NEBEZPEČNÉ LÁTKY NÁZEV OPORY – DETEKCE ŠKODLIVIN JOSEF NAVRÁTIL Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Projekt: Vzdělávání pro bezpečnostní.

Prezentace na téma: "NEBEZPEČNÉ LÁTKY NÁZEV OPORY – DETEKCE ŠKODLIVIN JOSEF NAVRÁTIL Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Projekt: Vzdělávání pro bezpečnostní."— Transkript prezentace:

1 NEBEZPEČNÉ LÁTKY NÁZEV OPORY – DETEKCE ŠKODLIVIN JOSEF NAVRÁTIL Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Projekt: Vzdělávání pro bezpečnostní systém státu (reg. č.: CZ.1.01/2.2.00/15.0070)

2 Detekce škodlivin

3 Základní pojmy Detekce – zjišťování přítomnosti látky v daném vzorku, prostředí – ano – ne Charakterizace - přibližné určení látky a její zařazení do určité skupiny Identifikace – přesné určení druhu látky Stanovení Chemický průzkum – detekce, charakterizace, identifikace a stanovení

4 Základní pojmy Mez detekce (Limit of detection LOD): Mez detekce daného analytického postupu je dána nejmenším množstvím analytu ve vzorku, které může být detekováno. Mez detekce závisí na poměru signál/šum. Je stanovována opakovanou analýzou alikvotního podílu slepého pokusu a je to taková koncentrace analytu, jehož odezva je ekvivalentní průměrné odezvě slepého pokusu plus trojnásobek odhadu směrodatné odchylky. Průměrná hodnota slepého pokusu Směrodatná odchylka pro slepý pokus

5 Základní pojmy Mez stanovitelnosti (Limit of determination (quantitation, quantification) LOQ): Mez stanovitelnosti určité metody je nejnižší množství analytu ve vzorku, které může být stanoveno jako exaktní hodnota s předem zadanou nejistotou. Je to nejnižší koncentrace analytu, jež může být stanovena s přijatelným stupněm správnosti a přesnosti. Měla by být zjištěna za použití vhodného etalonu či vzorku, tj. obvykle je to nejnižší bod kalibrační křivky (při vyloučení slepého pokusu). Neměla by být stanovována extrapolací. Průměrná hodnota slepého pokusu Směrodatná odchylka pro slepý pokus

6 Základní pojmy - přesnost a správnost výsledků Přesné, ale nesprávné Přesné a správné Nepřesné a nesprávné Nepřesné, ale správné

7 Základní pojmy určování látkového složení soustav kvantitativní analýza množství, obsah kvalitativní analýza důkaz, identifikace k tomuto účelu slouží instrumentální metody  = f (c) chemické metody založeny na chem. reakcích stanovení malých a stopových množství látek

8 Základní pojmy Klasická analýzaInstrumentální analýza Pro stanovení makrosložek směsíPro stanovení mikrosložek směsí Obecně vysoká přesnost stanovení až 0,1% rel. Obecně nižší přesnost stanovení 5 -10 -20 % rel. Stanovitelnost analytu do cca 0,1 % Stanovitelnost analytu do 10 -4 - 10 -10 %, ale též ještě nižší Založena na základním chemismuZaložena na fyzikálně-chemických, ale častěji na fyzikálních dějích Vážková a odměrná analýzaElektroanalytické, optické, separační instrumentální metody

9 Základní pojmy - kalibrační graf c  11 S1S1 S2S2 S3S3 S4S4  vzorku c vzorku 33 44 22 c  11 S1S1 S2S2 S3S3 S4S4  vzorku c vzorku 33 44 22 Standardy S i − známé množství analytu Slepé pokusy Kontrola spolehlivosti metody referenční materiály (RM)

10 Detekce škodlivin hlediska toxicity a výskytu nebezpečných škodlivin v průmyslových objektech, představují potenciálně největší nebezpečí: chlór, amoniak, kyanovodík, fosgen a formaldehyd. Kromě výše jmenovaných toxických látek představují vážné nebezpečí i tyto látky: sulfan, sirouhlík, fluorovodík, chlorovodík, chlorid fosforitý, nitrozní plyny, ethylen oxid, methylchlorid, oxid siřičitý, kyselina dusičná a sírová.

11 Detekce škodlivin v ovzduší Okamžitá detekce nebezpečných látek v ovzduší má klíčový význam pro včasnou a účinnou protichemickou ochranu osob pohybujících se v prostoru, kde se mohou dostat do styku s otravnou látkou, především cestou inhalace vzduchu zamořeného nebezpečnou látkou. Detekce těchto zdraví škodlivých látek limituje bezpečnost jak zasahujících záchranných sborů, tak osob postiženým únikem škodlivé látky nebo tvorbou zplodin hoření.

12 Detekce hořlavých ( i toxických) plynů a par v ovzduší Předem musíme znát možný okruh látek, které stanovujeme Podle použité metody pozor na vzájemné ovlivňování stanovení různými látkami Při nízkých koncentracích nutno volit specielní postupy Pozor na časový faktor a ochranu toho, kdo stanovení provádí

13 Zařízení pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší Účel –Ochrana před nebezpečím výbuchu –Ochrana člověka před negativním působením toxických látek Použití –Občasná kontrola ovzduší odběr vzorků pro laboratoř přenosné resp. kapesní přístroje –Kontrola ovzduší v případě havarijní situace Odběr vzorků pro laboratoř Přenosné resp. kapesní přístroje –Dlouhodobé monitorování prostředí Stacionární systémy (pro trvalé použití) Přenosné přístroje (pro dočasné použití)

14 Metody pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší Metody laboratorní Velmi přesné, časově náročné, zpracování v laboratoři, kvalifikovaný personál, drahé Metody detekční Rychlé stanovení, jednoduchá obsluha, málo přesné, levné Analyzátory Rychlé stanovení, přesné, jednoduchá obsluha, cenově dostupné, obvykle omezená životnost senzoru

15 Senzory plynů a kapalin Senzory na fyzikálním principu –Rezonanční piezoelektrické –Tepelně vodivostní –Paramagnetické –Konduktivity Senzory na fyzikálně-chemickém principu –Polovodičové s pevnou fází –CHEMFET –Termokatalytické –Elektrochemické Optické a optoelektronické senzory –Infračervené Senzory pro chromatografickou analýzu –Plamenový ionizační –Fotoionizační

16 Chemické senzory Senzory pro vyhodnocování fyzikálně- chemické látkové veličiny plynů a kapalin Výstupem senzoru je elektrický signál obsahující informaci o chemickém složení analyzované látky Chemický senzor + elektronické obvody = analyzátor (monitor, …)

17 Principy chemických senzorů Fyzikální princip –Vzájemné působení molekul měřené látky a senzoru je čistě kinetické (nedochází k chemickým změnám analyzované látky) –Využívá celou řadu fyzikálních veličin (hustotu, tepelnou vodivost, konduktivitu, magnetickou susceptibilitu, adiabatický exponent, index lomu, absorpce elektromagnetického záření, rychlost zvuku, …) –Velmi rozšířené senzory + malá časová konstanta - špatná selektivita, vliv okolního prostředí (teplota, tlak, …)

18 Principy chemických senzorů Fyzikálně-chemický princip –Dochází ke vzájemnému působení látky a povrchu čidla senzoru (interakce a výměny elektronů v molekulách obou materiálů) vedoucí k chemické proměně molekul –V průběhu uvedené chemické reakce se měří určitá fyzikální veličina –Vhodnou chemickou reakcí lze ovlivňovat selektivitu senzoru –+/- + vyhovující selektivita - delší dopravní zpoždění a časová konstanta

19 Principy chemických senzorů Optický a optoelektronický princip –Založen na vzájemném působení elektromagnetického vlnění a molekul měřené látky –Využívá se ultrafialového (UV), viditelného, infračerveného (IR) nebo mikrovlnného spektra –Dociluje se výborné selektivity (absorpční spektra jsou pro určité složky (zejména u plynů) jednoznačná

20 Chemický senzor - Fyzikální princip Rezonanční piezoelektrické senzory Piezoelektrický element zapojený v oscilátoru s adsorpční vrstvou na povrchu (-  f=2,3.10 6 f 2.  m/S) Využití zpožďovacího vedení PAV (povrchová akustická vlna, rychlost řádu 10 3 m.s -1 )

21 Chemický senzor - Fyzikální princip Tepelně vodivostní senzory Tepelná vodivost plynů je –Přímo úměrná odmocnině absolutní teploty –Nepřímo úměrná odmocnině molární hmotnosti –Nezávislá na tlaku (až do oblasti technického vakua)

22 Mikroelektronické provedení na bázi Si technologie

23 Chemický senzor - Fyzikální princip Paramagnetické senzory kyslíku Kyslík je výrazně paramagnetický (  > 0) Analyzátory kyslíku využívají –Princip magnetomechanický –Princip termomagnetický (ztráta paramagnetických vlastností O 2 při ohřátí nad Courieovu teplotu) F  <  p S J pp

24 Chemický senzor - Fyzikální princip Senzory konduktivity Konduktometrie je založena na měření elektrické vodivosti roztoků Přes neselektivitu je nejrozšířenější metodou pro analýzu kapalin Elektrodové Indukční Kapacitní

25 Fyzikální princip Senzory konduktivity Bezdotykový indukční senzor I 3 = -U G /(n 1.n 3 ). G (G … elektrická vodivost elektrolytu)

26 Fyzikální princip Senzory konduktivity

27 Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) CHEMFET senzory (princip MOS-FET) Termokatalytické senzory Elektrochemické senzory Potenciometrie Amperometrie Fyzikálně-chemický princip

28 Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) –Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí – výměna elektronů Redukční plyny – donátory elektronů (zvětšení konduktivity) Oxidační plyny - akceptory elektronů (pokles konduktivity) Provozní teplota 200 ÷ 450 °C –Senzory s objemovou (absorpční) detekcí (z TiO 2, BaTiO 3, SrTiO 3, … Při vysoké teplotě (~900°C) se mění stechiometrická struktura a tím počet chyb v krystalových mřížkách v závislosti na parciálním tlaku plynu. Vzniklý deficit kyslíku v krystalových mřížkách mění vodivost senzoru. Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází

29 Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí

30 Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází

31 Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory Založeny na měření reakčního tepla při katalytickém spalování Katalyzátor na bázi Pt (např. Pellistor)

32 Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory

33 Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Elektrochemické reakce na určité elektrodě v daném elektrolytu (tři fázová rozhraní mezi analyzovanou kapalinou (plynem), kovovou elektrodou a elektrolytem v kapalné nebo tuhé fázi Potenciometrie

34 Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Amperometrie – založena na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku; do obvodu obvykle zařazen zdroj stejnosměrného napětí. Jedna elektroda je polarizovatelná (pracovní), druhá nepolarizovatelná (vztažná).

35 Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Amperometrie Clark - senzor

36 Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory

37 Optické a optoelektronické chemické senzory Vzájemná interakce elektromagnetického vlnění a analyzované látky záleží na zvolené vlnové délce UV spektrum (200nm – 350nm) – při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra E E Viditelné spektrum (350nm – 760nm) - při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra E E Blízké IR spektrum (760nm – 2,5  m) – intermolekulární kmitání mezi atomy (energie spektra E K ) až rotační kmity molekul (energie rotačního spektra E R ) IR spektrum (2,5  m - 15  m) – rotace lehkých molekul a kmitání těžkých molekul

38 Optické Optické a optoelektronické chemické senzory Při absorpci záření o určité energii E (kvantované) přechází molekulární (resp. atomový) systém ze základního stavu do stavu excitovaného. Pro energetické změny platí h … planckova konstanta c …rychlost světla …vlnová délka záření E …kvantum absorpce záření Optické a optoelektronické chemické senzory

39 Optické a optoelektronické senzory Spektrální fotometrie Základem spektrální fotometrie je Lambert-Beerův zákon Z-zdroj záření M-měřicí kyveta C-rotační clona F-optický filtr D-detektor SD-synchronní detektor DF-dolnofrekvenční propust

40 Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu Bezdisperzní analyzátory (pracují v širokém spektrálním pásmu) Disperzní analyzátory (pracují v úzkém spektrálním pásmu) Klasický bezdisperzní analyzátor 1-IR zdroj 2-rotační clona 3-srovnávací kyveta 4-měřicí kyveta 5-srovnávací plyn 6-kondenzátorový mikrofon

41 Infračervené Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu Disperzní analyzátor plynu (princip s plynovými filtry) 1-IR zdroj 2-interferenční filtr 3-měřicí kyveta 4-kotouč s filtry 5-filtrační komora s N 2 6-filtrační komora s měřeným plynem 7-detektor

42 Plynový Plynový chromatograf

43 Plynová chromatografie Plamenový ionizační senzor (FID)

44 Rozdělení přístrojové techniky I Podle charakteru měřené látky lze pak měřící přístroje rozdělit na: oximetry – zjišťují koncentraci kyslíku, toximetry – měří koncentrace toxických plynů a par v ovzduší, explozimetry – vyhodnocují míru možné výbušnosti.

45 Rozdělení přístrojů II K chemickému průzkumu je možné využít prostředky typu: detektor OFOL DETEHIT přístroje využívající detekční trubičky: prosávač UNIVERZAL U 66, DETEGAS – 1, chemický průkazník CHP – 71, Quantimetr 1000, Dräger detektory nebezpečných látek a explozimetry EX 10, EX 11, MX 11, OX 11, TX 11,TX 12, MX 21, CATEX, PD-5,6 a 81, AIM 1000,2000,3000 a 3200, GADET-P, Dräger CMS, Pac Ex-SW 2.n, MULTIWARN II, analyzátor DL – 101.

46 VaporTracer2 ITMS® Přenosný detektor výbušnin a drog ITMS® VaporTracer TM, přenosný detektor výbušnin a drog je nejnovější technologií dostupnou pro detekci drog a výbušnin. Je založen na přístroji Ion Trap Mobility Spectrometer a je mimořádně citlivý. Vapor Tracer je určen pro zajištění bezpečnosti v prostředí, kde je nutná rychlá a přesná kontrola. Přístroj váží 3,2 kg a je schopný zachytit a identifikovat i nepatrné množství drogy nebo výbušniny. Systém pracuje tak, že přijme malé množství výparů do detektoru, tam jsou tyto výpary zahřáty, ionizovány a pak identifikovány podle plazmagramu. Citlivost detektoru: 10-50 pikogramů testovaných drog nebo výbušnin Doba analýzy: Výsledky jsou okamžité Kalibrace: Automatická Drogy: kokain, heroin, THC, amfetaminy, PCP a další Výbušniny: RDX, TNT, C4, PETN, dynamit, semtex, HMX, a další

47 Itemiser je přístroj pro vyhledávání úkrytů pašovaných zbraní a výbušnin teroristů nebo pro zamezení nezákonného převozu omamných látek. Systém umožňuje detekovat a identifikovat až 48 různých vzorků látek během několika sekund. Systém využívá patentované techniky spektrometrie řízené iontové pohyblivosti (Ion Trap Mobility Spectrometry - ITMS). Itemiser má možnost použít systém pro dálkový odběr vzorků tak, aby bylo možno prověřit libovolný povrch nebo dutinu mikroskopickou analýzou cestovních zavazadel, vozidel, kontejnerů a zjistí přítomnost a identifikuje drogový nebo výbušný materiál. Nedestruktivní vzorkovací technika je extrémně citlivá a jednoznačně identifikuje plný rozsah výbušnin a drog včetně semtexu, RDX, TNT, kokainu, heroinu, hašiše a mnoho dalších substancí. ITEMISER3 - Systém pro detekci a identifikaci výbušnin a narkotik

48 PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK ►R.A.P.I.D. (Ruggedized Advanced Pathogen Identification Device – Robustní polní přístroj k určování patogenů) je přenosný terénní vzduchový termický cyklovač pracující na principu měření fluorescence. Tento přístroj je schopen provést detekci PCR Polymerase Chain Reaction – Polymerázová řetězcová reakce) vloženého předprogramovaného patogenu za méně než 30 minut. ► Dva druhy testování: Screeningové testy analyzují všechny vzorky na přítomnost několika různých patogenů. Skupinové testy analyzují všechny vzorky na jeden organismus.

49 PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK ►Použití: V oblasti ochrany životního prostředí, pro složky integrovaného záchranného systému, v průmyslu, pro účely potravinářství a agrikultury, ve zdravotnictví, armádě a dalších odvětvích. ►Dostupné kity: BioThread Screening Kit, Pathogen Test Kit, Výcvikový/zkušební kit, IT 1-2-3 DNA Purification Kit, B.anthracis (Anthrax, Target 1), B.anthracis (Anthrax, Target 2), B.anthracis (Anthrax, Target 3), F.tularensis (Tularemia, Target 1), F.tularensis (Tularemia, Target 2), Y.pestis (Plague, Target 1), Y.pestis (Plague, Target 2), B.species (Brucellosis), L.monocytogenes (Listeriosis), E.coli O127, S.species (Salmonellosis), C.species (Campylobacter), C.botulinum type A (Botulism).

50 PŘÍSTROJE K DETEKCI BIOLOGICKÝCH LÁTEK ►RAZOR je ruční, přenosný, terénní, vyhřívaný analyzátor (detektor) patogenů. Je to bateriový termocyklovač s analyzačním a detekčním software, pracující v reálném čase. Princip činnosti je obdobný jako u přístroje R.A.P.I.D. ► Je malý, odolný a vhodný k použití v polních podmínkách. Dostupné kity: BioThread Screening Kit, Pathogen Test Kit, Výcvikový/zkušební kit, IT 1-2-3 DNA Purification Kit, B.anthracis (Anthrax, Target 1), B.anthracis (Anthrax, Target 2), B.anthracis (Anthrax, Target 3), F.tularensis (Tularemia, Target 1), F.tularensis (Tularemia, Target 2), Y.pestis (Plague, Target 1), Y.pestis (Plague, Target 2), B.species (Brucellosis), L.monocytogenes (Listeriosis), E.coli O127, S.species (Salmonellosis), C.species (Campylobacter), C.botulinum type A (Botulism).