ПОРТАТИВНЫЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОР ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В СОСТАВЕ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к экспресс-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ в режиме реального времени. Применение прибора актуально для обнаружения следовых количеств потенциально опасных веществ.
В последнее время для контроля микроконцентраций примесей органических и неорганических веществ в газах и, в частности, в атмосферном воздухе все большее применение находят приборы, основанные на методе детектирования по подвижности ионов. Совершенствование аппаратуры газового анализа на этом принципе действия ориентировано на разработку более информативных и надежных приборов, в первую очередь за счет повышения чувствительности и селективности анализа и достоверности отображения полученных результатов.
Работа таких устройств строится на пространственном разделении ионов различных веществ по их подвижности в продольном или поперечном электрическом поле при давлениях, близких к атмосферному. В зависимости от полярности приложенного ускоряющего напряжения анализируются положительные или отрицательные ноны. Спектрометрический метод исследования подвижности ионов представляет метод идентификации химических паров по их подвижности в газовой фазе. Анализ с использованием метода подвижности ионов включает в себя последовательность следующих операций:
- ионизация исследуемого газа или пара;
- разделение ионов по времени их движения в дрейфовом пространстве;
- регистрация ионных токов на коллекторе ионов;
- обработка сигнала об ионном токе для получения полезной информации, включая химическую идентификацию и определение количества ионов.
Известен дрейф-спектрометр для обнаружения паров органических веществ в воздухе (US №5420424, опубл. 30.05.1995 г.), содержащий последовательно расположенные по направлению прокачки воздуха через спектрометр устройство для ионизации паров органических веществ в воздухе, например, на основе радиоизотопного источника излучения, устройство для разделения ионов по параметрам дрейфовой подвижности ионов, образованное двумя коаксиальными цилиндрическими электродами, между которыми имеется зазор, и устройство для сбора ионов, состоящее из коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.
Основными недостатком известного устройства являются отсутствие селективности радиоизотопного ионизатора по отношению к определенным классам органических веществ, высокая чувствительность эффективности ионизации к колебаниям влажности воздуха, прокачиваемого через спектрометр и, что более существенно, низкая разрешающая способность спектрометра. Последнее связанно с тем, что при радиоизотопной ионизации одновременно образуется широкий спектр типов ионов, имеющих к тому же как положительный, так и отрицательный электрический заряд. Указанные ионы, поступая в устройство для разделения ионов, сначала разделяются на положительные и отрицательные ионы, затем на электродах устройства оседает избыточный объемный заряд ионного пучка и лишь затем оставшиеся ионы разделяются по их типу. То есть для анализа типа ионов используется только небольшая часть устройства для разделения ионов, с чем и связана его низкая разрешающая способность. Поэтому достигнутая в современной технике разрешающая способность дрейф-спектрометров коаксиального типа с радиоизотопной ионизацией паров органических молекул недостаточна для уверенного разделения всех этих ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе.
1
3
1
1
5
1
5
2
Известен спектрометр ионной подвижности (Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И., Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93), включающий последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, поступающих в спектрометр в составе анализируемого потока воздуха, электрически изолированную ионную линзу, имеющую центральный канал диаметром d, сообщающийся с полостью источника ионов, устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде дрейфового пространства, образованного зазором между внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D внешнего и внешней цилиндрической частью поверхности диаметром D<D внутреннего электродов устройства, причем зазор между электродами устройства сообщается с центральным каналом ионной линзы, и блок коллектора ионов, соединенный с устройством для разделения ионов через электрические изоляторы, при этом сторона ионной линзы, совмещенная с центральным каналом и обращенная в сторону устройства для разделения ионов, выполнена в виде расширяющегося канала, диаметр которого монотонно увеличивается от значения d до значения D и который на расстоянии L от его начала совмещен через первый электрический изолятор, имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность диаметром D, с внутренней цилиндрической поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, при этом торец внутреннего электрода устройства для разделения ионов, обращенный в сторону ионной линзы, выполнен в виде выпуклой аксиально-симметричной поверхности, плоскость совмещения которой с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние L<L, а вершина которой смещена от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние 0<L<L, при этом внешняя поверхность внутреннего электрода устройства для разделения ионов совместно с внутренней поверхностью расширяющегося канала ионной линзы образуют второй зазор, имеющий переменную площадь сечения зазора.
Данный тип спектрометра, в зависимости от выбранного типа материала термоэмиттера ионов (Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. и др., Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул. Доклады Академии Наук, 2002, том 385, №2, с.200-204), обладает высокой селективностью по отношению к определенным классам органических веществ, эффективность ионизации органических молекул на поверхности термоэмиттера слабо зависит от колебаний влажности воздуха, прокачиваемого через прибор, на поверхности поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов образуются только положительные ионы органических молекул. Поэтому в спектрометре с данным типом ионизации органических молекул в устройстве для разделения ионов отсутствует стадия разделения ионов на положительные и отрицательные, то есть его пространство дрейфа используется более эффективно. Кроме того, в ионной линзе происходит частичное снижение величины объемного заряда ионов, выходящих из источника ионов, что способствует увеличению разрешающей способности спектрометра.
Основным недостатком известного спектрометра является его недостаточно высокая разрешающая способность, обусловленная действием объемного заряда положительно заряженных ионов органических молекул, движущихся в спектрометре со скоростью воздушного потока, прокачиваемого через спектрометр, то есть со скоростью порядка нескольких метров или нескольких десятков метров в секунду. В связи с этим значительная часть устройства для разделения ионов используется для устранения избыточного объемного заряда ионного пучка, а не для анализа типа ионов, поступающих в устройство для разделения ионов.
Для обоих устройств существенным недостатком является влияние на поток ионов водосодержащей воздушной массы, прокачиваемой через прибор и искажающей действительную картину распределения ионов, что искажает достоверность спектрограммы.
Данный недостаток конструктивно устранен в устройствах экспресс-анализаторах, использующих встроенный в конструкцию фильтр
Так, например, известен экспресс-анализатор органических компонентов в составе воздуха путем всасывания в детектор воздуха окружающей среды, содержащий корпус, разделенный камеру ионизации, в которой выполнено входное отверстие для подвода воздуха, выходное отверстие для направления воздуха к фильтру для его осушки и средство ионизации, связанное с генератором импульсов и которая сеточным электродом отделена от камеры дрейфа ионов, выполненной в виде цилиндра Фарадея с дистанционно расположенными кольцами, на которые подается напряжение, с другой стороны которой сформирована камера, сообщенная с фильтром для направления осушенного воздуха противопотоком в камеру дрейфа и в которой смонтирован коллектор ионов, связанный с микроЭВМ, имеющей монитор для вывода результатов анализа воздуха в виде спектрограммы (US №2009206246, B01D 59/44, H01J 49/00, G01N 30/04, опубл. 2009.08.20). Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
Данное устройство в портативном исполнении имеет торговое наименование экспресс-анализатор SABRE 4000 взрывчатых веществ, наркотиков, химического оружия и токсичных промышленных веществ (http://www.nero.ru/goods71.html). Данный прибор имеет следующие характеристики.
Время подогрева Менее 5 минут Технология Спектрометрия ионной подвижности Отбор проб Следовые количества микрочастиц и паров
Время подогрева
Менее 5 минут
Технология
Спектрометрия ионной подвижности
Отбор проб
Следовые количества микрочастиц и паров
Детектирование взрывчатых веществ
Гексоген, Пентрит, ТНТ, Semtex и др.
Детектирование наркотиков
Кокаин, Героин, ТНС (конопля). Метамфетамини др.
Детектирование химического оружия
Нервно-паралитические ОВ, иприт и др.
Детектирование ТПВ
Синильная кислота (HCN), фозген, SO2, NH3 и др.
Время анализа
10-15 сек
Питание
12В, 110/220В
Размер
40×34×32 см
Вес
2.6 кг
Недостаток данного устройства заключается в том, что фильтр включен в конструкцию в качестве постоянного несъемного элемента. Как и любой фильтр в процессе эксплуатации происходит его засорение, снижение эффективности, что приводит к необходимости либо замены фильтра (требуется ремонт устройства) либо регенерации фильтра. В данном устройстве регенерация производится без извлечения фильтра за счет перевода устройства в технологический режим и подачи напряжения в контур фильтра. Длительность операции регенерации более 2 часов, в течение которого устройство не функционирует как анализатор. И в этом случае срок годности фильтра ограничен его надежностью. При частой регенерации очищенный фильтр теряет прежнюю эффективность очистки, что приводит к подаче в камеру дрейфа противотоком недостаточно осушенного воздуха и искажению достоверности результатов анализа.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы устройства за счет исключения технологических перерывов для очистки фильтров и исключения влияния качества очистки на достоверностъ результатов замера параметров воздуха.
Указанный технический результат достигается тем, что в портативном экспресс-анализаторе органических компонентов в составе воздуха, содержащем корпус, разделенный камеру ионизации, в которой выполнено входное отверстие для подвода воздуха, выходное отверстие для направления воздуха к фильтру для его осушки и средство ионизации, связанное с генератором импульсов и которая сеточным электродом отделена от камеры дрейфа ионов, выполненной в виде цилиндра Фарадея с дистанционно расположенными кольцами, на которые подается напряжение, с другой стороны которой сформирована камера, сообщенная с фильтром для направления осушенного воздуха противопотоком в камеру дрейфа и в которой смонтирован коллектор ионов, связанный с микроЭВМ, имеющей монитор для вывода результатов анализа воздуха в виде спектрограммы, фильтр выполнен сменным в виде картриджа, устанавливаемого в гнездо корпуса между каналами подвода и отвода воздуха.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - конструктивная схема устройства экспресс-анализатора.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция портативного устройства экспресс-анализатора контроля микроконцентраций примесей органических и неорганических веществ в газах и, в частности, в атмосферном воздухе. Данное устройство предназначено для анализа взрывчатых веществ, наркотиков, химического оружия и токсичных промышленных веществ при контроле, например, багажа в аэропортах или при досмотре объектов путем анализа всасываемого воздуха в непосредственной зоне около контролируемого объекта.
Экспресс-анализатор включает в себя корпус 1, в который встроена измерительная ячейка, которая выполнена из фторопласта в виде трубки и состоит из двух смежных областей: ионизационной камеры 2 и камеры дрейфа 3, разделенных сеточным электродом 4, в корпусе, ограничивающем ионизационную камеру 2, выполнено входное отверстие 5 для поступления порции контролируемого воздуха из окружающей предмет среды и выходное отверстие 6 для направления потока воздуха вдоль сеточного электрода 4 либо в атмосферу, либо в канал 7, в котором размещен фильтр 8. Засасывание порции воздуха для направления его в атмосферу осуществляется пневмонасосом 9, расположенным в канале сообщения с атмосферой, а засасывание порции воздуха для направления его в канал 7 осуществляется пневмонасосом 10, расположенным в канале 7 до фильтра 8. В ионизационной камере 2 размещено приспособление 11 для ионизации и формирования области ионизации, через которую попускается порция захваченного снаружи воздуха. Приспособление 11 для ионизации связано с генератором 12, например, прямоугольных импульсов (возможно использование иных типов генераторов, которые определяются устройством самого элемента образования ионизации.
63
63
3
3
В качестве приспособления 11 для ионизации могут использоваться различные источники ионов Ni (в качестве источника электронов используется радиоактивный Ni с активностью 16 мк Кюри) и Т (в качестве источника электронов используется тритиевый источник с активностью 16 мк Кюри). Т имеет значительно меньшую область ионизации ~2,5 мм, поэтому использование тритиевого источника позволило уменьшить зону ионизации до 1,8 мм и получить разрешающую способность (на уровне 50% от амплитуды пиков) в диапазоне (20÷30) при длине зоны дрейфа ~76 мм. Небольшой объем зоны ионизации обеспечивает время "промывки" системы напуска ~0,1 с.
Со стороны корпуса, противоположной размещению ионизационной камеры 2, сформирована камера 12 подвода осушенного воздуха, прошедшего фильтр 8 и направляемого встречным потоком в камеру дрейфа 3 в направлении сеточного электрода 4. В этой камере 12 размещен коллектор 13 ионов, связанный через усилитель тока 14 с микроЭВМ 15, на мониторе 16 которой в соответствии с программным обеспечением формируется спектрограмма 17.
Модули питания (МП 5/12, МП+/-15, МП 12) обеспечивают питание соответствующими напряжениями электронные блоки устройства. Тепловой режим устройства обеспечивается вентиляторами охлаждения (не показаны), измерительная ячейка помещена в термостат, где поддерживается заданная температура. Необходимые электрические связи между отдельными блоками обеспечиваются объединительной платой и соединительными кабелями.
В измерительной ячейке камеры дрейфа 3 выполнена в виде цилиндра Фарадея с разнесенными кольцами 18. Кольца из графита разнесены между собой, изолированы друг от друга. Внутренний диаметр всех колец одинаковый. Цилиндр Фарадея помещен в изолирующий металлический экран. На эти кольца подается напряжение для создания однородного электрического поля
Для создания однородного электрического поля в измерительной ячейке используется делитель напряжения, на который подается напряжение от блока питания (напряжения) высоковольтного. Выталкивающий импульс для перемещения ионов из камеры ионизации в камеру дрейфа ячейки формируется генератором прямоугольных импульсов из напряжения от блока низкого напряжения. Расход и влажность газов измеряются с помощью датчиков расхода и влажности. Сигнал с коллектора ячейки через видеоусилитель передается на аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровую форму, и передается на микроЭВМ для обработки, анализа и хранения в оперативном запоминающем устройстве с последующей передачей результатов на монитор. Задание режимов работы ячейки (полярность высокого напряжения, полярность, амплитуда и длительность выталкивающего импульса, температура ячейки и т.д.) и их контроль осуществляется контроллером, связанным с микроЭВМ. Программа представляет собой пользовательский оконный интерфейс для оперативного изменения параметров съема аналоговых данных, а также вывода результата измерений в виде графика с возможностью масштабирования просмотра.
Основой устройства является измерительная ячейка. На элементы в камере ионизации и в камере дрейфа накладывается электрическое поле. Сеточный электрод 4 периодически открывается, разделяет эти две камеры. Информация содержится в сигнале, который представляет собой изменение ионного тока во времени.
Анализируемое вещество попадает в измерительную ячейку с потоком носителя, где далее вступает в реакцию. Процесс ионизации происходит в камере ионизации. Образовавшиеся ионы периодически выталкиваются в камеру дрейфа. Область дрейфа продувается осушенным воздухом во встречном по отношению к движению ионов направлении, предотвращая попадание вводимой пробы в область дрейфа. Ионный поток регистрируется цилиндром Фарадея в конце камеры дрейфа. Усиленный сигнал поступает в компьютер для оцифровки и дальнейшей обработки спектра. Спектр состоит из Гауссовских пиков.
Время td (время дрейфа) между выталкивающим импульсом и ионным пиком связано с подвижностью К уравнением:
,
где d - длина дрейф-трубки, Е - напряженность электрического поля, td - время дрейфа.
0
Приведенный коэффициент подвижности К, в соответствии с теорией подвижности ионов, в слабых электрических полях имеет вид:
,
где N - плотность газа: m, M - масса иона и дрейф газа: Q - интеграл столкновений.
Для определения аналитических характеристик устройства были подготовлены пробы из анилинов и взрывчатых веществ. Результаты обработки полученных спектров представлены в таблице, где приведены основные характеристики спектрометра для исследуемых веществ.
Вещество
Мол. вес
Сигнал
Характеристики спектрометра АИП-4Т
Время дрейфа.
Ширина пика, мс
Разрешение
Предел обнаружени
Пиридин
79
+
13.6
0.49
14
-
Анилин
93
+
12.85
0.3
22
0.1
DMA
121
+
12.85
0.31
20
-
DEA
149
+
13.7
0.32
22
0.026
DNB
168
-
13.65
0.37
18
-
DNT
181
-
13.75
0.45
15
-
TNT
226
-
14.7
0.58
12
-
Следует отметить, что в спектрах для исследуемых веществ нет корреляции между молекулярным весом и последовательностью выхода пиков и отмечается только для нитросоединений (снятых в отрицательной полярности). Для веществ, снятых в положительной полярности, эта закономерность несколько нарушена. Самое легкое вещество пиридин (79 a.m.u.) выходит после диметиланилина, молекулярный вес которого в 1,5 раза выше, так как в случае пиридина более существенное влияние на подвижность оказывает не масса иона, а другой параметр. Для ионов пиридина, динитротолуола, тринитротолуола величина разрешения на 30-50% меньше, а, соответственно временная ширина пика на полувысоте больше, чем для ионов других веществ. Так как при большем времени выхода (0,5 мс) вклад диффузионной составляющей в ширину пика незначителен, можно предположить, что причиной уширения является присутствие в этом месте спектра нескольких типов ионов (кластеров) данных веществ. Порог обнаружения и динамический диапазон проводили на примере анилина и N,N-диэтиланилина. Типичные положительные и отрицательные формы спектра показаны на выносном рисунке под поз.17.
Особенностью настоящего устройства является то, что точность полученных результатов прямо зависит от степени осушенности воздушного потока, поступающего во встречном направлении в камеру дрейфа. Для этого используется фильтр 8, пройдя который осушенный воздух по каналу 18 направляется в камеру 12 и далее в камеру дрейфа. По мере работы устройства фильтр снижает способность поглощения воды и чрез определенное время требуется очистка фильтра. В прототипе очистка строенного в конструкцию фильтра достигается его регенерацией от собственного источника питания или от внешнего источника питания. Время регенерации примерно 2 и более часа, в течение которого устройство не может использоваться по назначению. Фильтр в конструкции по прототипу не извлекаем и является постоянно встроенным элементом. При этом при длительной эксплуатации фильтр теряет свои функциональные качества, которые очисткой уже не восстанавливаются.
Согласно настоящей полезной модели предлагается использовать сменный фильтр, который выполняется в виде картриджа. Для этого между каналами 7 и 18 выполняется ложе, в которое картридж укладывается с упорным контактом в торцы труб этих каналов для обеспечения герметичности канала прохождения воздуха из канала 7 через фильтр в канал 18. Возможно иное исполнение, например, выполнение картриджа с торцевыми элементами, охватывающими трубы каналов. При таком исполнении при загрязнении фильтра (устанавливается по показаниям датчика влажности воздуха на выходе фильтра) оператор вынимает отработавший фильтр из гнезда между каналами 7 и 18 и устанавливает в это гнездо новый картридж. Устройство снова готово к работе с гарантированной достоверностью получаемых результатов. Такой подход к решению задачи постоянного и длительного по времени контроля (например, багажа в аэропортах) позволяет исключить время временной неработоспособности устройства и исключить появление недостоверной информации по результатам контроля как производной от потери функциональности фильтра.
Так как устройство является портативным и предназначено для оперативного контроля по месту нахождения объекта, то повышение его эффективности в режиме длительной работы, не определяемой сроком жизни фильтра, позволяет существенно поднять уровень контроля и исключить случаи, когда проверка не может проводиться в виду технологического перерыва в работе устройства. Настоящая полезная модель промышленно применима и может использоваться в качестве эффективного инструмента для отбора и анализа микрочастиц и паров взрывчатых веществ, наркотиков, отравляющих веществ и токсичных промышленных веществ.