СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АЦЕТОНА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
METHOD OF DETECTING GAS-PHASE ACETONE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области аналитической химии органических соединений и может быть применено для определения содержания в воздухе ацетона для мониторинга выдоха человека.
Уровень техники
Основным аналитическим методом определения присутствия ацетона в газовой фазе и в растворах является газовая хроматография (WO 2012033443). Несмотря на высокую чувствительность и селективность, которых можно добиться в системах, построенных на основе хроматографического метода анализа, их использование для создания портативных сенсорных систем невозможно.
Другой метод, получивший широкое распространение при производстве медицинских аппаратов для контроля выдоха человека на содержание ацетона, получили устройства на основе электрохимических сенсорных элементов на основе переходных металлов, нанесенных на подложки различной природы (CN 102050493, CN 102953059, CN 103091369, CN 103149330). Изменение проводимости сенсорных материалов на основе переходных металлов позволяет осуществлять детектирование присутствия ацетона в концентрациях порядка нескольких ppm, однако высокая чувствительность к посторонним компонентам в газовой смеси, например, углекислому газу и метану, не позволяют проводить экспресс, анализ в загрязненных помещениях.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа детектирования летучих органических соединений, в том числе ацетона, является способ, описанный в документе FR 2975397 (А1), опубликованном 23.11.2012, в котором предлагается использовать полисилоксаны с ковалентно связанными флуорофорами в качестве материала для определения наличия в воздухе летучих органических соединений. Тонкие пленки из описанного материала, нанесенные на подложку, освещают и регистрируют изменение интенсивности флуоресценции с длиной волны, характерной для конкретного флуорофора, по которому судят о присутствии органических аналитов в воздухе. В качестве недостатков способа, предложенного в FR 2975397, следует отметить то, что используемые для получения материалы требуют разработки методов синтеза в случае изменения типа красителя. Кроме того, предлагаемые материалы обладают низкой пористостью, что приводит к необходимости использовать методы получения тонких пленок на их основе с целью уменьшения времени отклика на газообразные аналиты. Необходимость использования материалов в виде тонких пленок снижает интенсивность флуоресцентного сигнала, понижая соотношение сигнал/шум, таким образом повышая нижний предел детектирования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание нового способа детектирования ацетона с помощью флуоресцентного метода анализа, характеризующегося быстродействием, простота получения сенсорного материала и возможность использования недорогих систем регистрации флуоресцентного сигнала (оптоволоконных спектрофлуориметров).
Техническим результатом, обеспечиваемым предложенным изобретением, является сокращение времени отклика сенсорного материала вследствие его высокой пористости.
Технический результат достигается способом определения ацетона в газовой фазе, заключающимся в том, что освещают размещенный в газовой фазе сенсорный слой, включающий флуорофор, регистрируют интенсивность флуоресценции сенсорного слоя на характерной для флуорофора длине волны и по изменению интенсивности флуоресценции судят о присутствии ацетона в газовой фазе, отличающимся тем, что используют сенсорный слой на основе прозрачного силикатного ксерогеля, полученного с помощью золь-гель синтеза в присутствии флуорофора, в качестве которого используют краситель Нильский красный, освещение сенсорного слоя осуществляют светом с длиной волны 560-610 нм, а регистрацию интенсивности флуоресценции сенсорного слоя осуществляют в диапазоне длин волн 630-680 нм.
Предложенный способ осуществляют с помощью дешевых обратимых прозрачных сенсорных материалов, чувствительных к полярным органическим соединениям в малых концентрациях, что позволяет использовать их в качестве рабочих материалов для систем контроля выдоха человека. Измерение интенсивности флуоресценции сенсорных слоев возможно с помощью малогабаритных оптоволоконных измерительных приборов.
Авторами было установлено, что воздействие паров ацетона приводит к изменениям в системе Нильский красный - матрица ксерогеля, заключающимся в обратимом конкурентном образовании водородных связей между молекулами ацетона и матрицей ксерогеля. Разрыв водородных связей с молекулой Нильского красного сопровождается существенным увеличением интенсивности флуоресценции с изменением положения максимума длины волны флуоресценции.
2
Размеры образца материала, необходимого для проведения измерений, лежат в широком диапазоне и определяются удобством работы и необходимой интенсивностью сигнала. В проведенных экспериментах полезная площадь сенсорного слоя, с которой считывался флуоресцентный сигнал, составляла не более 3 мм.
Большим преимуществом предлагаемого способа является возможность измерения аналитического сигнала с помощью малогабаритной оптоволоконной техники. Использование флуоресцентных зондов и оптоволоконных устройств регистрации сигнала делает возможным дистанционные измерения и измерения в труднодоступных местах.
Небольшое (в пределах нескольких минут) время отклика (время регистрации выходного сигнала) является одним из наиболее важных требований к современным сенсорным системам. Использование флуоресценции в качестве аналитического сигнала позволяет сравнительно легко получить эти значения. Показано, что разгорание флуоресценции в изученных образцах происходит в течение нескольких десятков секунд.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - изменения в спектрах флуоресценции образца сенсорного материала под действием насыщенных паров ацетона во времени;
на фиг.2 - кинетика изменения интенсивности флуоресценции сенсорного материала под действием паров ацетона.
Предложенный способ детектирования ацетона в газовой фазе осуществляется следующим образом. Сенсорный слой, представляющий собой слой прозрачного ксерогеля, содержащего флуорофор - краситель Нильский красный, толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров на поверхности твердой подложки, облучают светом с длиной волны 580 нм. Спектр флуоресценции сенсорного слоя представляет собой широкий пик с максимумом в области 670 нм (фиг.1). Под действием паров ацетона соединений происходит изменение интенсивности флуоресценции сенсорного слоя со смещением максимума полосы флуоресценции в область 654 нм.
Рассмотрим конкретный пример реализации данного изобретения.
-4
3
макс
Для получения сенсорного материала на основе прозрачного флуоресцентного ксерогеля в круглодонную колбу помещали 3 мл тетраэтоксисилана, 0.98 мл дистиллированной воды, 0.04 мл концентрированной соляной кислоты и 3 мл метанола. Раствор перемешивали на скорости 250 об./мин при температуре 60°С в течение 1.5 часов. Реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, после чего к 0.5 мл реакционной смеси добавили 0.5 мл раствора Нильского красного в метаноле с концентрацией 5×10 моль/л и 0.1 мл гидроксида аммония. Смесь оставляли при комнатной температуре в закрытой емкости на 10 минут до окончания гелеобразования, после чего емкость открывали и сушили гель при комнатной температуре в течение 24 часов. Полученный твердый продукт размалывали с помощью ступки с пестиком, после чего наносили на стеклянные подложки. Для получения спектров флуоресценции в присутствии паров ацетона образцы помещали в герметичный бокс объемом 15 см, оснащенный системой принудительной циркуляции воздуха, в который помещали стеклянную кювету с 0.5 мл ацетона. Спектры флуоресценции образцов регистрировали с помощью введенного в бокс оптоволоконного флуоресцентного зонда R400-7 UV/VIS, присоединенного к оптоволоконному спектрофлуориметру D-2000 Ocean Optics. Зонд размещали перпендикулярно образцу на расстоянии 5 мм от сенсорного слоя. В качестве источника света использовали светодиод (λ=580 нм), освещение образца проводили через регистрирующий зонд. Запись спектров производили с использованием программного обеспечения Ocean Optics OOIBase 32, время интегрирования 300 мс, усреднение по трем спектрам. Измерение интенсивности проводилось на длине волны 660 нм.
На фиг.1 представлены изменения спектра флуоресценции сенсорного материала под действием насыщенных паров ацетона во времени. Видно, что происходит разгорание флуоресценции, сопровождающееся гипсохромным смещением максимума полосы флуоресценции.
На фиг.2 представлена кинетика изменения интенсивности флуоресценции сенсорного материала под действием паров ацетона; стрелками обозначены моменты впуска паров (А) и начала продувки - окончания экспозиции (Б). Время отклика образца составляло 9 сек. Под временем отклика понимается промежуток времени, за который уровень сигнала после начала подачи паров аналита изменяется более чем на 5σ, где σ - среднеквадратичное отклонение зависимости интенсивности флуоресценции образца от времени в отсутствие аналита (для данного примера измеренное значение σ составляет 2.83).