Способ определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе
Владельцы патента RU 2319958:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (RU)
Изобретение относится к аналитической химии неорганических соединений и может быть применено при анализе паров аммиака в воздухе. Способ определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе включает приготовление хемосорбента, заполнение им тест-устройства, экспонирование в парах аммиака, регистрацию аналитического сигнала в течение 10-15 с и нахождение концентрации аммиака по градуировочному графику, причем в качестве тест-устройства применяют пьезокварцевый резонатор, электроды которого модифицированы раствором сульфосалициловой кислоты так, что масса пленки после удаления растворителя сушкой в сушильном шкафу при температуре 40-50°С в течение 15-20 мин и при горизонтальном расположении резонатора составила 10-15 мкг. Достигается высокая чувствительность, точность, экспрессность и селективность анализа. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к аналитической химии неорганических соединений и может быть использовано для определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе и газовой смеси любого состава.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения концентрации паров аммиака с помощью индикаторных трубок на основе нитрата ртути (II) [Ю.А.Золотов, В.Г.Амелин // Тест-методы анализа. - М.: Химия, 2002, - 290 с.].
Недостатком существующего способа является токсичность чувствительного реагента-наполнителя (соль ртути), высокий предел обнаружения при определениях микроконцентраций паров аммиака в газовой фазе, длительность анализа, необходимость аспирации воздуха, субъективность фиксирования аналитического сигнала, зависимость длины окрашенной зоны от внутреннего диаметра трубки, скорости просачивания воздуха, нечеткости границы окрашенной области вследствие размывания хемосорбента. Для способа характерны высокие погрешности, что связано с различной плотностью набивки индикатора и неравномерностью пропитки носителя.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения паров аммиака в воздухе в диапазоне концентраций 0,01-10 мг/м3 с применением пьезокварцевого преобразователя с тонкопленочным покрытием, характеризующегося высокой чувствительностью, с низкими пределами обнаружения, точностью, экспрессностью и селективностью анализа, объективностью измерения и принятия решения, безопасностью применяемых реагентов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе, включающем приготовление хемосорбента, заполнение им тест-устройства, экспонирование в воздухе, определение концентрации аммиака, новым является то, что в качестве тест-устройства применяют пьезокварцевый резонатор, электроды которого модифицируют нанесением на них раствора сульфосалициловой кислоты так, чтобы масса пленки сорбента после удаления растворителя сушкой в сушильном шкафу при температуре 40-50°С в течение 15-20 мин и горизонтальном расположении резонатора составила 10-15 мкг, регистрируют изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора с пленкой (сенсор) в газовой смеси или воздухе с аммиаком в течение 10-15 с, по которому находят концентрацию аммиака с применением градуировочного графика .
Технический результат изобретения заключается в разработке способа определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе за счет протекания химической реакции на поверхности покрытия, расширении базы существующих модификаторов для определения микроконцентраций аммиака в воздухе, сокращении общего времени анализа, снижении пределов обнаружения и относительной погрешности, существенного повышения избирательности определения и объективности измерений и принятия решения, повышения экспрессности измерений и безопасности подготовки измерительного устройства к работе.
Фиг.1. - Градуировочный график для определения содержания паров аммиака по изменению частоты колебаний пьезокварцевого резонатора с пленкой сульфосалициловой кислоты на электродах 
.
Фиг.2. - Сорбционная активность пленки сульфосалициловой кислоты к соединениям различной природы: 1 - аммиак, 2 - вода, 3 - этанол, 4 - анилин, 5 - ацетон, 6 - метилэтилкетон, 7 - фенол, 8 - сероводород.
Способ определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе заключается в следующем.
На электроды пьезокварцевого резонатора наносят раствор сульфосалициловой кислоты так, чтобы масса пленки сорбента после удаления растворителя сушкой в сушильном шкафу при температуре 40-50°С в течение 15-20 мин и горизонтальном расположении резонатора составила 10-15 мкг. Подготовленный резонатор с пленкой помещают в закрытую ячейку детектирования и фиксируют исходный («нулевой») отклик сенсора - частоту колебания. Затем в ячейку вкалывают шприцем пробу воздуха, содержащую пары аммиака на уровне микроконцентраций (0,01-10 мг/м3). Регистрируют частотомером или с помощью компьютера изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора с пленкой (сенсор) в газовой смеси или воздухе с аммиаком в течение 10-15 с. Рассчитывают изменение частоты колебаний сенсора при введении паров аммиака и по градуировочному графику 
, который строят по стандартным газовым смесям, находят концентрацию его в анализируемой пробе воздуха (фиг.1).
Для оценки чувствительности и селективности определения пьезокварцевый резонатор с пленкой сульфосалициловой кислоты (сенсор) экспонируют в парах тест-соединений (фиг.2). Сенсор на основе сульфосалициловой кислоты проявляет чрезвычайно высокое сорбционное сродство к аммиаку при практически полной сорбционной инертности к другим соединениям.
Положительный эффект по предлагаемому способу достигается за счет того, что сульфосалициловая кислота характеризуется селективностью и специфичностью к парам аммиака, обусловленной высокими кислотными свойствами сульфогруппы, что, в свою очередь, способствует протеканию химической реакции по сульфогруппе с образованием аммиаката сульфосалициловой кислоты, затем обратимым взаимодействием по карбоксильной и гидроксильной группам.
Концентрацию паров аммиака находят по градуировочному графику 
, который строят по стандартным газовым смесям аммиака.
Все измерения проводят в закрытой моносенсорной ячейке детектирования с инжекторным вводом пробы в статических условиях.
Способ поясняется следующим примером.
Пример
На два обезжиренных этиловым спиртом электрода пьезокварцевого резонатора AT - среза с собственной частотой колебаний 8-10 МГц наносят микрошприцем раствор сульфосалициловой кислоты и удаляют свободный растворитель в сушильном шкафу 20 мин при температуре 45°С, располагая резонатор строго горизонтально в держателе. Масса пленки после сушки и охлаждения составляет 15,5 мкг. Подготовленный резонатор с пленкой (сенсор) помещают в закрытую ячейку детектирования и фиксируют исходный («нулевой») отклик - частоту колебания. Дрейф "нулевой" линии после сушки составляет ±3 Гц/мин. При большем отклонении резонатор с пленкой повторно сушат. Затем в ячейку детектирования поочередно вкалывают шприцем стандартные газовоздушные смеси с известной концентрацией аммиака (0,01-10 мг/м3). Регистрируют частотомером или с помощью компьютера изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора с пленкой (сенсор) в газовой смеси или воздухе с аммиаком в течение 10-15 с. Рассчитывают изменение частоты колебаний сенсора при введении паров аммиака и строят градуировочный график в координатах 
(фиг.1). Вкалывают в детектор шприцем анализируемую пробу воздуха, содержащую аммиак. Фиксируют частотомером или с помощью компьютера изменения отклика сенсора (частота колебаний) в течение 10 с. Рассчитывают изменение частоты колебаний сенсора (аналитический сигнал) при введении паров аммиака и по градуировочному графику (фиг.1) находят концентрацию его в анализируемой пробе воздуха.
Без обновления пленок возможен анализ 10-12 проб, включая градуировочные смеси. После этого пленка легко смывается водой и повторно наносится на этот же преобразователь.
При реализации способа определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе снижается предел обнаружения аммиака в газовой фазе; повышается воспроизводимость измерений; устраняется мешающее влияние сопутствующих компонентов при анализе паров аммиака; повышаются экспрессность и селективность определения; не применяются токсичные реагенты для подготовки устройства к работе.
Способ осуществим.
Сравнительная характеристика заявляемого способа и прототипа приведена в таблице.
Как видно из примера, таблицы и фиг.1-2, положительный эффект по способу определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе достигается при применении в качестве тест-устройства пьезокварцевого преобразователя, модифицированного раствором сульфосалициловой кислоты, путем нанесения его на два электрода с последующей сушкой, горизонтально укрепляя в держателе резонатор, в течение 15-20 мин при температуре 45-50°С, так, что масса пленки сорбента составляет 10-15 мкг, концентрацию аммиака находят по градуировочному графику по отклику резонатора с пленкой в парах аммиака, измеренному в течение 10-15 с.
Разработанный способ позволяет определять аммиак в воздухе на уровне концентраций 0,01-10 мг/м3, снизить общее время анализа (до 1 мин). Способ экспрессный, легко осуществимый, высокоселективный, применим для определения паров аммиака в воздухе различных объектов и сложных смесей газов.
Изменение природы сорбента, способа формирования пленки модификатора, положения резонатора, температуры и времени при сушке, а также ее массы не позволяет сформировать однородное тонкопленочное покрытие на поверхности пьезокварцевого преобразователя и, как следствие, приводит к снижению чувствительности и высокой погрешности определения аммиака. Изменение времени регистрации аналитического сигнала сенсора при сорбции приводит к высоким погрешностям построения градуировочного графика и количественной оценки паров аммиака в газовой фазе.
Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет:
- снизить предел обнаружения аммиака в газовой фазе в 10 раз;
- повысить воспроизводимость анализа в 5 раз;
- увеличить воспроизводимость стадии формирования чувствительного слоя сорбента в 5 раз;
- устранить мешающее влияние сопутствующих компонентов при анализе паров аммиака;
- сократить общее время анализа в 5 раз;
- повысить селективность определения;
- повысить объективность измерения и принятия решения;
- не применять токсичные реагенты для подготовки устройства к работе.
| Таблица | ||
| Сравнительная характеристика заявляемого способа и прототипа по определению микроконцентраций паров аммиака в воздухе | ||
| Критерии | Способ | |
| Прототип | Заявляемый | |
| Диапазон определяемых концентраций | 4-30 мг/м3 | 0,01-10 мг/м3 |
| Токсичность чувствительного слоя | + | - |
| Устройство для забора пробы воздуха | + | + |
| Необходимость предварительной аспирации | + | - |
| Регенерация и возможность многократного применения | - | - |
| Возможность повторного применения при обновлении поверхности чувствительного слоя | - | + |
| Мешающее влияние компонентов | амины, водяной пар | не обнаружено |
| Стоимость одного определения (без учета стоимости вспомогательного оборудования) | 400 р. | 50 р. |
| Субъективность определения концентраций | + | - |
| Сложность интерпретации результатов | + | - |
| Время анализа | 5 мин | 1 мин |
| Погрешность стадии формирования чувствительного слоя, % | 17-20 | 5 |
| Погрешность анализа, % | 5-10 | 2-3 |
| Эксплуатационная долговечность в отсутствии паров аммиака | 2 мес. | 8 мес. |
Способ определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе, включающий приготовление хемосорбента, заполнение им тест-устройства, экспонирование в парах аммиака, отличающийся тем, что в качестве тест-устройства применяют пьезокварцевый резонатор, электроды которого модифицируют нанесением на них раствора сульфосалициловой кислоты так, чтобы масса пленки сорбента после удаления растворителя сушкой в сушильном шкафу при температуре 40-50°С в течение 15-20 мин и при горизонтальном расположении резонатора составила 10-15 мкг, регистрируют изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора с пленкой (сенсора) в газовой смеси или в воздухе с аммиаком в течение 10-15 с, по которому находят концентрацию аммиака с применением градуировочного графика 
.
