СПОСОБ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ И МАТРИЧНЫЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ANALYSING CONTENT OF VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS IN GASEOUS MEDIUM, AND MATRIX ANALYSER USED FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для определения в окружающем воздухе в режиме реального времени содержания летучих органических соединений (ЛОС), таких как бензол, толуол, ксилол, нафталин, антрацен, пирен и других. Оно также может быть использовано для целей неинвазивной медицинской диагностики, основанной на анализе выдыхаемого человеком воздуха, в котором повышенное содержание таких веществ, как ацетон, метанол, этанол, фенол, производных бензола и т.д., может свидетельствовать о развитии определенных заболеваний и, следовательно, может служить важным диагностическим признаком.
Анализ содержания ЛОС в воздухе представляет собой довольно трудную задачу, которая решается обычно с помощью дорогих и громоздких приборов, таких как хроматографы, масс-спектрометры и др.
Известны и портативные устройства для определения летучих органических соединений, например портативный газоанализатор суммы летучих органических соединений VX-500 или газоанализатор МХ6 iBrid.
Недостатком таких устройств и реализуемого ими способа является невозможность раздельного определения концентраций компонентов в смеси летучих органических соединений. Это обусловлено использованием в этих приборах неселективного фотоионизационного детектора. При этом определяется суммарная концентрация всех компонентов ЛОС без разделения по компонентам.
Известно устройство для анализа различных компонентов газообразных и жидких веществ, содержащее матрицу флуоресцирующих сенсорных элементов и источники света - электролюминесцентные элементы по числу сенсорных элементов. Способ анализа осуществляется путем приведения анализируемой среды в контакт с элементами матрицы, возбуждения флуоресценции каждого элемента с помощью соответствующего источника света и измерения интенсивности флуоресценции каждого элемента матрицы, зависящей от концентрации определенного компонента. Для уменьшения перекрестного влияния на измерение флуоресценции соседних элементов матрицы устройство может содержать светофильтры (патент US 6331438 B1, 2001).
Недостатком известных способа и устройства является одновременное возбуждение всех сенсорных элементов излучением электролюминесцентных элементов, что приводит к значительному перекрестному влиянию на фотоприемник соседних флуоресцирующих элементов и резко снижает точность определения концентраций компонентов смеси. Использование светофильтров для уменьшения влияния перекрестных помех имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, спектры флуоресценции различных хемосенсорных элементов, реагирующих на различные вещества (например, на бензол и ацетон), могут перекрываться или даже совпадать. В этом случае оптические фильтры не будут устранять влияние перекрестных помех.
Во-вторых, спектр излучения возбуждения одних сенсорных элементов может перекрываться со спектром флуоресценции других сенсорных элементов, что создает значительные перекрестные помехи между элементами, которые также не могут быть устранены светофильтрами.
В-третьих, замена хемосенсорной матрицы для анализа другого набора летучих органических соединений приводит к необходимости замены набора светофильтров в устройстве.
Задачей изобретения является создание надежного способа и портативного устройства для раздельного определения концентраций компонентов в смеси ЛОС.
Техническим результатом изобретения является устранение влияния перекрестных помех от флуоресценции соседних или близко расположенных хемосенсорных элементов на систему регистрации для повышения точности определения концентрации ЛОС.
Это достигается тем, что в способе анализа содержания летучих органических соединений в газовой среде с использованием матрицы флуоресцирующих хемосенсорных элементов, чувствительных к компонентам летучих органических соединений, путем приведения анализируемой среды в контакт с элементами матрицы, возбуждения флуоресценции каждого элемента с помощью соответствующего источника света и измерения интенсивности флуоресценции каждого элемента матрицы, зависящей от концентрации определенного компонента, согласно изобретению возбуждение флуоресценции и измерение интенсивности флуоресценции хемосенсорных элементов осуществляют поочередно, причем возбуждение флуоресценции осуществляют с помощью светодиодов путем включения каждого на промежуток времени от 1 до 100 миллисекунд.
Технический результат также достигается матричным анализатором летучих органических соединений, содержащим матрицу флуоресцирующих хемосенсорных элементов, чувствительных к компонентам летучих органических соединений, оптически связанные с ними источники света для возбуждения флюоресценции хемосенсорных элементов и систему управления и регистрации результатов анализа, в котором согласно изобретению источники света представляют собой светодиоды, а система управления и регистрации результатов анализа выполнена с возможностью поочередного включения светодиодов на промежуток времени от 1 до 100 миллисекунд и измерения интенсивности флуоресценции каждого элемента.
Конструкция матрицы хемосенсорных элементов предпочтительно выполнена в виде сменного элемента, что позволяет быстро изменять набор определяемых анализатором летучих органических соединений.
Для исключения погрешности измерения интенсивности флуоресценции от саморазогрева светодиодов система управления и регистрации результатов анализа обеспечивает время их включения на промежуток времени от 1 до 100 миллисекунд.
На фиг.1 приведена функциональная схема матричного анализатора летучих органических соединений. На фиг.2 изображена конструкция матрицы хемосенсорных элементов. На фиг.3 изображен вид сечения по линии А-А матрицы хемосенсорных элементов.
2
Матричный анализатор летучих органических соединений, функциональная схема которого приведена на фиг.1, содержит хемосенсорную матрицу 1, состоящую из корпуса 2 и прозрачной крышки 3. В корпусе выполнен газовый канал 4, в котором расположены хемосенсорные элементы 5. Хемосенсорные элементы 5 образуют матрицу из (n×n) элементов (в данном случае 4×4 элемента). Размер каждого хемосенсорного элемента 5 составляет около (2×2) мм. Для подачи к хемосенсорным элементам 5 исследуемой газовой смеси служит микронасос 6 с устройством 7 управления микронасосом. Патрубок 8 соединяет выход микронасоса 6 со входом газового канала 4, а патрубок 9 соединяет выход газового канала 4 с наружным воздухом. С каждым хемосенсорным элементом 5 через прозрачную крышку 3 оптически связан оптико-электронный блок 10. Всего таких блоков в данном случае 16. Каждый оптико-электронный блок состоит из светодиода 11 возбуждения, импульсного модулятора 12, отрезающего светофильтра 13, кремниевого фотодиода 14, предварительного усилителя 15. Значение тока для всех импульсных модуляторов 12 задает цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16.
Выходные сигналы каждого предварительного усилителя 15 подаются на входы усилителя-коммутатора 17, а выход усилителя-коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18. Выход АЦП 18 соединен с микропроцессором 19. С микропроцессором 19 соединен жидкокристаллический дисплей 20 для отображения результатов измерений концентраций ЛОС, клавиатура 21 для взаимодействия с оператором и модуль 22 связи с персональным компьютером. Кроме того, с микропроцессором 19 связаны устройство 7 управления микронасосом, каждый импульсный модулятор 12, вход управления усилителем - коммутатором 17 и вход запуска АЦП 18.
Способ анализа летучих органических соединений осуществляется следующим образом.
Микропроцессор 19, получив с клавиатуры 21 команду на измерение концентрации компонентов ЛОС, включает микронасос 6 через устройство 7 управления микронасосом. Анализируемая газовая смесь прокачивается через газовый канал 4, в котором расположены хемосенсорные элементы 5. Скорость прокачки поддерживается постоянной для обеспечения неизменных условий взаимодействия газовой смеси с хемосенсорными элементами 5. Хемосенсорные флуоресцирующие элементы 5 представляют собой синтез полимерных или силикатных наночастиц диаметром 50-400 нм, покрытых оболочкой с рецепторными центрами, чувствительными к ЛОС. Каждый хемосенсорный элемент селективно чувствителен к определенному компоненту ЛОС.
В процессе взаимодействия ЛОС с хемосенсорными элементами 5 микропроцессор начинает последовательно включать модуляторы 12, которые задают ток через светодиоды 11. Излучение светодиода 11 возбуждает флуоресценцию соответствующего хемосенсорного элемента 5. Длина волны излучения светодиода 11 возбуждения выбирается такой, чтобы флуоресцентный отклик хемосенсорного элемента 5 был максимален.
Величина тока через каждый модулятор 12, а следовательно, и через светодиод 11 устанавливается с помощью ЦАП 16. Значение этого тока задается в ЦАП 16 по последовательному интерфейсу из микропроцессора 19.
Величина этого тока устанавливается по максимуму флуоресцентного отклика для каждого хемосенсорного элемента 5 в пределах допустимых значений для каждого светодиода 11.
Излучение флуоресценции от возбужденного хемосенсорного элемента 5 через отрезающий светофильтр 13 поступает на датчик излучения - фотодиод 14. Спектральная характеристика отрезающего светофильтра 13 выбирается таким образом, чтобы излучение светодиода 11 (излучение возбуждения) не пропускалось, а излучение флуоресценции пропускалось светофильтром 13 на фотодиод 14. Выходные сигналы каждого фотодиода 14 усиливаются предварительными усилителями 15, выходы которых подключаются к входам усилителя-коммутатора 17. Усилитель-коммутатор 17 представляет собой аналоговый коммутатор на 16 каналов и усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Управление усилителем-коммутатором 17 осуществляется по последовательному интерфейсу от микропроцессора 19. Микропроцессор 19 выдает команды для поочередного подключения входов аналогового усилителя-коммутатора 17 к выходам усилителей 15, а также по последовательному интерфейсу устанавливает необходимый для выбранного канала коэффициент усиления. Значения коэффициентов усиления для всех каналов определяются при процедуре калибровки и хранятся в памяти микропроцессора 19. Усиленный сигнал выбранного канала с выхода усилителя-коммутатора 17 поступает на вход АЦП 18. Микропроцессор 19 осуществляет запуск АЦП 18 и прием кода данных из АЦП 18. Таким образом, проводится опрос всех каналов и измеренные значения запоминаются в памяти микропроцессора 19.
Поскольку осуществляется поочередное включение светодиодов 11 и регистрация излучения соответствующих хемосенсорных элементов 5, то исключается влияние излучения соседних светодиодов 11 и хемосенсорных элементов 5 на результат измерения, следовательно, обеспечивается точность измерения.
Для исключения погрешности измерения интенсивности флуоресценции от саморазогрева светодиодов 11 время их включения ограничивают промежутком времени от 1 до 100 миллисекунд. Это время определяется временем аналого-цифрового преобразования.
В связи с тем, что реакция хемосенсорных элементов 5 на ЛОС может занимать определенное время (инерционность хемосенсорных элементов), микропроцессор 19 выполняет достаточное количество таких циклов измерений для определения установившихся значений интенсивностей флуоресценции хемосенсорных элементов 5. По установившимся значениям интенсивностей флуоресценции проводится расчет концентраций компонентов ЛОС в соответствии с данными калибровки, получаемыми при изготовлении хемосенсорной матрицы. Эти калибровочные данные заносятся в память микропроцессора 19 перед началом измерений.
Для загрузки калибровочных данных, обновления программного обеспечения матричного анализатора, а также для чтения данных о концентрациях ЛОС в персональном компьютере служит модуль связи 22 с персональным компьютером.