Газоанализатор взрывчатых веществ на основе пьезосенсоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 543.07:54

ГАЗОАНАЛИЗАТОР ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОСЕНСОРОВ

к.х.н. Кочетова Ж.Ю.

д.х.н., проф. Кучменко Т.А.

д.ф.-м.н. проф. Базарский О.В.

Специалисты многих стран работают над созданием приборов, позволяющих своевременно обнаруживать взрывчатые устройства. В числе приборов, позволяющих выявлять скрытые взрывчатые устройства, видное место занимает аппаратура непосредственного обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) по детектированию их паров и частиц, присутствующих в тех или иных количествах вблизи или на поверхности террористической «бомбы». Количества взрывчатых веществ, которые необходимо обнаружить в воздухе с помощью газоаналитического детектора, ничтожно малы. В таблице 1 приводятся приблизительные данные о давлении их насыщенных паров при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре [1].

взрывчатый вещество газоанализатор давление

Таблица 1 - Данные об испаряемости некоторых взрывчатых веществ

Для специалиста, проводящего поиск и обезвреживание взрывоопасных предметов, в большинстве случаев важна только одна информация - есть взрывчатое вещество или нет. Высокоточный анализ ВВ может быть осуществлен в лабораторных условиях с помощью, например, приборов газовой хроматографии. Поэтому необходима разработка чувствительных, надежных, экономичных, мобильных простых в эксплуатации тест-устройств для быстрого обнаружения взрывчатых веществ.

Цель исследований: разработка высокочувствительного и селективного газоанализатора для обнаружения азотсодержащих взрывчатых веществ. В ходе исследований стремились достичь наиболее оптимальных характеристик, предъявляемых к анализаторам: избирательность и высокая чувствительность к азотсодержащим веществам; надежная работа при относительной влажности от 30 до 85 % и температурах (-10 30) С; низкая чувствительность к изменениям концентраций естественных атмосферных газов; малые габариты; быстродействие (время срабатывания не более 5 с).

По техническим характеристикам в качестве чувствительного элемента анализатора ВВ выбран пьезоэлектрический кварцевый резонатор (ПКР) АТ-среза. Конструирование наносенсора на основе ПКР осуществляется путем нанесения на поверхность его электродов твердых, жидких или вязкоупругих тонких пленок. Аналитическим сигналом сенсора является сдвиг резонансной частоты (f_р, Гц) в результате присоединения дополнительной массы (m, нг) к чувствительному пленочному покрытию электродов ПКР.

Чувствительность сенсоров в значительной степени зависит от собственных характеристик ПКР. Уменьшение диаметра электродов и повышение собственной частоты колебаний ПКР приводит к повышению чувствительности сенсора, но при этом уменьшается вероятность сорбции молекул газа на пленочном покрытии, и повышается дрейф нулевого сигнала, что делает определение малых концентраций ( 1 нг) невозможным. Для определения наноколичеств ВВ в воздухе выбран ПКР с оптимальными характеристиками - диаметром электродов 2 мм и собственной резонансной частотой 15 МГц, при этом минимальное регистрируемое приращение массы составляет 1 нг [2, 3]. Основным фактором, влияющим на сорбционные характеристики сенсоров, являются свойства чувствительного пленочного покрытия электродов. Поэтому главная задача, решаемая при конструировании сенсоров, состоит в создании пленочного покрытия электродов, обеспечивающего высокую чувствительность, селективность к определяемым веществам, легкость регенерации, механическую устойчивость и химическую инертность. На первом этапе работы осуществляли систематический поиск высокочувствительных и селективных покрытий электродов пьезокварцевых резонаторов к парам азотсодержащих взрывчатых веществ (нитроглицерину, тринитротолуолу, аммиачной селитре). В качестве вещества-тестора для оценки чувствительности пленочных покрытий электродов ПКР к азотсодержащим веществам применяли аммиак. Тестирование чувствительных покрытий осуществляли в статических условиях в герметично закрытой ячейке детектирования. Заданную концентрацию веществ-тесторов получали методом последовательного разбавления газовых фаз (концентрация исходных растворов составляла 100 нг/см³). Относительная влажность воздуха 55 2 %.

При выборе модификаторов электродов ПКР для детектирования азотсодержащих веществ оценивали величину аналитического сигнала при сорбции и десорбции паров веществ и воды (f_c и f_д, Гц); селективность к азотсодержащим веществам относительно паров воды (А, %); относительную потерю массы пленки сорбента после 10 циклов сорбция-десорбция (m¹⁰, %).

Для получения устойчивого и селективного сенсора применяли послойное формирование пленочного покрытия электродов ПКР. Сначала ПКР погружали в перемешиваемый с постоянной скоростью раствор полистирола (ПС) в толуоле с концентрацией 1 мг/см³. После статического испарения свободного растворителя на образующуюся тонкую полистирольную пленку-подложку аналогичным способом наносили активные компоненты - металлы комплексообразователи (ацетоновые растворы нитратов кобальта, циркония и хлорида железа). Оптимальные массы пленочных покрытий (m, мкг) для детектирования наноконцентраций паров аналитов установлены ранее [4] и составляют 15 - 20 мкг. Для получения желаемой массы пленочных покрытий погружение ПКР в коллоидные растворы солей повторяли 5 - 6 раз. Сформированные таким образом пленочные покрытия электродов характеризуются хорошей воспроизводимостью геометрии поверхности и сорбционных свойств при повторном нанесении.

Установлено, что с увеличением К_уст комплексного соединения, образующегося в результате экспонирования сенсора в парах аммиака, сорбционная активность и селективность модификатора возрастают и наибольшие у сенсора на основе ПС с нитратом циркония (ПС+Zr⁴⁺). При варьировании массового содержания Zr⁴⁺ в пленке характеристики сорбции изменяются: с увеличением массовой доли металла-комплексообразователя от 10 до 90 % сорбционная активность сенсора возрастает в 2,2 - 2,7 раза, селективность изменяется незначительно, но значительно ухудшается устойчивость пленочного покрытия. Для повышения устойчивости и селективности сенсоров проводили дополнительную модификацию пленок-активаторов, цель которой включение в состав сорбента высоко устойчивых и инертных к парам воды фенолятов. Устойчивость пленок после дополнительной модификации увеличивается на 1 - 2 порядка. Селективность и чувствительность выбранной пленки повышали путем увеличения содержания циркония в смешанном сорбенте (таблица 2), при этом масса пленочного покрытия электродов ПКР оставалась постоянной (m=18,7 мкг).

Таблица 2 - Характеристики сорбции NH₃ с концентрацией 50 нг/см³ на пленках Zr⁴⁺ c полистирольной подложкой и дополнительной модификацией фенолом

*относительная влажность воздуха, %

Избыток ПС в растворе сорбента ( 50 % масс.) обусловливает низкую селективность сенсора вследствие малого количества образующегося при дополнительной модификации фенолята циркония на поверхности пленки. При (Zr⁴⁺) 50 % масс. в смеси с ПС и, соответственно, массы дополнительного модификатора 0,5 мкг возрастает селективность сенсора (мешающее действие паров воды при влажности воздуха 60 % отн. не превышает 7 %), улучшается устойчивость пленки (230 - 300 циклов сорбция - десорбция без значительной потери массы и изменения сорбционной активности). Регенерацию наносенсора осуществляют продувкой ячейки детектирования газоанализатора инертным газом в течение 1 -2 мин. При (Zr⁴⁺) = 90 % мас. чувствительность сенсора максимальна и составляет 8 Гц cм³/ нг.

В статических условиях оценивали сорбционную активность пленки по отношению к различным классам органических соединений и некоторым неорганическим газам: спирты, кетоны, ароматические соединения и неорганические оксиды (кроме оксидов азота) не мешают определению аммиака.

Минимальное содержание азотсодержащих ВВ, которое можно определить в воздухе с применением разработанного наносенсора, для нитроглицерина, тринитротолуола и аммиачной селитры составляет соответственно 21, 202, 2 1 нг/см³.

Газоанализатор взрывчатых веществ на основе наносенсора, сформированного послойной модификацией электродов пьезокварцевого резонатора полистирольной подложкой и нитратом циркония с дополнительной модификацией пленки фенолом, характеризуется высокой чувствительностью и селективностью к азотсодержащим соединениям; мобильностью и невысокой стоимостью. Основные преимущества способа тест-анализа взрывчатых веществ заключаются в полном отсутствии пробоподготовки и быстроте получения аналитической информации (2-4 мин, включая время настройки), а также нетребовательности к квалификации работника.

Список литературы

1. Вандышев Б.А. Обнаружение взрывчатых веществ путем анализа их паров и частиц // Специальная техника. 1998. № 2. С. 209.

2. Эггинс Б. Мир электроники. Химические и биологические сенсоры. - М.: Техносфера, 2005.- 336 с. - ISBN 5-94836-045-8.

3. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с. - ISBN 5-283-01507-6.

4. Кучменко Т.А., Кочетова Ж.Ю., Силина Ю.Е. и др. Определение микроконцентраций сероводорода в потоке газа с применением пьезодетектора // Журнал аналитической химии. 2007. Т. 62. № 8. С. 866-874.

Размещено на Allbest.ru