分析气体混合物的方法和设备技术

公开一种采用化学传感器或化学传感器阵列分析、感知和测定多组分气体体系中各种不同气体，包括ＮＯｘ、烃类、一氧化碳和氧气的浓度的方法和设备。传感器和传感器阵列利用化学／电－活性材料来分析和检测气体的存在。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请要求享有2000年10月16日提交的美国临时申请60/240,619以及2000年11月09日提交的美国临时申请60/246,946的提交日期的权益。本专利技术是一种采用化学传感器和化学传感器阵列感知并分析多组分气体体系中某些气体，包括NOx、烃类、一氧化碳和氧气的方法和设备。该传感器和传感器阵列利用化学/电-活性材料检测多组分气体体系中个别气体的存在和/或计算其浓度。
技术介绍
利用化学感知器件检测某些气体的技术是已知的。曾做过许多尝试以便找出对某种特定气体具有选择性和灵敏的材料。例如，美国专利4,535,316公开一种测定氧气的电阻传感器。还可参见H.Meixner等人《传感器与执行器》B33(1996)198～202。显然，每一种待检测气体必须采用不同的材料。然而，当一种气体是多组分体系的一部分时，采用一种材料检测某种特定气体就有困难，因为该材料对混合物的各种不同组分具有交叉敏感性。多组分气体体系的一个例子是燃烧气体排放物，其中可包括氧气、一氧化碳、氮氧化物、烃类、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氢气、水蒸汽、卤素和氨。参见H.Meixner等人《Fresenius’分析化学杂志》，348(1994)536～541。在许多燃烧过程中，在各个不同行政管辖区需要确定气体排放是否符合联邦和州空气质量管制条例的要求。针对这一需要，已开发出几种类型气体传感器。参见US5,630,920，Friese等人，公开一种电化学氧传感器；US4,770,760，Noda等人，公开一种检测氧和氮氧化物的传感器；以及US4,535,316，公开一种测定氧的电阻传感器。若能仅根据气体与传感器直接接触产生的数据，不需要分离出混合物中的任何一种气体，就可同时检测诸如燃烧气体排放物之类的混合物中二或更多种组分，以计算出例如浓度，那将是有利的。现有技术诸方法目前尚不能满足这一需求。为检测食品或其他温度较低领域所释放的气体，已公开了许许多多传感器。参见K.Albert等人，《化学评论》200(2000)2595～2626。还公开了由几种未掺杂和掺杂氧化锡传感器组成的阵列，用于检测最高达450℃的各种燃烧气体。参见C.Di Natale等人，《传感器与执行器)》B20(1994)217～224；J.Getino等人，《传感器与执行器》B33(1996)128～133；以及C.Di Natale等人，《传感器与执行器》B23(1995)187～191。然而，在更高温度和高度腐蚀性、其中采用化学传感器监视燃烧气体的环境中，操作温度可能改变或妨碍传感器阵列的性能。如此，高温环境要求使用耐化学和热稳定并且保持对目标气体可测量响应的材料。关于温度对氧化锡基传感器阵列的响应的影响曾最高研究到450℃的操作温度。参见C.Di Natale等人，《传感器与执行器》B 23(1995)187～191。然而，要提供能够在诸如燃烧气体体系的操作中遇到的较高温度下直接监视多组分气体体系的气体排放的方法和设备，除了此前技术上已知的那些材料之外还需要另一些材料。满足这一需要将可以采用化学传感器来测定诸如汽车尾气之类的燃烧排放并确定这些排气是否符合各项功能的和强制的要求。另外，现已令人惊奇地发现，可用于高温气体，如汽车排放物的本专利技术方法和设备也可用于分析低温气体并具有同样效果。专利技术概述本专利技术提供一种直接感知多组分气体体系中的气体组分的方法，包括下列步骤(i)令包含至少两种化学/电-活性材料的阵列的化学传感器暴露于多组分气体体系，检测响应并直接测定每种化学/电-活性材料的响应。优选的是，化学/电-活性材料是一种半导体材料，而多组分气体体系是燃烧过程的排气。被测定的响应可以是电容、电压、电流、交流阻抗或直流电阻的测定值。本专利技术还提供一种用于直接感知多组分气体体系中气体组分的存在的化学传感器，包含基底(substrate)；所述基底上由至少两种化学/电-活性材料组成的阵列；以及用于检测所述化学/电一活性材料当暴露于该体系中所述分析物气体组分时所发出的响应的装置(means)。优选的是，该化学/电-活性材料是半导体材料，且多组分气体体系是燃烧过程的排气。被检测的响应可以是一种电性质，如电容、电压、电流、交流阻抗或直流电阻。该器件可另外包含外壳、用于测定检测到的响应的装置以及用于分析检测到的响应结果以确定分析物气体组分的存在和/或浓度的装置。本专利技术还提供一种直接感知多组分气体体系中气体组分的存在和/或浓度的化学传感器器件，包含基底；由沉积在所述基底上的至少两种化学/电-活性材料组成的阵列；用于检测所述化学/电-活性材料在暴露于所述多组分气体组分后电性质变化的装置；用于分析检测到的电性质变化的结果以确定所述气体组分的存在和/或浓度的装置；以及外壳。该化学/电-活性材料可以是半导体材料。在另一种实施方案中，本专利技术包括一种用于分析多组分气体混合物中至少一种单个气体组分的设备，包含(a)至少两种按并联电路连接的化学/电-活性材料组成的阵列，每种化学/电-活性材料在暴露于该单个气体组分后表现出与每种其他化学/电-活性材料不同的电响应特性；(b)用于确定每种化学/电-活性材料在该阵列暴露于气体混合物后的电响应的装置；(c)用于确定与化学/电-活性材料按并联电路连接的阵列的温度值的装置；以及(d)用于将该电响应和温度值数字化并从数字化的电响应和温度值计算数值以对单个气体组分实施分析的装置。在另一种实施方案中，本专利技术包括，在具有约400℃或更高温度的多组分气体混合物中，一种用于计算混合物中至少两种单个分析物气体组分的浓度的设备，它包含(a)由至少三种化学/电-活性材料组成的阵列，该阵列位于气体混合物中，且每种化学/电-活性材料在暴露于每种单个分析物气体组分后具有不同于每种其他化学/电-活性材料的电响应特性；(b)用于确定每种化学/电-活性材料在该阵列暴露于气体混合物未分离组分后的电响应的装置；以及(c)用于仅根据暴露于多组分气体混合物后化学/电-活性材料的电响应计算出每种单个分析物气体组分浓度的装置。在另一种实施方案中，本专利技术涉及，在温度等于或大于400℃的多组分气体混合物中，一种用于计算混合物中至少两种单个分析物气体组分的浓度的设备，它包含 (a)至少三种化学/电-活性材料按并联电路连接的阵列，该阵列位于气体混合物中，且每种化学/电-活性材料在暴露于每种单个分析物气体组分后表现出电阻变化，其中至少一种化学/电-活性材料，当在等于或大于400℃的温度时，(i)具有约1Ω-cm～约105Ω-cm范围的电阻率，并且(ii)在该材料暴露于一种分析物气体组分后，表现出，与暴露前电阻相比，至少约0.1％电阻变化；(b)用于确定每种化学/电-活性材料在该阵列暴露于气体混合物后的电阻变化的装置；以及(c)用于根据化学/电-活性材料的电阻变化计算出每种单个分析物气体组分浓度的装置。在另一种实施方案中，本专利技术涉及一种用于分析多组分气体混合物中至少一种单个分析物气体组分的设备，它包含(a)至少两种化学/电-活性材料组成的阵列，每种化学/电-活性材料在选择的温度下暴露于单个气体组分后具有不同于每种其他化学/电-活性材料的电响应特性，每种材料的电响应特性可定量为数值，其中至少一种材料的响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于分析多组分气体混合物中至少一种单个气体组分的设备，包含：（ａ）至少两种按并联电路连接的化学／电－活性材料组成的阵列，每种化学／电－活性材料在暴露于该单个气体组分后表现出与每种其他化学／电－活性材料不同的电响应特性；（ｂ）用于 确定每种化学／电－活性材料在该阵列暴露于气体混合物后的电响应的装置；（ｃ）用于确定与化学／电－活性材料按并联电路连接的阵列的温度值的装置；以及（ｄ）用于将该电响应和温度值数字化并从数字化的电响应和温度值计算数值以对单个气体组分实施分 析的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PA莫里斯，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]