Ing. Pavel Častulík, CSc

Transkript

1 Lekce 4 ENV012 ChBHazMat Detekce Elektronické detekční a monitorovací prostředky Ing. Pavel Častulík, CSc castulik@recetox.muni.cz Jaro 2012 Příprava tohoto předmětu je spolufinancována Evropským ENV012, Jaro sociálním 2012 fondem a státním rozpočtem České republiky 1

2 Elektronické detekční a monitorovací prostředky Příprava tohoto předmětu je spolufinancována Evropským ENV012, Jaro sociálním 2012 fondem a státním rozpočtem České republiky 2

3 OSNOVA Spektrometrie pohyblivosti iontů IMS Plameno-ionizační metoda Krystalová frekvenční metoda Ramova spektroskopie Neutronová aktivační spektroskopie RTG metoda Dálková detekce Příprava tohoto předmětu je spolufinancována Evropským ENV012, Jaro sociálním 2012 fondem a státním rozpočtem České republiky 3

4 Nejen pravda, ale i dioxiny mohou být ve víně 4

5 Následky dioxinů z vietnamské války jsou stále přítomny Dítě geneticky postižené syndromem Agent Orange. Důsledek zasažení vietnamské populace defolianty používaných americkou armádou. Formulace Agent Orange představovala defoliant na bázi fenoxyoctové kyseliny, která obsahoval vedlejší produkt dioxiny. 5

6 Kategorie detekční metod Princip detekčních metod chemikálií je založen na interakci sledovaných molekul nebo atomů molekul s jinými chemikáliemi, katalyzátory nebo s vybranými spektry záření. Doprovodné změny jsou vyhodnocovány: neelektronicky elektronicky 6

7 Hodnocení detekčních technologií Výtečně 5 bodů nedostatečně 1 bod Technol Ionizační Plameno fotometr Detekční trubičky Detekční papírky Citlivost (5) 2 Selektivita Čas odezvy Výcvik Logistika Cena

8 Detekce neznámého obsahu pomocí AP2C detektoru 8

9 Detekce a monitoring chemických Detekce par látek Detekce kapalin 9

10 Detekce s následnou identifikací látek na místě-přenosný GC/MS 10

11 Detekční principy Spektrometrie pohyblivosti iontů [Ion Mobility Spectrometry (IMS)] Plamenová fotometrie/foto ionizace Infračervená spektroskopie Ramanova spektroskopie Plynová a hmotnostní chromatografie (GC/MS) Neutronová aktivační spektroskopie Biosenzory 11

12 Spektrometrie pohyblivosti iontů [Ion Mobility Spectrometry (IMS)] I. Ionizací molekul vzduchu např. ß zářením ze zdroje Ni63, vznikají reaktivní ionty s kladným a záporným nábojem RI(+) a RI(-), které slouží jako nosný ionizovaný plyn. II. Náboje iontů jsou částečně přenášeny na molekuly chemických látek, čímž jsou rovněž ionizovány a pomocí elektrického pole jsou přesunuty na reakční ionizační komůrky. III. Elektrické napětí na mřížce zabraňuje nabitým iontům-klastrům molekul chemické látky úniku do driftovací trubice. IV. Rychlou změnou polarity napětí na mřížce ionizační komůrky jsou ionty urychleny do driftovací trubice V. Další elektrické pole pohybuje ionty v driftovací trubici směrem ke kolektoru na konci trubice. VI. Vzhledem k různé pohyblivosti iontů (velikost a náboj), tyto se pohybují v elektrickém poli různou rychlosti a tím jsou sbírány na kolektoru v různem čase. Tyto rozdíly pak slouží k dalšímu vyhodnocování v souvislosti s charakteristikou odpovídající příslušným molekulám a jejich ionizovaných fragmentům. 12

13 Spektrometrie pohyblivosti iontů Reakčními ionty mohou být molekuly vzduchu kde: Positivními ionty jsou molekuly vody: H + (H 2 O)n a Negativními ionty jsou kyslík a oxid uhličitý: O 2 -, CO 3 - Inotové klastry NL + H + (H 2 O)n Yperit + O 2- (H 2 O)n NL.H + + (H 2 O)n NL. NL.H + NL.H + (H 2 O)n Yperit.O (H 2 O)n Jinými dopanty mohou být molekuly acetonu nebo amoniaku 13

14 Spektrometrie pohyblivosti iontů Ionizací mohou být generovány následující ionty Ionty Ionty (P + ) monomer (P-P + ) dimer Klastrové ionty (P-H 3 O + ) (P-O 2- ) Hydrolyzované ionty (Cl - ) 14

15 Elektronická detekce spektrometrem pohyblivosti iontů IMS 15

16 Ion Mobility Spectrometer - IMS 16

17 IMS driftovací trubice 17

18 Chemical Agent Monitor / CAM 18

19 Detekční limity CAM Stupeň Indikace Sarin mg/m 3 Yperit mg/m

20 Souprava CAM- IMS Brašna CAM Litiová baterie Hubice Nosný popruh Ochranný kryt Tester Manuál 20

21 IMS detektory 21

22 Výcvikový elektronický simulátor CAM-SIM Tester Kontrolní karty Šroubováky Mobilní simulátory Detekční simulátory Pozemní simulátory CAM-SIM Startovací klíč 22

23 IMS

24 Souprava elektronický simulátor CAM-SIM 24

25 IMS Elektronický detektor CHEMPRO

26 RAID R A I D Rapid Alarm Identification Detector 26

27 RAID Detekční úrovně Citlivost Poplach NL: mg/m3 Yperit: mg/m3 ITOX: > 1 > 1 mg/m3 Fosgén ppm 27

28 RAID M 28

29 APD

30 Gas Detector Array GDA-2 30

31 Kombinované senzory - GDA Senzor na oxidech kovů Elekrochemický senzor Senzor pohyblivosti iontů Izotop Ni 63 Fotoionizační Senzor 10,2 ev Detekční kanály 31

32 Detekce látek kombinací senzorů GDA 32

33 Detekce látek zvýšenou desorpcí s Chemické látky, které pronikají do materiálů (nebo při nízké vnější teplotě) jsou desorbovány infračerveným ohřevem a s vyšší účinností detekovány GDA 33

34 Osobní detektor LCD IMS 34

35 Osobní detektor LCD IMS 35

36 GID-M Dyna Senzor 36

37 Fotoionizační detektor Ionizace chemických molekul je prováděna ultrafialovým zářením (UV). Nabité ionty jsou přitahovány elektrodou s elektrickým potenciálem a výsledný elektrický proud je proporcionální koncentraci iontů a tím koncentraci chemické látky Podmínkou je schopnost ionizace patřičných molekul UV zářením s potenciálem 10.6 or 11.7 ev 37

38 Plamenová atomová emisní spektrometrie Chemické látky jsou spalovány ve vodíkovém nízkoteplotním plameni ve kterém atomy jsou excitovány a při návratu do původních energetických hladin emitují čárové elektromagnetické záření určitých vlnových délek. Například atomy fosforu emituje záření o 510 nm a síry 392 nm 38

39 Přenosný plameno-emisní emisní detektor APCC (AP2C) A Appareil P Portatif (pour le) C Controle (de la) C Contamination 39

40 Přenosný detektor AP2C Hubice na vzorky Hubice Bzučák Manuál AP2C Litiová baterie Nosný popruh Vodíkový kontejner 40

41 AP2C 41

42 Souprava AP2C 42

43 S4PE na odběr vzorků z povrchů a kapalin 43

44 AP2C s nástavcem na odběr vzorků 44

45 S4PE na odběr vzorků Kontejner se stíracími snímači Stírací snímač 45

46 Použití S4PE Odpaření sejmutého vzorku elektrickým zahřátím stíracího snímače 46

47 AP2C se zvukovým nástavcem Zvukový indikátor měření 47

48 Krystalový senzor jako mikrováhy 48

49 Krystalový senzor 49

50 ChemSentry 150C Chemical Detection System 50

51 Detektor/monitor s krystalovým senzorem 51

52 Identifikace-analýza analýza na místě GC/MS spektrum 52

53 Identifikace-analýza analýza na místě GC/MS HAPSITE 53

54 Mobilní GC/MS analyzátor 54

55 Nedestruktivní detekce 55

56 Ramanova spektra Acetonperoxid 56

57 Ramanova vibrační spektra molekul V Ramanově spektrometru je vzorek chemické látky ozářen intenzivním ultrafialovým nebo infračerveným světlem o frekvenci 0 Molekuly jsou excitovány do krátkodobého stavu vlivem jejich interakce s fotony o energii h 0 Následně foton s frekvencí R je vyzářen v souvislosti s přechodem molekuly z excitovaného stavu do základního energetického stavu. Jestliže konečný vibrační stav i se odlišuje od počátečního stavu R, potom se frekvence odlišuje od počáteční podle vztahu: i= 0 - R a rozdíl energie je E= E 0 - E R = h i Frekvence i odpovídají vibračnímu přechodnému stavu v molekule a jsou nezávislé na hodnotě 0 Tím Ramanovo spektrum lze použít jako unikátní chemický otisk testované látky 0 57

58 Princip generace Ramanova spektra Vzorek 0 Klasický rozptyl 99% Ramanův rozptyl 1 % 58

59 Infra červené spektrum látky VX 59

60 Infra červené spektrum Yperitu 60

61 Přenosný ramanovský detektor a Rychlá detekce a identifikace velkého množství chemických látek Rozlišení směsí látek Identifikace výbušin Není nutný odběr vzorku pokud je látka v opticky propustném obalu analyzátor 61

62 Identifikace látky přes obal bez odebírání vzorku 62

63 Detekce a identifikace v reálných podmínkách 63

64 Využití detektoru 64

65 Prodloužená sonda detektoru 65

66 GE detektor a analyzátor 66

67 Isotopová neutronová spektroskopie 67

68 Gama energie prvků v náplních munice 68

69 Generace isotopu dusíku tepelnými neutrony 69

70 Gama spektrum náplně trhaviny 70

71 Gama spektrum náplní s yperitem a trhavinou 71

72 Přenosné a mobilní spektrometry 72

73 Rentgenové skenování 73

74 Rentgenová metoda Generátor Roentgenova záření Obrazová detekce (film nebo scintilátor) 74

75 Rtg snímek hladiny kapalné náplně 75

76 Zobrazení náplně ve skleněném obalu 76

77 Identifikace výbušin rentgenem 77

78 Identifikace improvizovaného výbušného rentgenem 78

79 Ultrazvuková metoda detekce Spektrum prázdného náboje Spektrum náboje s náplní 79

80 Biosenzory 80

81 Bakteriologický detektor/analyzátor 81

82 Dálková detekce 82

83 Princip pasivního IČ dálkového detektoru 83

84 Princip dálkového monitorování 84

85 Princip dálkového monitorování skenování prostoru 85

86 86

87 Infračervený dálkový monitor 87

88 Dálkový detektor/monitor 88

89 Dálkový detektor/monitor 89

90 Dálkový laserový detektor/monitor 90

91 Dálkový laserový detektor/monitor 91

92 Průzkumné vozidlo s dálkovými detektory 92

93 Shrnutí přednášky Na konci přednášky by jste měli vědět: Důvody pro detekci Princip detekce s využitím pohyblivosti iontů Princip plamenové atomové emisní fotometrické detekce Principy detekce s Ramanovy spektry Principy nedestrukční detekce Principy dálkové detekce 93

94 DOTAZY Příprava tohoto předmětu je spolufinancována Evropským ENV012, Jaro sociálním 2012 fondem a státním rozpočtem České republiky 94

95 ZÁVĚRY Příprava tohoto předmětu je spolufinancována Evropským ENV012, Jaro sociálním 2012 fondem a státním rozpočtem České republiky 95

96 ZÁVĚRY 96

97 VÝSTUPY LEKCE 97