрлендіргішінен АӨТ, аналогты-сандық түрлендіргіштен АСТ және санды есептеу құралынан СЕҚ тұрады. Осыдан х шамасын өлшеу процесінде каналға у өлшеу нәтижесі тәелді болатын сыртқы кездейсоқ факторлар y (электр бөгеулері, температураның өзгеруі, ылғалдылық және т.б.) әсер етеді.

Жалпы жағдайда өлшеу  каналында гибридті өлшеп-есептеу  құрылғысын (ГӨЕҚ) құрайтын, аналогты мен санды шамалармен есептеу операцияларын орындайтын аналогты-санды және санды-аналогты есептеу құрылғыларының (АСЕҚ және САЕҚ), уақытты-импульсті, жиілікті-импульсті және т.б.  жиынтығы пайдалануы мүмкін. Осы айырықша санды есептеу құралдары өлшеу ақпаратының нақты санды түрде өңделуін қамтамасыз етеді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микропроцессорлы құралдар. Микропроцессор (МП) өзінше үлкен интегралды микросхема (ҮИМ) технологиясы бойынша  аяқталған болып және берілген мәндер мен басқаруды өңдеу үшін арналған.  Микропроцессор бір кристалында үштен мыңдаған компоненттерден тұратын бір немесе бірнеше кристалдар түрінде пайдалануы мүмкін.  МП-дің технологиялылығы мен оның жоғары тиімділігі (жоғары өнімділігіне қатысты аз құны) конструкциялаудың модульді приципімен анықталады, ол МП-нің сыртқы мәліметтерінің біршама сандары мен оның жұмысын ұйымдастырудың программалы принципті ҮИТ жиына түрінде даярлануын алдын-ала болжайды. ҮИТ-тің микропроцессорлы жиыны әртүрлі МП-ж.йелерді құру үшін арнайы өңделіп шыққан өзінше ҮИТ-ті береді. Әдетте МП-жиынына жеке МП-ні құрайтын бірлескен ҮИТ, оперативті есте сақтау құрылғысы (ОЗУ), тұрақты есте сақтау құрылғысы ()ПЗУ, микропрограммалы басқару ҮИТ (МПБ), қайтапрограммаланатын есте сақтау құрылғысы ЗУ (ППЗУ), кіріс-шығыс ҮИТ және басқалары кіреді (20 түрге дейін).

Есептеу құралдарын микропроцессорлар  негізінде келесі басты түрлерге ажыратады (сур. 15.4):

1) жеке МП – мына: арифметикологиялық құрылғының (АЛҚ), ішкі регистрлердің (Рг), басқару  құрылғысының (БҚ) және ішкі “Интерфейстің”  функцияларын қамтамасыз ететін бір немесе бірнеше ҮИТ(БИС);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) МП-модуль – функционалды  түрде аяқталған және конструктивті  түрде құрамында микпроцессордың  (МП), есте сақтау құрылғыларының (ЗУ, ПЗУ) ”ішкі құрылғылардың  интерфейсінің”, сонымен қатар тактылы импульстердің генераторларының (ТИГ) үлкен интегралды құралынан (ҮИҚ) тұратын бұйымның бір платасы түрінде орындалады; мұндай МП-модуль (қоректену көзі корпусы, басқару пульті және сыртқы құрылғылары жоқ) микроконтроллердің (басқару құрылғысы) немесе микро-ЭЕМ-нің функцияларын оны МП-жүйеге тіркеу кезінде орындауы мүмкін.

3) микро-ЭЕМ, ол МП-модульден  өзгеше, өзінше конструктивті түрде  аяқталған санды есептеу құрылғысы  болып табылады, ол ҮИҚ-ның МП-жиыны  немесе МП-модулі негізінде пайдаланылады, өзінің қоректену көздерімен, кіріс-шығыс сыртқы құрылғыларымен, программалы қамтамасыздану комплекті мен басқару пультімен автономды құрылғы түрінде конструктивті бейнеленген.

 

Әдебиеті: 2 нег. [350-356]; 3 нег. [365, 366, 369-372, 396-399]; 1 қос. [131-134].

Бақылау сұрақтары:

1. Хроматографияға анықтама беріңіз.
2. Заттың қандай қоспаларын талдау үшін хроматография қолданылады?
3. Автоматты газды хроматографаның қандай блоктары негізгілер болып табылады?
4. Хроматографиялық калонкада не нәрсе жүреді?
5. Детектор нені үздіксіз түрде өлшейді?
6. Өлшеп-есептеу құралдарына (СВС) анықтама беріңіз.
7. ӨЕҚ-ның негізгі компоненттері қандай?
8. Өлшеу каналы ӨЕҚ негізінде неден тұрады?
9. Микропроцессор дегеніміз не?

10.       Есептеу құралдарының микропроцессорларының  басты түрлерін атаңыз.