Контакты >

Спектрометрия ионной подвижности

Как определить сверхмалое количество вещества? Для распознавания низких концентраций специалисты ИЦ «Бирюч» создали эффективный прибор. В основе его функционирования – метод спектрометрии ионной подвижности (Ion Mobility Spectrometry – IMS). Спектрометры, работающие по этому принципу, обладают рядом достоинств: оперативность анализа пробы (всего несколько секунд), невысокое энергопотребление, возможность выпуска портативных приборов.

Чувствительность такого прибора достаточно большая: спектрометр позволяет определить содержание вещества даже в количестве 1 молекула на триллион (10¹²) молекул окружающего воздуха (такая концентрация обозначается как 1 ppt).

Сфера применения спектрометров ионной подвижности

Благодаря данным свойствам спектрометр можно использовать для быстрого и надежного обнаружения следов взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ. Например, бумага, в которую завернуто взрывчатое вещество, неизбежно будет нести на своей поверхности некоторое количество вещества, которое будет создавать в окружающем воздухе определенную концентрацию паров. Даже герметичность пластиковой упаковки не станет препятствием для попадания следовых количеств паров вещества в воздух.

Крохотное количество взрывчатки всегда остаётся на пальцах и одежде любого человека, работавшего с ней. Следовых концентраций вполне достаточно для надежного обнаружения спектрометром.

До сегодняшнего дня самым чувствительным детектором наркотических и взрывчатых веществ считаются специально обученные собаки. Однако «живые детекторы» могут устать или переключить своё внимание на что-то другое, то есть «отключиться» в любой момент.

Спектрометры ионной подвижности уступают собачьему носу в чуткости, зато выигрывают в бесперебойности работы. Приборы объективно оценивают исследуемый объект. К тому же, спектрометр не просто дает информацию о присутствии взрывчатки, он ещё и определяет ее тип, что является уникальной особенностью данного метода.

Область применения спектрометров не ограничивается лишь поиском взрывчатых, отравляющих и наркотических веществ. Приборы с высокой чувствительностью и быстродействием могут быть использованы в самых различных отраслях.

Принципы работы спектрометра

На чём же основана такая эффективность спектрометра ионной подвижности?

Суть заключается в том, что ионизованная молекула любого вещества обладает строго определенной подвижностью в слабом электрическом поле. Измеряя подвижность ионов, можно идентифицировать молекулы различных веществ.

Измерение подвижности ионов (получение спектра) включает в себя следующие этапы:

  • Ионизация молекул исследуемой пробы;
  • Дрейф ионов в потоке нейтрального газа под действием электрического поля;
  • Определение времени дрейфа ионов путем регистрация молекул детектором, регистрирующим ионный ток.

Для ионизации молекул могут использоваться радиоактивные изотопы, ультрафиолетовое или лазерное излучение, коронный разряд, поверхностная ионизация.

Дрейф ионов в потоке нейтрального газа под действием электрического поля позволяет разделить ионы вдоль направления дрейфа соответственно их подвижностям. Различные типы ионов достигают детектора за разное время и формируют ионный спектр исследуемого вещества.

Возможности IMS спектрометра могут быть существенно расширены за счет использования компактных поликапилярных хроматографических колонок. На первом этапе исследуемая проба попадает в колонку, где методом газовой хроматографии производится предварительное разделение веществ.

На втором этапе предварительно разделенные молекулы попадают в IMS спектрометр, где и происходит их детектирование. Подобный синтез в одном приборе двух методов позволяет добиться заметно более качественной идентификации и разделения веществ, что принципиально важно при исследовании многокомпонентных смесей.

Наряду с IMS существует принципиально другой метод – спектрометрия приращения ионной подвижности (differential ion mobility spectrometry, DIMS). В основе метода лежит нелинейная зависимость подвижности ионов от напряженности электрического поля.

Получение спектра исследуемого вещества DIMS спектрометром состоит из следующих этапов:

  • Ионизация молекул исследуемой пробы;
  • Дрейф ионов в потоке нейтрального газа между обкладками конденсатора, к которым приложены высокочастотный ассиметричный по полярности сигнал и компенсирующее (сканирующее) поле;
  • Измерение ионного тока детектором.

Для ионизации молекул используются методы, идентичные тем, что используются в IMS спектрометрах. Обкладки конденсатора могут выполняться как в качестве параллельных плоских пластин, так и в виде коаксиальных цилиндров.

Для каждого типа ионов имеется определенная комбинация компенсирующего и высокочастотного полей, при которой эффективная траектория его движения будет проходить параллельно обкладкам конденсатора. Как результат – ион достигнет детектора и будет зарегистрирован.

Остальные ионы не достигнут детектора и будут разряжаться на обкладках конденсатора. В данном случае спектр представляет собой зависимость ионного тока на детекторе от величины компенсирующего напряжения.

Инновационный центр Бирюч ведет работы по созданию спектрометров ионной подвижности. Создан макет DIMS спектрометра, чьи ключевые характеристики сопоставимы с показателями работы лучших серийно производимых приборов.

Теоретическое обоснование процессов, протекающих в процессе дрейфа ионов, и расчет электрических полей в приборе позволили определить оптимальную конструкцию спектрометра, в которой разумно сочетаются высокая разрешающая способность, чувствительность, компактные размеры основных элементов и малое энергопотребление.

Выбор оптимальной конструкции дрейфовой трубки, использование при создании управляющей электроники современных технических решений, оперирование мощным математическим аппаратом для обработки получаемых спектров позволяет разработать спектрометр с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Уникальное сочетание быстродействия, чувствительности и способность детектировать широкий спектр веществ позволяет использовать спектрометр ионной подвижности в самых разнообразных сферах.

 Мировые аналоги →

Возврат к списку
Вакансии:
Инженер по СВЧ-технике. Инженер-электроник 1, 2 категории Другие вакансии