СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ

Полезная модель относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых и наркотических веществ.
63
Спектрометрия ионной подвижности представляет собой метод обнаружения и идентификации сверхмалых концентраций паров различных химических соединений основанный на разделении ионов по критерию подвижности в слабом электрическом поле при атмосферном давлении. Общепринятая схема прибора (рис.1) включает камеру ионизации, в которую вводится проба, подвергающаяся ионизации; камеру дрейфа, в которой происходит разделение ионов по подвижностям во время движения в постоянном электрическом поле; детектирующий узел, в котором измеряется ток ионов; систему обработки и хранения данных. В качестве источника ионизации может использоваться радиоактивное вещество (N на рис.1), коронный разряд, лазер, ультрафиолетовая или рентгеновская лампа. Источник ионизации может работать в непрерывном или импульсном режиме.
63
При работе источника ионизации в непрерывном режиме (например, в случае N), затвор формирует из образовавшихся в камере ионизации ионов плоский сгусток, который инжектируются в камеру дрейфа, где под воздействием постоянного электрического поля сгусток двигается в направлении коллектора. Ионы с разной подвижностью достигают коллектора в разное время. Получаемый таким образом спектр распределения ионов по подвижности позволяет быстро и с высокой степенью точности выявлять и идентифицировать пары химических соединений, представленных в атмосфере в сверхмалых концентрациях.
При работе источника ионизации в импульсном режиме (импульсный коронный разряд, лазер), ионные сгустки формируются непосредственно в области ионизации. В этом случае затвор может отсутствовать. Но в ряде случаев затвор сохраняется и при импульсной ионизации для пространственного разделения областей ионизации и дрейфа и выравнивания электрического поля в переходной области между этими областями.
Известен спектрометр ионной подвижности, содержащий радиоактивный источник излучения, камеру ионизации анализируемых веществ и камеру дрейфа (см. например патент США №5969349, 1999 г.).
Недостатком известного спектрометра ионной подвижности является то, что в нем используется радиоактивный источник ионизации, что может представлять опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды.
Наиболее близким к предлагаемому спектрометру ионной подвижности является спектрометр ионной подвижности, использующий для ионизации импульсный коронный разряд, камеру ионизации анализируемых веществ и камеру дрейфа (см. Taylor S.J., Turner В. Arnold P., patent US no. 5684300, Nov. 1997; J.Xu, W.B.Whitten, J.M.Ramsey, Pulsed-Ionization Miniature Ion Mobility Spectrometer, Analytical Chemistry, Vol.75, No.16, August 15, 2003, pp.4206-4210). В указанных спектрометрах ионной подвижности затвор между камерой ионизации и камерой дрейфа отсутствует, вследствие импульсного характера ионизации молекул в течение короткого времени (от 1 мкс до 14 мкс).
Недостатком известных спектрометров ионной подвижности является то, что ионизация осуществляется непосредственно в области, куда поступает анализируемая проба воздуха. Т.е. пространственно не разделены область формирования реактант ионов под действием коронного разряда и область химической ионизации, в которой реактант ионы за счет химической реакции с молекулами анализируемых веществ передают им свой заряд и образуют ионы анализируемых веществ, которые далее переводятся в камеру дрейфа.
Чувствительность спектрометра пропорциональна произведению концентрации реактант ионов и концентрации ионов анализируемых веществ. Недостаток объединения областей коронного разряда и химической ионизации состоит в том, что в этом случае невозможно подобрать электрическое поле в камере ионизации, оптимальное одновременно для увеличения концентрации реактант ионов и увеличения концентрации ионов анализируемых веществ.
При формировании реактант ионов под действием коронного разряда образуются ионы обоих знаков, поэтому процесс генерации ионов сопровождается процессом их рекомбинации. Процесс рекомбинации уменьшается с увеличением электрического поля, вследствие более быстрого пространственного разделения ионов. Поэтому для увеличения концентрации реактант ионов любого знака электрическое поле в области коронного разряда должно быть максимальным. При максимальном электрическом поле повышается чувствительность спектрометра.
Эффективность химической ионизации увеличивается при увеличении времени взаимодействия реактант ионов и молекул анализируемых веществ: чем больше время взаимодействия, тем большему количеству анализируемых молекул будет передан заряд от реактант ионов и тем выше будет чувствительность спектрометра. Время взаимодействия увеличивается при уменьшении электрического поля в области химической ионизации за счет уменьшения скорости ионов: в меньшем электрическом поле ионы пролетают область ионизации за большее время. Поэтому для увеличения концентрации регистрируемых ионов и повышения чувствительности спектрометра электрическое поле в области химической ионизации должно быть минимальным.
Задача полезной модели состояла в создании оптимальных условий для формирования реактант ионов под действием коронного разряда и образовании ионов анализируемых веществ за счет химической ионизации, в результате чего повышается чувствительность спектрометра.
Указанная задача решается введением дополнительного затвора в камере ионизации для пространственного разделения области действия коронного
разряда и области химической ионизации. Предлагается спектрометр ионной подвижности, содержащий импульсный источник коронного разряда, камеру ионизации и камеру дрейфа, который согласно полезной модели снабжен дополнительным затвором, установленным между областью, где образуется коронный разряд, и областью в которую поступает анализируемая проба воздуха, причем электрическое поле в областях коронного разряда и химической ионизации может изменяться независимо.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели спектрометра ионной подвижности пространственно и электрически разделены область ионизации импульсным коронным разрядом, в которой формируются реактант ионы, и область химической ионизации анализируемых веществ, в которой формируются ионы анализируемых веществ за счет химической реакции взаимодействия реактант ионов с молекулами анализируемых веществ. Это обеспечивает возможность оптимизации условий образования реактант ионов путем установления максимального электрического поля в области действия импульсного коронного за счет уменьшения их рекомбинации. При этом обеспечивается возможность оптимального подбора электрического поля в области химической ионизации за счет создания небольшого электрического поле в этой области. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение чувствительности детектирования анализируемых веществ.
Дополнительный выигрыш за счет разделения указанных областей состоит в том, что в области химической ионизации молекулы анализируемых веществ взаимодействуют только с реактант ионами одного знака, поступающими из области формирования реактант ионов коронным разрядом через дополнительный затвор. Это приводит к образованию ионов анализируемых веществ одного знака, которые перемещаются в дрейфовой области спектрометра в одном направлении - в направлении к коллектору ионов спектрометра. В известных спектрометрах ионной подвижности, где совмещены области формирования реактант ионов и химической ионизации молекул анализируемых веществ, молекулы анализируемых веществ, получив определенный
заряд, могут нейтрализоваться реактант ионами противоположного знака, что приводит к уменьшению чувствительности спектрометра. Кроме того, в известных спектрометрах ионной подвижности часть молекул анализируемых веществ может непосредственно ионизироваться под воздействием коронного разряда, получая заряд, противоположный тому, который получается при химическом взаимодействии с реактант ионами. Эти ионы анализируемых веществ будут двигаться в противоположную сторону от области дрейфа и становятся потерянными для детектирования. Это дополнительно снижает чувствительность прибора при использовании известных спектрометров ионной подвижности.
Сущность полезной модели спектрометра ионной подвижности поясняется на рисунке 2, где приведена принципиальная схема спектрометра с предлагаемой дополнительным затвором в камере ионизации.
Предлагаемый спектрометр ионной подвижности содержит (Рис.2) камеру ионизации 1, камеру дрейфа 2, затвор 3 между камерами ионизации и дрейфа, импульсный источник коронного разряда 4, дополнительный затвор 5 между источником коронного разряда 4 и затвором 3. Камера ионизации 1 имеет патрубки 6 и 7 для подвода и, соответственно, вывода потока анализируемого воздуха.
2
Затвор 3 и дополнительный затвор 5 представляют собой сетки из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм и имеющие квадратные ячейки 0,5×0,5 мм, которые расположены друг от друга на расстоянии 0,05 мм.
Импульсный источник коронного разряда 4 представляет собой набор из нескольких пар заостренных иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава. Расстояние между кончиками игл порядка 1 мм, радиус закругления около 25 мкм. Коронный разряд инициируется подачей между электродами переменного напряжения с частотой 150 кГц, амплитудой 3000 В и продолжительностью 0,4 мс от источника импульсного переменного напряжения 13.
Источник регулируемого напряжения 14 предназначен для изменения напряженности электрического поля в промежутке между источником коронного разряда 4 и дополнительным затвором 5. Источник регулируемого напряжения 15 предназначен для изменения напряженности электрического поля в промежутке между затвором 3 и дополнительным затвором 5. Синхронизация работы источников напряжения 13, 14 и 15 осуществляется микроконтроллерным устройством синхронизации 16. Микроконтроллерное устройство синхронизации 16 позволяет также устанавливать величину напряжений источников 14 и 15, т.е. регулировать величину электрического поля в промежутке между источником коронного разряда 4 и дополнительным затвором 5 и в промежутке между затвором 3 и дополнительным затвором 5.
Образование реактант ионов происходит за счет ионизации молекул коронным разрядом в объеме между источником коронного разряда 4 и дополнительным затвором 5. Химическая реакция между реактант ионами и молекулами анализируемого вещества с образованием ионов анализируемого вещества происходит в объеме между затвором 3 и дополнительным затвором 5. С помощью кольцевых электродов (на рис. не показаны) в пространстве камеры дрейфа 2 создается продольное электрическое поле, осуществляющее перенос ионов анализируемого вещества, образующихся в камере ионизации 1, до коллектора ионов 8. В камере дрейфа 2 создается встречный по отношению к ионам поток (показан на чертеже стрелками) очищенного воздуха, поступающий в камеру дрейфа 2 по патрубку 9 и выводимому из нее по патрубку 10. Этот поток формируется в замкнутой системе циркуляции воздуха, включающей насос 11 и адсорбционную ловушку 12, заполненную молекулярными ситами.
-
+
Спектрометр ионной подвижности работает следующим образом. Под воздействием импульсного источника коронного разряда 4 формируются реактант ионы (R и R) в промежутке между источником коронного разряда 4 и дополнительным затвором 5. Электрическое поле в камере ионизации при этом устанавливается однородным и максимальным по величине (1000 В/см)
с помощью микроконтроллерного устройства синхронизации 16 и источника регулируемого напряжения 14. Максимальное поле способствует более быстрому разделению реактант ионов разного знака, уменьшая их рекомбинацию, что приводит к увеличению чувствительности спектрометра.
-
-
-
-
-
-
Под действием продольного электрического поля камере ионизации 1 реактант ионы одного знака (например R) через отверстия в дополнительном затворе 5 переносятся в промежуток между дополнительным затвором 5 и затвором 3, где происходит химическая реакция между реактант ионами (R) и молекулами анализируемых веществ М, вводимыми в камеру ионизации 1 вместе с потоком атмосферного воздуха, поступающего в камеру ионизации 1 через патрубок 6, по схеме R+М=М+R. При этом электрическое поле в промежутке между дополнительным затвором 5 и затвором 3 с помощью микроконтроллерного устройства синхронизации 16 и источника регулируемого напряжения 15 устанавливается минимальным (10 В/см). При минимальном электрическом поле скорость ионов минимальна, что приводит к увеличению продолжительности реакции R+М=М+R. В результате концентрация ионов анализируемого вещества повышается, что, в конечном счете, приводит к увеличению чувствительности спектрометра. После заданного промежутка времени (2 мс - 10 мс) с помощью микроконтроллерного устройства синхронизации 16 и источника регулируемого напряжения 15 электрическое поле в промежутке между дополнительным затвором 5 и затвором 3 устанавливается равным электрическому полю в камере дрейфа 2 (300 В/см). Выравнивание поля необходимо для исключения пространственной деформации сгустка ионов при прохождении затвора 3 в камеру дрейфа 2. Таким образом электрическое поле в промежутке между дополнительным затвором 5 и затвором 3 сначала равно максимальной величине (1000 В/см), затем уменьшается до минимального значения (10 В/см) на заданный интервал времени (2 мс - 10 мс), после чего снова увеличивается до величины напряженности электрического поля в камере дрейфа 2 (300 В/см). Собираясь на коллекторе 8, ионы анализируемых веществ формируют полезный сигнал.
Установка максимального электрического поля во время образования реактант ионов приводит к увеличению их концентрации примерно в два раза. Модуляция электрического поля во время химической ионизации дает выигрыш в концентрации анализируемых ионов более чем в пять раз. Поэтому использование дополнительного затвора 5 и модуляция электрического поля в камере ионизации 1 при прохождении ионного сгустка позволяет в целом увеличить чувствительность спектрометра ионной подвижности более чем на порядок.