Системи мікроаналізу

Мобільний моніторинг навколишнього середовища за допомогою портативних газоаналізаторів, які характеризуються високою чутливістю та високою роздільною здатністю, став поширеним останніми роками під час досліджень забруднення повітря, детектування нервово-паралізуючих газів та продуктів вибухів внаслідок терористичної діяльності.

Системи мікроаналізу ґрунтуються на збиранні газів, накачуванні цих газів у колектор з подальшою їх участю у хімічних реакціях та колориметрією або флуориметрією зразка. Цей метод використовують для аналізу неорганічних газів та тих газів, що розчинюються у воді.

Мікросистеми газового аналізу для розчинених у воді газів

У цих системах застосовують мікропотоки. Чутливість таких приладів обернено пропорційна товщині d поглинаючого шару, який формується мікроканалами, та прямо пропорційна часу Т поглинання [Ohira and Toda, 2005]:

(16.7)

де – концентрація газу, що аналізується, у розчині, ; k – швидкість проникності газу через мембрану, м/с; Т – час поглинання газу, с; – концентрація газу, що аналізуються, у зразку, ppbv; d – товщина шару поглинання, м.

Система складається з мініатюрних помпи, колектора, реактора та детектора. Для отримання суттєвого поглинання колектор містить систему шестигональних мікроканалів (як у бджолиній чарунці). Типову конструкцію мікроколектора для вимірювання NO2 наведено на рис. 16.12.

Рис. 16.12. Схема установки для аналізу газів

– (від англ. parts per billion by volume) – число частин на мільярд за об'ємом або млрд-1, 10-9.

Близько 500 шестигональних мікроканалів нанесені методом фотолітографії на прозору пластикову пластину (26*76 мм). Довжина сторони окремої чарунки становить 600 мкм, а товщина кожного каналу – 100 мкм.

Як поглинаючий розчин було використано 3 %-ний розчин триетаноламіна (TEA).

Реагент (речовина, яка бере участь у хімічній реакції, але не є об'єктом обробки) було використано шляхом розчинення 5 г сульфанилової кислоти, 50 мг N-( 1 -нафтил)-етілендіаміна (NEDА) і ЗО мл фосфорної кислоти в 1 л води [Toda et al., 2007].

Газ збирається у мікроканальну пастку MCS, яка являє собою набір гексагональних мікроканалів, що покриваються пористою мембраною. Поглинаючий розчин TEA подається через пастку зі швидкістю 0,1 мл/хв за допомогою помпи П.

Після проходження пастки розчин негайно змішується з розчином реагенту ГЗ (Griess-Saltzman) і вводиться у реактор, де нагрівається до 50 °С і набуває рожевого кольору.

Поглинання розчину, пропорційне концентрації NO та NO2, вимірюється мініатюрним детектором, конструкція якого наведено нарис. 16.13.

Рис. 16.13. Мініатюрний детектор, що працює на основі поглинання газу [Toda et al., 2007]

Детектор містить світлодіод, світловоди, фотоприймач, систему впуску і випуску газу, що вимірюється.

Типову карту розподілу NO2 над земною поверхнею, отриману за допомогою мікросистеми газового аналізу, наведено на рис. 16.14 [Toda et al., 2007].

Рис. 16.14. Застосування мікросистеми газового аналізу: а – зміна у часі концентрації NO2 над земною поверхнею; б – картографування розподілу NO2 над земною поверхнею [Toda et al., 2007].

Така мікросистема газового аналізу застосовуються також для вимірювання інших газів, таких як SO2, H2S, CH3SH [Ohira and Toda, 2005; Ohira et al., 2007].

Перевагою системи газового аналізу на основі шестигональних мікроканалів є компактність, портативність, висока (на рівні 1 ppbv) чутливість. Недоліки цієї системи – необхідність застосування реагентів та висока вартість.

Мікросистеми газового аналізу на основі рідких краплин та плівок

Рідкі краплини та рідкі плівки, які мають велике відношення площі поверхні до об'єму, зручні для збирання розчинених у воді газів. Коли газовий потік проходить через рідку краплину, розчинні компоненти, що містяться у газі, дифундують та розчинюються у цій краплині. Краплина води є природним колектором розчинних газів. Яскравим прикладом є відчуття свіжого повітря після дощу чи зливи.

Розглянемо краплинний колектор, запропонований у роботі [Liu and Dasgupta, 1995]. Конструкція передбачає використання краплини розчину з реагентом, яка формується на кінці трубки в циліндричній камері. Краплина являє собою не лише колектор для збирання газів, але й реактор, де відбувається хромогенна (із зміною кольору) реакція; колір розчину залежить від концентрації зібраних газів (рис. 16.15).

Рис. 16.15. Принцип дії краплинного колектора

Такі системи застосовуються для аналізу SO2, ΝΗ3, Сl2, Н2О2, H2S та НСНО с різними реагентами.