CN101529244B - 臭氧检测装置 - Google Patents

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Abstract

准备含有检测溶液(101)的容器(102)。所述检测溶液(101)是通过溶解检测组分、保湿剂和具有亲水基的紫外线吸收剂而制备的水溶液，所述检测组分含有在与臭氧气体反应时改变其颜色的染料。将制备的片状载体(103)在所述检测溶液(101)中浸渍例如30秒，从而通过用所述检测溶液(101)浸渍所述片状载体(103)而形成浸渍片(104)。然后通过蒸发所述浸渍片(104)中所含的溶剂(介质)比如水，干燥所述浸渍片(104)，从而形成片状臭氧检测装置(105)。

Description

臭氧检测装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测存在于气体例如空气中的臭氧的臭氧检测装置。
背景技术
目前，NOx、SPM(悬浮微粒物质)和光化学氧化剂引起空气污染，并且对环境的影响被认为是一个问题。例如，从工厂、办公室和汽车排出的污染物比如NOx或烃在该污染物受到太阳光辐照时的光化学反应，产生主要含有强氧化物质比如臭氧的光化学氧化剂，并且该光化学氧化剂导致光化学烟雾。
光化学氧化剂几乎由臭氧构成，并且各地的测量局通过自动测量方法比如紫外线吸收法测量臭氧的浓度。通过这种自动测量方法进行的臭氧气体浓度测量可以测量微量的气体，即，几个ppb的气体，但是该测量是昂贵的，并且需要恒定的设置以保持精度。而且，在通过这些设备进行的自动测量中，始终需要电力，并且维护和管理是必要的，因此需要巨大的成本。另外，对于这些测量，温控安装环境和校准用标准气体必须得到保证。
为了准确地研究环境中的气体浓度分布，并且评价对地域环境的影响，必需增加观测点的数量并且在全国范围内进行测量和研究。然而，在许多观测点，很难进行上述自动测量方法。因此，出现了对易使用、小型、廉价的臭氧气体分析器和简单的测量方法的需求。
近来，臭氧由于具有强的杀菌力(氧化力)并且在分解之后变为氧以及产生无害物质，引起了注意。这使得臭氧的应用扩大至各个工业领域，比如水处理、食品杀菌和纸漂白。相应地，作为劳动环境标准，对臭氧浓度设定了100ppb和8小时的参考值。在使用臭氧的工厂中，不仅必需安装臭氧报警器，而且必需维持其中每一个工人都在劳动标准的范围内工作的状态。这需要一种可以由工人携带的测量装置。
在这些情况下，臭氧气体测量技术目前已经得到了广泛的开发。实例是半导体气体传感器、固态电解质气体传感器、电化学气体传感器和石英振荡气体传感器。然而，这些传感器是为了评价短时间响应而开发的，并且只有很少的传感器是为了监测需要的测量数据累积而开发的。因此，当必需累积测量数据时，必需始终操作传感器。此外，例如半导体传感器的传感单元必需保持在几百℃，因而始终需要大量的电力以恒定地操作该传感器。
而且，上述传感器具有约亚ppm的灵敏度，因此不能测量在实际环境中的浓度，例如，不能测量10ppb的臭氧。尽管一些半导体传感器对10ppb的臭氧起反应，但是对于浓度，传感器的输出是非线性的，并且从一个传感器到另一个传感器的输出值极大地变化。这样使得在使用不同传感器时难以比较。而且，在很多情况下，另外的气体的影响不能被忽略。
还有一种使用检测管式气体测量装置的方法。不幸的是，这种方法也是为了局部测量在测量点的非常短时间的浓度而开发的。这使得难于获得长期累积的测量数据。另外，这种使用检测管的方法要求在测量场所有操作员，并且还造成以下测量精度问题：不同的操作员有差别地读取测量之间的颜色变化。
另一方面，提出了担载淀粉和碘化钾的臭氧检测纸作为一种简易、高灵敏度的臭氧分析技术(参见参考文献1：日本专利3257622)。然而，在参考文献1中公开的这种技术需要用于强制抽吸被检测气体的泵、用于测量的光源和用于驱动包括所述泵和光源的检测器的电力。而且，需要特殊的片状载体，并且每当进行测量都必需更换该载体。这样使得累积测量困难。此外，使用上述检测纸的测量检测所有的光化学氧化剂，而不是臭氧。
作为另一种简易、高灵敏度的臭氧气体分析方法，已经提出了一种使用担载靛蓝胭脂红的臭氧检测纸的技术(参见参考文献2：Anna C.Franklin等，“使用被动取样器在南卡罗来纳的臭氧测量(Ozone Measurement inSouth Carolina Using Passive Sampler)”，空气与废物测量协会杂志(Journalofthe Air&Waste Measurement Association)，第54卷，1312-1320，2004)。还提出了一种将膜过滤器安置在担载蓝色靛蓝染料的臭氧检测片的表面上，并且通过调节膜过滤器的厚度来控制灵敏度的技术(参见参考文献3：“臭氧监测器操作指南(Operating Instructions for Ozone Monitor)”，Part#380010-10，http://www.kandmenvironmental.com/PDFs/ozone.pdf)。
发明内容
本发明要解决的问题
不幸的是，由于需要泵和光学系统，参考文献1的技术是昂贵的，而参考文献2和3的技术在日光下的户外使用中有问题。在参考文献2和3的常规技术中，臭氧气体的累积浓度可以通过臭氧检测纸或者检测装置的颜色变化进行测量。然而，在户外使用中的太阳光下，即使没有臭氧气体，颜色也变化。这个问题的原因是太阳光中含有的紫外光。如上所述，参考文献1的技术具有设备成本高的问题，而参考文献2和3的技术具有臭氧气体测量局限于室内的问题，并且户外测量比如由光化学烟雾导致的臭氧的检测不容易。而且，即使在臭氧由使用紫外光而产生时，这些常规技术也不能容易地测量所产生的臭氧气体。
本发明是为解决如上所述的问题而作出的，并且其目的是提供一种臭氧检测装置，所述臭氧检测装置即使在紫外线辐射下，也能够简易地检测将要测量的气体中从测量开始的臭氧的累积量，并且精确地检测臭氧。
解决问题的手段
根据本发明的臭氧检测装置至少包括：载体，所述载体由纤维制成；检测组分，所述检测组分由所述载体担载，并且含有在与臭氧气体反应时改变颜色的染料；以及紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂由所述载体担载并且具有亲水基。与染料一起由载体担载的紫外线吸收剂吸收辐照载体的紫外光。
发明效果
在如上说明的本发明中，载体担载紫外线吸收剂以及检测组分，因此由担载染料的载体担载的紫外线吸收剂吸收辐照载体的紫外光。因此，本发明获得了显著的效果，即，可以提供一种臭氧检测装置，所述臭氧检测装置即使在紫外线辐射下，也能够简易地检测将要测量的气体中的臭氧的累积量，并且精确地检测臭氧。
附图简述
图1A至1E是用于说明根据本发明的一个实施方案的臭氧检测装置制造方法的一个实施例的步骤的图；
图2是用于说明紫外线吸收剂的作用的图；
图3是显示在采用紫外光将臭氧检测装置A至G逐分钟地辐照1至5min，并且每当装置被辐照，通过分光光度计测量每一个臭氧检测装置的反射光时，通过利用在约618nm的波长的吸光度变化作为指标评价紫外光的影响的结果的图；
图4A是显示将检测片B暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图；
图4B是显示将检测片B暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图；
图5A是显示将臭氧检测片C暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图；
图5B是显示将臭氧检测片C暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图；
图6A是显示将臭氧检测片D暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图；以及
图6B是显示将臭氧检测片D暴露于预定量的臭氧气体中时的吸光度变化的图。
实施本发明的最佳方式
下面将参考附图说明本发明的实施方案。图1A至1E是用于说明根据本发明的实施方案的臭氧检测装置制造方法的一个实施例的步骤的图。首先，如图1A中所示，准备含有检测溶液101的容器102。检测溶液101是通过溶解含有在与臭氧气体反应时改变其颜色(光吸收光谱)的染料的检测组分、保湿剂以及具有亲水基的紫外线吸收剂而制备的水溶液。
作为染料，可以使用例如，具有靛蓝环的染料比如靛蓝胭脂红(C16H8N2Na2O8S2)和靛蓝。这些染料是在它们被酸性物质比如柠檬酸酸化时使用的。因此，当在本实施方案中使用靛蓝胭脂红等作为染料时，染料和酸性物质形成检测组分。当具有靛蓝环的染料与臭氧反应时，分子骨架中含有的C＝C键分解。由于这改变了染料分子的结构和电子状态，因此在可见区中的光吸收变化，并且颜色(色调)变化(褪色)。注意的是，尽管酸性物质不与臭氧直接反应，但是它被包含在检测组分中作为参与染料和臭氧气体之间的反应的组分。
还可以使用偶氮染料比如查耳酮(HOC10H6N:NC10H5(OH)SO3Na)、酸性茜素紫N(也被称为酸性铬紫K:C16H11N2NaO5S)、一号橙(C16H11N2NaO4S)以及甲基橙(C14H14N3NaO3S)。当偶氮染料与臭氧反应时，分子骨架中含有的偶氮基(N＝N双键)分解(氧化)。由于这改变了染料分子的结构和电子状态，因此可见区中的光吸收变化并且颜色变化。
此外，可以使用具有羟基的蒽醌基染料比如茜素(C14H10O2(OH)2)以及茜素红S(9，10-二氢-3，4-二羟基-9，10-二氧代-2-蒽磺酸，钠盐：C14H10O2(OH)2SO3Na)。这些染料是在它们被碱性物质比如氢氧化钠碱化时使用的。因此，当使用茜素等作为染料时，染料和碱性物质形成检测组分。当具有羟基(-OH)的蒽醌基染料与臭氧反应时，分子骨架中含有的C＝O双键分解。由于这改变了染料分子的结构和电子状态，因此在可见区中的光吸收变化，并且颜色变化。
还可以使用具有多烯结构的染料，比如胭脂树素或降胭脂树素，例如胭脂树橙染料。当具有多烯结构的染料与臭氧反应时，分子骨架中含有的C＝C键分解。由于这改变了染料分子的结构和电子状态，因此在可见区中的光吸收变化，并且颜色变化。
作为保湿剂，可以使用例如甘油(C3H8O3)、乙二醇(C2H6O2)和丙二醇(C3H8O2)。
作为具有亲水基的紫外线吸收剂，可以使用例如2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠以及阿魏酸(4-羟基-3-甲氧基肉桂酸)。所有这些紫外线吸收剂在骨架中均具有苯环。当使用阿魏酸时，如稍后所述，通过首先形成不含紫外线吸收剂的臭氧检测装置，将臭氧检测装置浸渍在阿魏酸的丙酮溶液中，并且干燥臭氧检测装置，制备含有紫外线吸收剂的臭氧检测装置。因此，与使用水溶性紫外线吸收剂时相比，阿魏酸使得制造更困难。然而，如所熟知的，阿魏酸具有高的安全性，原因在于它是米糠等中含有的物质。
例如，检测溶液101通过将纯水加入到0.045g靛蓝胭脂红、0.8g 2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物以及12.5g甘油中以总体上形成50ml而制备。靛蓝胭脂红是具有靛蓝环的染料，并且酸化的检测溶液101的颜色是蓝色的。注意的是，靛蓝胭脂红是在它被酸化时使用的，通常加入柠檬酸或者乙酸。然而，在上述组合物中，靛蓝胭脂红通过使用2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸酸化，因此不加入其它的酸性物质比如柠檬酸。
然后，如图1B所示，制备具有预定尺寸的载体103。载体103是由纤维比如纤维素制成的片。实例是由ADVANTEC(东洋滤纸株式会社(TOYOFILTER PAPER))生产的纤维素滤纸(No.2)。载体103的颜色可以为例如白色。注意的是，载体103并不限于片并且也可以具有另外的形状。例如，载体103也可以是板。如稍后所述，载体103必须仅浸渍有检测溶液101，并且担载染料、紫外线吸收剂等，使得它们可以接触将要检测的气体。
随后，如图1C所示，将所制备的载体103在检测溶液101中浸渍例如30秒，以使载体103浸渍有检测溶液101，由此形成浸渍有检测溶液101的浸渍载体104。
之后，将浸渍载体104从检测溶液101中拉起，并且用空气干燥。在用空气干燥至一定程度之后，将浸渍载体104在干燥氮气中通过使包含在浸渍载体104中的溶剂(介质)比如水蒸发来干燥。例如，如图1D所示，将浸渍载体104放置在充满循环氮气的预定容器106内的氮气流中，并且保持这种状态24小时以上而干燥，从而形成片状臭氧检测装置105。
如图1E中所示，这样形成的臭氧检测装置105担载染料111、紫外线吸收剂112以及保湿剂113。在本实施例中，使用靛蓝胭脂红作为染料111，并且获得的臭氧检测装置105具有染料111的颜色。可以容易地在视觉上确认这种颜色。注意的是，上述的“担载”是指其中比如染料、紫外线吸收剂和保湿剂的物质与载体(基材)化学、物理或电结合的状态，例如其中用染料被覆和/或浸渍由纤维比如纤维素制成的片的状态。
当如上所述制备的臭氧检测装置105暴露于其中存在臭氧的环境时，染料的颜色的密度随着暴露时间的流逝而逐渐降低，并且该颜色最终变为白色。例如，当臭氧检测装置105在其中臭氧浓度为0.04ppm的环境中暴露24小时时，该颜色变为略带黄色的白色。注意的是，在使用另一种染料时，颜色几乎消失，并且在某些情况下出现滤纸的初始颜色(白色)。
如上所述，臭氧检测装置105可以通过颜色变化检测臭氧，并且可以进行累积检测，即，可以测量从测量开始的累积量。这种颜色的变化估计是与臭氧所致的染料111的分解相应的褪色。注意的是，在上面的描述中，载体103的颜色为白色，但是本发明不限于此，并且载体103必须仅具有其在可见区中的吸收波长不与所用的染料的颜色重叠的颜色。例如，在使用靛蓝胭脂红时，可以使用变黄的载体(滤纸)。在这种情况下，检测装置是着色的绿色，并且在与臭氧反应时将其颜色变为黄色。
而且，臭氧检测装置105浸渍有含约20重量％的保湿剂的检测溶液101，因此担载保湿剂113。这更有效地实现了由臭氧的存在所引起的上述颜色变化(臭氧检测能力)。这可能正是因为在臭氧检测装置105中含有的保湿剂113促进了由臭氧引起的臭氧检测装置105的中的染料的褪色反应。然而，如果在检测溶液中的保湿剂浓度过高，例如超过50％，则干燥所需的时间变得很长，并且这样使得难于制造具有高重复性的检测装置。
另外，由于臭氧检测装置105含有紫外线吸收剂112，抑制了紫外线辐射的影响。例如，当不使用紫外线吸收剂时，在臭氧检测装置暴露于日光下时，即使没有臭氧，该装置的颜色也变化。当使用保湿剂制造臭氧检测装置时，这种现象是特别显著的。在这种情况下，在该装置暴露于太阳光约十至几十分钟时，即使没有臭氧，也可以在视觉上确认颜色的变化。因此，不使用紫外线吸收剂的臭氧检测装置不能对其中将该装置暴露于紫外线辐射的环境进行臭氧检测。相反，即使在臭氧检测装置105暴露于太阳光约十至几十分钟时，紫外线辐射的影响也被降低至在视觉上确认不到褪色这种程度，因此臭氧检测装置105即使在其中将它暴露于紫外线辐射的环境中，也可以检测臭氧。
下面将说明在使用上述保湿剂时紫外线辐射的影响。首先，据估计，保湿剂的使用允许载体担载染料以及水。如果存在于大气中的臭氧作用于(溶解于)载体，则在与染料一起担载的水中也许产生高度反应性的羟基自由基或者过氧氢自由基(参考文献4：Tairo Ito，“臭氧的奥秘(Mysteries ofOzone)”)。由于这些自由基表现出高的氧化能力，因此如上所述产生的自由基可能使染料分解。另一方面，当担载水以及染料的载体被紫外光辐照时，据估计，高度反应性的氧自由基在水中产生，并且以与臭氧作用时的相同方式使染料分解。这也许造成了前述紫外线辐射的问题。
下面将说明下列情况：其中，如图2中所示，担载紫外线吸收剂112的臭氧检测装置105被紫外光辐照并且臭氧作用于臭氧检测装置105。在臭氧检测装置105中，水层105a通过保湿剂113在形成装置(unit)的纤维103a的表面上的作用而形成，并且据估计紫外线吸收剂112与染料111一起存在于水层105a中。因为紫外(UV)光直线进入，因此紫外线吸收剂112在水层105a的表面附近将大部分紫外光转换为热量等。这显著减少了例如，促使染料111分解的氧自由基的产生，以及由紫外光导致的染料的直接分解。
相反，由于臭氧(O3)是气体，因此即使在紫外线吸收剂112存在时，臭氧也溶解并且扩散到水层105a中。而且，紫外线吸收剂112的反应比如氧化和分解几乎不消耗臭氧。因此，如上所述，大部分臭氧可能溶解并且扩散到水层105a中，并且作用于染料111上，从而使染料111分解。因此，当预定量的紫外线吸收剂112存在于水层105a的表面上时，可以抑制紫外光的进入以及在臭氧可以进入时由紫外光所致的染料111的分解。
下面将更详细说明紫外线吸收剂的作用。首先，通过将0.045g靛蓝胭脂红、3.0g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液A，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用检测溶液A制备臭氧检测装置A。臭氧检测装置A是不含紫外线吸收剂的样品。这样形成的臭氧检测装置A的颜色是蓝色的。
然后，通过将0.045g靛蓝胭脂红、0.8g 2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液B，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用检测溶液B制造臭氧检测装置B。这样形成的臭氧检测装置B的颜色是蓝色的。
通过将0.045g靛蓝胭脂红、1.0g 2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠、3.5g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液C，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用检测溶液C制造臭氧检测装置C。这样形成的臭氧检测装置C的颜色是蓝色的。注意的是，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠通过将等摩尔量的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物和氢氧化钠溶解于水中，并且干燥水溶液而获得。
通过将0.045g靛蓝胭脂红、3.0g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用该检测溶液制造臭氧检测装置。该检测溶液与上述检测溶液A相同，并且臭氧检测装置也与上述臭氧检测装置A相同。然后，通过将3.5g阿魏酸溶解于50ml丙酮中，制备紫外线吸收剂溶液，并且将上述臭氧检测装置在该紫外线吸收剂溶液中浸渍10秒，以使其浸渍有紫外线吸收剂溶液，从而形成浸渍有紫外线吸收剂溶液的臭氧检测装置D。
之后，将臭氧检测装置D从紫外线吸收剂溶液中拉起并且用空气干燥。在干燥至一定程度之后，在干燥氮气中通过使包含在臭氧检测装置D中的溶剂(介质)比如水蒸发，干燥臭氧检测装置D。例如，如图1D所示，将臭氧检测装置D放置在充满循环氮气的预定容器106内部的氮气流中，并且保持这种状态24小时以上。
接着，作为比较样品，将说明采用不溶于水的紫外线吸收剂的样品。
首先，通过将0.045g靛蓝胭脂红、3.0g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用该检测溶液制造臭氧检测装置。该检测溶液与前述检测溶液A相同，并且所制备的臭氧检测装置也与前述臭氧检测装置A相同。
然后，通过将0.5g的4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮溶解于50ml丙酮中，制备紫外线吸收剂溶液，并且将上述臭氧检测装置在该紫外线吸收剂溶液中浸渍10秒，以使其浸渍有紫外线吸收剂溶液，从而形成浸渍有紫外线吸收剂溶液的臭氧检测装置E。之后，将臭氧检测装置E从紫外线吸收剂溶液中拉起并且以与上述相同的方式干燥。
通过将0.045g靛蓝胭脂红、3.0g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用该检测溶液制造臭氧检测装置。该检测溶液与前述检测溶液A相同，并且所制备的臭氧检测装置也与前述臭氧检测装置A相同。然后，通过将0.5g的2-(3，5-二-叔戊基-2-羟基苯基)-2H-苯并三唑溶解于50ml丙酮中，制备紫外线吸收剂溶液，并且将上述臭氧检测装置在该紫外线吸收剂溶液中浸渍10秒，以使其浸渍有紫外线吸收剂溶液。之后，将臭氧检测装置从紫外线吸收剂溶液中拉起并且以与上述相同的方式干燥，从而形成臭氧检测装置F。
通过将0.045g靛蓝胭脂红、3.0g柠檬酸和12.5g甘油溶解于水中以形成作为总量的50ml，制备检测溶液，并且遵循如上所述的相同程序，通过使用该检测溶液制造臭氧检测装置。该检测溶液与前述检测溶液A相同，并且臭氧检测装置也与前述臭氧检测装置A相同。然后，通过将0.5g的2-(2-羟基-5-叔丁基苯基)-2H-苯并三唑溶解于50ml丙酮中，制备紫外线吸收剂溶液，并且将上述臭氧检测装置在该紫外线吸收剂溶液中浸渍10秒，以使其浸渍有紫外线吸收剂溶液。之后，将臭氧检测装置从紫外线吸收剂溶液中拉起并且以与上述相同的方式干燥，从而形成臭氧检测装置G。
进行其中用紫外光辐照上述臭氧检测装置A至G的紫外线暴露试验(实验)。在该试验中，通过使用可获自SERIC、未连接有UV滤光器的人工太阳照明灯XC-100AF(Artificial Sunlight XC-100AF)评价紫外光的影响。将对臭氧检测装置A至G中的每一个的照射光的入射角设定在20°，将从人工太阳照明灯的下端至臭氧检测装置A至G中的每一个的距离设定在110cm，并且将臭氧检测装置A至G中的每一个设定在照射光的强度最高的中心部分。
采用紫外光逐分钟地将上述的臭氧检测装置A至G中的每一个辐照1至5min，并且每当辐照装置，都采用分光光度计测量来自臭氧检测装置的反射光。通过利用在约618nm的波长的吸光度变化作为指标，评价紫外光的影响。图3显示了结果。注意的是，只有实线表示臭氧检测装置A的结果，而空心圆表示臭氧检测装置B的结果，空心三角形表示臭氧检测装置C的结果，空心正方形表示臭氧检测装置D的结果，实心圆表示臭氧检测装置E的结果，实心三角形表示臭氧检测装置F的结果，并且实心正方形表示臭氧检测装置G的结果。
如图3中所示，当与其中未添加紫外线吸收剂的臭氧检测装置A相比时，在其中添加了紫外线吸收剂的臭氧检测装置B至G中的任何一个中，在618nm的波长处的吸光度变化小。然而，在其中添加了紫外线吸收剂的这些臭氧检测装置中的臭氧检测装置B、C和D中，紫外光的影响显著降低。
在紫外线辐射最强的季节的晴天，据估计，紫外线辐射的最大量为约300至500W·h/天。当将其中未添加紫外线吸收剂的臭氧检测装置A暴露于日光时，在约618nm的波长的吸光度与紫外线暴露量成比例地变化，并且在紫外线辐射量为200W·h时，降低约0.6。这种结果几乎等于在采用人工太阳照明灯100AF(未连接有滤光器)的暴露试验中将臭氧检测装置A逐分钟地辐照5min时的结果。而且，臭氧检测装置A在约618nm的波长的吸光度与臭氧气体暴露量成比例地变化，并且在该装置暴露于640ppb·h(湿度60％)的臭氧气体中时，降低约0.7。
从前述可知，为了即使在将臭氧检测装置暴露于300W·h的可能最大暴露量时，也将由日光导致的误差抑制到20％以下(吸光度变化为0.14以下)，紫外光的影响必须降低至以“200 W:0.6＝300 W×x:0.14，x＝0.156”为基础的15.6％。当在使用人工太阳照明灯XC-100AF(未连接有UV滤光器)的紫外线暴露实验中逐分钟地进行5min的辐照时，臭氧检测装置A(不含紫外线吸收剂)的吸光度变化为0.586，而臭氧检测装置B、C和D的吸光度变化分别为0.057、0.047和0.057，即，臭氧检测装置A的吸光度变化的10％以下。即，臭氧检测装置B至D表现出令人满意的紫外线吸收能力。
相反，用于比较的臭氧检测装置E、F和G将紫外光的影响降低了约50％，即，不能达到所必需的紫外线吸收能力。这些结果表明，为了使用作为借助于抑制紫外光的影响的臭氧检测装置的装置，必须与臭氧检测装置B至D中一样使用具有亲水基的水溶性紫外线吸收剂。
当将2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠和阿魏酸各自溶解在溶剂中并且分析透射光的光谱时，紫外线吸收能力没有前述采用不溶于水中的其它紫外线吸收剂时的紫外线吸收能力那么高。例如，当加入等摩尔量的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物和4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮时，在300至400nm的波长区域中，4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮的紫外线吸收能力平均为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物的紫外线吸收能力的1.25倍。
尽管2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物的添加量为0.8g，而4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮的添加量为0.5g，即，在添加量之间有差别，但是不能解释当将它们用于臭氧检测装置时在紫外线辐射所致的吸光度变化之间产生大的差别的原因。注意的是，紫外线吸收剂的紫外线吸收能力与添加量成比例。因此，当溶解于溶剂中时，0.8g的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物的吸收能力约为0.5g的4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮的吸收能力的1.3倍。
如图3中所示，臭氧检测装置E的吸光度变化约为臭氧检测装置B的吸光度变化的5倍。而且，其中未添加紫外线吸收剂的臭氧检测装置A的吸光度变化(Abs.)与紫外线暴露量成比例，直至比0.3略高一点。这表明，在足量的染料残留时，紫外线暴露量和吸光度变化成比例。
当将0.5g以上的三种水不溶性的紫外线吸收剂，即4-十二烷氧基-2-羟基二苯甲酮、2-(3，5-二-叔戊基-2-羟基苯基)-2H-苯并三唑和2-(2-羟基-5-叔丁基苯基)-2H-苯并三唑中的任何一种加入到50ml丙酮中，并且使用该溶液制造检测装置时，紫外线吸收剂以粉末的形式沉积在臭氧检测装置的表面上。相反，即使在将9.0g的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物加入到50ml水中，将1.0g的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠加入到50ml水中，并且将3.5g的阿魏酸加入到50ml丙酮中，并且使用该溶液制造检测装置时，这些紫外线吸收剂中也没有一种以粉末形式沉积。
这些现象的原因在于水溶解度值之间的大的差别。在25℃，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸三水合物以25重量％的量溶解于水中，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠以大于2.5重量％的量溶解于水中，而阿魏酸以0.05重量％的量溶解于水中。相反，其它紫外线吸收剂几乎不溶于水中。
当干燥浸渍有溶液的载体时，水不溶性紫外线吸收剂聚集，并且以粉末的形式沉积在已经从其挥发了溶剂的表面上。据估计，这形成了紫外线吸收剂的不均匀分布，并且使得不能良好地达到紫外线吸收效果。而且，即使在紫外线吸收剂不以粉末的形式沉积在载体的表面上时，浓度也可能变得不均匀，从而使得在低浓度部分不能获得高的紫外线吸收能力。
然而，当使用具有一定程度的水溶解度的紫外线吸收剂时，由载体担载的甘油或者由甘油保持的水结合至紫外线吸收剂分子的亲水基。而且，当载体由纤维素制成时，纤维素的羟基结合至紫外线吸收剂分子的亲水基。因此，当干燥载体时，紫外线吸收剂几乎不聚集，并且由载体均匀地保持(担载)。这或许实现高的紫外线吸收能力。
阿魏酸在水中溶解至约0.05重量％，并且在丙酮中也是可溶解的。在臭氧检测装置D的制造中，将阿魏酸溶解于丙酮中，并且将溶液分散在臭氧检测装置D中，以使阿魏酸的添加量大于溶解于水中的量。这使得可以实现均匀的分散以及高的紫外线吸收能力。这表明，如果在25℃的水溶解度为0.05重量％以上，则即使在通过前述制造臭氧检测装置D的方法以比溶解于水中的量更大的量添加紫外线吸收剂时，紫外线吸收剂也能够在干燥时被均匀地保持。
在臭氧检测装置D的制造中，将不含紫外线吸收剂的臭氧检测装置用其中溶解紫外线吸收剂的丙酮浸渍，以使紫外线吸收剂的添加量大于溶解于水中的量。然而，用于溶解紫外线吸收剂的溶剂必须仅仅是不快速洗出不含紫外线吸收剂的臭氧检测装置的构成要素(染料比如靛蓝胭脂红、酸性物质比如柠檬酸，以及保湿剂比如甘油)，并且紫外线吸收剂可溶于其中的溶剂。例如，还可以优选使用乙酸乙酯等。
通常，在将紫外线吸收剂加入到油漆或树脂中，或溶解到液体例如化妆品中的油中时，使用该紫外线吸收剂。因此，一旦紫外线吸收剂溶解或者均匀地分散在溶剂中，则紫外线吸收剂分子中所含的亲水基在此后就不重要了。然而，在上述根据本发明的臭氧检测装置中，紫外线吸收剂必须溶解在溶剂中并且在干燥后均匀地分散。因此，如前所述，亲水基是必要的构成要素。这种利用紫外线吸收剂的方式大大区别于利用紫外线吸收剂的普通方式，因此，本发明不能被容易地类推出来。
与上述紫外线吸收剂不同的水溶性紫外线吸收剂的实例是对氨基苯甲酸(水溶解度0.4重量％)以及水杨酸苯酯(水溶解度0.05重量％)。可以容易地类推的是，甚至这些紫外线吸收剂也可以被均匀地保持。这些紫外线吸收剂在骨架中也具有苯环。注意的是，水溶解度的指数为阿魏酸的0.05重量％以上。
尽管将3.5g柠檬酸加入到臭氧检测装置C和臭氧检测装置D中，但是在实验上证实，即使在改为加入2.0g乙酸时，也几乎获得了相同的结果。在实验上还证实，即使在使用乙二醇或丙二醇代替甘油作为保湿剂时，也获得了相同的结果。而且，在实验上证实，即使在使用偶氮染料(查耳酮和酸性茜素紫N)、蒽醌染料(茜素)、胭脂树橙染料时，也可以增加对紫外光的抵抗力。
注意的是，如图3A、3B、4A、4B、5A和5B以及下表1中所示，当臭氧检测装置B、C和D暴露于预定量的臭氧气体时，尽管吸光度变化略微不同，但是吸光度充分变化，表明这些装置可用作臭氧检测装置。
[表1]
表1
样品 温度和湿度条件   总暴露量(ppb·h)   最初吸光度   暴露后的吸光度   吸光度变化   相对灵敏度
  A(参照)B   27-28℃，38-42％27-28℃，38-42％   319319   2.94532.9362   2.52592.3997   0.41940.5365 1.28
  A(参照)B   25℃，60％25℃，60％   377377   2.94042.9129   2.37552.2461   0.56490.6668 1.18
  A(参照)C   27-28℃，38-42％27-28℃，38-42％   569569   2.89832.9059   2.27702.4697   0.62130.4362 0.70
  A(参照)C   25℃，60％25℃，60％   358358   2.86072.9179   2.26802.4886   0.59270.4293 0.72
  A(参照)D   27-28℃，38-42％27-28℃，38-42％   655655   2.89262.8437   2.26642.4969   0.62620.3468 0.55
  A(参照)D   25℃，60％25℃，60％   495495   2.91192.8254   2.26752.4298   0.64440.3956 0.61
工业适用性
上述的本发明臭氧检测装置采用具有亲水基的紫外线吸收剂，并且该紫外线吸收剂在不聚集的情况下均匀地分布在载体中，并且吸收紫外光。由于这抑制了紫外线辐射对由载体担载的染料的影响，因此由紫外光导致的染料的变化远小于由臭氧气体导致的染料的变化(吸光度变化)。因此，根据本实施方案的臭氧检测装置即使在暴露于紫外光中时，也可以检测臭氧气体。
常规的臭氧检测装置不能在户外使用，原因是它们受到紫外光强烈的影响，因此局限于用来检测由于例如工厂、厨房和旅馆房间内杀菌和除臭而在室内人工产生的臭氧气体。相反，本发明的臭氧检测装置可以在户外使用，原因是显著降低了紫外光的影响。特别是，在夏季的晴天，常常产生高浓度的光化学烟雾，并且紫外光量在这样的日子不可避免地增加，因此不能使用常规的臭氧检测装置。然而，即使在这种环境中，本发明也可以精确地检测臭氧气体。而且，根据本发明的臭氧检测装置可以优选用于检测由通过发射紫外光产生臭氧的设备所产生的臭氧。此外，根据本发明的臭氧检测装置可以由个人容易地携带，原因是该装置不使用电力。

Claims (3)

1.一种臭氧检测装置，所述臭氧检测装置至少包含：
载体，所述载体由纤维制成；
检测组分，所述检测组分由所述载体担载，并且含有在与臭氧气体反应时改变颜色的染料；以及
紫外线吸收剂，所述紫外线吸收剂由所述载体担载并且具有亲水基，
所述检测组分选自下列各项中的一种：含有由靛蓝胭脂红构成的染料以及柠檬酸或乙酸之一的酸性物质的检测组分；含有茜素和茜素红S之一的染料以及碱性物质的检测组分；含有选自查耳酮、酸性茜素紫N、一号橙和甲基橙之一的偶氮染料的检测组分；含有胭脂树橙染料的检测组分，
所述紫外线吸收剂选自2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠和阿魏酸。
2.根据权利要求1的臭氧检测装置，所述臭氧检测装置还包含与所述染料一起由所述载体担载的保湿剂。
3.根据权利要求2的臭氧检测装置，其中所述保湿剂选自甘油、乙二醇和丙二醇。
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