Аналитические приборы



Analytical Instrumentation A Guide to Laboratory, Portable and Miniaturized Instruments

First Edition

GILLIAN MCMAHON

School of Chemical Sciences Dublin City University Ireland




- 1 8 0 7 2
: ®WILEY J
“ 2 0 0 7 \
ВI ■■ ---В 1СГ NTFN H I AL
John Wiley & Sons, Ltd

Дж. Мак-Махон





                АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ




РУКОВОДСТВО ПО ЛАБОРАТОРНЫМ, ПОРТАТИВНЫМ И МИНИАТЮРНЫМ ПРИБОРАМ



Перевод с английского языка под редакцией проф. Л. Н. Москвина



Санкг- Петербург
2013

  ЦБК!-³ гвди-оалг=!Ь4<ых
ПРОФЕССИЯ

ь с т в о

ББК24.4я73
УДК 543.07(07)
М15





     Мак-Махон Дж.
М15 Аналитические приборы. Руководство по лабораторным, портативным и миниатюрным приборам: пер. с англ. / под ред. Л. Н. Москвина — СПб.: ЦОП «Профессия», 2013. — 352 с., ил.
     ISBN 978-5-91884-050-4
     ISBN 978-0470-027950 (англ.)




     В новейшем руководстве описываются все основные современные аналитические методы, принципы работы устройств, используемые приборы и области их применения. В книге приведены данные, необходимые для выбора приборов, представлены их сравнительные характеристики и показаны преимущества различных моделей. Даны практические рекомендации по применению приборов в различных отраслях промышленности и областях науки.
     Руководство предназначено для специалистов лабораторий, сотрудников центров сертификации, исследовательских и испытательных центров, а также научных сотрудников, аспирантов и студентов.

ББК 24.4я73
УДК 543.07(07)




All Rights Reserved. Authorised translation from the English language edition published by John Wiley & Sons Limited. Responsibility for the accuracy of the translation rests solely with EPC Professiya and is not the responsibility of John Wiley & Sons Limited. No part of this book may be reproduced in any form without the wnritten permission of the original copyright holder, John Wiley & Sons Limited.




Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.




Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.








ISBN 978-0470-027950 (англ.)
ISBN 978-5-91884-050-4

         © John Wiley & Sons, Ltd, Chichester/England, 2007
         © ЦОП «Профессия», 2009
                                       © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие научного редактора русского издания............................9
Таблица используемых в тексте аббревиатур и сокращений....................12
Предисловие ..............................................................20
Введение .................................................................23
Благодарности.............................................................26
Глава 1 Вступление
1.1  Ученый-аналитик......................................................27
1.2  Аналитический процесс................................................28
1.3  Аналитическое оборудование...........................................29
1.4  Выбор правильного прибора............................................31
     Список использованных источников.....................................32
Раздел I
ЛАБОРАТОРНЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Глава 2 Спектрометрические приборы
2.1  Молекулярная спектроскопия...........................................34
     2.1.1 Спектроскопия в ультрафиолетовой, видимой и ближней
          инфракрасной области спектра....................................34
     2.1.2 Инфракрасная спектроскопия и рамановская
          спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния).........41
     2.1.3 Люминесцентная спектроскопия...................................53
     2.1.4 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса....................60
     2.1.5 Масс-спектрометрия.............................................66
2.2  Атомная спектроскопия................................................80
     2.2.1 Атомно-абсорбционная спектрометрия и атом но-флуоресцентная
          спектрометрия...................................................81
     2.2.2 Оптическая эмиссионная спектрометрия
          с индуктивно-связанной плазмой..................................85
     2.2.3 Масс-спектрометрия с ивдуктивно-связанной плазмой..............90
     Список использованных источников.....................................93
Глава 3
Приборы на принципах предварительного разделения аналитов
3.1  Газовая хроматография................................................98
3.2  Высокоэффективная жидкостная хроматография..........................108
3.3  Ионная хроматография................................................126
3.4  Капиллярный электрофорез............................................129
3.5  Сверхкритическая флюидная хроматография.............................138
3.6  Комбинированные приборы.............................................143
     3.6.1 Комбинированные приборы для газовой хроматографии.............144
     3.6.2 Комбинированные приборы для жидкостной хроматографии..........148
     3.6.3 Метод комбинированного капиллярного электрофореза.............161
     Список использованных источников....................................163

Оглавление

Глава 4
Приборы на принципах визуализации объектов анализа
4.1 Оптические микроскопы...............................................167
4.2 Конфокальные микроскопы.............................................169
4.3 Электронные микроскопы..............................................172
     4.3.1 Растровые электронные микроскопы.............................173
     4.3.2 Просвечивающие электронные микроскопы........................176
4.4 Сканирующие зондовые микроскопы.....................................178
     4.4.1 Сканирующие туннельные микроскопы............................178
     4.4.2 Атомно-силовые микроскопы....................................181
4.5 Спектральные приборы для анализа изображений........................185
     Список использованных источников...................................190

Глава 5
Электрохимические приборы
5.1 Потенциометрия......................................................192
5.2 Вольтамперометрия...................................................199
5.3 Кондуктометрия......................................................205
     Список использованных источников...................................207

Глава 6
Другие приборы
6.1 Приборы для термо гравиметрического анализа.........................209
6.2 Дифференциальные сканирующие калориметры............................213
6.3 Рентгеновские дифрактометры.........................................217
     Список использованных источников...................................219

Раздел II
ПОРТАТИВНЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
     Стимулы к появлению портативных аналитических приборов.............222
Глава 7
Портативные приборы в лаборатории
7.1 Спектрометрические приборы..........................................225
7.2 Приборы для гибридных методов анализа...............................235
7.3 Приборы на принципах визуализации объектов анализа..................239
7.4 Электрохимические приборы...........................................243
     Список использованных источников...................................247
Глава 8
Различные области применения портативных приборов
8.1 Применение в медицине...............................................248
     8.1.1 Технология диагностики на месте..............................248
     8.1.2 Контроль уровня содержания глюкозы в крови...................249
     8.1.3 Мониторинг свертываемости крови..............................256
     8.1.4 Другие устройства для анализа на месте.......................258
8.2 Применение для оценки состояния окружающей среды....................259
     8.2.1 Полевые приборы..............................................259
     8.2.2 Мониторинг качества воды.....................................260
     8.2.3 Анализ почвы и донных отложений..............................262

Оглавление

7

    8.2.4 Мониторинг воздуха..............................................263
8.3 Применение для обеспечения общественной безопасности
    и в военных целях.....................................................264
8.4 Другие области применения.............................................266
    Список использованных источников......................................267

Раздел III
ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
     Стимулы к развитию аналитических методов контроля технологических процессов.............................................270
     Список использованных источников...................................272

Глава 9
Приборы для контроля технологических процессов в промышленности
9.1 Методы отбора проб....................................................273
9.2 Анализ в потоке.......................................................276
    9.2.1 Проточно-инжекционный анализ....................................280
    9.2.2 Спектрометрический анализ.......................................285
    9.2.3 Анализ с применением гибридных методов..........................297
    9.2.4 Анализ на принципах визуализации объектов анализа...............299
    9.2.5 Электрохимический анализ........................................300
9.3 Лабораторные интегрированные системы управления.......................301
    Список использованных источников......................................301

Раздел IV
МИНИАТЮРНЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
    Стимулы к развитию миниатюрных аналитических приборов.................306
    Список использованных источников......................................306

Глава 10
Микрочиповые приборы
10.1 Разработка аналитическихмикрочиповых приборов........................307
10.2 Проблемы, возникающие при разработке микрочиповых аналитических приборов .308
    10.2.1 Движение и смешивание жидкостей на микрочипах..................308
    10.2.2 Компоновка элементов на микрочипах.............................312
    10.2.3 Стратегии отбора проб и выполнения анализов....................316
    10.2.4 Трудности при масштабировании процессов........................318
10.3 Аналитические микрочиповые приборы...................................318
    10,3.1 Проточно-инжекционный анализ в варианте «лаборатория на кране».318
    10.3.2 Спектрометрические приборы.....................................320
    10.3.3 Приборы для гибридных методов анализа..........................322
    10.3.4 Приборы на принципах визуализации объектов анализа.............327
    10.3.5 Приборы для электрохимических анализов.........................328
    10.3.6 Другие микрочиповые приборы....................................329
    Список использованных источников......................................332

К читателям






Возрастающая сложность, многообразие и изменчивость задач, которые стоят перед государственными, производственными и научными лабораториями, требует от исследователей широкой информированности по всему диапазону последних разработок в аналитическом приборостроении.
  Компетентность испытательных лабораторий и, соответственно, качество результата анализа определяются не только ответственностью исследователя и оснащенностью лаборатории, но и тем, насколько корректно был выполнен выбор «правильного» прибора и «приемлемого» метода.
  Книга Джиллиан Мак-Махон безусловно окажет исследователям неоценимую помощь при поиске оптимальных решений тех или иных аналитических задач.
  В книге уделено мало внимания технологиям скрининга (иммуноферментный анализ) и некоторым современным методам разделения аналитов (магнитная сепарация, иммуноаффинная очистка), особенно эффективным при исследовании таких сложных объектов, как пищевые продукты. Тем не менее уверен, что она на долгое время станет настольной для специалистов-аналитиков самого разного профиля.

Галкин А.В., к. х. н.
Стайлаб

Предисловие научного редактора русского издания





Предлагаемое вниманию химиков-аналитиков всех уровней квалификации «Руководство...» по-своему интересно всем: от студентов и аспирантов, начинающих специализироваться в области аналитической химии, до ученых, решающих проблемы создания новых аналитических методов, и ведущих специалистов прикладных аналитических лабораторий, которые вынуждены постоянно отслеживать прогресс в инструментальном оснащении аналитического контроля.
  Студентам и аспирантам это руководство позволит расширить знания об аналитических методах в плане понимания принципов их реализации в инструментальных средствах химического анализа. Ученым-аналитикам будет интересно сопоставить свое видение направлений развития аналитического приборостроения с авторским. И наконец, аналитики-практики смогут воспользоваться этим руководством при решении непростых задач выбора аналитических приборов, адекватных решаемым ими задачам.
  Одним из важнейших достоинств предлагаемого руководства является критический анализ инструментальных решений, созданных на сегодняшний день на принципах важнейших методов химического анализа, с одновременным упоминанием наиболее интересных, с точки зрения автора, новых методических и инструментальных разработок, которые в ближайшее время могут выйти на уровень серийно выпускаемых аналитических приборов.
  Отдавая должное широте охвата такой неисчерпаемой области знаний, как аналитическое приборостроение, при расстановке акцентов на важности тех или иных средств химического анализа в руководстве вполне закономерно прослеживается личный опыт автора как специалиста в области фармацевтического и медикобиологического анализа, но это не умаляет его достоинств, так как в этих областях находят применение практически все важнейшие аналитические методы.
  При этом необходимо отметить, что автор хорошо знакома с приборами, функционирующими на принципах различных методов, но ее попытки изложения основ самих методов далеко не всегда корректны. Здесь при возникновении вопросов целесообразнее искать на них ответы в учебниках по аналитической химии. В качестве иллюстрации подобной некорректности достаточно упомянуть отождествление ВЭЖХ с жидкостной хроматографией в целом, результатом которого явилось отнесение к ВЭЖХ ионообменной, аффинной, а также гель-хроматографии. Другим следствием подобного заблуждения явилось сопоставление газовой хроматографии с ВЭЖХ. Это притом, что в рамках газовой хроматографии существует высокоэффективная газовая хроматография. Отсутствует логика в названии подразделов атомной спектрометрии. В ее рамках наряду с атомно-абсорбционной и атомнофлуоресцентной спектрометрии вдруг появляется оптическая эмиссионная спектрометрия. Недостаточно корректно изложена сущность проточно-инжекционного анализа и других проточных методов.

Предисловие научного редактора русского издания

  Кроме того, при описании методов далеко не всегда правильно расставлены акценты на их роли в аналитической химии. Например, электрохимические методы рассматриваются только с позиции создания детекторов для хроматографии и химических сенсоров, не говоря уже о достаточно вольной трактовке их физико-химических принципов. С учетом всего сказанного предлагаемое руководство нельзя рекомендовать для ознакомления с основами упоминаемых в нем методов, ограничившись только признанием полезности сведений, относящихся к аспектам инструментализации химического анализа.
  Но и в последнем случае необходима одна оговорка. При описании общих схем аналитических приборов автор воспользовалась идеей Дж. Рейсона ([1], глава 1), что любой аналитический прибор можно представить как совокупность пяти обязательных узлов: источника, устройства для установки образца или системы его ввода, селектора, детектора и системы регистрации выходных данных. С определенными оговорками подобная унифицированная блок-схема адекватна случаю спектрометрических приборов. Но при переходе, например, к электрохимическим приборам, мы приходим к очевидным нелепостям. В потенциометрических приборах в качестве «источника» предлагается рассматривать электрод сравнения, а в роли «селектора» — ионоселективную мембрану индикаторного электрода, которая никак не может выступать в роли узла прибора. В вольтамперометрическом анализаторе роль «источника» выполняет источник питания — обязательный узел любого прибора, а «селектором» служит потенциостат в сочетании с рабочим электродом и электродом сравнения. Соответственно, когда в последнем случае очередь доходит до описания «детектора», кроме повторов добавить уже нечего.
  К еще большим противоречиям автор приходит при описании приборов, функционирующих на принципах гибридных методов. Эти противоречия проявились в третьей главе, которая в англоязычной версии книги названа «Separation Instruments». В то же время в российской классификации аналитических методов существуют методы анализа и методы определения веществ, причем первые включают группу гибридных методов, основанных на органичном сочетании методов разделения и определения. К этой группе в первую очередь относятся хроматографические методы анализа, в которых объединены хроматографические методы разделения и методы детектирования в потоке жидкости или газа.
  С учетом вышесказанного научный редактор взял на себя смелость в некоторых случаях отойти от буквального перевода, в то же время максимально придерживаясь логики и последовательности изложения материала автором, чтобы сохранить фактический смысл авторского текста. При этом если авторский текст расходится с русскоязычным смыслом описываемого, он выделен кавычками. Так, в главе, посвященной контролю технологических процессов, в ее названии использован буквальный перевод авторского текста — «процессный анализ», ранее не использовавшийся в российской аналитической литературе. Насколько этот термин приживется в ней, покажет будущее.
  Здесь уместно еще раз отметить уникальность предлагаемого руководства в плане широты охвата важнейших направлений аналитического приборостроения, наглядного и доступного изложения материала. А в тех случаях, когда сведений, приведенных в руководстве, окажется недостаточно для детального ознакомления с предме

Предисловие научного редактора русского издания

11

том, руководство послужит ариадниной нитью в сложном лабиринте аналитических приборов, дополнительную информацию о каждом из которых читатель сможет найти в обширных списках цитируемой литературы, приводимых в каждом разделе. В тех случаях, когда это малодоступные англоязычные издания, в качестве дополнительной литературы по методологическим вопросам, относящимся к любому из разделов руководства, могут быть рекомендованы современные отечественные учебники по аналитической химии и монографии, посвященные отдельным методам.
Москвин Л. Н.
                                                    Засл, деятель науки РФ, докт. хим. наук, проф.

Таблица используемых в тексте аббревиатур и сокращений




Аббревиатура   Сокращаемое выражение    Аббревиатура      Сокращаемое выражение    
 на русском       на русском языке      на английском      на английском языке     
   языке                                    языке                                  
ААС          Атомно-абсорбционная       AAS           Atomic absorption            
             спектрометрия                            spectrometry                 
ААСГГ        Атомно-абсорбционная       HGAAS         Hydride generation atomic    
             спектрометрия с генерацией               absorption spectrometry      
             гидридов                                                              
ААС ГП       Атомно-абсорбционная       GFAAS         Graphite furnace atomic      
             спектрометрия с графитовой               absorption spectrometry      
             печью                                                                 
АСМ          Атомно-силовой микроскоп   AFM           Atomic force microscope      
АФД          Азотно-фосфорный детектор  NPD           Nitrogen phosphorus detector 
АФС          Атомно-флуоресцентная      AFS           Atomic fluorescence          
             спектрометрия                            spectrometry                 
АЦП          Аналого-цифровой           ADC           Analogue-to-digital converter
             преобразователь                                                       
ББА          Бомбардировка быстрыми     FAB           Fast atom bombardment        
             атомами                                                               
БИК          Ближний инфракрасный       NIR           Near infrared                
БРИХ         Безреагентная ионная       RFIC          Reagent-free ion             
             хроматография                            chromatography               
ВК           Внутренняя конверсия       IC            Internal conversion          
ВМЧ          Видеомикроскопия частиц    PVM           Particle video microscopy    
ВП           Времяпролетный             TOF           Time-of-flight               
ВЭЖХ         Высокоэффективная          HPLC          High performance liquid      
             жидкостная хроматография                 chromatography               
гх           Газовая хроматография      GC            Gas chromatography           
ГХ-ВР        Газовая хроматография с    GC-ML         Gas chromatography with      
             выделением ртути                         mercury liberation           
гх-гх        Газовая хроматография      GC-GC         Gas chromatography---gas     
             системы из двух                          chromatography               
             последовательно                                                       
             соединенных колонок,                                                  
             (иногда ошибочно                                                      
             называемая двухмерной                                                 
             хроматографией)                                                       
гх-ик        Гибрид газовой             GC-IR         Gas chromatography---infrared
             хроматографии и                          spectrometry                 
             инфракрасной спектрометрии                                            

Таблица используемых в тексте аббревиатур и сокращений

13

Аббревиатура   Сокращаемое выражение    Аббревиатура      Сокращаемое выражение    
 на русском       на русском языке      на английском      на английском языке     
   языке                                языке                                      
ГХ-ИК-МС     Гибрид газовой             GC-IR-MS      Gas chromatography-          
             хроматографии,                           infrared spectrometry---mass 
             инфракрасной спектрометрии               spectrometry                 
             и масс-спектрометрии                                                  
ГХ-МС        Гибрид газовой             GS-MS         Gas chromatography---mass    
             хроматографии                            spectrometry                 
             и масс-спектрометрии                                                  
ГО           Глюкозооксцдаза            GO            Glucose oxidase              
ДВЭ          Детектор вторичных         (E)SED        (Environmental) Secondary    
             электронов                               electron detector            
ДИГА         Деизопропилгидроксиатразин DIHA          Deisopropylhydroxyatrazine   
ДИП          Дифференциальная           DPP           Differential pulsed          
             импульсная полярография                  polarography                 
ДИЭР         Десорбционная ионизация    DESI          Desoiption electrospray      
             электрораспылением                       ionisation                   
ДРА          Дифракционный              XRDA          X-ray diffraction (analysis) 
             рентгеновский анализ                                                  
дек          Дифференциальная           DSC           Differential scanning        
             сканирующая калориметрия                 calorimetry                  
ДТА          Дифференциальный           DTA           Differential thermal analysis
             термический анализ                                                    
ДЭА          Диэтилатразин              DEA           Deethylatrazine              
ДЭГА         Диэтил гидроксиатразин     DEHA          Deethylhydroxyatrazine       
жкд          Жидкокристаллический       LCD           Liquid crystal display       
             дисплей                                                               
ЖХ           Жидкостная хроматография   LC            Liquid chromatography        
ЖХ-ААС       Гибрид жидкостной          LC-AAS        Liquid chromatography-       
             хроматографии и                          atomic absorption            
             атомно-абсорбционной                     spectrometry                 
             спектрометрии                                                         
ЖХ-АС        Гибрид жидкостной          LC-AS         Liquid chromatography-       
             хроматографии и атомной                  atomic spectrometry          
             спектрометрии                                                         
ЖХ-АЭС       Гибрид жидкостной          LC-AES        Liquid chromatography-       
             хроматографии и атомно-                  atomic emission spectrometry 
             эмиссионной спектрометрии                                             
ЖХ-ААС ГГ    Гибрид жидкостной          LC-HGAAS      Liquid chromatography---     
             хроматографии и                          hydride generation atomic    
             атомно-абсорбционной                     absorption spectrometry      
             спектрометрии с генерацией                                            
             гидридов