СПОСОБ АНАЛИЗА МИКРОПРИМЕСЕЙ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ "ИОНОЗОЛЕР-2" Российский патент 1998 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к способам анализа примесей веществ в газе, основанным на ионной подвижности. Конкретно, предлагаемый способ анализа предназначен для создания на его основе портативных оперативных средств обнаружения взрывчатых веществ, наркотиков, отравляющих веществ, концерагенных веществ по их газовыделениям.

Специфика обнаружения взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. по их газовыделениям в воздухе состоит в том, что такие вещества имеют низкое давление насыщенных паров, ниже 10^-6 мм рт.ст. и, как правило, замаскированы множеством различных веществ, содержащихся в воздухе, и поэтому для их обнаружения необходимы высокочувствительные методы анализа с высокой разрешающей способностью. Перспективным методом анализа такого рода примесей является анализ по подвижности ионов этих веществ. В общем случае, подвижность ионов является функцией нескольких параметров, в том числе размеров, формы и массы ионов. Однако в воздухе содержится большое количество полярных и поляризуемых веществ, например воды, приводящих к изменению подвижности и маскировке искомых веществ за счет прилипания к определяемому сорту ионов полярных и поляризуемых молекул, изменяющих массу, форму и размеры исходных ионов, тем самым, уменьшая чувствительность и ухудшая разрешающую способность способа.

Известен способ определения концентраций примесей в газах, основанный на методе разделения ионов по подвижности [1], в котором осуществляют ионизацию примесей в потоке газа и формирование газового потока с определяемым сортом ионов путем разделения ионов по подвижности в поперечном электрическом поле, напряженность которого имеет постоянную составляющую и ассиметричную по полярности периодическую переменную составляющую и регистрацию ионов.

Недостатком данного способа является его низкие чувствительность и разрешающая способность.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ анализа микропримесей веществ в газах [2], включающий ионизацию примесей в потоке газа и формирование газового потока с определяемым сортом ионов путем разделения ионов примесей по подвижности в переменном электрическом поле, напряженность которого имеет постоянную составляющую и ассиметричную по полярности периодическую переменную составляющую, охлаждения газового потока с определяемым сортом ионов, смешиванием с потоком газа, содержащего проявляющее вещество, до образование аэрозоля и регистрации аэрозоля, например, фотоэлектрическим методом.

Основным недостатком способа является его недостаточно высокая чувствительность и разрешающая способность.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно повышение чувствительности и разрешающей способности анализа микропримесей веществ в воздухе.

Указанная цель в способе анализа микропримесей веществ в воздухе, включающем ионизацию примесей в потоке газа и формирование газового потока с определяемым сортом ионов, путем разделения ионов примесей по подвижности в поперечном электрическом поле, напряженность которого имеет постоянную составляющую и асимметричную по полярности периодическую переменную составляющую, смешивание газового потока с определяемым сортом ионов с потоком газа, содержащее проявляющее вещество, до образования аэрозоля и регистрации частиц аэрозоля, например, фотоэлектрическим методом, достигается тем, что поток анализируемого воздуха разделяют на два потока, первый поток очищают от полярных и поляризуемых веществ и вводят в него ионизированные во втором потоке воздуха ионы примесей, после чего ионы примесей разделяют по подвижностям, при этом пары проявляющего вещества охлаждают ниже температуры потока газа с ионами примесей и регистрируют аэрозольные частицы.

После очистки воздушного газового потока с микропримесями веществ от полярных и поляризуемых веществ в электрическом поле и разделении ионов в очищенном воздухе, с уже без налипания на них полярных и поляризуемых молекул, что позволяет сохранить неизменной подвижность определяемых сортов ионов, избежать уменьшения их числа и при охлаждении паров проявляющего вещества ниже температуры потока с микропримесями веществ с определенным сортом ионов осуществляется значительное укрупнение частиц, за счет их конденсационного роста в среде перенасыщенного пара, что позволяет 2 - 5 раз повысить чувствительность и разрешающую способность способа.

Для упрощения реализации способа очистку воздушного потока от полярных и поляризуемых веществ осуществляют за счет осаждения полярных и поляризуемых веществ в электрическом поле на электрод конденсатора, помещенного в воздушный поток и создающего неоднородное электрическое поле высокой напряженности, напряженность которого увеличивается к концу электрода, и удаление осажденных веществ из воздушного потока.

Для упрощения реализации способа ввод в первый поток ионов примеси осуществляют электрическим, магнитным полями или их комбинацией.

Для упрощения реализации способа в качестве проявляющего вещества используются преимущественно полярные вещества, например вода, спирты и их смеси.

Для упрощения реализации способа аэрозольные частицы заряжаются и регистрируются электрическим методом.

Такое выполнение способа анализа микропримесей в воздухе "Ионозолер-2" переводит его в разряд методов анализа веществ при атмосферном давлении.

Заявляемый способ позволяет значительно повысить чувствительность и разрешающую способность способа, основанного на разделении ионов по подвижности и последующем использовании реакции образования молекулярных ядер конденсации с дальнейшей их регистрацией, и не имеет аналогов в технике газового анализа, что подтверждает "изобретательский уровень" заявляемого способа.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства макета "Ионозолер-2", реализующего заявляемый способ. На фиг. 2 приведены ионограммы воздуха лабораторного помещения при наличии в нем постоянной концентрации паров иода (I₂), при использовании предлагаемого способа - а) и при использовании способа, взятого в качестве прототипа - б). Из представленных экспериментальных результатов следует, что предлагаемый способ имеет более высокую чувствительность и более высокую разрешающую способность, чем прототип.

Устройство на фиг. 1 содержит: фильтр очистки от полярных и поляризуемых веществ 2, включающий электроды 3 и 4, ионизатор 5, устройство ввода ионизированных частиц 6 в газовый поток, разделительное устройство 7, камеру образования аэрозоля 8, включающую в себя камеру смешения 9, холодильник (элемент Пельтье) 10, пористую среду-фитиль 11 для доставки проявителя, емкость с проявляющим веществом 12, устройство регистрации аэрозольных частиц 13, насос для прокачки воздуха 14. Стрелками показан ход потока воздуха 1 и ионизированных частиц в макете устройства, реализующего данный способ.

Анализ по предлагаемому способу происходит следующим образом: поток воздуха с микропримесью анализируемых веществ, создаваемый насосом 14, разделяется на два потока. Первый поток поступает в фильтр очистки 2 от полярных и поляризуемых веществ, содержащихся в воздухе. Электрический фильтр полярных и поляризуемых веществ представляет собой два электрода 3 и 4, помещенных в поток воздуха и создающих неоднородное электрическое поле высокой напряженности. Электрод 3 выполнен в виде тела вращения, например конуса с диаметром, уменьшающегося до острия, против которого устанавливается полый электрод 4, который находится под противоположным потенциалом к электроду 3. На полярные и поляризуемые молекулы в неоднородном электрическом поле действуют силы, притягивающие эти молекулы и перемещающие их в сторону большей напряженности поля. Таким образом, полярные и поляризуемые молекулы, проходя вблизи заряженного электрода 3, поляризуются и прилипают к нему. Налипшие молекулы постепенно передвигаются вдоль электрода и выводятся из потока за счет увеличения напряженности электрического поля, связанного с уменьшением размера электрода 3 (переходом его в иглу-острие), через электрод с отверстием 4. При этом частично молекулы ионизируются на острие иглы за счет холодной эмиссии и увлекаемые ионизованным газом молекулы полярных и поляризующихся веществ покидают электрод 3 и выводятся из потока. В данном случае на электроды подавалось напряжение более 2 киловольт.

Второй поток газа ионизируется одним из известных методов, например с помощью радиоактивного изотопа. Образовавшиеся в нем ионы вводятся, например, с помощью электрического поля, создаваемого электродами 6, в первый, очищенный поток. Далее, ионы, введенные в первый очищенный поток, поступают в разделительное устройство 7, где они разделяются по подвижности в очищенном воздухе. Разделение ионов основано на компенсации среднего дрейфа определяемых ионов в переменном ассиметричном по полярности электрическом поле высокой напряженности и их противоположном дрейфе в постоянном компенсирующем электрическом поле. Поэтому только выбранные компенсирующим напряжением ионы движутся вдоль разделяющего устройства 7, под действием потока воздуха, откачиваемого насосом 14, могут достичь выхода из разделяющего устройства и попасть в камеру образования аэрозоля 8, в которой на ионы определенного сорта прилипают молекулы паров полярного проявителя, преимущественно воды, спиртов и их смесей, при движении вдоль камеры смешения в насыщенном паре проявителя 9 и одновременном охлаждении потока микрохолодильником 10 происходит их конденсационный рост в среде пересыщенного пара. Связь радиуса капли R и действующего перенасыщения S выражается уравнением Кельвина с поправкой Томсона на электрический заряд ядра конденсации:

где σ_ж, ρ_ж - поверхностное натяжение и плотность конденсата, K - константа Больцмана, T - температура газа, m - масса молекул пара, e - электрический заряд.

Проявляющее вещество из емкости с проявляющим веществом 12, подогреваемое горячими спаями холодильника, через бумажный фитиль 11 подается в камеру смешения 9 с потоком воздуха и определенным сортом ионов, где и образуется аэрозоль. В качестве проявляющего вещества может использоваться вода, метиловый и этиловый спирты и их смеси. В данном случае использовалась смесь этилового спирта и воды с соотношением 1 : 1 по объему. Для достижения значительного перенасыщения и получения частиц аэрозоля крупного размера, насыщенный пар переохлаждался от -10 до -15^oC микрохолодильником на элементах Пельтье.

Очищенный воздух с определенным сортом ионов вводится в камеру образования аэрозоля, где перемешивается с насыщенным паром вещества-проявителя и образуются частицы аэрозоля по своим размерам значительно превышающие размеры ионов, которые могут уже регистрироваться оптико-электрическими и электрическими методами. Далее аэрозольные частицы, образованные на ионах регистрируются в устройстве регистрации 13. В данном случае в качестве устройства регистрации 13 использовалось оптико-электронное устройство - нефелометр или электрометрический усилитель, при дополнительном заряде аэрозольных частиц. В последнем случае, на более крупных частицах наводится более высокий заряд, чем имеют определяемые ионы, что повышает чувствительность.

Анализ воздуха в помещении при наличии в нем паров иода проводился на газоанализаторе, реализованном по предлагаемому способу (фиг. 2а) и по способу [2] , взятому в качестве прототипа (фиг. 2б). Видно, что отклик на ионограмме прототипа имеет меньшую интенсивность и более расплывчат, чем в предлагаемом способе.

Таким образом, разработанный макет устройства полностью подтвердил преимущество предлагаемого способа, позволяющего повысить чувствительность и разрешающую способность предлагаемого способа по сравнению с прототипом, и позволяет создать новый класс приборов с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Использование: в аналитической химии. Сущность изобретения: способ анализа веществ в воздухе включает разделение анализируемого потока на два потока, в первом из которых осуществляют ионизацию примесей, а второй воздушный поток очищают от полярных и поляризуемых веществ, затем оба потока смешивают и осуществляют разделение ионов по подвижностям в поперечном электрическом поле, имеющем постоянную составляющую и асимметричную по полярности периодическую переменную составляющую. Сформулированный воздушный поток смешивают с потоком воздуха, содержащего проявляющее вещество, который предварительно охлаждают до температуры ниже температуры сформированного потока. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ анализа веществ в воздухе, включающий ионизацию примесей в потоке воздуха, формирование воздушного потока с определяемыми ионами путем разделения ионов по подвижностям в поперечном электрическом поле, имеющем постоянную составляющую и асимметричную по полярности периодическую переменную составляющую, смешивание сформированного воздушного потока с потоком воздуха, содержащего проявляющее вещество, до образования аэрозоля и регистрацию частиц аэрозоля, отличающийся тем, что предварительно разделяют анализируемый поток воздуха на два потока, в первом из которых осуществляют ионизацию примесей, при этом второй воздушный поток очищают от полярных и поляризуемых веществ и затем в очищенный воздушный поток вводят ионы примесей из первого потока, а пары проявляющего вещества перед смешиванием со сформированным воздушным потоком с определяемыми ионами охлаждают до температуры ниже температуры этого потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй воздушный поток очищают от полярных и поляризуемых веществ путем осаждения молекул полярных и поляризуемых веществ на электроде соответствующей полярности в неоднородном электрическом поле и удаления осажденных молекул. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ввод в первый поток ионов примесей осуществляют электрическим полем, или магнитным полем, или комбинацией этих полей. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве проявляющего вещества используются полярные вещества, вода, или спирты, или их смеси. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что аэрозольные частицы заряжают и регистрируют электрическим методом.