RU54194U1

RU54194U1 - DEVICE FOR THE DETERMINATION OF NO CONTENT OF EXPRESSED AIR

Info

Publication number: RU54194U1
Application number: RU2005139149/22U
Authority: RU
Inventors: Альбина Александровна Корнилова; Леонид Владимирович Щербаков; Татьяна Витальевна Белышева
Original assignee: ООО "Научный Центр системных исследований и технологий 2002"
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2006-06-10

Abstract

Полезная модель применима для селективного определения микроконцентраций оксида азота в выдыхаемом человеком воздухе для решения проблем в области медицины и биологии. Решается техническая задача повышения чувствительности и быстродействия устройства для определения содержания NO. Устройство содержит крышку в виде фторопластовой сетки 1, датчик 2 с платиновым нагревателем, подключенным к источнику питания постоянного тока 3, и платиновыми контактами, подключенными к измерителю сопротивления 4. Датчик 2 выполнен в виде пластины из Аl₂O₃, на которую нанесен чувствительный слой, выполненный на основе In₂О₃ и модифицированный добавкой Sm₂O₃. В результате хемосорбции оксида азота чувствительным слоем датчика 2 изменяется его сопротивление.The utility model is applicable for the selective determination of microconcentrations of nitric oxide in human exhaled air to solve problems in the field of medicine and biology. The technical problem of increasing the sensitivity and speed of the device for determining the content of NO. The device comprises a cover in the form of a fluoroplastic mesh 1, a sensor 2 with a platinum heater connected to a DC power source 3, and platinum contacts connected to a resistance meter 4. The sensor 2 is made in the form of a plate of Al ₂ O ₃ , on which a sensitive layer is applied made on the basis of In ₂ About ₃ and modified by the addition of Sm ₂ O ₃ . As a result of chemisorption of nitric oxide by the sensitive layer of sensor 2, its resistance changes.

Description

Полезная модель относится к области анализа материалов путем определения их химических и физических свойств с помощью электрических средств, в частности, путем определения электрохимических параметров и промышленно применима для селективного определения микроконцентраций оксида азота в выдыхаемом человеком воздухе для решения проблем в области медицины и биологии.The utility model relates to the field of analysis of materials by determining their chemical and physical properties using electrical means, in particular, by determining electrochemical parameters and is industrially applicable for the selective determination of nitric oxide concentrations in human expired air to solve problems in the field of medicine and biology.

Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе, содержащее диэлектрическую подложку с нанесенным на нее чувствительным слоем, причем подложка снабжена Pt нагревателем и Pt контактной группой [G.Lu, N.Miura, N.Yamazoe Stabilized zirconia-based sensors using WO₃ electrode for detection of NO of NO₂// Sensors and Actuators, 2000, vol. B 65, p.125-127]. В этом устройстве подложка представляет собой стабилизированную иттрием циркониевую (YSZ) трубку. Внутри в дно трубки впрессован эталонный электрод, представляющий собой Pt чернь и Pt контакт, сцепленный с ней. Снаружи трубки наносится чувствительный слой WO₃, который после прокаливания при 700°С в течение 3 часов прочно соединяется с трубкой. В оксид также вживляется платиновый контакт. Внутренняя часть трубки находится постоянно в чистом воздухе. Наружная часть YSZ трубки обтекается либо чистым воздухом, либо воздухом, содержащим NO. Рабочая температура сенсора составляет 500-700°С. Появляющаяся при этом разность потенциалов и ионный ток характеризуют концентрацию газообразного NO в воздухе. Однако время отклика данного устройства при появлении NO в воздухе превышает 80 секунд. Это делает его Closest to the claimed is a known device for determining the content of NO in exhaled air, containing a dielectric substrate coated with a sensitive layer, the substrate is equipped with a Pt heater and Pt contact group [G. Lu, N. Miura, N. Yamazoe Stabilized zirconia-based sensors using WO ₃ electrode for detection of NO of NO ₂ // Sensors and Actuators, 2000, vol. B 65, p. 125-127]. In this device, the substrate is a yttrium-stabilized zirconium (YSZ) tube. Inside, a reference electrode is pressed into the bottom of the tube, which is a Pt black and a Pt contact coupled to it. A sensitive layer of WO ₃ is applied outside the tube, which, after calcining at 700 ° C for 3 hours, is firmly connected to the tube. A platinum contact is also implanted in the oxide. The inside of the tube is constantly in clean air. The outer part of the YSZ tube is flushed either with clean air or with air containing NO. The operating temperature of the sensor is 500-700 ° C. The resulting potential difference and ion current characterize the concentration of gaseous NO in air. However, the response time of this device when NO appears in air exceeds 80 seconds. It makes him

малоэффективным при анализе NO в выдыхаемом воздухе с учетом времени жизни NO. Пороговая чувствительность твердотельного электрохимического сенсора не высока (10^-3 об.%).ineffective in the analysis of NO in exhaled air, taking into account the lifetime of NO. The threshold sensitivity of the solid-state electrochemical sensor is not high (10 ^-3 vol.%).

С помощью заявляемой полезной модели решается техническая задача повышения чувствительности и быстродействия устройства для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе.Using the claimed utility model solves the technical problem of increasing the sensitivity and speed of the device for determining the content of NO in exhaled air.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения содержания NO в выдыхаемом воздухе, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенным на нее чувствительным слоем, причем подложка снабжена Pt нагревателем и Pt контактами, чувствительный слой выполнен на основе In₂O₃ и модифицирован добавкой Sm₂О₃, подложка выполнена в виде пластины из Аl₂O₃, а содержание Sm₂O₃ в чувствительном слое составляет от 0.5 до 10 вес.%.This goal is achieved by the fact that in the known device for determining the NO content in exhaled air containing a dielectric substrate coated with a sensitive layer, the substrate is equipped with a Pt heater and Pt contacts, the sensitive layer is based on In ₂ O ₃ and modified with the addition of Sm ₂ O ₃ , the substrate is made in the form of a plate of Al ₂ O ₃ , and the Sm ₂ O ₃ content in the sensitive layer is from 0.5 to 10 wt.%.

В частности, устройство может дополнительно содержать корпус, внутри которого расположена подложка с чувствительным слоем.In particular, the device may further comprise a housing within which a substrate with a sensitive layer is located.

В частности, корпус может быть дополнительно снабжен пористой крышкой. При этом пористая крышка может быть выполнена в виде фторопластовой сетки.In particular, the housing may be further provided with a porous cover. In this case, the porous cover can be made in the form of a fluoroplastic mesh.

В частности, устройство может дополнительно содержать источник питания, к которому подключен нагреватель.In particular, the device may further comprise a power source to which a heater is connected.

В частности, устройство может дополнительно содержать измеритель сопротивления, к которому подключены контактыIn particular, the device may further comprise a resistance meter to which the contacts are connected

Оксид азота выделяется эндотелиальными клетками человека в ответ на многие внешние воздействия и является сосудорасширяющим эндотелиальным фактором. Синтезировать и выделять NO способно большинство клеток организма человека и животных: эндотелий кровеносных сосудов, клетки нервной ткани (нейроны) и макрофаги -клетки соединительной ткани, обладающие высокой фагоцитарной активностью. После вредного внешнего воздействия на организм человека (в условиях патологии) макрофаги продуцируют огромные (в Nitric oxide is secreted by human endothelial cells in response to many external influences and is a vasodilating endothelial factor. Most human and animal body cells are capable of synthesizing and secreting NO: blood vessel endothelium, nervous tissue cells (neurons), and macrophages — connective tissue cells with high phagocytic activity. After harmful external influences on the human body (under pathological conditions), macrophages produce huge (in

100-1000 раз больше, чем другие клетки) количества NO. Низкомолекулярный газ NO легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества.100-1000 times more than other cells) the amount of NO. Low molecular weight gas NO easily penetrates through cell membranes and components of the intercellular substance.

Высокие дозы NO токсичны для клеток. Время жизни оксида азота в среднем составляет 10 секунд. Оно ограничено высокой реакционной способностью молекулы и ее взаимодействием с железосодержащими ферментами. При больших концентрациях NO образуется реакционное и токсичное свободнорадикальное соединение пероксинитрита:High doses of NO are toxic to cells. The average lifetime of nitric oxide is 10 seconds. It is limited by the high reactivity of the molecule and its interaction with iron-containing enzymes. At high concentrations of NO, a reactive and toxic free radical peroxynitrite compound is formed:

NO+О₂ ^- (свободный радикал)=ONOO^- NO + O ₂ ^- (free radical) = ONOO ^-

Токсический эффект NO проявляется в снижении выработки АТФ, а также ферментов, участвующих в репликации ДНК. С NO связывают и развитие септического шока, когда большое количество микробов, циркулирующих в крови, резко активируют синтез газа в эндотелии, что приводит к длительному и сильному расширению мелких кровеносных сосудов и как следствие - значительному снижению артериального давления, с трудом поддающемуся терапевтическому воздействию. При многих нейродегенеративных заболеваниях, ишемии, травмах, опухолях головного мозга продуцируется большое количество NO.The toxic effect of NO is manifested in a decrease in the production of ATP, as well as enzymes involved in DNA replication. The development of septic shock is also associated with NO, when a large number of microbes circulating in the blood sharply activate gas synthesis in the endothelium, which leads to a prolonged and strong expansion of small blood vessels and, as a result, a significant decrease in blood pressure, which is difficult to respond to therapeutic effect. In many neurodegenerative diseases, ischemia, injuries, brain tumors, a large amount of NO is produced.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема заявляемого устройства. Устройство содержит корпус с крышкой из пористого материала (фторопластовая сетка) 1, датчик 2, источник питания постоянного тока 3, измеритель сопротивления 4. Датчик 2 выполнен в виде пластины из Аl₂O₃, на которую нанесен чувствительный слой, выполненный на основе In₂O₃, и модифицированный добавкой Sm₂О₃. Датчик 2 снабжен платиновым нагревателем, подключенным к источнику питания постоянного тока 3, и платиновыми контактами, подключенными к измерителю сопротивления 4.The utility model is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the inventive device. The device comprises a housing with a cover of porous material (fluoroplastic mesh) 1, sensor 2, DC power supply 3, resistance meter 4. Sensor 2 is made in the form of a plate of Al ₂ O ₃ , on which a sensitive layer is applied, made on the basis of In ₂ O ₃ , and modified by the addition of Sm ₂ O ₃ . The sensor 2 is equipped with a platinum heater connected to the DC power source 3, and platinum contacts connected to the resistance meter 4.

В корпус через пористую крышку 1 на датчик 2 поступает выдыхаемый воздух, содержащий NO. Для анализа NO используется Exhaled air containing NO enters the housing through the porous cover 1 to the sensor 2. For the analysis of NO used

чувствительный слой датчика 2, выполненный на основе In₂O₃ и модифицированный добавкой Sm₂O₃. В результате хемосорбции оксида азота чувствительным слоем датчика 2 изменяется его сопротивление. При измерении относительного сопротивления датчик 2 нагревается до температуры 250-300°С при пропускании тока через нагреватель, подключенный к источнику питания 3. По полученным данным с привлечением калибровочной характеристики рассчитывается концентрация NO в выдыхаемом воздухе.the sensitive layer of the sensor 2, based on In ₂ O ₃ and modified with the addition of Sm ₂ O ₃ . As a result of chemisorption of nitric oxide by the sensitive layer of sensor 2, its resistance changes. When measuring the relative resistance, sensor 2 heats up to a temperature of 250-300 ° C while passing current through a heater connected to power source 3. Based on the data obtained, the concentration of NO in the exhaled air is calculated using the calibration characteristic.

Пример конкретного выполнения. Чувствительный слой на основе In₂О₃, модифицированный добавкой Sm₂O₃ в количестве 3 вес.%, наносили на диэлектрическую подложку из Аl₂O₃ размером 1.5×1.5×0.3 мм, снабженную Pt нагревателем и Pt контактами 4. Температура датчика 2 составляла 275°С. Время отклика при появлении NO в выдыхаемом воздухе не превышало 5 секунд. Именно данный состав чувствительного слоя позволяет селективно определять концентрацию NO в выдыхаемом воздухе. В результате хемосорбции NO чувствительным слоем изменяется проводимость слоя.An example of a specific implementation. A sensitive layer based on In ₂ O ₃ , modified with the addition of Sm ₂ O ₃ in an amount of 3 wt.%, Was applied to a dielectric substrate of Al ₂ O ₃ measuring 1.5 × 1.5 × 0.3 mm, equipped with a Pt heater and Pt contacts 4. Sensor temperature 2 was 275 ° C. The response time with the appearance of NO in exhaled air did not exceed 5 seconds. It is this composition of the sensitive layer that allows you to selectively determine the concentration of NO in exhaled air. As a result of chemisorption of NO by the sensitive layer, the conductivity of the layer changes.

Определение концентрации NO может быть проведено посредством использования калибровочной зависимости, построенной по характеристикам проводимости для эталонных образцов. Нижний предел определения концентрации NO в выдыхаемом воздухе составляет 10^-5об.%.Determination of NO concentration can be carried out by using a calibration curve constructed from the conductivity characteristics for reference samples. The lower limit for determining the concentration of NO in exhaled air is 10 ^-5 vol.%.

Использование предлагаемого устройства с применением селективного полупроводникового чувствительного слоя, состоящего из In₂O₃ с добавкой Sm₂О₃, обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом следующие преимущества:Using the proposed device using a selective semiconductor sensitive layer consisting of In ₂ O ₃ with the addition of Sm ₂ O ₃ provides the following advantages compared to the closest analogue:

- высокую чувствительность;- high sensitivity;

- простоту конструкции и малые габариты;- simplicity of design and small dimensions;

- малое время отклика;- short response time;

- высокую стабильность и продолжительный срок службы.- high stability and long service life.

Claims

1. A device for determining the content of NO in exhaled air, containing a dielectric substrate coated with a sensitive layer, the substrate is equipped with a Pt heater and Pt contacts, characterized in that the sensitive layer is based on In ₂ O ₃ and modified with the addition of Sm ₂ O ₃ , the substrate is made in the form of a plate of Al ₂ O ₃ , and the content of Sm ₂ O ₃ in the sensitive layer is from 0.5 to 10 wt.%.

2. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a housing, inside which there is a substrate with a sensitive layer.

3. The device according to claim 1, characterized in that the housing is additionally equipped with a porous cover.

4. The device according to claim 2, characterized in that the porous cover is made in the form of a fluoroplastic mesh.

5. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a power source to which a heater is connected.

6. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a resistance meter to which the contacts are connected.