Устройство для определения содержания no в выдыхаемом воздухе
Полезная модель применима для селективного определения микроконцентраций оксида азота в выдыхаемом человеком воздухе для решения проблем в области медицины и биологии. Решается техническая задача повышения чувствительности и быстродействия устройства для определения содержания NO. Устройство содержит крышку в виде фторопластовой сетки 1, датчик 2 с платиновым нагревателем, подключенным к источнику питания постоянного тока 3, и платиновыми контактами, подключенными к измерителю сопротивления 4. Датчик 2 выполнен в виде пластины из Аl2O3, на которую нанесен чувствительный слой, выполненный на основе In 2О3 и модифицированный добавкой Sm 2O3. В результате хемосорбции оксида азота чувствительным слоем датчика 2 изменяется его сопротивление.
Полезная модель относится к области анализа материалов путем определения их химических и физических свойств с помощью электрических средств, в частности, путем определения электрохимических параметров и промышленно применима для селективного определения микроконцентраций оксида азота в выдыхаемом человеком воздухе для решения проблем в области медицины и биологии.
Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе, содержащее диэлектрическую подложку с нанесенным на нее чувствительным слоем, причем подложка снабжена Pt нагревателем и Pt контактной группой [G.Lu, N.Miura, N.Yamazoe Stabilized zirconia-based sensors using WO3 electrode for detection of NO of NO2// Sensors and Actuators, 2000, vol. B 65, p.125-127]. В этом устройстве подложка представляет собой стабилизированную иттрием циркониевую (YSZ) трубку. Внутри в дно трубки впрессован эталонный электрод, представляющий собой Pt чернь и Pt контакт, сцепленный с ней. Снаружи трубки наносится чувствительный слой WO3, который после прокаливания при 700°С в течение 3 часов прочно соединяется с трубкой. В оксид также вживляется платиновый контакт. Внутренняя часть трубки находится постоянно в чистом воздухе. Наружная часть YSZ трубки обтекается либо чистым воздухом, либо воздухом, содержащим NO. Рабочая температура сенсора составляет 500-700°С. Появляющаяся при этом разность потенциалов и ионный ток характеризуют концентрацию газообразного NO в воздухе. Однако время отклика данного устройства при появлении NO в воздухе превышает 80 секунд. Это делает его
малоэффективным при анализе NO в выдыхаемом воздухе с учетом времени жизни NO. Пороговая чувствительность твердотельного электрохимического сенсора не высока (10-3 об.%).
С помощью заявляемой полезной модели решается техническая задача повышения чувствительности и быстродействия устройства для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенным на нее чувствительным слоем, причем подложка снабжена Pt нагревателем и Pt контактами, чувствительный слой выполнен на основе In2O 3 и модифицирован добавкой Sm2О 3, подложка выполнена в виде пластины из Аl 2O3, а содержание Sm 2O3 в чувствительном слое составляет от 0.5 до 10 вес.%.
В частности, устройство может дополнительно содержать корпус, внутри которого расположена подложка с чувствительным слоем.
В частности, корпус может быть дополнительно снабжен пористой крышкой. При этом пористая крышка может быть выполнена в виде фторопластовой сетки.
В частности, устройство может дополнительно содержать источник питания, к которому подключен нагреватель.
В частности, устройство может дополнительно содержать измеритель сопротивления, к которому подключены контакты
Оксид азота выделяется эндотелиальными клетками человека в ответ на многие внешние воздействия и является сосудорасширяющим эндотелиальным фактором. Синтезировать и выделять NO способно большинство клеток организма человека и животных: эндотелий кровеносных сосудов, клетки нервной ткани (нейроны) и макрофаги -клетки соединительной ткани, обладающие высокой фагоцитарной активностью. После вредного внешнего воздействия на организм человека (в условиях патологии) макрофаги продуцируют огромные (в
100-1000 раз больше, чем другие клетки) количества NO. Низкомолекулярный газ NO легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества.
Высокие дозы NO токсичны для клеток. Время жизни оксида азота в среднем составляет 10 секунд. Оно ограничено высокой реакционной способностью молекулы и ее взаимодействием с железосодержащими ферментами. При больших концентрациях NO образуется реакционное и токсичное свободнорадикальное соединение пероксинитрита:
NO+О2- (свободный радикал)=ONOO-
Токсический эффект NO проявляется в снижении выработки АТФ, а также ферментов, участвующих в репликации ДНК. С NO связывают и развитие септического шока, когда большое количество микробов, циркулирующих в крови, резко активируют синтез газа в эндотелии, что приводит к длительному и сильному расширению мелких кровеносных сосудов и как следствие - значительному снижению артериального давления, с трудом поддающемуся терапевтическому воздействию. При многих нейродегенеративных заболеваниях, ишемии, травмах, опухолях головного мозга продуцируется большое количество NO.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема заявляемого устройства. Устройство содержит корпус с крышкой из пористого материала (фторопластовая сетка) 1, датчик 2, источник питания постоянного тока 3, измеритель сопротивления 4. Датчик 2 выполнен в виде пластины из Аl 2O3, на которую нанесен чувствительный слой, выполненный на основе In2O 3, и модифицированный добавкой Sm2 О3. Датчик 2 снабжен платиновым нагревателем, подключенным к источнику питания постоянного тока 3, и платиновыми контактами, подключенными к измерителю сопротивления 4.
В корпус через пористую крышку 1 на датчик 2 поступает выдыхаемый воздух, содержащий NO. Для анализа NO используется
чувствительный слой датчика 2, выполненный на основе In2 O3 и модифицированный добавкой Sm 2O3. В результате хемосорбции оксида азота чувствительным слоем датчика 2 изменяется его сопротивление. При измерении относительного сопротивления датчик 2 нагревается до температуры 250-300°С при пропускании тока через нагреватель, подключенный к источнику питания 3. По полученным данным с привлечением калибровочной характеристики рассчитывается концентрация NO в выдыхаемом воздухе.
Пример конкретного выполнения. Чувствительный слой на основе In2О3 , модифицированный добавкой Sm2O 3 в количестве 3 вес.%, наносили на диэлектрическую подложку из Аl2O3 размером 1.5×1.5×0.3 мм, снабженную Pt нагревателем и Pt контактами 4. Температура датчика 2 составляла 275°С. Время отклика при появлении NO в выдыхаемом воздухе не превышало 5 секунд. Именно данный состав чувствительного слоя позволяет селективно определять концентрацию NO в выдыхаемом воздухе. В результате хемосорбции NO чувствительным слоем изменяется проводимость слоя.
Определение концентрации NO может быть проведено посредством использования калибровочной зависимости, построенной по характеристикам проводимости для эталонных образцов. Нижний предел определения концентрации NO в выдыхаемом воздухе составляет 10 -5 об.%.
Использование предлагаемого устройства с применением селективного полупроводникового чувствительного слоя, состоящего из In2O3 с добавкой Sm2О3 , обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом следующие преимущества:
- высокую чувствительность;
- простоту конструкции и малые габариты;
- малое время отклика;
- высокую стабильность и продолжительный срок службы.
1. Устройство для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе, содержащее диэлектрическую подложку с нанесенным на нее чувствительным слоем, причем подложка снабжена Pt нагревателем и Pt контактами, отличающееся тем, что чувствительный слой выполнен на основе In2O3 и модифицирован добавкой Sm2O3, подложка выполнена в виде пластины из Al2О 3, а содержание Sm2O 3 в чувствительном слое составляет от 0,5 до 10 вес.%.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит корпус, внутри которого расположена подложка с чувствительным слоем.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус дополнительно снабжен пористой крышкой.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пористая крышка выполнена в виде фторопластовой сетки.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит источник питания, к которому подключен нагреватель.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измеритель сопротивления, к которому подключены контакты.
