Vorrichtung zum Messen von flüchtigen chemischen Stoffen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von flüchtigen chemischen Stoffen (VOC) unter Verwendung des Anreicherungs- und Desorptionsverfahrens nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im Rahmen von Laboruntersuchungen ist es bekannt, flüchtige Stoffe (VOC) mit dem Anreicherungs- und De- sorptionsverfahren zu detektieren bzw. zu messen. Damit werden beispielsweise die am häufigsten verwendeten Explosivstoffe, wie 2 , 4 , 6-Trinitrotoluen (TNT) detektiert. Dabei wird als Anreicherungs- bzw. Adsorptionsmaterial ein molekular geprägtes Polymer (MIP - Molecular Imprinted Polymer), d. h. gegenüber Nitroaromaten bindungsspezifische nanoskalige Polymerpartikel verwendet. Das die flüchtigen chemischen Stoffe beinhaltende Gas, im vorliegenden Fall Umge-

bungsluft, wird über Schläuche durch das Adsorptions- material, den MIP-Filter, geleitet, wodurch Moleküle der Stoffe, im vorliegenden Fall 2, 4-DNT-Moleküle, selektiv absorbiert werden. Anschließend werden die nitroaromatischen Moleküle unter erhitztem Stickstoffrückfluss desorbiert und einer Sensoreinheit, die beispielsweise als Fluoreszenzdetektor ausgebildet ist, zugeführt. Dabei umfasst der Fluoreszenzdetektor Fluoreszenzpolymerschichten auf Glasträgern, die in Wechselwirkung mit den Nitroaromaten treten, wodurch eine signifikante Auslöschung der Polymer- Fluoreszenz auftritt.

Ausgehend von dieser. Laboruntersuchungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen bzw. Detektieren von flüchtigen chemischen Stoffen (VOC) in Gasen zu schaffen, mit der es möglich ist, selbst niedrige Konzentrationen der VOCs bis in den ppt-Bereich zu schaffen, die gleichzeitig als mobile Einheit zur Detektion von gefährlichen Stoffen beispielsweise in der Luft einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Dadurch, dass erfindungsgemäß die Gaskanäle zum Einleiten von zu untersuchendem Gas und zum Weiterleiten von desorbierten Molekülen der flüchtigen chemischen Stoffe zur Sensoreinheit in einem kompakten Körper aus festem Material in Form von unterschiedlichen

Teilkanälen ausgebildet sind, die über mindestens ein

Ventil verbindbar sind, und dass die Thermodesorpti- onseinheit und die Sensoreinheit an dem Körper in Verbindung mit jeweiligen Teilkanälen angeordnet und/oder befestigt sind, wird eine Einheit mit kurzen Wegen zwischen Einlass und Auslass geschaffen, die ein geringes Totvolumen aufweist und eine enge Verbindung zwischen der eigentlichen Selektionsstufe und der Messstufe realisiert, wobei die Adsorption der Moleküle an den Wänden des Gaskanals minimiert wird.

Da weiterhin die Teilkanäle in unterschiedlichen Ebenen in dem Körper angeordnet sind, können die Abmessungen des kompakten Körpers, die beispielsweise in der Größenordnung von 4 x 4 v 4 eis oder kleiner lie- gen, klein gehalten werden.

In vorteilhafter Weise münden die Teilkanäle an einer oder mehreren Oberflächen des Körpers, an denen das mindestens eine Ventil, die Thermodesorptionseinheit und/oder die Sensoreinheit befestigbar sind. Aufgrund dieser Maßnahme werden die Wege klein gehalten, und der kompakte Körper kann gleichzeitig als Halterung für die verschiedenen Bauteile dienen.

In vorteilhafter Weise weist die Thermodesorptionseinheit eine Halterung ebenfalls mit Teilkanälen auf, die in einen mit einer Abdeckung abschließbaren Aufnahmeraum münden, der zur Aufnahme des Adsorptionsmaterials dient, wobei die Halterung mit dem kompakten Körper verbunden ist. Dabei ist in die Halterung eine Heizung integriert, wodurch eine schnelle Aufheizung des Adsorptionsmaterials in einem großen Temperaturbereich bis 250 ⁰ C möglich ist. Da die durch die Gaskanäle gebildeten Wege klein sind, kann auch die Hei- zung in ihrer Leistung niedriger angesetzt werden.

Vorteilhafterweise werden Teilkanäle, die Bestandteil des Ansaugkanals zum Ansaugen von die zu messenden Stoffe enthaltenden Gasen und zum Anreichern des Adsorptionsmaterials und Teilkanäle, die Bestandteil des Desorptions- und Messkanals sind, für die beiden Kanäle gemeinsam verwendet, wobei das Gegenstromver- fahren bzw. eine Umkehr der Strömungsrichtung vorgesehen ist. Auch durch diese gemeinsame Nutzung der Teilkanäle kann die Vorrichtung bzw. der kompakte Körper klein gehalten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein weiterer Teilkanal im Körper zur direkten Messung von eingeführtem Gas ohne Durchleitung durch die Thermoadsorptionseinheit vorgesehen, wodurch Parallel- oder Vergleichsmessungen möglich sind und ein allgemeiner überblick gegeben wird, ob die zu messenden Stoffe vorhanden sind. Auch hierbei können Teilkanäle von dem Messkanal für die gefilterte Mes- sung des Gases mit Durchleiten durch die Desorptions- einheit und den Messkanal für die direkte Messung gemeinsam verwendet werden, was zur Verringerung der Abmessungen beiträgt.

In vorteilhafter Weise ist ein Teilkanal mit einem

Spülgasanschluss zum Verbinden mit einer Spülgasquelle vorgesehen, der mit einem Teilkanal verbindbar ist, an den die Sensoreinheit angeschlossen ist, da auf diese Weise der Messkanal gespült werden kann, so dass sich keine Moleküle dauerhaft absetzen können.

Vorteilhafterweise weist die Desorptionseinheit ein Sieb mit einer Maschengröße in der Größenordnung < 30 μra auf, wodurch größere Partikel, insbesondere die MIP Partikel zurückgehalten werden und nur die gewünschten Partikel bzw. Moleküle durchleitbar sind.

Das Adsorptionsmaterial ist vorzugsweise ein selektives Adsorptionsmaterial, das an selektive VOCs anpassbar ist; beispielsweise sind molekular geprägte Polymere bzw. hochselektive nanoskalige Polymere, genannt MIP, aber auch andere Polymere, wie Tenax (Markenname) verwendbar. Das Adsorptionsmaterial kann somit an die verschiedenen zu detektierenden Stoffe, wie Sprengstoffe, Rauschgift oder krankheitserregende Stoffe wie Anthrax oder dergleichen, angepasst werden.

Vorteilhafterweise weist die Sensoreinheit einen oder mehrere Detektoren auf, so sind Fiuoreszenzäetektoren oder -filter, Chemosensoren, wie Multigassensoren oder dergleichen, möglich.

Besonders vorteilhaft ist, den kompakten Körper mit Sensoreinheit, Thermodesorptionseinheit und Filter in Form eines Mess- und Prüfkopfes als kleine mobile Einheit auszubilden, die ein tragbares Gehäuse zur Aufnahme der verschiedenen Bestandteil aufweist, vorzugsweise in einer Hand gehalten werden und beispielsweise als Pistolengriff ausgebildet sein kann. Diesem Mess- und Prüfköpf ist eine elektronische

Steuereinheit zugeordnet, die ebenfalls tragbar und über elektrische Leitungen mit dem die kleine mobile Einheit bildenden Mess- und Prüfköpf verbunden ist, wobei diese Steuereinheit die verschiedenen Steuer- aufgaben und Datenerfassungsaufgaben übernimmt. Vorzugsweise ist die als Mess- und Prüfkopf ausgebildete kleine mobile Einheit modulartig mit mehreren Sensoreinheiten und/oder mehreren Thermodesorptionseinhei- ten zur Erfassung unterschiedlicher VOCs aufgebaut, wobei die Sensoreinheiten und Thermodesorptionsein- heiten auswechselbar und vorzugsweise durch Rast-

und/oder Formschlusselemente mit dem kompakten Körper verbindbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung des bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten kompakten Körpers, der Thermo- desorptionseinheit und der Filter,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den kompakten Körper und die Desorptionseinheit der erfin- dungsgernäSen Vorrichtung und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise in

Explosionsdarstellung, der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 sind Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar ein eine Anzahl von Teilkanälen 6 bis 14 aufnehmender kompakter Körper 1, der beispielsweise aus Edelstahl besteht, eine Ther- modesorptionseinheit 2 und mehrere Filter 3 bis 5, die selektiv bestimmte Teilkanäle verbinden. Die Teilkanäle 6 bis 14 sind in unterschiedlichen Ebenen über die Höhe des kompakten Körpers angeordnet; so befinden sich die Teilkanäle 6, 8, 10, 11 in einer unteren Ebene, die Teilkanäle 9, 12 in einer darüber liegenden Ebene, die Teilkanäle 7, 13 und 14 in einer obersten Ebene, wobei die Bezeichnungen „oben" und

„unten" sich auf die Darstellung der Fig. 1 beziehen. Alle Teilkanäle 6 bis 14 münden einerseits jeweils über schachtartig ausgebildete senkrechte Teilstücke an der oberen Oberfläche (in der Fig. 1 gesehen) des kompakten Körpers 1 und andererseits an den Seitenflächen dieses Körpers. An der Oberseite des kompak-

ten Körpers 1 sind Ventile 3, 4, 5 angeordnet, und zwar stehen sie jeweils mit einigen Mündungen der Teilkanäle in Verbindung, um umschaltbare durchgehende Gasströmungskanäle zu bilden, wie weiter unten ausgeführt wird.

Die Thermodesorptionseinheit 2 weist eine Halterung 15 für Adsorptionsmaterial auf, das im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als MIP-Filter ausgebildet ist. In der Halterung 15 sind zwei Kanäle 16, 17 eingearbeitet, die in einen Aufnahmeraum 18 münden. Der Aufnahmeraum 18 dient zur Aufnahme der MIP-Partikel, die das Filter bilden und eine Partikelgröße von z, B, 100 - 200 um haben. Ein Dichtungsring 19 ist in den Aufnahmeraum 18 eingesetzt und dichtet diesen zusammen mit einem Deckel 20 nach außen ab. In die Kanäle 16, 17 der Halterung 15 sind Heizelemente 21 eingesetzt, deren elektrische Anschlüsse nach außen geleitet werden. Weiterhin ist eine Dichtungsscheibe 22 vorgesehen, in die ein Sieb 23 eingelassen ist und die eine Abdichtung zu dem kompakten Körper 1 realisiert. Die Maschenweite des Siebes 23 liegt in der Größenordnung von < 90 μm, um die MIP Partikel in der Desorptionseinheit 2 zurückzuhalten.

An den Teilkanälen 10, 11, 7, 14 und 13 sind Anschlussstutzen 24, 25, 26, 27, 28 vorgesehen, die in die Teiikanäie einsetzbar sind oder an den Seitenwänden des kompakten Körpers 1 befestigbar sind. An den Anschluss 24 ist eine nicht dargestellte Saugpumpe und an den Anschlussstutzen 25 eine nicht dargestellte Druckpumpe angeschlossen. Die Mündungen der Teilkanäle 10, 11, 6 sind mit dem Ventil 3 verbunden, das zwischen der Saugpumpe und der Druckpumpe, das zwi- sehen der Saugpumpe und der Druckpumpe umschaltet.

Die Anschlüsse 26 und 27 dienen zum Verbinden mit jeweils einer Rohrleitung bzw. einem Rohrleitungsstück, die in die Umgebungsatmosphäre geleitet sind. Der Anschlussstutzen 28 dient zur Verbindung mit einer Spülgasquelle, z. B. einer N ₂ -Druckflasche . Das Ventil 4 ist an die Mündungen der Teilkanäle 7, 8, 12 angeschlossen und verbindet einerseits die Kanäle 7 und 8 miteinander und trennt die Teilkanäle 8 und 9 bzw. verbindet die Teilkanäle 8 und 9 und trennt die Teilkanäle 7 und 8. In entsprechender Weise ist das Ventil 5 an die Mündungen der Teilkanäle 14, 12 und 13 angeschlossen und verbindet selektiv die Teilkanäle 14 und 12 bzw. 12 und 13.

Aufgrund der beschriebenen Anordnung der Teilkanäle und der Ventile werden Gaskanäle für die unterschiedlichen Aufgaben der Vorrichtung gebildet, wobei die Gaskanäle für die unterschiedlichen Aufgaben jeweils Teilkanäle gemeinsam nutzen können. Auf diese Weise wird ein Ansaugkanal gebildet, über den Gas durch den

Anschlussstutzen 26 bzw. die mit ihm verbundene Rohrleitung, üblicherweise Luft, angesaugt wird, wobei an den Anschluss 24 die Saugpumpe angeschlossen ist. Der Ansaugkanal geht über die mit dem Körper 1 verbundene (nicht dargestellt) Thermodesorptionseinheit 2 und wird von dem Teilkanal 7, dem Ventil 4, dem Teilkanal 8, dem Kanal 16 der Halterung 15 der Thermodesorptionseinheit 2, dem Kanal 17, dem Teilkanai 6, dem Ventil 3 und dem Teilkanal 10 gebildet. Dabei ist selbstverständlich die Dichtungsscheibe 22 mit öffnungen versehen, und die so angesaugte Gasströmung durchströmt den Aufnahmeraum 18 mit den MIP-Partikeln und wird an dem Deckel 20 umgelenkt.

Wenn die Strömungsrichtung durch Umschalten des Ventils 3 auf die an den Anschluss 25 angeschlossene

Druckpumpe umgekehrt wird, wird ein Desorptions- und Messkanal gebildet, und zwar über den Teilkanal 11, das Ventil 3, den Teilkanal 6, den Kanal 17 der HaI- terung 15 der Desorptionseinheit 2, den Kanal 16, den Teilkanal 8, das Ventil 4 und den Teilkanal 9. Der

Teilkanal 9 mündet in eine in dieser Figur nicht dargestellte Sensoreinheit, die weiter unten beschrieben wird. Es werden somit die Teilkanäle 6 und 8 sowie selbstverständlich die Kanäle 16 und 17 der Halterung 15 der Desorptionseinheit 2 sowohl von dem Ansaugkanal als auch dem Desorptionskanal verwendet . Im Falle der Ausbildung als Desorptionskanal werden die Heizelemente 21 beheizt, beispielsweise auf 130 ⁰ C bis 140 ⁰ C, um die MIF-Partikel für eine Therrπoextraktion aufzuheizen.

Der Anschluss 27 steht gleichfalls über eine Rohrleitung mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung, und über den Teilkanal 14, das Ventil 5, den Teilkanal 12 und den Teilkanal 9 wird ein Messkanal für eine direkte Messung des angesaugten Gases, üblicherweise Luft, ohne MIP-Filter gebildet, wobei an dem Teilkanal 9, wie vorher beschrieben, die Sensoreinheit angeordnet ist, die für den Fall der beschriebenen di- rekten Messung zusätzlich eine Saugpumpe beinhaltet bzw. mit dieser in Verbindung steht, damit das Gas über den Stutzen 27 angesaugt werden kann.

Schließlich wird von dem mit dem Anschluss 28 für ei- ne Spülgasquelle verbundenen Teilkanal 13, dem Ventil 5, dem Teilkanal 12 und dem Teilkanal 9 ein Spülkanal gebildet, wobei die Spülung zur Reinigung des eigentlichen Messkanals, der im Wesentlichen durch den Teilkanal 9 gebildet wird, dient.

In Fig. 2 ist die Thermodesorptionseinheit 2 im Schnitt genauer dargestellt, und es sind die eingebauten Heizelemente 21 zum Aufheizen der MIP-Partikel zu erkennen. Weiterhin ist die Verbindung zwischen den Teilkanälen 6 und 8 und den entsprechenden Kanälen in der Halterung der Desorptionseinheit über das Sieb erkennbar.

In Fig. 3 ist eine Explosionsdarstellung der einzel- nen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei die Befestigungselemente zum Verbinden der einzelnen Bestandteile nicht extra bezeichnet werden. Dabei ist die Vorrichtung in etwa im Maßstab 1:1 dargestellt. Zusätzlich zu den schon im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Bestandteilen ist hier die Sensoreinheit 30 dargestellt, die als Fluoreszenzdetektor ausgebildet ist, der einen Grundkörper 31 mit dem eigentlichen Messkanal, Dichtungen 32 und optische Fenster 33 umfasst. Am Ausgang des Messkanals des Fluoreszenzdetektors ist die schon beschriebene Saugpumpe 34 dargestellt.

Weiterhin ist ein Isoliergehäuse 35 vorgesehen, das zur Lagerung des Körpers 1 und zur Durchführung der elektrischen Leitungen (nicht dargestellt) dient. Dazu weist das Isoliergehäuse einen Leitungskanal 36 auf, wobei die nicht dargestellten Leitungen mit einem als Steckbuchse ausgeführten elektrischen An- schluss 37 verbunden sind. Die elektrischen Leitungen führen zu den Ventilen 3, 4, 5, den Heizelementen 21, ggf. zu den Pumpen und zu dem Fluoreszenzdetektor, und die Buchse 37 steht über entsprechende elektrische Leitungen mit einer nicht dargestellten Steuereinheit in Verbindung, die die gesamte Messung steu- ert.

In Fig. 3 sind mit den Anschlüssen 26 und 27 in Verbindung stehende Rohrleitungen 38, 39 zu erkennen, über die Luft für eine direkte Messung und für eine Messung über das MIP-Filter angesaugt wird. Schließ- lieh ist noch zu erwähnen, dass eine nicht dargestellte HeizVorrichtung vorgesehen ist, die den gesamten Körper 1 auf eine hohe Temperatur, z. B. 300 ⁰ C, bringen kann, um die gesamte Baugruppe zu entgiften.

Die Messung beispielsweise für die Detektion von Sprengstoff, d. h. von 2, 4 -DNT bei TNT-Sprengstoff, wird wie folgt durchgeführt. Im ersten Schritt wird über die Rohrleitung 38 und den Messkanal für direkte Messung Luft angesaugt und direkt über die Teilkanäle 14, 12 und 9 der Sensoreinheit 30 zugeführt. Im Falle des zuvor erwähnten Fluoreszenzdetektors werden alle Stoffe die Fluoreszierend wirken bzw. querempfindlich sind, d.h. NO _x Gruppen haben, erfasst. Es wird somit nicht selektiv detektiert, sondern die Detektionser- gebnisse geben die Möglichkeit an, dass Sprengstoff vorhanden sein könnte.

Für die gefilterte Messung auf 2, 4 -DNT steuert zuerst die Steuereinheit die Saugpumpe am Anschluss 24 an, die wiederum über die Rohrleitung 39 Luft ansaugt, die über die Teilkanäle 7, 8 der Thermodesorptions- einheit 2 zugeführt wird, wobei die MIP-Partikel die 2, 4-DNT-Moleküle selektiv absorbieren, die in der Luft anwesend sind. über die Teilkanäle 6, 10 wird die angesaugte Luft aus der Thermodesorptionseinheit 2 abgeführt .

Im zweiten Messvergang steuert die Steuereinheit die an dem Anschluss 25 vorhandene Druckpumpe und das Ventil 3 und das Ventil 4 zu deren Umschaltung an.

Gleichzeitig werden die Heizelemente 21 auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt, wobei die Temperatur durch nicht dargestellte Sensoren überwacht wird und von der Steuereinheit entsprechend den Adsorptions- bzw. Desorptionstemperaturen gesteuert wird. Es wird somit Luft in den Desorptions- und Messkanal eingedrückt in entgegen gesetzter Strömungsrichtung zu dem Ansaugvorgang, wobei diese Luft gleichzeitig den Strömungskanal spült. Die 2, 4-DNT-Moleküle werden de- sorbiert und über den Fluoreszenzdetektor, der fluoreszenzaktives Polymer enthält, geführt. Durch die erfasste Fluoreszenz kann das Vorhandensein des Sprengstoffs festgestellt werden.

In einem nächsten Schritt wird Stickstoff über den Anschluss 28 zugeführt, wobei das Ventil 5 von der Steuereinheit entsprechend angesteuert wird, so dass sich ein Spülkanal über den Teilkanal 13, das Ventil 5 und die Teilkanäle 12 und 9 ergibt. Auf diese Weise wird der Messkanal, insbesondere der Teilkanal 9, gereinigt, und es können sich keine Moleküle längerfristig an den Wänden absetzen.

Falls Stickstoff für die Desorption verwendet werden soll, muss eine Stickstoffquelle so angeschlossen werden, dass ggf. über ein Ventil ein Stickstoffrück- fluss erzeugt wird.

Nach einer Reihe von Messungen ist es empfehlenswert, auch die gesamte Baueinheit bzw. den gesamten Messkopf bestehend aus Körper 1, Thermodesorptionseinheit 2 und Filtern 3, 4, 5 auf eine sehr hohe Temperatur aufzuheizen, um eine Grundreinigung durchzuführen.