СПОСОБ АНАЛИЗА МИКРОПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/62 

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

Известен способ анализа примесей в газах, включающий ионизацию анализируемого потока газа, разделение полученных ионов системой перекрещивающихся и перпендикулярных друг другу электрических полей и поля скоростей газового потока и регистрацию ионов, (см, АС СССР N 528503, кл. N 31/08).

Разделение ионов в известном способе основано на различии в подвижности ионов разных сортов при их движении под действием электрического поля и поля скоростей газового потока, ион с меньшей подвижностью увлекается газовым потоком и с большей вероятностью преодолевает воздействие перпендикулярного вектору скорости газового потока.

Недостатком известного способа является низкая селективность разделения, обусловленная пороговым характером отсечки ионов по их подвижности. Это приводит к тому, что наряду с целевыми ионами, обладающими определенной подвижностью, регистрируются ионы с близкой и более низкой подвижностью.

Наиболее близким к предлагаемому является способ анализа микропримесей в газах, включающий ионизацию исследуемого газа, разделение образовавшихся ионов в переменном, периодическом, несимметричном по полярности поле, отборе и регистрации ионов (см. АС СССР N 966583, кл. G 01 N 27/62).

Селективность известного способа основана на воздействии на ионы переменным, периодическим, несимметричным по полярности электрическим полем.

Недостатком данного способа является его относительно низкая селективность анализа.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно повышение селективности анализа.

Указанная цель в способе анализа микропримесей в атмосферном воздухе, включающем ионизацию исследуемого газа, разделении образовавшихся ионов в переменном, периодическом, несимметричном по полярности электрическом поле, отборе и регистрации ионов, достигается тем, что амплитуду напряженности переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля E выбирают в диапазоне от 0,8 кВ/мм до значения поля, соответствующего электрическому пробою исследуемого газа.

Разделение ионов в переменном, периодическом, несимметричном по полярности электрическом поле высокой напряженности в указанном диапазоне позволяет существенно повысить селективность анализа микропримесей в атмосферном воздухе.

Для упрощения реализации способа переменное, периодическое, несимметричное по полярности электрическое поле создается суперпозицией периодического переменного и постоянного электрических полей.

Для упрощения реализации способа, разделение ионов производят в скрещенных переменном, периодическом и постоянных электрических полях.

Заявляемый способ позволяет значительно повысить селективность способа, основанного на разделении ионов по подвижности, и не имеет аналогов в технике газового анализа, что подтверждает "изобретательский уровень" заявляемого способа.

В атмосфере воздуха с присутствием молекул воды и других полярных молекул, вокруг ионов исследуемого газа образуется за конечное время молекулярная "шуба" - ионный кластер из этой среды, изменяющая подвижность ионов. При воздействии на ионизированный газ, например на ионы в атмосферном воздухе, находящемся при нормальных условиях (давлении и влажности), переменным электрическим полем, движение положительных и отрицательных ионов происходит в двух противоположных направлениях. Во время этого движения нарушается шаровая симметрия полярных молекул, таких как вода, т.к. в силу вязких сил, возникающих при движении иона, покрытого молекулярной "шубой" атмосфера, окружающая ион, деформируется и срывается.

Для устранения этой молекулярной "шубы" необходимы значительные усилия со стороны переменного электрического поля, воздействующего на ионы. При этом условии ионы движутся в плотной среде настолько быстро, что на его пути существенно уменьшается образование ионной атмосферы и, вследствие этого, не проявляются дополнительные электрические тормозящие силы, а освобожденный от экранировки ион проявляет свои специфические свойства, которые и лежат в основе газового анализа при разделении ионов по подвижностям при нормальных условиях.

Таким образом, для того, чтобы освободить ион от экранирующего налипания полярных молекул, и проводить анализ микропримесей в газе при нормальных условиях, необходимо воздействовать на ионы переменным, периодическим, несимметричным по полярности электрическим полем высокой напряженности.

Верхняя границы амплитуды напряженности переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля ограничивается электрическим пробоем в воздухе и зависит от многих параметров (формы электродов, частоты электрического поля, давления газа, содержания примесей в газе и т.д.). Для сухого воздуха она не превышает величины 3 кВ/мм. Так, например, экспериментально изучался пробой в сухом воздухе между плоскопараллельными электродами, на которые подавалось переменное напряжение от 50 Гц до 300 МГц, измерения проводились при давлении воздуха от 50 до 1000 мм рт.ст. (см. Дж. Мик, Дж. Крэгс Электрический пробой в газах. - М.: Иностранная литература, 1960, 605 с.). Было установлено, что при использовании переменного электрического поля величина напряженности электрического поля, при котором возникает пробой, имеет сложную зависимость, уменьшается с ростом частоты поля.

Нижняя граница амплитуды напряженности переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля ограничена селективностью способа.

На фиг. 1 приведены ионограммы осушенного атмосферного воздуха при наличии в нем паров 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) с концентрацией 10**(-13) г/см³. Ионограмма а - записана при E = 0,8 кВ/мм, б - при E = 1 кВ/мм, в - при E = 1,2 кВ/мм, г - при E = 1,4 кВ/мм. Из фиг. 1 следует, что с ростом амплитуды переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля возрастает селективность анализа. Если для случая а пары ТНТ (на фиг. 1 отмечены звездочкой) разрешаются плохо на фоне атмосферного воздуха, то для случаев в, г - разрешение способа достаточно высокое.

Очень близким по положению к отклику на пары ТНТ является отклик на пары иода (J). На фиг. 2 показано, как изменяются ионограммы воздуха с примесью паров иода и ТНТ при изменении амплитуды переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля от 1,8 кВ/мм (ионограмма а), до 2,0 кВ/мм (ионограмма д) через 0,05 кВ/мм. Если при E = 1,8 кВ/мм отклики сливаются, то уже при E = 2 кВ/мм пики хорошо разрешаются.

Таким образом, селективность анализа увеличивается с ростом амплитуды переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля. Нижний предел амплитуды напряженности переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля ограничен величиной 0,8 кВ/мм, менее которой улучшение разрешения селективности способа не наступает по сравнению с известным способом. Верхний предел амплитуды переменного, периодического, несимметричного по напряженности электрического поля ограничен электрическим пробоем исследуемого газа.

На фиг. 3 представлена блок схема устройства, реализующего предлагаемый способ анализа микропримесей в атмосферном воздухе.

Устройство (фиг. 3), реализующее способ, включает в себя проточный канал 1, содержащий последовательно расположенные камеру ионизации 2, разделяющие ионы устройство 3, выполненное, например, в виде двух параллельных электродов 4 и двух параллельных электродов 5, расположенных перпендикулярно электродам 4, и систему регистрации 6. Электроды 4, 5 образуют дрейфовый промежуток. В принципе электроды 4 и 5 могут быть совмещены друг с другом. Устройство также содержит источник переменного, периодического, асимметричного по полярности напряжения 9, подсоединенного к электродам 4, образованного параллельно соединенного источника переменного, периодического напряжения 6 и источника постоянного напряжения 7. Источник постоянного компенсирующего напряжения 8, одновременно подсоединен к электродам 5 и системе регистрации 6.

Анализ проводится следующим образом. Анализируемая смесь микропримесей проходит через ионизатор 2, где ионизируется и после разделения в дрейфовом промежутке попадает в систему регистрации. Изменяя величину компенсирующего напряжения от источника 8, приложенного одновременно к параллельным электродам 5 и системе регистрации 6, последовательно изменяют условия отбора ионов в дрейфовом промежутке и одновременно измеряют ток неотклонившихся при этих условиях ионов, регистрируя весь спектр образующихся из смеси микропримесей ионов в виде ионограмм или зависимости тока ионов от величины компенсирующего напряжения. Величина амплитуды переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля выбирается в диапазоне от 0,8 до 3 кВ/мм.

Выполнение источника переменного, периодического, несимметричного по полярности напряжения в виде двух включенных параллельно источников переменного, периодического напряжения и постоянного напряжения позволяет наиболее просто реализовать устройство 9, выбирая различные соотношения амплитуд переменного, периодического напряжения и постоянного напряжения менять степень асимметрии переменного, периодического, несимметричного по полярности напряжения, наиболее просто и оперативно изменять частоту периодического напряжения.

Для упрощения реализации разделения ионов производят в скрещенных переменном, периодическом, симметричном по полярности электрическом поле и постоянных электрических полях.

Разработанный макет устройства полностью подтвердил преимущество предлагаемого способа. Таким образом, заявляемый способ, позволяет создать газоанализаторы с высокой разрешающей способностью.

Использование: в аналитической химии. Сущность изобретения: способ анализа микропримесей в атмосферном воздухе включает ионизацию исследуемого газа, разделение образовавшихся ионов в периодическом, переменном, несимметричном по полярности электрическом поле, отбор и регистрацию ионов. Величину напряженности электрического поля выбирают в диапазоне от 0,8 кВ/мм до значения напряженности, соответствующего электрическому пробою исследуемого газа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ анализа микропримесей веществ в атмосферном воздухе, включающий ионизацию исследуемого газа, разделение образовавшихся ионов в переменном, периодическом, несимметричном по полярности электрическом поле, отборе и регистрации ионов, отличающийся тем, что амплитуду напряженности переменного, периодического, несимметричного по полярности электрического поля E выбирают в диапазоне от 0,8 кВ/мм до значения поля, соответствующего электрическому пробою исследуемого газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переменное, периодическое, несимметричное по полярности электрическое поле создается суперпозицией периодического, переменного и постоянного электрических полей. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение ионов производят в скрещенных переменном, периодическом, симметричном и постоянном электрических полях.