СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИОНОВ В ГАЗЕ
METHOD OF SEPARATING AND DETECTING IONS IN GAS

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач разделения и регистрации ионов в газах, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе.
Известен способ разделения и регистрации ионов, включающий разделение ионов в газе с помощью знакопеременного периодического несимметричного по полярности электрического поля и регистрацию разделенных ионов [а.с. СССР №966583, опубл. 15.10.1982].
Недостатками этого технического решения являются сравнительно низкие чувствительность и способность идентификации типа иона, обусловленные диффузионным расплыванием и рекомбинацией ионов на электродах.
Известен также способ разделения и регистрации ионов, включающий разделение в газе ионов с помощью знакопеременного периодического неоднородного несимметричного по полярности электрического поля и регистрацию разделенных ионов [патент РФ №1485808, опубл. 10.06.98].
Недостатками данного технического решения являются большое время регистрации спектра и низкие разрешение и селективность, обусловленные использованием неоднородного фокусирующего электрического поля, приводящего к уширению пиков.
Известны также способы разделения и регистрации ионов в газе, включающие разделение ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченного протяженными электродами, варьирование однонаправленного электрического поля, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю [патенты США: №5420424, опубл. 30.05.95; №6504149, опубл. 26.09.02; №6653627, опубл. 13.03.03; №6639212, опубл. 28.10.03; №6774360, опубл. 27.03,03; №6815668, опубл. 18.10.01; №7005632, опубл. 20.05.04; №7619214, опубл. 16.11.06].
Недостатками данных технических решений являются большое время регистрации спектра, сравнительно низкие разрешение и селективность.
Наиболее близким к предлагаемому является способ разделения и регистрации ионов в газе, включающий разделение ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического однородного или неоднородного несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, равномерное изменение однонаправленного электрического поля, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю (О равномерном изменении однонаправленного электрического поля свидетельствует величина и размерность сканирования напряжения компенсации - 60 В/с). [Eiceman G.A., Tadjikov В., Krylov Е., Nazarov E.G., Miller R.A., Westbrook J., Funk P. // Journal of Chromatography A, 2001, V.917, pp.205-217].
Недостатками данного технического решения являются:
существенное время регистрации спектра,
сравнительно низкая селективность.
Эти недостатки обусловлены тем, что ионные пики спектра могут иметь разную ширину, особенно это проявляется при разделении ионов в фокусирующем неоднородном знакопеременном периодическом несимметричном по полярности электрическом поле. Скорость изменения однонаправленного электрического поля выбирается, исходя из ширины самого узкого пика, которая не является оптимальной для регистрации более широких пиков, поскольку чем шире пик, тем выше скорость изменения можно использовать и меньше времени тратить на регистрацию пика. Кроме того, выбор минимальной скорости изменения однонаправленного электрического поля не позволяет проводить селекцию по ширине пика.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа разделения и регистрации ионов в газе, позволяющего повысить селективность и уменьшить время разделения и регистрации ионов в газе при сохранении чувствительности анализа.
Указанная техническая задача решается тем, что в способе разделения и регистрации ионов в газе, включающем разделение ионов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического однородного или неоднородного несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, изменение однонаправленного электрического поля, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе ионных пиков веществ, подлежащих контролю, согласно заявляемому техническому решению, предварительно, перед проведением процесса регистрации спектра для всех ионных пиков веществ, подлежащих контролю, определяют параметр, характеризующий их среднее квадратическое отклонение, затем, при проведении процесса регистрации, скорость изменения однонаправленного электрического поля при регистрации каждого участка спектра, где может присутствовать пик вещества, подлежащего контролю, выбирают в зависимости от величины параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение этого пика - чем больше величина параметра, характеризующая среднее квадратическое отклонение пика, тем выше скорость изменения однонаправленного электрического поля при регистрации участка спектра, на котором этот пик может присутствовать.
Скорость изменения однонаправленного электрического поля при регистрации каждого участка спектра, где может присутствовать пик вещества, подлежащего контролю, выбирают пропорционально величине параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение этого пика.
При разделении ионов в газе при использовании знакопеременного периодического неоднородного несимметричного по полярности электрического поля, приводящего к фокусировке ионов, коэффициент пропорциональности скорости изменения однонаправленного электрического поля величине параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение пика вещества, подлежащего контролю, выбирают в зависимости от степени фокусировки - чем сильнее фокусировка, тем больше коэффициент.
Скорость изменения однонаправленного электрического поля каждого участка спектра, где могут присутствовать пики веществ, подлежащих контролю, выбирают в диапазоне:
- для нефокусируемых типов ионов или ионов со слабой фокусировкой -
- для пиков с сильной фокусировкой -
e
где V - скорость изменения однонаправленного электрического поля, В/(см·с);
0
w - ширина пика на половине высоты, В;
s
t - среднее время транспортировки газа вдоль протяженных электродов, с;
d - расстояние между протяженными электродами, см.
Регистрация каждого участка спектра, где может присутствовать пик вещества, подлежащего контролю, с оптимальной для указанного пика скоростью изменения однонаправленного электрического поля позволяет без потери чувствительности анализа уменьшить время регистрации спектра и повысить селективность.
Преимущества настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где
c
c
с
с
фиг.1 - спектры (спектр - зависимость ионного тока I от величины однонаправленного напряжения U) паров смеси взрывчатых веществ пентаэритриттетранитрата (ПЭТН), 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) и 2,4-динитротолуола (ДНТ) в воздухе при скорости изменения V однонаправленного напряжения: а) 1 В/с, б) 6 В/с, в) от 1 В/с при U - 2 до 6 В/с при U≈20 В;
c
c
фиг.2 - фрагменты спектров, содержащие ионные пики ТНТ и фоновых ионов, при скорости изменения V однонаправленного напряжения: а) 1 В/с, б) 2 В/с, в) 3 В/с. Вставка - зависимость селективности (7 тнт/I Фон) от скорости V.
Ионы веществ, подлежащих контролю, могут иметь различные значения физических характеристик: коэффициентов подвижности и диффузии, приращения коэффициентов подвижности. Плотности пространственного распределения ионов являются функциями этих характеристик, следовательно, также могут отличаться друг от друга, т.е. иметь разную пространственную дисперсию. Поэтому при изменении однонаправленного электрического поля и регистрации спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, пики могут иметь разные величины параметра, характеризующего среднее квадратическое отклонение.
c
c
e
c
На фигуре 1а, для примера, приведен спектр смеси взрывчатых веществ ПЭТН, ТНТ и ДНТ при скорости изменения однонаправленного напряжения V=1 В/с (V=Vd). Ширина пика на половине высоты, выбранная в данном примере, как параметр, характеризующий среднее квадратическое отклонение для ионных пиков ПЭТН, ТНТ и ДНТ, была равна 0.5, 0.97 и 2.17 В, соответственно. Время регистрации спектра равно t=22 секунды. Указанное значение скорости V оптимально для регистрации пика ПЭТН.
c
c
На фигуре 1б приведен спектр смеси взрывчатых веществ ПЭТН, ТНТ и ДНТ при скорости изменения однонаправленного напряжения V=6 В/с, с временем регистрации спектра t=3.7 секунды, т.е. в шесть раз меньше, чем на фигуре 1а. Такое значение скорости V оптимально для регистрации пика ДНТ. Для других веществ произошло падение чувствительности, поскольку амплитуда пика ТНТ уменьшилась в два раза, а пик ПЭТН вообще не регистрировался.
c
c
c
с≈
c
На фигуре 1в показан спектр смеси взрывчатых веществ ПЭТН, ТНТ и ДНТ, зарегистрированный с использованием предлагаемого технического решения. В частности, регистрацию спектра проводили, увеличивая скорость изменения однонаправленного напряжения от V=1 В/с при U=-2 до V=6 В/с при U20 В. Выбор скорости изменения однонаправленного напряжения V на каждом участке спектра осуществляли с учетом: (а) ширины ионных пиков взрывчатых веществ, (б) отсутствия фокусировки ионов ПЭТН и сильной фокусировки ионов ТНТ и ДНТ. Время регистрации спектра составило t=9 секунд, падение чувствительности к ПЭТН и ТНТ не превысило 10%. Таким образом, время регистрации спектра (1в) по сравнению с спектром (1а) уменьшилось в 2.4 раза, а чувствительность практически сохранилась.
c
На фигуре 2 показаны фрагменты спектров, содержащие ионные пики ТНТ и фоновых ионов, при скорости изменения V однонаправленного напряжения, В/с: а) 1, б) 2,
c
тнт
Фон
тнт
Фон
c
c
c
в) 3. Как видно из чертежа, с увеличением скорости V амплитуда пиков ТНТ и фоновых ионов уменьшается, причем амплитуда пика фоновых ионов уменьшается быстрее, чем пика ионов ТНТ. Например, при увеличении Vc от 1 В/с до 2 В/с, амплитуда пика ТНТ (I) падает на 11%, в то время как пика фоновых ионов (I) на 20%. На вставке фигуры 2 приведена зависимость селективности, определенная как отношение амплитуд ионных пиков ТНТ и фоновых (I/I) от скорости V. Наблюдается явный рост селективности при увеличении скорости V. Этот рост обусловлен тем, что ширина пика данных фоновых ионов меньше ширины пика ионов ТНТ. Поэтому выбор величины скорости V, оптимальной для пиков ионов веществ, подлежащих контролю, может приводить к существенному падению амплитуды пиков некоторых фоновых или примесных ионов, т.е. повышению селективности анализа.
Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу, так как может быть выполнена на оборудовании, используемом в прототипе. Требуется лишь модернизация программы обработки спектра устройства регистрации и генератора однонаправленного напряжения. Необходимо, чтобы программа обработки спектра устройства регистрации определяла параметры, характеризующие средние квадратические отклонения ионных пиков, а генератор однонаправленного напряжения, обеспечивающий существование однонаправленного электрического поля, позволял варьировать скорость изменения однонаправленного напряжения во время регистрации спектра.