СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И АНАЛИЗА ИОНОВ АНАЛИТА Российский патент 2011 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, к спектрометрии ионной подвижности для 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).

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 Ме_nО_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 излучением с плотностью мощности от 10⁵-10⁷ Вт/см ², 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, В82В 1/00. Опублик. 2009 г.).

Недостатком этого способа является относительно невысокая эффективность получения ионов аналита из-за однократного взаимодействия потока лазерного излучения с мишенью и, как следствие, невысокая чувствительность, а также сложность реализации способа.

Известен способ получения и анализа ионов аналита в газовой фазе потоком лазерного излучения с рабочей частотой ω, включающим отбор и ввод анализируемого газа в область ионизации, создание, выделение и транспортировку ионов аналита в дрейфовый спектрометр, регистрацию и отображение тока ионов, направление потока лазерного излучения и анализируемого газа в оптический резонатор с интерференционными зеркалами, где нелинейным оптическим элементом изменяют рабочую частоту ω потока лазерного излучения до предполагаемой величины фотоионизации молекул аналита ω_оп, не менее одного раза изменяют на обратное направление потока лазерного излучения с измененной частотой ω_оп через анализируемый газ путем отражения потока лазерного излучения от интерференционных зеркал оптического резонатора (Патент РФ по заявке на изобретение №2009108912/28(011926) от 12.03.2009 г. МПК: G01N 21/63. Прототип).

Недостатком прототипа является то, что он предназначен для работы с газообразной мишенью, содержащей молекулы аналита. Для получения такой мишени с достаточной концентрацией аналита необходимы дополнительные процедуры и оборудование.

Кроме того, на практике часто необходимо обнаруживать аналит на твердых мишенях без нарушения их поверхности и достаточно оперативно.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности обнаружения при детектировании паров и следов веществ на произвольных мишенях в реальном времени.

Технический результат достигается тем, что в способе получения и анализа ионов аналита, включающем облучение мишени потоком лазерного излучения, ионизацию молекул аналита, выделение и транспортировку ионов аналита в дрейфовый спектрометр, для ионизации молекул аналита поток газа с десорбированными с мишени молекулами аналита направляют соосно и навстречу потоку лазерного излучения, облучающего мишень, а со стороны ввода лазерного излучения вводят поток буферного газа, создающего газовый затвор потоку ионизированного газа на входе в систему выделения и транспортировки ионов, где и осуществляют его вывод для последующей циркуляции.

Существо изобретения поясняется на фиг.1-2.

На фиг.1 для иллюстрации схематично представлено устройство для реализации способа, где: 1 - импульсно-периодический лазер УФ диапазона, 2 - фокусирующая линза, 3 - система регистрации ионов аналита, 4 - система выделения и транспортировки ионов аналита, 5 - область ионизации, 6 - газодинамическая система ввода и транспортировки молекул аналита, 7 - исследуемая мишень, 8 - патрубок вывода анализируемого газа, 9 и 10 - патрубки ввода и вывода буферного газа, 11 - герметичный корпус, 12 - направление движения лазерного излучения на мишень, 13 - система циркуляции газа.

На фиг.2 приведены спектры ионной подвижности тринитротолуола и гексогена, полученные при реализации способа.

Способ получения и анализа ионов аналита осуществляют следующим образом.

Излучение лазера 1, попадая в герметичный корпус 11 через фокусирующую кварцевую линзу 2, последовательно проходит расположенные в нем систему регистрации ионов 3, систему выделения и транспортировки ионов 4, систему ионизации 5 и выводится за пределы корпуса, десорбируя с поверхности исследуемой произвольной мишени 7 находящиеся на ней молекулы. Фокус линзы при этом располагается за поверхностью мишени, что обеспечивает большую область облучения мишени и не вызывает ее разрушения при лазерном воздействии. Десорбированные молекулы при помощи газодинамической системы 6 воздушным потоком транспортируются в область ионизации 5, где ионизируются направленным навстречу воздушному потоку тем же лазерным лучом, который вызвал их десорбцию. Образовавшиеся ионы из системы ионизации под действием электрического поля создаваемого электродами системы выделения попадают через систему транспортировки ионов 4 в систему регистрации 3, двигаясь навстречу воздушному буферному потоку, поступающему из системы циркуляции 13 через патрубок 9. Буферный поток представляет собой очищенный системой циркуляции воздух и служит для предотвращения попадания внешней воздушной среды в систему транспортировки и регистрации ионов, подхватывая и выводя внешний газовый поток в систему циркуляции через патрубок 10. Патрубок 8 служит для вывода воздушного потока из устройства. Направление движения лазерного излучения 12 совпадает с осью симметрии систем ионизации, транспортировки и регистрации.

Апробация способа проведена при следующих условиях.

Поток лазерного излучения длиной волны 266 нанометров с частотой 10 Гц, длительностью импульса 20 нс и регулируемой плотностью мощности 10⁵-10⁷ Вт/см² вводили в герметичный корпус через кварцевую линзу 2 с фокусным расстоянием 45 см. На расстоянии 5-10 см от среза заборной части газодинамической системы располагали мишень - предметное стекло с выраженным на площади 1 см² веществом - гексогеном и тринитротолуолом в количестве от 10 нг до 10 мкг.

Спектры, приведенные на фиг.2, соответствуют следующим условиям работы.

Спектры 1 для тринитротолуола и 3 для гексогена получены для случая, когда мишень 7 не подвергается лазерному облучению, а молекулы аналита попадают в систему ионизации 5 устройства вследствие естественного газоотделения с поверхности исследуемой мишени 7.

Спектры 2 (тринитротолуол) и 4 (гексоген) соответствуют ситуации, когда десорбция с мишени 7 осуществляется благодаря воздействию на нее потоком излучения от лазера 1.

Таким образом, облучение лазером поверхности мишени 7 стимулирует десорбцию молекул с анализируемой поверхности, приводя к возрастанию амплитуды сигнала для ТНТ (спектр 2) более, чем в 5 раз, для гексогена (спектр 4) - в 4 раза. Из соотношения площадей пиков ТНТ в спектрах 1 и 2 и гексогена в спектрах 3 и 4 можно сделать вывод об увеличении не менее чем в 10 раз концентрации молекул в воздушной пробе в случае лазерной десорбции. Соответствующим образом возрастает и эффективность обнаружения паров и следов детектируемых веществ. Важно, что работа устройства никак не связана с характеристиками мишени, не требует ее нагрева и предконцентрирования. Особенно сильно эффективность изобретения проявляется при поиске следов веществ с крайне низким давлением насыщенных паров (~10^-14 г/см³ и ниже). Время регистрации веществ устройством - 2 с.

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. Способ получения и анализа ионов аналита включает облучение мишени потоком лазерного излучения. Затем осуществляют ионизацию молекул аналита. Далее происходит выделение и транспортировка ионов аналита в дрейфовый спектрометр. При этом для ионизации молекул аналита поток газа с десорбированными с мишени молекулами аналита направляют соосно и навстречу потоку лазерного излучения, облучающего мишень. Со стороны ввода лазерного излучения вводят поток буферного газа, создающего газовый затвор потоку ионизированного газа на входе в систему выделения и транспортировки ионов, где и осуществляют его вывод для последующей циркуляции. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обнаружения при детектировании паров и следов веществ на производственных мишенях в реальном времени. 2 ил.

Способ получения и анализа ионов аналита, включающий облучение мишени потоком лазерного излучения, ионизацию молекул аналита, выделение и транспортировку ионов аналита в дрейфовый спектрометр, отличающийся тем, что для ионизации молекул аналита поток газа с десорбированными с мишени молекулами аналита направляют соосно и навстречу потоку лазерного излучения, облучающего мишень, а со стороны ввода лазерного излучения вводят поток буферного газа, создающего газовый затвор потоку ионизированного газа на входе в систему выделения и транспортировки ионов, где и осуществляют его вывод для последующей циркуляции.