СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И АНАЛИЗА ИОНОВ АНАЛИТА Российский патент 2010 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, к спектрометрии обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, а также к области газового анализа для определения микроследов опасных веществ - взрывчатых веществ, наркотиков, токсичных веществ и т.п.

Известен способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, включающий фокусировку лазерного излучения на поверхности исследуемого объекта, создание плазмы с помощью лазерного импульса, исследование плазмы с помощью спектрального прибора, в котором используют импульс лазера длительностью от 5 до 5000 пс, при этом выбирают плотность мощности излучения, равную или превышающую пороговый уровень пробоя материала. Патент Российской Федерации №2312325, МПК G01N 21/63, 2005 г.

Известен способ получения и анализа ионов аналита, при котором в замкнутый или проточный объем, содержащий катод и дополнительный электрод-коллектор, направляют поток воздуха атмосферного давления, содержащий следовые количества органических молекул взрывчатых, наркотических или физиологически активных веществ. Катод выполняют из материала, содержащего, по крайней мере, одну оксидную бронзу щелочного металла и оксида переходного металла с химической формулой R_xMe_nO_m, где х=0,1-1,2; R - щелочной металл; Me - переходный металл из группы титан, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений; О - кислород, причем соединение Me_nO_m является одним из бронзообразующих оксидов металла Me. Катод нагревают до рабочей температуры в интервале 50-500°С, прикладывают разность потенциалов между катодом и коллектором и измеряют электрический ток положительно заряженных ионов вторичных органических молекул, образовавшихся на поверхности катода в результате взаимодействия органических молекул с атомами щелочного металла на поверхности катода в условиях атмосферы воздуха. Для повышения чувствительности заявленного способа между рабочей поверхностью катода и его противоположной поверхностью прикладывают дополнительную разность потенциалов. Для расширения класса анализируемых органических молекул и повышения селективности анализа в качестве материала катода выбирают сложную оксидную бронзу. Патент Российской Федерации №2186384, МПК G01N 27/62, 2002. Способ технологически сложен, использует дорогостоящие материалы.

Известен способ получения и анализа ионов аналита, заключающийся в подаче аналита в потоке к мишени с шероховатой поверхностью, облучении лазером мишени, получении газовой фазы ионов аналита и регистрации компонента. Патент США №6825477, МПК H01J 49/00, 2004 г.

В этом техническом решении защищена нанопористая поверхность с размерами шероховатостей от 2 до 100 нм и описана возможность использования лазера и ионного масс-спектрометра для исследования параметров аналита в вакууме. Недостатком этого способа является необходимость создания вакуума и низкая чувствительность.

Известен способ получения и анализа ионов аналита, заключающийся в подаче аналита в потоке к мишени с наноструктурированной поверхностью, облучении лазером мишени, получении газовой фазы ионов аналита и регистрации компонента. Поток воздуха с примесями аналита в области наноструктурированной поверхности формируют в непрерывном режиме, периодически облучают наноструктурированную поверхность мишени импульсным лазерным лучом с плотностью мощности от 10⁵-10⁷ Вт/см², с длительностью импульсов не более 10^-4 с, с длиной волны от 200 нм, с частотой следования лазерных импульсов от 10 до 100 Гц, формируют электрическое поле в области наноструктурированной поверхности напряженностью не ниже 100 В/см и регистрируют спектр ионной подвижности. В процессе анализа изменяют температуру наноструктурированной поверхности мишени. Патент Российской Федерации №2346249, МПК G01J 3/00, B82B 1/00. Опублик. 2009 г. Прототип.

Недостатком прототипа является относительно невысокая эффективность получения ионов аналита из-за однократного взаимодействия потока лазерного излучения с мишенью и, как следствие, невысокая чувствительность.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является возможность изменения степени ионизации аналита, изменение и повышение чувствительности анализа ионов аналита в газовой фазе.

Технический результат достигается тем, что в способе получения и анализа ионов аналита в газовой фазе анализируемый газ вводят в оптический резонатор, образованный интерференционными зеркалами, одновременно в оптический резонатор вдоль его продольной оси от лазера с интерференционного зеркала вводят поток лазерного излучения с частотой ω, которую преобразовывают нелинейным оптическим элементом до частоты ω_оп для фотоионизации молекул аналита, при этом в результате отражения от интерференционных зеркал оптического резонатора лазерного излучения с частотой ω_оп обеспечивают его многократное прохождение через анализируемый газ, выделяют образованные в результате многократного взаимодействия лазерного излучения с частотой ω_оп с исследуемым газом ионы аналита и направляют их в дрейфовый спектрометр, откуда информационные сигналы поступают в систему регистрации и обработки.

Существо изобретения поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1 для иллюстрации схематично представлено устройство для реализации способа, где 1 - импульсно-периодический лазер (с рабочей частотой излучения ω); 2 - корпус оптического резонатора; 3 и 4 - интерференционные зеркала с максимальным коэффициентом отражения на измененной частоте ω_оп; 5 - поворотное интерференционное зеркало с максимальным коэффициентом отражения на рабочей частоте излучения лазера ω и максимальным коэффициентом пропускания на измененной частоте ω_оп; 6 - нелинейный оптический элемент (в частности, кристалл ВВО: ВаВ₂О₄ - бета-борат бария); 7 - система создания, выделения и транспортировки ионов аналита; 8 - дрейф-спектрометр; 9 и 10 - патрубки для ввода и вывода анализируемого газа соответственно; 11 - продольная ось оптического резонатора.

На фиг.2 в качестве примера реализации представлена экспериментальная зависимость амплитуды ионного сигнала тринитротолуола (ТНТ) при однократном и двукратном прохождении потока лазерного излучения через область ионизации (пик при значении рабочего параметра U=7 B).

На фиг.3 представлено расчетное распределение плотности мощности лазерного излучения в зависимости от времени с учетом характеристик оптических элементов (в приближении прямоугольной формы лазерного импульса).

Способ получения и анализа ионов аналита осуществляют следующим образом. Анализируемый газ через патрубок 9 вводят в оптический резонатор 2, образованный интерференционными зеркалами 3 и 4. Одновременно вдоль продольной оси оптического резонатора 2 от лазера с помощью поворотного интерференционного зеркала 5, выполненного с максимальным коэффициентом отражения на рабочей частоте излучения лазера ω и максимальным коэффициентом пропускания на измененной частоте ω_оп, вводят вдоль оси 11 оптического резонатора 2 импульсный поток лазерного излучения 1 с рабочей частотой ω.

Затем нелинейным оптическим элементом 6, например кристаллом ВВО (ВаВ₂О₄ - бета-борат бария), изменяют рабочую частоту ω потока лазерного излучения 1 до величины ω_оп, близкой к частоте фотоионизации. Эту измененную частоту ω_оп мы назвали оптимальной.

Интерференционные зеркала 3 и 4 выполнены с максимальным коэффициентом отражения потока лазерного излучения на измененной частоте ω_оп. Поток лазерного излучения после нелинейного оптического элемента 6 проходит систему создания, выделения и транспортировки ионов аналита 7 и дрейф-спектрометр 8, ионизует анализируемый газ. Затем поток лазерного излучения на частоте ω_оп попадает на интерференционное зеркало 4 и отражается от него. Проходит в обратном направлении дрейф-спектрометр 8, систему создания, выделения и транспортировки ионов аналита 7, повторно ионизует анализируемый газ. Проходит нелинейный оптический элемент 6 и интерференционное зеркало 5 с максимальным коэффициентом пропускания на измененной частоте ω_оп, и попадает на интерференционное зеркало 3, от которого отражается.

Таким образом, поток лазерного излучения неоднократно меняет направление излучения вдоль продольной оси оптического резонатора 2, неоднократно взаимодействует с анализируемым газом, каждый раз повышая степень его фотоионизации. Образованные в результате многократного взаимодействия преобразованного потока лазерного излучения с исследуемым газом ионы аналита выделяют системой 7 и направляют в дрейф-спектрометр 8, откуда информационные сигналы поступают в систему регистрации и обработки.

Апробация способа проведена при следующих условиях:

Несфокусированный поток лазерного излучения 1 с рабочей длиной волны λ=2πс/ω=532 нм вводили в оптический резонатор 2 с помощью расположенного на его оси 11 под углом 45° к ней интерференционного зеркала 5, максимальный коэффициент отражения которого соответствовал длине волны λ≈532 нм.

Нелинейный оптический элемент 6, выполненный в виде кристалла ВВО (ВаВ₂О₄ - бета-борат бария), изменил поток лазерного излучения 1 в излучение с меньшей длиной волны λ_оп=2πс/ω_оп=266 нм, что соответствует оптимальному взаимодействию преобразованного потока лазерного излучения с исследуемым газом (фотоионизации исследуемых молекул аналита).

Коэффициент преобразования при этом составил менее 20%. Торцевые интерференционные зеркала 3 и 4 оптического резонатора выполнены (настроены) с максимальным коэффициентом отражения преобразованного потока лазерного излучения на волне λ_оп=266 нм. А интерференционное зеркало 5 для преобразованного потока лазерного излучения на волне λ_оп=266 нм практически прозрачно.

Нелинейный оптический элемент 6, выполненный в виде кристалла ВВО, имел длину 8 мм, и низкий, менее 1 см^-1 коэффициент поглощения на длине волны λ_оп=266 нм, что минимизирует энергетические потери в нем. Нелинейный оптический элемент 6 размещен максимально близко к системе создания и выделения ионов аналита 7. В связи с чем потери энергии, связанные с конструктивными ограничениями и расходимостью потока лазерного излучения, уменьшаются.

Эксперименты показали (фиг.2), что даже при двукратном прохождении потока лазерного излучения через область, занятую вводимым аналитом, наблюдается рост амплитуды сигнала, что приводит к повышению чувствительности.

Регулируя длительность взаимодействия потока лазерного излучения с материалом аналита, регулируют степень ионизации и чувствительность.

Ионный сигнал (при значении рабочего параметра U=7 В) при многократном проходе преобразованного потока лазерного излучения превышает сигнал при двух проходах примерно на 70%, а по сравнению с одним проходом превышение сигнала составляет около 170%.

Превышение интенсивности лазерной ионизации в области взаимодействия при многократном проходе луча по сравнению с одним проходом составляет около 230%. При наличии просветляющих покрытий на интерференционном зеркале 5 и на кристалле ВВО превышение интенсивности лазерной ионизации при многократном проходе лазерного луча по сравнению с однократным проходом и использовании непросветленных элементов составляет уже около 400%.

Способ получения и анализа ионов аналита в газовой фазе заключается в том, что анализируемый газ вводят в оптический резонатор, образованный интерференционными зеркалами, при этом одновременно в оптический резонатор вдоль его продольной оси от лазера с интерференционного зеркала вводят поток лазерного излучения. Частоту лазерного излучения ω преобразовывают нелинейным оптическим элементом до частоты ω_оп для фотоионизации молекул аналита. В результате отражения от интерференционных зеркал оптического резонатора лазерного излучения с частотой ω_оп обеспечивают его многократное прохождение через анализируемый газ. Образованные в результате многократного взаимодействия лазерного излучения с частотой ω_оп с исследуемым газом ионы аналита выделяют и направляют их в дрейфовый спектрометр, откуда информационные сигналы поступают в систему регистрации и обработки. Технический результат заключается в возможности изменения и регулировки степени ионизации аналита, в регулировании и повышении чувствительности анализа ионов аналита в газовой фазе. 3 ил.

Способ получения и анализа ионов аналита в газовой фазе, при котором анализируемый газ вводят в оптический резонатор, образованный интерференционными зеркалами, одновременно в оптический резонатор вдоль его продольной оси от лазера с интерференционного зеркала вводят поток лазерного излучения с частотой ω, которую преобразовывают нелинейным оптическим элементом до частоты ω_оп для фотоионизации молекул аналита, при этом в результате отражения от интерференционных зеркал оптического резонатора лазерного излучения с частотой ω_оп обеспечивают его многократное прохождение через анализируемый газ, выделяют образованные в результате многократного взаимодействия лазерного излучения с частотой ω_оп с исследуемым газом ионы аналита и направляют их в дрейфовый спектрометр, откуда информационные сигналы поступают в систему регистрации и обработки.