DE1673104B2 - Vorrichtung zum Nachweis und zur Messung von Molekülen, beispielsweise Duftstoffen in Luft - Google Patents

Description

Der Meßkopf weist einen Tesueil oder empfindlichen Teil 1 auf, der aus dielektrischem Malerin!, z. B. Glimmer, Glas, Kunststoff, Papier od. dgl., besteht und ein elektrisches Oberflächenpotenlial hat, das auf die Moleküle von Duftstoffen anspricht. Die Oberfläche« des empfindlichen Teils 1 ist an ihrer Peripherie, wie dargestellt, geerdet und so angeordnet, daß sie der Luft oder den Duftstoffen ausgesetzt werden kann. Die andere Oberfläche des empfindlichen Teils 1 ist mit einem elektrisch leitfähigen Material 6, wie z. B. Kupfer. Silber od. dgl., abgedeckt. Das elektrisch leitfähige Material ist durch einen isolator </ gegenüber der Erde isoliert und von der Umgebung, der die Oberfläche α ausgesetzt ist. abgekapselt. Das leitfähige Maieria/ b ist iiixr einen abgeschirmten Leiter c mit einer oder mehreren Vorrichtungen verbunden, die auf das Gleichspannungspotential der Oberfläche des empfindlichen Teils, bezogen auf Erde, ansprechen. Wie in Fig. f dargestellt ist. kann ein Mil·' ovoltmeter 2. das parallel zu einem Registriergerät 3 geschaltet ist, verwendet werden. Alternativ kann ein Mikroamperemeter zur Messung des von dem empfindlichen Teil kommenden Stroms oder ein Mikrovoltmeter zur Messung sowohl von Spannung als auch Strom verwendet werden.

Es wird hervorgehoben, daß die Spannung direkt an dem Meßkopf mit einem Registriergerät oder mit einem Mikrometer abgegriffen werden kann und daß das Registriergerät entweder ein einfaches oder ein mehrfach registrierendes System haben kann, in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck und der Art des verwendeten Meßkopfes. Deshalb können sowohl ein Voltmeter allein als auch ein Voltmeter und ein Registriergerät mit einem oder mehreren Meßköpfen verwendet werden, oder das Registriergerät und das Voltmeter können in einer Einheit kombiniert sein. Ebenfalls kann der Meßstrom oder der Meßstrom und die Meßspannung in gleicher Weise aufgezeichnet oder angezeigt werden.

Um die Messung durchzuführen, ist die Oberfläche α des VIeß- oder Testteils 1 der Atmosphäre frei zugekehrt, und das Mikrovoltmeter und/oder das Registriergerät sind auf eine Nullablesung eingestellt. Die Meßfläche α des Testteils 1 wird dann einer zu analysierenden Duftstoffprobe ausgesetzt. Die Moleküle des Duftes, der durch das Versuchsmaterial erzeugt wi/d, werden auf der Oberfläche a des Meßteils 1 gesammelt, wodurch sich das Oberflächenpotential des Materials infolge der Form und/oder der Menge der Duftmoleküle ändert. Die Änderung des Oberflächenpotentials wird durch die Vorrichtungen, die mit dem Meßkopf verbunden sind, gemessen und/oder aufgezeichnet.

Wenn alternativ eine sehr genaue Analyse einer äußerst kleinen Duftstoffmenge erforderlich ist oder wenn ein sehr schwacher Duft wahrgenommen werden soll, kann der Meßkopf in einen Behälter, der mit einem besonderen Gas oder Wasserdampf gefüllt ist, bei einer konstanten Temperatur und bei einem konstanten Druck oder im Vakuum in dem Behälter eingeschlossen werden. Das zu messende Material wird dann in den Behälter eingegeben, um die Meßfläche des Testteils, wie oben erwähnt wurde, den Duftstnffen auszusetzen.

Die Endspannung, die mit einem spezifischen Duftstoff erzeugt wird, steht in einem Verhältnis zu der Dielektrizitätskonstante des Materials, aus dem der Testteil 1 besteht. Die Endspannung nimmt direkt proportional mil der Zunahme der Dielektrizitätskonstanten des Tesiteüs zu.

Die Endspannung, die mit einem bestimmten

Duftstoff erzeugt wird, steht ebenfalls mit der Stärke

des Testmaterials in Beziehung. Die Endspannung

ändert sich dabei umgekehrt proportional zu der Stärke des Meßteils oder Testteils.

Dielektrische Materialien können als Meß- oder

ίο Testteile verwendet werden, gleichgültig, ob die Moleküle dieses Materials polar oder nichtpolar sind. In jedem Fall ist die Wirkung der Umgebung, in die das Dielektrikum gebracht wird, dieselbe, d. h., es wird eine dünne Schicht von Ladungen auf jeder Oberfläche dieses Materials erhalten, wobei eine Schicht negative Ladungen und die andere positive hat. Die Moleküle, die wahrgenommen werden sollen, können polar oder nichtpolar sein. Da ein anfängliches Oberfläehenpc-.ntial, das durch die

Luftmoleküle auf dem Dielektrikum oder durch das elektrische Feld, das an dem Dielektrikum liegt, bedingt ist, werden sogar in nichtpolaren adsorbierten Molekülen Dipole induziert.

Die Oberflächenladungen auf der dielektrischen Meßfläche, die den DuftstoffmoL'külen ausgesetzt ist, werden reduziert oder vermehrt in Abhängigkeit von der Orientierung dieser Moleküle. Die dreidimensionale Form, die Art und die Anzahl der Moleküle, die sich auf der Oberfläche ansammeln, steuern die Größe und die Geschwindigkeit der Änderung der Oberflächenladung des dielektrischen Materials, das seinerseits die Differenz des Potentials zwischen den zwei Oberflächen des Meßteils zu steuern scheint.

Die allgemeine Form der Kurve, die von dem Registriergerät aufgezeichnet wird, und der Endwert der Spannung oder des Stroms, der für einen bestimmten Duftstoff gemessen wird, sind die Hauptcharakteristiken dieses Duftstoffs oder der Duftstoffmoleküle dieses Materials. Nur der Übergangsteil der Spannungs- oder Stromkurve wird durch die Dichte eines gegebenen Duftstoffs und durch die Größe der Meßfläche beeinflußt.

Die kleinste Menge von Duftstoffmolekülen, die mit einer solchen Anordnung wahrgenommen werden kann, ist wesentlich kleiner als der Schwellenwert des menschlichen Geruchsinns. Diese Empfindlichkeit einer ^uestimmten Form des beschriebenen Meßkopfes kann durch Ändern der Stärke 'and/oder

5& der Dielektrizitätskonstante des Meßmaterials gesteuert werden.

Es wurde die Ansprechzeit als die Zeit bestimmt, bei der der Wert der Spannung oder des Stroms des Meßkopfes lO°/o des Endwertes der Spannung erreicht. Cemäß dieser Definition können Duftstoffmoleküle mit dieser Vorrichtung innerhalb weniger Sekunden wahrgenommen werden.

Beispiele für die Brauchbarkeit der Vorrichtung sind in F i g. 2 graphisch dargestillt, wobei die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für drei verschiedene Duftstoffe, die mit der beschriebenen Vorrichtung getestet wurden, aufgetragen ist. Als Meßoder Testteil des Meßkopfes wurde Glimmer verwendet. Die Kurven a, b und c geben die Werte wieder, die für Aceton, Ammoniumhydroxyd und Schwefelwasserstoff erhalten wurden.

Weiterhin sind in Fig. 3 Kurven dargestellt, bei denen die Spannung logarithmisch in Abhängigkeit

ler Zeit für die nachfolgenden Materialien auf- »en ist.

a) Trichloräthylen,

b) Kampher,

c) Rosenöl,

d) Ameisensäure,

e) Schwefelwasserstoff.

Aus den in Fig. 3 dargestellten Kurven für die erwähnten Duftstoffe kann ersehen werden, daß stark unterschiedliche Duftstoffe verschiedene charakteristische Kurven zur Folge haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

wird darin gesehen, eine Vorrichtung der eingangs Patentansprüche: genannten Bauart zu schaffen, die nicht nur ein facher in ihrem Aufbau ist, sondern auch erne MeB-

1. Vorrichtung zum Nachweis und zur Mes- Zeitverkürzung, größere Empfindlichkeit und größere sung von Molekülen, beispielsweise Duftstoffen, 5 Selektivität aufweist.

die von Gasen, festen oder flüssigen Stoffen an Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

die Umgebung abgegeben werden, unter Verwen- löst, daß das Dielektrikum auf de* der Umgebung dung einer elektrisch leitenden Platte od. dgl., zugekehrten Seite an seinem Rand geerdet ist und die sich in flächiger Berührung mit einem Di- d^!e elektrisch leitende Platte von der Umgebung, der elektrikum befindet und mil einem Potential- io das Dielektrikum ausgesetzt ist, isoliert ist.
meßgerät elektrisch verbunden ist, dadurch Durch diesen Aufbau ist zunächst einmal die Ver-

gekennzeichnet, daß das Dielektrikum wendung einer schwingenden Feder und infolge-(1) auf der der Umgebung zugekehrten Seite an dessen einer komplizierten elektrischen Schaltung seinem Rand geerdet ist und die elektrisch lei- vermieden worden. Ferner werden bei de' Vorrichtende Platte (b) von der Umgebung, der das Di- 15 tung nach der Erfindung die Duftstoffmoleküle auf elektrikum ausgesetzt ist, isoliert ist. der Oberfläche des Dielektrikums adsorbiert, wobei

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- sich die daraus ergebenden Änderungen des Oberkennzeichne!, daß das Dielektrikum (1) Glim- flächenpotentials direkt durch ein Mikrovoltmeter mer, Glas, Kunststoff oder Papier ist. oder ein anderes Gerät messen lassen.

20 Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise die Erweiterung des Bereichs der Substanzen, die nachgewiesen werden können. Dies

beruht wenigstens teilweise auf einem Unterschied

in der molekularen Mechanik oder auf dem Wir-²5 kungsgrad, mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung unpolare Moleküle innerhalb ihres Einfluß-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum bereiches zu induzierten Dipolen macht und die-Nachweis und zur Messung von Molekülen, bei- selben dadurch anzieht und adsorbiert. Somit lassen spielsweise Duftstoffen, die von Gasen, festen oder sich Duftstoffmoleküle nachweisen, die bei bisherifiüssigen Stoffen an die Umgebung abgegeben wer- 3° gen, Metallmeßflächen aufweisenden Vorrichtungen den. unter Verwendung einer .lektrisch leitenden nicht nachweisbar waren. Die Vorrichtung nach der Platte od. dgl., die sich in flächiger Berührung mit Erfindung ist somit auch bei besonders schwachen einem Dielektrikum befindet und mit einem Poten- Konzentrationen anwendbar, da sie eben eine grötialmeßgerät elektrisch verbunden ist. ßere Empfindlichkeit und ein größeres Auswahl-

Es ist eine Vorrichtung dieser Art zum Messen 35 vei mögen besitzt. Gleichzeitig benötigt sie eine gevon Molekülen von gasförmigen Stoffen bekannt, ringere Meßzeit.

die aus zwei parallelen elektrischen Leitern besteht, Die erfindungsgemäße Vorrichtung spricht gleich-

von denen der eine eine Platte aus rostfreiem Stahl mäßiger auf wiederholte Versuche mit einer vor- und der andere eine Blattfeder aus goldplattiertem gegebenen Duftstoffsubstanz an als Vorrichtungen Federstahl ist, die mit einer etwa 20 Moleküle star- 40 mit Metallmeßflächen. Metalloberflächen verändern ken Schicht aus Kalziumpalmitat beschichtet ist. Die ihre Eigenschaften sehr schnell, insbesondere durch beiden Leiter sind nahe aneinander angeordnet, so Oxydation und durch Verunreinigung aus der Atmodaß zwischen denselben infolge ihrer unterschied- sphäre, und es ist daher bei ihnen weniger wahrlichen Austrittsarbeit eine Berührungsspannung ent- scheinlich, daß sie die gleichen Änderungen des steht. Die Blattfeder wird in Schwingungen versetzt, *5 Oberflächenpotentials bei wiederholten Versuchen welche schneller sind als die dem Kreis zugehörige mit gleichen Konzentrationen eines vorgegebenen Zeitkonstante, in welchem die beiden Leiter ent- Duftstoffs aufweisen. Außerdem können Duftstoff halten sind, und die erhaltene periodische Ände- moleküle nachteiligerweise leichter an einer Metallrung der Berührungsspannung zwischen den Leitern meßfläche chemisch adsorbiert werden als an einer wird durch ein Potentiometer so eingestellt, daß sich 50 dielektrischen Meßfläche. Es ist daher erforderlich, zunächst eine Wechsclstromausgangsleistung von Metallmeßflächen häufig zu ersetzen oder zu reini-NuIl ergibt. Wenn dann Duftstoffmoleküle zwischen gen, um bei wiederholten Versuchen mit gleichen den Leitern hindurchtreten, ergibt jede Adsorption Konzentrationen eines vorgegebenen Duftstoffs auf der Plattenoberfläche eine Änderung des elek- gleiche Ergebnisse zu erzielen. Dielektrische Obertrischcn Potentials dieser Oberfläche, welche durch 55 flächen müssen viel seltener gereinigt werden und eine von Null verschiedene Ausgangsleistung ange- sind wesentlich stabiler.

zeigt wird. Bei der bekannten Vorrichtung ändert Vorteilhafterweise besteht das Dielektrikum aus

sich das Oberflächenpotential der plattierten und be- Glimmer, Glas, Kunststoff oder Papier,
schichteten Blattfeder bei der Einwirkung von Duft- Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in

Stoffmolekülen sehr wenig, wenn es sich überhaupt 60 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels ändert. Daher werden mit dem bekannten Verfahren näher erläutert.

und der bekannten Vorrichtung überwiegend nur Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßvorrichtung;

Änderungen im Oberflächenpotential der Platte aus Fig. 2 zeigt Strom-Zeit-Kurven für besondere

rostfreiem Stahl gemessen. Diese bekannte Vorrich- Duftstoffe, und

tung weist nur eine recht begrenzte Sensitivität und 65 Fig. 3 zeigt Strom-Zeit-Kurven für Stoffe, die Selektivität auf. wobei auch die Meßzeit verhältnis- mit der beschriebenen Vorrichtung getestet wurden, mäßig hoch ist. wobei die Spannung im logarithmischen Maßstab

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe aufgetragen ist.