SE434438B - Anordning for detektering av forekomsten av en given gaskomponent i en gasblandning - Google Patents

Description

l0 15 25 30 35 8001357-6 frekvens.

Såom kommer att beskrivas närmare i det följande, finnes det emellertid även andra fysikaliska egenskaper hos suhstrat- skiktet, som påverkas av skiktets adsorption av den aktuella gaskomponenten och som kan mätas för bestämning av före- komsten och koncentrationen av den aktuella gaskomponenten i en gasblandning.

Ett primärt problem vid användning av den ovan beskrivna metoden för gasdetektering är att finna ett substratmaterial, som är lämpligt för just den gaskomponent som skall detekte- ras. Substratmaterialet måste sålunda i första hand vara selek- tivt med avseende på den intressanta gaskomponenten, så att väsentligen endast denna adsorberas, medan övriga gaskompo- nenter som kan tänkas ingå i den gasblandning på vilken mät- ningen utföres och som i många fall kan utgöra den väsentliga delen av denna, ej adsorberas i nämnvärd grad. Vidare bör substratmaterialet ha en stor känslighet för den intressanta gaskomponenten, så att substratskiktet förmår att adsorbera ett stort antal molekyler av densamma, även då dess koncentra- tion i gasblandníngen är låg. Härigenom kan stora och därmed lätt och noggrant bestämbara mätvärden erhållas även vid låga koncentrationer. Mätvärdets storlek vid en viss gaskoncentra- tion och därmed anordningens känslighet kan i allmänhet ökas genom ökning av substratskiktets tjocklek, då skiktet häri- genom förmår att adsorbera ett större antal molekyler av den intressanta gaskomponenten. Slutligen bör vid många tillämp- ningar substratmaterialet uppvisa en hög reaktionshastighet, så att adsorptionen och desorptionen av den aktuella gas- komponentens molekyler förlöper snabbt. Härigenom blir möj- ligt att detektera och mäta snabba variationer i den intres- santa gaskomponentens koncentration i gasblandningen. Detta önskemål har dock ansetts stå i viss mån i motsatsförhållande till önskemålet om hög känslighet, eftersom tjockare sub- stratskikt ansetts adsorbera och desorbera den intressanta gaskomponentens molekyler långsammare än ett tunt substrat- skikt. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en gasdetekterande anordning av det ovan beskrivna slaget, som är lämplig för detekteríng av narkosgaser ur gruppen halo- 15 O) FD 8001357-6 V igcfluran. t=n, enfluran, metoxífluran och Enligt uppfinningen erhålles en sådælgaadetektor med mycket goda egenskaper i samtliga svan behandlade avseenden. äennm att man för substratskiktet använder en sililonglykal~ yelymer.' Med stor framgång har använts silikenglytolcopalymerer med strukturformeln 3 CH3 I f | CH3 - si-o - (si-0)x(si-o)y - si - CH3 ,E I I eng oss una C3H5O(C2HuO)m(CH3C2H3O)n H CH3 CH3 CH I denna typ av silikonoljor är som synes en de] av metyl- gruppelna i en polydimetylsiloxan ersatte med zwora pnlvglylul- kedjOr. Dessa sílikonøljbr kan enligt CTFA även benämna? nj- metikoncopnlyoler. Silikonglykolcopolymerer av detta slag tillverkas och marknadsföres av Ll.a.

DC 193 och DC 197. Det har ej vaiít Dow Corning Corporaïje; under benämningarna DC 190, möjligt att erhålla exakt information om talvärdena på stor- lekarna x, y, m och n i strukturformeln för dessa silikon- glynolcwpolymerer från Dow Corning, men enligt uppgift han DC 190 beskrivas som en sampolymer av en trimetylsilylavslutac polydimetylsiloxan med kisel-kol-bundna sidogrupper bestående av acetatskyddad poly(propylenoxidetylenoxid), medan DC 127 kan beskrivas som en sampolymer av trimetylsilylavslutad polydi- metylsiloxan med kisel-kol~bundna sidogrupper av hydroxiav~ slutad polyetylenoxid. _ Let har tidigare i den ovan nämnda amerikanska patent» skriften rent allmänt omnämnts, att silikonolja och vissa fetter skulle kunna användas som substratmaterial för igfe selektfv detektering av kolväten. Genom föreliggande uppfinnir: har det emellertid visat sig, att silíkonglylclrapolymerfr av ovan angivet slag är väsentligt överlägsna sililoneljor "cm saknar stora sidokedjor, med avseende på i första hand känsli¿- heten men även selektiviteten och snabbheten, då det gäller att detektera narkosgaser av det aktuella slaget.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogad ritning, i vilken 10 15 30 b) ¿n 8001357-6 H fig. 1 schematiskt och såsom exempel vifl: -n n"]l§¿ n'; ning av en piezoelektrisk detektor för en anordning enligt u;;- finningen; fig. 2 är ett schematiskt kopplingsschema för en såsom exempel visad anordning enligt uppfinningen, vilken även anvëntf vid genomförandet av de i den fortsatta beskrivningen bekandla- de försöken; fig. 3 är ett diagram illustrerande typiska adsorptions- desorptionsförlopp för en anordning enligt uppfinningen vid detektering av halotan, alkohol respektive toluen; fig. g är ett diagram illustrerande typiska adsorptions- desorptionsförlopp, som erhålles vid detektering av halotan med användning av en gasdetekterande anordning försedd med ett sub- stratskikt bestående av en silikonglykolcopolymer enligt upp- finningen respektive en silikonolja som saknar stora sidoked- jor; och fig. 5 schematiskt visar ett horisontellt snitt genom ett fördelaktigt utförande av en detektoranordning innehållande Lå- de en detektorkristall och en referenskristall.

Pig. l visar sehematiskt och som exempel en sidovy i ge- nomskärning av en möjlig utformning av en piezoelektrisk detek- tor, som kan användas vid en anordning enligt uppfinningen. fe- tektorn innefattar ett hus 1, som på_icke närmare visat sätt kan anslutas till rörledningar, så att den gasblandning sem kan genomströmma detektorhuset. Inuti detta skall undersökas är en piezoekektrisk kristall 2, exempelvis av kvarts, monterad mellan två elektroder 3 och 4 på sådant sätt, att kristallens 2 båda sidoytor kommer i kontakt med den genom detektorhuset strömmande gasblandningen. Åtminstone den ena sidan, men före- trädesvis båda sidor, av kristallen 2 är försedda med det önska- de substratskiktet. Vid användning av en kristalldetektor av detta slag i en gasdetektor enligt uppfinningen är kristallen inkopplad i en oscillatorkrets av lämpligt slag, vars sväng- ningsfrekvens bestämmes av den piezoelektriska kristallens 3 svängningsfrekvens. I En detektoranordning med en píezoelektrisk detektorkrís- tall kan vara uppbyggd på det i fig. 2 schematiskt visade sätts .

Anordningen innefattar två oscillatorer, nämligen en detektor- oscillator 5 och en referensoscillator 6. ïesse båda oscills- ga l0 f. a: Û ~1 <_-\ šu (p L.. 8001357-6 5 torer är av exakt samma utförande och innehållet lí}a.ana latorkristaller, varvid dock kristallen i detekteroscillaLo:n är försedd med substratskikt, medan kristallen i reíereneoscil- latorn 6 saknar substratskikt. Utgångssignalerna från de båda oscillatorerna 5 och 6 är anslutna till en hlandarkrets 7, frin vilken en signal innehållande skillnadsfrekvensnn respektive summafrekvensen för de båda oscíllatorernas utgångssignaler el- hålles. Blandarkretsen 7 är ansluten till ett filter 8, som endast släpper igenom skillnadsfrekvensen, vilken presenteras medelst en till filtrets utgång ansluten digital frekvensräknare 9. Filtrets 8 utgångssignal är även ansluten till en frekvens- spänningsomvandlare 10, vars utgångsspänning kan registreras medelst en skrivare ll, som sålunda ger en kurva visande tids- För att en noggrann mätning skall erhållas är det vik- tigt att detektorkristallen och referenskristallen påverkas av gasblandningen på ett så exakt lika sätt som möjligt. Detta kan uppnås genom att de båda kristallerna är monterade i ett gemensamt, av gasblandningen genomströmmat detektorhus.

Arrangemanget kan exempelvis vara det i fig. 5 schematiskt visade. Pig. 5 visar ett horisontellt snitt genom ett detek- torhus 12, som är försett med mitt för varandra anordnade inlopp 13 och utlopp lH för en ström av den gasblandning som skall undersökas. Inuti huset finnes en kropp lß, som är utformad med två identiskt lika och symmetriskt belägna strömningskanaler 16 och l7 för gasströmmen, i vilka båda kanaler detektorkristallen 18 respektive referenskristallen 19 är monterade med sina sidoytor parallella med gasström- ningsriktningen och inbördes symmetriskt på var sin sida om ett symmetriplan genom den totala gasströmmen. De visade kristallerna är här av en typ som är försedd med påmetalli- serade elektroder direkt på kristallkroppen.

För undersökning av olika substratmaterials känslighet vid detektering av narkosgasen halotan genomförres med an- vändning av en anordning utformad enligt fig. 2 en försöks- serie med olika substratmaterial anbringade på detektor- kristallen. Den undersökta gasblandningen var i samtliga fall renad laboratorieluft innehållande 2 % halotan. De an- vända kristallerna var kvartskristaller med en grundfrekvens ._....._..__...._.___w.- «.._~.-».-.~_._-_..-- förloppet för frekvensädlhæflen mellan de båda oscïflatonflna 5 i w~--.--»~_....... ._- _ .ama- ' IQ L..

U- 8Q01357-5 6 av_8 MHz och BT-snitt och substratskiktet på detektorkris- tallen hade i samtliga fall en tjocklek, som gav en frekvenssänkning om ca l kHz för enbart substratskíktet.

Detta motsvarade en tjocklek hos substratskíktet av ca 1000 Å, då detektorkrístallen var belagd med substrat endast på ena sidan. De erhållna resultaten framgår av nedan- stående tabell l, där ett minustecken framför värdet för frekvenssänkníngen Af anger att detektorkristallens frekvens sjönk relativt referenskristallens, medan ett plustecken anger att referenskrístallens frekvens blev lägre än detek- torkristallens.

TABELL l Substrat èfmëš Lípid l, tripalmítin 0 Lipid 2, ägglecitín _ -20 Lipid 3, parafin V +3 Lipid H, exsikatorfett I -8 Silikonolja l silikonglykolcopolymer _l13 Dow Corníng DC 190 silikonolja 2 ' -20 polymetylvätesiloxan Dow Corning DC 1107 Silikonolja 3 , härdbar polysiloxan löst i lösningsmedelf -12 Dow Corning DC 20 Silikonolja 4 silikonglykolcopolymer í -97 Dow Corning DC 197 Silikonolja 5 fenylmetylsiloxan g +5 Dow Corning DC 702 Inget +u Samtliga de använda sílikonoljorna var produkter framställde av Dow Corning Corporation och identifierade med de i tabellen angivna produklbeteckningarna.

Såsom framgår av tabellen, uppvisade sílikcnoljorna 1 och H, vilka båda var sílikonglykolcopolymerer, en väsentligt mycket högre känslighet än de övriga silikonoljcrna som 10 15 20 30 g» U" 8001357-6 7 saknade stora sidokedjor. Även de olika provade ietterna uppvisade en mycket liten eller överhuvudtaget ingen känslig- som observerades vid het för halotan. Den frekvensändring provet med båda kristallerna obelagda, torde vara förorsakaw av en otillräcklig rengöring av krístallernas yta.

För undersökning av de enligt tabell 1 mest känsliga silikonoljornas selektivitet med avseende på narkosgaser re- lativt andra gaser, som kan tänkas förekomma i sanmand med detektering av narkosgaser och för vilka gasdetektorn ej bör vara känslig, genomfördes prov med silikonolja l (DC 190) som substratmaterial. Härvid användes kvartskristaller med en grundfrekvens av 10 MHz och AT-snitt, vilka är något lämg- ligare än de vid försöken enligt tabell 1 använda kristal- lerna. Koncentrationen av den aktuella gaskomponenten var l i laboratorieluft, där ej annat angives i nedanstående tabell 2 över resultaten från proven.

TABELL 2 Ämne Af Hz Halotan ~1S0 Enfluran -lH6 Trikloretylen - 83 Koltetraklorid - 55 Alkohol ~ 27 Toluen - 27 Aceton - ll Lustgas, N90, l00 % Û Vattenånga* + 9 C02 l0 % 0 N2 lÜ0 2 Ü 02 100 å 0 Såsom framgår av denna tabell, uppvisade sílikonolja l (DC 190) en mycket hög selektivitet med avseende på haloge- nerade kolväten och i synnerhet de båda narkosgaserna halo- tan och enfluran, medan känsligheten för andra kolväten såsom alkohol, toluen och aceton var förhållandevis ringa. 10 15 20 25 30 35 5001357-6 8 Detta substratmaterial enligt uppfinningen uppvisade över- huvudtaget ingen märkbar adsorption av lustgas, vattenånga, luft, syrgas, kvävgas och koldioxid. Motsvarande försök har även genomförts för de båda narkosgaserna metoxifluran och isofluran, vilka båda likaledes är halogenerade kolväten och för vilka substratmaterialet silikonolja l (silikonglykol- copolymer DC 190) också visade sig ha mycket hög känslighet.

Ytterligare försök genomfördes för studium av adsorptions- och desorptionsförloppen vid ett substratskikt bestående av silikonolja l (silikonglykolcopolymer DC 190) för dels narkosgasen halotan och dels alkohol och toluen, som är kolväten för vilka detta substratmaterial uppvisar liten känslighet enligt tabell 2. Försöken genomfördes i samtliga fall med en koncentration av det aktuella ämnet om 2 % som gav en frekvenssänkning av 2,1 kHz för substratskiktet i laboratorieluft och med en tjocklek hos substratskiktet, ensamt. Försöken genomfördes på så sätt, att ren laboratorie- _luft först fick strömma genom anordningen och vid en given tidpunkt ersattes med luft innehållande 2 % av det aktuella ämnet. Sedan steady-state-tillstånd för frekvensändringen uppnåtts, tillfördes anordningen på nytt ren laboratorieluft.

De vid försöken erhållna adsorptions-desorptionsförloppen finnes illustrerade i kurvdiagrammet i fig. 3, där kurvan A gäller för halotan, kurvan B för alkohol och kurvan C för toluen. Såsom framgår av fig. 3, är känsligheten för halotan mycket större än för alkohol och toluen; såsom redan tidi- gare konstaterats i anslutning till tabell 2. Av kurvdia- grammet framgår emellertid vidare, att även reaktionshastig- heten hos substratskiktet är mycket större för halotan än för alkohol och toluen, dvs. adsorptionen respektive de-- sorptionen förlöper snabbare. I realiteten är substratskik- tets egen reaktionshastighet för halotan ännu mycket större än vad som framgår av kurvdiagrammet i fig. 3. Vid de genom- - förda försöken torde sålunda den hastighet med vilken halo- tanmolekylerna adsorberades respektive desorberades i sub- stratskiktet i första hand bestämts av gasens strömningsför- hållanden i anslutningsledningarna till kristalldetektorn och inuti denna än av substratskiktets egen adsorptions- l0 15 20 25 30 35 8001357~6 9 respektive desorptionshastighet. Försök har genomförts, vid vilka man eftersträvat att tillnärmelsevis momentant tillföra detektorkristallens hela substratförsedda yta luft inne- hållande 0,5 % halotan. Substratet utgjordes härvid av sili- konoija i (Dc 190) med en skikttjockiek av ca 1000 A. Därvid erhölls en frekvensändring av H0-50 Hz (steady-state- tillstånd) inom loppet av ca 150 ms. Detta torde utgöra ett mått på substratskiktets egen reaktionssnabbhet, vilken sålunda visat sig vara så stor, att eventuella variationer i beroende av skikttjockleken saknar praktisk betydelse.

Liknande jämförande adsorptions~desorptionsförsök har (sili- även genomförts med användning av dels silikonolja 1 konglykolcopolymer) och dels en enkel silikonolja bestående av polydimetylsiloxan (Dow Corning DC 200) för adsorption av halotan. De båda substratskikten medförde ensamma lika stora frekvenssänkningar hos kristallen och var därför tro- ligen av väsentligen samma tjocklek. Resultatet av försöken framgår av kurvdiagrammet i fig. H, där kurvan D gäller för silikonolja l (DC 190), medan kurvan E gäller för polydi- metylsiloxan. Diagrammet visar, att känsligheten hos substra- tet av silikonolja l (silikonglykolcopolymer DC 190) var mycket större än känsligheten hos substratet av polydimetyl- siloxan, vilket bekräftar resultaten enligt tabell 1. visar kurvdiagrammet, att substratet av silikonolja l även Vidare synes reagera väsentligt snabbare såväl vid adsorption som desorption än substratet av polydimetylsiloxan.

Försök har även genomförts, som visar att frekvenssänk- ningen vid användning av ett substrat bestående av silikon- olja l (DC 190), dvs. en silikonolja enligt uppfinningen, vii detektering av narkosgasen halotan i luft är linjärt propor- tionell mot koncentrationen av halotan.

Vidare har försök genomförts med olika tjocka substrat- skikt av silikonolja l (DC 190), för detektering av halotan. Det tunnaste sub- dvs. en silikonolja enligt uppfinningen, Stratskiktet gav därvid ensamt en frekvenssänkning av 2H0 Hz, medan det tjockaste substratskiktet ensamt gav en frekvens- sänkning av 4000 Hz. Halotankoncentrationen i den som bärar- gas använda laboratorieluften uppgick i samtliga fall till (rn 10 15 20 25 30 8001357-6 10 2 % och det visade sig, att den av adsorptionen av halotan i substratskiktet förorsakade frekvenssänkningen, anordningens känslighet, ökade med ökande skikttjocklek, dvs. mät- varvid sambandet mellan frekvenssänkning och skikttjocklek var väsentligen linjärt för skikttjocklekar över en tjocklek som gav en frekvenssänkning av ca 700 Hz för skiktet enbart.

“ Sammanfattningsvis kan det konstateras, att vid detekte- ring av narkosgaser som halotan, enfluran, metoxifluran och isofluran så uppvisar substrat bestående av silikonglykolco- polymerer väsentligt överlägsna egenskaper med avseende på i första hand känslighet men även med avseende på snabbhet och selektivitet jämfört med andra silikonoljor, som ej innehåller några stora sidokedjor. U.

Ehuru det visat sig mycket fördelaktigt att mäta de av adsorptionen respektive desorptionen av den aktuella gas- komponenten förorsakade variationerna i substratskiktets massa genom mätning av variationerna i svängningsfrekvensen hos en substratskiktet uppbärande piezoelektrisk kristall, finnes det även andra fysikaliska egenskaper hos substrat- skiktet, som påverkas av adsorptionen av den detekterade gas- komponentens molekyler och som kan användas för mätning av substratskiktets adsorption och därmed den aktuella gaskom- ponentens koncentration.

Sålunda kan substratskiktet anbringas på en yta med kända optiska egenskaper och de av substratskiktets adsorp- tion av den aktuella gaskomponentcn förorsakadc ändringarna i substratskiktets brytningsindex mätas exempelvis med an- vändning av en ellipsometer.

Den av adsorptionen av den detekterade gaskomponenten förorsakade förändringen av substratskiktets massa kan även bestämmas genom mätning av utbredningsegenskaperna för akus- tiska ytvågor i skiktet. Substratskiktet kan härvid lämpligen anbringas på ytan av en långsträckt kvartskristall, vilken vid sin ena ände är försedd med en till en akustisk sändare ansluten elektrodstruktur för introducering av akustiska ytvågor i substratskiktet, medan det vid kristallens andra ände finnes en motsvarande, till en akustisk mottagare an- 8001357-6 ll sluten elektrodstruktur. Även substratskiktets elektriska impedans förändras genom adsorptionen av den detekterade gaskomponenten och kan således utnyttjas för mätningen. Substratskiktet kan härvid vara anbringat på ytan av en elektriskt isolerande bärarkropp, på vilken det finnes två, fingerformade, i varandra ingripande elektrodstrukturer, som är ingjutna i substratskíktet oeh mellan vilka den elektriska lik- eller växelströmsimpedansen mätes.

Claims (2)

sooßsv-s i u Patentkrav

1. l. Anordning för detektering av förekomsten av en given gaskomponent i en gasblandning, innefattande ett tunt skikt av ett substrat anbringat på ytan av en bärarkropp på sådant sätt, att gasblandningen kan bringas i kontakt med substrat- skiktet, vilket består av ett ämne med förmåga att selektivt och reversibelt adsorbera nämnda gaskomponent ur gasbland- ningen, samt organ för mätning av en av mängden adsorberad gaskomponent i substratskiktet påverkad fysikalisk egenskap hos substratskiktet, k ä n n e t e c k n a d av att för detektering av narkosgaser ur gruppen halotan, enfluran, metoxifluran och isofluran utgöres substratskíktet av en silikonglykolcopolymer.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att silikonglykolcopolymeren har strukturformeln CH CH CH CH I3 - 3 3 3 CH3 ~ Si-O - (Si-O)X(Si-O)y - Si - CH3 CH3 CH3 CH3 C3H50(C2HuO)m(CH3C2H30)n H.