DE102014205500A1

DE102014205500A1 - Vorrichtung zur Bestimmung chemischer Elemente in Gasspezies

Info

Publication number: DE102014205500A1
Application number: DE102014205500.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Sonstroem; Katrin Luckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur quantitativen Bestimmung mindestens eines chemischen Elements in Gasspezies umfassend – ein Konversionselement (120) zur zumindest teilweisen Konversion von mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen, – eine Detektionseinheit (140) zur quantitativen Detektion der Zielgasspezies und zu einer aus der Detektion stöchiometrisch ableitbaren quantitativen Bestimmung der gleichen chemischen Elemente.

Description

Stand der Technik
Die Bestimmung von chemischen Spezies in Gasgemischen ist bekannt. Die quantitative Bestimmung mehrerer unterschiedlicher Spezies in einem Gasgemisch ist jedoch oft zeit- und kostenintensiv, da für die unterschiedlichen Spezies verschiedene Nachweismethoden verwendet werden müssen. Insbesondere bei organischen Verbindungen kann eine chromatographische Vortrennung des Gasgemisches erforderlich sein, da sich die verschiedenen Spezies in ihrer Struktur sehr ähneln, aber dennoch oft nur unterschiedlichen Nachweismethoden zugänglich sind, was eine parallele Quantifizierung erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung mindestens eines chemischen Elements in Gasspezies. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ein Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion von mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Detektionseinheit zur quantitativen Detektion der Zielgasspezies und zu einer aus der Detektion stöchiometrisch ableitbaren quantitativen Bestimmung der gleichen chemischen Elemente.
In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine quantitative Bestimmung eines oder mehrerer chemischer Elemente erfolgen, welche Teil unterschiedlicher Ausgangsspezies sind. Somit ist nur eine Detektionseinheit notwendig, welche dazu geeignet ist, die Zielgasspezies quantitativ zu bestimmen. Die stöchiometrische Ableitung der Menge an ein oder mehreren gleichen chemischen Elementen in der Zielgasspezies ergibt sich eindeutig aus der bekannten chemischen Zusammensetzung der Zielgasspezies. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass zur Bestimmung der Menge eines gleichen chemischen Elements in einem Gasgemisch nicht bekannt sein muss, in welchen Verbindungen das gleiche chemische Element in dem Gasgemisch als Ausgangsgasspezies vorliegt, solange das Konversionsmodul geeignet ist, diese Verbindungen in die Zielgasspezies zu konvertieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise zur Bestimmung von gleichen chemischen Elementen in einer Ausatemluft eingesetzt werden, da sich in der Ausatemluft eine Vielzahl von unterschiedlichen organischen und anorganischen chemischen Verbindungen befinden, die ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen, aber sich in ihrer chemischen Struktur voneinander unterscheiden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion von mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies in Schwefeldioxid. In dieser Weiterbildung handelt es sich bei dem gleichen chemischen Element um Schwefel und bei den verschiedenen Ausgangsgasspezies beispielsweise um Schwefelwasserstoff, Thiophen oder Alkylthiole. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der in einer oder mehrerer dieser Verbindung vorliegende Schwefelgehalt in Ausatemluft indirekt über die Konversion zu Schwefeldioxid und die anschließende Mengenbestimmung von Schwefeldioxid ermittelt werden. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Mundgeruch, fachsprachlich Halitosis, verwendet werden, da hierbei der Gesamtschwefelgehalt in der Ausatemluft ein Maß für die Stärke des Mundgeruchs darstellt.
Das Konversionsmodul umfasst ein Mittel zur Konversion der mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies in die vorgegebene Zielgasspezies, wobei es sich bei dem Mittel zur Konversion um einen Katalysator oder um ein Verbrauchsmittel handeln kann. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Edelmetallkatalysators. Alternativ kann das Konversionsmodul auch ein Mittel zur Verbrennung oder Oxidation der Ausgangsgasspezies in die Zielgasspezies aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Detektionseinheit eine erste Lichtquelle und einen Detektor zur spektroskopischen Quantifizierung der Zielgasspezies. Vorzugsweise wird im Falle einer Detektion von Schwefeldioxid in Ausatemluft eine UV-Licht emittierende Lichtquelle und ein geeigneter Detektor verwendet, wobei die von der Lichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf charakteristische Absorptionsbanden von Schwefeldioxid abgestimmt ist und somit eine vergleichsweise störungsfreie und selektive Messung ermöglicht.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Detektionseinheit eine zweite Lichtquelle für Referenzmessungen, wobei die zweite Lichtquelle Licht mit einer anderen Wellenlänge als die erste Lichtquelle emittiert. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass Störeinflüsse wie beispielsweise Querempfindlichkeiten beim Nachweis der Zielgasspezies berücksichtigt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur quantitativen Bestimmung der gleichen chemischen Elemente aus der quantitativen Detektion der Zielgasspezies auf. Vorzugsweise sind hierbei Informationen über die chemischen Zusammensetzungen der Zielgasspezies in einem Speicher der Auswerteeinheit abgelegt und zur stöchiometrischen Ableitung der Quantität der in den Ausgangsgasspezies enthaltenen gleichen chemischen Elementen aus der Quantität der selektierten Zielgasspezies vorgesehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit zur Anzeige einer oder mehrerer bestimmter Mengen der gleichen chemischen Elemente auf.
Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung mindestens eines chemischen Elements in Gasspezies mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In einem ersten Schritt des Verfahrens werden mindestens zwei verschiedene Ausgangsgasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies zumindest teilweise konvertiert, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen. In einem zweiten Schritt wird die Quantität der Zielgasspezies detektiert. In einem dritten Schritt wird die Quantität der gleichen chemischen Elemente durch stöchiometrische Ableitung aus der Quantität an detektierter Zielgasspezies bestimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elementen werden gleiche Bezugsweichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Konversionselement und einer Detektionseinheit,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Eingangskanal 110, eine fluidisch mit dem Eingangskanal 110 verbundene Messkammer 130 und einen fluidisch mit der Messkammer 130 verbundenen Auslasskanal 150. In dem Einlasskanal 110 ist ein Konversionselement 120 zur zumindest teilweisen Konversion von mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies angebracht. Alternativ kann das Konversionselement 120 auch an einer Schnittstelle zwischen dem Einlasskanal 110 und der Messkammer 130 oder in der Messkammer 130 angebracht sein. Die Messkammer 130 weist eine Detektionseinheit 140 zur quantitativen Detektion einer Zielgasspezies auf. Ein durch den Einlasskanal 110 in die Messkammer 130 eintretendes Gasgemisch passiert das Konversionselement 120, wobei die mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies zumindest teilweise in die vorgegebene Zielgasspezies konvertiert werden. Die Konversion erfolgt hierbei beispielsweise durch einen Katalysator, welcher einen Teil des Konversionselements 120 darstellt. Die Detektion der Zielgasspezies durch die Detektionseinheit 140 in der Messkammer 130 kann auf spektroskopischen, chemischen oder physikalischen Verfahren beruhen. Beispielsweise kann die sich in der Messkammer 130 befindliche Zielgasspezies durch Absorptions- oder Fluoreszenzspektroskopie quantitativ detektiert werden. Möglich ist auch ein chemischer Nachweis über eine chemische Reaktion der Zielgasspezies mit einem Teil der Detektionseinheit 140 oder ein physikalischer Nachweis basierend auf einer Adsorption der Zielgasspezies auf einer Oberfläche der Detektionseinheit 140. Nach erfolgter Messung kann das Gasgemisch durch den Auslasskanal 150 aus der Messkammer 130 entweichen.
Das in der 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Weiterbildung der Ausführungsform aus 1 als Analysegerät für Ausatemluft. Bei der vorgegebenen Zielgasspezies handelt es sich hier um Schwefeldioxid und bei den verschiedenen Ausgangsgasspezies um unterschiedliche Schwefelverbindungen wie beispielsweise Schwefelwasserstoff, Thiophen oder Alkylthiole. Als Konversionselement 120 kann ein Edelmetallkatalysator 120, insbesondere ein geträgerter Edelmetallkatalysator mit Palladium und/oder Aluminiumoxid, verwendet werden. Da ein solcher Edelmetallkatalysator schwefelhaltige Verbindungen ab etwa 400°C besonders effizient zu Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid konvertiert, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Katalysator mit einem Heizelement kombiniert wird. Eine vollständige Konversion der schwefelhaltigen Verbindungen zu Schwefeldioxid ist hierbei nicht erforderlich, da die Konversionseffizienz eines solchen Katalysators in Abhängigkeit der Temperatur bekannt ist. Die Katalysereaktion findet vorzugsweise unter Normaldruck bei Temperaturen oberhalb von 400°C, ganz bevorzugt bei Temperaturen oberhalb von 600°C statt, da die Bildung von Schwefeldioxid bei hohen Temperaturen gegenüber der Bildung von Schwefeltrioxid bevorzugt ist.
Der Einlasskanal 110, welcher vorzugsweise ein geeignetes Mundstück umfasst, kann auch eine Trocknungseinrichtung 180 aufweisen, um Feuchtigkeit aus der Atemluft zu entfernen. Eine solche Trocknungseinrichtung 180 kann auch vor dem Konversionselement 120 oder in der Messkammer 130, beispielsweise als Heizeinrichtung angeordnet, sein.
Die quantitative Detektion der Zielgasspezies Schwefeldioxid erfolgt vorzugsweise über UV-Spektroskopie bei Normaldruck und einer Temperatur zwischen 0 und 100 °C, vorzugsweise bei Raumtemperatur. Dazu weist die Detektionseinheit 140 eine erste UV-Lichtquelle 141 und einen für UV-Licht geeigneten ersten Detektor 143 auf. Als erste Lichtquelle 141 eignet sich hierbei insbesondere eine LED, die elektromagnetische Strahlung bei etwa 280 nm emittiert. Als erster Detektor 143 kann eine Standard-Photodiode aus Silizium verwendet werden. Schwefeldioxid weist charakteristische Absorptionsbanden im UV-Frequenzbereich auf, so dass eine selektive und störungsfreie Messung der Menge an Schwefeldioxid durch eine Absorptionsmessung in der aufgenommenen Atemgasmenge möglich ist. Dennoch ist es vorteilhaft, wenn die Detektionseinheit 140 eine zweite Lichtquelle 142 aufweist, welche elektromagnetische Strahlung mit einer anderen Wellenlänge als die erste Lichtquelle 141 emittiert. Neben einem ersten Detektor 143 für UV-Licht kann in diesem Fall ein zweiter Detektor 144 zur Detektion von Licht aus der zweiten Lichtquelle 142 in der Messkammer 130 angebracht werden. Vorzugsweise sind die Lichtquellen 141, 142 und zugehörigen Detektoren 143, 144 auf entgegengesetzten Seiten der Messkammer 130 angeordnet, so dass die elektromagnetische Strahlung eine möglichst große Menge der in der Messkammer 130 aufgenommenen Ausatemluft durchquert und dabei teilweise absorbiert wird. Gemäß des Gesetzes von Lambert und Beer ist die Abschwächung der UV-Lichtintensität proportional zur Schwefeldioxid-Konzentration. Durch die am ersten Detektor 143 eintreffende Lichtintensität kann somit die Menge in der Ausatemluft vorhandenen Schwefeldioxids bestimmt werden. Unter der Annahme, dass sich die Ausatemluft gleichmäßig in der Messkammer 130 verteilt, kann aus dem bekannten von dem UV-Licht durchquerten Volumen im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Messkammer 130 auf die Gesamtmenge an in der Atemluft vorhandenen Schwefeldioxid geschlossen werden. Über die bekannte Konversionseffizienz des Edelmetallkatalysators 120 kann ferner auf den Gesamtschwefelgehalt der durch den Katalysator 120 konvertierbaren Schwefelverbindungen in der Ausatemluft geschlossen werden. Der Einfluss von bereits vor der Konversion in der Ausatemluft vorhandenem Schwefeldioxid kann in der Regel aufgrund der geringen Mengen vernachlässigt werden. Damit ergibt sich eine zuverlässige Bestimmung eines Maßes an Gesamtschwefelgehalt in der Ausatemluft.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 eine Auswerteeinheit 160, um den Schwefelgehalt in der in der Messkammer 130 aufgenommenen Ausatemluft aus der Messung der Menge an in der Ausatemluft vorhandenen Schwefeldioxid nach erfolgter Konversion zu bestimmen. Die Summe bestimmter Menge an Schwefel kann über eine vorzugsweise angebrachte Anzeigeeinheit 170 ausgegeben werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 300. In einem ersten Verfahrensschritt 301 werden zumindest zwei verschiedene Ausgangsgasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies zumindest teilweise konvertiert, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweist. In einem zweiten Schritt 302 erfolgt eine quantitative Detektion der Zielgasspezies und in einem dritten Schritt 303 wird die Menge an gleichen chemischen Elementen durch stöchiometrische Ableitung aus der detektierten Menge der Zielgasspezies bestimmt.

Claims

Vorrichtung (100) zur quantitativen Bestimmung mindestens eines chemischen Elements in Gasspezies umfassend – ein Konversionselement (120) zur zumindest teilweisen Konversion von mindestens zwei verschiedenen Ausgangsgasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen, – eine Detektionseinheit (140) zur quantitativen Detektion der Zielgasspezies und zu einer aus der Detektion stöchiometrisch ableitbaren quantitativen Bestimmung der gleichen chemischen Elemente.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielgasspezies Schwefeldioxid und das gleiche chemische Element Schwefel ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (140) eine erste Lichtquelle (141) und einen ersten Detektor (143) zur spektroskopischen Quantifizierung der Zielgasspezies umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (140) eine zweite Lichtquelle (142) für Referenzmessungen umfasst, wobei die zweite Lichtquelle (142) elektromagnetische Strahlung mit einer anderen Wellenlänge als die erste Lichtquelle (141) emittiert.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionelement (120) einen Katalysator, insbesondere einen Edelmetall-Katalysator, umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Trocknungseinrichtung (180) zur Entfernung von Feuchtigkeit eines durch einen Einlasskanal (110) der Vorrichtung (100) aufgenommenen Gasgemisches umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Auswerteeinheit (160) zur quantitativen Bestimmung der gleichen chemischen Elemente aus der quantitativen Detektion der Zielgasspezies umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit (170) zur Anzeige von einer oder mehrerer bestimmter Mengen der gleichen chemischen Elemente umfasst.
Verfahren (300) zur quantitativen Bestimmung mindestens eines chemischen Elements in Gasspezies mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: • Zumindest teilweise Konversion (301) von mindestens zwei verschiedenen Ausgangs-gasspezies in eine vorgegebene Zielgasspezies, wobei die Ausgangsgasspezies und die Zielgasspezies ein oder mehrere gleiche chemische Elemente aufweisen, • Quantitative Detektion (302) der Zielgasspezies • Quantitative Bestimmung (303) der gleichen chemischen Elemente durch stöchiometrische Ableitung aus der quantitativen Detektion der Zielgasspezies
Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung einer Halitosis.