Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В приведенной работе объектом исследований является выдыхаемый воздух. С помощью ИК-квантово-каскадного лазера ставятся эксперименты с пробами выдыхаемого воздуха (ВВ) для обнаружения в них веществ-маркеров. Данные о присутствии некоторых веществ, таких как ацетон, оксид азота и других, в ВВ пациента можно использовать для диагностирования у него таких заболеваний как диабет, астма и т. д. [1].
Эта статья посвящена методу по исследованию ВВ, который основывается на спектроскопии, а точнее на получении спектра ВВ [2]. Необходимо точно определять спектральные линии веществ-маркеров, содержащихся в малых концентрациях. Проблемой, препятствующей спектральному анализу, является вода. Известно, что у воды много спектральных линий (рис. 1). При получении спектра неосушенной пробы, вода создает шум, который мешает определению веществ-маркеров. Именно поэтому перед проведением эксперимента пробу необходимо осушать.
Существует много различных способов осушения проб ВВ, такие как криоловушка, капиллярная колонка, адсорбционные осушители и т. д. Для целей, преследуемых в этой работе, отлично подходит нафионовый осушитель.
Такие осушители представляют собой конструкцию из двух трубок, одна из которых находится внутри другой, подобно теплообменнику. Влажный газ двигается по внутренней трубке, выполненной из нафиона, омываемой сухим газом (в нашем случае азотом). Движущей силой процесса является разность во влажности этих двух потоков (рис. 2).
В данной работе использован осушитель газа серии MD фирмы Perma Pure, в котором происходит влагообмен между корпусом и трубкой, что позволяет осуществить передачу водяного пара между двумя противоточными газовыми потоками. Устройство состоит из внутренней трубки из нафионового полимера, окруженной внешней трубкой из различных инертных материалов. Водяной пар селективно сорбируется на стенках внутренней нафионовой трубки и переходит через ее стенки в поток чистого газа [3]. Движущей силой перехода является разность в парциальном давлении водяного пара с разных сторон трубки.
Как правило, поток пробы движется по внутренней трубке, а чистый газ движется в противоположном направлении внутри корпуса. Сухой газ, входящий в осушитель рядом с патрубком выхода пробы, является носителем для удаления водяного пара из пробы. В качестве чистого воздуха может быть использован воздух с точкой росы при –40 °С, азот или другой газ. Важно сохранить пробу в газообразном состоянии, чтобы избежать проблем, возникающих при контакте мембраны с водой. Если в осушитель попадает вода, эффективность резко падает, а также может возникнуть неисправность. Внутренняя трубка удлиняется примерно на 10 % при насыщении водой. Это вызывает сворачивание трубки внутри корпуса, уменьшение эффективности осушки и падение расхода.
При использовании этого метода осушенная проба после выхода из осушителя возвращается обратно для использования в качестве чистого воздуха. Это предпочтительный метод благодаря своей простоте.
Поскольку в методе противотока проба используется в качестве чистого газа, через осушитель проходит воздух с расходом, необходимым исключительно для анализа пробы, что позволяет достигнуть высокую эффективность осушения. Для того, чтобы определить расход чистого газа, необходимого для реализации метода разделения пробы, используется формула (1):
(1)
где — расход чистого газа; — давление чистого газа; — расход пробы; — давление пробы.
В этом случае разряжение чистого газа должно быть по крайней мере на уровне 15“ ртутного столба, более высокое разряжение еще предпочтительнее. Такой уровень разряжения необходим для создания необходимого соотношения 2:1 между расходом чистого газа и пробы, базирующегося на реальном объемном расходе.
Экспериментально была посчитана степень осушения ВВ нафионовым осушителем. Данные для расчетов брались из экспериментов, проведенных 24.08.2022 г. в 13:00 при температуре воздуха °С и влажности 34 % (рис. 3). Были рассчитаны несколько линий полученных спектров, и с помощью закона Бугера — Ламберта — Бера (2) [4] была подсчитана степень осушения ВВ нафионовым осушителем:
(2)
где — интенсивность излучения прошедшего через среду; — интенсивность падающего на вещество излучения; — коэффициент поглощения среды для данной длины волны; — оптический путь; — концентрация вещества.
Подводя итоги, можно сказать, что в приведенной работе был выявлен и изучен наиболее подходящий метод осушения пробы ВВ для ее спектрального анализа с помощью ИК-квантово-каскадного лазера.
