АНАЛИЗАТОР ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
ANALYZER FOR SELECTIVE DETERMINATION OF VOLATILE AROMATIC HYDROCARBONS

Изобретение относится к приборостроению и может быть использована в качестве портативного анализатора для определения в окружающем воздухе содержания летучих ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол, ксилолы.
Известны анализаторы, обеспечивающие возможность селективного определения содержания летучих ароматических углеводородов в газовой среде, работа которых основана на возбуждении флуоресценции хемосенсорных элементов, чувствительных к определяемым углеводородам.
Так, известен анализатор содержания летучих органических соединений в газовой среде [RU 2427822]. Данное устройство содержит матрицу флуоресцирующих хемосенсорных элементов, материал каждого из которых чувствителен к одному из определяемых компонентов. Устройство также содержит излучатель, включающий совокупность светодиодных источников света, каждый из которых оптически связан с одним из хемосенсорных элементов и предназначен для возбуждения его флуоресценции. Устройство включает систему управления и регистрации результатов анализа, обеспечивающую поочередное периодическое включение каждого источника света и измерение интенсивности флуоресценции каждого хемосенсорного элемента в соответствующем спектральном канале, а также определение концентраций компонентов на основании указанных измерений.
Данное устройство обеспечивает возможность селективного определения концентрации ряда компонентов смеси летучих органических соединений.
Однако рассматриваемое устройство является сложным по конструкции и потребляет значительное количество энергии, что связано с наличием матрицы хемосенсорных элементов и наличием собственного источника света в каждом спектральном измерительном канале. Кроме того, в данном устройстве не учитывается влияние изменения влажности и температуры газовой среды на результаты определения концентраций.
Наиболее близким к заявляемому анализатору является устройство, с помощью которого реализован способ селективного определения концентрации летучих ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилолы в газовой смеси, описанное в [RU 2534729]. Указанное устройство выбрано авторами в качестве ближайшего аналога.
2
В данном анализаторе используется единый флуоресцирующий хемосенсорный элемент, имеющий сенсорный слой, содержащий флуорофор, выбранный из группы β-дикетонатов бора, чувствительный к каждому из определяемых компонентов. В частности, в качестве флуорофора использован дибензоилметонат дифторида бора (ДБМБФ) или его метил - или метоксипроизводное.
Анализатор содержит облучатель, включающий светодиодный источник УФ света, излучение которого лежит в диапазоне длин волн 355-400 нм. Указанный источник света предназначен для возбуждения флуоресценции сенсорного слоя хемосенсорного элемента, спектр флуоресценции которого лежит в диапазоне длин волн 400-550 нм.
Анализатор также содержит систему управления и регистрации результатов анализа, выполненную с возможностью периодического импульсного включения светодиодного источника УФ света и измерения интенсивности флуоресценции сенсорного слоя.
В качестве датчика интенсивности флуоресценции система управления и регистрации результатов анализа содержит, в частности, оптоволоконный спектрометр.
Измерение интенсивности флуоресценции в системе управления и регистрации результатов анализа осуществляется в четырех спектральных каналах, соответствующих спектральным областям, в которых наблюдается максимальная интенсивность флуоресценции флуорофора и его эксисплексов с бензолом, толуолом и ксилолами.
Система управления и регистрации результатов анализа содержит вычислитель, выполненный с возможностью расчета на основании вышеуказанных измеренных значений относительных интенсивностей флуоресценции спектров флуорофора и его эксисплексов с бензолом, толуолом и ксилолами и определения по указанным относительным интенсивностям концентрации каждого углеводородного компонента (с использованием заранее полученных калибровочных кривых).
Данное устройство позволяет селективно определять концентрации летучих ароматических углеводородов, при этом, благодаря использованию единого хемосенсорного элемента, упрощается конструкция устройства и снижается его энергопотребление.
Однако в данном устройство не учитывается влияние изменения влажности и температуры газовой среды на результаты определения концентраций летучих ароматических углеводородов.
Проблемой, решение которой обеспечивается при реализации изобретения, является повышение точности устройства.
Сущность изобретения заключается в том, что в анализаторе для селективного определения летучих ароматических углеводородов в газовой среде, включающем флуоресцирующий хемосенсорный элемент, имеющий сенсорный слой, содержащий флуорофор, чувствительный к каждому определяемому компоненту, облучатель, включающий источник УФ света, оптически связанный с хемосенсорным элементом и предназначенный для возбуждения флуоресценции сенсорного слоя, систему управления и регистрации результатов анализа, выполненную с возможностью управления включением источника УФ света и измерения интенсивности флуоресценции сенсорного слоя, согласно изобретению облучатель дополнительно содержит оптически связанный с хемосенсорным элементом и предназначенный для его освещения источник синего света, при этом система управления и регистрации результатов анализа выполнена с обеспечением поочередного включения источника УФ света и источника синего света, а также с возможностью измерения интенсивности прошедшего через сенсорный слой синего света.
Принципиально важным в заявляемом устройстве является наличие в облучателе двух поочередно включаемых источников УФ и синего света, а также выполнение системы управления и регистрации результатов анализа (далее система управления и регистрации) с возможностью измерения двух типов световых сигналов и их обработки.
Облучение УФ светом в диапазоне длин волны 355-400 нм возбуждает флуоресценцию сенсорного слоя в диапазоне длин волн 400-550 нм.
Первый тип измеряемых сигналов характеризует флуоресцентный отклик сенсорного слоя на облучение УФ светом. При этом величина и характер изменения указанного сигнала в значительной степени зависят от присутствия в газовой смеси (в окружающем воздухе) определяемых летучих компонентов (аналитов), к которым чувствителен выбранный флуорофор, и от их количественного содержания.
Значения сигналов первого типа в отсутствии аналита соответствуют интенсивности спектра флуоресценции сенсорного слоя в измеряемых спектральных областях. Флуорофор в возбужденном состоянии в присутствии аналитов образует с ними эксисплексы (комплексы), спектры флуоресценции которых значительно отличаются. При этом значения сигналов первого типа заметно изменяются в спектральных областях, соответствующих полосам флуоресценции указанных эксисплексов, по отношению к значениям спектра флуоресценции сенсорного слоя в указанных областях в отсутствии аналитов.
Вычислитель выполнен с возможностью расчета по измеренным значениям сигналов первого типа относительных интенсивностей спектров флуорофора и его эксисплексов с аналитами на максимуме их полосы флуоресценции и определения по отношению интенсивностей соответствующего эксисплекса к интенсивности флуорофора концентрации каждого из аналитов, присутствующих в газовой смеси (с учетом заранее полученных калибровочных кривых).
Облучение синим светом не приводит к возбуждению флуоресценции сенсорного слоя и к образованию эксисплексов флуорофора с аналитами.
Сигналы второго типа характеризуют зависимость от длины волны интенсивности синего света, прошедшего через сенсорный слой, часть которого теряется за счет поглощении и рассеяния материалом сенсорного слоя (далее прошедший синий свет).
Сигналы первого и второго типов лежат в одной спектральной области, соответствующей диапазону длин волн синего света. Важным является, что характеризующие их функциональные зависимости хотя и отличаются, однако, в отсутствии аналитов в газовой среде, коррелированным образом изменяются при изменении влажности и температуры газовой среды.
Это позволяет на основании изменения интенсивности спектра прошедшего синего света в связи с изменением влажности и температуры газовой среды, вносить соответствующие корректировки в расчетные величины, используемые в вычислителе для определения концентраций аналитов, и тем самым получать более точные результаты анализа с учетом реальных значений влажности и температуры.
Так, вычислитель выполнен с возможностью расчета по измеренным величинам сигналов второго типа поправочных коэффициентов, учитывающих изменение указанных величин по отношению к величинам интенсивности прошедшего синего света, полученным при нормальных значениях влажности и температуры газовой среды.
Вычислитель также выполнен с возможностью корректировки рассчитываемых относительных интенсивностей спектров флуорофора и его эксисплексов с аналитами с учетом указанных поправочных коэффициентов, а также использования полученных откорректированных значений относительных интенсивностей для определения концентрации каждого из аналитов.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является возможность получения результатов анализа с учетом изменения влажности и температуры газовой среды, что обуславливает повышение точности устройства.
На фигуре представлена схема заявляемого устройства.
Устройство содержит флюоресцирующий хемосенсорный элемент 1 и облучатель, включающий светодиодный источник (2) УФ света с диапазоном длин волн 355-400 нм и светодиодный источник (3) синего света с диапазоном длин волн 440-520 нм.
2
Элемент 1 включает нанесенный на твердый носитель сенсорный слой, содержащий флуорофор, чувствительный к каждому аналиту. В частности, в устройстве использован флуорофор, выбранный из группы β-дикетонатов бора (например, ДБМБФ или его метил - или метоксипроизводное, чувствительный к бензолу, толуолу и ксилолам).
Источники 2 и 3 установлены с возможностью облучения сенсорного слоя элемента 1 соответственно УФ светом и синим светом.
Устройство также содержит систему 4 управления и регистрации, включающую средство для измерения поступающих от элемента 1 световых сигналов первого и второго типа в диапазоне длин волн 400-550 нм при облучении элемента 1 соответственно УФ светом и синим светом.
Указанное средство включает n измерительных спектральных каналов, соответствующих максимумам полосы флуоресценции флуорофора и его эксисплексов с аналитами.
В каждом канале установлены спектральный фильтр 5, датчик интенсивности светового сигнала 6, выполненный в частности, в виде фотодиода, а также усилитель 7.
В частности, устройство содержит 4 спектральных канала шириной 50-55 нм с центрами полос 410, 440, 480 и 520 нм, что соответствует спектральным областям максимума флуоресценции флуорофора и его эксисплексов с бензолом, толуолом, ксилолами.
Система 4 управления и регистрации также содержит микроконтроллер 8 (далее МК), который связан с выходами спектральных измерительных каналов через АЦП 9.
Микроконтроллер 8 выполнен с возможностью поочередного периодического включения источников 2 и 3 путем выработки синхроимпульсов, управляющих включением генераторов 10 и 11 тока, связанных соответственно с источниками 2 и 3.
МК 8 содержит вычислитель, выполненный с возможностью обработки излучаемых облучателем сигналов.
Устройство преимущественно выполнено в портативном конструктивном исполнении.
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства находящаяся в нем анализируемая газовая смесь взаимодействует с сенсорным слоем элемента 1.
МК 8 вырабатывает синхроимпульсы, управляющие поочередным включением источников 2 и 3.
При облучении элемента 1 УФ светом от источника 2 с помощью фотодетекторов 6 измеряется световой сигнал первого типа, характеризующий интенсивность флуоресценции флуорофора и его эксисплексов с определяемыми аналитами.
С помощью вычислителя в МК 8 по измеренным значениям сигнала первого типа рассчитываются относительные интенсивности спектров флуорофора и его эксисплексов с аналитами на максимуме их полосы флуоресценции.
При облучении элемента 1 синим светом от источника 3 с помощью фотодетекторов 6 измеряется световой сигнал второго типа, характеризующий интенсивность прошедшего синего света, полученный при реальных значениях влажности и температуры газовой среды.
С помощью вычислителя в МК 8 по измеренным значениям сигнала второго типа рассчитываются поправочные коэффициенты, учитывающие изменение указанного сигнала при изменении влажности и температуры газовой среды.
Полученные коэффициенты используются в вычислителе МК 8 для корректировки относительных интенсивностей спектров флуорофора и его эксисплексов с аналитами.
По полученным откорректированным значениям вышеуказанных относительных интенсивностей флуоресценции в вычислителе МК 8 рассчитываются концентрации аналитов.
Результаты определения концентраций аналитов выводятся на индикатор (на чертеже не показан) через цифровой выход (на чертеже позицией не обозначен) МК 8.