СПОСОБ СОЗДАНИЯ МАТРИЦЫ СЕНСОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНОГО КОМПОНЕНТА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ МЕБЕЛЬНОЙ ФАБРИКИ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/12 G01N30/00 

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для селективного определения бутилацетата как основного компонента газовых выбросов мебельного производства на уровне 1/2 ПДK_рз в воздухе рабочей зоны с использованием матрицы пьезокварцевых резонаторов с предварительной модификацией их электродов сорбентами природы.

Известен способ определения смеси паров органических веществ с идентификацией основных компонентов с помощью матрицы из 8 пьезоэлектрических резонаторов. Способ заключается в том, что каждый из сенсоров имеет пленочное покрытие, избирательно сорбирующее определенные классы соединений (Xing Wan-Li, He Xi-Wen, Fang Yan-Hong, Wei Hong-Mei. Анализ смеси паров органических веществ с использованием матрицы из пьезоэлектрических сенсоров и методологии распознавания образов //Acta Chim. Sci, 1997. Vol. 55, 11. С . 1130-1137).

Недостатком существующего способа является сложность обработки результатов с помощью методологии искусственных нейронных сетей.

Задачей изобретения является создание матрицы сенсоров для определения основных компонентов газовых выбросов мебельной фабрики, обеспечивающей простоту технического решения, повышающей экспрессность, правильность и точность определения.

Сущность изобретения заключается в селективном определении бутилацетата как основного компонента газовых выбросов мебельного производства на уровне 1/2 предельно допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны (ПДК_рз) с использованием матрицы из 4-6 пьезокварцевых резонаторов с предварительной модификацией их электродов сорбентами различной природы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что матрица состоит из 4-6 пьезокварцевых резонаторов, электроды которых модифицируют сорбентами с различным сродством к основным компонентам газовых выбросов мебельной фабрики в определенном диапазоне масс, индивидуальном для каждого сорбента: пчелиный клей (оптимальная масса сорбента m=5-10 мкг), пчелиный воск (m=20-30 мкг), полиэтиленгликоль сукцинат (m= 10-20 мкг), Тритон Х-100 (m=20-30 мкг), полистирол (m=5-10 мкг), полиэтиленгликоль ПЭГ-2000 (m=5-10 мкг).

Способ реализуется следующим образом.

Электроды 4-6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой вибрации 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем определенных обьемов растворов сорбентов - пчелиного клея, пчелиного воска, полиэтиленгликоля-2000 (ПЭГ-2000), полистирола (ПС), Тритона Х-100, полиэтиленгликоль сукцината (ПЭГС), концентрации растворов 10 мг/мкдм³. Термическое удаление растворителей проводят при температурах, соответствующих рабочим температурам сорбентов (40-60^oС) в течение 30-40 мин. Модифицированные резонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2^oС.

Резонаторы неподвижно закрепляют в держателе матрицы и помещают в герметичную ячейку детектирования емкостью 50 см³. В ячейку детектирования шприцем вводят анализируемую пробу воздуха, содержащую основной компонент газовых выбросов мебельной фабрики на уровне 1/2 ПДК_рз. Изменение откликов сенсоров регистрируют поочередно частотомером. Время получения отклика сигнала 0,2-4,5 мин. Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при рабочей температуре сорбентов в течение 10-15 мин.

Вывод о содержании бутилацетата на уровне 1/2 ПДК_рз делают при сравнении совокупности откликов (ΔF, Гц) матрицы сенсоров со стандартными диаграммами. Форма стандартных диаграмм сорбции основных компонентов мебельной фабрики остается неизменным при содержании бутилацетата на уровне 1/2 ПДК (фиг.1) и выше (фиг. 2). При уменьшении концентрации бутилацетата его раздельное определение невозможно, так как возрастает мешающее влияние сопутствующих компонентов, форма диаграммы меняется (фиг.3).

Примеры осуществления способа
Пример 1. Электроды 4-6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой вибрации 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем (0,5-1,0)•10^-6 дм³ этанольного раствора пчелиного клея (масса сорбента m=7,4 мкг), (2,0-3,0)•10^-6 дм³ хлороформного раствора пчелиного воска (m=29,8 мкг), (1,0-2,0)•10^-6 дм³ раствора ПЭГС (m=19,1 мкг), (2,0-3,0)•10^-6 дм³ раствора Тритона Х-100 (m=29,9 мкг), (0,5-1,0)•10^-6 дм³ раствора ПС (m=5,0 мкг) и (0,5-1,0)•10^-6 дм³ ацетонового раствора ПЭГ-2000 (m=5,9 мкг) с концентрациями 10 мг/мкдм³. Термическое удаление растворителей проводят при 40-50^oС в течение 30-40 мин. Модифицированные резонаторы охлаждают в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2^oС.

Резонаторы неподвижно закрепляют в держателе матрицы и помещают в герметичную ячейку детектирования емкостью 50 см³. В ячейку детектирования шприцем вводят анализируемую пробу воздуха, содержащую основной компонент газовых выбросов мебельной фабрики на уровне 1/2 ПДК_рз (100 мг/м³). Отклики сенсоров регистрируют поочередно частотомером. Время получения отклика сигнала 0,2-4,5 мин. Модификаторы регенерируют в сушильном шкафу при 40-50^oС в течение 10-15 мин. После охлаждения сенсоров в эксикаторе над слоем осушителя до 20±2^oС они применяются для последующих определений. Продолжительность анализа, включая модификацию электродов, составляет 1,5 ч; повторное использование сенсоров снижает затраты времени до 1,0 ч.

Вывод о содержании бутилацетата на уровне 1/2 ПДК делают при сравнении совокупности откликов матрицы сенсоров со стандартными диаграммами (фиг.4). На диаграммах сорбенты отмечены номерами: 1 - пчелиный клей, 2 - пчелиный воск, 3 - ПЭГС, 4 - Тритон Х-100, 5 - ПС, 6 - ПЭГ-2000.

Способ осуществим. Возможно селективное определение бутилацетата, при этом основные сопутствующие компоненты (аммиак и этиловый спирт) и содержащиеся в газовых выбросах в меньших количествах ацетон, толуол и н.бутиловый спирт не мешают определению. Отмечается высокая чувствительность способа и возможность применения матриц из 4-6 пьезокварцевых резонаторов. При исключении из матрицы сенсора на основе пчелиного клея (матрица из 5 пьезосенсоров) и ПЭГ-2000 (матрица из 4 пьезосенсоров) форма диаграммы меняется, но содержание бутилацетата на уровне 1/2 ПДК оценивается однозначно.

Метрологические характеристики приведены в таблице.

Пример 2. Электроды 4-6 пьезокварцевых резонаторов модифицируют равномерным нанесением микрошприцем (0,1-0,5)•10^-6 дм³ этанольного раствора пчелиного клея (масса сорбента m=2,4 мкг), (1,0-2,0)•10^-6 дм³ хлороформного раствора пчелиного воска (m=19,2 мкг), (0,5-1,0)•10^-6 дм³ раствора ПЭГС (m= 5,5 мкг), (1,0-2,0)•10^-6 дм³ раствора Тритона Х-100 (m=19,9 мкг), (0,1-0,5)•10^-6 дм³ раствора ПС (m= 3,5 мкг) и (0,1-0,5)•10^-6 дм³ ацетонового раствора ПЭГ-2000 (m=3,9 мкг). Последующие операции проводят, как указано в примере 1.

Способ неосуществим. Невозможно селективное определение бутилацетата вследствие влияния основных сопутствующих компонентов (фиг.5).

Метрологические характеристики приведены в таблице.

Пример 3. Электроды 4-6 пьезокварцевых резонаторов модифицируют равномерным нанесением микрошприцем (1,0-2,0)•10^-6 дм³ этального раствора пчелиного клея (масса сорбента m=18,5 мкг), (3,0-4,0)•10^-6 дм³ хлороформного раствора пчелиного воска (m=34,8 мкг), (2,0-3,0)•10^-6 дм³ раствора ПЭГС (m= 28,4 мкг), (3,0-4,0)•10^-6 дм³ раствора Тритона Х-100 (m=33,8 мкг), (1,0-2,0)•10^-6 дм³ раствора ПС (m= 19,4 мкг) и (1,0-2,0)•10^-6 дм³ ацетонового раствора ПЭГ-2000 (m=18,4 мкг). Последующие операции проводят, как указано в примере 1.

Способ неосуществим. Матрица из 6 сенсоров неприменима вследствие высокого сродства пленки пчелиного клея к аммиаку и ПЭГ-2000 к этиловому спирту (m>10 мкг). Матрицы из 4 и 5 пьезосенсоров, модифицированных сорбентами с большими массами, чем в примере 1, неприменимы вследствие затухания колебаний в предэлектродном слое резонаторов, что приводит к снижению чувствительности и воспроизводимости результатов определения бутилацетата (фиг.6).

Метрологические характеристики приведены в таблице.

Из примеров 1-3 и таблицы следует, что решение поставленной задачи достигается тем, что электроды пьезокварцевых резонаторов модифицируют сорбентами с различным сродством к основным компонентам газовых выбросов мебельной фабрики в определенном диапазоне масс, индивидуальном для каждого сорбента, обусловливающем максимальную чувствительность определения: большие массы сорбентов с высокой чувствительностью к бутилацетату и низкой к сопутствующим компонентам (пчелиный воск, ПЭГС, Тритон Х-100), меньшие - с низкой чувствительностью к бутилацетату и высокой к сопутствующим компонентам (пчелиный клей, ПС, ПЭГ-2000). Применяют матрицы из 6 сенсоров на основе модифицированных сорбентами (пчелиный клей, пчелиный воск, ПЭГС, Тритон X-100, ПС и ПЭГ-2000) пьезокварцевых резонаторов с оптимальными массами (соответственно 5-10; 20-30; 10-20; 20-30; 5-10; 5-10 мкг). Возможно упрощение определения бутилацетата при использовании матрицы из 4 сенсоров. Однако применение матрицы из 5-6 сенсоров расширяет информативность анализа - возможно оценить содержание аммиака и этилового спирта в газовых выбросах мебельной фабрики.

Изменения оптимальных масс модификаторов - увеличение (пример 2) и уменьшение (примеры 3) приводят к увеличению и уменьшению чувствительности сенсоров по отношению не только к бутилацетату, но и к другим сопутствующим компонентам (аммиаку, этиловому и н.бутиловому спиртам, ацетону, толуолу). Кроме того, увеличение масс сорбентов снижает воспроизводимость определений. Это приводит к невозможности селективного определения бутилацетата.

По сравнению с известными способами определения органических соединений в воздухе с применением матрицы из 8 сенсоров заявляемый способ создания матрицы сенсоров для определения газовых выбросов основных компонентов мебельной фабрики в оптимальных условиях позволяет:
1) определять основной компонент газовых выбросов (бутилацетат) на уровне 1/2 ПДК_рз в присутствии сопутствующих компонентов (аммиака, этилового и н.бутилового спиртов, толуола);
2) сократить число сенсоров в матрице с 8 до 4-6, тем самым упростить стадии настройки и считывания результатов;
3) ошибка определения W=1-5%;
4) однозначно трактовать результаты анализа путем сопоставления со стандартными диаграммами без сложных математических расчетов.

Использование: в аналитической химии органических соединений и для селективного определения бутилацетата на уровне 1/2 предельно допустимой концентрации (ПДК_рз) как основного компонента газовых выбросов мебельной фабрики. Сущность: пьезокварцевые резонаторы матрицы модифицируют сорбентами: пчелиный клей, пчелиный воск, полиэтиленгликоль сукцинат, Тритон Х-100, полистирол, полиэтиленгликоль ПЭГ-2000 в определенном диапазоне масс, индивидуальном для каждого сорбента. Технический результат изобретения заключается в снижении пределов обнаружения, повышении экспрессности и точности определения. 6 ил., 1 табл.

Способ создания матрицы сенсоров для определения основного компонента газовых выбросов мебельной фабрики, включающий модифицирование электродов резонатора растворами сорбентов, термическое удаление растворителей, отличающийся тем, что матрица состоит из 4-6 пьезокварцевых резонаторов, электроды которых модифицируют сорбентами с различным сродством к компонентам газовых выбросов мебельной фабрики в определенном диапазоне масс, индивидуальном для каждого сорбента: пчелиный клей (оптимальная масса сорбента m= 5-10 мкг), пчелиный воск (m= 20-30 мкг), полиэтиленгликоль сукцинат (m= 10-20 мкг), Тритон Х-100 (m= 20-30 мкг), полистирол (m= 5-10 мкг), полиэтиленгликоль ПЭГ-2000 (m= 5-10 мкг).