Способ разделения и регистрации ионов в газе

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе. Изобретение может быть также использовано как основа для газохроматографического детектирования. Ионы веществ разделяют с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в ограниченном протяженными электродами потоке газа, имеющего температуру, зависящую от температуры окружающего воздуха. Производят варьирование однонаправленного электрического поля и регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков. Предварительно при заданной температуре газа для пика ионов калибровочного вещества известной концентрации определяют амплитуду и параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение. С помощью подбора амплитуды несимметричного по полярности электрического поля и скорости потока газа задают баланс между амплитудой пика и обратной величиной параметра. При изменении температуры газа в процессе функционирования для поддержания баланса изменяют скорость потока газа. Изобретение обеспечивает возможность повышения стабильности аналитических характеристик при изменении в широких пределах рабочей температуры окружающей среды. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе. Изобретение может быть также использовано как основа для газохроматографического детектирования.

Известен способ разделения и регистрации ионов в газах, включающий разделение смеси ионов различного типа в газе с помощью знакопеременного периодического несимметричного по полярности электрического поля, регистрацию разделенных ионов [а.с. СССР №966583, опубл. 15.10.1982]. Разделение ионов происходит вследствие различия их подвижности в полях малой и высокой напряженностей.

Недостатком этого технического решения является низкая избирательность типов ионов вследствие их диффузионного расплывания в пространстве разделения, заполненном газом.

Известны способы разделения и регистрации ионов в газах, включающие разделение смеси ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, варьирование однонаправленного электрического поля, транспортировку разделенных ионов на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов [патент РФ №1485808, опубл. 10.06.98; патенты США: №6504149, опубл. 26.09.02; №6653627, опубл. 13.03.03; №6639212, опубл. 28.10.03; №6774360, опубл. 27.03.03; №6972407, опубл. 06.12.05; №7005632, опубл. 20.05.04; №7355170, опубл. 08.04.08].

Основным недостатком данных технических решений является сильная зависимость параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение, и амплитуды ионных пиков веществ от температуры окружающей среды. Как следствие этого, нестабильность аналитических характеристик: при пониженной рабочей температуре наблюдается низкое разрешение, а при повышенной - низкая чувствительность.

Известен способ разделения ионов в газе, включающий нагрев и поддержание при постоянной температуре потока дрейфового газа, содержащего смесь ионов различного типа, разделение смеси ионов в этом потоке, ограниченном протяженными электродами, с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей, изменение однонаправленного электрического поля, транспортировку разделенных ионов на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков [патент США №6495823, опубл. 17.12.2002].

Недостатком данного технического решения является высокая степень рекомбинации ионов на электродах, вызванная большой величиной коэффициента диффузии при повышенной температуре. Следствием этого является низкая чувствительность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ разделения и регистрации ионов в газах, включающий разделение смеси ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в ограниченном протяженными электродами потоке газа, имеющего температуру, зависящую от температуры окружающей среды, варьирование однонаправленного электрического поля, транспортировку разделенных ионов на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков [патент США №5420424, опубл. 30.05.95].

Основными показателями каждого ионного пика являются амплитуда и параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение. Таким параметром может служить собственно среднее квадратическое отклонение, ширина пика на половине высоты, ширина основания пика и т.п. Недостатком данного технического решения является нестабильность аналитических характеристик, обусловленная сильной зависимостью параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение, и амплитуды ионных пиков веществ от температуры газа, зависящей от температуры окружающей среды. При пониженной температуре будут наблюдаться высокие значения этих величин, при повышенной температуре - низкие. Поскольку чувствительность пропорциональна амплитуде ионного пика, а разрешение обратно пропорционально указанному параметру, то, соответственно, при пониженной температуре будут наблюдаться высокая чувствительность и низкое разрешение, а при повышенной - низкая чувствительность и высокое разрешение.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа разделения и регистрации ионов в газе, позволяющего повысить стабильность аналитических характеристик при изменении в широких пределах рабочей температуры окружающей среды.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе разделения и регистрации ионов в газе, включающем разделение ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в ограниченном протяженными электродами потоке газа, имеющего температуру, зависящую от температуры окружающей среды, варьирование однонаправленного электрического поля, транспортировку разделенных ионов на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, согласно заявляемому техническому решению предварительно при заданной температуре газа для пика ионов калибровочного вещества известной концентрации определяют амплитуду и параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение, и с помощью подбора амплитуды несимметричного по полярности электрического поля и скорости потока газа задают баланс между амплитудой пика и обратной величиной параметра, а при изменении температуры газа в процессе функционирования для поддержания баланса изменяют скорость потока газа.

Знакопеременное периодическое несимметричное по полярности электрическое поле имеет пространственный градиент.

Предварительно для пика ионов калибровочного вещества при малой амплитуде несимметричного по полярности электрического поля определяют значение параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение, а в процессе функционирования при изменении температуры газа скорость его потока изменяют обратно пропорционально изменению величины (wu-w0), где wu и w0 параметры, характеризующие среднее квадратическое отклонение пика ионов калибровочного вещества при подобранной и малой амплитудах несимметричного по полярности электрического поля соответственно.

Коэффициент пропорциональности между обратной величиной (wu-w0) и скоростью потока газа определяется степенью фокусировки в электрическом поле, имеющем пространственный градиент: чем больше степень фокусировки, тем меньше коэффициент пропорциональности.

В качестве калибровочного вещества в отрицательной ионной моде используют любое из веществ: 1,3-динитробензол, 2,4-динитротолуол, 1,3,5-тринитробензол, 2,4,6-тринитротолуол, пара-мононитротолуол, диметилдинитробутан, нитроглицерин, пентаэритритол тетранитрат, йод; в положительной моде - 2,4-лутидин, диметилметилфосфонат, диизопропилметилфосфонат, трибутилфосфат, трибутиламин, диметиланилин, диэтиланилин, дифениламин.

При изменении температуры газа, обусловленной изменением рабочей температуры окружающей среды, изменение скорости потока газа с целью поддержания баланса между амплитудой и обратной величиной параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение пика калибровочного вещества, позволяет поддерживать баланс между чувствительностью и разрешением, т.е. повысить стабильность аналитических характеристик при изменении в широких пределах рабочей температуры окружающей среды.

Преимущества настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 - спектры (спектр - зависимость ионного тока (I, А) от величины однонаправленного напряжения (UC, В), при приложении которого возникает однонаправленное электрическое поле ионов 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) в воздухе при температурах 275, 285, 295, 305 и 315 К: а) скорость потока Q=25 см3/с; б) скорость потока Q=15, 20, 25, 35, 50 см3/c. Амплитуда знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения UC=-4300 В; поток паров ТНТ СТНТ≈3×10-11 г/с; ширина пика ТНТ на половине высоты при малой амплитуде несимметричного по полярности электрического поля и Q=25 см3/с равна w0 ТНТ=0.3 В (не показано).

Фиг.2 - зависимости отношения амплитуды (Ia) ионного пика ТНТ к величине (1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)) от температуры газа (воздух) Т: (а) для способа прототипа; (б) для предлагаемого технического решения.

Фиг.3 - зависимости отношения чувствительности (S) к разрешению (R) для ионов ТНТ от температуры газа (Т): (а) для способа прототипа; (б) для предлагаемого технического решения.

Диффузия, характеризуемая коэффициентом диффузии (D), является основной причиной рассеивания ионов в объеме газа и рекомбинации их на стенках ограничивающего сосуда. Коэффициент диффузии (D) зависит от плотности газа, а плотность, в свою очередь, является функцией температуры. Чем больше температура газа, тем меньше его плотность, следовательно, больше коэффициент диффузии. Кроме того, при транспортировке ионов потоком газа, имеющего постоянную температуру, вдоль протяженных электродов их рассеивание и степень рекомбинации на электродах определяется временем транспортировки: чем больше время, тем больше рассеивание и степень рекомбинации. Рассеивание приводит к увеличению размера ионного облака и, следовательно, уменьшению разрешения, а рекомбинация на электродах - к уменьшению ионного тока и падению чувствительности. Варьирование скорости потока позволяет управлять указанными процессами и аналитическими характеристиками.

На фиг.1а приведены спектры ионов ТНТ в воздухе при скорости потока Q=25 см3/с и температурах 275, 285, 295, 305 и 315 К. Разделение ионов проводили с помощью периодического несимметричного по полярности электрического поля, имеющего пространственный градиент, амплитуда знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения была равна Uc=-4300 В, поток паров ТНТ СТНТ≈3×10-11 г/с, ширина пика ТНТ на половине высоты при малой амплитуде несимметричного по полярности электрического поля и Q=25 см3/с была равна w0 ТНТ=0.3 В и практически не зависела от температуры. Как видно из рисунка, при увеличении температуры амплитуда ионного пика (Ia) и ширина на половине высоты (wu ТНТ), являющаяся одним из возможных параметров, характеризующих среднее квадратическое отклонение пика, уменьшаются. В частности, для пика ТНТ при увеличении температуры на 40 градусов (с 275 К до 315 К) амплитуда Ia уменьшилась в 6.5 раза, a wu ТНТ в 3 раза. На фиг.1б приведены спектры ионов ТНТ в воздухе при тех же условиях и температурах 275, 285, 295, 305 и 315 К, что и на фиг 1а, но при скоростях потока Q=15, 20, 25, 35, 50 см3/с соответственно. Значения Ia и wu ТНТ изменялись не более чем в 1.2 раза. Баланс между амплитудой пика и обратной величиной параметра (1/wu ТНТ) задавали при Uc=-4300 В, Q=25 см3/с и T=295 К. Поскольку в экспериментах использовали электрическое поле, имеющее пространственный градиент, скорости потока (Q) выбирали пропорционально изменению величины (1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)), вычисленной из спектров фиг.1а.

На фиг.2 показаны зависимости отношения амплитуды (Ia) ионного пика ТНТ к величине (1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)) от температуры газа Т, построенные: (а) для способа прототипа по спектрам фиг.1а; (б) для предлагаемого технического решения по спектрам фиг.1б. На фиг.3 даны зависимости отношения чувствительности (S=IaТНТ, К/моль) к разрешению (R=UC ТНТ/wu ТНТ, отн. ед.) ионного пика ТНТ от температуры газа Т, построенные: (а) для способа прототипа по спектрам фиг.1а; (б) для предлагаемого технического решения по спектрам фиг.1б. Сравнение графиков на фиг.2 и 3 демонстрирует, что, во-первых, поведение зависимостей Ia/(1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)) от Т с высокой степенью точности отражает поведение зависимостей S/R от Т; во-вторых, при использовании способа прототипа (графики (а) на фигурах 2 и 3) наблюдается сильная зависимость балансов величин Ia/(1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)) и S/R при изменении температуры газа, в то время как при использовании предлагаемого технического решения (графики (б) на фигурах 2 и 3) при изменении в широких пределах температуры газа, вследствие изменения рабочей температуры окружающей среды, наблюдается высокая стабильность как баланса величин Ia/(1/(wu ТНТ-w0 ТНТ)), так и баланса аналитических характеристик S/R. Стабильность баланса S/R при изменении температуры газа свидетельствует о стабильности каждой аналитической характеристики.

Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу, так как может быть выполнена на оборудовании, используемом в прототипе. Для этого необходимо, чтобы программа обработки спектра устройства регистрации определяла параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение ионных пиков; генератор переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, помимо рабочей величины амплитуды электрического поля, обеспечивал генерацию малой амплитуды электрического поля; имелось устройство управления скоростью потока газа, связанное с устройством регистрации указанного параметра.

1. Способ разделения и регистрации ионов в газе, включающий разделение ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в ограниченном протяженными электродами потоке газа, имеющего температуру, зависящую от температуры окружающего воздуха, варьирование однонаправленного электрического поля, транспортировку разделенных ионов на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, отличающийся тем, что предварительно при заданной температуре газа для пика ионов калибровочного вещества известной концентрации определяют амплитуду и параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение, и с помощью подбора амплитуды несимметричного по полярности электрического поля и скорости потока газа задают баланс между амплитудой пика и обратной величиной параметра, а при изменении температуры газа в процессе функционирования для поддержания баланса изменяют скорость потока газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что знакопеременное периодическое несимметричное по полярности электрическое поле имеет пространственный градиент.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что предварительно для пика ионов калибровочного вещества при малой амплитуде несимметричного по полярности электрического поля определяют значение параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение, а в процессе функционирования при изменении температуры газа скорость его потока изменяют обратно пропорционально изменению величины (wu-w0), где wu и w0 параметры, характеризующие среднее квадратическое отклонение пика ионов калибровочного вещества при подобранной и малой амплитудах несимметричного по полярности электрического поля соответственно.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что коэффициент пропорциональности между обратной величиной (wu-w0) и скоростью потока газа определяется степенью фокусировки в электрическом поле, имеющем пространственный градиент: чем больше степень фокусировки, тем меньше коэффициент пропорциональности.

5. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве калибровочного вещества в отрицательной ионной моде используют любое из веществ: 1,3-динитробензол, 2,4-динитротолуол, 1,3,5-тринитробензол, 2,4,6-тринитротолуол, пара-мононитротолуол, диметилдинитробутан, нитроглицерин, пентаэритритол тетранитрат, йод; в положительной моде - 2,4-лутидин, диметилметилфосфонат, диизопропилметилфосфонат, трибутилфосфат, трибутиламин, диметиланилин, диэтиланилин, дифениламин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к приборам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ, а также паров органических молекул, выделяющихся при горении материалов, содержащих органические компоненты.

Изобретение относится к области газового анализа. .

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для решения задач разделения положительных и отрицательных ионов в газах, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу диагностики аксонально-демиелинизирующих полиневропатий методом прямого протеомного профилирования сыворотки крови больного на основе выявления в образце сыворотки биомаркеров данных заболеваний.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач разделения и регистрации ионов в газах, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе.
Изобретение относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа веществ и преимущественно может быть использовано в целях испытаний, например, при проверке работоспособности приборов спектрометрии подвижности ионов, которые предназначены для обнаружения и идентификации паров следовых количеств органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для технологического и санитарно-гигиенического контроля запыленности атмосферного воздуха, газовых смесей и при контроле задымленности, возникающей вследствие пожароопасной ситуации.

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для анализа и распознавания органических соединений. .

Изобретение относится к области исследования материалов в нанотехнологии и, в частности, к способу измерения диаметра углеродных нанотруб (УНТ) в диапазоне от одного до нескольких десятков нанометров.

Изобретение относится к области технической физики, в частности спектральным методам определения элементного состава вещества с использованием для его атомизации и возбуждения электрического разряда в жидкости.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может найти применение при контроле примесей веществ в газах и, в частности, в воздухе

Изобретение относится к способу определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (вариантам)

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе

Изобретение относится к методам физико-химического анализа и может быть использовано для масс-спектрометрического количественного определения состава газовых сред, содержащих изотопы водорода и гелия

Изобретение относится к области технической физики, в частности к спектральным методам определения элементного состава жидких сред с использованием электрического разряда в жидкости в качестве источника спектров

Использование: для обнаружения малых концентраций функциональных углеводородов в газовой фазе. Сущность изобретения заключается в том, что сенсорное устройство для селективного обнаружения малых концентраций функциональных углеводородов в газовой фазе содержит по меньшей мере один выполненный с возможностью нагрева резистивный датчик, имеющий резистивный сенсорный слой, и по меньшей мере один выполненный с возможностью нагрева датчик поверхностной ионизации, включающий в себя сенсорную поверхность и расположенный на расстоянии от нее противоположный электрод, между которыми существует электрическое поле, причем сенсорный слой резистивного датчика идентичен сенсорной поверхности датчика поверхностной ионизации. Технический результат: обеспечение возможности разработки сенсорного устройства простой конструкции, которое может регистрировать малые концентрации функциональных углеводородов в газовой фазе. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами. Расстояние от катода до анода выбирается таким, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом один конец проволочки помещается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения. Технический результат - обеспечивается создание каналов на катоде в несамостоятельном дуговом разряде, что повышает эффективность проведения научных исследований в технологиях микроэлектроники. 2 ил.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач скоростного циклического разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе, а также как основа для газохроматографического детектирования. Для этого в способе, включающем разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе, пиков веществ, подлежащих контролю, согласно изобретению по первому варианту запуск последующего цикла варьирования осуществляют через интервал времени задержки после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного электрического поля. По второму варианту в зависимости от скорости варьирования однонаправленного электрического поля начальное значение напряженности этого поля выбирают таким, что при указанной скорости варьирования к моменту регистрации в спектре первого пика вещества, подлежащего контролю, прошло время, достаточное для удаления всех типов ионов, попавших в поток газа в предыдущем цикле варьирования однонаправленного электрического поля. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх