CC BY
41
Муродова З.Б.1, Яхшиликова Л.Ж.2, Абдурахманов Э.3 ®
12 3
Докторант; магистрант; профессор, кафедра аналитической химии, Самаркандский государственный университет
РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРОВ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Аннотация
В работе разработана полупроводниковая методика с улучшенными метрологическими характеристиками и на его основе создан сенсор для мониторинга паров этанола в выдыхаемом воздухе и технологических газах.
Ключевые слова: Этиловый спирт, сенсор, мониторинг, воздух.
Одним из распространенных психотропных веществ, является этиловый спирт чрезмерное использование, которого не имеет себе равных. Количество этанола в выдыхаемом человеком воздухе является важнейшим индикатором и процедурным звеном освидетельствования состояния опьянения в медико-оздоровительных учреждениях и дорожно-патрульной службе. В связи с этим, контроль за его концентрацией в газовоздушных системах представляет собой одной из важнейших задач техники безопасности, решения различных экологических и медицинских проблем.
Из всех используемых в практике методов мониторинга содержания этанола наиболее широко применяются химические, газохроматографические, термокаталитические и полупроводниковые методы [1,23; 2,115; 3,10]. Наибольшую точность измерения
концентрации этилового спирта из парогазовой смеси получается газовой хроматографией. Однако, этот метод требует достаточно громоздкой и дорогой аппаратуры, а также подготовки высококвалифицированного специалиста. Преимуществами полупроводникового и термокаталитического метода и созданного на их основы газоанализаторов являются простота в эксплуатации, портативность и быстродействие. В связи с этим, разработка, высокоэффективных, точных методов и создание на их основе полупроводниковых сенсоров этанола является актуальной проблемой современной аналитической химии.
Целью данной работы являются оптимизация условий разработки полупроводниковых методов с улучшенными метрологическими характеристиками и создание на их основе высокоэффективных сенсоров концентраций паров этилового спирта.
В ходе экспериментов используя газочувствительных полупроводниковых материалов и оптимизированные условия проведения анализа, был изготовлен полупроводниковый сенсор (ППС) для определения содержания этанола в смеси газов. Программа испытания сенсора включала специальные эксперименты, связанные с подбором оптимального величины напряжения питания, установлением времени готовности прибора, динамическими и градуировочными характеристиками, а также выявлением степени его селективности. Результаты, полученные при подборе оптимального напряжения питания представлены на рис.1.
©
Муродова З.Б., Яхшиликова Л.Ж., Абдурахманов Э., 2015 г.
Рис. 1. Зависимость аналитического сигнала ППСС2Н5ОН от напряжения питания сенсора
(содержание спирта в смеси 350мг/м3)
Как следует из приведенных данных, наиболее высокие сигналы сенсоров наблюдаются соответственно при значении питания, равной 3,1В. Поэтому все последующие опыты по определению концентраций этанола проводились при этих значениях напряжения питания сенсоров.
Результаты определения динамических характеристик сенсора позволили установить, что у разработанных сенсоров время начала реагирования (to,1)-3 с, постоянное время (t0,65) не более 6-8 с, а время установления показаний (t0,9)- достигает до 14 с и полное время измерения ^п) 17-19 с. Приведенные данные показывают возможность экспрессного определения этанола разработанными сенсорами. Зависимость полезного аналитического сигнала ППСС2Н5ОН от концентрации спирта устанавливалась в широком интервале его концентрации пропусканием через разработанный сенсор парогазовой смеси этанола в воздухе. Результаты экспериментов по определению градуировочной характеристики сенсора ППСС2Н5ОН приведены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость сигнала (Е) сенсора от количества этанола (Ссп) в смеси
Как следует из приведенных данных, в изученном интервале зависимость сигнала от концентрации этанола в смеси имеет прямолинейный характер.
Проверка постоянства величин входных сигналов по времени контролировалась при непрерывной работе сенсора в течение 500 час. Результаты 500-часового эксперимента представлены в таблице 1., из которых следует, что выходной сигнал ППСС2Н5ОН в течение регламентированного интервала времени сохраняется достаточно стабильно.
Таблица 1
Результаты определения стабильность ППСС2Н5ОН (СС2Н5ОН=1000 мг/м3, n=5, p=0,95)
№ Время, Сигнал ППСС2Н5ОН.
п/п час _ х ±Дх S Sr»102
1 1 125,5±1,8 0,44 1,20
2 24 124,6±0,8 0,64 1,56
3 100 123,8±2,1 0,68 1,58
4 250 123,1±1,7 0,36 1,25
5 500 124,4±1,6 0,28 1,42
Селективность работы сенсора паров этанола определяли в присутствии горючих компонентов, присутствующих вместе с контролируемым объектами. Результаты, полученные при установлении селективности разработанных сенсоров этанола, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты установления селективности ППСС2Н5ОН (n = 5, Р = 0,95)
№ п/п Введено газовой смеси, мг/м3 Найдено спирта, мг/м3
x±Ax S Sr*102
1 С2Н5ОН 50+CO 150+возд. 50±0,4 0,16 1,25
2 С2Н5ОН 50+CH4 150+возд 51±0,6 0,08 1,50
3 С2Н5ОН 50+H2 150+возд 52±0,2 0,16 0,97
4 С2Н5ОН 50+бенз.150+возд 51±0,5 0,08 1,50
Как следует из приведенных данных, разработанный сенсор позволяет селективно определять пары спирта в выдыхаемом воздухе и технологических газах в присутствии Н2, СО и паров бензина. Погрешность сенсоров при определении компонентов газовой смеси не превышает 1,5 %.
Проверка влияния температуры анализируемой парогазовой смеси на значение входных сигналов ППСС2Н5ОН проводили в диапазоне -10 - +50 0С. Результаты определения изменения сигнала ППСС2Н5ОН 1М и ППСС2Н5ОН 2М, обусловленные изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 3., из которых следует, что в изученном интервале изменения температуры газовой среды не оказывают существенного влияния на значения аналитического сигнала сенсора.
Таблица 3
Зависимость сигнала ППСС2Н5ОН от температуре газовой смеси (СС2Н5ОН - 750 мг/м3, n=5,
Р=0,95)
Темпера- Сигнал сенсора, мВ
тура, 0С ППСС2Н5ОН 1М;
x+Ax SM02
+20 97±0,2 1,58
0 95+0,3 0,85
-10 96+0,4 1,07
+30 98+0,3 0,87
+50 97+0,5 0,95
Испытания по выявлению воздействия давления на аналитического сигнала сенсора проводились в интервале 600-900 мм. рт. ст.
Таблица 4
Результаты определения количество спирта при различных давлениях (СС2Н5ОН-500 мг/м3 ,
n=5, Р=0,95)
Давления газовой смеси, мм. рт. ст Сигнал сенсора ППСС2Н5ОН , мВ
x+Ax SM02
600 48+0,2 0,88
700 49+0,2 0,86
800 46±0,2 1,32
900 48±0,3 0,89
Как следует из приведенных данных (таблица 4), в изученном диапазоне изменение давления газовой среды практически не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора.
В результате проведенных опытов разработан селективный ППС спирта, обеспечивающий экспрессное определение этанола в широком интервале его концентрации в выдыхаемом воздухе и технологических газах.
Изменение расхода газовой смеси в исследуемом интервале (1 - 20 л/ч) не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора. Выходной сигнал сенсоров также не зависит от расположения в пространстве и углов наклонов, что позволяет отнести разработанные сенсоры (согласно ГОСТу-13320-82) к типу независимых. Разработанные сенсоры по точности и воспроизводимости нисколько не уступают известным зарубежным аналогам, сохранив при этом следующие характеристики: экспрессность, портативность, простоту в изготовлении и эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучены закономерности золь-гель процесса синтеза газочувствительных полупроводниковых пленок из оксидов металлов и тетроэтоксисилана. Разработана полупроводниковая методика с улучшенными метрологическими характеристиками и на его основе создан сенсор для мониторинга паров этанола в выдыхаемом воздухе и технологических газах. Созданные сенсоры позволяют определять пары этилового спирта в присутствии СО, водорода, природного газа, паров бензина и воды в широких интервалах их концентраций. Полупроводниковые сенсоры в широких интервалах концентраций этанола обладают лучшими метрологическими характеристиками и эксплуатационными параметрами, отвечающими требованиям соответствующих ГОСТ ов.
Оценены основные метрологические характеристики и эксплуатационные параметры разработанных селективных сенсоров определения этанола. Область применения разработанных сенсоров: экологический мониторинг атмосферного воздуха и
технологических газов, предрейсовый и предсменный осмотр водителей, анализ в процедурных комнатах, клиник и поликлиник для точного определения клинического состояния пациентов и др. а также могут быть использованы как средство самоконтроля.
Литература
1. Бушуев Е.С, Бабаханян Р.В., Исаков В.Д. Определение этилового спирта в выдыхаемом воздухе и биологических жидкостях (справочно-информационное пособие). СПб.: Юридический центр Пресс, 2008. С. 23-64.
2. Абдурахманов Э., Муродова З.Б., Яхшиликова Л. Ж. Кинетика и механизм окисления этилового спирта на поверхности катализатора термокаталитического сенсора.//Журн. хим. промышленность СПб, 2011. Т.88. №3. С. 115-119.
3. Муродова З. Б. Разработка сенсора и газоанализатора для определения паров этилового спирта//Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Ташкент, 2012
