ES2256272T3 - Dispositivo y metodo para muestreo neumatico de gas para detectores de gas. - Google Patents

Abstract

Aparato (100, 300) para detectar la presencia, como mínimo, de un analito en aire ambiente, cuyo aparato (100, 300) comprende: como mínimo, un elemento sensor que comprende una superficie que tiene como mínimo un recubrimiento de material quimioselectivo, que interacciona selectivamente con dicho analito o analitos, y medios para detectar la interacción selectiva del material quimioselectivo con el analito, un cuerpo envolvente (108, 318) que encierra un medioambiente que rodea el elemento o elementos sensores, incluyendo el cuerpo envolvente (108, 318) una abertura de entrada conectada a una bomba de vacío (112, 324) para tomar una muestra gaseosa del aire ambiente, haciéndola pasar al cuerpo envolvente (108, 318) a presión reducida, un dispositivo para cerrar de forma estanca el medioambiente que rodea el elemento o elementos sensores, de manera que el medioambiente que rodea dicho elemento o elementos sensores puede ser aislado del aire ambiente y sometido a vacío, y una abertura de salida conectada a la bomba de vacío (112, 324) para eliminar la muestra gaseosa del medioambiente que rodea al elemento o elementos sensores, de manera que las dimensiones y orientación de la abertura de entrada se seleccionan de manera que la muestra gaseosa es dirigida de manera que choque con cada uno de dichos elementos sensores en un flujo turbulento, que es sustancialmente perpendicular a la superficie del elemento o elementos sensores que tienen el material quimioselectivo.

Description

Dispositivo y método para muestreo neumático de gas para detectores de gas.

Antecedentes de la invención Sector técnico al que pertenece la invención

La presente invención se refiere, de manera general, a un método y dispositivo para detectar analitos en el aire ambiente y, específicamente, a un método y dispositivo para acelerar la cinética de un sensor químico y para restablecer una línea base para un sensor químico.

Descripción de las técnicas relacionadas

El muestreo de aire ambiente para aplicaciones de sensor químico pueden adoptar una variedad de formas, que pueden ser separadas de manera amplia en dos clases, muestreo pasivo y activo. En el muestreo pasivo el gas ambiente es expuesto al sensor sin bombeo activo desde una bomba que es integral con el sensor o detector. El sensor puede ser expuesto directamente al aire ambiente con o sin una membrana que sirva para proteger contra la contaminación del sensor. La cinética de las señales es relativamente lenta y es controlada ampliamente por difusión y por el grosor del sensor dotado de recubrimiento de polímero. No se incorpora margen para restablecimiento de la línea base de la señal en una modalidad de muestreo pasivo y si el dispositivo sufre desplazamiento de la línea base debido, por ejemplo, a cambios de humedad o de temperatura, la contribución de señal de la exposición de un analito resultará incierta bajo condiciones ambientales cambiantes dinámicamente. El muestreo activo permite el flujo activo de la muestra de aire y puede dirigir el flujo por tubos neumáticos, válvulas, dispositivos de recogida y columnas de cromatografía gaseosa antes de la corriente descendente del sensor. El muestreo activo desplaza las muestras más allá del sensor dotado de recubrimiento de polímero, pero interviene poco en la aceleración de la absorción o desabsorción de las moléculas de analito desde la superficie activa de un sensor químico.

Breve resumen de la invención

De acuerdo con lo anterior, es un objetivo de la presente invención dar a conocer un método y aparato para suministrar una muestra de aire/gas ambiente a un sensor químico, teniendo como resultado una cinética de señales acelerada.

Es otro objetivo adicional de la presente invención dar a conocer un método y aparato para facilitar una muestra de aire ambiente a un sensor químico, de manera que la interacción de moléculas de un analito en la muestra de gas con la superficie del sensor se hace máxima.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un método y aparato para suministrar una muestra de aire ambiente a un sensor químico, de manera que la interacción de moléculas que se interfieren, tal como agua en una muestra de gas, con la superficie del sensor químico se puede hacer mínima.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un método y aparato para suministrar muestras de aire ambiente a un sensor químico, de manera que se pueda establecer una línea base para el sensor químico entre muestras separadas o discretas.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una técnica de muestreo de gas pulsante que incrementa la tasa de absorción del analito en un sensor químico recubierto con un absorbente hasta 3 órdenes de magnitud más rápida que las técnicas de muestreo de gas neumático convencionales que bombean aire sobre una película absorbente a presión atmosférica.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una técnica de muestreo de gas pulsante que permite una limpieza rápida del sensor con recubrimiento de absorbente, pasando a estado libre de vapor que permite la identificación de una línea base esencialmente libre de analitos.

Éstos y otros objetivos son conseguidos por un aparato para detectar la presencia de, como mínimo, un analito en el aire ambiente, tal como se define en la reivindicación 1. El aparato comprende

como mínimo un elemento sensor que comprende una superficie dotada, como mínimo, de un material quimioselectivo de recubrimiento, tal como un recubrimiento de un polímero quimioselectivo que interacciona selectivamente, como mínimo, con un analito y que proporciona un detector para detectar la interacción selectiva de, como mínimo, un polímero quimioselectivo con el analito,

un cuerpo envolvente que encierra un medio ambiente que rodea, como mínimo, un elemento sensor, incluyendo el cuerpo envolvente una abertura de entrada conectada a una bomba de muestreo para tomar una muestra gaseosa del aire ambiente, haciéndola pasar hacia adentro del cuerpo envolvente a presión reducida, un dispositivo para cierre estanco del medio ambiente que rodea el elemento sensor, de manera que el medio ambiente que rodea el elemento o elementos sensores puede ser aislado con respecto al aire ambiente y sometido a vacío, y una abertura de salida conectada a la bomba de muestreo bajo vacío para eliminar la muestra gaseosa del medio ambiente que rodea al elemento o elementos sensores,

en el que las dimensiones y orientación de la abertura de entrada se seleccionan de manera que la muestra gaseosa es dirigida de manera que choque con cada uno de dichos elemento o elementos sensores en un flujo turbulento que es sustancialmente perpendicular a la superficie del elemento sensor que tiene el polímero quimioselectivo.

Éstos y otros objetivos se obtienen además por un método de control del aire ambiente para detectar la presencia de un analito, tal como se define en la reivindicación 11. El método comprende preferentemente las siguientes etapas:

(a) disponer un aparato que comprende un elemento sensor dotado de una superficie que tiene un recubrimiento de polímero absorbente que interacciona selectivamente con el analito y medios para detectar la interacción selectiva del recubrimiento absorbente con el analito, una envolvente que encierra un medio ambiente que rodea el elemento sensor, incluyendo el cuerpo envolvente una abertura de entrada conectada a una bomba de muestreo para eliminar o recoger una muestra gaseosa del aire ambiente y para llevar la muestra gaseosa hacia adentro de la envolvente a presión, de manera que las dimensiones y orientación de la abertura de entrada se seleccionan de manera que la muestra gaseosa es dirigida al elemento sensor en un flujo turbulento que es sustancialmente perpendicular a la superficie que tiene el recubrimiento absorbente, una abertura de salida para eliminar la muestra gaseosa del medio que rodea el elemento sensor y medios para cerrar de forma estanca el medio ambiente que rodea al elemento sensor, de manera que el medio ambiente que rodea el elemento sensor puede ser aislado con respecto al aire ambiente y puede ser sometido a vacío,

(b) cerrar de forma estanca el medio ambiente que rodea el elemento sensor con respecto al aire ambiente y someter a vacío dicho medio ambiente, de forma que se establece una línea base para el elemento sensor,

(c) recoger una muestra gaseosa de aire ambiente y llevar la muestra gaseosa al interior del cuerpo envolvente inicialmente a presión reducida, de manera que la muestra gaseosa es dirigida de forma que choque con el elemento detector en un flujo turbulento que es sustancialmente perpendicular a la superficie que tiene el recubrimiento de polímero quimioselectivo, de manera que las moléculas del analito, si se encuentran presentes en la muestra gaseosa, interaccionan con el polímero quimioselectivo y de manera que se detecta cualquiera de dichas interacciones, y de manera que las especies de bajo peso molecular que no tienen interés en la muestra gaseosa son propulsadas por el flujo turbulento hacia la abertura de salida y

(d) repetir las etapas (b) - (c) para controlar cíclicamente el gas ambiente en cuanto a presencia del analito y restablecer el elemento sensor a su línea base.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación esquemática de la primera realización de la invención mostrando el sistema neumático de muestreo del gas evacuado, o la realización básica, que tiene una cinética de aumento de señal de tipo rápido y un tiempo de recuperación relativamente lento.

La figura 2 es un diagrama de muestreo/tempo-
rización de detección de gas para la realización básica de la figura 1.

La figura 3 es un diagrama de la segunda realización de la invención mostrando el sistema neumático de muestreo de gas evacuado por inundación, o realización de inundación, que resulta en una cinética de señal rápida durante y después de la exposición al vapor.

La figura 4 es un diagrama de muestreo/tempo-
rización de detección de la realización de inundación de la figura 3.

La figura 5 es un diagrama de la respuesta de un sensor SAW que muestra respuesta de señal rápida y cinética de recuperación relativamente lenta al incorporar el sistema neumático modulado de la realización básica de la figura 1.

La figura 6 es un gráfico para la respuesta de un sensor SAW que muestra respuesta de señal rápida y cinética de recuperación por incorporación del sistema neumático modulado en presión y flujo a través de la purga de la realización de inundación de la figura 3.

Descripción detallada de la realización preferente

La presente invención dispone una técnica de muestreo de gas de tipo genérico para sensores químicos, tales como los dispositivos de onda acústica con superficie con recubrimiento de polímero quimioselectivo (SAW), que permite respuestas a la señal del sensor químico equilibradas y rápidas y la recuperación a la cinética de línea base para vapores de volatilidad relativamente baja, tales como agentes químicos nerviosos y agentes vesiculantes en el campo de tiempo de 1-2 segundos o menos. Además, la presente invención permite un restablecimiento simple y rápido, independiente del medio ambiente, de la línea base de la señal en menos de unos dos segundos después de la exposición al vapor, sin necesidad de materiales consumibles.

Una técnica de muestreo de gas neumático pulsante, según la presente invención, reduce la absorción de agua en polímeros polares hasta 95%. Una hipótesis del mecanismo es la siguiente: las moléculas de agua tienen dimensiones moleculares comparables a las moléculas de oxígeno y nitrógeno en el aire y una trayectoria de flujo neumático turbulenta, resultando arrastradas las moléculas en el flujo de aire y viéndose significativamente impedidas de ser absorbidas en la película de polímero por la que pasa su corriente o flujo. Las moléculas más grandes de interés son menos afectadas por la trayectoria de flujo turbulento y son absorbidas fácilmente en las películas de polímero delgadas.

El aparato de la presente invención puede ser utilizado con cualquier tipo de sensor químico incluyendo, sin que ello sirva de limitación, un sensor de ondas acústicas de superficie (SAW) que tiene una superficie quimioselectiva, es decir, una superficie recubierta con un absorbente o funcionalizada que interacciona selectivamente con un analito. Además, la invención está destinada a incluir sensores múltiples o conjuntos de sensores o sensores con superficies que tienen recubrimientos múltiples para detectar analitos múltiples. Los sensores múltiples pueden compartir una bomba de muestreo común y una bomba de vacío común, pero pueden tener cámaras separadas con aberturas de entrada y aberturas de salida separadas. En un diseño de este tipo se bombea una muestra de aire ambiente hacia adentro de una estructura cúbica que tiene un sensor químico en cada una de cuatro caras del cubo, compartiendo cada sensor una bomba de muestreo y bomba de vacío comunes, pero teniendo sus propias entrada y salida separadas.

En el aparato de la invención la superficie del elemento sensor químico está encerrada o rodeada por un colector o cuerpo envolvente que permite que la superficie quede aislada con respecto al medio ambiente y con respecto al área que rodea la superficie que se someterá a vacío. La acción de vacío de la cámara que rodea la superficie del elemento sensor químico elimina elementos volátiles del recubrimiento absorbente y del área circundante de la misma y permite establecer una línea base para el elemento sensor. Una presión del orden de 10'' - 17'' (25,4 cm - 43,2 cm) de columna de mercurio eliminará sustancialmente o limpiará la superficie del elemento sensor en la que el elemento se encuentra 0,3'' (0,76 cm) x 0,05'' (0,13 cm), la abertura de entrada se encuentra 0,30'' (0,76 cm) x 0,05'' (0,13 cm), la abertura de entrada se encuentra 0,1'' (0,25 cm) directamente por debajo de la abertura tubular de entrada de 0,4'' (1,02 cm) de diámetro con el caudal de la bomba en 3 l/min. El someter a vacío con una presión reducida incrementa también las características de absorbencia del polímero quimioselectivo al eliminar cualesquiera moléculas volátiles del interior del polímero. El cuerpo envolvente comprende una abertura de entrada que está conectada a una bomba, de manera que una muestra de gas tomada del aire ambiente puede ser bombeada hacia adentro de la cámara. La muestra de gas que entra en la cámara alcanza una elevada velocidad y un flujo turbulento, debido a la acción de la bomba y debido a la liberación del vacío. El flujo turbulento es dirigido por la colocación de la abertura de entrada con respecto a la superficie del elemento detector, de manera que la muestra de gas choca con la superficie del elemento sensor de manera sustancialmente perpendicular con respecto a la superficie de dicho elemento sensor, en oposición a su direccionado en una dirección sustancialmente paralela a la superficie. Esto aumenta, de manera muy importante, la oportunidad de una interacción de cualesquiera analitos de la muestra de gas con la superficie del elemento sensor, y la velocidad a la que ello tiene lugar. (La fuerza del flujo turbulento transporta pequeñas moléculas, tales como moléculas de agua, que potencialmente podrían interferir con la respuesta del polímero quimioselectivo, alejándolo del elemento sensor, de manera que su interacción con el polímero quimioselectivo se minimiza). Tal como se utiliza en esta descripción, el término "sustancialmente perpendicular" significa no paralelo o en un ángulo determinado y que el vector de flujo total para el flujo de gas turbulento es perpendicular a la superficie del elemento sensor. Es aceptable una cierta desviación con respecto a la
perpendicular.

Después de que la muestra de gas ha tenido suficiente tiempo para interaccionar con el polímero quimioselectivo, de manera que moléculas del analito, en caso de que exista, pueden ser detectadas, la abertura de entrada es cerrada de forma estanca, y la cámara que rodea el elemento detector es sometida a vacío para devolver al sensor a su línea base. El ciclo se repite a continuación, de manera que el aire ambiente es controlado de forma continua a lo largo de un período de tiempo.

La interacción de un analito con el material quimioselectivo del elemento sensor genera una señal que puede ser controlada de acuerdo con el tipo de elemento sensor.

Dada la cinética más rápida de la señal, el tiempo del elemento sensor de la presente invención, en comparación con los sensores químicos convencionales, es posible utilizar un detector químico que funciona con tecnología ortogonal con respecto al detector basado en material absorbente, con cinética de señal similar. Los datos de cada uno de los dos sensores se pueden fusionar y analizar conjuntamente.

Un transductor químico con un interfaz químico, tal como un sensor SAW con recubrimiento de polímero, funciona en condiciones de presión alternativa de la presión ambiente a la de vacío, según un ciclo repetido. Al exponer el sensor, inicialmente a presión reducida, al aire ambiente introduce con rapidez vapor del analito hacia adentro del sensor, acelerando y conduciendo las moléculas de vapor hacia adentro del recubrimiento de polímero situado en la parte superior del dispositivo SAW. La señal de frecuencia del sensor SAW es controlada durante los funcionamientos cíclicos. La exposición a una fuente de vapor de dimetilmetilfosfonato (DMMP), simuladora de un agente nervioso no calibrado durante un tiempo aproximado de 0,5 segundos, durante la exposición del sensor a aire ambiente, tiene como resultado una respuesta rápida que proporciona el 90% de la respuesta de señal total dentro de un tiempo aproximado de 0,2 segundos. Después de haber retirado la fuente de vapor, la recuperación de señal se acelera al barrer vapores relativamente volátiles con un flujo a través de una etapa de purga. Inmediatamente después del flujo de purga, la acción del vacío se aplica, en primer lugar, para retirar las especies volátiles y, a continuación, el flujo de purga es utilizado para retirar las especies no volátiles, dado que éstas se "adhieren" más que las especies volátiles. Se puede establecer un incremento en la cinética de respuesta de señal para agentes químicos de guerra, de aproximadamente 1-2 órdenes de magnitud, con los elementos neumáticos modulados en presión.

A efectos de optimizar la respuesta de señal y la cinética de recuperación, se diseñó una configuración neumática, que se ha mostrado en la figura 3, con un diagrama de temporización, mostrado en la figura 4. El tiempo de recuperación de la realización de inundación de la figura 3, en comparación con la realización básica de la figura 1, es superior aproximadamente 4 veces, es decir, el tiempo de recuperación para la realización básica mostrada en la figura es típicamente de 3-5 segundos y la de la realización de la figura 3 es típicamente menor de 1 segundo. La causa y efecto de diferentes eventos durante un ciclo típico, con la realización mostrada en la figura 3, se ha representado en la figura 4. Los datos recogidos para una exposición DMMP a un sensor SAW dotado de un recubrimiento de un polímero quimioselectivo (polímero NRL AD1) se muestra en las figuras 5 y 6 para elementos neumáticos con y sin flujo de purga antes de aplicar vacío. La cinética observada de rápida recuperación de la señal con la aplicación de flujo de purga antes de la acción del vacío se ha mostrado en el ejemplo de la figura 6, para la realización de inundación mostrada en la figura 3. La respuesta de señal al 90% de la señal máxima es aproximadamente de 1 segundo igual que antes, y la recuperación de la señal a la línea base se reduce notablemente aproximadamente a 2 segundos para DMMP, un precursor de fabricación de un agente nervioso y un simulante de agente nervioso.

Haciendo referencia a los dibujos, la figura 1 es una representación esquemática de la realización básica (100) de la invención. Esta realización básica comprende una válvula de 2 vías (102) mediante la cual se introduce una muestra de gas del aire ambiente, con intermedio de la conducción (104); y a continuación por la conducción (106); a través del cuerpo (108) del sensor que tiene una abertura de entrada, abertura de salida y elemento sensor; a través de la conducción (110); pasando a la bomba (112); y a través de la conducción de salida o escape (114). La bomba proporciona la succión para introducir la muestra de gas desde el aire ambiente.

El funcionamiento de la realización básica de la figura 1 se puede describir de manera más fácil, haciendo referencia al diagrama de temporización mostrado en la figura 2, que muestra un periodo, cuya duración puede variar dependiendo de las múltiples variables del sistema. Tal como muestra la figura 2, la bomba (112) funciona durante la totalidad del periodo e introduce la muestra gaseosa durante el tiempo en el que la válvula (102) está abierta. La detección del analito por el elemento sensor se realiza también durante este tiempo.

El periodo de tiempo requerido para identificar una línea base limpia varía en su duración dependiendo de las características de bombeo y configuración neumática exacta. Para las realizaciones de las figuras 1 y 3, el tiempo varía de manera típica entre 0,05 y 10 segundos aproximadamente.

La figura 3 es un esquema de la realización de inundación del sistema sensor (300), que introduce una muestra de gas de aire ambiente a través de la conducción (312). El aire ambiente puede contener un analito o gas que se desea eliminar. El aire ambiente puede contener más de un analito. La muestra pasa por la válvula de 3 vías (314) que, a continuación, pasa por la conducción (316) hacia el cuerpo envolvente (318) del sensor, que contiene una abertura de entrada, una abertura de salida y uno o varios elementos sensores, que tienen sobre los mismos un material quimioselectivo. Puede haber más de un elemento sensor, cada uno de ellos cubierto por un material quimioselectivo distinto, que interacciona con diferentes analitos, o puede haber un único elemento sensor, dotado de un recubrimiento de uno o varios materiales quimioselectivos, para detectar la presencia de diferentes analitos. Ni el elemento sensor ni las aberturas de entrada o salida se han mostrado. La abertura de entrada está dispuesta de manera tal que facilita la muestra en un flujo turbulento, que es dirigido en un ángulo determinado o que es sustancialmente perpendicular al elemento sensor.

Una abertura de entrada tubular, de 0,4'' de diámetro interior con el elemento sensor separado de la entrada 0,1'' (0,25 cm) con un caudal de 3 l/minuto, puede producir flujo turbulento por encima del elemento sensor. Se puede obtener flujo laminar con la misma disposición, pero con una abertura de entrada de 0,5'' (1,27 cm) de diámetro interior.

Del cuerpo envolvente (318) del sensor pasando por la abertura de salida, la muestra es transportada por la conducción (322) a la bomba (324). La bomba (324) proporciona un cierto impulso para llevar la muestra contra el elemento sensor. La bomba (324) está adaptada para transportar gas por la conducción (326) a la válvula de 3 vías (328) en la que el gas, o cualquier parte del mismo, puede ser evacuado a través de la conducción (330) o transportado adicionalmente por la conducción (332) a un depurador (334). Cuando se desplaza por el depurador, el aire es depurado del analito o limpiado, y este gas depurado es utilizado para restablecer las condiciones de línea base al hacerlo pasar sobre el elemento sensor, tal como se describirá.

Después de que el gas ha sido limpiado por depuración en el depurador (334), es transportado por la conducción (336) a la válvula de 2 vías (338), conducción (340), depósito (341), conducción (343), válvula de 2 vías (342), conducción (344) y válvula (314).

La conducción (336), válvula (338) y conducción (340), conducción de recipiente (341), conducción (343), válvula (342) y conducción (344) forman un receptáculo para el gas depurado, que es típicamente el gas de muestra o cualquier parte del mismo.

La realización de inundación de la figura 3 está diseñada para restablecer las condiciones de línea base del elemento sensor con el gas depurado, tal como se explica más adelante.

El funcionamiento de la realización de inundación de la figura 3 se puede comprender más fácilmente haciendo referencia a la figura 4, que es el diagrama de temporización de la realización de la figura 3. Los tiempos de ciclo indicados en la figura 4 son meramente ilustrativos y no son típicos de los tiempos reales. Haciendo referencia a la figura 4, el ciclo de vacío parcial (400), es decir, el primer ciclo, se ha mostrado en la parte superior y designa el ciclo durante el cual las conducciones (312), (344) y (332) están cerradas, y la bomba (324) está en marcha y elimina todos los gases de la válvula (314), conducción (316), cuerpo del sensor (318) con sus aberturas de entrada y salida y elemento sensor, conducción (322), válvula (328) y conducción (326) a través de la conducción de salida (330). Tal como indica la figura 4, la duración de este ciclo es de 5 segundos y proporciona un vacío o baja presión, es decir, inferior a la atmosférica, sobre el elemento sensor. Esta situación se puede describir al tener la válvula (314) en funcionamiento y también la bomba (324) en funcionamiento, proporcionando la bomba la evacuación.

El ciclo siguiente o segundo ciclo tiene también una duración de 5 segundos y está diseñado como ciclo (402) de extracción o vacío completo, durante el cual las conducciones (312) y (330) están cerradas y la conducción (344) está abierta, de manera que el gas pueda circular en el sistema cerrado, con la bomba (324) en funcionamiento, a través de la válvula (314), conducción (316), cuerpo (318) del sensor, conducción (322), conducción (326), válvula (328), conducción (332), depurador (334), conducción (336), válvula (338), conducción (340), conducción receptáculo (341), conducción (343), válvula (342) y conducción (344), estando cerrada la conducción (312). El objetivo de este ciclo consiste en avanzar el gas del recipiente depurado contra el elemento sensor, a efectos de reponer sus condiciones de línea base. Este ciclo tiene como resultado una presión sobre el elemento sensor, que es más elevada que en el ciclo de vacío parcial, pero menor que la atmosférica, suponiendo que el aire ambiente se encuentra a presión atmosférica. Al inicio de este segundo ciclo, dado que la presión del gas sobre el elemento sensor es más baja que la del gas del recipiente, este diferencial de presión es el que produce la entrada del gas del recipiente. Dado que el gas del recipiente, es decir, esencialmente de la conducción de recipiente (341), entra sobre el elemento sensor debido al diferencial de presión, retira moléculas de analito del elemento sensor, restableciendo el elemento sensor a su estado de línea base. Esto se hace posible por el hecho de que la presión sobre el elemento sensor es más baja que la presión en el gas del recipiente, creando de esta manera un diferencial de presión para introducir el gas del recipiente. El otro que hace posible el restablecimiento de las condiciones del línea base es que el gas del recipiente ha sido depurado del analito. Este ciclo puede ser descrito también como el tiempo en que tanto la válvula (314) como la bomba (328) se encuentran en funcionamiento. El segundo ciclo puede ser también descrito como aquél en el que las válvulas (342) y (328) están en funcionamiento.

El ciclo siguiente o tercer ciclo es el ciclo de muestreo (404), designado como muestreo previo, durante el cual la conducción (312) está cerrada y la conducción (332) está abierta, de manera que existe paso por la válvula (314); conducción (316); cuerpo envolvente (318) del sensor con la abertura de entrada, abertura de salida y elemento sensor; conducción (322); bomba (324); y saliendo por la conducción (330). El objeto de este tercer ciclo, cuya duración es de 5 segundos, consiste en volver a llenar el gas del recipiente contra el elemento sensor. Tal como quedará evidente, si bien el tercer ciclo está diseñado como muestreo previo, no se hace muestreo del aire ambiente.

El último ciclo o cuarto ciclo (406), que se ha mostrado en la figura 4, está diseñado como ciclo de muestreo, y efectúa el muestreo del aire ambiente. Durante este ciclo, las conducciones (344) y (332) están cerradas, y la conducción (312) está abierta por la manipulación de la válvula (314), de manera que el aire ambiente pasa por la conducción (312), válvula (314), conducción (316), cuerpo envolvente (318) del sensor, conducción (322), bomba (324), conducción (326), válvula (328), y sale por la conducción (330). El diferencial de presión entre el aire ambiente, que es típicamente atmosférica, y la presión del cuerpo envolvente del sensor, que es típicamente subatmosférica, proporciona el impulso parcial para introducir el aire ambiente. El diferencial de presión es típicamente suficiente para la introducción de menos de la mitad, y típicamente una tercera parte de la muestra gaseosa sometida a prueba, siendo introducido el resto por la bomba (328), que es puesta en marcha cuando la presión del gas del recipiente y la presión del aire ambiente se igualan aproximadamente. En la figura 4, parte del aire ambiente que es introducido por el diferencial de presión se ha indicado con el numeral (408), y la parte introducida por la bomba (328) se ha indicado con el numeral
(410).

La conducción de recipiente (341) tienen diámetro interior típicamente de 1/4'' (0,635 cm) y una longitud de 5' (1,52 m), y las otras conducciones son típicamente cortas y son conducciones con un diámetro interior de 1/8''-1/4'' (0,318-0,635 cm). La sección de recipiente, que incluye la conducción (336), válvula (338), conducción (340), conducción de recipiente (341), conducción (343), válvula (342) y conducción (344), pero esencialmente la conducción (341) dado que el volumen de las otras conducciones es pequeño porque son típicamente cortas, actúa como recipiente de gas depurado para el sistema durante el ciclo completo de evacuación cuando el gas depurado es introducido contra el elemento sensor, cuando se restablece el estado de línea base del elemento sensor, al retirar el analito del elemento sensor por el flujo del gas depurado.

Dado que la línea base puede ser objeto de reposición de manera rápida y de forma repetida, si existen desplazamientos en la respuesta de la señal ambiental, éstos pueden ser rápidamente anulados, porque la línea base puede ser restablecida en menos de unos 2 segundos. Por lo tanto, se eliminan de manera efectiva los temas de desplazamiento de la señal de sensor de temperatura y humedad.

Asimismo, dada la cinética de señal muy rápida, los sensores SAW con recubrimiento de polímero son comparables, en la actualidad, en su cinética, a un detector químico basado en tecnología ortogonal, tal como el espectrómetro de movilidad de iones (IMS), que utiliza una entrada de vapor directa, y no una membrana o, en general, un detector químico de cinética de señal rápida, basado en tecnología de detección ortogonal, tal como el IMS. La unión de las dos tecnologías entre sí es importante dado que no es significativo si un sensor es mucho más rápido en términos de respuesta a un gas, porque la fusión de cualquier algoritmo de proceso de datos o señales resulta complicada, y el sensor rápido tiene que esperar que el sensor lento recupere.

Ejemplos

Un conjunto de cuatro sensores químicos -250 MHz SAW (dotado cada uno de ellos separadamente de un recubrimiento con un grosor aproximado de 50 nm de los polímeros NRL CSP2, T1, AD1, y EHI correspondiendo a un desplazamiento de frecuencia de 250 KHz, antes y después de recubrimiento) fueron conectados neumáticamente en configuración en paralelo a una bomba miniatura Brailsford TD-4x2NA, y a una válvula miniatura de 2 vías, tal como se ha mostrado en la figura 1. Los elementos neumáticos se hicieron funcionar con un ciclo repetido que incorporaba dos operaciones principales. 1.- El sensor fue sometido a vacío (válvula cerrada) haciendo funcionar la bomba para reducir la presión dentro de la cámara del sensor y eliminar el aire de este modo, y los vapores del sistema neumático contenidos entre la bomba, sensor y válvula. 2.- Parando la bomba y conmutando la válvula a posición abierta, para permitir que el aire ambiente con un vapor de analito de dimetilmetilfosfonato (DMMP) pudiera entrar con rapidez en el conjunto de elementos neumáticos y el sensor. Las operaciones 1 y 2 se repitieron en ciclo continuo, manteniéndose la operación 1 durante un periodo de 5 segundos, y la operación 2 durante un periodo de 5 segundos. Los detalles del ciclo se indican en la figura 2.

Se observaron los siguientes resultados: exponiendo el sensor, inicialmente a presión reducida, a aire ambiente para conducir con rapidez vapor del analito al sensor, acelerando y conduciendo las moléculas de vapor a la película de polímero aplicada como recubrimiento en la parte superior del dispositivo SAW. La señal de frecuencia del sensor SAW fue controlada durante las operaciones cíclicas 1 y 2, descritas anteriormente. La exposición a una fuente de vapor no calibrada DMMP durante 0,5 segundos aproximadamente, durante la operación 2, tuvo como resultado una rápida respuesta, proporcionando el 90% de la respuesta de señal total dentro de 0,2 segundos aproximadamente. Las respuestas máximas fueron de 35 KHz, 31 KHz, 26 Khz, y 6 KHz de señal para dispositivos SAW dotados de recubrimiento con polímeros EH1, T1, AD1, y CSP2, respectivamente. Después de retirar la fuente de vapor, la recuperación de la señal a la línea base requirió un periodo prolongado de tiempo comprendido entre 10 y 60 segundos, dependiendo del polímero. La respuesta de señal correspondiente después de 0,7 segundos del sensor SAW idéntico, dotado de recubrimiento de polímero EH1 y atacado con el mismo vapor para muestreo de vapor "normal" (flujo continuo de vapor bombeado sobre el sensor a presión constante), produjo una respuesta de señal mucho más lenta de 1000 Hz.

A efectos de mejorar la recuperación del sensor químico SAW después de la exposición al vapor, la etapa de acción de vacío fue precedida por una corriente de flujo continuo, para eliminar especies volátiles del sensor. La subsiguiente acción de vacío eliminó menos componentes de vapor volátiles. Esta operación de recuperación de la línea base permite una recuperación por etapas a una señal de línea base libre de vapor limpio. A efectos de optimizar la cinética de recuperación de la señal, se utilizó una configuración neumática rediseñada, tal como se ha mostrado en la figura 3, con un diagrama de temporización, mostrado en la figura 4. Los datos recogidos para exposición DMMP a un sensor SAW dotado de recubrimiento con polímero NRL Adiol se muestra en las figuras 5 y 6. La cinética de recuperación rápida de señal, observada con la aplicación de flujo por purga antes de la aplicación de vacío, se muestra a título de ejemplo en la figura 6. La respuesta de señal al 90% de la señal máxima es aproximadamente de 1 segundo igual que antes, pero la recuperación de la señal a la línea base se reduce de manera notable hasta 2 segundos aproximadamente para el dimetilmetilfosfonato (DMMP), precursor de los agentes nerviosos y del estimulante de agente nervioso.

Además de las pruebas con DMMP, se llevaron a cabo pruebas de exposición a tolueno y dinitrotolueno para evaluar la técnica de muestreo en cuanto a su efectividad para especies más volátiles y menos volátiles. Las respuestas a especies más volátiles, tales como tolueno, fueron reducidas.

Se debe comprender que, dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas, la invención puede ser llevada a la práctica de un modo distinto al descrito de manera específica.

Claims (21)

1. Aparato (100, 300) para detectar la presencia, como mínimo, de un analito en aire ambiente, cuyo aparato (100, 300) comprende:

como mínimo, un elemento sensor que comprende una superficie que tiene como mínimo un recubrimiento de material quimioselectivo, que interacciona selectivamente con dicho analito o analitos, y medios para detectar la interacción selectiva del material quimioselectivo con el analito,

un cuerpo envolvente (108, 318) que encierra un medioambiente que rodea el elemento o elementos sensores, incluyendo el cuerpo envolvente (108, 318) una abertura de entrada conectada a una bomba de vacío (112, 324) para tomar una muestra gaseosa del aire ambiente, haciéndola pasar al cuerpo envolvente (108, 318) a presión reducida,

un dispositivo para cerrar de forma estanca el medioambiente que rodea el elemento o elementos sensores, de manera que el medioambiente que rodea dicho elemento o elementos sensores puede ser aislado del aire ambiente y sometido a vacío, y

una abertura de salida conectada a la bomba de vacío (112, 324) para eliminar la muestra gaseosa del medioambiente que rodea al elemento o elementos sensores, de manera que las dimensiones y orientación de la abertura de entrada se seleccionan de manera que la muestra gaseosa es dirigida de manera que choque con cada uno de dichos elementos sensores en un flujo turbulento, que es sustancialmente perpendicular a la superficie del elemento o elementos sensores que tienen el material quimioselectivo.

2. Aparato (100, 300), según la reivindicación 1, en el que la abertura de entrada comprende un paso tubular, que tiene una dirección sustancialmente perpendicular a la superficie del elemento o elementos sensores, que tienen el material quimioselectivo, y en el que el paso termina en una abertura separada de la superficie del elementos sensor que tiene el material quimioselectivo, de manera que una muestra gaseosa que pasa por la abertura de entrada es propulsada sobre la superficie del elemento sensor que tiene el material quimioselectivo en flujo turbulento; comprendiendo la abertura de salida una cavidad anular; y siendo el material quimioselectivo un polímero quimioselectivo.

3. Aparato (100, 300), según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que comprende además un detector químico cinético de señal rápida, y en el que el elemento o elementos sensores incluyen un espectrómetro de movilidad de iones, de manera que tanto el detector químico como el elemento sensor producen una respuesta en forma de señal, y el aparato (100, 300) comprende además medios para fusionar y analizar la respuesta de señal de cada uno de dichos elemento o elementos sensores y el detector químico.

4. Aparato (100, 300), según la reivindicación 3, que comprende además:

una primera válvula (102, 314) para permitir la entrada o bloqueo del aire ambiente que puede contener el analito, y

una bomba (112, 324) conectada a dicha abertura de salida para conducir el aire contra el elemento sensor.

5. Aparato (100, 300), según la reivindicación 4, en el que dicha primera válvula (102, 314) es una válvula de 3 vías, de manera que dicha abertura de entrada es tubular y está dispuesta de forma sustancialmente perpendicular a dicho elemento sensor; y dicha bomba (112, 324) es una bomba de vacío.

6. Aparato (100, 300), según cualquiera de las reivindicaciones 4-5, que comprende además un depurador (334), que funciona conjuntamente con dicha bomba (112, 324), para eliminar el analito del aire, a efectos de facilitar aire depurado; y una segunda válvula (338) conectada a dicho depurador (334) que proporciona el aire depurado a dicho elemento sensor.

7. Aparato (100, 300), según la reivindicación 6, que comprende además una tercera válvula (342) entre dicha segunda válvula (338) y dicha primera válvula (314).

8. Aparato (100, 300), según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, que comprende además una cuarta válvula (328) conectada entre dicha bomba (112, 324) y dicho depurador (334).

9. Aparato (100, 300), según la reivindicación 8, en el que dicha primera válvula (102, 314) es una válvula de 3 vías, dicha segunda válvula (338) es una válvula de 2 vías, dicha tercera válvula (342) es una válvula de 2 vías, dicha cuarta válvula (328) es una válvula de 3 vías, y en el que las dimensiones de dicha bomba (112, 324) son suficientes para producir un caudal de 7 litros/min.

10. Aparato (100, 300), según la reivindicación 9, en el que las dimensiones de dicho elemento sensor son de 0,76 cm por 0,13 cm, estando dispuesto dicho elemento sensor a 0,25 cm de dicha abertura de entrada, teniendo dicha abertura de entrada 1,02 cm de diámetro, y el aire está dirigido sustancialmente de forma perpendicular con respecto a dicha superficie de dicho elemento sensor con un caudal suficiente para obtener flujo turbulento.

11. Método para el control del aire ambiente para detectar la presencia de un analito en el mismo, cuyo método comprende las siguientes etapas:

(a)

introducir aire que contiene un analito,

(b)

dirigir el aire introducido a una superficie de un elemento sensor, teniendo el elemento sensor en su superficie un material quimioselectivo que interacciona selectivamente con el analito, de manera que el aire introducido es dirigido de forma que choca con un flujo turbulento sustancialmente perpendicular sobre dicha superficie, y

(c)

detectar una interacción del analito con el elemento de detección.

12. Método, según la reivindicación 11, en el que la etapa de dirigir el aire introducido en el elemento sensor es realizada utilizando un flujo turbulento del aire introducido, y el método comprende además la etapa de restablecer la situación de la línea base del elemento sensor en menos de 2 segundos, dirigiendo un gas depurado al elemento sensor.

13. Método, según la reivindicación 11, que comprende además la etapa de restablecer la situación de la línea base del elemento sensor al dirigir aire ambiente al elemento sensor.

14. Método, según la reivindicación 11, que comprende además las etapas de pasar el aire por un depurador (334) después que el aire ha sido dirigido al elemento sensor, de manera que el analito es eliminado del aire, y procediendo a continuación a la limpieza del elemento sensor con el aire depurado para la reposición de la situación de línea base del elemento sensor.

15. Método, según la reivindicación 14, que comprende además la etapa de pasar el aire depurado a la válvula (338), en la que el aire depurado puede ser bloqueado o se puede permitir su paso por la válvula (338).

16. Método, según la reivindicación 14, que comprende las etapas de pasar independientemente o bloquear el flujo de aire hacia el elemento sensor, e independientemente pasar o bloquear el flujo del aire depurado hacia el elemento sensor a efectos de restablecer el estado de línea base del elemento sensor.

17. Método, según la reivindicación 11, que comprende además las siguientes etapas:

(a)

disponer un aparato (100, 300) que comprende un elemento sensor que tiene una superficie con un recubrimiento de un material quimioselectivo, que interacciona selectivamente con el analito, y medios para detectar la interacción del material quimioselectivo con el analito, un cuerpo envolvente (108, 318) que encierra el medioambiente que rodea el elemento sensor, incluyendo dicho cuerpo envolvente (108, 318) una abertura de entrada conectada a una bomba de muestreo (112, 324) para retirar una muestra gaseosa del aire ambiente y llevar la muestra gaseosa hacia adentro del cuerpo envolvente (108, 318) bajo presión, en el que las dimensiones y orientación de la abertura de entrada se seleccionan de manera tal que la muestra gaseosa es dirigida al elemento sensor en flujo turbulento, que es sustancialmente perpendicular a la superficie, y que tiene el recubrimiento de material quimioselectivo una abertura de salida para retirar la muestra gaseosa del medio ambiente que rodea el elemento sensor, y medios para el cierre estanco del medio ambiente que rodea el elemento sensor, de manera que el medioambiente que rodea el elemento sensor puede ser aislado con respecto al aire ambiente y sometido a vacío;

(b)

cerrando de forma estanca el medio ambiente que rodea el elemento sensor con respecto al aire ambiente y someter a vacío el medioambiente, de manera que se establece una línea base del elemento sensor,

(c)

retirar una muestra gaseosa del aire ambiente y llevar la muestra gaseosa al cuerpo envolvente (108, 318) a presión reducida, antes de dirigir la muestra gaseosa de forma que choque con el elemento detector, de manera que moléculas del analito, si existen en la muestra gaseosa, interaccionen con el material quimioselectivo, y en el que se detecta cualquier interacción de este tipo, y en el que las moléculas no analito de la muestra gaseosa son propulsadas por el aire turbulento hacia la abertura de salida, y

(d)

repetir las etapas (b) - (c) para controlar cíclicamente el gas ambiente en cuanto a la presencia del analito y restablecer el elemento detector a su línea base.

18. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 11-17, que comprende además la etapa de detectar un segundo analito que tiene diferente respuesta y diferente recuperación con respecto al primer analito.

19. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 11-18, que comprende además la etapa de diferenciar entre analitos detectados con un sensor dotado de un recubrimiento de un material quimioselectivo.

20. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 11-19, en el que se eliminan los efectos de la temperatura y/o humedad sobre la respuesta del elemento sensor al aire ambiente.

21. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 11-20, en el que un único material quimioselectivo del elemento sensor detecta múltiples analitos.