СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к аналитической химии, а также к аналитическому и медицинскому приборостроению и может быть использовано для быстрого масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, в т.ч. для определения летучих органических соединений (ЛОС), а также неорганических молекул и атомов в воздухе и выдохе. Области применения включают технологический и экологический мониторинг, газовую хроматографию, а также клиническую диагностику, например, скрининговую диагностику рака легких на основе определения ЛОС в выдохе человека.

Один из наиболее широко используемых методов масс-спектрометрического детектирования различных газовых компонентов, в первую очередь летучих органических соединений (далее ЛОС), основан на электронной ионизации определяемых соединений с помощью электронной пушки с фиксированной энергией ионизующих электронов - 70 эВ, затем эти ионы детектируются в масс-спектрометре (см., например, [1]). Такой подход, применяемый, например, в ГХ-МС (газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором), эффективен и позволяет определять широкий круг различных соединений. Однако при прямом масс-спектрометрическом определении различных соединений в газовой фазе возможности этого метода весьма ограничены. Электронная ионизация позволяет детектировать ряд элементов и простых неорганических соединений (N, О, СО, СО₂, NO, NO₂ и др.) в воздухе и различных газах. В то же время при одновременном определении широкого круга ЛОС возникают большие сложности, связанные с фрагментацией определяемых соединений. Если количество определяемых соединений велико, высокий уровень фрагментации, присущий такой электронной ионизации, существенно затрудняет, а зачастую и не позволяет идентифицировать определяемые ЛОС. В связи с этим развиваются другие методы ионизации, которые включают в себя мягкую, т.н. химическую ионизацию. Для ионизации ЛОС в последнем случае используются процессы асимметричной передачи заряда, реакция протонирования, Пеннинговская ионизация (ионизация молекулы ЛОС при ее столкновении с атомом или молекулой находящихся в метастабильном состоянии) и ряд других. Появились комбинированные методы ионизации, в которых используется два механизма. Например, в заявке [2] для ионизации соединений поочередно применяется реакция асимметричной передачи заряда и Пеннинговская ионизация. Подобный подход позволяет расширить круг определяемых соединений. Однако, приведенные в [2] атомно-молекулярные температуры для постоянного радиочастотного тлеющего разряда от 10 до 200°С нереализуемы, поскольку такие температуры можно получить только при низких мощностях разряда, при которых концентрация метастабильных атомов или молекул и чувствительность определения органических соединений также будут низкими. Отдельным направлением является использование фрагментации определяемых соединений в реакционной ячейке для их идентификации по относительным интенсивностям фрагментов (см., например, [3]). Еще одним вариантом является фрагментация дочерних ионов (МС-МС метод) [3]. В большинстве случаев фрагментация производится в столкновительной ячейке - определяемые ионы фрагментируют при столкновении с буферным газом [4]. Иногда используется и другой подход, в котором ионизация аналита осуществляется при его смешивании с отрицательно заряженным прекурсором [5, 6]. Однако при прямом анализе без использования методов предварительного разделения такие подходы неэффективны из-за большого количества неустранимых интерференций. Для увеличения эффективности ионизации предложен вариант ионизации в ионной ловушке [7]. Такой подход позволяет существенно увеличить вероятность ионизации ЛОС и других газов за счет увеличения времени их удержания в реакционном объеме. Однако возможности подобного подхода ограничены объемным зарядом. Максимальное количество ионов в ловушке определяется газовыми макрокомпонентами, что существенно ограничивает возможность определения микрокомпонентов. Отметим, что методы химической ионизации, как правило, не позволяют ионизовать соединения с высокой энергией ионизации, в первую очередь неорганические. Кроме того, методы химической ионизации, как правило, избирательны и позволяют ионизовать ограниченный круг соединений. Фрагментация ЛОС для химических методов также наблюдается, хотя и в меньшей степени, чем для электронной ионизации.

Известен способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, включающий в себя ввод газовой смеси в ионизатор масс-спектрометра, ионизацию компонентов газовой смеси тлеющим разрядом в коаксиальной разрядной ячейке, состоящей из цилиндрического анода и помещенного внутрь него сеточного цилиндрического катода, экстракцию полученных ионов через самплер в квадрупольный масс-спектрометр и масс-спектральное детектирование полученных ионов и устройство для его осуществления [8], применявшиеся авторами для определения ряда ЛОС в обычном воздухе. В этом способе и устройстве соответствующий источник был назван авторами [8] SPI (Soft Penning Ionization). Подобный подход позволяет, в значительной степени, разделить зону разряда и зону химической ионизации ЛОС, что уменьшает фрагментацию определяемых соединений. В этом случае импульсный разряд (со скважностью 50%) осуществлялся в воздухе при низком давлении, без использования аргона, а ионы детектировались в квадрупольном масс-спектрометре. В работе [8] показано, что при снижении давления воздуха в разрядной ячейке до 800-1200 Па основным механизмом ионизации ЛОС является Пеннинговский процесс:

Где N₂* - молекула азота в метастабильном возбужденном состоянии, M - молекула определяемого соединения, е^- - электрон, М⁺ - ион молекулы m (или совокупность ионов фрагментов молекулы М)

В этой работе было обнаружено, что высокомолекулярные соединения, присутствующие в пробе дыма, эффективно фрагментируются в источнике SPI, что говорит о неполном разделении ионизации по Пеннинговскому процессу от ионизации собственно разрядом, а также о высокой атомно-молекулярной температуре при Пеннинговском процессе. Из-за высокой степени фрагментации идентификация соединений была весьма затруднена.

При более высоких давлениях (1500-2500 Па) в [8] преобладала реакция взаимодействия M с NO⁺:

и пик [M+NO]⁺ становится доминирующим при относительно низкой фрагментации. Кроме того, аналит сдвигается в сторону больших масс, что уменьшает возможные интерференции и интенсивность рассеянных ионов, в значительной степени определяющих уровень предела обнаружения. В то же время наблюдаются ионы вида [(M+NO)(H₂O)_n]⁺, что, конечно, усложняет идентификацию соединений.

Недостатком известного способа и устройства является их низкая чувствительность, связанная с низкими скоростями формирования аддуктов [M+NO]⁺ при малом времени жизни ионов NO⁺ в разрядной ячейке низкого давления. Отметим, что NO⁺ в настоящее время используется для мягкой химической ионизации только в разрядах высокого давления, в первую очередь, атмосферных, где время жизни ионов NO⁺ велико. В разрядах низкого давления эффективность этого механизма ионизации резко падает. В работе [8] использовались насыщенные пары определяемых соединений. Соответствующие концентрации на 4-6 порядков превышают концентрации этих компонентов в выдохе человека. Поэтому, при анализе реальных проб выдыхаемого воздуха детектирование аналитов вида [M+NO]⁺ весьма проблематично.

Та же экспериментальная система была использована в [9] для определения н-алканов (С5-С14) и разветвленных октанов. Для всех указанных соединений, кроме н-пентана и 2,2,4-триметилпентана, показана возможность их идентификации и количественного определения с помощью ионов вида [М+O-3Н]⁺. Эти ионы формировались в реакциях:

Чувствительность в этом варианте оказалась выше, чем в работе [8], что позволило достичь пределов обнаружения в диапазоне 0.126-1.68 ppm_v (они определялись фоновыми ионами), что, впрочем, недостаточно для практического применения подобного способа и устройства. Кроме того, в выдыхаемом воздухе присутствует широкий круг ЛОС, некоторые фрагменты которых (они образуются при диссоциации ЛОС в разряде) могут интерферировать с аналитами [М+О-3Н]⁺. Причем состав этих фрагментов может совпадать с составом аналита, что делает неэффективным использование масс-спектрометров не только с низким, но и с высоким разрешением.

Известны способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, включающий включающие в себя ввод газовой смеси в ионизатор времяпролетного масс-спектрометра, ионизацию компонентов газовой смеси тлеющим разрядом в разрядной ячейке Гримма (состоит из плоского катода и цилиндрического пустотелого анода), экстракцию полученных ионов через самплер в масс-спектрометр и масс-спектральное детектирование полученных ионов и устройство для его осуществления [10]. Ионизация осуществлялась радиочастотными пакетами (частота 13.6 МГЦ) длительностью 40-50 мкс с частотой следования пакетов 400 Гц. ЛОС определялись в [10] в искусственном воздухе (чистые кислород и азот смешивались в необходимой пропорции) с ионизацией в разрядной ячейке Гримма и раздельным введением аргона и воздуха в ячейку, что позволило частично разделить зоны разряда и ионизации ЛОС. В работе [10] тлеющий разряд применялся в двух вариантах: как ионизатор в газовом хроматографе, так и при постоянном введении ряда ЛОС (бензола, толуола, этилбензола и ксилолов) в разрядную ячейку в потоке искусственного воздуха. Ионизация ЛОС происходила в послесвечении (через 99 мкс после окончания разряда), где основным механизмом является Пеннинговская ионизация. Предел обнаружения при определении ЛОС в искусственном воздухе составил величину порядка 1 ppb.

Недостатками этого способа и устройства является, во-первых, фрагментация детектируемых ЛОС.При этом относительные интенсивности фрагментов в спектрах ЛОС отличаются от таковых в спектрах этих же соединений при их стандартной электронной ионизации. Отметим, что степень фрагментации в послесвечении тлеющего разряда в аргоне и воздухе определяется, в основном двумя факторами. Во-первых, разницей в энергии возбуждения метастабильных уровней азота или аргона и энергии связи различных молекулярных групп (в первую очередь СН₃), входящих в состав определяемого ЛОС, во-вторых, атомной температурой разряда. Относительно высокие энергия импульсов ионизации (0.12 Дж) и средняя мощность разряда (50 Вт), используемые в работе [10], увеличивают температуру разряда и, как следствие, степень фрагментации ЛОС, что затрудняет идентификацию детектируемых соединений, поскольку, с одной стороны невозможно использовать известные масс-спектральные базы, разработанные для электронной ионизации со стандартной энергией электронов в 70 эВ, а с другой стороны, из-за фрагментации, весьма проблематична идентификация ЛОС по их молекулярным ионам. Во-вторых, определение ЛОС в обычном воздухе и, особенно в выдохе, представляет собой более сложную задачу, чем детектирование ЛОС в искусственном воздухе. Это связано с высокой и нестабильной влажностью анализируемого воздуха, которая в значительной степени влияет на все основные процессы ионизации ЛОС в тлеющем разряде. В частности, увеличение влажности воздуха уменьшает электронную температуру и, как следствие, концентрацию метастабильных атомов и молекул, что, в свою очередь, снижает эффективность Пеннинговской ионизации. Кроме того, увеличение влажности увеличивает вероятность реакции протонирования ЛОС (М+Н₃О⁺→МН⁺+Н₂О) что изменяет соотношение интенсивностей регистрируемых компонентов. Поэтому известный способ не может быть использован для прямого детектирования ЛОС в воздухе и, тем более, в выдохе.

Кроме того, данный способ не позволяет ионизовать и детектировать трудноионизуемые неорганические молекулы или атомы, присутствующие в воздухе или газовой смеси, такие, как O₂, N₂, CO₂, NH₃, NO_x, SO_x, Ar, Hg и др., что сужает его аналитическую и диагностическую ценность.

Известен способ и устройство, в котором для определения ЛОС используется импульсный тлеющий разряд с времяпролетным масс-спектрометром, а качестве аналита выступает ассоциат CuM⁺ [11]. При используемых в работе [11] условиях в разрядной ячейке присутствует высокая концентрация атомов меди, которые участвуют в реакциях с ЛОС с образованием CuM и ионизацией этих ассоциатов как в Пеннинговском процессе, так и с помощью пакета высокоэнергетичных ионов, возникающих на переднем фронте разрядного импульса. Использование CuM⁺ в качестве аналита позволяет сдвинуть аналит в сторону больших масс, где интенсивности фоновых компонентов существенно ниже. Кроме того, два изотопа меди служат дополнительным маркером детектируемых молекул CuM⁺, что улучшает идентификацию определяемых соединений. Как отмечено в [11], использование ассоциатов CuM⁺ существенно снижает фрагментацию аналита. В этом случае в результате фрагментации CuM возникают нейтральные Cu и М, что не «загрязняет» спектр другими компонентами. Однако пределы обнаружения 0.2-0.8 ppm_v, полученные в работе [11], оказались недостаточно низкими для практического использования такого подхода.

Задачей настоящего изобретения является улучшение аналитических характеристик, а именно, снижение предела обнаружения и улучшение селективности анализа за счет уменьшения фрагментации ионов определяемых соединений. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание возможностей для определения, с помощью одного способа и устройства, как летучих органических соединений, так и неорганических, включающих все основные компоненты воздуха (азот, кислород, углекислый газ, аргон и др.). Также задачей данного изобретения является возможность определения летучих органических соединений в присутствии высоких концентраций паров воды, в том числе в выдыхаемом воздухе.

Фиг. 1. Общая структура времяпролетного масс-спектрометра с импульсным тлеющим разрядом. Здесь 1 - ввод газовой смеси, 2 - разрядная ячейка, 3 - полый катод, 4 - самплер, 6 - фокусирующая ионная оптика, 7 - ортогональный ускоритель, 8 - дрейфовая камера, 9 - детектор, 14 - датчик давления, 20 - рефлектрон, 27 - вакуумные насосы, 28 - блок разрядных импульсов.

Фиг. 2. Схема разрядной ячейки системы GD TOFMS. Здесь 3 - медный полый катод, 4 - самплер, 13- регулятор потока, 14 - датчик давления, 16 - скиммер, 19 - кварцевая пластина, 21 - пакет с пробой воздуха, 22 - капилляр, 23 - ввод газа первого типа, 24 - пружина, 25 - керамическая пластина, 29 - уплотнения.

Фиг. 3. Схема процессов ионизации в импульсном тлеющем разряде. 5 - разрядный импульс, 10, 11 - импульсы экстракции, 12 - τ_d - задержка импульса экстракции, 15 - τ_i - длительность разрядного импульса, 17 - зона ионизации пакетом высокоэнергетичных ионов, 18 - зона Пеннинговской ионизации, 26 - период следования импульсов, 30 - временная зависимость потока ионов пробы через выталкивающую зону ортогонального ускорителя.

Фиг. 4. Формы импульсов напряжения (19) и тока (20) в разрядной ячейке.

Фиг. 5. Распределение потенциала в разрядной ячейке в начале разрядного импульса (21) и в конце (22). Здесь 3 - полый катод, 4 - самплер.

Фиг. 6. Зависимости интенсивностей 5 ЛОС от периода следования импульсов. Парциальное давление воздуха - 61 Па, давление аргона - 25 Па, длительность импульса 2.5 мкс, задержка импульса экстракции 110 мкс. Содержания всех ЛОС - 40 ppm.

Фиг. 7. Зависимость интенсивностей компонентов 5 ЛОС от длительности разрядного импульса. Парциальное давление воздуха - 0.61 Па, давление аргона - 0.25 Па, период следования импульсов - 250 мкс, задержка импульса экстракции 110 мкс. Содержания всех ЛОС - 40 ppm

Фиг. 8. Зависимости интенсивностей 5 ЛОС, NO⁺ и Cu⁺ от давления аргона в разрядной ячейке. Длительность импульса 2.5 мкс, период следования импульсов - 250 мкс, задержка импульса экстракции 110 мкс. Содержания всех ЛОС - 40 ppm

Фиг. 9. Участок масс-спектра с 4 ЛОС. Содержания всех ЛОС - 40 ppm. Давление воздуха - 61 Па, давление аргона - 24 Па, длительность импульса 2.2 мкс, период следования импульсов - 250 мкс, задержка импульса экстракции 110 мкс. 31 - толуол, 32 - п-ксилол, 33 -хлоробензол, 34- 1,2,4-триметилбензол.

Фиг. 10. Участок масс-спектра с 4 ЛОС. Разряд в воздухе. Содержания всех ЛОС - 40 ppm. Давление воздуха - 133 Па, длительность импульса 2 мкс, период следования импульсов - 250 мкс, задержка импульса экстракции 110 мкс. 35 - толуол, 36 - п-ксилол, 37 - хлоробензол, 38 - 1,2,4-триметилбензол.

Фиг. 11. Расширенный участок масс-спектра с 4 ЛОС. Разряд в воздухе. Содержания всех ЛОС - 40 ppm. Параметры разряда аналогичны приведенным на Фиг. 10.

Фиг. 12. Участки масс-спектра о-ксилола, полученные с помощью предлагаемого способа и устройства.

Фиг. 13. Градуировочные зависимости ЛОС при измерении в смеси 4 соединений. Давление воздуха - 61 Па, давление аргона - 25 Па, длительность импульса 2.5 мкс, частота следования импульсов - 4 кГц.

Фиг. 14. Участок масс-спектра с компонентами воздуха. Давление воздуха - 61 Па, давление аргона - 25 Па, длительность импульса 2.5 мкс, период следования импульсов - 250 мкс, задержка импульса экстракции 8 мкс.

Для решения поставленной задачи предлагается способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, включающий в себя ввод газовой смеси 1 в разрядную ячейку 2, содержащую полый катод 3 с медной поверхностью и самплер 4, причем газовая смесь содержит не менее 20% газа первого типа с энергией возбуждения метастабильного состояния не менее 11.1 эВ и энергией ионизации не менее 15 эВ. В качестве газа первого типа предпочтительно использовать азот, аргон или смесь азота и аргона. Газовая смесь также содержит газ второго типа с энергией ионизации молекул не более 12.2 эВ, которые ионизуются по Пеннинговскому процессу при взаимодействии с возбужденными метастабильными атомами или молекулами газа первого типа. Газ второго типа может быть, как мономолекулярным, так и смесью разных мономолекулярных компонентов. В разрядной ячейке 2 производят ионизацию компонентов газовой смеси с использованием импульсных электрических разрядов (разрядных импульсов 5) между полым катодом 3 и самплером 4. Полученные ионы фокусируют в пучок с помощью ионной оптики 6 и переносят в выталкивающую зону ортогонального ускорителя 7, экстрагируют их из выталкивающей зоны в дрейфовую камеру 8 времяпролетного масс-спектрометра с помощью импульсов экстракции и производят масс-спектральное детектирование экстрагированных ионов с регистрацией сигнала на детекторе 9. Схема процессов ионизации в импульсном тлеющем разряде представлена на Фиг. 3. Импульсы экстракции 10, 11 синхронизированы с разрядными импульсами 5 таким образом, что между задним фронтом разрядного импульса и передним фронтом импульса экстракции есть задержка 12, которая может меняться в пределах от 1 мкс до 300 мкс.

В разрядной ячейке 2 с помощью регулятора потока 13 поддерживают парциальное давление газа первого типа не менее 20 Па, а полное давление газовой смеси не более 200 Па (верхнее пороговое значение приведено для воздушной смеси, для других газов, например, для гелия верхний порог может быть больше). Давление контролируется с помощью датчика давления 14. При ионизации используют разрядные импульсы 5 длительностью 15 в диапазоне от 1 до 6 мкс и энергией импульсов в диапазоне от 0.5 до 1.5 мДж, которые инициируют электрическим пробоем, прикладывая между полым катодом 3 и самплером 4 напряжение в диапазоне от 1000 до 1700 В (предпочтительно от 1200 до 1600 В), с силой тока разрядных импульсов в диапазоне от 0.2 до 1.5 А, с частотой разрядных импульсов, обеспечивающей среднюю мощностью разряда не менее 0.5 Вт.

Энергия разрядных импульсов зависит от их длительности 15 и силы тока, которая, в свою очередь, зависит от давления в разрядной ячейке. Для того, чтобы обеспечить эффективную ионизацию молекул газа второго типа, в том числе, органических соединений, и при этом избежать их фрагментации, предлагаемый способ поддерживает уровень энергии разрядных импульсов и среднюю мощность разряда в диапазоне, в котором разряд уже создает много возбужденных метастабильных молекул или атомов газа первого типа, но при этом концентрация меди, распыляемой разрядом из полого катода 3, ограничена и еще не способна существенно уменьшить электронную температуру и, как следствие, концентрацию метастабильных атомов или молекул газа первого типа, а атомно-молекулярная температура низка, что существенно уменьшает фрагментацию молекулярных ионов детектируемых ЛОС. Для этого в разрядной ячейке поддерживают парциальное давление газа первого типа не менее 20 Па, а полное давление газовой смеси не более 200 Па (указано для воздушной смеси, для других газов верхний порог может быть больше). При использовании аргона, как газа первого типа, его парциальное давление в разрядной ячейке поддерживают не выше 30 Па. При использовании азота, как газа первого типа, его парциальное давление в разрядной ячейке поддерживают в диапазоне от 70 до 160 Па.

После каждого разрядного импульса 5 подают N последовательных импульсов экстракции 10, 11 с интервалами между ними не менее 20 мкс, где N выбирают в диапазоне от 1 до 15, причем импульсы экстракции задерживают относительно заднего фронта разрядного импульса на времена задержки τ_d, (12) выбираемые в диапазоне от 1 до 300 мкс. При этом как минимум для одного импульса экстракции время задержки τ_d выбирают в диапазоне от 80 до 140 мкс и детектируют в этом диапазоне времен задержки масс-спектральные пики ионов меди и ионов газов второго типа. Как минимум один из детектируемых мономолекулярных компонентов газа второго типа выбирают в качестве компонента сравнения, а давление газовой смеси, длительность разрядных импульсов и частоту их следования выбирают в рамках указанных диапазонов так, чтобы концентрация меди, распыляемой из полого катода 3, не превышала верхний предел, определяемый по детектируемому масс-спектру относительно концентрации компонентов сравнения, а именно, чтобы при временах задержки τ_d в диапазоне от 80 до 140 мкс суммарная интенсивность ионных пиков Cu⁺ в масс-спектре не превышала суммарной интенсивности ионных пиков выбранного газа сравнения, приведенной к нормировочной суммарной концентрации С₂ компонентов сравнения в газовой смеси, где нормировочная концентрация С₂ выбирается в диапазоне от 0.01% до 0.2%.

Выбор нормировочной концентрации С₂ в пределах указанного диапазона зависит от энергии ионизации молекул компонента сравнения: чем выше энергия ионизации - тем выше выбираемое значение С₂.

В качестве компонента сравнения в газе второго типа предпочтительно использовать соединение с энергией диссоциации не менее 11.5 эВ и детектировать ионы молекул этого соединения. В частности, при работе с воздухом или газовыми смесями, содержащими кислород, предпочтительно использовать кислород в качестве компонента сравнения. При этом интенсивность пиков кислорода (энергия ионизации 12.02 эВ) приводится к нормировочной концентрации С₂=0.2%. Допускается использовать в качестве компонента сравнения ЛОС с энергией ионизации не более 11 эВ, при этом интенсивность пиков этого соединения приводится к нормировочной концентрации С₂=0.01%. Список таких ЛОС, которые могут быть выбраны в качестве компонента сравнения, включает, например: пропан, гексан, гептан, додекан, бензол, толуол, о-ксилол, п-ксилол, этилбензол, пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1, формальдегид, уксусный альдегид, бутаналь, пентаналь, гексаналь, октаналь, нонаналь, гексадеканаль, 2-пентанон, уксусная кислота, пропионовая кислота.

Компоненты сравнения могут выбираться из анализируемых компонентов вводимой газовой смеси. Для приведения интенсивности пиков компонентов сравнения к нормировочной концентрации масс-спектрометр градуируют, либо по методу добавок, либо по градуировочным газовым смесям, используя известные концентрации выбранных компонентов сравнения. В другом исполнении компоненты сравнения могут вводиться дополнительно, при настройке вышеперечисленных параметров разрядного импульса и давлений газов первого типа.

За счет выбора давления газовой смеси, длительности разрядных импульсов 15 и их частоты следования по вышеописанному методу достигается высокая степень Пеннинговской ионизации молекул газа второго типа и ограничивается интенсивность распыления меди и ее влияние на электронную температуру разряда и эффективность Пеннинговского процесса. Также поддерживается низкая атомно-молекулярная температура и низкая степень фрагментации органических молекул.

Разделение по времени процесса разряда в полом катоде 3 и экстракции ионов в дрейфовую камеру 8 позволяет использовать разные механизмы ионизации, используя разные задержки импульса экстракции 12 относительно разрядного импульса. Задержка в диапазоне 50-200 мкс позволяет устранить влияние электронной ионизации, которая вызывает значительную фрагментацию ЛОС, на масс-спектр. В результате улучшается качество идентификации соединений (при их прямом определении) и снижаются пределы обнаружения ЛОС.

В то же время относительно малые задержки 1-20 мкс дают возможность использовать высокоэнергетичный пакет электронов, возникающий на переднем фронте разрядного импульса для ионизации трудноионизуемых соединений и элементов (N₂, СО₂, СО, F, Cl и др.) [7, 8].

Более детально процессы, происходящие в импульсном разряде, проиллюстрированы на Фиг. 3. Через самплер 4 идет постоянный поток частиц (атомов, молекул, ионов) из разрядной ячейки 2. Сразу после разрядного импульса 5 те нейтральные частицы, которые находятся в зоне между самплером 4 и скиммером 16, настигаются потоком электронов высокой энергии, возникающих на переднем фронте разрядного импульса. Таким образом формируются ионы по механизму электронной ионизации (см. 17 на Фиг. 3). Через несколько микросекунд после разрядных импульсов 5 эти ионы достигают выталкивающей зоны ортогонального ускорителя 7 времяпролетного масс-спектрометра, а затем выталкиваются импульсами экстракции 10 с малыми временами задержки (см. Фиг. 3) в дрейфовую камеру (8 на Фиг. 1). Ионы, образовавшиеся в результате Пеннинговской ионизации (18 на Фиг. 3) в разрядной ячейке 2, поступают в выталкивающую зону позже, и для них применяют импульсы экстракции 11 с более длинными задержками. Выбором времени задержки (12 на Фиг. 3) импульса экстракции 10,11 можно выбирать для детектирования ионы, полученные при разных процессах ионизации, что расширяет круг определяемых соединений.

Малая длительность разрядного импульса позволяет использовать малую среднюю мощность разряда (<5 Вт) и, как следствие, низкую атомно-молекулярную температуру, что уменьшает фрагментацию определяемых соединений. В то же время высокая импульсная мощность - 500 Вт при токе порядка 1 А дает возможность эффективно заселить метастабильные уровни, используемые для Пеннинговской ионизации, и, как следствие, эффективно ионизовать детектируемые соединения. Малая длительность разрядного импульса также позволяет детектировать молекулы или атомы с высокой энергией ионизации, которые ионизируются в разрядной ячейке по механизму электронной ионизации пакетом высокоэнергетичных электронов, возникающим на переднем фронте разрядного импульса.

Поясним происходящие процессы. Разрядный импульс 5 состоит из двух существенно отличающихся по своим процессам частей. В первой части, на переднем фронте импульса возникает поток высокоэнергетичных электронов от катода к самплеру 4 и часть этих электронов проникает через отверстие в самплере в бесстокновительную зону между самплером и скиммером 16 (см. Фиг. 2). Источником этих электронов является ион-электронная эмиссия с поверхности катода (ее вызывают ионы, образовавшиеся на переднем фронте разрядного импульса) и ионизация газа в разрядной ячейке 2. В этот момент времени объемный заряд еще не успевает сформироваться, и падение напряжения на разряде практически соответствует подаваемому напряжению. Высокая энергия этих электронов позволяет ионизовать любые молекулы и атомы. Во второй части импульса формируется объемный заряд, энергия электронов резко падает, а основным механизмом ионизации становится Пеннинговская ионизация. При этом ток через разряд резко возрастает, часть напряжения падает на балластном сопротивлении, а падение напряжения на самом разряде уменьшается да 550-1000 В - фактически происходит переход разряда в равновесную стационарную фазу. Формы импульсов напряжения 19 и тока 20 проиллюстрированы на Фиг. 4. В этих условиях короткий импульс (несколько мкс) с коротким задним фронтом (<1 мкс) позволяет эффективно ионизовать и детектировать молекулы, находящиеся в бесстолкновительной зоне между самплером и скиммером. Ионизованные в этой зоне молекулы через несколько мкс (время пролета от самплера до выталкивающей зоны времяпролетного масс-спектрометра - от 1 до 30 мкс, в зависимости от массы атома или молекулы) оказываются в выталкивающей зоне. Если в этот момент подается экстрагирующий импульс 10, 11, то ионы выталкиваются в дрейфовую камеру 8 масс-спектрометра и регистрируются детектором 9 (Фиг. 1). Распределение потенциала между катодом 3 и самплером 4 в начале 21 и в конце 22 разрядного импульса представлено на Фиг. 3. В начале импульса, пока не сформировался объемный заряд, отрицательный потенциал меняется линейно от катода к аноду. После формирования объемного заряда потенциал резко падает в прикатодном пространстве, а ближе к самплеру 4 становится положительным (потенциал плазмы положителен из-за разности в подвижности электронов и ионов). Такой вид распределения потенциала в разряде останавливает поток электронов от катода в бесстолкновительную зону между самплером 4 и скиммером 16.

Для улучшения пределов обнаружения после каждого разрядного импульса 5 подают пакет из N импульсов экстракции 10, 11, где N выбирают в диапазоне от 1 до 10, причем первый импульс экстракции задерживают относительно заднего фронта разрядного импульса на время задержки τ_d 12, выбираемое в диапазоне от 1 до 200 мкс, а интервалы между импульсами экстракции в пакете не менее 20 мкс. Подобный подход позволяет в несколько раз увеличить временную чувствительность анализа в размерности cps/ppb и снизить пределы обнаружения. Здесь cps (counts per second) - количество ионных отсчетов в секунду, ppb - концентрация. Предполагается также регистрировать разные масс-спектры для разных диапазонов задержек импульсов экстракции, получая отдельно масс-спектры неорганических молекул и атомов, ионизованных высокоэнергетическими электронами, и масс-спектры молекул, ионизованных по Пеннинговскому процессу.

Окончание разрядного импульса путем размыкания цепи разрядного тока приводит к быстрому рассасыванию объемного заряда, но оставляет остаточный, медленно меняющийся, потенциал на полом катоде, который может приводить к существенному ухудшению условий фокусировки, уменьшению интенсивностей и искажению масс-спектра, особенно при экстракции ионов с малыми временами задержки. Для улучшения селективности и пределов обнаружения ионов, экстрагируемых с малыми временами задержки, разрядный импульс формируют с задним фронтом напряжения, спадающим до величины 1 В за время не более 1 мкс. Это позволяет избежать искажений условий ионной фокусировки, обусловленных задним фронтом разрядного импульса, и эффективно экстрагировать и детектировать ионы при малых задержках импульса экстракции, в том числе, для использования вышеупомянутого механизма ионизации с помощью пакета высокоэнергетичных электронов.

Время задержки τ_d 12 выбирают в зависимости от вида определяемых компонентов и механизма ионизации. Для молекул ЛОС используют мягкую Пеннинговскую ионизацию (см. 18 на Фиг. 3):

M+N₂* (или Ar*)→М⁺+е^-+N₂ (или Ar),

а время задержки 12 выбирают в диапазоне от 50 до 200 мкс, предпочтительно - от 80 до 120 мкс. Для трудноионизуемых молекул, например, для молекул азота или других неорганических молекул, используют ионизацию пакетом высокоэнергетичных электронов, возникающих на переднем фронте разрядного импульса 17, а время задержки 12 выбирают в диапазоне от 1 до 50 мкс [7, 8] (предпочтительно - от 1 до 20 мкс).

Предлагаемый способ предполагает использование нескольких вариантов мягкой Пеннинговской ионизации молекул ЛОС (ионизации органической молекулы при столкновении с метастабильными возбужденными атомами или молекулами газа первого типа), отличающихся выбором разных газов первого типа с атомами или молекулами, обладающими метастабильным уровнем с энергией возбуждения не менее 11.1 эВ, достаточным для ионизации большинства ЛОС (например, N₂, Ar, смесь N₂ и Ar). Для разных газов первого типа существует свой диапазон оптимальных параметров разряда - давления, длительности разрядного импульса и энергии в импульсе, а также средней мощности разряда и диапазона времен задержки τ_d.

При использовании аргона в качестве газа первого типа его парциальное давление поддерживают в диапазоне от 20 до 30 Па.

При использовании азота в качестве газа первого типа его парциальное давление в ионизационной ячейке поддерживают в диапазоне от 70 до 160 Па.

При использовании смеси азота и аргона в качестве газа первого типа парциальное давление аргона ограничивают верхним пределом 30 Па, парциальное давление азота ограничивают верхним пределом 160 Па, причем парциальные давления аргона и азота поддерживают так, что величина эффективного давления смеси Р_е, определяемая следующим выражением - Р_е=P_N+R*P_Ar (P_N - парциальное давления азота, P_Ar - парциальное давление аргона, коэффициент R выбирают в диапазоне от 3.5 до 4.5.) находится в диапазоне от 70 до 160 Па.

Принцип ионизации ЛОС в предлагаемом способе основан на эффективном возбуждении в коротком разрядном импульсе (от 1 до 6 мкс) метастабильных уровней аргона и/или молекулярного азота, которые необходимы для Пеннинговской ионизации ЛОС (см. выражение 1). Из-за малой длительности разрядного импульса низки как эффективность диссоциации этих соединений, так и интенсивность фона, что позволяет достичь высокой селективности и низких пределов обнаружения ЛОС. Эффективность Пеннинговского механизма обусловлена тем, что энергии метастабильных уровней молекулярного азота (11.1 эВ) и аргона (11.55, 11.72). превышают энергии ионизации почти всех ЛОС. Для примера в Табл. 1 приведены энергии ионизации некоторых ЛОС, являющихся маркерами рака легких. Как видно из Табл. 1, энергия возбуждения метастабильного уровня молекулярного азота превышает энергии ионизации всех приведенных в Табл. 1 ЛОС, кроме ацетонитрила [12].

Выше шла речь об определении в воздухе ЛОС с энергией ионизации не выше 12.2 эВ. В случае молекул с более высокой энергией ионизации, например, метана или многих неорганических соединений применение Пеннинговской ионизации, как видно из Табл. 1, невозможно, поскольку энергии ионизации таких молекул, как СН₄, N₂, СН₄, SO₂, СО, СО₂ и др. превышают энергии возбуждения метастабильных уровней азота и аргона. Подобные молекулы или атомы с высокими энергиями ионизации ионизируются в разрядной ячейке пакетом высокоэнергетичных электронов, возникающим на переднем фронте разрядного импульса. Используя импульсы экстракции с временами задержки в диапазоне от 1 до 20 мкс, предлагаемый способ позволяет определять молекулы с высокими энергиями ионизации, например, СН₄, SO₂, СО, СО₂, другие неорганические молекулы или атомы, и, в частности, основной компонент воздуха - азот, который удобно использовать в качестве внутреннего стандарта.

На Фиг. 6-14 показаны примеры результатов экспериментов применения предлагаемого изобретения для детектирования ЛОС и определения состава газовых смесей. В экспериментах анализировались газовые смеси на основе воздуха, в том числе выдыхаемого воздуха. Поток смеси воздуха с парами органических и неорганических соединений вводился либо в поток аргона, поступающего в разрядную ячейку времяпролетного масс-спектрометра с разрешением 800, либо непосредственно в разрядную ячейку, когда ионизация проводилась без участия аргона. Для ионизации пробы использовался импульсный разряд длительностью 1-5 мкс, инициируемый напряжением в диапазоне от 1000 до 1700 В (предпочтительный диапазон рабочих напряжений- от 1200 до 1600 В). В разрядной цепи использовалось балластное сопротивление 750 Ом, а максимальная сила тока разряда достигала величины в диапазоне 0.6-1.0 А. Падение напряжения на разряде варьировалось в диапазоне 550-1000 В. При напряжении меньше 1000 В разряд не возникал, а при напряжении больше 1700 В разряд становился нестабильным. Для формирования известной концентрации ЛОС соответствующие соединения микрошприцем вводились в пакет из ПВФ пленки объемом 3 л. Для градуировки использовались 3 смеси четырех ЛОС. Оптимизация условий анализа осуществлялась изменением длительности разрядного импульса, давления в разрядной ячейке, частоты следования импульсов и задержки импульса экстракции относительно разрядного.

Структура использовавшегося в этих экспериментах времяпролетного масс-спектрометра с импульсным тлеющим разрядом и устройством ввода воздушно-аргоновых газовых смесей представлена на Фиг. 1, а пример устройства разрядной ячейки 2 - на Фиг. 2. Полый катод 3 вставлен в кварцевую пластину 19 и зафиксирован пружиной 24, а керамическая пластина 25 разделяет полый катод 3 от самплера 4, который является анодной частью разрядной ячейки 2. Проба газовой смеси, предварительно помещенная в пакет 21 из поливинилфторидной (ПВФ) пленки через капилляр 22 поступала в разрядную ячейку 2, по дороге смешиваясь с аргоном, подающимся через порт 23 и регулятор потока 13. Вакуумные насосы 27 откачивали газ из бесстолкновительной зоны между самплером 4 и скиммером 6, а также из дрейфовой камеры 8. Парциальное давление аргона в разрядной ячейке 2 регулировалось регулятором потока 13, а парциальное давление воздушной смеси - сопротивлением капилляра 22 (выбором его длины) при выбранных размерах отверстия самплера 4. Газовое давление в разрядной ячейке 2 измерялось датчиком давления 14.

Пеннинговская ионизация компонент газа второго типа происходила в разрядной ячейке 2 с помощью разрядных импульсов 5, которые формировались между медным полым катодом 3 и самплером 4 с помощью источника разрядных импульсов 28. Затем через отверстие в самплере 4 полученные ионы, а также неионизованные молекулы и атомы из рязрядной ячейки 2 попадали в бесстолкновительную зону между самплером 4 скиммером 16. Электронная ионизация трудно ионизуемых молекул и атомов происходила уже в этой бесстолкновительной зоне. Затем ионы с помощью фокусирующей ионной оптики 6 формировались в пучок и направлялись в выталкивающую зону ортогонального ускорителя 7, откуда они с помощью экстрагирующих импульсов 10, 11 с разными временами задержки выбрасывались в дрейфовую камеру 8, разворачивались и дополнительно фокусировались с помощью рефлектрона 20 и детектировались с помощью детектора 9.

На Фиг. 6-9 представлены результаты некоторых экспериментов с газовой смесью на основе воздуха и аргона. Парциальное давление воздуха в разрядной ячейке в этих экспериментах было 61 Па. Оно определялось диаметром (75 мкм) и длиной (8 см) капилляра, используемого для ввода воздуха. Парциальное давление аргона в разрядной ячейке регулировалось с помощью пьезонатекателя и измерялось при выключении поступления воздуха. При парциальном давлении аргона в диапазоне 20-30 Па увеличение давления воздуха выше 100 Па увеличивало интенсивности медных компонентов в масс-спектре и уменьшало чувствительность определения ЛОС. Используемое сочетание парциальных давлений аргона и воздуха позволило достичь высокой чувствительности, минимизировать интенсивности фоновых компонентов и получить относительно низкую степень фрагментации определяемых ЛОС.

Увеличение частоты следования разрядных импульсов, в принципе, увеличивает чувствительность определения ЛОС в размерности cps/ppm и поэтому разумно увеличивать частоту до максимально возможной величины. В то же время увеличение частоты выше некоторого предела и соответственно уменьшение периода следования импульсов T_i (26 на Фиг. 3) депрессирует интегральные интенсивности ионных пиков детектируемых ЛОС.На Фиг. 6 представлена соответствующая зависимость интенсивности ионных пиков молекул 5 ЛОС от периода следования импульсов в диапазоне от 200 мкс до 400 мкс. При T_i>400 мкс разряд становился нестабильным. Как видно из Фиг. 6, увеличение T_i приводит к некоторому увеличению интенсивностей ЛОС. Особенно заметно увеличение интенсивности 1,2,4-триметилбензола и п-ксилола. Как видно из Фиг. 6, оптимальная величина T_i находится в диапазоне 250-350 мкс. В дальнейшем использовался период T_i=250 мкс, поскольку в этом случае интенсивности ЛОС слабо отличаются от максимальных, а чувствительность в cps/ppm максимальна.

На Фиг. 7 представлена зависимость интенсивностей 4 ЛОС от длительности разрядного импульса при тех же условиях. Как видно из Фиг. 7, увеличение длительности разрядного импульса несколько увеличивает интенсивности молекулярных ионов ЛОС. Подобный эффект, по-видимому, связан с увеличением эффективности возбуждения и, соответственно, концентрации возбужденных метастабильных Ar* и N₂*. Оптимальная длительность при данных парциальных давлениях и параметрах разряда составляла 1.5-2.5 мкс. При большей длительности растет энергия импульса и средняя мощность разряда и существенно увеличивается концентрация атомов меди в разряде, что уменьшает эффективность возбуждения Ar* и N₂*, и, как следствие, эффективность процесса (1), из-за уменьшения энергии электронов, которые отдают свою энергию атомам меди в неупругих столкновениях.

Увеличение давления аргона в разрядной ячейке выше 28 Па существенно уменьшало интенсивности регистрируемых молекулярных ионов и увеличивало интенсивности фоновых компонентов спектра (см. Фиг. 8). Этот эффект связан с увеличением скорости распыления медного катода, и, как следствие, с уменьшением электронной температуры и концентрации метастабильных молекул N₂*. В то же время, как видно из Фиг. 8, увеличение давления аргона от 24 до 28 Па приводит к резкому увеличению интенсивностей хлорбензола и толуола, а также 43 компоненты [М-ОН]⁺, пропанола-1, NO⁺ и Cu⁺, в то время как интенсивности п-ксилола и триметилбензола уменьшаются. Максимумы интенсивностей для хлорбензола, толуола и 43 компоненты пропанола-1 смещены с сторону больших давлений по сравнению п-ксилолом и триметилбензолом. Возможным объяснением этого эффекта является реакция асимметричной передачи заряда с участием NO⁺, интенсивность которого возрастает более, чем в 30 раз при увеличении давления аргона с 24 до 34 Па

Действительно, как видно из Табл. 1, энергии ионизации толуола и хлорбензола близки к энергии ионизации NO (соответствующие разности энергий 0.37 и 0.2 эВ), в то время как энергии ионизации п-ксилола и триметилбензола отличаются от энергии ионизации NO более существенно (0.83 и 1.0 эВ, соответственно). Впрочем, использование реакции (5) для увеличения интенсивности некоторых ЛОС неэффективно, поскольку наряду с не очень значительным увеличением чувствительности для узкого круга соединений (приблизительно в 2 раза) наблюдается рост интенсивностей фоновых компонентов. Высокой интенсивности NO⁺, как видно из Фиг. 8, соответствует высокая интенсивность Cu⁺, что свидетельствует о высокой концентрации атомов меди в разряде, а высокая концентрация Cu снижает концентрации метастабильных N₂* и Ar*. Это, в свою очередь, приводит к существенному уменьшению интенсивностей всех ЛОС, для которых неэффективен процесс (5).

Следовательно, допустимыми режимами разряда являются, те, при которых интенсивности Cu⁺ и NO⁺ низки. Это режимы реализуется при средних мощностях разряда <3 Вт. При мощностях <0.5 Вт интенсивность ЛОС резко падает, а разряд делается нестабильным. Поэтому, допустимая средняя мощность разряда W_d находится в диапазоне:

При парциальном давлении аргона в 26 Па увеличение парциального давления воздуха до 75 Па не приводило к существенным изменениям в масс-спектрах, но выше 80 Па воздуха (64 Па азота) интенсивности медных компонентов в масс-спектре начинали заметно расти и ухудшалась чувствительность определения ЛОС.

При анализе воздуха (газовой смеси с содержанием около 20% кислорода) верхняя граница допустимой мощности соответствует следующему условию соотношений интенсивностей пиков в масс-спектрах, детектируемых в диапазоне задержек импульсов экстракции от 80 до 140 мкс:

Поскольку процессы ионизации Cu и О₂ одинаковы (Пеннинговская ионизация), а концентрация О₂ в воздухе достаточно стабильна (от 16% в выдохе до 21-22% в атмосфере), то выбор кислорода в качестве компонента сравнения и контроль соотношения интенсивностей пиков меди и кислорода в масс-спектре (7) позволяет эффективно контролировать интенсивность распыления меди и влияния ее концентрации на электронную температуру плазмы в полом катоде и эффективность Пеннинговского процесса. Ограничение интенсивности распыления меди по соотношению (7) может быть реализовано при разном соотношении тока, длительности импульса, частоты следования импульсов и давления, но в рамках представленных в формуле параметров - давление анализируемого воздуха от 10 до 150 Па, длительность разрядных импульсов от 1 до 6 мкс, энергия в импульсе от 0.5 до 1.5 мДж, напряжение от 1000 до 1700 В, ток от 0.2 до 1 А.

В более общем случае (газовые смеси с пониженным содержанием кислорода, или не содержащие кислорода, но содержащие другие газы второго типа, например, органические молекулы) для ограничения интенсивности распыления меди суммарная интенсивность изотопных пиков меди в масс-спектре сравнивается с суммарной интенсивностью пиков выбранных компонентов сравнения, приведенных к нормировочной концентрации С₂ которая выбирается в диапазоне от 0.01% до 0.3% в зависимости от энергии ионизации выбранного компонента сравнения, что описывается следующим выражением:

где С₂=0.3%, если компонентом сравнения выбирается молекулярный кислород О₂. А если компонентом сравнения выбирается органическое соединение с энергией ионизации не более 11 эВ, то С₂=0.01%. В выражении (8) ΣCu⁺ - сумма интенсивностей медных компонентов, ΣМ⁺/C_m - сумма интенсивностей всех компонентов детектируемых компонентов сравнения, нормированная на концентрацию соединения C_m (в процентах).

Область допустимых параметров находится в многомерном пространстве представленных выше параметров разряда, но еще раз подчеркнем, что главными условиями, обеспечивающим высокую чувствительность определения ЛОС при низкой интенсивности фоновых компонентов и низком уровне фрагментации ЛОС является выполнение соотношений (7) или (8) между интенсивностью пика меди и интенсивностью пиков компонентов сравнения. Отметим, что верхний предел допустимого давления газовой смеси, определяемого по соотношению (8), сильно зависит от состава газов и может значительно превышать вышеупомянутую границу 200 Па, например, за счет больших парциальных давлений гелия, как газа-носителя на выходе газового хроматографа.

Отметим, что фрагментация ЛОС, конечно, определяется не только процессами в разряде, но и энергией диссоциации детектируемых соединений. В Табл. 2 приведены энергии диссоциации для некоторых ЛОС с отрывом представленных в таблице групп. Наши исследования показали, что в импульсном тлеющем разряде при вышеуказанном выборе параметров разряда и времен задержки импульсов экстракции соединения с энергией диссоциации больше 11.6 эВ в основном, детектируются в виде ионов нефрагментированных молекул поскольку оба Пеннинговских газа - аргон и молекулярный азот имеют меньшую энергию возбуждения метастабильного уровня.

На Фиг. 9 представлен участок масс-спектра с 4 ЛОС при оптимальных параметрах разряда. Концентрации всех соединений были одинаковы и составляли 40 ppm. Как видно из Фиг. 9, четыре ЛОС в масс-спектре представлены, в основном пиками молекулярных ионов, рядом с которыми видны пики протонированных и депротонированных (для толуола и п-ксилола) ионов с существенно меньшей интенсивностью.

На Фиг. 10 показан пример масс-спектра, полученного при вводе в разрядную ячейку газовой смеси на основе воздуха без аргона. Видно, что масс-спектр ЛОС на Фиг. 10 близок к аналогичному масс-спектру ЛОС на Фиг. 9. Зависимости интенсивностей пиков от длительности разрядного импульса (и, следовательно, от энергии импульса) также были похожими. В этом случае в эксперименте использовалось давление воздуха 133 Па. Как видно, использование аргона при определении ЛОС в воздухе не является необходимым, поскольку метастабильный уровень азота, имеющий почти ту же энергию возбуждения, что и метастабильные уровни аргона, так же эффективно ионизует в Пеннинговском процессе ЛОС, как и аргон.

При вводе в разрядную ячейку газовой смеси на основе воздуха без аргона увеличение парциального давления воздуха до 200 Па не приводило к существенным изменениям в масс-спектрах, но выше 200 Па воздуха (160 Па азота) интенсивности медных компонентов в масс-спектре начинали заметно расти и ухудшалась чувствительность определения ЛОС.

При анализе газовых смесей воздуха с аргоном при 26 Па аргона аналогичная верхняя граница оптимальных парциальных давлений азота была порядка 60-64 Па.

Таким образом, эксперименты иллюстрируют, что верхние границы оптимальных парциальных давлений газов первого типа зависят от природы газа первого типа (аргон, азот или их смесь), а при смеси - от соотношения долей аргона и азота в смеси, и подтверждают применимость способа выбора парциальных давлений аргона и азота в пределах диапазона, в котором величина эффективного давления смеси Р_Ее, равная сумме (парциальное давления азота плюс парциальное давление аргона, умноженное на коэффициент относительной эффективности М), равна 160 Па, где коэффициент относительной эффективности M выбирают в диапазоне от 3.5 до 4.5 (поскольку окончательный подбор параметров осуществляется по соотношениям (7) или (8), предпочтительно для простоты выбирать М=4).

Как видно из Фиг. 9 и Фиг. 10, при реализации выбранных условий разряда в медном полом катоде, интенсивности медных компонентов ⁶³Cu⁺ и ⁶⁵Cu⁺ низки, что означает, что интенсивности всех кластерных компонентов с присутствием атомов меди (CuOH⁺, CuAr⁺ CuO⁺, Cu₂⁺ и др.) очень малы и практически не влияют на определение ЛОС.

На Фиг. 11 приведен расширенный масс-спектр для 4 ЛОС с содержанием каждого соединения 40 ppm. Видно, что условие (7) соотношения ионных пиков меди и молекул кислорода выполняется, следовательно, выбранные параметры разряда находятся в оптимальном диапазоне, что определяет высокоэффективную и мягкую ионизацию ЛОС и их высокочувствительное детектирование по ионным пикам исходных молекул при низкой степени фрагментации. Выбранные таким образом оптимальные параметры существенно отличаются от соответствующих параметров в способах определения состава газовой смеси, представленных в работах [8-10] и [11]. В частности, средняя мощность в способе [10] составляла W_d=50 Вт, а в способе [11] составляла W_d=6-10 Вт, в то время как в вышеописанных примерах реализации предлагаемого способа при выбранных параметрах средняя мощность разряда W_d находилась в диапазоне от 1 до 3 Вт.

Влияние температуры разряда на фракционирование ЛОС проиллюстрировано на примере п-ксилола. На Фиг. 12 приведен участок масс-спектра, полученный с помощью предлагаемого способа. Как видно из Фиг. 12, относительные суммарные интенсивности фрагментов п-ксилола не превышают 10% от интенсивности ионных пиков молекул п-ксилола (включая его протонированные молекулы). Следовательно, степень фрагментации молекул п-ксилола в предлагаемом способе в 5-10 раз ниже, чем в работе [10]. Это связано со значительно меньшей средней мощностью разряда в нашем случае (<3 Вт), по сравнению с работой [10] (50 Вт), и, соответственно, с существенным отличием атомно-молекулярной температуры Т. Грубая оценка перепада температур ΔT между газовой фазой и стенкой разрядной ячейки при разряде в воздушно-аргоновой смеси при используемом давлении воздуха 61 Па и аргона 24 Па для средней мощности 5 Вт с учетом того, что большая часть мощности уходит на нагрев катода, а не газовой фазы дает ΔT=150-300 K. А при мощности 50 Вт для разрядной ячейки используемой в работе [9] ΔT=600-1200 K. Отметим, что атомно-молекулярная температура практически не меняется во времени при частотах следования импульсов больше нескольких сот Гц, поскольку время релаксации температуры составляет несколько миллисекунд. Однако при более низкой частоте атомно-молекулярная температура будет существенно изменяться во времени - от максимального значения к концу импульса до минимума к началу следующего. А вероятность фрагментации в этом случае будет определяться не средней мощностью разряда, а энергией в разрядном импульсе.

Отметим, что в нашем случае по сравнению с электронной ионизацией ЛОС наблюдается существенно меньший уровень фрагментации и меньшее число фрагментов. Это проиллюстрировано в Табл. 3, где приведены относительные интенсивности ряда компонентов для 7 ЛОС, для предложенного варианта и для электронной ионизации при энергии электронов 70 эВ. Как видно из Табл. 3 фрагментация в нашем случае существенно меньше, по сравнению с электронной ионизацией, особенно для таких ЛОС, как п-ксилол, гептан и декан.

На Фиг. 13 приведены градуировочные зависимости для 4 ЛОС. Пределы обнаружения, оцененные по критерию 3σ для времени регистрации 10 мин, представлены в Табл. 4. Различие в пределах обнаружения для разных ЛОС определялось в первую очередь фоновыми компонентами, присутствующими в масс-спектре воздуха. Различие в чувствительностях для представленные в Таблице 4 ЛОС, (см. Фиг. 13) было не очень значительным. Как видно из таблицы, LoD находятся в пределах 0.5-5 ppb, что позволяет использовать подобный подход для решения широкого круга задач, в частности для определения ЛОС в выдохе человека.

Как отмечено выше, увеличение влажности воздуха уменьшает электронную температуру и, как следствие, концентрацию метастабильных атомов и молекул, что, в свою очередь, снижает эффективность Пеннинговской ионизации. Кроме того, увеличение влажности увеличивает вероятность протонирования ЛОС и вероятность образования водных кластеров с участие детектируемых ЛОС, что изменяет соотношение интенсивностей регистрируемых компонентов. Оба эти эффекта существенно возрастают при росте давления в разрядной ячейке, поскольку при более высоком давлении увеличивается вероятность тушения Пеннинговских агентов молекулами воды и вероятность передачи заряда от детектируемых ЛОС молекулам воды и водяным кластерам. Для оценки влияния влажности этого был поставлен эксперимент по сравнению интенсивностей толуола, п-ксилола, тримелбензола и хлоробензола, а также H₃O⁺, Cu⁺, NO⁺, O₂⁺ для двух значений абсолютной влажности: ρ₁=7.8 г/м³ и ρ₂=22.8 г/м³. Меньшее значение влажности соответствовало обычной влажности воздуха в лаборатории, а большее - концентрации насыщенных паров. В последнем случае 0.5 мл воды вводилось в 3 л пакет из ПВФ пленки, а измерения начинались через 15 мин после ввода, для установления равновесия в пакете. В Табл. 5 представлены измеренные в этом эксперименте отношения интенсивностей, указанных выше компонентов для относительно высокой (ρ₂) и низкой (ρ₁) влажности.

Как видно из таблицы увеличение влажности в 2.9 раза депрессирует интенсивности Cu⁺, NO⁺, О₂ и особенно сильно - интенсивность Н₃О⁺ (падение в 3 раза при росте концентрации в 2.9 раз). В то же время интенсивности ЛОС уменьшаются значительно слабее - на 20-30%. С учетом того, что в обычных условиях диапазон изменения влажности существенно уже, ее влияние на результаты анализа невелико. Если определяется содержание ЛОС в обычном воздухе, то при изменении абсолютной влажности в 1,5 раза, что представляется маловероятным, изменения интенсивностей ЛОС не превысят 4-10%, что фактически соответствует экспериментальной ошибке. Если же измеряется содержание ЛОС в выдохе, то влажность будет находится в диапазоне 0.9-1.0 от максимально возможной влажности. В этом случае возможные изменения интенсивности ЛОС, связанные с изменением влажности, не превысят 2-5%. Следовательно, и в том, и в другом случае, влияние изменения влажности на результаты анализа будет незначимым и его можно не учитывать. Возможность прямого анализа ЛОС в реальных пробах воздуха с высоким содержанием паров воды и устойчивость измеряемых концентраций ЛОС к вариациям плотности паров воды являются важным преимуществом предлагаемого способа определения.

Подчеркнем, что в предлагаемом изобретении диапазон параметров, в пределах которых реализуется высокая чувствительность, низкие пределы обнаружения и относительно низкая фрагментация, узок. В рамках этих параметров удается совместить противоречивые процессы: высокую эффективность ионизации ЛОС и низкую скорость распыления и ионизации материала катода при низком уровне фрагментации молекулярных ионов, которые в нашем случае являются аналитами. Эти параметры (давление газовой смеси, сила тока разряда и длительность разрядного импульса, определяющие энергию в импульсе, а также частота следования разрядных импульсов, определяющая среднюю мощность) выбираются так, чтобы концентрация меди, распыляемой из полого катода, не превышала вышеупомянутый верхний предел, определяемый по детектируемому масс-спектру относительно концентрации компонентов сравнения. Выбранные таким образом оптимальные параметры существенно отличаются от соответствующих параметров в способах определения состава газовой смеси, представленных в [8-10] и [11]. Преимуществом заявляемого способа является возможность использования в разрядной ячейке только анализируемого воздуха (без добавления аргона) при существенном увеличении чувствительности анализа. Все это позволило достичь низких пределов обнаружения, представленных в Табл. 4, при низком уровне фрагментации ЛОС (Фиг. 9 и 10 и Табл. 3).

Предлагаемый способ позволяет, изменив задержку импульса экстракции, определять и молекулы с высокими энергиями ионизации, например, СН₄ SO₂, СО, СО₂, другие неорганические молекулы или атомы, в частности, основной компонент воздуха - азот, который удобно использовать в качестве внутреннего стандарта. На Фиг. 14 представлен масс-спектр пробы воздуха при задержке импульса экстракции 8 мкс. При такой задержке ионизация соединений происходит пакетом высокоэнергетичных электронов, возникающих на переднем фронте разрядного импульса [14, 15]. Как видно из Фиг. 14, использование такого режима позволяет решить задачу определения неорганических соединений в газовой фазе также с высокой чувствительностью.

Используя чередующиеся задержки импульсов экстракции (положим, четные импульсы 10 на Фиг. 3 - с малой задержкой 1-20 мкс, а нечетные импульсы 11 - с большой задержкой 90-120 мкс), можно одновременно с высокой эффективностью определять ЛОС с малой фрагментацией молекулярных ионов и неорганические соединения с высокой энергией ионизации. При этом должно осуществляться отдельное суммирование нечетных импульсов с большой задержкой (определение ЛОС) и четных импульсов с малой задержкой (определение неорганических соединений). В результате решается задача раздельного определения ЛОС и неорганических соединений в одном измерении.

Таким образом, как показано в приведенных примерах, использование предложенного способа обеспечивает снижение предела обнаружения и улучшение селективности анализа ЛОС за счет повышения эффективности ионизации, уменьшения фрагментации ионов определяемых соединений и снижения интенсивности фоновых пиков. Благодаря формированию резкого заднего фронта короткого импульса ионизации обеспечивается возможность эффективного детектирования ионов атомов и молекул, ионизованных пакетом высокоэнергетичных электронов, рожденных на переднем фронте короткого импульса ионизации, что в сочетании с эффективной Пеннинговской ионизацией легкоионизуемых молекул позволяет с помощью одного устройства одновременно определять как молекулы ЛОС, так и неорганические молекулы и атомы, в том числе все основные компоненты воздуха (азот, кислород, углекислый газ, аргон и др.). Кроме того, обеспечивается возможность определения ЛОС в присутствии высоких концентраций паров воды, что позволяет проводить прямой анализ ЛОС в выдыхаемом воздухе с высокой чувствительностью.

Вышеописанные примеры осуществления предлагаемого изобретения иллюстрируют его практическую применимость и достижение поставленных задач, но не исчерпывают всех вариантов его осуществления и применения. Изобретение также предполагает прочие варианты осуществления и применения предложенного способа при определении состава газовых смесей различной природы и происхождения, в том числе газовых смесей в технологических процессах и системах, а также газовых смесей, выходящих из устройств предварительного разделения, например, газовых хроматографов или спектрометров ионной подвижности.

Литература

1. Pierre Schanen. ANALYTICAL APPARATUS UTILIZING ELECTRON IMPACT IONIZATION. United States Patent. Patent No.: US 9,786,480 B2. Date of Patent: Oct. 10, 2017

2. Hin Yiu Anthony Chung, Michel Aliman, Gennady Fedosenko, Albrecht Ranck. METHOD FOR MASS SPECTROMETRY EXAMINATION OF GAS MIXTURES AND MASS SPECTROMETER THEREFOR.

Publication number: 20160372310

Type: Application

Filed: Aug 23, 2016

Publication Date: Dec 22, 2016

Inventors: Hin Yiu Anthony Chung (Ulm), Michel Aliman (Oberkochen), Gennady Fedosenko (Aalen), Albrecht Ranck (Aalen) Application Number: 15/244,720

Classifications

International Classification: H01J 49/00 (20060101); H01J 37/32 (20060101); H01J 49/42 (20060101); H01J 49/10 (20060101); H01J 49/14 (20060101);

3. Robert Harold Bateman, MASS ANALYSIS USING ALTERNATING FRAGMENTATION MODES. United States Patent (10) Patent No.: US 8,704,164 B2 Bateman (45) Date of Patent: Apr. 22, 2014.

4. Alexander Makarov; Eduard V. Denisov, Wilko Balschun; Nolting, Griep-Raming. COLLISION CELL. United States Patent. Patent No.: US 9.245,723 B2 Makarov et al. Date of Patent: Jan. 26, 2016

5. Vladimir M. Doroshenko, Sykesville, MD (US); Vadym D. Berkout. METHOD AND APPARATUS FOR ION FRAGMENTATION IN MASS SPECTROMETRY. United States Patent/ Patent No.: US 8,188.423 B2 Doroshenko et al. Date of Patent: May 29, 2012.

6. Marvin L. Vestal METHOD AND APPARATUS FOR DSSOCATING IONS BY ELECTRON IMPACT. United States Patent. Patent Number: 4,731,533, Date of Patent: Mar. 15, 1988.

7. G. Fedosenko, M. Aliman, YuiAnthony Chung, A. Ranck, L. Gorkhover. Mass spectrometer, use there of and method for the mass spectrometric examination of a gas mixture. United States Patent. Patent No.: US 10,304,672 B2. Date of Patent: May 28<2019.

8. Y. Nunome, K. Kodama, Y. Ueki, R. Yoshiie, I. Naruse, K. Wagatsuma, Development of soft ionization using direct current pulse glow discharge plasma source in mass spectrometry for volatile organic compounds analysis, Spectrochim. Acta Part В At. Spectrosc. 139 (2018) 44-49,

https://doi.org/10.1016/j.sab. 2017.11.002.

9. Y. Nunome, K. Kodama, Y. Ueki, R. Yoshiie, I. Naruse, K. Wagatsuma, Direct analysis of saturated hydrocarbons using glow discharge plasma ionization source for mass spectrometry, Talanta, 204 (2019) 310-319.

10. J. Fandino, M. Bouza, J. Pisonero, D. Blanco, A. Sanz-Medel, N. Bordel. A novel gas sampling introduction interface for fast analysis of volatile organic compounds using radiofrequency pulsed glow discharge time of flight mass spectrometry. Analytica Chimica Acta, 1038 (2018), 59-66. https://doi.org/10.1016/j.aca.2018.08.013.

11. Anna Gubal, Victoria Chuchina, Natalya Ivanenko, Rong Qian, Nikolay Solovyev, Alexander Ganeev. Microsecond pulsed glow discharge in copper hollow cathode reveals a new approach to ionization and determination of volatile organic compounds. Spectrochimica Acta Part B. (2020) 105986. https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.105986

12. A. Kramida, Ralchenko, Yu., Reader, J. and NIST ASD Team NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.5.2), [Online], Available: https://physics.nist.gov/asd [accessed February 22, 2018].

13. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, Eds. P.J. Linstrom and W.G. Mallard, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899, https://doi.org/10.18434/T4D303, (retrieved December 19, 2020)

14. Victoria Bodnar, Alexander Ganeev, Anna Gubal, Nikolay Solovyev, Oleg Glumov, Viktor Yakobson, Igor Murin. Pulsed glow discharge enables direct mass spectrometric measurement of fluorine in crystal materials - Fluorine quantification and depth profiling in fluorine doped potassium titanyl phosphate. Spectrochimica Acta Part В 145 (2018) 20-28.

15. Anna Gubal, Victoria Chuchina, Angelina Sorokina, Nikolay Solovyev, Alexander Ganeev. Mass spectrometry-based techniques for direct quantification of high ionization energy elements in solid materials - challenges and perspectives. Mass Spectrometry Reviews. 2020. DOI: 10.1002/mas.21643.

Группа изобретений относится к аналитической химии. Способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси включает ввод газовой смеси в разрядную ячейку с медным полым катодом, ионизацию компонентов смеси электрическими разрядными импульсами, экстракцию ионов во времяпролетный масс-спектрометр с помощью импульсов экстракции и масс-спектральное детектирование. Импульсы экстракции задерживают относительно разрядного импульса на времена задержки от 1 до 300 мкс. При временах задержки от 80 до 140 мкс детектируют масс-спектральные пики ионов меди и ионов компонентов сравнения, выбранных из молекул с энергией ионизации не более 12,2 эВ, таких как кислород и летучие органические соединения, а давление газовой смеси, длительность разрядных импульсов и частоту их следования выбирают так, чтобы интенсивность ионных пиков меди, распыляемой из полого катода, не превышала суммарной интенсивности ионных пиков компонентов сравнения, приведенной к суммарной концентрации C₂ компонентов сравнения в газовой смеси, где C₂ выбирают от 0,01% до 0,3%. Достигается одновременная высокоэффективная ионизация как неорганических молекул, так и органических соединений при низкой степени фрагментации и высокой чувствительности определения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил., 5 табл.

1. Способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, включающий в себя ввод газовой смеси в разрядную ячейку, содержащую полый катод с медной поверхностью и самплер, причем газовая смесь содержит не менее 20% газа первого типа с энергией возбуждения метастабильного состояния не менее 11,1 эВ и энергией ионизации не менее 15 эВ, а также газ второго типа с энергией ионизации молекул не более 12,2 эВ, ионизацию компонентов газовой смеси с использованием импульсных электрических разрядов между полым катодом и самплером, перенос пучка полученных ионов, сфокусированного с помощью ионной оптики, в выталкивающую зону ортогонального ускорителя, экстракцию ионов из выталкивающей зоны в дрейфовую камеру времяпролетного масс-спектрометра с помощью импульсов экстракции и масс-спектральное детектирование экстрагированных ионов, отличающийся тем, что в разрядной ячейке поддерживают парциальное давление газа первого типа не менее 20 Па, а при ионизации используют разрядные импульсы длительностью в диапазоне от 1 до 6 мкс, которые инициируют электрическим пробоем, прикладывая между полым катодом и самплером напряжение в диапазоне от 1000 до 1700 В, с силой тока разрядных импульсов в диапазоне от 0,2 до 1,5 А, с частотой разрядных импульсов, обеспечивающей среднюю мощностью разряда не менее 0,5 Вт, причем после каждого разрядного импульса подают от 1 до 15 последовательных импульсов экстракции с интервалами между ними не менее 20 мкс, причем импульсы экстракции задерживают относительно заднего фронта разрядного импульса на времена задержки, выбираемые в диапазоне от 1 до 300 мкс, причем как минимум для одного импульса экстракции время задержки τ_d выбирают в диапазоне от 80 до 140 мкс, детектируют масс-спектральные пики ионов меди и ионов газов второго типа, выбирают как минимум один из детектируемых мономолекулярных компонентов газа второго типа в качестве компонента сравнения, а давление газовой смеси, длительность разрядных импульсов и частоту их следования выбирают в рамках указанных диапазонов так, чтобы концентрация меди, распыляемой из полого катода, не превышала верхний предел, определяемый по детектируемому масс-спектру относительно концентрации компонентов сравнения, а именно, чтобы при временах задержки в диапазоне от 80 до 140 мкс суммарная интенсивность ионных пиков Cu⁺ в масс-спектре не превышала суммарной интенсивности ионных пиков выбранного газа сравнения, приведенной к нормировочной суммарной концентрации компонентов сравнения в газовой смеси, которая выбирается в диапазоне от 0,01% до 0,3%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют аргон как газ первого типа и поддерживают его парциальное давление в разрядной ячейке не более от 30 Па.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют азот как газ первого типа и поддерживают его парциальное давление в разрядной ячейке в диапазоне от 70 до 160 Па.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют смесь азота и аргона в качестве газа первого типа, причем парциальное давление аргона ограничивают верхним пределом 30 Па, парциальное давление азота ограничивают верхним пределом 160 Па, причем соотношение парциальных давлений аргона и азота поддерживают так, что сумма парциального давления аргона, умноженного на коэффициент относительной эффективности, с парциальным давлением азота находится в диапазоне от 70 до 160 Па, где коэффициент относительной эффективности выбирают в диапазоне от 3,5 до 4,5.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ первого типа выбирают из списка: (азот, аргон, смесь азота и аргона), а в качестве компонента сравнения в газе второго типа используют соединение с энергией диссоциации не менее 11,5 эВ и детектируют ионы молекул этого соединения.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве компонента сравнения используют молекулярный кислород и выбирают нормировочную концентрацию кислорода, равную 0,3%.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что что в качестве компонента сравнения используют летучее органическое соединение с энергией ионизации не более 11 эВ и выбирают нормировочную концентрацию этого соединения, равную 0,01%.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при ионизации используют разрядные импульсы длительностью в диапазоне от 1 до 6 мкс с задним фронтом напряжения, спадающим до величины 1 В за время не более 1 мкс.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что после каждого разрядного импульса подают не менее двух импульсов экстракции, причем, как минимум, для одного из импульсов экстракции время задержки τ_d выбирают в диапазоне от 1 до 30 мкс, как минимум, для одного из других импульсов экстракции время задержки τ_d выбирают в диапазоне от 50 до 300 мкс, а при масс-спектральном детектировании регистрируют, как минимум, две отдельные группы спектров, из которых, как минимум, одна группа спектров регистрируется для импульсов экстракции c временами задержек, выбранными в диапазоне от 1 до 30 мкс, и, как минимум, одна другая группа спектров регистрируется для импульсов экстракции с временами задержек, выбранными в диапазоне от 50 до 300 мкс.

10. Способ масс-спектрометрического определения компонентного состава газовой смеси, включающий в себя ввод газовой смеси в разрядную ячейку, содержащую полый катод с медной поверхностью и самплер, причем газовая смесь содержит не менее 20% азота, не менее 0,1% кислорода, а также молекулы воды и органических соединений, ионизацию компонентов газовой смеси с использованием импульсных электрических разрядов между полым катодом и самплером, перенос пучка полученных ионов, сфокусированного с помощью ионной оптики, в выталкивающую зону ортогонального ускорителя, экстракцию ионов из выталкивающей зоны в дрейфовую камеру времяпролетного масс-спектрометра с помощью импульсов экстракции и масс-спектральное детектирование экстрагированных ионов, отличающийся тем, что в разрядной ячейке поддерживают парциальное давление азота не менее 70 Па и полное давление газовой смеси не более 200 Па, а при ионизации используют разрядные импульсы длительностью в диапазоне от 1 до 6 мкс, которые инициируют электрическим пробоем, прикладывая между полым катодом и самплером напряжение в диапазоне от 1000 до 1700 В, с силой тока разрядных импульсов в диапазоне от 0,2 до 1,5 А, с частотой разрядных импульсов, обеспечивающей среднюю мощностью разряда не менее 0,5 Вт, причем после каждого разрядного импульса подают от 1 до 15 последовательных импульсов экстракции с интервалами между ними не менее 20 мкс, причем импульсы экстракции задерживают относительно заднего фронта разрядного импульса на времена задержки τ_d, выбираемые в диапазоне от 1 до 300 мкс, причем как минимум для одного импульса экстракции время задержки τ_d выбирают в диапазоне от 80 до 140 мкс и детектируют масс-спектральные пики ионов меди и ионов молекул кислорода O₂⁺, а давление газовой смеси, длительность разрядных импульсов и частоту их следования выбирают в рамках указанных диапазонов так, чтобы концентрация меди, распыляемой из полого катода, не превышала верхний предел, определяемый по детектируемому масс-спектру относительно концентрации ионов молекул кислорода, а именно, чтобы при временах задержки τ_d в диапазоне от 80 до 140 мкс суммарная интенсивность ионных пиков Cu⁺ масс-спектре не превышала суммарной интенсивности ионных пиков O₂⁺, приведенной к нормировочной концентрации кислорода 0,3%.