גישה הפוכה ניתוח לאפיון כימי תחבורה בצבעים

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

במאמר זה, הליך לכימות הפרמטרים תחבורה ההמוני של כימיקלים בחומרים שונים מוצג. תהליך זה כרוך העסקת מודל דיפוזיה מבוססת הפוך-ניתוח לאדי פרופילי פליטה שנרשמו על ידי בזמן אמת, ספקטרומטריית מסה בואקום גבוה.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Willis, M. P., Stevenson, S. M., Pearl, T. P., Mantooth, B. A. An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints. J. Vis. Exp. (90), e51825, doi:10.3791/51825 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

היכולת לאפיין תחבורה כימית ואינטראקציות המתרחשות בתוך חומר ישירות (כלומר, דינמיקה מתחת לפני הקרקע) היא מרכיב חיוני בהבנת תחבורה המונית מזהם והיכולת לטהר חומרים. אם חומר מזוהם, לאורך זמן, הובלת כימיקלים רעילים ביותר (כגון מיני חומר לחימה כימית) מהחומר יכולה לגרום לחשיפת אדים או להעביר לעור, אשר יכול לגרום לחשיפת מלעורית לאנשים שאינטראקציה עם חומר. בשל הרעילות הגבוהה של חומרי לחימה כימיים, השחרור של כמויות כימיות עקבות הוא דאגה משמעותית. מאפייני הפצת ריכוז מתחת לפני הקרקע מיפוי והובלה של סוכנים נספגו מאפשרים סכנות חשיפה להיות מוערכות בתנאים שלא נבדקו. יתר על כן, ניתן להשתמש בכלים אלה כדי לאפיין את דינמיקת תגובה מתחת לפני הקרקע כדי לתכנן סופו של דבר decontaminants השתפר או נהלי טיהור. To להשיג מטרה זו, גישת דוגמנות תחבורה המוני ניתוח הפוכה פותחה אשר מנצלת מדידות ספקטרוסקופיה המונית זמן נפתרו של פליטת אדים מציפוי צבע מזוהם כפרמטר הקלט לחישוב פרופילי ריכוז מתחת לפני הקרקע. פרטים מסופקים על הכנת מדגם, כוללים זיהום וטיפול בחומר, היישום של ספקטרומטריית מסה למדידת אדים מזהמים נפלטים, והיישום של ניתוח הפוך תוך שימוש במודל דיפוזיה פיסיקה מבוססת כדי לקבוע מאפייני הובלה של חומרי לחימה כימית בשידור חי לרבות מים מזוקקים חרדל (HD) וגז העצבים VX.

Introduction

מנגנוני התחבורה המונית הקשורים לזיהום של חומרים על ידי חומרי לחימה כימיים מונעים על ידי מגוון רחב של תהליכים ומפותלים כולל מעברים פיזיים מדינה, אינטראקציות כימיות בין מינים ניידים, וממשקי חומרים. לפתח טכנולוגיות יעילות טיהור, נהלי טיהור מותאמים, ומודלי חיזוי, הוא חיוני, כי תהליך הזיהום מובן היטב, כולל התחבורה של מזהמים לחומרים באמצעות קליטה והפליטה הכימית שלאחר מכן בחזרה לסביבה. כתוצאה מכך, קיים הכרח כי גישות מפותחות שיכול להעריך את פרופילי ריכוז מתחת לפני הקרקע לזוגות מזהמים-חומר כפונקציה של תנאי סביבה. בקנה מידת רצף, מודל פיסיקה מבוססת פותחה כדי לחזות את התפלגות הריכוז של סוכן שקוע במצע מזוהם. פרמטרים תחבורה המוניים נגזרו באופן ניסיוני יאפשר החיזוי של tהוא אדי פליטה מתפקיד חומר החיטוי המזוהם. יכולת לחזות את חלוקת הריכוז בחומר יכולה להקל על הערכת סיכונים פוטנציאליים ואדים, בתורו, מאפשרת אבחון מדויק של מפגעי טוקסיקולוגי 1. גישה זו מאפשרת להערכת פרמטרים מזהמים מהותי זוג ספציפיים תחבורה המונית כגון ריכוז diffusivity ורוויה שבדוגמנות היתר תור לתרחישים ומצבים אחרים. במחקר זה, טפלנו בזיהום השלב הנוזלי של פיזור ממס, ציפויי צבע פוליאוריטן עם bis חומרי לחימה כימית (2-chloroethyl) גופרי (חרדל מזוקק, סוכן שלפוחית ​​HD) וO -ethyl S - [2 (diisopropylamino) methylphosphonothioate אתיל] (VX), גז עצבים organophosphate.

המתודולוגיה שפותחה מאפיינת פרופילי desorption גז מחומרים מזוהמים, כוללים חומרי לחימה כימית כמו HD וVX, ללארב של ההגבלות שתקשינה על גישות אחרות 2,3. מדידות ספקטרומטריית מסת זמן נפתרה אבולוציה מזהם ממצעים מזוהמים לאפשר למודל תחבורה diffusive עם ניתוח הפוך לחישוב פרמטרים תחבורה המוניים לזיהום בחומר, כוללים פרופיל הריכוז נספג לזיהום החל מאירוע החלחול המקורי. עם הקמתה של יכולת ניבוי להתוויית פרופילי ריכוז של מזהמים בחומרים כפונקציה של תנאי סביבה מגיעה היכולת להעריך סיכוני טוקסיקולוגי וסופו של דבר לפתח מסלולים לטיהור יעילה.

במאמר זה, את הפרטים הקשורים בהכנת מדגם מוצגים, לרבות עבודה עם מזהמי חומר לחימה כימית, כמו גם אוסף נתונים ניסיוני מחומרים מזוהמים ודוגמנות שלאחר מכן 4. ריצות ניסוי נערכו כיורדותribed במסמך המזהם הכימי ומקור decontaminant 5 ויידון בסעיף הבא. תרשים זרימה לשלבי הכנת מדגם וניתוח שבנכלל באיור 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1 מצעי צבע מצב לאיכות הסביבה הרצויה

  1. מראש את החדר הסביבתי למצע אוויר לטמפרטורה שנקבעה ולחות היחסית (20 מעלות צלזיוס, 50%). ודא שתנאי המצע נשמרים באופן עקבי מאז שתי טמפרטורה ותכולת מים יכולים להשפיע באופן משמעותי שיעורי ספיגה לחומרים.
  2. מעיל 0.32 ס"מ עובי, דיסקי רדיוס 5.08 סנטימטר נירוסטה עם שטח פנים של 20.25 2 סנטימטר עם שכבה של צבע (מערכת MIL-DTL-53039, ממס מסיס (SD) אליפטי פוליאוריטן ציפוי 6) עם סך הכל עובי ציפוי ( פריימר ומעיל עליון) של כ 100 מיקרומטר. מניחים את מצעים (עם מספר רצוי של משכפל) על מגשי נירוסטה עם משטח הבדיקה להיחשף לסוכן כימי יפנה כלפי מעלה.
  3. כסה מצעים עם צלחות פטרי. מניחים את המגשים המכילים את מצעי המבחן לתוך התא הסביבתי לפחות 60 מילn אבל באופן אידיאלי O / N, אם אפשר.

.2 זיהום של מצעים מותנים מראש

  1. ציוד דון מגן אישי כגון חלוק מעבדה, משקפיים בטיחות, וכפפות.
  2. זהירות: השג את המזהמים הכימיים מאחסון קר ולאפשר בקבוקון מיכל עיקרי לאזן לRT. הכימיקלים המשמשים בפרוטוקול זה הם כימית סוכן רגיל אנליטית עיון חומר (CASARM, טוהר 98.0%) HD כיתה וCASARM (89.0% טוהר גבוה) ציון VX (שניהם שלב נוזלי). לקבל מידע טוהר משתי כרומטוגרפיה תהודה או גז / ספקטרוסקופית מסה מגנטית גרעינית מנתח ולשמור על קובץ.
    הערה: זהירות: הטיפול בחומרי לחימה כימיים צריכה להתבצע רק על ידי אדם מיומן במסגרת שאושרה באמצעות אמצעי בטיחות, ביטחון, וערבות ישימות.
  3. זהירות: התאם את כלי משלוח הסוכן עם קצה פיפטה ולהגדיר את הכלי כדי לספק טיפה של סוכן (לדוגמא, μl 1). Uncapבקבוקון מזהם, ולמקם את הכובע על פני השטח מכסה המנוע, אשכולות פונים כלפי מעלה. להרים את פיפטה, ולהוריד את הקצה לפתרון הזיהום לאט. טען את כלי משלוח הסוכן עם סוכן בהתאם להוראות היצרן. מניח בעדינות את פיפטה הועמסה על משטח עבודה למכסה המנוע, ולסכם את הבקבוקון המזהם.
  4. זהירות: לזהם את מצעי המבחן.
    1. הסר את המגשים המכילים את מצעי מבחן מהתא הסביבתי.
    2. הסר את צלחות פטרי ממצעי המבחן, ולהגדיר על פני השטח מכסה המנוע. באופן דיגיטלי לצלם כל מצע בדיקה כדי להקליט את המראה של כל מצע לפני הזיהום.
    3. להרים את פיפטה הטעונה ולספק טיפה אחת (לדוגמא, μl 1) של סוכן על גבי מצע המבחן הראשון. כסה את החומר המזוהם בצלחת פטרי קלקר כדי למזער אידוי ואילו זיהום מצעים נוספים. חזור על פעולה עבור כל אחד מצע; טען מחדש את קצה פיפטה (STEP 2.3) במידת הצורך.
      הערה: איסוף דגימות אישור פיפטה לפני ואחרי המינון של מצעים לניתוח באמצעות כרומטוגרפיה כדי לאשר משלוח המוני מזהם.
    4. הסר את צלחות פטרי ממצעי הבדיקה ולהגדיר על פני השטח מכסה המנוע. באופן דיגיטלי לצלם כל מצע בדיקה כדי להקליט את האינטראקציות מזהמים-חומר הראשונית.
    5. כסה מצעי בדיקה עם צלחות פטרי.
    6. מניחים את המגש של מצעים בחזרה לתוך התא הסביבתי.

תקופת הזדקנות אינטראקציה .3 מזהם-חומר

  1. לפני הזדקנות הדגימות, לפרוק תא ניסוי ואקום גבוה הנירוסטה כדי להכין אותו לשימוש בסעיף 4.
  2. לאפשר מצעים המזוהמים לגיל בחדר הסביבתי לזמן שצוין, אשר יכול להיות מגוון המבוסס על הדינמיקה הכימית של חומר ההסביבה אינטראקציה (לדוגמא, 60 דקות).
  3. הסר מצעים מenvironmקאמרי ental ומניחים על משטח העבודה של מכסה המנוע. הסר את צלחות פטרי ממצעי המבחן ודיגיטליים לצלם כל מצע כדי להקליט את האינטראקציות מזהמים-חומר הודעה ההזדקנות.
  4. פעמיים להכיל את דגימות בדיקה (למשל, מיכלים אטומים מרובים) ולהעביר למכסה המנוע עובד עם תא ואקום גבוה.

.4 אבק גבוה מדידת החמקן פליטה קאמרית

תא הוואקום הגבוה הוא כלי נפח קטן נשאב על ידי משאבה טורבו מולקולרית גרירה ומשאבת גיבוי סרעפת (איור 2). ספקטרומטר מסת quadrupole הוא רכוב על יציאה באופן ישיר בפני בעל מצע בטמפרטורה מבוקרת ומשמש למדידת התפתחות גז בזמן אמת ממצעים מזוהמים בתנאי ואקום גבוהים. פרטים נוספים על מפרט תא הוואקום וחומרים כלולים בהתייחסות 4.

  1. ודא שהחדר פרק כראוי.
  2. זהירות: Unpackage הדגימות מוכנות בסעיף 3, ולהסיר צלחת פטרי ממצעי המבחן. מניחים מצע מבחן אחד לכל בעל מצע בטמפרטורה מבוקרת באמצעות פינצטה נירוסטה.
  3. לאטום את תא הוואקום ולהתחיל רצף המשאבה למטה. לבצע שלב זה באופן שהתא הוא ואקום בזמן גיל שצוין (לדוגמא, 60 דקות) ביחס לכאשר המצע היה מזוהם.
  4. להתחיל בהקלטת ערוצי בר המוניים שנבחרו כפונקציה של זמן (מדידה ישירה של שטף מסה) מזוהות עם מסה מסוימת לערכי תשלום יחידה (m / z). למדוד מיני גז רקע ספציפיים, בנוסף לברי המסה העיקריים מהמולקולות של עניין (VX: מ '/ z = 114; HD: מ' / z = 109) בזמן אמת ב< הרץ 0.25 עד הלחץ חלקי הזיהום יורד מתחת מגבלות זיהוי של ספקטרומטר המסה (10-8 Pa).
  5. לאסוף את עקומות פליטה למשך הפליטה של ​​מזהמים מהמצע.
  6. לעצור את הקלטת עקומות פליטה עם ספקטרומטר מסת פעם אחת השטף ההמוני המזהם ירד ל בסיס הלחץ קאמרי.
  7. Vent תא ואקום הגבוה ללחץ אטמוספרי.

.5 לאחר טיפול הערכה לזיהום סך נותרים

  1. פתח את המכשיר קאמרי פליטת אדי ואקום הגבוה (HVVEC) ולהסיר את המצע מהתא באמצעות פינצטה נירוסטה.
  2. מניחים את המצע לתוך צנצנת זכוכית חילוץ ולהוסיף 20 מ"ל של מיצוי בממסים לצנצנת (למשל, באלכוהול הרפואי: VX; כלורופורם: HD). מכסה את הצנצנת ולערבל את הצנצנת שלוש פעמים. השאר את המצע בממס החילוץ ל60 דקות.
  3. לערבל את הצנצנת שלוש פעמים שוב ואז מסיר את הפקק מעל הצנצנת. בעזרת פיפטה נקייה, חד פעמית, זכוכית, להעביר כ 1 עד 2 מ"ל של ממס חילוץ לבקבוקון אנליטיים לניתוח באמצעות גז או נוזלכרומטוגרפיה 7 למדוד את מסת המזהם שמורה בידי מצעים.

.6 ניתוח נתונים ודוגמנות

  1. המרת נתונים המוני גלם ספקטרומטריית (לחץ חלקי נגזר מיון הנוכחי נמדד) לשטף המוני מהמצע. השתמש בשילוב של נוסחת הרץ-קנודסן להמרת לחץ חלקי של מיני גז שאותרו לשטף אדי תקרית בגלאי וכולל גורם קנה מידה שמסביר את האזור המזוהם על פני המצע מאירוע הזיהום המקורי.
  2. השתמש בשיטות הפוכות (למשל, אלגוריתם לבנברג-Marquardt) כדי לקבוע את ערכי ריכוז הרוויה ודיפוזיה קבועים (פרמטרים תחבורה המוניים מפתח) למזהם באמצעות ציפוי הצבע. השווה את השטף בניסוי נקבע אדים לשטף אדים ניבא (פתרון אנליטי לחוק השני של Fick עם תנאי שפה מתאימים מיושמות (ראה משוואה 4 מהתייחסות 4)). השתמש בפרמטרי התחבורה ההמוניים לחזות את פרופילי ריכוז למערכת המזהם מהותית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הפנל העליון של דוגמאות איור 3 מציג את השטף מחושב ההמוני של VX ו HD ממצעים מצויר SD מבוסס על ספקטרומטריית מסת הזמן נפתרו לברי המסה העיקריים של VX ו HD (מסה ​​לתשלום יחס, מ '/ z = 114 ו109, בהתאמה). יש ספקטרומטר מסת quadrupole שלושה מרכיבים עיקריים: ionizer, מנתח המוני או מסנן, וגלאי תשלום. מיני גז מיוננים באמצעות יינון השפעת האלקטרונים (מקור אלקטרונים חם נימה סגנון), והיונים מיוצרים מוזרקים לתוך מסנן המוני quadrupolar בדרך להגעה לגלאי כוס או מכפיל האלקטרונים פאראדיי למדידת יון נוכחי (פרופורציונאלי ללחץ חלקי של גזים שנמדדו ). למכשיר המשמש בשיטה זו, ionizer היה ממוקם ב, קרבת קו ראייה אל פני השטח המצע קרוב (<סנטימטר 3.5) כך שמינים הנפלטים ממצע מזוהם (זווית פליטה הגיעה לשיא של נורמלי מצע) התגלו באופן מועדף ופסאודו באופן מיידי. היונים המרכיבים את היון הנוכחי בגלאם הצטרף לברי מסה (m) עם מדינת יינון ספציפי (z), הנובע מתהליך יינון השפעת האלקטרונים באמצעות סטנדרטים עצמאיים המוניים ספקטרומטריית ומסדי נתונים (לדוגמא, ספקטרום המוני NIST מסד הנתונים). השפע היחסי של יונים מסוימים שנוצרו באירוע יינון השפעת אלקטרונים הוא מולקולה ספציפית, וזהירות רבה נדרשת בהקצאת חתימה ספקטראלית המונית במיוחד עבור מולקולות גדולות יותר, כמו VX וHD, אשר רק לעתים רחוקות עוברות אירועי יינון או פיצול יחידים. לפני ניסויי זמן נפתרו בוצעו, ספקטרום מסה מלא לתנאי הכנת מצע מקביל נרשם כדי לאמת את הנוכחות ושפע יחסי של פסגות מ '/ z הספציפיות למינים שהוכנסו לתא הניתוח. אימות זה כלל המאשר כי עוצמת בר המסה העיקרית הצפוי לtהוא אנליטי של עניין לא היה ומפותל עם תרומות ממינים אחרים במערכת. מדידות הזמן נפתרו בניסויים הבאים אז נרשמו העצמה של פסגות מ '/ z ספציפיים כפונקציה של הזמן קשור עם analytes של עניין.

נתוני ספקטרומטריית מסת גלם הם בצורה של לחצים חלקיים של גזים כפי שנמדדו בionizer של ספקטרומטר. במחקר זה, ערכי לחץ חלקיים עבור HD הראשוני ושברי VX משמשים לחישובי השטף מבוססים על תקן חתך יינון חנקן ללא תיקון ליעילות פיצול מולקולה ספציפית אפשרית. כמפורט בפרוטוקול, שלב 6.1, מדידות לחץ חלקיות אלה בגלאי מומרות תחילה לשטף המוני באמצעות נוסחת הרץ-קנודסן המתייחסת:

משוואת 1 Equation 1

בי det N, i, הוא שטף אירוע מולקולרי, אני P, נמדד לחץ חלקי (Pa), מ 'היא המסה המולקולרית של המינים (ז / מולקולה), k הוא קבוע בולצמן (J / K), וT הוא טמפרטורת החדר (K). לאחר מכן, על מנת לקבוע את השטף מהמשטח המזוהם, ג N, שטף המסה נמדד בגלאי, det N, i, היא מכפלה של היחס של שטח גלאי ספקטרומטר מסה (אזור חתך רוחב של מקביל גלאי ל מזוהם משטח) לאזור של זיהום על פני השטח:

משוואה 2 משוואה 2

בי Det הוא האזור של גלאי וג הוא האזור המזוהם עלהמצע. הנתונים שמוצגים בפנל העליון של איור 3 התמקדות במשטר הזמן הקשורים בתחבורה ההמונית diffusive למינים שמקורם בתת הקרקע של המצע. מדידות לפני ספקטרומטריית מסה הוכיחו כי שני טיפות HD VX ולא נשארו נייחים על SD-הצבע עם נוזל בכמות גדולה שיורית על המצע לפני כניסתה לואקום; האזור המזוהם הסופי הממוצע לVX וHD היה 2.6 ± 0.1 ו5.9 ± 0.6 2 סנטימטר, בהתאמה. משטר זמן הקדום (<1,000 שניות) נתונים אינם כלולים בחלקות אלה, אשר מושפעים בחלקו על ידי איזון ספקטרומטר מסה לפעולת ionizer בלחצים חלקיים גבוהים יחסית, כמו גם desorption של זיהום נוזל בכמות גדולה, כי הוא לכוד או בחולשה קשורה על פני השטח של המצע. נתונים להפגין משטר מוגבל דיפוזיה שמתחיל בירידה הדרגתית בשיעור שטף המוני והוא המקור של הנתונים המשמשים לאמידת פרמטר של diffuתחבורת sive ממתחת לפני הקרקע של המצע המזוהם. ההגדרה של המעבר במשטרים אושרה על ידי מדידת אידוי של VX ונוזל HD הופקד על מצעי זכוכית בורוסיליקט (חומר בלתי חדיר), שהראה שיעור אידוי קבוע עבור שני VX וHD עד שהנוזלים שהופקדו היה מדולדלים. לצורך המחשת האינטראקציות השונות המרכיבות את המערכת המורכבת תחת מחקר, הפנל התחתון באיור 3 מציג את אותות הרקע נמדדו ממצע צבע מזוהם. שים לב להתפתחות בזמן שאינו מונוטונית כמו גם צירוף מקרים של תכונות על פני פרופילי מינים. כמדידות נרשמות בתנאי ואקום, כל אחד מהמינים שנלכדו במצע הצבע מסוגל לשדר החוצה של הציפוי. תצפית זו ממחישה את האפשרות שהשיעור של שטף מתוך המצע (הפרופורציונלי ללחץ חלקי) מסה יכול להיות מושפע על ידי השפע היחסי של עכברושדואר של דלדול של מינים אחרים בציפוי, כוללים ממסים מים וצבע.

הערכת פרמטר בוצעה באמצעות שטף פליטת אדים מוגבל דיפוזיה. הכושר המחושב, שהוא פתרון אנליטי לחוק השני של Fick של דיפוזיה, מאפשר הקביעה של רוויה וקבועה diffusivity לשילובים המזהמים-חומר הספציפי 8. פליטת אדים, ובכלל זה את גודל השטף ההמוני, כמו גם את שיעור שינוי של השטף ההמוני הזמן, מחומר מונעת על ידי הפצת הזיהום ביחס לחומר, כמו גם פרמטרים הקשור להובלה עם הזיהום בחומר 9- 11. אם ההפצה של זיהום ידוע, ולאחר מכן את שטף המזהמים מהחומר ניתן לחזות 1. בניגוד לכך, אם שטף פליטת אדים נמדד (בדומה להליך הניסוי שתואר במסמך זה), הפצת הריכוז במצע וTranspהפרמטרים אורט ניתן לקבוע; טכניקה המכונית גם ניתוח הפוך 12,13. בניסוי זה, ביטוי לשטף אדים מהמצע ניתן לגזור באמצעות פתרון חד ממדי (1D) אנליטיים לחוק השני של Fick לפרופיל הריכוז המזהם בעובי ציפוי סופי, בהנחת תחבורה ההמונית diffusive 4,13. איור 4 ממחיש את תנאי שפה שונות הקשורים להגבלת הפתרון אנליטי לדיפוזיה מולקולרית בעובי ציפוי קליטה סופי. הפרטים מלאים של החישוב מתועדים במקום אחר 4, והתוצאות מסוכמות בטבלה 1.

הפרמטרים התחבורה ההמוניים מוערכים ממדידות שטף האדים יושמו כדי לחזות את הפצת זיהום ריכוז והתפתחות בתוך ציפוי צבע SD. תוצאה זו כלולה המייצגת את שדה הריכוז על הickness של הצבע בתחילת דיפוזיה של החומר המזהם אל מחוץ לציפוי הצבע (לאחר אידוי נוזל בכמות גדולה מהשטח). הפנל העליון של איור 5 מדגים תוצאות סימולציה להפצת הריכוז המרחבי תלויה של HD או VX בציפוי צבע SD. למרות שהציפוי נספג מסה גבוהה יותר של HD, כפי שצוין על ידי ריכוז הרוויה גדול יותר מפורט בטבלה 1, שהוא יותר מקומי קרוב לפני השטח של המצע לעומת VX. הפנל התחתון של איור 5 ממחיש את שטף אדים כתוצאה מחומרים המזהמים מהצבעים, אשר יכול להניב סכנות בריאותיות לאנשים בסביבתו של החומר. ההבדלים בתופעות מעבר בין HD ו VX להוכיח כי אינטראקציות מולקולאריים יכולות לשנות את התחבורה של קליטת מולקולות באמצעות מערכות הצבע כדי ליצור הפצות שונות.

FO איור 1 הכנת תשתית ותרשים זרימת מדידה הממחישה את שלבים לנפשיים מראש, זיהום, הזדקנות, ומדידת הפליטה הבאה של סוכן ממצעים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2 סכמטי של תא פליטת אדי ואקום הגבוה. מצעים מועמסים על בעל מצע בטמפרטורה מבוקרת באופן ישיר בפני ספקטרומטר מסת quadrupole. התא יש לחץ בסיס (אין מצע הטעון) של <10-7 אבא ונשאבעל ידי משאבה לגרור מולקולרית טורבו שנתמכת על ידי משאבת גיבוי סרעפת. מצעים הם הציגו עם תא הוואקום פרק, ומדידות של זרימה המונית בספקטרומטר המסה תחלנה ברגע שהמערכת נשאבת במורד <10-2 אבא. קוטר מצע משמש כנקודת התייחסות בקנה מידה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
שטף VX (כחול) ו HD (אדום) מחושב ממצעים המבוססים על מדידה ניסיונית של פליטת אדים ממצעי ציפוי עמיד סוכן הכימי SD מזוהם: איור 3 למעלה. הלחץ החלקי (הנגזר מיון הנוכחי) הנמדד בספקטרומטר המסה של שברים העיקריים לאנליטי נתון (VX : מ '/ z = 114; HD: מ '/ z = 109) יכול להיות קשור ישירות לשטף המסה המקורי מהמצע, בהנחת איתור קו ראייה של מינים הנפלטים מהחומר. הנתונים המוצגים הם למשטר התחבורה ההמוני המוגבל בדיפוזיה רק כאשר בתפזורת, נוזל מזהם הנכנס משטח יש desorbed תחתון:. מדידות לחץ חלקי רקע למיני גז הנפלטים על ידי מצע צבע מזוהם. לצורך המחשת המורכבות של המערכת הנחקרת, הפרופילים מלאים הזמן לפתור כלולים מנקודת איסוף נתונים (כאשר בסך הכל לחץ קאמרי ירד מתחת 10 הראשונית - 2 אבא, השלב המוקדם ביותר שבו ספקטרומטר המסה יכול להקליט ). מפתח הצבע ממחיש ערכים מ '/ z ספציפיים שמתאימים לזיהו מינים שזוהו.

עומס / 51,825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
הגדרת איור 4 קליטת diffusive המולקולרית 1D נשלטת על ידי החוק של Fick, כוללים תנאי שפת הגדרת משתנים:. תת C, ריכוז של חומר מזהם במצע; תת C, ישב, ריכוז הרוויה; z, מרחק לאורך העובי של הציפוי הקולט ; D תת, diffusivity של זיהום בציפוי; תת t, עובי של ציפוי הצבע. למודל המתאר את המדידה תחת ואקום להתפתחות זיהום מהמצע, המודל מניח כי בz = 0, לא יהיה ממשק ואקום ציפוי, הנקודה שבה שולטת תחבורה מוגבלת דיפוזיה. הצורה של הפתרון אנליטי לחוק של Fick עם תנאי שפה אלה והשימוש הבא שלה עם חישובי ניתוח הפוכים מפורטות בrefereפליטות 4.

איור 5
איור 5 למעלה: מחושב פרופילי ריכוז משטף המוני בניסוי שיקבע ממצעי צבע עבור כל סוכן כפונקציה של עומק ציפוי צבע באמצעות ניתוח הפוך. הפרופילים משקפים את ההתפלגות בנקודה שבי שטף האדים מהחומר המזוהם לבוא אך ורק ממתחת לפני הקרקע והוא נקבע על ידי תחבורה ההמונית diffusive. בסך הכל, במקרה זה, יותר מסת HD נספג ועושה זאת בחלק דק יותר של סרט הצבע בהשוואה לVX. הבדל זה בא לידי ביטוי בערכי מקדם ריכוז הרוויה ודיפוזיה המחושבים תחתון:. פרופילי שטף מחושב אדים המבוססים על פרופילי ריכוז נקודת התחלה בחלק העליון של הדמות. , שטף האדים תלוי הזמן מחושב תואם את expנתונים erimental שמוצגים באיור 3 בכל קשור לניבוי את ההבדל היחסי בהתפתחותו של כל סוכן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

סוכן Diffusivity (מ '2 / ים) רוויה (ג / מ 3)
VX 9.91 ± 0.07 × 10 -14 5.32 ± 0.03 × 10 4
HD 2.11 ± 0.04 × 10 &# 8211; 14 1.17 ± 0.01 × 10 5

תוצאות טבלת 1 תחבורה המונית הערכת הפרמטר לVX וHD אינטראקציה עם צבע SD. לוח מותאם מהתייחסות 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פרמטרים תחבורה המוניים לHD וVX בצבע נקבעו באמצעות הניתוח ההפוך המספרי של נתוני פליטת אדים. עם פרמטרים מחושבים, אפשר היה אז כדי לייצר מפות מפל ריכוזים תלויי זמן להפצת זיהום בציפוי הצבע. תוצאות הניתוח ההפוכה הוכיחו כי המסיסות של HD בצבע SD הייתה גבוהה יותר מאשר VX, אבל diffusivity היה כ 5x נמוך יותר. מהתוצאות עולות כי זיהום HD היה מרוכז מאוד על פני השטח של הציפוי, ואילו פרופיל זיהום VX חדר דרך ציפוי צבע SD. לכן, דרישות טיהור לצבע SD תהיינה שונות המבוססות על המזהמים הכימיים. יישומים של שיטה זו מספקים הבנה בסיסית של קליטת מזהמים לחומרים וסופו של דבר, כלי ניבוי לאפיין את התנגדות הזיהום של חומרים.

למרות שהעבודה מוצגת here הראה הבטחה, יש מספר רב של גורמים שצריכים להתחשב במערכות כמו אלה שמהותו מכילות הרבה אינטראקציות סבוכות. להרחיב את הגישה הזאת לעוד יותר מזהם מהותי מערכות לתנאים סביבתיים שונים ידרוש הערכה מתמשכת של השפעות על מדידות שטף המוניות. השפעות אלה כוללות desorption של מינים רבים מהתפזורת, מלבד analytes של ריבית כרמז באיור 3, אשר עשוי או לא עשוי לשנות את הדינמיקה ההמונית תחבורה ביחס לתנאים סביבתיים אחרים. לדוגמא, סביבת מדידת הוואקום עלולה לגרום לשינוי בהרכב ספג והתוכן (לדוגמא, מים וממסים אורגניים אחרים הקשורים לצבע) בהשוואה לתנאי לחץ סביבתיים שיכול בתורו לשנות את פרופיל האבולוציה המזהם.

יישום של הטכניקה למערכות כימיות מתמשכות ביותר הדורשות טווח דינמי גדול יותר לpressu החלקימחדש מדידות עשויות לדרוש הערכה של רגישות מכשיר בכל הקשור ליחסים בין לחץ קאמרי ויון נוכחי נמדד. לעומת זאת, יישום של הטכניקה למינים כימיים נדיפים או תגובתי עשוי לדרוש שיקול זהיר של הזמן בין פינוי חדר ואיסוף נתונים (שלבים 4.3 ו4.4) כדי להבטיח נתונים שטף המוני קיימא.

לבסוף, ייתכן שיש מנגנונים אחרים 14-16 ששולטים תחבורה המונית, כגון תחבורה נקבובית ודיפוזיה ההדדית או הצורך לתת דין וחשבון לטבע רב שכבתי של ציפויי צבע כמו פריימר ושכבות מעיל העליונים. כל השפעות אפשריות אלה בכל הקשור לאפיון מזהם כיום חלק ממחקרים מתמשכים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש לי המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים לד"ר ווס גורדון (ECBC) לתמיכה בעיצוב מכשיר. עבודה זו מייצגת את התוצאות המצטברות משתי תוכניות מחקר מומנו על ידי אריק לוינשטיין ומיכאל רוברטס (איום ביטחון הפחתת סוכנות) תחת CA08MSB317 תכנית. ניתן להשיג הדוחות הטכניים צוטטו במסמך זה בhttp://www.dtic.mil.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Stainless Steel Tray McMaster Carr 4189T1 13-5/8" L x 9-3/4" W, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp
MIL-DTL-53039 solvent-dispersible aliphatic polyurethane coating system Substrates supplied by internal source
Environmental Chamber Custom Design. Full details on vacuum chamber specifications and materials included in reference 4.
bis(2-chloroethyl) sulfide CASARM TOXIC
O-ethyl S-[2-(diisopropylamino)ethyl] methylphosphonothioate CASARM TOXIC
Pipetter Fisher Scientific 22260201 Range of 1.0 µl to 10 ml
Pipetter Tips Fisher Scientific 13-683-709 0.1 ml Volume
Stainless Steel High Vacuum Experimental Chamber Custom Design
Quadrupole Mass Spectrometer ExTorr RGA300
Stainless Steel Tweezers McMaster Carr 5516A15 Any stainless steel tweezers are appropriate.
Glass Extraction Jar Scientific Specialties 170808 Jar fits a ~5 cm diameter substrate. Different glass jars with teflon lined lids are appropriate for different sized substrates.
Chloroform Sigma-Aldrich 650498 HARMFUL. The extraction solvent for HD may change depending on the analytical method.
Isopropanol Sigma-Aldrich 650447 HARMFUL. The extraction solvent for VX may change depending on the analytical method.
Pasteur Pipette VWR 14673-010 size = 5 3/4"

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Willis, M. P., Mantooth, B. A., Lalain, T. Novel Methodology for the Estimation of Chemical Warfare Agent Mass Transport Dynamics, Part II: Absorption. J. Phys. Chem. C. 116, 546-554 (2011).
  2. Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
  3. Taviera, P., Mendes, A., Costa, C. On the Determination of Diffusivity and Sorption Coefficients Using Different Time-lag Models. J. Membr. Sci. 221, 123-133 (2003).
  4. Willis, M. P., Gordon, W. O., Lalain, T. A., Mantooth, B. A. Characterization of Chemical Agent Transport in Paints. J. Hazard Mater. 260, 907-913 (2013).
  5. Lalain, T., Mantooth, B., Shue, M., Pusey, S., Wylie, D. The Chemical Contaminant and Decontaminant Test Methodology Source Document. Second Edition. Report No. ECBC-TR-980. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. Aberdeen Proving Ground, MD. (2011).
  6. MIL-DTL-53039B: Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant. U.S. Army Research Laboratory, Weapons and Materials Research Directorate, Materials Applications Branch, Specifications and Standards Office. Aberdeen Proving Ground, MD. (2005).
  7. Shue, M., et al. Low-Level Analytical Methodology Updates to Support Decontaminant Performance Evaluations. Report No. ECBC-TR-883. Aberdeen Proving Ground, MD. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. (2011).
  8. Schwope, A. D., Klein, J. M., Sidman, K. R., Reid, R. C. Sorption-Desorption Phenomena of Chemicals from Polymer (Paint) Films. J. Hazard. Mater. 13, 353-367 (1986).
  9. Li, F., Niu, J. Control of Volatile Organic Compounds Indoors - Development of an Integrated Mass-Transfer-Based Model and Its Application. Atmos. Environ. 41, 2344-2354 (2007).
  10. Li, F., Niu, J., Zhang, L. A Physically-Based Model for Prediction of VOCs Emissions from Paint Applied to an Absorptive Substrate. Build. Environ. 41, 1317-1325 (2006).
  11. Li, F., Niu, J. L. Simultaneous Estimation of VOCs Diffusion and Partition Coefficients in Building Materials via Inverse Analysis. Build. Environ. 40, 1366-1374 (2005).
  12. Li, F., Niu, J. L. An Inverse Technique to Determine Volatile Organic Compounds Diffusion and Partition Coefficients in Dry Building Material. Heat and Mass Transfer. 41, 834-842 (2005).
  13. Li, F., Niu, J. L. An Inverse Approach for Estimating the Initial Distribution of Volatile Organic Compounds in Dry Building Material. Atmos. Environ. 39, 1447-1455 (2005).
  14. Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
  15. Goossens, E. L. J., van der Zanden, A. J. J., Wijen, H. L. M., van der Spoel, W. H. The Measurement of the Diffusion Coefficient of Water in Paints and Polymers from Their Swelling by Using an Interferometric Technique. Prog. Org. Coat. 48, 112-117 (2003).
  16. Arya, R. K., Vinjamur, M. Measurement of Concentration Profiles Using Confocal Raman Spectroscopy in Multicomponent Polymeric Coatings-Model Validation. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3906-3918 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics