[发明专利]测量和分类地下水中的碳氢化合物的水平剪切声表面波系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本实用申请涉及且要求于2015年7月2日提交的美国临时专利申请序列号62/187,902的优先权，其整体包含在此。

背景技术

本公开涉及碳氢化合物传感器领域。更具体地，本公开涉及用于检测在水性环境中的碳氢化合物的水平剪切声表面波(“SH-SAW”)系统。

用于燃料和油的地下储罐(“UST”)通常被使用，并且有时会容易发生意外的泄漏。据美国国家环境保护局报道，在美国近60万个联邦监管的UST存在，并且每年约有6000个泄漏被记录。因此，期望在UST附近检测和监视原地的地下水。

通常气相传感器被用于确定低水平的苯浓度。用于监视UST泄漏到水中的现有做法要求人员从站点手动收集样品，这可能是昂贵的，并将它们发送到另一个位置以便进行非现场气相分析。此外，在收集、样品灭菌、运输、储存和分析(通常跨越数日或数周的整个过程)期间被收集样品的完整性可能会很容易受到损害。简而言之，目前的监视方法是耗时的、劳动密集的并且昂贵的，使UST持续或频繁的监视是非常不切实际的。

可以使用包括声波、光学和电阻技术的各种传感器技术来执行有机化合物的检测。然而，以前的解决方案能够以所需的浓度水平检测一些相关分析物，但通常具有不足以以适当水平检测苯的检测限制。检测不充分的限制的一个解决方案是在测试之前对样品进行预浓缩。实施预浓缩溶液是具有挑战性的，这是因为必须加热预浓缩介质或装置以释放预浓缩样品；水相不允许过度加热。

开发一种更准确、快速且相对便宜的用于长期监视地下水的在原地传感器系统的需求明确地存在：碳氢化合物影响的地点的改进管理将需要频繁的分析，以提供浓度暂时变化的更好记录，根据其有时也可以推断空间浓度变化。这样的系统也将加强和改进补救措施功效的实时评估。传感器系统应能够识别和量化UST附近地下水中存在的至少一些有机化合物。

在汽油中存在的许多化合物中，苯、甲苯、乙苯和二甲苯(“BTEX”)由于其在水中的相对较高的溶解度而特别令人关注。此外，在BTEX化合物中，苯由于具有最高的水溶解度、使得其检测对于某些检测方法更具挑战性的因素而具有最低的聚合物/水分配系数。

识别和量化芳香碳氢化合物(诸如BTEX化合物，特别是苯)的任务是挑战性的，不仅因为较低的相关浓度，而且由于作为组的这些化合物的化学相似性及其他类似芳香化合物在地下水中的存在。一个特别的复杂因素是化学异构体的数量随着碳原子数和芳环周围的取代基位置的增加而增加。例如，在被取代苯系物中，甲苯是唯一的七碳异构体，但乙苯和三种二甲苯都是八碳化学异构体。由于它们非常类似的物理化学性质，并且还取决于所使用的传感器的性质，异构体通常表现出大致相同的灵敏度和响应时间。附加的干扰物也可能存在于地下水中，包括溶解盐、颗粒和沉积物、腐殖酸、溶解气体、脂族碳氢化合物、乙醚、酯类等。

发明内容

本文提出了一种传感器系统，其利用水平剪切声表面波(“SH-SAW”)装置的阵列，其涂覆有部分选择性聚合物并且与基于估计理论的定制信号处理相匹配，以便在存在通常被发现于地下水中的干扰物的情况下，检测和量化碳氢化合物(例如，BTEX化合物)。

目前公开的现场BTEX监视的方法是使用传感器阵列，其中每个传感器具有不同的部分化学选择性的涂层。当传感器、涂层和操作参数在这样的系统中被适当地设计和选择时，对特定分析物的总体阵列响应是独特的。分析物识别可以通过将阵列的每个元件的时间瞬变和信号幅度数据与估计理论相结合来进行，以便以更高的可靠性、改进的化学选择性(即使在存在干扰物的情况下)，更高的定量准确性、更短的时间来检测和量化BTEX化合物以收集响应数据(在报告结果之前使用不需要要被达到的平衡的方法)以及更短的数据处理时间。

在一个示例性实施例中，可以使用估计理论，特别使用一组卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器(EKF)接近实时地实现分析物检测和量化。在相关浓度范围内的传感器响应的分析建模使得能够使用具有相对较少假设的估计理论值。