检测挥发性有机化合物的方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用传感器元件的方法，所述方法包括：使传感器元件暴露于未知的被分析物蒸气；测量所述传感器元件的电容以获得测量电容；获得所述传感器元件的真实电容；使半反射性导电电极暴露于入射光并观察反射光，以便测量所述入射光与所述反射光之间的光谱变化；将所述真实电容与测量的光谱变化或其至少一个导数与参考文库比较，所述参考文库包括多种参考被分析物蒸气的光谱变化与真实电容或其至少一个导数之间的参考相关性；以及确定所述被分析物蒸气的化学类别或种类中的至少一者。
【专利说明】检测挥发性有机化合物的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于检测挥发性化合物的方法和装置。
【背景技术】
[0002]挥发性有机化合物(VOC)的检测由于环境和安全问题而在许多应用中具有潜在的重要性。已经开发出使用光致电离、重量测定法、光谱法等用于检测VOC的多种方法。在许多当前商业化的VOC检测技术中，无法识别V0C。举例来说，流行的检测技术光致电离检测(PID)需要事先识别任何VOC以便获得定量信息。为了识别V0C，通常使用复杂且昂贵的仪器，例如气相色谱-质谱分析(GCMS)仪器。尽管已力求小型化，但实地(例如在制备设施或车间中)使用GCMS仍然很困难并且昂贵。
[0003]已设计出多种吸收性电容传感器或光化学传感器，所述传感器包括一种夹在两层之间的电介质微孔材料，所述层中的至少一层对于被电介质微孔材料吸收的被分析物蒸气(例如挥发性有机化合物)来说是多孔的。在此所用的术语“吸收”是指材料被置于电介质微孔材料中，无论它是仅仅被孔壁吸收还是溶解于整体电介质微孔材料中。这些传感器检测由所吸收的VOC引起的微孔材料特性的变化。举例来说,光化学传感器检测由电介质微孔材料的折射率变化引起的折射光的光谱变化，而电容传感器检测由电介质微孔材料的介电常数变化引起的电容变化。
【发明内容】
[0004]虽然已经开发出能够测量已知被分析物(例如挥发性有机化合物)的浓度的光化学传感器和电容传感器两者，但迄今为止尚不知如何使用这类吸收性传感器将被分析物按化学类型分类，更不用说识别它们。
[0005]在一个方面，本发明提供了一种使用传感器元件的方法，所述方法包括以下步骤:
[0006]a)提供传感器元件，所述传感器元件包括反射性导电电极、半反射性导电电极和检测层，所述检测层包括被夹在所述反射性导电电极与所述半反射性导电电极之间的电介质光透射性微孔材料，其中所述半反射性导电电极或所述反射性导电电极中的至少一者为被分析物蒸气可渗透的；
[0007]b)在一定的温度和湿度水平下测定所述传感器元件的基线电容和基线反射光谱；
[0008]c)在暴露于所述被分析物蒸气时获得所述传感器元件的电容，以获得测量电容；
[0009]d)在暴露于被分析物蒸气时获得所述传感器元件的反射光谱，以获得包括光谱特征的测量反射光谱；
[0010]e)获得所述传感器元件的真实电容，其中所述真实电容等于所述测量电容减去所述传感器元件的基线电容；
[0011]f)获得所述光谱特征的波长偏移，其中所述光谱特征的波长偏移等于所述基线反射光谱与所述测量反射光谱中所述光谱特征的波长的差值；
[0012]g)将所述真实电容和所述光谱特征的波长偏移或其至少一个导数与参考文库比较，其中所述参考文库包括多种参考被分析物蒸气的所述光谱特征的波长偏移与所述真实电容或所述其至少一个导数之间的参考相关性；
[0013]h)确定所述被分析物蒸气的化学类别或种类中的至少一者。
[0014]有利的是，根据本发明的方法允许使用相对低成本并便于携带的蒸气传感器(如与GCMS比较)来分类和/或识别被分析物蒸气，例如挥发性有机化合物。
[0015]除非另外指明，否则本发明(包括权利要求书)的工艺中所述的步骤可以按任何合适的顺序进行。
[0016]本发明的实施过程中所用的传感器元件总体上被构造为使得吸收性电介质层足够靠近第一导电电极和第二导电电极，以至于所述层中含有的吸收性电介质材料将能够与由电极建立的电场发生相互作用。在传感器元件的操作中，吸收性电介质层在吸收一种或多种被分析物(例如，一种或多种有机物蒸汽)时显示电气特性变化。电气特性可以为如下文所述的电容相关特性。可以通过在第一导电电极和第二导电电极之间赋予电荷差(例如，向电极赋予电压差)并监测所述传感器元件的特性对被分析物的存在的响应，测量这种电容相关特性的变化。
[0017]术语“电容相关特性”涵盖了通常与赋予电荷(无论是静电荷还是时变电荷)以及在赋予电荷期间和/或之后监测电气特性相关的任何电气特性和其测量过程。例如，这种特性不仅包括电容，还包括阻抗、感应系数、导纳、电流、电阻、电导系数等，并且可以根据本领域熟知的多种方法测量。
[0018]如在此所用:
[0019]关于一层材料(例如导电电极)的术语“可渗透”意指在存在所述层的区域，所述层是足够多孔的，从而至少一种有机化合物可以非反应性地渗透穿过其厚度(例如，在25°C下)；
[0020]术语“基线电容”是指在不存在被分析物情况下观察到的电容；
[0021 ] 术语“真实电容”是指观察电容减去基线电容；以及
[0022]在反射光谱情形下，术语“光谱特征”是指反射光谱的可识别的特征，例如峰(反射最大值)、谷(反射最小值)或拐点)。光谱特征的尺寸(强度)和/或波长可以响应被分析物的存在而变化。在较多峰中的一者的位置或尺寸偏移(例如由于被分析物的浓度变化)时，由光电检测器检测的反射光的量、光谱分布或强度可能变化。
[0023]在考虑【具体实施方式】以及所附权利要求书之后，将进一步理解本发明的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为用于实施根据本发明的方法的示例性构造的示意性剖视图；
[0025]图2为根据实例I和2产生的参考文库的图形表示。
[0026]应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其它的修改形式和实施例，这些修改形式和实施例在本发明的原理的范围和精神内。图可能未按比例绘制。在所有图中，相同参考数字可以用来表示相同部件。【具体实施方式】
[0027]图1示出了用于实行根据本发明的检测挥发性有机化合物的示例性方法100的示例性构造。现在参见图1，示例性传感器元件105包括了被设置在任选的基板110上的反射性导电电极120、半反射性导电电极140和被夹在反射性导电电极120与半反射性导电电极140之间的检测层130。
[0028]任选的基板110可以为材料的连续块、层或膜。如果存在，那么它被设置成与反射性导电电极足够接近，使得它可以用于向吸收性传感器元件提供物理强度和完整性。可以使用具有结构完整性、柔性或刚性的任何固体电介质材料。合适的材料包括例如玻璃、陶瓷、金属和/或塑料。有利地，基板为电介质。
[0029]反射性导电电极120可以由具有反射表面的任何材料制成。反射电极可以为单一体，并可以是相对厚的或者相对薄的。单一体的实例包括反射金属箔或片。任选地，反射性导电电极可以包括上面设置有反射层的基板，其中任选的基板如上文所定义。反射性导电电极材料可以针对应用特制。合适的反射层的实例包括厚度为20到200纳米(nm)的蒸气沉积金属，不过也可使用其它厚度。举例来说，反射性导电电极可以具有足以自支承的厚度(例如在10微米到I厘米范围内)，不过也可以使用较大和较小厚度。用于反射层的示例性合适材料包括铝、铬、金、镍、钛、钯、钼、硅、银以及它们的组合。
[0030]反射性导电电极120有利地反射入射在它上面的波长范围为300nm到2500nm的一些光的至少50%、60%、70%、80%或甚至至少90%或更多，不过也可使用较小反射率。
[0031]检测层130包括电介质光透射性微孔材料。在上下文中，术语“微孔的”和“微孔性”意指材料具有相当数量的内部互连的孔隙体积，并且平均孔尺寸(如例如用吸附等温线程序表征)小于lOOnm，通常小于10nm。这种微孔性使得有机被分析物的分子(如果存在)将能够渗透材料的内部孔隙体积，并且吸收驻扎在内部孔隙中。内部孔隙中的这种被分析物的存在可以改变材料的介电性质，使得介电常数(或任何其它合适的电气特性)的变化可以被观测到。
[0032]合适的电介质光透射性微孔材料的实例包括多孔二氧化硅和内在微孔性聚合物(PIM)0 PIM为由于晶体堆积不足而产生纳米级孔的聚合物材料。举例来说,在ChemicalCommunications (化学通讯),2004，(2),第230-231页中,Budd等人报导了一系列内在微孔
材料，所述材料在刚性和/或扭曲单体构筑嵌段之间含有二苯并二_烷键。这一聚合物家
族中的代表性成员包括根据方案I (下文)由如表1所示的组分A (例如A1、A2或A3)与组分B (例如B1、B2或B3)缩合所产生的那些聚合物。
【权利要求】
1.一种使用传感器元件的方法，所述方法包括以下步骤: a)提供传感器元件，所述传感器元件包括反射性导电电极、半反射性导电电极和检测层，所述检测层包括被夹在所述反射性导电电极与所述半反射性导电电极之间的电介质光透射性微孔材料，其中所述半反射性导电电极或所述反射性导电电极中的至少一者为被分析物蒸气可渗透的； b)在一定的温度和湿度水平下测定所述传感器元件的基线电容和基线反射光谱； c)在暴露于所述被分析物蒸气时获得所述传感器元件的电容，以获得测量电容； d)在暴露于被分析物蒸气时获得所述传感器元件的反射光谱，以获得包括光谱特征的测量反射光谱； e)获得所述传感器元件的真实电容，其中所述真实电容等于所述测量电容减去所述传感器元件的基线电容； f)获得所述光谱特征的波长偏移，其中所述光谱特征的波长偏移等于所述基线反射光谱与所述测量反射光谱中所述光谱特征的波长的差值； g)将所述真实电容和所述光谱特征的波长偏移或其至少一个导数与参考文库比较，其中所述参考文库包括多种参考被分析物蒸气的所述光谱特征的波长偏移与所述真实电容或所述其至少一个导数之间的参考相关性； h)确定所述被分析物蒸气的化学类别或种类中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d)和e)是同时进行的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述电介质光透射性微孔材料包括内在微孔性聚合物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中步骤h)包括确定所述被分析物蒸气的化学类别。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤h)包括确定所述被分析物蒸气的种类。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述被分析物蒸气包含有机化合物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述反射性导电电极被设置在基板上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述基板是电介质。
【文档编号】G01N21/27GK103477215SQ201280018000
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年4月2日 优先权日:2011年4月13日
【发明者】姜明灿, M·C·帕拉佐托, S·H·格里斯卡 申请人:3M创新有限公司