Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Эмиссия легколетучих соединений с поверхности строительных материалов 9
1.2. Определение степени эмиссии легколетучих соединений 11
1.3. Пробоотбор газовой фазы строительных материалов 12
1.4. Современные методы определения соединений, мигрирующих с поверхности строительных материалов 14
1.5. Тенденции развития тонкопленочной сенсорики 20
1.6. Сенсоры на основе масс-метрических преобразователей 22
1.7. Тест-методы и тест-устройства для анализа воздуха 24
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 27
2.1. Характеристика объектов исследования 27
2.2. Обоснование выбора сорбентов - пленочных покрытий электродов пьезорезонатора 28
2.3. Модификация электродов пьезорезонатора 31
2.4. Подготовка и отбор пробы 34
2.5. Аппаратурное решение 36
2.5.1. Экспериментальная установка... 37
2.5.2. Методика пьезокварцевого микровзвешивания 38
2.6. Принятые условные обозначения 40
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОРБЦИИ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 44
3.1. Оптимизация условий функционирования пьезосенсоров в газовой фазе 44
3.1.1. Оптимизация стадии формирования пленки сорбента 44
3.1.2. Отбор и инжектирование пробы 53
3.2. Новые модификаторы масс-метрических преобразователей 56
3.2.1. Ментолфенилсалицилат-вазелиновое масло - эффективный модификатор электродов пьезорезонатора 56
3.2.2. Ограничение применения модели Sauerbrey к пьезосенсорам с вязкими пленками 63
3.2.3. Применение сенсора на основе экстракта мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus для анализа газовых сред 69
3.2.4. Оптимизация стадии формирования пленки биомодификатора с применением полного факторного эксперимента 72
3.2.5. Сорбция двухкомпонентных смесей фенола и ацетона на пленке смешанного биомодификатора 81
3.3. Прогнозирование сорбции ароматических соединений на пленке биомоди фикатора с применением метода нейронных сетей 84
3.3.1. Теоретические основы метода и алгоритм работы нейронной сети ' 84
3.3.2. Влияние физико-химических свойств на сорбцию ароматических соединений 86
3.3.3. Влияние строения на сорбцию ароматических соединений 91
3.3.4. Универсальная нейронная сеть 94
3.4. Закономерности сорбции многокомпонентных газовых смесей 96
ГЛАВА 4. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОСЕНСОРОВ 110
4.1. Качественное и количественное определение легколетучих соединений строительных материалов 110
4.2. Определение анилина, о-нитроанилина и о-толуидина в воздухе 127
4.3. Построение стандартных "визуальных отпечатков" газовых смесей без проведения эксперимента 132
ВЫВОДЫ 140
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 142
ПРИЛОЖЕНИЯ 160
Введение к работе
Более 10 лет понятие "синдром больных зданий" (СБЗ) применяется для оценки внутреннего климата помещения. Возникновению СБЗ способствуют неправильно спроектированные или построенные системы вентиляции, которые не в состоянии удалять вреднодействующие химические и биологические загрязняющие вещества, выбросы промышленных предприятий и автотранс-порта. Более 65 % от общего числа источников загрязнения внутренней воздушной среды помещений составляют синтетические строительные материалы. Современные строительные материалы нарушают естественную вентиляцию и физико-химические показатели воздушной среды помещений, являются источниками эмиссии токсичных газов (более 250 соединений различных классов опасности).
По оценкам Всемирной организации здравоохранения здания, пораженные загрязняющими веществами, составляют 30 % строений в мире. Зачастую воздушная среда жилых помещений загрязнена настолько, что не отвечает ги-гиеническим требованиям, предъявляемым к качеству воздуха заводских и производственных строений.
Для контроля качества воздуха помещений службами санитарно-эпидемиологического контроля применяются, как правило, способы анализа, позволяющие определять только индивидуальные загрязнители из смеси, требующие значительных временных затрат и сложного аппаратурного оформления.
В связи с этим актуальной эколого-аналитической задачей является разработка тест-способов анализа, позволяющих в режиме реального времени контролировать качество воздуха помещений и принимать решение о безопасности его эксплуатации.
Цель работы состоит в разработке экспрессного полуколичественного тестирования, как индивидуальных компонентов строительных материалов, так и их суммарного содержания в воздухе различных помещений. Достижение поставленной цели возможно при решении следующих задач:
• оптимизация стадии формирования пленки сорбента на поверхности масс-метрических преобразователей;
• поиск новых модификаторов, чувствительных к основным легколетучим соединениям строительных материалов;
• изучение закономерностей сорбции многокомпонентных газовых смесей, входящих в состав газовой фазы строительных материалов;
• распознавание "образов" многокомпонентных газовых смесей методом искусственных нейронных сетей;
• разработка тест-способов оценки эмиссии легколетучих соединений с поверхности строительных материалов и алгоритма установления времени начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта.
Научная новизна работы
• Разработан новый способ парофазной модификации электродов масс-метрических преобразователей, повышающий чувствительность, воспроизводимость и снижающий погрешность сенсорометрических определений.
• В качестве модификаторов масс-метрических преобразователей впервые применены экстракт высшего мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus (стадию формирования пленки сорбента оптимизировали методом полного факторного эксперимента) и медицинский препарат - ментолфенилсалицилат-вазелиновое масло (предложена модель наиболее полного описания функционирования пьезосенсоров на основе вязких сорбентов в газовой фазе).
• Составлен банк данных количественных и кинетических критериев сорбции легколетучих соединений на пленках сорбентов различной природы, разработано программное обеспечение для выбора модификаторов электродов масс-метрических преобразователей с целью детектирования легколетучих соединений строительных материалов.
• Установлены закономерности сорбции многокомпонентных газовых смесей тонкими пленками сорбентов, составляющих полисенсорную матрицу; методом искусственных нейронных сетей разработан алгоритм распознавания "образов" смеси загрязнителей; оптимизированы параметры обучения нейронной сети для надежного прогнозирования многомерного отклика матрицы.
Практическое значение и реализация результатов
• Полученные результаты расширяют выбор модификаторов электродов масс-метрических преобразователей, применяемых для определения легколетучих соединений строительных материалов.
• Предложен способ прогнозирования сорбции многокомпонентных газовых смесей на пленках сорбентов с перекрестной чувствительностью и распознавания суммарного аналитического сигнала матрицы сенсоров.
• Разработаны новые способы оценки эмиссии легколетучих соединений с поверхности строительных материалов и их скрининг-определения в воздухе по аналитическому сигналу матрицы разнородных сенсоров, сформированных в виде "визуальных отпечатков". Установлены наиболее безопасные материалы, а также оптимальное время начала эксплуатации помещения после ремонта.
• Предложены способы определения анилина, о-нитроанилина, о-толуи-дина и смеси ароматических аминов с бензолом в воздухе лакированных помещений.
Новизна практических разработок подтверждена материалами Роспатента. Способы "скриниг-оценки степени загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов отремонтированного помещения" и "определения ароматических аминов в смеси с бензолом в воздухе лакированных помещений" апробированы в аккредитованных лабораториях ООО "Ацетилен" и ЗАО "Криокор-Автоген" (ПРИЛОЖЕНИЯ).
Основные положения, представляемые к защите.
• Принципы выбора систем сорбат - пленка модификатора для детектирования многокомпонентных газовых смесей с применением матрицы сенсоров.
• Прогнозирование закономерностей сорбции многокомпонентных газовых смесей.
• Парофазное формирование пленок низкомолекулярных сорбентов небиологической природы на поверхности масс-метрических преобразователей.
• Способ суммарной оценки загрязненности воздуха помещений летучими соединениями строительных материалов; алгоритм установления времени начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001), Региональной конференции "Проблемы химии и химической технологии" (Тамбов, 2001), VII International "Forum Chemiczne" (Warszawa, Poland, 2001), Международном форуме "Аналитика и аналитики" (Воронеж, 2003), I Международной конференции "Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания: наука, образование и производство" (Воронеж, 2003), XIII студенческой научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 2003), XIL и XIX Международна наукова конференція молодіх ученіх і аспірантів (Київ, Украіна, 2003, 2004), XLVI, XLVII Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego (Lublin, Wroclaw, Poland, 2003, 2004), V Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика" (Санкт-Петербург, 2003), XIX International symposium "Ars Separatoria" (Zloty Potok, Poland, 2004), VII Всероссийском симпозиуме "Тест- методы химического анализа" (Саратов, 2004), II Международной конференции "Охрана окружающей среды в курортных зонах" (Трускавец, Украіна, 2004), VII конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока" (Новосибирск, 2004), Всероссийской конференции "Аналитика России" (Москва, 2004), II Региональной конференции "Проблемы теоретической и практической аналитической химии" (Пермь, 2004), отчетной научной конференции аспирантов ВГТА (Воронеж, 2004). і
Публикации
Основные положения диссертационной работы изложены в 2 изобретениях, 1 авторском свидетельстве, 6 статьях, тезисах 18 докладов, сделанных на Российских и Международных конференциях.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы (184 источников, из них 60 на иностранных языках) и приложения (материалы Роспатента, акты апробации методик). Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 47 таблиц.
