CZ2010895A3 - Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí - Google Patents

Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí Download PDF

Info

Publication number
CZ2010895A3
CZ2010895A3 CZ20100895A CZ2010895A CZ2010895A3 CZ 2010895 A3 CZ2010895 A3 CZ 2010895A3 CZ 20100895 A CZ20100895 A CZ 20100895A CZ 2010895 A CZ2010895 A CZ 2010895A CZ 2010895 A3 CZ2010895 A3 CZ 2010895A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
gaseous medium
biological
piezoelectric crystal
resonant frequency
frequency
Prior art date
Application number
CZ20100895A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ302963B6 (cs
Inventor
Šikula@Josef
Sedláková@Vlasta
Sedlák@Petr
Majzner@Jirí
Original Assignee
Vysoké ucení technické v Brne
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké ucení technické v Brne filed Critical Vysoké ucení technické v Brne
Priority to CZ20100895A priority Critical patent/CZ302963B6/cs
Publication of CZ2010895A3 publication Critical patent/CZ2010895A3/cs
Publication of CZ302963B6 publication Critical patent/CZ302963B6/cs

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí, u nehož se merí rezonancní frekvence do plynného prostredí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatren adsorpcní vrstvou, se u tohoto rešení vyznacuje tím, že se soucasne merí i zmeny rezonancní frekvence v case, nacež se z namereného prubehu zmen rezonancní frekvence v case odvodí disperze a spektrální hustota rezonancní frekvence do plynného prostredí vloženého piezoelektrického krystalu. Z disperse a spektrální hustota rezonancní frekvence do plynného prostredí vloženého piezoelektrického krystalu se pak odvodí strední doba zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpcní vrstve. Údaj o stredí dobe zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpcní vrstve se použije k presnejší identifikaci detekované biologické a/nebo chemické látky.

Description

Oblast techniky
Vynález se týká způsobu detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí, u něhož se měří rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatřen adsorpční vrstvou.
Dosavadní stav techniky
Pro detekci biologických a chemických prostředků v plynném prostředí se používají piezoelektrické senzory, jejichž princip je založen na resonátorech s objemovou a povrchovou akustickou vlnou. Tyto piezoelektrické senzory mají povrch potažen polymerovou vrstvou a při absorpci molekul plynu dochází ke změně jejich rezonanční frekvence. Hlavním problémem jsou fluktuace resonanční frekvence respektive fázový šum vzhledem k fyzikálním jevům v objemu a na povrchu aktivní plochy resonátoru. Resonanční frekvence piezoelektrického senzoru kolísá v důsledku generačně rekombinačního šumu a šumu typu 1/f a citlivost je omezena kvantovými fluktuacemi se spektrem 1/f.
Dosud byly piezoelektrické senzory využívány tak, že se měřila pouze střední hodnota frekvence Af a to za využití běžného čítače. Z naměřené hodnoty Af se určilo množství látky zachycené na sorbentu.
Krystalový resonátor registruje změnu své hmotnosti, k níž dochází adsorbováním biologických a/nebo chemických látek z plynného prostředí, a reaguje na ni změnou své resonanční frekvence. Množství plynné látky zachycené na vhodné adsorpční vrstvě změní mechanické charakteristiky piezoelektrického výbrusu a tím tak dojde ke změně frekvence oscilátoru.
Nevýhodou tohoto způsobu detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí je, že různé látky mohou při adsorpci
02799
9. 2011
-2- J.
zvětšit hmotnost do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu stejně nebo alespoň s nerozeznatelnou odchylkou, a tím dojde ke stejné změně rezonančního kmitočtu piezoelektrického krystalu. Takové látky tedy nelze od sebe výše popsaným měřením odlišit. Toto může nastat tehdy, je-li vyšší hmotnost molekul detekovaného plynu vykompenzována nižší schopností adsorpce tohoto plynu.
Podstata vynálezu
Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje způsob detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí, u něhož se měří rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatřen adsorpční vrstvou, přičemž podstatou vynálezu je, že se současně měří i změny rezonanční frekvence v čase, načež se z naměřeného průběhu změn rezonanční frekvence v čase odvodí disperse a spektrální hustota rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, z nichž se odvodí střední doba zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě a údaj o střední době zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě se použije k přesnější identifikaci detekované biologické a/nebo chemické látky.
Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se časový průběh rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu vzorkuje pro jeho zpracování vhodným softwarem.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiložených výkresů, na obr. 1 je znázorněn model procesu adsorpce a desorpce molekul na povrchu zlaté elektrody pokryté sorbentem a používané u piezoelektrického krystalu, na obr. 2 je znázorněná časová závislost frekvence Af na obr. 3 je znázorněno blokové schéma zařízení pro detekci přítomnosti biologických a/nebo chemických látek
D2799
16. 9. 2011
- 3 v plynném prostředí a na obr. 4 je znázorněno blokové schéma vyhodnocovací jednotky zařízení pro detekci přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí podle vynálezu.
Příklady provedení vynálezu
Cílem vynálezu je vyvinout měřící metodu vedoucí ke zlepšení detektivity piezoelektrického křemenného krystalu při detekci biologických a chemických látek. Tato měřicí metoda registruje nejen změnu hmotnosti pomocí změny resonanční frekvence oscilátoru s piezoelektrickým křemenným krystalem, ale i průběh této změny v rovnovážném stavu a z průběhu této změny pak usuzuje na střední dobu zachycení molekul plynu na adsorpční vrstvě, což je další parametr, kterým lze od sebe odlišit plynné látky způsobující stejnou frekvenční odchylku na oscilátoru s piezoelektrickým křemenným krystalem vloženým do měřeného plynného prostředí.
Množství plynné látky zachycené na vhodném sorbentu změní mechanické charakteristiky piezoelektrického výbrusu a tím dojde ke změně frekvence oscilátoru. Každá molekula plynu, která je přichycena na piezoelektrickém výbrusu, je zachycena po určitou dobu, která je pro daný plyn charakteristická a která se dá zprůměrovat jako střední doba zachycení molekul plynu na adsorpční vrstvě. V rovnovážném stavu je počet molekul plynu odpadajících od piezoelektrického výbrusu roven počtu molekul nově na piezoelektrickém výbrusu zachycovaných. Způsob podle vynálezu zvyšuje přesnost identifikace zachyceného množství a typu plynu tím, že kromě střední hodnoty frekvence měří též fluktuaci frekvence a její dispersi a z poměru spektrální hustoty fluktuace frekvence a její disperse určuje střední dobu zachycení molekul plynu na adsorpční vrstvě.
Přítomnost biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí se u tohoto způsobu detekuje pomocí do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatřen adsorpční vrstvou.
9. 20Π
-4Resonanční frekvence piezoelektrického křemenného krystalu je určena hmotností krystalu, modulem pružnosti a řadou dalších veličin, jako je teplota či přiložené napětí. V důsledku adsorpce molekul plynu dochází ke změně hmotnosti piezoelektrického křemenného krystalu a tím se mění resonanční frekvence. Rozdíl mezi původní frekvencí oscilací f a frekvencí měřenou po adsorpci molekul plynu tvoří měřitelnou veličinu zl/, kterou lze také vyjádřit z Sauerbreyho vztahu:
Á/ = -2/0 2Aw/jýž^ kde Jo je resonanční frekvence základního módu krystalu, Am je hmotnost adsorbovaných molekul, A je aktivní plocha sorbentů naneseného na zlatou elektrodu krystalového oscilátoru, μ je modul pružnosti ve smyku a p je hustota materiálu krystalu.
Veličina Af vykazuje fluktuace. Měřitelnou veličinou fluktuací Af je disperse a spektrální hustota S(Af). Proces zachycení molekuly na vrstvě sorbentů je provázen procesem její emise, takže v rovnovážném stavu je na povrchu piezoelektrického křemenného krystalu vytvořena vrstva o takovém počtu molekul, který odpovídá rovnováze mezi adsorpci a desorpcí. Model procesu adsorpce a desorpce molekul je na obr. 1. Zde jsou znázorněny molekuly 1 detekované látky jako černé koule a místa 2 kam se v dalších okamžicích přemístí jako bílé koule, přičemž šipky znázorňují směr pohybu molekul 1 detekované látky. Molekuly 1 detekované látky jsou přitahovány k vrstvě 3 sorbentů, která je na povrchu zlaté elektrody 4 piezoelektrického krystalu 5.
Střední hodnota počtu molekul sledovaného plynu zachycených na sorpční vrstvě je úměrná střední hodnotě veličiny Af. Střední doba τ zachycení molekuly analyzovaného plynu na vrstvě sorbentů je závislá na aktivační energii molekul analyzovaného plynu AE a účinném průřezu místa zachycení Aq. Spektrální hustota je přímo úměrná dispersi σ2 a střední době zachycení τ. Detektivita piezoelektrického křemenného krystalu na změnu hmotnosti
D2799
16. 9. 2011
- 5 zachycených molekul plynu je funkcí relativní změny frekvence. Relativní změna frekvenceJ/% je dána podílem změny frekvence po adsorpci molekul o hmotnosti Am a původní frekvence QCM oscilátoru Jo.
Metoda měření spočívá v určení časové závislosti frekvence Af, viz příkladné provedení na obr. 2. Zde je na vodorovné x ose čas v sekundách a na svislé y ose změna frekvence Af v Herzích. Z tohoto grafu vyplývá, že v daném případě byla střední frekvence 234, 258 Hz, odchylka 0,254794 a kolísání frekvence je 0,0549198.
Jedná se o realizaci náhodného procesu, jehož prvním momentem je střední hodnota a jehož druhým momentem je disperse a spektrální hustota. Z naměřené realizace fluktuace frekvence Af se pomocí vhodného softwaru určí hodnota tří veličin. Střední hodnota Af určuje velikost adsorbované hmotnosti, disperse σ a spektrální hustota STAf) generačně-rekombinačního šumu závisí na střední době zachycení molekuly na vrstvě sorbentu. Naměřená spektrální hustota se skládá ze dvou složek, a to ze spektrální hustoty šumu 1/f a spektrální hustoty generačně-rekombinačního šumu, jak je zřejmé z obr. 4. Z hodnoty spektrální hustoty generačně-rekombinačního šumu lze vypočítat střední dobu τ zachycení molekuly na vrstvě sorbentu. Střední doba zachycení je charakteristická veličina pro danou molekulu plynu. Touto metodou tak získáme informaci nejen o množství zachyceného plynu, ale i o jeho vazebné energii k vrstvě sorbentu.
Přítomnost biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí se tak detekuje pomocí do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatřen adsorpční vrstvou. U takového piezoelektrického krystalu se měří změny rezonanční frekvence v čase. Z naměřeného průběhu změn rezonanční frekvence v čase se odvodí disperse a spektrální hustota rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu. Z hodnot disperse a spektrální hustoty rezonanční frekvence se odvodí střední doba zachycení molekul analyzovaného plynu na
D2799
1Í.9. 2011
-6adsorpční vrstvě a údaj o střední době zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě se pak použije k přesnější identifikaci detekované biologické a/nebo chemické látky.
Na obr. 3 je schematicky znázorněno zařízení pro provádění detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí. Toto zařízení obsahuje směšovač 6 signálu, k jehož prvnímu vstupuje připojen piezoelektrický krystal 5. Povrch piezoelektrického krystalu £ je opatřen vrstvou 3 sorbentu. Ke druhému vstupu směšovače 6 signálu je připojen referenční oscilátor 7 a k výstupu směšovače 6 signálu je připojen analogově číslicový převodník 8, jehož výstup je připojen k vyhodnocovacímu obvodu 9.
Vyhodnocovací obvod 9, jak je zřejmé z obr. 4, je opatřen blokem 10 pro výpočet hodnoty okamžité frekvence, jehož první výstup je připojen k průměrovacímu bloku 11 pro získání střední hodnoty okamžité frekvence. Druhý výstup bloku 10 pro výpočet hodnoty okamžité frekvence je připojen přes blok 12 výpočtu výkonového spektra okamžité frekvence a přes blok 13 výpočtu disperze hodnoty okamžité frekvence k bloku 14 vyhodnocení doby zachycení molekuly detekované látky.
Zařízení pro provádění detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí pracuje tak, že se piezoelektrický krystal 5, opatřený na svém povrchu vrstvou 3 sorbentu, vloží do plynného prostředí, v němž má měřit přítomnost biologických a/nebo chemických látek. Výstup z piezoelektrického krystalu 5 je přiveden na první vstup směšovače 6, signálu, který směšuje rezonanční frekvenci piezoelektrického krystalu 5 s frekvencí referenčního oscilátoru 7, která je přivedena na druhý vstup směšovače 6 signálu. Výstupní signál směšovače 6 signálu se přivede na analogově Číslicový převodník 8, který převede analogový signál do číslicového tvaru a tento číslicový signál přivede k vyhodnocovacímu obvodu 9, a to na vstup bloku 10 pro výpočet hodnoty okamžité frekvence. Výstupní signál bloku 10 pro výpočet hodnoty okamžité frekvence se pak přivede jednak na první vstup bloku 15
D279S*
16. 9.2011
-7výpočtu výstupních dat, který je současně vstupem průměrovacího bloku 11 pro získání střední hodnoty okamžité frekvence, jednak na vstupy bloku 12 výpočtu výkonového spektra okamžité frekvence a bloku 13 výpočtu disperze hodnoty okamžité frekvence. Výstupní signály bloku 12 výpočtu výkonového spektra okamžité frekvence a bloku 13 výpočtu disperze hodnoty okamžité frekvence jsou přivedeny na druhý a třetí vstup bloku 15 výpočtu výstupních dat, které jsou současně vstupy bloku 14 vyhodnocení doby zachycení molekuly detekované látky. Blok 14 vyhodnocení doby zachycení molekuly detekované látky vypočte z hodnoty disperze a z výkonového spektra dobu zachycení molekuly detekované látky. Pro rozpoznání detekované látky tak přibude další parametr, který může od sebe odlišit látky, které po adsorpci změní rezonanční frekvenci piezoelektrického krystalu 5 o stejnou nebo velmi blízkou hodnotu, neboť tyto látky mohou mít různou dobu zachycení molekuly detekované látky.
Průmyslová využitelnost
Způsob detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí lze použít při analýze plynného prostředí s větší rozlišovací schopností než mají dosud známé způsoby a zařízení.

Claims (3)

  1. -8Patentové nároky
    1. Způsob detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí, u něhož se měří rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, jehož povrch je opatřen adsorpční vrstvou, vyznačující se tím, že se současně měří i změny rezonanční frekvence v čase, načež se z naměřeného průběhu změn rezonanční frekvence v čase odvodí disperse a spektrální hustota rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu, z nichž se odvodí střední doba zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě a údaj o střední době zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě se použije k přesnější identifikaci detekované biologické a/nebo chemické látky.
  2. 2. Způsob detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí podle nároku 1, vyznačující se tím, že se pro zjišťování změn rezonanční frekvence v čase rezonanční frekvence do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu vzorkuje a vzorkovaný signál rezonanční frekvence se převede na signál digitální a změny rezonanční frekvence v čase se zjišťují z tohoto digitálního signálu.
  3. 3. Způsob detekce přítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostředí podle nároku 2, vyznačující se tím, že se pro zjišťování střední doby zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě do plynného prostředí vloženého piezoelektrického krystalu z hodnot změn rezonanční frekvence tohoto piezoelektrického krystalu v čase vypočte výkonové spektrum a disperze, z nichž se střední doba zachycení molekul analyzovaného plynu na adsorpční vrstvě vypočte.
CZ20100895A 2010-12-03 2010-12-03 Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí CZ302963B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20100895A CZ302963B6 (cs) 2010-12-03 2010-12-03 Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20100895A CZ302963B6 (cs) 2010-12-03 2010-12-03 Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2010895A3 true CZ2010895A3 (cs) 2012-01-25
CZ302963B6 CZ302963B6 (cs) 2012-01-25

Family

ID=45494682

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20100895A CZ302963B6 (cs) 2010-12-03 2010-12-03 Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ302963B6 (cs)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58196442A (ja) * 1982-05-11 1983-11-15 Seikosha Co Ltd 湿度センサ
EP0215669A3 (en) * 1985-09-17 1989-08-30 Seiko Instruments Inc. Analytical device and method for analysis of biochemicals, microbes and cells
JP2811315B2 (ja) * 1989-02-15 1998-10-15 セイコーインスツルメンツ株式会社 圧電素子ガスセンサーシステム
DE4218926A1 (de) * 1992-06-10 1993-12-16 Asea Brown Boveri Vorrichtung zur Messung einer Gasdichte
US7159463B2 (en) * 2001-06-20 2007-01-09 M.S. Tech Ltd. Sensitive and selective method and device for the detection of trace amounts of a substance

Also Published As

Publication number Publication date
CZ302963B6 (cs) 2012-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lim et al. Development of SAW-based multi-gas sensor for simultaneous detection of CO2 and NO2
US6494079B1 (en) Method and apparatus for characterizing materials by using a mechanical resonator
EP2529207B1 (en) Bi-stable oscillator
Chen et al. Highly sensitive detection of organophosphorus pesticides by acetylcholinesterase-coated thin film bulk acoustic resonator mass-loading sensor
Penza et al. SAW chemical sensing using poly-ynes and organometallic polymer films
Wang et al. Label-free immunosensor based on micromachined bulk acoustic resonator for the detection of trace pesticide residues
Wang et al. A micro-machined thin film electro-acoustic biosensor for detection of pesticide residuals
Yenuganti et al. Quartz crystal microbalance for viscosity measurement with temperature self-compensation
Chen et al. A thin film electro-acoustic enzyme biosensor allowing the detection of trace organophosphorus pesticides
Saha et al. A novel langasite crystal microbalance instrumentation for UV sensing application
Zainuddin et al. Verification of quartz crystal microbalance array using vector network analyzer and OpenQCM
KR20090116901A (ko) 알레르기 질환 진단용 표면탄성파 센서 및 상기 센서를이용한 알레르기 질환 진단방법
D'Amico et al. Sensor systems for breathprinting: A review of the current technologies for exhaled breath analysis based on a sensor array with the aim of integrating them in a standard and shared procedure
RU2156971C1 (ru) Сенсор паров углеводородов и бензинов
CZ2010895A3 (cs) Zpusob detekce prítomnosti biologických a/nebo chemických látek v plynném prostredí
Chiang et al. Gas sensor array based on surface acoustic wave devices for rapid multi-detection
Ouarabi et al. Nonlinear coda wave analysis of hysteretic elastic behavior in strongly scattering media
Plata et al. Characterization and analytical validation of a microcantilever-based sensor for the determination of total carbonate in soil samples
CN108896654A (zh) 基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法
US7493798B2 (en) Sensor for detecting the adulteration and quality of fluids
Bajaj et al. A vapor phase trinitrotoluene threshold detector enabled by nonlinear feedback
EP1361428A2 (en) Method and apparatus for characterizing materials by using a mechanical resonator
Sedlak et al. Noise Measurement Setup for Quartz Crystal Microbalance.
Wang et al. Sensitive detection of TNT using competition assay on quartz crystal microbalance
Zhang et al. A bulk acoustic wave resonator for sensing liquid electrical property changes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20171203