NEBEZPEN LTKY NZEV OPORY DETEKCE KODLIVIN JOSEF NAVRTIL

NEBEZPEČNÉ LÁTKY NÁZEV OPORY – DETEKCE ŠKODLIVIN JOSEF NAVRÁTIL Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Projekt: Vzdělávání pro bezpečnostní systém státu (reg. č. : CZ. 1. 01/2. 2. 00/15. 0070)

Detekce škodlivin

Základní pojmy • Detekce – zjišťování přítomnosti látky v daném vzorku, prostředí – ano – ne • Charakterizace - přibližné určení látky a její zařazení do určité skupiny • Identifikace – přesné určení druhu látky • Stanovení • Chemický průzkum – detekce, charakterizace, identifikace a stanovení

Základní pojmy Mez detekce (Limit of detection LOD): Mez detekce daného analytického postupu je dána nejmenším množstvím analytu ve vzorku, které může být detekováno. Mez detekce závisí na poměru signál/šum. Je stanovována opakovanou analýzou alikvotního podílu slepého pokusu a je to taková koncentrace analytu, jehož odezva je ekvivalentní průměrné odezvě slepého pokusu plus trojnásobek odhadu směrodatné odchylky. Průměrná hodnota slepého pokusu Směrodatná odchylka pro slepý pokus

Základní pojmy Mez stanovitelnosti (Limit of determination (quantitation, quantification) LOQ): Mez stanovitelnosti určité metody je nejnižší množství analytu ve vzorku, které může být stanoveno jako exaktní hodnota s předem zadanou nejistotou. Je to nejnižší koncentrace analytu, jež může být stanovena s přijatelným stupněm správnosti a přesnosti. Měla by být zjištěna za použití vhodného etalonu či vzorku, tj. obvykle je to nejnižší bod kalibrační křivky (při vyloučení slepého pokusu). Neměla by být stanovována extrapolací. Průměrná hodnota slepého pokusu Směrodatná odchylka pro slepý pokus

Základní pojmy - přesnost a správnost výsledků Nepřesné a nesprávné Přesné, ale nesprávné Nepřesné, ale správné Přesné a správné

Základní pojmy určování látkového složení soustav kvalitativní analýza kvantitativní analýza důkaz, identifikace množství, obsah k tomuto účelu slouží chemické metody instrumentální metody založeny na chem. reakcích = f (c) stanovení malých a stopových množství látek

Základní pojmy Klasická analýza Instrumentální analýza Pro stanovení makrosložek směsí Pro stanovení mikrosložek směsí Obecně vysoká přesnost stanovení až 0, 1% rel. Obecně nižší přesnost stanovení 5 -10 -20 % rel. Stanovitelnost analytu do cca 0, 1 % Stanovitelnost analytu do 10 -4 - 10 -10 %, ale též ještě nižší Založena na základním chemismu Založena na fyzikálně-chemických, ale častěji na fyzikálních dějích Vážková a odměrná analýza Elektroanalytické, optické, separační instrumentální metody

Základní pojmy - kalibrační graf Standardy Si − známé množství analytu f f 4 f 3 fvzorku f 2 f 1 cvzorku S 1 S 2 S 3 S 4 c Slepé pokusy Kontrola spolehlivosti metody referenční materiály (RM)

Detekce škodlivin • hlediska toxicity a výskytu nebezpečných škodlivin v průmyslových objektech, představují potenciálně největší nebezpečí: chlór, amoniak, kyanovodík, fosgen a formaldehyd. Kromě výše jmenovaných toxických látek představují vážné nebezpečí i tyto látky: sulfan, sirouhlík, fluorovodík, chlorid fosforitý, nitrozní plyny, ethylen oxid, methylchlorid, oxid siřičitý, kyselina dusičná a sírová.

Detekce škodlivin v ovzduší • Okamžitá detekce nebezpečných látek v ovzduší má klíčový význam pro včasnou a účinnou protichemickou ochranu osob pohybujících se v prostoru, kde se mohou dostat do styku s otravnou látkou, především cestou inhalace vzduchu zamořeného nebezpečnou látkou. Detekce těchto zdraví škodlivých látek limituje bezpečnost jak zasahujících záchranných sborů, tak osob postiženým únikem škodlivé látky nebo tvorbou zplodin hoření.

Detekce hořlavých ( i toxických) plynů a par v ovzduší • Předem musíme znát možný okruh látek, které stanovujeme • Podle použité metody pozor na vzájemné ovlivňování stanovení různými látkami • Při nízkých koncentracích nutno volit specielní postupy • Pozor na časový faktor a ochranu toho, kdo stanovení provádí

Zařízení pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší • Účel – Ochrana před nebezpečím výbuchu – Ochrana člověka před negativním působením toxických látek • Použití – Občasná kontrola ovzduší • odběr vzorků pro laboratoř • přenosné resp. kapesní přístroje – Kontrola ovzduší v případě havarijní situace • Odběr vzorků pro laboratoř • Přenosné resp. kapesní přístroje – Dlouhodobé monitorování prostředí • Stacionární systémy (pro trvalé použití) • Přenosné přístroje (pro dočasné použití)

Metody pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší • Metody laboratorní • Velmi přesné, časově náročné, zpracování v laboratoři, kvalifikovaný personál, drahé • Metody detekční • Rychlé stanovení, jednoduchá obsluha, málo přesné, levné • Analyzátory • Rychlé stanovení, přesné, jednoduchá obsluha, cenově dostupné, obvykle omezená životnost senzoru

Senzory plynů a kapalin • Senzory na fyzikálním principu – – Rezonanční piezoelektrické Tepelně vodivostní Paramagnetické Konduktivity • Senzory na fyzikálně-chemickém principu – – Polovodičové s pevnou fází CHEMFET Termokatalytické Elektrochemické • Optické a optoelektronické senzory – Infračervené • Senzory pro chromatografickou analýzu – Plamenový ionizační – Fotoionizační

Chemické senzory • Senzory pro vyhodnocování fyzikálněchemické látkové veličiny plynů a kapalin • Výstupem senzoru je elektrický signál obsahující informaci o chemickém složení analyzované látky • Chemický senzor + elektronické obvody = analyzátor (monitor, …)

Principy chemických senzorů • Fyzikální princip – Vzájemné působení molekul měřené látky a senzoru je čistě kinetické (nedochází k chemickým změnám analyzované látky) – Využívá celou řadu fyzikálních veličin (hustotu, tepelnou vodivost, konduktivitu, magnetickou susceptibilitu, adiabatický exponent, index lomu, absorpce elektromagnetického záření, rychlost zvuku, …) – Velmi rozšířené senzory • + malá časová konstanta • - špatná selektivita, vliv okolního prostředí (teplota, tlak, …)

Principy chemických senzorů • Fyzikálně-chemický princip – Dochází ke vzájemnému působení látky a povrchu čidla senzoru (interakce a výměny elektronů v molekulách obou materiálů) vedoucí k chemické proměně molekul – V průběhu uvedené chemické reakce se měří určitá fyzikální veličina – Vhodnou chemickou reakcí lze ovlivňovat selektivitu senzoru – +/ • + vyhovující selektivita • - delší dopravní zpoždění a časová konstanta

Principy chemických senzorů • Optický a optoelektronický princip – Založen na vzájemném působení elektromagnetického vlnění a molekul měřené látky – Využívá se ultrafialového (UV), viditelného, infračerveného (IR) nebo mikrovlnného spektra – Dociluje se výborné selektivity (absorpční spektra jsou pro určité složky (zejména u plynů) jednoznačná

Chemický senzor - Fyzikální princip Rezonanční piezoelektrické senzory • Piezoelektrický element zapojený v oscilátoru s adsorpční vrstvou na povrchu (- f=2, 3. 106 f 2. m/S) • Využití zpožďovacího vedení PAV (povrchová akustická vlna, rychlost řádu 103 m. s-1)

Chemický senzor - Fyzikální princip Tepelně vodivostní senzory • Tepelná vodivost plynů je – Přímo úměrná odmocnině absolutní teploty – Nepřímo úměrná odmocnině molární hmotnosti – Nezávislá na tlaku (až do oblasti technického vakua)

Mikroelektronické provedení na bázi Si technologie

Chemický senzor - Fyzikální princip Paramagnetické senzory kyslíku • Kyslík je výrazně paramagnetický ( > 0) • Analyzátory kyslíku využívají – Princip magnetomechanický – Princip termomagnetický (ztráta paramagnetických vlastností O 2 při ohřátí nad Courieovu teplotu) S p < p J F

Chemický senzor - Fyzikální princip Senzory konduktivity • Konduktometrie je založena na měření elektrické vodivosti roztoků • Přes neselektivitu je nejrozšířenější metodou pro analýzu kapalin • Elektrodové • Indukční • Kapacitní

Fyzikální princip Senzory konduktivity • Bezdotykový indukční senzor • I 3 = -UG/(n 1. n 3). G (G … elektrická vodivost elektrolytu)

Fyzikální princip Senzory konduktivity

Fyzikálně-chemický princip • Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) • CHEMFET senzory (princip MOS-FET) • Termokatalytické senzory • Elektrochemické senzory • Potenciometrie • Amperometrie

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází • Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) – Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí – výměna elektronů • Redukční plyny – donátory elektronů (zvětšení konduktivity) • Oxidační plyny - akceptory elektronů (pokles konduktivity) • Provozní teplota 200 ÷ 450 °C – Senzory s objemovou (absorpční) detekcí (z Ti. O 2, Ba. Ti. O 3, Sr. Ti. O 3, … • Při vysoké teplotě (~900°C) se mění stechiometrická struktura a tím počet chyb v krystalových mřížkách v závislosti na parciálním tlaku plynu. Vzniklý deficit kyslíku v krystalových mřížkách mění vodivost senzoru.

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází • Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází

Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory • Založeny na měření reakčního tepla při katalytickém spalování • Katalyzátor na bázi Pt (např. Pellistor)

Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory • Elektrochemické reakce na určité elektrodě v daném elektrolytu (tři fázová rozhraní mezi analyzovanou kapalinou (plynem), kovovou elektrodou a elektrolytem v kapalné nebo tuhé fázi • Potenciometrie

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory • Amperometrie – založena na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku; do obvodu obvykle zařazen zdroj stejnosměrného napětí. Jedna elektroda je polarizovatelná (pracovní), druhá nepolarizovatelná (vztažná).

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory • Amperometrie Clark - senzor

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory

Optické a optoelektronické chemické senzory • Vzájemná interakce elektromagnetického vlnění a analyzované látky záleží na zvolené vlnové délce • UV spektrum (200 nm – 350 nm) – při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra EE • Viditelné spektrum (350 nm – 760 nm) - při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra EE • Blízké IR spektrum (760 nm – 2, 5 m) – intermolekulární kmitání mezi atomy (energie spektra EK) až rotační kmity molekul (energie rotačního spektra ER) • IR spektrum (2, 5 m - 15 m) – rotace lehkých molekul a kmitání těžkých molekul

Optické a optoelektronické Optické chemické senzory • Při absorpci záření o určité energii E (kvantované) přechází molekulární (resp. atomový) systém ze základního stavu do stavu excitovaného. Pro energetické změny platí h … c … … E … planckova konstanta rychlost světla vlnová délka záření kvantum absorpce záření

Optické a optoelektronické senzory Spektrální fotometrie • Základem spektrální fotometrie je Lambert-Beerův zákon Z-zdroj záření M-měřicí kyveta C-rotační clona F-optický filtr D-detektor SD-synchronní detektor DF-dolnofrekvenční propust

Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu • Bezdisperzní analyzátory (pracují v širokém spektrálním pásmu) • Disperzní analyzátory (pracují v úzkém spektrálním pásmu) Klasický bezdisperzní analyzátor 1 -IR zdroj 2 -rotační clona 3 -srovnávací kyveta 4 -měřicí kyveta 5 -srovnávací plyn 6 -kondenzátorový mikrofon

Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu Infračervené Disperzní analyzátor plynu (princip s plynovými filtry) 1 -IR zdroj 2 -interferenční filtr 3 -měřicí kyveta 4 -kotouč s filtry 5 -filtrační komora s N 2 6 -filtrační komora s měřeným plynem 7 -detektor

Plynový chromatograf

Plynová chromatografie Plamenový ionizační senzor (FID)

Rozdělení přístrojové techniky I • Podle charakteru měřené látky lze pak měřící přístroje rozdělit na: • oximetry – zjišťují koncentraci kyslíku, • toximetry – měří koncentrace toxických plynů a par v ovzduší, • explozimetry – vyhodnocují míru možné výbušnosti.

Rozdělení přístrojů II • K chemickému průzkumu je možné využít prostředky typu: • detektor OFOL DETEHIT • přístroje využívající detekční trubičky: prosávač UNIVERZAL U 66 , DETEGAS – 1, chemický průkazník CHP – 71, Quantimetr 1000, Dräger • detektory nebezpečných látek a explozimetry EX 10, EX 11, MX 11, OX 11, TX 12, MX 21, CATEX, PD-5, 6 a 81, AIM 1000, 2000, 3000 a 3200, GADET-P, Dräger CMS, Pac Ex-SW 2. n, MULTIWARN II, • analyzátor DL – 101.

Vapor. Tracer 2 ITMS® Přenosný detektor výbušnin a drog ITMS® Vapor. Tracer TM, přenosný detektor výbušnin a drog je nejnovější technologií dostupnou pro detekci drog a výbušnin. Je založen na přístroji Ion Trap Mobility Spectrometer a je mimořádně citlivý. Vapor Tracer je určen pro zajištění bezpečnosti v prostředí, kde je nutná rychlá a přesná kontrola. Přístroj váží 3, 2 kg a je schopný zachytit a identifikovat i nepatrné množství drogy nebo výbušniny. Systém pracuje tak, že přijme malé množství výparů do detektoru, tam jsou tyto výpary zahřáty, ionizovány a pak identifikovány podle plazmagramu. Citlivost detektoru: 10 -50 pikogramů testovaných drog nebo výbušnin Doba analýzy: Výsledky jsou okamžité Kalibrace: Automatická Drogy: kokain, heroin, THC, amfetaminy, PCP a další Výbušniny: RDX, TNT, C 4, PETN, dynamit, semtex, HMX, a další

ITEMISER 3 - Systém pro detekci a identifikaci výbušnin a narkotik • Itemiser je přístroj pro vyhledávání úkrytů pašovaných zbraní a výbušnin teroristů nebo pro zamezení nezákonného převozu omamných látek. Systém umožňuje detekovat a identifikovat až 48 různých vzorků látek během několika sekund. Systém využívá patentované techniky spektrometrie řízené iontové pohyblivosti (Ion Trap Mobility Spectrometry - ITMS). Itemiser má možnost použít systém pro dálkový odběr vzorků tak, aby bylo možno prověřit libovolný povrch nebo dutinu mikroskopickou analýzou cestovních zavazadel, vozidel, kontejnerů a zjistí přítomnost a identifikuje drogový nebo výbušný materiál. Nedestruktivní vzorkovací technika je extrémně citlivá a jednoznačně identifikuje plný rozsah výbušnin a drog včetně semtexu, RDX, TNT, kokainu, heroinu, hašiše a mnoho dalších substancí.

PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK • ►R. A. P. I. D. (Ruggedized Advanced Pathogen Identification Device – Robustní polní přístroj k určování patogenů) je přenosný terénní vzduchový termický cyklovač pracující na principu měření fluorescence. Tento přístroj je schopen provést detekci PCR Polymerase Chain Reaction – Polymerázová řetězcová reakce) vloženého předprogramovaného patogenu za méně než 30 minut. ► Dva druhy testování: Screeningové testy analyzují všechny vzorky na přítomnost několika různých patogenů. Skupinové testy analyzují všechny vzorky na jeden organismus.

PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK • ►Použití: V oblasti ochrany životního prostředí, pro složky integrovaného záchranného systému, v průmyslu, pro účely potravinářství a agrikultury, ve zdravotnictví, armádě a dalších odvětvích. ►Dostupné kity: Bio. Thread Screening Kit, Pathogen Test Kit, Výcvikový/zkušební kit, IT 1 -2 -3 DNA Purification Kit, B. anthracis (Anthrax, Target 1), B. anthracis (Anthrax, Target 2), B. anthracis (Anthrax, Target 3), F. tularensis (Tularemia, Target 1), F. tularensis (Tularemia, Target 2), Y. pestis (Plague, Target 1), Y. pestis (Plague, Target 2), B. species (Brucellosis), L. monocytogenes (Listeriosis), E. coli O 127, S. species (Salmonellosis), C. species (Campylobacter), C. botulinum type A (Botulism).

PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK • ►RAZOR je ruční, přenosný, terénní, vyhřívaný analyzátor (detektor) patogenů. Je to bateriový termocyklovač s analyzačním a detekčním software, pracující v reálném čase. Princip činnosti je obdobný jako u přístroje R. A. P. I. D. ► Je malý, odolný a vhodný k použití v polních podmínkách. Dostupné kity: Bio. Thread Screening Kit, Pathogen Test Kit, Výcvikový/zkušební kit, IT 1 -2 -3 DNA Purification Kit, B. anthracis (Anthrax, Target 1), B. anthracis (Anthrax, Target 2), B. anthracis (Anthrax, Target 3), F. tularensis (Tularemia, Target 1), F. tularensis (Tularemia, Target 2), Y. pestis (Plague, Target 1), Y. pestis (Plague, Target 2), B. species (Brucellosis), L. monocytogenes (Listeriosis), E. coli O 127, S. species (Salmonellosis), C. species (Campylobacter), C. botulinum type A (Botulism).