RU2456590C1 - Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia - Google Patents
Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456590C1 RU2456590C1 RU2011105714/28A RU2011105714A RU2456590C1 RU 2456590 C1 RU2456590 C1 RU 2456590C1 RU 2011105714/28 A RU2011105714/28 A RU 2011105714/28A RU 2011105714 A RU2011105714 A RU 2011105714A RU 2456590 C1 RU2456590 C1 RU 2456590C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixtures
- acetone
- toluene
- formaldehyde
- ammonia
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к аналитической химии, к способам тест-идентификации газовых сред с применением полисенсорных систем типа «электронный нос» и может быть использовано для анализа воздуха, содержащего разнородные комбинации смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака.The invention relates to analytical chemistry, to methods for test identification of gaseous media using polysensor systems of the "electronic nose" type and can be used to analyze air containing heterogeneous combinations of mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ многомерной градуировки мультисенсорного сорбционного датчика для анализа паров этилацетата, ацетона и толуола в воздухе. Модели регрессионного анализа [Я.И.Коренман, Т.А.Кучменко, И.В.Аристов, Д.А.Кудинов // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2004. - Т.4. Электронный ресурс. Спецвыпуск. - С.326-351], позволяющий проводить анализ трехкомпонентной смеси.The closest in technical essence and the achieved result is a method for multivariate calibration of a multisensor sorption sensor for the analysis of vapors of ethyl acetate, acetone and toluene in air. Regression analysis models [Ya. I. Korenman, T. A. Kuchmenko, I. V. Aristov, D. A. Kudinov // Sorption and chromatographic processes. - 2004. - T.4. Electronic resource. Special issue. - S.326-351], allowing the analysis of a three-component mixture.
Недостатком прототипа является невозможность идентификации газовых систем с числом компонентов более 3-х, а также прогнозирования «визуальных отпечатков» стандартных смесей при изменении ее состава или концентраций отдельных компонентов.The disadvantage of the prototype is the inability to identify gas systems with the number of components more than 3, as well as the prediction of "visual prints" of standard mixtures when changing its composition or concentrations of individual components.
Технической задачей изобретения является разработка способа тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака, позволяющего идентифицировать многокомпонентные смеси бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака в разных комбинациях путем формирования матрицы сенсоров с перекрестной избирательностью к определяемым соединениям и оптимизации условий ее работы; упростить процедуру получения стандартных «визуальных отпечатков» смесей; снизить продолжительность анализа.An object of the invention is to develop a method for the test identification of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia, which allows to identify multicomponent mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia in different combinations by forming a matrix of sensors with cross-selectivity to defined compounds and optimization of the conditions of its work; simplify the procedure for obtaining standard "visual prints" of mixtures; reduce the duration of the analysis.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака, включающем формирование матрицы пьезосенсоров с различной избирательностью к анализируемым компонентам, подготовку и отбор проб равновесных газовых фаз сорбатов с последующим вводом их в ячейку детектирования, регистрацию и обработку аналитических сигналов сорбции, градуировку сенсоров, построение «визуальных отпечатков» стандартных и исследуемых смесей, новым является то, что для идентификации бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака формируют матрицу из шести различных сенсоров, для чего на электроды пьезокварцевых резонаторов из растворов сорбентов наносят пленки Апиезона-N, смеси Тритона Х-100 с экстрактом высшего мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus, полиэтиленгликоль адипината, полиэтиленгликоль себацината, поливинилпирролидона и динонилфталата с массами 15-25 мкг; после инжектирования проб в ячейку детектирования осуществляют опрос сенсоров в следующей последовательности: сенсор с пленкой Апиезона-N опрашивают через 5 и 10 с, сенсоры на основе смеси Тритона Х-100 с экстрактом высшего мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus через 20, 25, 30 с, полиэтиленгликоль адипината через 55 с, полиэтиленгликоль себацината через 60 с, поливинилпирролидона через 70, 75 с и динонилфталата через 80, 85, 90 с; для прогнозирования «визуальных отпечатков» стандартных смесей применяют однонаправленную трехслойную нейронную сеть, обученную по результатам сорбции на каждом сенсоре и физико-химическим свойствам компонентов смеси: молярным массам, коэффициентам молярной рефракции, диэлектрической проницаемости, плотности сорбатов, температуре кипения, давлению насыщенных паров аналитов, присутствию и числу в молекуле атомов кислорода, азота и СН3- группы или других заместителей; при анализе реальных газовых систем, содержащих бензол, толуол, фенол, формальдегид, ацетон и аммиак, полученные «визуальные отпечатки» сопоставляют с имеющимися в базе данных «визуальными отпечатками» стандартных смесей, по геометрии отпечатков делают вывод о степени их идентичности и о качественном составе исследуемой смеси, а площадь диаграмм является количественным критерием.The technical task of the invention is achieved by the fact that in the test identification method of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia, which includes the formation of a matrix of piezosensors with different selectivity for the analyzed components, the preparation and sampling of the equilibrium gas phases of the sorbates with their subsequent input to the detection cell, registration and processing of analytical sorption signals, calibration of sensors, construction of “visual prints” of standard and studied mixtures, are new It is that for the identification of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia, a matrix of six different sensors is formed, for which Apiezon-N films, Triton X-100 mixtures with Pleurotus higher mycelium fungus are applied to the electrodes of piezoelectric quartz resonators Ostreatus, polyethylene glycol adipate, polyethylene glycol sebacinate, polyvinylpyrrolidone and dinonyl phthalate with masses of 15-25 μg; after injecting the samples into the detection cell, the sensors are polled in the following sequence: a sensor with an Apiezon-N film is interrogated after 5 and 10 s, sensors based on a Triton X-100 mixture with Pleurotus Ostreatus higher mycelial fungus extract after 20, 25, 30 s, polyethylene glycol adipate after 55 s, polyethylene glycol sebacinate after 60 s, polyvinylpyrrolidone after 70, 75 s and dinonyl phthalate after 80, 85, 90 s; to predict “visual imprints” of standard mixtures, a unidirectional three-layer neural network is used, trained according to the results of sorption on each sensor and the physicochemical properties of the mixture components: molar masses, molar refraction coefficients, dielectric constant, sorbate density, boiling point, analyte saturated vapor pressure, the presence and number of oxygen, nitrogen, and CH 3 atoms in the molecule — a group or other substituents; when analyzing real gas systems containing benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia, the obtained “visual prints” are compared with the “visual prints” of standard mixtures available in the database, and the geometry of the prints makes a conclusion about the degree of their identity and the qualitative composition the studied mixture, and the area of the diagrams is a quantitative criterion.
Технический результат изобретения заключается в повышении экспрессности анализа смесей сложного состава, увеличении числа идентифицируемых компонентов, в упрощении процесса получения стандартных «визуальных отпечатков», возможности распознавания компонентов исследуемых систем и прогнозирования геометрии отпечатков даже при изменении концентрации отдельных соединений.The technical result of the invention is to increase the expressivity of the analysis of mixtures of complex composition, to increase the number of identifiable components, to simplify the process of obtaining standard “visual prints”, to recognize components of the systems under study and to predict the geometry of the prints even when the concentration of individual compounds is changed.
На фиг.1 представлена модель работы искусственной нейронной сети (ИНС).Figure 1 presents the model of the artificial neural network (ANN).
На фиг.2 приведены по значимости критерии обучения (ИНС): ацетон: Рнас (1); присутствие атома кислорода (2); СН3-группы (3); фенол: Mr (4); R (5); Ткип (6); присутствие атома кислорода (7); бензол: ε (8); Ткип (9); толуол: Mr (10); (11); аммиак: присутствие атома азота (12); формальдегид: Mr (13); ρ (14).Figure 2 shows the significance of the learning criteria (ANN): acetone: P us (1); the presence of an oxygen atom (2); CH 3 groups (3); phenol: Mr (4); R (5); T bale (6); the presence of an oxygen atom (7); benzene: ε (8); T bale (9); toluene: Mr (10); (eleven); ammonia: the presence of a nitrogen atom (12); formaldehyde: Mr (13); ρ (14).
На фиг.3 приведены теоретические (а) и экспериментальные (б) «визуальные отпечатки» многокомпонентных газовых смесей, концентрации компонентов на уровне ПДК.Figure 3 shows the theoretical (a) and experimental (b) "visual prints" of multicomponent gas mixtures, the concentration of components at the MPC level.
Способ тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака заключается в следующем.The method of test identification of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia is as follows.
1) Подготовка матрицы сенсоров. Электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебаний 8-10 МГц модифицируют равномерным нанесением растворов сорбентов определенного объема и концентрации так, чтобы после удаления растворителей масса пленок составляла 15-25 мкг. Сенсор с пленкой Апиезона-N опрашивают через 5 и 10 с после инжектирования пробы, сенсор на основе смеси Тритона Х-100 с экстрактом высшего мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus - через 20, 25, 30 с, полиэтиленгликоль адипината - через 55 с, полиэтиленгликоль себацината - через 60 с, поливинилпирролидона - через 70, 75 с и динонилфталата - через 80, 85, 90 с. Выбор сорбентов связан с их перекрестной избирательностью к парам анализируемых соединений.1) Preparation of the sensor matrix. The electrodes of 6 piezoelectric crystals with a natural oscillation frequency of 8-10 MHz are modified by uniformly applying sorbent solutions of a certain volume and concentration so that after removal of the solvents the film mass is 15-25 μg. A sensor with Apiezon-N film is interrogated after 5 and 10 seconds after injection of the sample, a sensor based on a mixture of Triton X-100 with extract of the higher mycelial fungus Pleurotus Ostreatus - after 20, 25, 30 seconds, polyethylene glycol adipate - after 55 seconds, polyethylene glycol sebacinate - after 60 s, polyvinylpyrrolidone after 70, 75 s and dinonyl phthalate after 80, 85, 90 s. The choice of sorbents is related to their cross selectivity to pairs of the analyzed compounds.
2) Формирование стандартных газовых смесей и отбор проб. Стандартные смеси сорбатов формируют путем «последовательного смешения проб в контейнере» в пределах среднесуточных предельно-допустимых концентраций (ПДКс.с.) каждого из компонентов смеси, Пробоотбор стандартных смесей из «контейнера» проводят методом «дискретной газовой экстракции» с последующим инжектированием в ячейку детектирования.2) Formation of standard gas mixtures and sampling. Standard mixtures of sorbates are formed by "sequential mixing of samples in a container" within the daily average maximum permissible concentrations (MPC s.s. ) of each of the components of the mixture. Sampling of standard mixtures from the "container" is carried out by the method of "discrete gas extraction" followed by injection into the cell detection.
3) Получение аналитических сигналов. После инжектирования проб в ячейку детектирования измеряют резонансную частоту колебаний каждого из 6 сенсоров и вычисляют аналитические сигналы сорбции:3) Receiving analytical signals. After injecting the samples into the detection cell, the resonance frequency of each of the 6 sensors is measured and the analytical sorption signals are calculated:
где Fo - начальная частота колебаний сенсора, Гц; F - частота колебаний сенсора после проведения сорбции, Гц.where F o - the initial frequency of the oscillations of the sensor, Hz; F is the oscillation frequency of the sensor after sorption, Hz.
Суммарный аналитический сигнал матрицы сенсоров представляют в виде «визуальных отпечатков» газовых смесей, что позволяет графически охарактеризовать состояние газовой системы. С учетом возможных комбинаций бензола, толуола, фенола, ацетона, формальдегида и аммиака для получения стандартных «визуальных отпечатков» их смесей необходимо составить и проанализировать 1134 модельных газовых систем (при минимальном троекратном воспроизведении эксперимента). Трудоемкость и длительность процесса значительно увеличивается при изменениях концентраций сорбатов в смесях. Применение методов регрессионного анализа существенно упрощает задачу получения «визуальных отпечатков» стандартных смесей, однако для изученных сорбатов при их одновременном присутствии в системах характерна конкурентная сорбция. Поэтому для прогнозирования суммарного сигнала матрицы сенсоров и дальнейшего построения «визуальных отпечатков» стандартных смесей используют метод непараметрической обработки данных - искусственные нейронные сети.The total analytical signal of the sensor matrix is represented in the form of “visual prints” of gas mixtures, which allows you to graphically characterize the state of the gas system. Taking into account possible combinations of benzene, toluene, phenol, acetone, formaldehyde and ammonia, to obtain standard “visual imprints” of their mixtures, it is necessary to compile and analyze 1134 model gas systems (with a minimum of three times the experiment). The complexity and duration of the process increases significantly with changes in the concentration of sorbates in the mixtures. The use of regression analysis methods greatly simplifies the task of obtaining “visual imprints” of standard mixtures, however, for the studied sorbates with their simultaneous presence in the systems, competitive sorption is characteristic. Therefore, to predict the total signal of the sensor matrix and the further construction of “visual prints” of standard mixtures, the nonparametric data processing method is used - artificial neural networks.
4) Обработка сигналов сорбции полисенсорной матрицы. Обработку суммарного сигнала всех 6-ти сенсоров осуществляют с применением стандартной программы Neuro Network (версия NeuroPro 0,25). Алгоритм работы сети реализует модель "черного ящика" (фиг.1). Нейронная сеть обучается решению задачи на основании некоторой обучающей выборки ("задачник") и далее способна решать примеры, не входящие в нее (тестируемая выборка). Все нейроны искусственной нейронной сети (ИНС) сгруппированы в несколько слоев. При этом нейроны каждого последующего слоя принимают выходные сигналы нейронов предыдущих слоев; в свою очередь, их выходные сигналы поступают к нейронам следующего слоя, образуя специфическую архитектуру сети, табл.1. Описанный подход использовали для прогнозирования «визуальных отпечатков» стандартных смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака.4) Processing the sorption signals of the polysensor matrix. The total signal of all 6 sensors is processed using the standard Neuro Network program (NeuroPro version 0.25). The network operation algorithm implements the black box model (Fig. 1). The neural network is trained to solve the problem on the basis of some training sample (“problem book”) and then is able to solve examples that are not included in it (test sample). All neurons of an artificial neural network (ANN) are grouped into several layers. In this case, the neurons of each subsequent layer receive the output signals of the neurons of the previous layers; in turn, their output signals arrive at the neurons of the next layer, forming a specific network architecture, Table 1. The described approach was used to predict "visual imprints" of standard mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia.
На вход сети подают аналитические сигналы каждого из шести сенсоров, полученные по результатам сорбции аналитов из обучающей выборки ΔFc, и стандартные физико-химические свойства индивидуальных компонентов смеси [молярная масса (Mr), молярная рефракция (R), диэлектрическая проницаемость (ε), давление насыщенного пара (Рн), температура кипения (Тк), плотность сорбата (ρ), коэффициент преломления ()] и качественные параметры, учитывающие строение молекулы сорбата, присутствие атомов кислорода, азота, СН3-группы [учитывали с помощью коэффициентов заместителей]); на выход - прогнозируемый аналитический сигнал матрицы сенсоров в парах смеси (). Давление насыщенного пара позволяет учесть концентрацию вещества в газовой фазе, температура кипения является индивидуальной физической характеристикой и не зависит от концентрации вещества. Выбор молярной рефракций в качестве обучающего параметра сети обоснован наибольшей информативностью по сравнению с плотностью, поляризуемостью и показателем преломления. Молярная рефракция учитывает способность молекулы поляризоваться и зависит только от природы соединения.Analytical signals from each of the six sensors obtained from the sorption of analytes from the training sample ΔF c and standard physicochemical properties of the individual components of the mixture [molar mass (Mr), molar refraction (R), dielectric constant (ε), saturated steam pressure (P n ), boiling point (T k ), sorbate density (ρ), refractive index ( )] and qualitative parameters, taking into account the structure of the sorbate molecule, the presence of oxygen, nitrogen, and CH 3 atoms [were taken into account using substitution factors]); output - the predicted analytical signal of the sensor matrix in the mixture vapor ( ) The saturated vapor pressure allows you to take into account the concentration of the substance in the gas phase, the boiling point is an individual physical characteristic and does not depend on the concentration of the substance. The choice of molar refraction as the training parameter of the network is justified by the highest information content in comparison with the density, polarizability, and refractive index. Molar refraction takes into account the ability of the molecule to polarize and depends only on the nature of the compound.
Перед подачей в сеть каждую компоненту входного вектора данных заменяют нормированной величиной, рассчитанной по уравнению (2):Before applying to the network, each component of the input data vector is replaced with a normalized value calculated according to equation (2):
где - нормированное значение входного параметра; xi - компонента входного вектора; max xi и min xi - максимальное и минимальное значения компоненты, вычисленные по всей обучающей выборке.Where - normalized value of the input parameter; x i is the component of the input vector; max x i and min x i are the maximum and minimum values of the component calculated over the entire training sample.
Нормировку выходных сигналов сети осуществляют по уравнению (3):The output signals of the network are normalized according to equation (3):
При любом изменении обучающей выборки применяют правило нормировки данных.For any change in the training sample, the data normalization rule is applied.
Для установления оптимальной топологии сети и выбора наиболее значимых параметров обучения применяют эмпирический подход. После выбора наиболее информативных параметров обучения проводят тестирование ИНС на обучающей выборке смесей. При достижении заданной точности прогноза между экспериментальными результатами и данными, прогнозируемыми сетью для обучающей выборки, устанавливают оптимальную топологию ИНС и параметры ее обучения, которые и применяют в дальнейшем для составления прогноза сигнала сорбции по всем стандартным смесям. Значимость входных параметров нейронной сети приведена на фиг.2. Наиболее информативными входными параметрами при обучении сети являются молярные массы соединений, коэффициенты молярной рефракции и диэлектрическая проницаемость, температуры кипения, а также качественные критерии - присутствие атомов кислорода, азота и СН3-группы. Давление насыщенных паров соединений, кроме ацетона, максимально незначимый входной критерий при обучении сети. Значимость давления паров ацетона обоснована его аномально высокой концентрацией в газовой фазе (на два порядка выше, чем для других соединений из выборки), поэтому для ацетона этот параметр сетью воспринимается как наиболее важный.An empirical approach is used to establish the optimal network topology and select the most significant learning parameters. After choosing the most informative training parameters, ANN testing is carried out on the training sample of mixtures. Upon reaching the specified forecast accuracy between the experimental results and the data predicted by the network for the training sample, the optimal ANN topology and the parameters of its training are established, which are used in the future to make a forecast of the sorption signal for all standard mixtures. The significance of the input parameters of the neural network is shown in figure 2. The most informative input parameters for training the network are the molar masses of the compounds, the molar refraction coefficients and dielectric constant, boiling points, as well as qualitative criteria - the presence of oxygen, nitrogen, and CH 3 atoms. The saturated vapor pressure of the compounds, except for acetone, is the most insignificant input criterion for network training. The significance of the vapor pressure of acetone is justified by its anomalously high concentration in the gas phase (two orders of magnitude higher than for other compounds from the sample), therefore, for acetone, this parameter is perceived by the network as the most important.
Для обучения и тестирования ИНС составляли модельные газовые смеси (табл.2). При отсутствии компонента в смеси в соответствующую ячейку проставляли нуль (с учетом нормировки -1). При моделировании составов смесей содержание всех компонентов соответствует их ПДКс.с..For training and testing, ANNs composed model gas mixtures (Table 2). In the absence of a component in the mixture, zero was put in the corresponding cell (taking into account the normalization of -1). When modeling the composition of mixtures, the content of all components corresponds to their MPC s.s .
После установления оптимальной структуры ИНС (определяется при достижении заданного уровня погрешности 0,002%) на обучающей выборке по разности между ΔF5c, экспериментально полученными и прогнозируемыми сетью, проводили прогнозирование сигнала сорбции компонентов смеси на каждом модификаторе () для смесей из тестируемой выборки.After establishing the optimal structure of the ANN (determined when the specified error level of 0.002% is reached) in the training sample, the difference between ΔF 5c experimentally obtained and predicted by the network was used to predict the sorption signal of the mixture components on each modifier ( ) for mixtures from the test sample.
5) Идентификация компонентов смеси. При анализе реальных газовых систем, содержащих бензол, толуол, фенол, формальдегид, ацетон и аммиак, полученные в полисенсорной матрице практические «визуальные отпечатки» сопоставляют с имеющимися в базе данных «визуальными отпечатками» стандартных смесей (фиг.3 - прогнозируемые (а) и экспериментальные (б) «визуальные отпечатки» матрицы сенсоров при анализе многокомпонентных газовых смесей, концентрации компонентов на уровне ПДКс.c.). На основании геометрии отпечатков и степени их идентичности делают вывод о качественном составе исследуемой смеси; площадь диаграммы является количественным критерием.5) Identification of the components of the mixture. When analyzing real gas systems containing benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia, practical “visual prints” obtained in the polysensor matrix are compared with the “visual prints” of standard mixtures available in the database (Fig. 3 - predicted (a) and experimental (b) “visual imprints” of the sensor matrix in the analysis of multicomponent gas mixtures, component concentrations at the MPC level s.c. ). Based on the geometry of the prints and the degree of their identity, they conclude about the qualitative composition of the mixture under study; chart area is a quantitative criterion.
Способ тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака иллюстрируется следующим примером.The test identification method of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia is illustrated by the following example.
Пример 1 (по прототипу)Example 1 (prototype)
Способ многомерной градуировки мультисенсорного сорбционного датчика для анализа паров этилацетата, ацетона и толуола в воздухе включает отбор проб аиалитов по способу дискретной газовой экстракции, формирование матрицы из трех сенсоров на основе пленок полиэтиленгликоля и его зфиров, инжектирование трехкомпонентных смесей в ячейку детектирования, последующую регистрацию аналитического сигнала, градуировку матрицы в широком диапазоне концентраций. После регистрации аналитических сигналов строят «визуальные отпечатки» как индивидуальных компонентов, так и их смесей. Способ осуществим для анализа трехкомпонентной газовой смеси этилацетата, ацетона и толуола, однако не позволяет прогнозировать сигнал сорбции при изменении состава смеси или концентраций ее отдельных компонентов.A method for multivariate calibration of a multisensor sorption sensor for analyzing ethyl acetate, acetone, and toluene vapors in air involves sampling aialites using a discrete gas extraction method, forming a matrix of three sensors based on films of polyethylene glycol and its zfirs, injecting three-component mixtures into the detection cell, and then registering the analytical signal , graduation of the matrix in a wide range of concentrations. After registration of analytical signals, “visual prints” of both individual components and their mixtures are built. The method is feasible for analysis of a three-component gas mixture of ethyl acetate, acetone and toluene, however, it does not allow predicting the sorption signal when the composition of the mixture or the concentrations of its individual components change.
Пример 2 (заявляемый способ)Example 2 (the claimed method)
Идентификацию смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака осуществляют с применением полисенсорной матрицы. Для этого электроды 6 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой колебаний 8-10 МГц модифицируют равномерным нанесением хроматографическим микрошприцем растворов сорбентов так, чтобы после удаления растворителей масса пленок сорбентов составляла 15-25 мкг, В качестве сорбентов применяли пленки Апиезона-N (Ап-N), биомодификатора (смесь Тритона X-100 и экстрактов мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus - СмБио), полиэтиленгликоль адипината (ПЭГА), себацината (ПЭГС), поливинилпирролидона (ПВП) и динонилфталата (ДНФ).Mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia are identified using a polysensor matrix. To do this, the electrodes of 6 piezoelectric crystals with an eigenfrequency of 8-10 MHz are modified by uniformly applying sorbent solutions with a chromatographic microsyringe so that after removal of solvents the mass of sorbent films is 15-25 μg, Apieson-N (Ap-N) films were used as sorbents, biomodifier (a mixture of Triton X-100 and extracts of the mycelial fungus Pleurotus Ostreatus - SmBio), polyethylene glycol adipate (PEGA), sebacinate (PEGS), polyvinylpyrrolidone (PVP) and dinonylphthalate (DNF).
С учетом кинетики сорбции толуола, фенола, бензола, ацетона, формальдегида и аммиака составляли алгоритм опроса матрицы сенсоров при анализе реальной смеси: сенсор с пленкой СмБио следует опрашивать для детектирования аммиака через 20, 25 и 30 с после инжектирования газовой смеси в ячейку (аммиак в смеси подавляет сорбцию фенола); сенсор с пленкой Ап-N - спустя 5 и 10 с (толуол), ПЭГА - через 55 с (аммиак), ПЭГС - спустя 60 с (толуол), ПВП - через 70 и 75 с (бензол, ацетон, формальдегид, фенол), сенсор с пленкой ДНФ при детектировании фенола следует опрашивать через 80, 85 и 90 с после инжектирования смеси в ячейку.Taking into account the sorption kinetics of toluene, phenol, benzene, acetone, formaldehyde, and ammonia, we compiled an algorithm for interrogating the sensor matrix when analyzing a real mixture: a sensor with a SmBio film should be interrogated to detect ammonia 20, 25, and 30 s after injection of the gas mixture into the cell (ammonia in mixtures inhibits phenol sorption); sensor with Ap-N film - after 5 and 10 s (toluene), PEGA - after 55 s (ammonia), PEGS - after 60 s (toluene), PVP - after 70 and 75 s (benzene, acetone, formaldehyde, phenol) , a sensor with a DNF film during phenol detection should be interrogated after 80, 85 and 90 s after injection of the mixture into the cell.
Газовые смеси сорбатов формировали методом «смешения в контейнере» и отбирали по способу «дискретной газовой экстракции».Gaseous mixtures of sorbates were formed by the method of “mixing in a container” and were selected by the method of “discrete gas extraction”.
После инжектирования проб в ячейку измеряли резонансную частоту колебаний каждого из 6 сенсоров и вычисляли аналитические сигналы сорбции (ΔFc, Гц).After injection of the samples into the cell, the resonance frequency of the oscillations of each of the 6 sensors was measured and the analytical sorption signals (ΔF c , Hz) were calculated.
Суммарный аналитический сигнал матрицы сенсоров представляли в виде «визуальных отпечатков» газовых смесей. Обработку суммарного сигнала всех 6-ти сенсоров осуществляли с применением стандартной программы Neuro Network (версия NeuroPro 0,25). Алгоритм работы сети реализует модель "черного ящика" (фиг.1). Характеристика применяемой ИНС приведена в табл.1.The total analytical signal of the sensor matrix was presented in the form of “visual prints” of gas mixtures. Processing the total signal of all 6 sensors was carried out using the standard Neuro Network program (NeuroPro version 0.25). The network operation algorithm implements the black box model (Fig. 1). The characteristics of the ANN used are given in table 1.
На вход сети подавали аналитические сигналы каждого из шести сенсоров, полученные по результатам сорбции аналитов из обучающей выборки (ΔFc), и стандартные физико-химические свойства индивидуальных компонентов смеси (молярная масса (Mr), молярная рефракция (R), диэлектрическая проницаемость (ε), давление насыщенного пара (Рн), температура кипения (Тк), плотность сорбата в жидкой фазе (ρ), коэффициент преломления (), и качественные параметры, учитывающие строение молекулы сорбата, присутствие атомов кислорода, азота, СН3-группы [учитывали с помощью коэффициентов заместителей]); на выход - прогнозируемый аналитический сигнал матрицы сенсоров в парах смеси ().Analytical signals from each of the six sensors, obtained from the sorption of analytes from the training sample (ΔF c ), and standard physicochemical properties of the individual components of the mixture (molar mass (Mr), molar refraction (R), and dielectric constant (ε) ), saturated vapor pressure (P n ), boiling point (T k ), sorbate density in the liquid phase (ρ), refractive index ( ), and qualitative parameters that take into account the structure of the sorbate molecule, the presence of oxygen, nitrogen, and CH 3 atoms [were taken into account using substitution factors]); output - the predicted analytical signal of the sensor matrix in the mixture vapor ( )
Перед подачей в сеть каждую компоненту входного вектора данных заменяли нормированной величиной, рассчитанной по уравнению (2). Нормировку выходных сигналов сети осуществляли по уравнению (3).Before applying to the network, each component of the input data vector was replaced with a normalized value calculated according to equation (2). The output signals of the network were normalized according to equation (3).
Для установления оптимальной топологии сети и выбора наиболее значимых параметров обучения применяли эмпирический подход. Составляли сеть:An empirical approach was used to establish the optimal network topology and select the most significant learning parameters. Made up a network:
- обученную только на основании физико-химических свойств сорбатов;- trained only on the basis of the physicochemical properties of sorbates;
- обученную на основании данных по строению молекул соединений (число и природа заместителей);- trained on the basis of data on the structure of the molecules of the compounds (number and nature of substituents);
- обученную на основании данных о строении соединений и их физико-химических характеристиках (универсальная нейронная сеть).- trained on the basis of data on the structure of compounds and their physico-chemical characteristics (universal neural network).
Для каждого сенсора с учетом времени опроса составляли индивидуальную сеть с аналогичным набором входных и выходных параметров. Число циклов обучения сетей для каждого сенсора (с учетом времени опроса составляли индивидуальную сеть) равно 11273, шаг обучения 0,0084, точность прогноза ±0,002. Затем проводили равномерное упрощение сети, определяли наиболее значимые входные параметры обучения и исключали мешающие (шумовые) критерии обучения. Значимость входных параметров сети приведена на фиг.2.For each sensor, taking into account the polling time, an individual network was created with a similar set of input and output parameters. The number of network training cycles for each sensor (taking into account the polling time was an individual network) is 11273, the training step is 0.0084, and the forecast accuracy is ± 0.002. Then, a uniform simplification of the network was carried out, the most significant input training parameters were determined, and interfering (noise) training criteria were excluded. The significance of the input network parameters is shown in figure 2.
После выбора наиболее значимых параметров обучения проводили тестирование ИНС, состоящей из модельных газовых смесей (табл.2).After selecting the most significant training parameters, an ANN consisting of model gas mixtures was tested (Table 2).
По результатам тестирования стандартных газовых смесей из обучающей выборки по значениям строили «визуальные отпечатки» сигналов сенсоров (фиг.3а), которые сопоставляли с экспериментально полученными по результатам суммарной сорбции смесей ΔFc (фиг.3б). При достижении заданной точности прогноза между прогнозируемыми сигналами сорбции для смесей из обучающей выборки и экспериментальными данными устанавливали оптимальную топологию сети и параметры ее обучения, которые применяли в дальнейшем для прогнозирования суммарного сигнала сорбции газовых смесей из тестируемой выборки.According to the results of testing standard gas mixtures from the training sample by values built "visual fingerprints" of the sensor signals (figa), which were compared with experimentally obtained by the results of the total sorption of mixtures ΔF c (fig.3b). Upon reaching the specified forecast accuracy between the predicted sorption signals for mixtures from the training sample and the experimental data, the optimal network topology and the parameters of its training were established, which were used later to predict the total sorption signal of gas mixtures from the tested sample.
Для изученных смесей из тестируемой выборки практически на всех сенсорах погрешность прогнозирования суммарного аналитического сигнала сорбции не более 3%. Исключение составляет сенсор с пленкой ПВП, средняя погрешность по 7 модельным смесям 15,7%. Несоответствие прогноза экспериментальным результатам на этой пленке объясняется высокой полярностью модификатора и его высокой чувствительностью практически ко всем соединениям тестируемых смесей (конкурентная сорбция). С увеличением числа компонентов в смеси закономерно возрастает погрешность прогнозирования на пленке ПВП (максимальная для смесей 5 компонентов).For the studied mixtures from the test sample on almost all sensors, the prediction error of the total analytical sorption signal no more than 3%. An exception is a sensor with a PVP film; the average error in 7 model mixtures is 15.7%. The forecast mismatch with the experimental results on this film is explained by the high polarity of the modifier and its high sensitivity to almost all compounds of the tested mixtures (competitive sorption). With an increase in the number of components in the mixture, the prediction error on the PVP film naturally increases (maximum for mixtures of 5 components).
Сравнительная характеристика заявляемого способа и прототипа приведена в табл.3.Comparative characteristics of the proposed method and prototype are given in table.3.
Как видно из примера 1 и 2, табл.1-3 и фиг.1-3, положительный эффект при тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака достигается при применении шестисенсорной системы на основе пленок Апиезона-N (сенсор опрашивают через 5 и 10 с после инжектирования проб), смеси Тритона Х-100 с экстрактом высшего мицелиального гриба Pleurotus Ostreatus (20, 25, 30 с), полиэтиленгликоль адипината (через 55 с), полиэтиленгликоль себацината (60 с), поливинилпирролидона (70, 75 с) и динонилфталата (80, 85, 90 с) с массами 15-25 мкг. Для прогнозирования «визуальных отпечатков» стандартных смесей применяют однонаправленную трехслойную нейронную сеть, обученную по результатам сорбции и физико-химическим свойствам компонентов смеси: молярным массам, коэффициентам молярной рефракции, диэлектрической проницаемости, плотности сорбатов, температуре кипения, давлению насыщенных паров, присутствию и числу в молекуле атомов кислорода, азота и СН3-группы или других заместителей.As can be seen from example 1 and 2, tables 1-3 and figure 1-3, a positive effect in the test identification of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia is achieved by using a six-sensor system based on Apiezon films N (the sensor is interrogated 5 and 10 seconds after injection of the samples), a mixture of Triton X-100 with extract of the higher mycelial fungus Pleurotus Ostreatus (20, 25, 30 s), polyethylene glycol adipinate (after 55 s), polyethylene glycol sebacinate (60 s), polyvinylpyrrolidone (70, 75 s) and dinonyl phthalate (80, 85, 90 s) with masses of 15-25 μg. To predict the “visual imprints” of standard mixtures, a unidirectional three-layer neural network is used, trained according to the results of sorption and the physicochemical properties of the mixture components: molar masses, molar refraction coefficients, dielectric constant, sorbate density, boiling point, saturated vapor pressure, presence and number in a molecule of oxygen, nitrogen and CH 3 atoms or other substituents.
Изменение природы, числа сенсоров в матрице, алгоритма их опроса делает невозможным идентификацию газовых смесей. Увеличение слоистости ИНС, изменение данных о строении соединений или их физико-химических критериев при обучении сети не позволяет прогнозировать «визуальные отпечатки» стандартных смесей. Общая продолжительность анализа смесей с учетом сопоставления «визуальных отпечатков» реальных образцов со стандартными не более 5 мин.Changing the nature, the number of sensors in the matrix, the algorithm for their survey makes it impossible to identify gas mixtures. An increase in the stratification of ANNs, changes in data on the structure of compounds or their physicochemical criteria during network training does not allow predicting the “visual imprints” of standard mixtures. The total duration of the analysis of mixtures, taking into account the comparison of “visual prints” of real samples with standard samples, is not more than 5 minutes.
Предложенный способ тест-идентификации многокомпонентных газовых смесей бензола, толуола, фенола, формальдегида, ацетона и аммиака позволяет распознавать компоненты исследуемых систем и прогнозировать геометрии отпечатков даже при изменении концентрации отдельных соединений, повысить экспрессность анализа смесей сложного состава, увеличить число идентифицируемых компонентов, упростить процесс получения стандартных «визуальных отпечатков».The proposed method for the test identification of multicomponent gas mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia makes it possible to recognize the components of the systems under study and to predict the geometry of the prints even when changing the concentration of individual compounds, to increase the expressivity of the analysis of mixtures of complex composition, to increase the number of identifiable components, to simplify the process of obtaining standard "visual prints."
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011105714/28A RU2456590C1 (en) | 2011-02-15 | 2011-02-15 | Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011105714/28A RU2456590C1 (en) | 2011-02-15 | 2011-02-15 | Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2456590C1 true RU2456590C1 (en) | 2012-07-20 |
Family
ID=46847522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011105714/28A RU2456590C1 (en) | 2011-02-15 | 2011-02-15 | Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2456590C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2510494C1 (en) * | 2012-07-25 | 2014-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВПО "ВГУИТ") | Method for detecting bird's dysbiosis |
CN104215718A (en) * | 2014-09-22 | 2014-12-17 | 成都生物制品研究所有限责任公司 | High performance liquid chromatography detection method of Triton X-100 content |
RU2592209C2 (en) * | 2014-11-21 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ") | Rapid method for detection of acetone and phenol |
RU2649217C1 (en) * | 2017-03-24 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Hybrid acoustic sensor of the electronic nose and electronic tongue system |
RU193254U1 (en) * | 2019-05-22 | 2019-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | DETECTOR FOR DETERMINING FORMALDEHYDE IN AIR |
RU2760762C1 (en) * | 2021-03-26 | 2021-11-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for predicting the time to reach the permissible level of ammonia concentration released during the multi-day process of emission from building materials into the air of a newly built building |
RU2775934C1 (en) * | 2021-07-30 | 2022-07-12 | Татьяна Анатольевна Кучменко | Miniature detection cell for a single-channel analyzer of highly volatile biomolecules discharged by the skin |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3725658A (en) * | 1971-01-18 | 1973-04-03 | Trw Inc | Apparatus and method for continuously detecting oxygen in a gas stream |
RU2237893C2 (en) * | 2002-12-05 | 2004-10-10 | Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия | Method of determining o- and m-nitrotoluenes in air |
RU2328732C1 (en) * | 2007-02-06 | 2008-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия | Method for industrial flavours quality assessment |
CN101504392A (en) * | 2008-11-21 | 2009-08-12 | 新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂 | Method for measuring distillate quantity of crude benzole before 180 DEG C |
-
2011
- 2011-02-15 RU RU2011105714/28A patent/RU2456590C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3725658A (en) * | 1971-01-18 | 1973-04-03 | Trw Inc | Apparatus and method for continuously detecting oxygen in a gas stream |
RU2237893C2 (en) * | 2002-12-05 | 2004-10-10 | Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия | Method of determining o- and m-nitrotoluenes in air |
RU2328732C1 (en) * | 2007-02-06 | 2008-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия | Method for industrial flavours quality assessment |
CN101504392A (en) * | 2008-11-21 | 2009-08-12 | 新疆八一钢铁股份有限公司炼钢厂 | Method for measuring distillate quantity of crude benzole before 180 DEG C |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Коренман Я.И., Кучменко Т.А., Аристов Й.В., Кудинов Д.А. Сорбционные и хроматографические процессы. Т.4. Электронный ресурс. Спецвыпуск. - стр.326-351, 2004. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2510494C1 (en) * | 2012-07-25 | 2014-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВПО "ВГУИТ") | Method for detecting bird's dysbiosis |
CN104215718A (en) * | 2014-09-22 | 2014-12-17 | 成都生物制品研究所有限责任公司 | High performance liquid chromatography detection method of Triton X-100 content |
CN104215718B (en) * | 2014-09-22 | 2016-05-04 | 成都生物制品研究所有限责任公司 | The high-efficiency liquid chromatography method for detecting of Triton X-100 content |
RU2592209C2 (en) * | 2014-11-21 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ") | Rapid method for detection of acetone and phenol |
RU2649217C1 (en) * | 2017-03-24 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Hybrid acoustic sensor of the electronic nose and electronic tongue system |
RU193254U1 (en) * | 2019-05-22 | 2019-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | DETECTOR FOR DETERMINING FORMALDEHYDE IN AIR |
RU2760762C1 (en) * | 2021-03-26 | 2021-11-30 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for predicting the time to reach the permissible level of ammonia concentration released during the multi-day process of emission from building materials into the air of a newly built building |
RU2775934C1 (en) * | 2021-07-30 | 2022-07-12 | Татьяна Анатольевна Кучменко | Miniature detection cell for a single-channel analyzer of highly volatile biomolecules discharged by the skin |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2456590C1 (en) | Method for test-identification of multi-component gaseous mixtures of benzene, toluene, phenol, formaldehyde, acetone and ammonia | |
US6408250B1 (en) | Methods for characterizing, classifying, and identifying unknowns in samples | |
CN111504979B (en) | Method for improving mixture component identification precision by using Raman spectrum of known mixture | |
Laref et al. | Orthogonal signal correction to improve stability regression model in gas sensor systems | |
CN109406444B (en) | Transformer oil water content-absorption coefficient standard curve fitting method, water content detection method and device and storage medium | |
Gustafson et al. | Optimizing information content in MOF sensor arrays for analyzing methane-air mixtures | |
Bhattacharyya et al. | Electronic nose and electronic tongue | |
CN107132311B (en) | A kind of fast gas recognizer extracted based on frequency domain character | |
Gradišek et al. | Improving the chemical selectivity of an electronic nose to TNT, DNT and RDX using machine learning | |
US20230349861A1 (en) | Sensor for identifying a fluid sample and method for applying a qualification test to such a sensor | |
Kuchmenko et al. | Sorption specifics of volatile amines on thin films of acid-base indicators | |
US20120209534A1 (en) | Method and system for analyzing liquid | |
RU2279065C1 (en) | Method of processing signals of multisensor "electronic nose"-type analyzer | |
JP2009156768A (en) | Offensive smell measuring instrument | |
US20230012059A1 (en) | Method and device for obtaining the temporal olfactory signature of a sample and uses of the method | |
RU2555775C1 (en) | Method for rapid evaluation of safety of articles made of phenol-formaldehyde plastic | |
RU2592209C2 (en) | Rapid method for detection of acetone and phenol | |
McAlernon et al. | Interpreting signals from an array of non-specific piezoelectric chemical sensors | |
Wang et al. | Discrimination of plant samples using near-infrared spectroscopy with a principal component accumulation method | |
Singh et al. | A fusion approach to feature extraction by wavelet decomposition and principal component analysis in transient signal processing of SAW odor sensor array | |
Kuchmenko et al. | Substantiation of the operating life of gas piezosensors in detection of vapors of organic compounds | |
JP7090855B2 (en) | Methods for determining the affinity of biomolecules | |
Alstrøm et al. | Data-driven modeling of nano-nose gas sensor arrays | |
CN113449804B (en) | Method for determining blood category and related equipment | |
CN110907430A (en) | LIBS-based nondestructive testing method for single-particle micro-plastic composite heavy metal pollution |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140216 |