СПОСОБ И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ПОЛОЖИТЕЛЬНО И/ИЛИ ОТРИЦАТЕЛЬНО ИОНИЗИРОВАННЫХ АНАЛИЗИРУЕМЫХ ГАЗОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ГАЗОВ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/64 H01J49/16 

Изобретение относится к способу и приспособлению для выработки положительно и/или отрицательно ионизированных анализируемых газов для анализа газов в спектрометре ионной подвижности или в масс-спектрометре.

Спектрометрия ионной подвижности является способом получения характеристик газообразных химических веществ по их мобильности в газовой фазе при атмосферном давлении. Газ-носитель транспортирует молекулы анализируемого вещества в камеру ионизации, где для ионизации молекул используют ультрафиолетовый свет, β-излучение или частичные разряды. Возникающие таким образом ионы ускоряются в электрическом поле в направлении детектора. При этом они движутся в направлении, противоположном направлению потока дрейфующего газа и сталкиваются с молекулами дрейфующего газа. Это вызывает затормаживание ионов в зависимости от их массы, формы и заряда. Из времени, которое необходимо ионам для достижения детектора (время дрейфа), и силы электрического поля рассчитывается подвижность ионов, с помощью которой можно идентифицировать анализируемое вещество. Кроме того, определение сигнальной поверхности по сравнению с предшествующей калибровкой позволяет выполнить количественное определение детектируемого вещества.

Спектрометры ионной подвижности (IMS) используются для разнообразных целей, например для распознавания химических боевых отравляющих, взрывчатых и наркотических веществ. Кроме того, они используются, например, для технологического контроля, для контроля качества воздуха во внутренних помещениях, контроля качества и безопасности продуктов питания и для раннего распознавания легочных заболеваний. Типичные границы обнаружения для этих случаев применения находятся в диапазоне от нанограмм/литр до пикограмм/литр или же от миллиардных до триллионных долей на единицу объема.

Для проведения спектрометрии ионной подвижности и также для спектрометрии молекулярных масс необходимо ионизировать анализируемый газ. Используемыми до сих пор методами ионизации являются ультрафиолетовый свет, электрические частичные разряды и β-излучение, каждый из которых связан со специфическими недостатками:

- ультрафиолетовый свет: низкая чувствительность, формирование только положительных ионов,

- электрический частичный разряд: низкая долгосрочная стабильность,

- β-излучение: радиоактивные лучи, которые подходят не для всех случаев применения или требуют получения разрешения.

В рамках миниатюризации аналитических инструментов и методов наблюдается повышенный интерес к миниатюризированным источникам плазмы или источникам плазмы, которые могут быть реализованы в микрочипе. Многообещающим подходом для этого является диэлектрически ограниченный разряд, который был открыт еще в 1857 году Сименсом для производства озона. Подобные разряды до сих пор использовались, например, в плазменных дисплеях для цветных мониторов, в источниках УФ-лучей и СО₂-лазерах, для очистки отходящих газов, для плазменного катализа метанола и производства озона.

Задача изобретения заключается в создании решения, с помощью которого анализируемый газ может быть ионизирован без ограничений прежних методов ионизации для анализа газов в спектрометре ионной подвижности или в масс-спектрометре с образованием положительных и/или отрицательных ионов.

Эта задача согласно изобретению в способе вышеописанного типа решена за счет того, что положительные и/или отрицательные ионы газа создаются плазмой, которая возникает за счет диэлектрически ограниченного разряда, при этом диэлектрически ограниченный разряд создается посредством того, что через капилляр из диэлектрического материала подается инертный газ, при этом посредством двух расположенных на капилляре примыкающими к зоне испускания капилляра электрически изолированных электродов подается переменное напряжение и анализируемый газ подается в зону испускания вне капилляра.

За счет подобного миниатюризированного диэлектрически ограниченного разряда можно вырабатывать положительные и отрицательные ионы газа анализируемого газа без наличия ограничений ранее известных методов ионизации для спектрометра ионной подвижности или масс-спектрометра. Преимущество этого способа по сравнению с β-излучением в качестве источника ионизации при остающейся неизменной селективности и чувствительности заключается в отказе от радиоактивного материала, который привносит с собой ограничения применения или же условие получения разрешения на использование. Преимущество по сравнению с ультрафиолетовым светом в качестве источника ионизации заключается в повышенной чувствительности и селективности, прежде всего, так как в отличие от ультрафиолетового света посредством такой плазменной ионизации также могут быть созданы и обнаружены отрицательные ионы. Кроме того, так как в спектрометре ионной подвижности электроснабжение плазмы можно комбинировать с высоким напряжением участка дрейфа, отсутствует необходимость в дополнительном электроснабжении, как при питании ультрафиолетовой лампы. Преимущество по сравнению с частичным разрядом в качестве источника ионизации при остающейся неизменной селективности и чувствительности заключается в более высокой долговременной стабильности. Кроме того, по сравнению с частичным разрядом, также не требуется дополнительное электроснабжение для источника плазменных ионов.

Анализируемый газ подается, например, как обычно, в ионизационную камеру спектрометра ионной подвижности, в которую выступает (выдается) зона испускания капилляра. Затем анализируемый газ протекает снаружи мимо капилляра и ионизируется плазмой.

Предпочтительно, при этом используется переменное напряжение в диапазоне от 500 до 5000 В, а диэлектрически ограниченный разряд создается при атмосферном давлении. Плазма образуется между электродами и вне капилляра в зависимости от установленного давления, потока между электродами, используемого инертного газа (предпочтительно, гелия или аргона) и места приложенной массы. Плазма вне капилляра представляет собой плазменный факел. Конец капилляра или же зону его испускания можно интегрировать как источник ионизации, например, в камеру ионизации спектрометра ионной подвижности.

Локально проводимые спектроскопические измерения эмиссии показали, что места максимального возбуждения зависят от потока газа. Чем больше поток газа, тем далее на конце капилляра находятся возбужденные атомные состояния. Однако далее 2-3 см за пределами капилляра линии эмиссии не измеряемы, так как в силу соударения передается энергия. Было установлено, что в этом разряде эмиссия возбужденных молекул азота выше, чем эмиссия возбужденных атомных состояний. Возможно предположить, что так же как и при β-излучателе, положительная ионизация протекает за счет протонирования, а отрицательная ионизация - за счет присоединения электронов. Таким образом, комбинация со спектрометрами ионной подвижности возможна, прежде всего, также и в миниатюризированной форме, так как плазма может работать также при атмосферном давлении.

Для решения вышеописанной поставленной задачи изобретение также предусматривает приспособление вышеописанного типа, отличающееся капилляром из диэлектрического материала для подачи инертного газа, при этом на капилляре примыкающими к зоне испускания капилляра расположены два электрически изолированных электрода, на которые подается переменное напряжение.

Предпочтительно, капилляр при этом состоит из стекла и имеет внутренний диаметр от 50 до 500 мкм. Толщина стенки капилляра составляет порядка 350 мкм.

При этом находящиеся на расстоянии друг от друга в продольном направлении электроды расположены, предпочтительно, на максимальном расстоянии в 1 см. Капилляр и электроды могут быть интегрированными, предпочтительно, в оболочку из электрически изолированного материала.

Предпочтительно, приспособление применяется в спектрометре ионной подвижности, при этом зона испускания капилляра в зависимости от требований и конструкции спектрометра ионной подвижности простирается радиально или аксиально в камере ионизации спектрометра ионной подвижности.

Кроме того, приспособление, предпочтительно, применяется в (молекулярном) масс-спектрометре.

Далее изобретение поясняется подробнее со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое увеличенное изображение предлагаемого приспособления,

фиг.2 - принципиальная схема спектрометра ионной подвижности с предлагаемым приспособлением в первом варианте встраивания,

фиг.3 - спектрометр ионной подвижности с предлагаемым приспособлением во втором варианте встраивания.

Приспособление для выработки положительно и/или отрицательно ионизированных анализируемых газов для анализа газов в спектрометре ионной подвижности или в масс-спектрометре на фигуре 1, в общем, обозначено ссылочной позицией 1. Это приспособление 1 имеет капилляр 2, который выполнен, предпочтительно, из стекла и имеет внутренний диаметр от 50 до 500 мкм при толщине стенки приблизительно 350 мкм. В расположенной с передней стороны зоне испускания этого капилляра 2 на расстоянии друг от друга в продольном направлении капилляра 2 расположены два, например, кольцеобразных электрода 3, 4, которые охватывают капилляр 2 с наружной стороны. Расстояние между электродами 3, 4 составляет максимально примерно 1 см. Предпочтительно, капилляр 2 и электроды 3, 4 утоплены (заделаны) в непоказанную электрически изолированную оболочку.

Через капилляр 2 в направлении стрелки 5 подается инертный газ, предпочтительно гелий или аргон. На электроды 3, 4 подается переменное напряжение от 500 до 5000 В, за счет чего в зависимости от установленного давления, потока между электродами 3, 4, используемого инертного газа и места приложенной массы между электродами 3, 4 и вне зоны испускания капилляра 2 образуется плазма 6. Плазма 6 вне капилляра 2 представляет собой плазменный факел 6а. Анализируемый газ подается в зону испускания капилляра 2 вне капилляра 2 или же протекает мимо него и при этом ионизируется.

Такое приспособление 1 может быть использовано в качестве источника ионизации для спектрометра ионной подвижности.

Такой спектрометр ионной подвижности схематически показан на фигурах 2 и 3 и в целом обозначен ссылочным обозначением 7. Этот спектрометр 7 ионной подвижности имеет ионизационную камеру 8, ионную решетку 9, участок 10 дрейфа и с одной стороны участка 10 дрейфа (или же камеры дрейфа) - детектор 11. В ионизационную камеру 8 через непоказанное впускное отверстие газа подается анализируемый газ; анализируемый газ протекает снаружи мимо зоны испускания капилляра 2 или же плазменного факела 6а и ионизируется.

В представленной на фигуре 2 форме осуществления приспособление 1 в качестве источника ионизации расположено в камере ионизации спектрометра 7 ионной подвижности аксиально.

Как показано на фигуре 3, в качестве альтернативы расположение может быть таким, что приспособление 1 расположено в ионизационной камере 8 радиально.

Подаваемый посредством газа-носителя или подобным средством через вход газа анализируемый газ ионизируется в ионизационной камере 8 спектрометра 7 ионной подвижности посредством приспособления 1 или же образованной там плазмы в положительные и/или отрицательные анализируемые ионы. Предпочтительно, ионизация при этом выполняется при атмосферном давлении.

Приспособление 1 может быть использовано не только для анализа газов в спектрометре 7 ионной подвижности, но также и в (молекулярном) масс-спектрометре, что на чертеже не показано. Тогда расположение приспособления 1 на (молекулярном) масс-спектрометре выполняется таким же образом, что и на спектрометре ионной подвижности.

Изобретение может быть использовано, например, для распознавания химических, боевых, отравляющих, взрывчатых и наркотических веществ, для технологического контроля, для контроля качества воздуха во внутренних помещениях, контроля качества и безопасности продуктов питания и для раннего распознавания легочных заболеваний. Согласно изобретению положительные и/или отрицательные ионы газа создаются плазмой (6), которая возникает за счет диэлектрически ограниченного разряда, при этом диэлектрически ограниченный разряд создается за счет того, что через капилляр (2) из диэлектрического материала подается инертный газ, при этом посредством двух расположенных на капилляре примыкающими к зоне испускания капилляра электрически изолированных электродов (3, 4) подается переменное напряжение, и анализируемый газ подается в зону испускания вне капилляра. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и стабильности, а также расширение области применения. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ выработки положительно и/или отрицательно ионизированных анализируемых газов для анализа газов в спектрометре ионной подвижности или в масс-спектрометре, отличающийся тем, что положительные и/или отрицательные ионы газа создаются плазмой, которая возникает за счет диэлектрически ограниченного разряда, при этом диэлектрически ограниченный разряд создается за счет того, что через капилляр из диэлектрического материала подается инертный газ, при этом посредством двух расположенных на капилляре примыкающими к зоне испускания капилляра электрически изолированных электродов подается переменное напряжение, и анализируемый газ подается в зону испускания вне капилляра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используется переменное напряжение в диапазоне от 500 до 5000 В.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что диэлектрически ограниченный разряд создается при атмосферном давлении.

4. Приспособление для выработки положительно и/или отрицательно ионизированных анализируемых газов для анализа газов в спектрометре ионной подвижности или в масс-спектрометре для проведения способа по пп.1, 2 или 3, отличающееся капилляром (2) из диэлектрического материала для подачи инертного газа, при этом на капилляре (2) примыкающими к зоне испускания капилляра (2) расположены два электрически изолированных электрода (3, 4), на которые подается переменное напряжение.

5. Приспособление по п.4, отличающееся тем, что капилляр (2) выполнен из стекла.

6. Приспособление по п.5, отличающееся тем, что капилляр (2) имеет диаметр от 50 до 500 мкм.

7. Приспособление по одному из пп.4, 5 или 6, отличающееся тем, что находящиеся на расстоянии друг от друга в продольном направлении капилляра электроды (3, 4) расположены на максимальном расстоянии 1 см.

8. Применение приспособления по одному из пп.4, 5, 6 или 7 в спектрометре ионной подвижности, при этом зона испускания капилляра (2) простирается в камеру ионизации спектрометра ионной подвижности.

9. Применение приспособления по одному из пп.4, 5, 6 или 7 в масс-спектрометре.