RU2263996C1 - Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter - Google Patents

Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter Download PDF

Info

Publication number
RU2263996C1
RU2263996C1 RU2004115688/28A RU2004115688A RU2263996C1 RU 2263996 C1 RU2263996 C1 RU 2263996C1 RU 2004115688/28 A RU2004115688/28 A RU 2004115688/28A RU 2004115688 A RU2004115688 A RU 2004115688A RU 2263996 C1 RU2263996 C1 RU 2263996C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ion
emitter
current
peak
spectrometer
Prior art date
Application number
RU2004115688/28A
Other languages
Russian (ru)
Original Assignee
Капустин Владимир Иванович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Капустин Владимир Иванович filed Critical Капустин Владимир Иванович
Priority to RU2004115688/28A priority Critical patent/RU2263996C1/en
Priority to PCT/RU2005/000244 priority patent/WO2005116626A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2263996C1 publication Critical patent/RU2263996C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/622—Ion mobility spectrometry

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)

Abstract

FIELD: ion-mobility spectrometers and their checkup.
SUBSTANCE: proposed method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter, including spectrometer checkup dispensing with reference materials and for measuring spectrometer parameters in single cycle includes air pumping through spectrometer at volume velocity ranging between 2 and 10 l/min, application of dc voltage Uacc between thermoemitter plus and ion lens electrode minus, measurement of thermoemitter ion current Ite by means of external device, and setting of thermoemitter operating temperature Top between 250 and 650 °C and Uacc between 30 and 600 V so as to provide for thermoemitter ion current Ite of (10-11 - 10-8) A; recording of ion drift spectrum; evaluation of half-width of ion current peak in drift spectrum at half its height ΔU, ion current peak maximum Imax, and compensating voltage Uc in ion current peak maximum; calculation of Kpc = (Imax/ Ite), and estimation of condition of ion mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter by values of ΔU, Kpc, and Uc and shape of collector ion current peak including thermoemitter current Ite.
EFFECT: facilitated procedure.
5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения для целей газового анализа, а более конкретно к способам контроля состояния спектрометров ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов, в частности к способам калибровки спектрометров, включая контроль состояния геометрических характеристик спектрометров, наличие посторонних загрязнений на поверхности электродов спектрометров, приводящих к ухудшению аналитических характеристик спектрометров.The invention relates to the field of analytical instrumentation for gas analysis, and more particularly to methods for monitoring the state of ion mobility spectrometers with a surface ionizing ion emitter, in particular to methods for calibrating spectrometers, including monitoring the state of the geometric characteristics of spectrometers, the presence of extraneous contaminants on the surface of the spectrometer electrodes, leading to a deterioration in the analytical characteristics of spectrometers.

Известен способ контроля состояния и калибровки спектрометра [1], содержащего радиоизотопный источник ионизации паров органических молекул, подаваемых в спектрометр с потоком воздуха, содержащего также устройство разделения ионов по подвижности, выполненное в виде дрейфового промежутка, образованного двумя электродами, соединенными с внешними источниками постоянного компенсирующего и переменного асимметричного напряжений, включающего также систему сбора ионов, содержащего также встроенный источник паров реперного вещества, при этом способ контроля предусматривает подачу реперного вещества в спектрометр и регистрацию дрейф - спектра реперного вещества, по виду которого судят о качестве спектрометра.A known method of monitoring the state and calibration of the spectrometer [1], containing a radioisotope source of ionization of vapors of organic molecules supplied to the spectrometer with an air stream, also containing a mobility-based ion separation device made in the form of a drift gap formed by two electrodes connected to external sources of constant compensation and alternating asymmetric voltages, which also includes a system for collecting ions, which also contains an integrated source of vapor of the reference substance, at m provides a method of controlling the flow of the reference substance in a spectrometer and recording of drift - the spectrum of the reference material, the type of which is judged on the quality of the spectrometer.

Известный способ обладает существенными недостатками: необходимость использования реперного вещества, запас которого в спектрометре с течением времени изменяется, что приводит к нестабильности калибровки спектрометра. Кроме того, форма и интенсивность пиков в дрейф-спектрах органических молекул при их радиоизотопной ионизации, включая форму и интенсивность пика реперного вещества, зависит от колебаний влажности воздуха, наличия посторонних примесей, что приводит к низкой воспроизводимости результатов калибровки.The known method has significant disadvantages: the need to use a reference substance, the stock of which in the spectrometer changes over time, which leads to instability of the calibration of the spectrometer. In addition, the shape and intensity of the peaks in the drift spectra of organic molecules during their radioisotope ionization, including the shape and intensity of the peak of the reference substance, depends on fluctuations in air humidity and the presence of impurities, which leads to low reproducibility of calibration results.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ контроля состояния спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов, содержащего поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем термоэмиттера и датчиком температуры термоэмиттера, содержащего ионную линзу, один из электродов которой обращен в сторону рабочей поверхности термоэмиттера ионов, содержащего также устройство разделения ионов по подвижности, выполненное в виде дрейфового промежутка, образованного двумя электродами, соединенными с внешними источниками постоянного компенсирующего и переменного асимметричного напряжения, содержащего также устройство для сбора ионов, включающее коллектор ионов, соединенный с внешним устройством для измерения ионного тока коллектора, включающий прокачку воздуха последовательно через зазор между рабочей поверхностью термоэмиттера и электродом ионной линзы, обращенным в сторону термоэмиттера ионов, через зазор между электродами дрейфового промежутка устройства для разделения ионов по подвижности и через устройство для сбора ионов, включающий также нагрев термоэмиттера до рабочей температуры термоэмиттера Тр, развертку постоянного компенсирующего напряжения по линейному закону и регистрацию дрейф-спектра ионов в виде зависимости ионного тока коллектора Iкол. от величины компенсирующего напряжения Uкомп.[2].Closest to the claimed invention is a method for monitoring the state of an ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter, comprising a surface ionizing ion emitter, equipped with a heater emitter and a temperature emitter sensor containing an ion lens, one of whose electrodes is facing the working surface of the ion emitter, also containing a device for separating ions by mobility, made in the form of a drift gap formed by two electrodes connected to external sources of constant compensating and variable asymmetric voltage, which also contains an ion collecting device, including an ion collector, connected to an external collector ion current measuring device, including air pumping through the gap between the working surface of the thermal emitter and the ion lens electrode facing toward the ion emitter, through the gap between the electrodes of the drift gap of the device for ion separation by mobility and cut a device for collecting ions, which also includes heating the thermal emitter to the operating temperature of the thermal emitter T r , scanning a constant compensating voltage according to a linear law and recording the drift spectrum of ions in the form of a dependence of the collector’s ion current I count. from the value of the compensating voltage U comp. [2].

Данный способ также предусматривает подачу реперного вещества в составе воздуха, прокачиваемого через спектрометр, и регистрацию дрейф-спектра реперного вещества, при этом о качестве и состоянии спектрометра судят по форме и положению пика реперного вещества в его дрейф-спектре. Известный способ применим к спектрометрам, в которых в качестве устройства разделения ионов используют два плоских электрода [3], два коаксиально расположенных цилиндрических электрода, в котором газовый поток движется между электродами параллельно образующих этих электродов [2], два коаксиально расположенных цилиндрических электрода, в котором газовый поток движется по тангенциальному направлению в зазоре между электродами, а также к другим типам спектрометров дрейфовой подвижности ионов.This method also provides for the supply of a reference substance in the composition of the air pumped through the spectrometer, and the registration of the drift spectrum of the reference substance, while the quality and condition of the spectrometer are judged by the shape and position of the peak of the reference substance in its drift spectrum. The known method is applicable to spectrometers in which two flat electrodes [3], two coaxially arranged cylindrical electrodes, in which the gas flow moves between the electrodes in parallel forming these electrodes [2], two coaxially arranged cylindrical electrodes, in which the gas flow moves in a tangential direction in the gap between the electrodes, as well as to other types of ion drift mobility spectrometers.

Предложенный способ характеризуется меньшей чувствительностью к колебаниям влажности воздуха и наличию в воздухе микропримесей посторонних веществ, так как поверхностно-ионизационные термоэмиттеры ионов, в отличие от радиоизотопных источников ионизации, обладают ионизационной селективностью по отношению к определенным классам органических веществ. Однако он также предусматривает применение реперных веществ, что усложняет способ контроля и приводит к недостаточно высокой воспроизводимости результатов, а также не позволяет проконтролировать все значимые характеристики спектрометра в едином цикле измерений.The proposed method is characterized by less sensitivity to fluctuations in air humidity and the presence of microimpurities of foreign substances in the air, since surface-ionizing ion thermoemitters, in contrast to radioisotope ionization sources, have ionization selectivity with respect to certain classes of organic substances. However, it also provides for the use of reference substances, which complicates the control method and leads to insufficiently high reproducibility of the results, and also does not allow to control all the significant characteristics of the spectrometer in a single measurement cycle.

В основу настоящего изобретения положена задача упростить методику контроля состояния спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов, при этом методика контроля должна реализовываться без использования реперных веществ, а оценка таких параметров спектрометра, как однородность зазора между электродами устройства разделения ионов (соосность и параллельность электродов), наличие посторонних загрязнений на поверхности электродов должна осуществляться в едином цикле измерений параметров спектрометра.The basis of the present invention is to simplify the method of monitoring the state of the ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter, while the monitoring method should be implemented without the use of reference substances, and the assessment of such parameters of the spectrometer as the uniformity of the gap between the electrodes of the ion separation device (alignment and parallelism of the electrodes ), the presence of extraneous contaminants on the surface of the electrodes should be carried out in a single cycle of measuring the spectrometer parameters pa

Поставленная цель достигается тем, что величину объемной скорости прокачки воздуха через спектрометр устанавливают в интервале (2-10) литров/мин, между термоэмиттером ионов и электродом ионной линзы, обращенным в сторону термоэмиттера ионов, прикладывают постоянное напряжение Uуск плюсом на термоэмиттер ионов и минусом на электрод ионной линзы, с помощью второго внешнего устройства для измерения тока измеряют величину ионного тока термоэмиттера Iтэ и устанавливают величину рабочей температуры термоэмиттера Тр в интервале (250÷650)°С и величину Uуск в интервале (30÷600) В таким образом, чтобы ионный ток термоэмиттера Iтэ составлял величину в интервале (10-11÷10-8) А, регистрируют дрейф-спектр ионов в цепи коллектора, для пика ионного тока в дрейф-спектре определяют полуширину пика на половине его высоты ΔU, величину максимума ионного тока пика Iмакс, величину компенсирующего напряжения в максимуме пика ионного тока Uсм, рассчитывают величину Kтп=(Iмакс/Iтэ) и по величинам ΔU, Ктп, Uсм и форме пика ионного тока коллектора с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ судят о состоянии спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов.This goal is achieved by the fact that the volumetric rate of air flow through the spectrometer is set in the range (2-10) liters / min, between the ion thermal emitter and the ion lens electrode facing the ion thermal emitter, a constant voltage U accele is applied to the ion thermal emitter plus and minus ion lens electrode with the second outer current measuring devices measure the ion current value I te thermal emitter and set the amount of the thermal emitter operating temperature T p in the range of (250 ÷ 650) ° C and ve U Ichin the Start in the interval (30 ÷ 600) in such a way that the ion current I thermoemitter te value was in the range of (10 -8 -11 ÷ 10) A recorded spectrum drift of ions in the collector circuit to the peak ion current in the drift -the spectrum determines the half-width of the peak at half its height ΔU, the maximum ion peak current I max , the value of the compensating voltage at the maximum peak ion current U cm , calculate the value of K TP = (I max / I te ) and the values of ΔU, K TP , U cm, and the shape of the ion current peak value of the collector with the thermal emitter current I te judged sostojani an ion mobility spectrometer with a surface ionization ion thermoemitter.

Об однородности зазора между электродами устройства разделения ионов по подвижности спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине ΔU полуширины пика ионного тока в дрейф-спектре ионов с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.The uniformity of the gap between the electrodes of the ion separation device according to the mobility of the ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter is judged by the value ΔU of the half width of the ion current peak in the ion drift spectrum taking into account the magnitude of the current of the emitter I te .

О состоянии поверхности электродов устройства разделения ионов по подвижности спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине Uсм компенсирующего напряжения в максимуме пика ионного тока с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.The state of the surface of the electrodes of the ion separation device according to the mobility of the ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter is judged by the value of U cm of the compensating voltage at the peak of the ion current peak taking into account the magnitude of the current of the emitter I te .

О состоянии поверхности электродов ионной линзы спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине Ктп=(Iмакс/Iтэ) с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.The state of the surface of the electrodes of the ionic lens of an ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter is judged by the value of K m = (I max / I te ) taking into account the current of the thermo emitter I te .

О состоянии поверхности электродов устройства для сбора ионов спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по форме пика ионного тока коллектора с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.The state of the surface of the electrodes of the device for collecting ions of an ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter is judged by the shape of the peak of the ion current of the collector taking into account the magnitude of the current of the emitter I te .

Заявленный способ иллюстрируется следующими чертежами.The claimed method is illustrated by the following drawings.

На Фиг.1 приведена схема дрейф-спектрометра [2], в котором устройство разделения ионов образовано двумя коаксиально расположенными цилиндрическими электродами и в котором газовый поток движется между электродами параллельно образующих этих электродов.Figure 1 shows a diagram of a drift spectrometer [2], in which the ion separation device is formed by two coaxially arranged cylindrical electrodes and in which the gas flow moves between the electrodes in parallel forming these electrodes.

На Фиг.2 приведена типичная зависимость ионного тока термоэмиттера от его температуры в отсутствие какого-либо органического вещества, подаваемого в потоке воздуха, прокачиваемого через спектрометр.Figure 2 shows a typical dependence of the ion current of a thermoemitter on its temperature in the absence of any organic matter supplied in a stream of air pumped through a spectrometer.

На Фиг.3 приведен типичный дрейф-спектр органического вещества, в данном случае новокаина, подаваемого в составе воздуха, прокачиваемого через спектрометр ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов.Figure 3 shows a typical drift spectrum of organic matter, in this case novocaine, supplied as part of air pumped through an ion mobility spectrometer with a surface ionization ion emitter.

На Фиг.4 приведен дрейф-спектр, регистрируемый спектрометром при прокачке через него воздуха атмосферного давления в отсутствие какого-либо органического вещества в составе воздуха.Figure 4 shows the drift spectrum recorded by the spectrometer when pumping atmospheric pressure air through it in the absence of any organic matter in the air.

На Фиг.5 приведен график зависимости полуширины пика ΔU на половине его высоты от величины тока термоэмиттера ионов Iтэ в дрейф-спектре воздуха.Figure 5 shows a graph of the dependence of the half-width of the peak ΔU at half its height on the current of the thermal emitter of ions I te in the drift spectrum of air.

На Фиг.6 приведен дрейф-спектр, регистрируемый спектрометром при прокачке через него воздуха атмосферного давления в отсутствие какого-либо органического вещества в составе воздуха для случая, когда поверхность электродов устройства для сбора ионов, в частности коллектора ионов, покрыта окисной пленкой.Figure 6 shows the drift spectrum recorded by the spectrometer when atmospheric pressure air is pumped through it in the absence of any organic substance in the air for the case when the surface of the electrodes of the ion collecting device, in particular the ion collector, is coated with an oxide film.

На Фиг.1 обозначены: 1 - термоэмиттер ионов, 2 - подогреватель термоэмиттера, 3 - датчик температуры термоэмиттера, 4 - ионная линза, 5 - электрод ионной линзы, обращенный в сторону рабочей поверхности термоэмиттера, 6 и 7 - электроды устройства для разделения ионов, 8 - электрод управления током ионов на коллектор (супрессор ионов), 9 - коллектор ионов, Qo поток воздуха, прокачиваемого через спектрометр, (Qo+M) - вариант потока воздуха, содержащий молекулы реперного органического вещества М.Figure 1 shows: 1 - ion emitter, 2 - emitter heater, 3 - emitter temperature sensor, 4 - ion lens, 5 - ion lens electrode facing the working surface of the emitter, 6 and 7 - electrodes of the ion separation device, 8 - electrode for controlling the ion current to the collector (ion suppressor), 9 - ion collector, Q o is the flow of air pumped through the spectrometer, (Q o + M) is a variant of the air flow containing molecules of reference organic matter M.

На Фиг.2 обозначены: 1 - низкотемпературный пик ионного тока термоэмиттера, 2 - высокотемпературный пик ионного тока термоэмиттера, 3 - интервал рабочих температур термоэмиттера, Тр - выбранная рабочая температура термоэмиттера, Iтэ - измеренный при этом ионный ток термоэмиттера.Figure 2 shows: 1 - the low-temperature peak of the ion current of the thermal emitter, 2 - the high-temperature peak of the ion current of the thermal emitter, 3 - the range of operating temperatures of the thermal emitter, T p is the selected operating temperature of the thermal emitter, I te is the measured ion current of the thermal emitter.

На Фиг.3 обозначены: 1 - пик в дрейф-спектре, относящийся к молекулам органического реперного вещества, 2 - пик в дрейф-спектре, относящийся к ионам, десорбирующимся с активных центров ионизации на поверхности термоэмиттера.Figure 3 shows: 1 - peak in the drift spectrum related to molecules of the organic reference substance, 2 - peak in the drift spectrum related to ions desorbed from active ionization centers on the surface of the thermal emitter.

На Фиг.4 обозначены: Iмакс - величина тока коллектора в максимуме пика ионного тока, ΔU - полуширина пика ионного тока коллектора на половине его высоты, Uсм - положение максимума пика ионного тока на шкале компенсирующего напряжения Uкомп. Figure 4 indicates: I max is the collector current at the peak of the peak of the ion current, ΔU is the half width of the peak of the ion current of the collector at half its height, U cm is the position of the peak of the peak of the ion current on the compensating voltage scale U comp.

На Фиг.6 обозначены: 2 - пик в дрейф-спектре, относящийся к ионам, десорбирующимся с активных центров ионизации на поверхности термоэмиттера, 3 - отрицательный "выброс" ионного тока данного пика.Figure 6 shows: 2 - peak in the drift spectrum, related to ions desorbed from active ionization centers on the surface of the thermoemitter, 3 - negative "surge" of the ion current of this peak.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

Процесс ионизации органической молекулы М на нагретой поверхности термоэмиттера ионов может быть представлен последовательностью реакций ионизации [2]:The ionization process of the organic molecule M on the heated surface of the ion emitter can be represented by a sequence of ionization reactions [2]:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Реакции (1a)-(1в) протекают вследствие того, что окисленная поверхность термоэмиттера, выполненного на основе сплавов переходных металлов, например молибдена, вольфрама, ванадия, содержит так называемые кислотные {КЦБ} и основные {ОЦБ} центры Бренстеда. Указанные центры образуются на поверхности оксидов ряда металлов и сплавов и представляют собой ионы водорода и гидроксильной группы, хемосорбированные соответственно на ионах кислорода и металла оксида в результате диссоциативной адсорбции на его поверхности молекул воды из состава воздуха, прокачиваемого через спектрометр. Для случая поверхности оксида сложного состава, например, поверхности термоэмиттера, выполненного из оксидной бронзы щелочного металла, на поверхности термоэмиттера дополнительно имеются активные центры типа {ИЩМ}, представляющие собой ионы щелочного металла, способные инициировать протекание реакции (1г).Reactions (1a) - (1c) proceed due to the fact that the oxidized surface of a thermally emitter made on the basis of transition metal alloys, for example, molybdenum, tungsten, and vanadium, contains the so-called acid {CCB} and the main {BST} Brensted centers. These centers are formed on the surface of oxides of a number of metals and alloys and are hydrogen and hydroxyl ions chemisorbed respectively on oxygen and metal oxide ions as a result of dissociative adsorption of water molecules from the composition of air pumped through the spectrometer on its surface. For the case of a surface of an oxide of complex composition, for example, the surface of a thermoelectric emitter made of alkali metal bronze, there are additional active centers of the type {ISHM} on the surface of the thermally emitter, which are alkali metal ions capable of initiating a reaction (1g).

При отсутствии органических молекул в составе воздуха, прокачиваемого через спектрометр, при подаче напряжения между термоэмиттером ионов и электродом ионной линзы, обращенным в сторону термоэмиттера, и при развертке температуры термоэмиттера регистрируют так называемый фоновый ионный ток термоэмиттера, представляющий собой ток ионов щелочного металла и/или протонов, десорбирующихся с поверхности термоэмиттера. При этом регистрируется зависимость ионного тока термоэмиттера вида, показанного на Фиг.2.In the absence of organic molecules in the air pumped through the spectrometer, when a voltage is applied between the ion emitter and the ion lens electrode facing the emitter, and when the temperature of the emitter is scanned, the so-called background ion emitter current, which is an alkali metal ion current and / or protons desorbed from the surface of the thermal emitter. In this case, the dependence of the ion current of the thermoemitter of the type shown in FIG. 2 is recorded.

Если установить некоторую рабочую температуру термоэмиттера и в состав воздуха, прокачиваемого через спектрометр, подать пробу органического вещества, а к электродам устройства разделения ионов приложить внешнее переменное несимметричное напряжение и линейно меняющееся компенсирующее напряжение, то в цепи коллектора будет зарегистрирован так называемый дрейф-спектр, показанный на Фиг.3. При этом пик 1 относится к молекулам органического вещества, а пик 2 - к ионам щелочного металла и/или протона.If you set a certain operating temperature of the thermo-emitter and apply a sample of organic matter to the air pumped through the spectrometer, and apply an external variable asymmetric voltage and a linearly varying compensating voltage to the electrodes of the ion separation device, the so-called drift spectrum will be recorded in the collector circuit, shown figure 3. In this case, peak 1 refers to molecules of organic matter, and peak 2 to ions of an alkali metal and / or proton.

Для получения максимальной чувствительности спектрометра при регистрации органических веществ обычно максимально возможно увеличивают ионный ток термоэмиттера путем одновременного увеличения величины напряжения, приложенного между термоэмиттером ионов и электродом ионной линзы, а также температуры термоэмиттера. При этом получают максимальную интенсивность пика 1 на Фиг.3. Однако из-за действия объемного заряда интенсивного пучка ионов положение, полуширина и интенсивность пика 2 в спектре Фиг.3 сильно зависит от величины дозы органических молекул, попадающих в спектрометр в составе воздуха.To obtain the maximum sensitivity of the spectrometer when registering organic substances, it is usually possible to maximize the ion current of the thermoemitter by simultaneously increasing the voltage applied between the ion emitter and the ion lens electrode, as well as the temperature of the thermoemitter. In this case, the maximum intensity of peak 1 in FIG. 3 is obtained. However, due to the action of the space charge of an intense ion beam, the position, half-width, and intensity of peak 2 in the spectrum of FIG. 3 strongly depend on the dose of organic molecules entering the spectrometer in air.

В то же время при определенных условиях характеристики пика 2 могут быть использованы для оценки состояния электродов спектрометра и спектрометра в целом.At the same time, under certain conditions, the characteristics of peak 2 can be used to assess the state of the electrodes of the spectrometer and the spectrometer as a whole.

Оказалось, что если в спектрометр не подавать молекул органического вещества, а величину фонового ионного тока термоэмиттера уменьшать путем согласованного снижения температуры термоэмиттера и напряжения на термоэмиттере, то в какой-то момент в дрейф-спектре фонового тока, показанном на Фиг.4, параметры пика 2 перестанут изменяться: его положение, полуширина и отношение интенсивности пика 2 к величине тока термоэмиттера, типичная величина которого в зависимости от типа спектрометра составляет Ктп=(0,5-5,0)·10-4, будут оставаться неизменными при дальнейшем снижении ионного тока термоэмиттера. Типичная зависимость для одного из параметров пика его полуширины - от величины фонового тока термоэмиттера показана на Фиг.5. При токе термоэмиттера, выбираемом менее 10-11 А, слишком мал ток коллектора для его надежной регистрации. При токе термоэмиттера более 10-8 А из-за действия объемного заряда параметры пика 2 начинают изменяться. Величину рабочей температуры термоэмиттера в интервале (250÷650)°С и величину Uуск в интервале (30÷600) В выбирают согласованно в зависимости от типа материала тсрмоэмиттера, геометрических особенностей спектрометра. При температуре менее 250°С слишком мал ток термоэмиттера, при температуре более 650°С на поверхности большинства типов термоэмиттеров начинают протекать структурные превращения, приводящие к деградации термоэмиттера. При напряжении менее 30 В также слишком мал ток термоэмиттера при любых значениях его температуры, при напряжении более 600 В начинаются пробои поверхности термоэмиттера. Если через спектрометр прокачивать воздух с объемной скоростью менее 2 литров/мин, то начинает проявляться действие объемного заряда ионов, приводящее к изменению параметров пика 2, если же скорость прокачки превышает 10 литров/мин, то начинают проявляться нестабильности газового потока в области его ввода в устройство разделения ионов.It turned out that if no organic matter molecules were fed into the spectrometer, and the background ion current of the thermoelectric emitter was reduced by a coordinated decrease in the temperature of the thermoelectric emitter and the voltage on the thermo emitter, then at some point in the background current drift spectrum shown in Fig. 4, the peak parameters 2 will cease to vary: its position, and the half-width ratio of the peak intensity value of 2 to the current thermal emitter, a typical value of which depending on the type of spectrometer is K m = (0.5-5.0) x 10 -4 to remain unchanged with further reduction in ion current thermal emitter. A typical dependence for one of the parameters of the peak of its half-width - on the value of the background current of the thermal emitter is shown in Figure 5. When the current of the thermoemitter selected less than 10 -11 A, the collector current is too small for its reliable registration. When the current of the thermoemitter is more than 10 -8 A, due to the action of the space charge, the parameters of peak 2 begin to change. The value of the operating temperature of the thermo-emitter in the range (250 ÷ 650) ° C and the value of U accele in the range (30 ÷ 600) V is chosen consistently depending on the type of material of the thermoemitter, the geometric features of the spectrometer. At a temperature of less than 250 ° С, the current of the thermoemitter is too small; at a temperature of more than 650 ° С, structural transformations begin to occur on the surface of most types of thermoemitters, leading to degradation of the thermoemitter. At a voltage of less than 30 V, the current of the thermo-emitter is also too small at any value of its temperature; at a voltage of more than 600 V, breakdowns of the surface of the thermo-emitter begin. If air is pumped through the spectrometer with a space velocity of less than 2 liters / min, then the action of a space charge of ions begins to appear, leading to a change in the parameters of peak 2, but if the pumping speed exceeds 10 liters / min, instabilities of the gas flow in the region of its entry into ion separation device.

Сущность способа контроля состояния спектрометра по параметрам пика в дрейф-спектре фонового ионного тока состоит в следующем.The essence of the method of monitoring the state of the spectrometer by the parameters of the peak in the drift spectrum of the background ion current is as follows.

Если в области величин рабочих токов термоэмиттера изменятся геометрические характеристики зазора между электродами устройства для разделения ионов, например, из-за тепловых "уходов" электродов, вследствие удара, тряски, провисания электродов, это проявится в увеличении полуширины пика ионного тока ΔU в дрейф-спектре, приведенном на Фиг.4.If the geometrical characteristics of the gap between the electrodes of the ion separation device change, for example, due to thermal “withdrawals” of the electrodes, due to shock, shaking, and sagging of the electrodes, in the range of operating currents of the thermoemitter, this will manifest itself in an increase in the half-width of the peak of the ion current ΔU in the drift spectrum shown in Fig.4.

Если на поверхности электродов устройства для разделения ионов появятся посторонние загрязнения, например окисные пленки, остатки сконденсировавшихся на них органических веществ, это приведет к изменению величины работы выхода материалов электродов и, соответственно, к дополнительному смещению положения пика на Фиг.4, то есть к изменению величины Uсм..If extraneous contaminants, for example, oxide films, residues of organic substances condensed on them appear on the surface of the electrodes of the ion separation device, this will lead to a change in the work function of the electrode materials and, accordingly, to an additional shift in the position of the peak in Fig. 4, i.e., to a change U values see .

Если такие же загрязнения появятся на электродах ионной линзы, это приведет к изменению величины "токопрохождения" спектрометра, то есть к изменению величины Ктп=(Iмакс/Iтэ).If the same impurities appear on the electrodes of the ion lens, this will lead to a change in the magnitude of the "current transmission" of the spectrometer, that is, to a change in the value of K TP = (I max / I TE ).

Если такие же загрязнения, например, в виде окисной пленки, появятся на поверхности электродов устройства для сбора ионов, например, на поверхности коллектора ионов, это проявится в том, что изменится форма пика в дрейф-спектре. При больших значениях скоростей развертки компенсирующего напряжения у пика появится так называемый обратный "выброс" ионного тока, как показано на Фиг.6, при этом величина Iмакс будет меньше ее исходного значения. При более медленной развертке компенсирующего напряжения с уменьшением скорости развертки амплитуда пика ионного тока и обратный "выброс" будут уменьшаться вплоть до нулевого значения.If the same contaminants, for example, in the form of an oxide film, appear on the surface of the electrodes of the ion collecting device, for example, on the surface of the ion collector, this will manifest itself in the fact that the peak shape in the drift spectrum changes. At high values of the sweep speeds of the compensating voltage, the so-called reverse "surge" of the ion current will appear at the peak, as shown in Fig.6, while the value of I max will be less than its initial value. With a slower sweep of the compensating voltage with a decrease in the sweep speed, the amplitude of the peak of the ion current and the reverse "surge" will decrease down to zero.

Таким образом, предложенный способ в едином измерительном цикле позволяет одновременно проконтролировать все основные характеристики спектрометра без использования реперного органического вещества. По существу, для калибровки спектрометра в заявленном способе предложено использовать так называемый "внутренний репер" поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов, представляющий собой активные центры ионизации, термически десорбирующиеся с поверхности термоэмиттера.Thus, the proposed method in a single measuring cycle allows you to simultaneously monitor all the main characteristics of the spectrometer without the use of reference organic matter. Essentially, in order to calibrate the spectrometer in the claimed method, it is proposed to use the so-called "internal reference point" of the surface ionization thermoelectric emitter of ions, which are active ionization centers that are thermally desorbed from the surface of the thermo emitter.

Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: "новизна" и "изобретательский уровень". Заявленный способ может быть реализован в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: "промышленная применимость".The foregoing shows that in the scientific, technical and patent literature there are no technical solutions to achieve the indicated technical results using the above methods and means, which allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability conditions: "novelty" and "inventive step". The claimed method can be implemented in industry, which allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability condition: "industrial applicability".

Источники информацииSources of information

1. Международная заявка PCT/RU 97/00212, от 7 июля 1997 г., номер международной публикации WO 99/02981 от 21 января 1999 г. (аналог).1. International application PCT / RU 97/00212, dated July 7, 1997, international publication number WO 99/02981 dated January 21, 1999 (analog).

2. 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 (прототип).2. Bannykh OA, Povarova KB, Kapustin V.I. A new approach to surface ionization and drift spectroscopy of organic molecules ZhTF, 2002, volume 72, issue 12, p. 88-93 (prototype).

3. Буряков И.А. и др. Разделение ионов по подвижности в переменном электрическом поле высокой напряженности. Письма в ЖТФ, 1991, т.17, вып.12, с.60-65.3. Buryakov I.A. and others. The separation of ions by mobility in an alternating electric field of high tension. Letters to the ZhTF, 1991, v.17, issue 12, pp. 60-65.

Claims (5)

1. Способ контроля состояния спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов, содержащего поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем термоэмиттера и датчиком температуры термоэмиттера, содержащего ионную линзу, один из электродов которой обращен в сторону рабочей поверхности термоэмиттера ионов, содержащего также устройство разделения ионов по подвижности, выполненное в виде дрейфового промежутка, образованного двумя электродами, соединенными с внешними источниками постоянного компенсирующего и переменного асимметричного напряжения, содержащего также устройство для сбора ионов, включающее коллектор ионов, соединенный с внешним устройством для измерения ионного тока коллектора, включающий прокачку воздуха последовательно через зазор между рабочей поверхностью термоэмиттера и электродом ионной линзы, обращенным в сторону термоэмиттера ионов, через зазор между электродами дрейфового промежутка устройства разделения ионов по подвижности и через устройство для сбора ионов, включающий также нагрев термоэмиттера до рабочей температуры термоэмиттера Тр, развертку постоянного компенсирующего напряжения по линейному закону и регистрацию дрейф-спектра ионов в виде зависимости ионного тока коллектора Iкол от величины компенсирующего напряжения Uкомп, отличающийся тем, что величину объемной скорости прокачки воздуха через спектрометр устанавливают в интервале (2÷10) л/мин, между термоэмиттером ионов и электродом ионной линзы, обращенным в сторону термоэмиттера ионов, прикладывают постоянное напряжение Uуск плюсом на термоэмиттер ионов и минусом на электрод ионной линзы, с помощью второго внешнего устройства для измерения тока измеряют величину ионного тока термоэмиттера Iтэ и устанавливают величину рабочей температуры термоэмиттера Тр в интервале (250÷650)°С и величину Uуск в интервале (30÷600) В таким образом, чтобы ионный ток термоэмиттера Iтэ составлял величину в интервале (10-11÷10-8)А, регистрируют дрейф-спектр ионов в цепи коллектора, для пика ионного тока в дрейф-спектре определяют полуширину пика на половине его высоты ΔU, величину максимума ионного тока пика Iмакс, величину компенсирующего напряжения в максимуме пика ионного тока Uсм, рассчитывают величину Ктп=(Iмакс/Iтэ) и по величинам ΔU, Kтп, Uсм и форме пика ионного тока коллектора с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ судят о состоянии спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов.1. A method for monitoring the state of an ion mobility spectrometer with a surface ionization ion emitter containing a surface ionization ion emitter, equipped with a heater emitter and a temperature sensor of an emitter containing an ion lens, one of the electrodes of which faces the working surface of the ion emitter, which also contains a separation device ion mobility, made in the form of a drift gap formed by two electrodes connected to external sources of a constant compensating and alternating asymmetric voltage, which also contains a device for collecting ions, including an ion collector connected to an external device for measuring the ion current of the collector, including pumping air sequentially through the gap between the working surface of the thermal emitter and the ion lens electrode facing the ion emitter through the gap between the electrodes of the drift gap of the device for separating ions by mobility and through the device for collecting ions, which also includes heating thermal emitter to the operating temperature of the thermal emitter T p , linear expansion of the constant compensating voltage and registration of the ion drift spectrum in the form of the dependence of the collector’s ion current I count on the value of the compensating voltage U comp , characterized in that the volumetric rate of air flow through the spectrometer is set in the range (2 ÷ 10) l / min, between the ion emitter and the ion lens electrode facing the ion emitter, apply a constant voltage U accele plus to the emitter and of ions and minus the electrode of the ionic lens, using a second external device for measuring current, measure the ion current of the thermal emitter I te and set the working temperature of the thermal emitter T p in the range (250 ÷ 650) ° C and the value of U accele in the range (30 ÷ 600 ) In such a way that the ion current of the thermal emitter I te amounts to a value in the range (10 -11 ÷ 10 -8 ) A, the ion drift spectrum is recorded in the collector circuit, for the peak of the ion current in the drift spectrum, the half-width of the peak at half its height is determined ΔU, the ion current peak value I peak poppy s , the value of the compensating voltage at the maximum peak of the ion current U cm , calculate the value of K TP = (I max / I te ) and the values of ΔU, K TP , U cm and the shape of the peak of the ion current of the collector taking into account the current value of the thermal emitter I te judge the state of the ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что об однородности зазора между электродами устройства разделения ионов по подвижности спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине ΔU полуширины пика ионного тока в дрейф-спектре ионов с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.2. The method according to claim 1, characterized in that the uniformity of the gap between the electrodes of the ion separation apparatus according to the mobility of the ion mobility spectrometer with a surface ionization ion emitter is judged by the value ΔU of the half width of the ion current peak in the ion drift spectrum, taking into account the magnitude of the current of the emitter I te . 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что о состоянии поверхности электродов устройства разделения ионов по подвижности спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине Uсм компенсирующего напряжения в максимуме пика ионного тока с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.3. The method according to claim 1, characterized in that the surface condition of the electrodes of the ion separation apparatus according to the mobility of the ion mobility spectrometer with a surface ionizing ion emitter is judged by the value of U cm of the compensating voltage at the peak of the ion current peak taking into account the magnitude of the current of the emitter I te . 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что о состоянии поверхности электродов ионной линзы спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по величине Ктп=(Iмакс/Iтэ) с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.4. The method according to claim 1, characterized in that the state of the surface of the electrodes of the ionic lens of the ion mobility spectrometer with a surface ionization ion emitter is judged by the value of K TP = (I max / I te ) taking into account the current value of the thermo emitter I te . 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что о состоянии поверхности электродов устройства для сбора ионов спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов судят по форме пика ионного тока коллектора с учетом величины тока термоэмиттера Iтэ.5. The method according to claim 1, characterized in that the state of the surface of the electrodes of the device for collecting ions of an ion mobility spectrometer with a surface-ionizing ion emitter is judged by the shape of the peak of the ion current of the collector taking into account the magnitude of the current of the emitter I te .
RU2004115688/28A 2004-05-25 2004-05-25 Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter RU2263996C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115688/28A RU2263996C1 (en) 2004-05-25 2004-05-25 Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter
PCT/RU2005/000244 WO2005116626A1 (en) 2004-05-25 2005-05-05 Method for monitoring the status of an ion mobility spectrometer with an ion surface-ionisation thermoemitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115688/28A RU2263996C1 (en) 2004-05-25 2004-05-25 Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2263996C1 true RU2263996C1 (en) 2005-11-10

Family

ID=35450993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004115688/28A RU2263996C1 (en) 2004-05-25 2004-05-25 Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2263996C1 (en)
WO (1) WO2005116626A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2482470C2 (en) * 2007-12-31 2013-05-20 Имплант Сайенсиз Корпорэйшн Using 5-nitrovanillin as calibrant for calibrating drift time in ion mobility spectrometer

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8305582B2 (en) 2009-09-01 2012-11-06 Alltech Associates, Inc. Methods and apparatus for analyzing samples and collecting sample fractions

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2065163C1 (en) * 1992-12-11 1996-08-10 Владилен Федорович Минин Method of analysis of microimpurities in gases
US5420424A (en) * 1994-04-29 1995-05-30 Mine Safety Appliances Company Ion mobility spectrometer
RU2117939C1 (en) * 1997-06-10 1998-08-20 Закрытое акционерное общество Бюро аналитического приборостроения "Хромдет-экология" Spectrometer of ionic mobility
DE10042394B4 (en) * 2000-08-29 2006-06-29 Dräger Safety AG & Co. KGaA Ion source for ion mobility spectrometer with optical and Teilchenstrahlun gsionisation
RU2208873C2 (en) * 2000-12-05 2003-07-20 Брукер Саксония Аналитик Гмбх Ionization chamber for composition analyzer
US6630662B1 (en) * 2002-04-24 2003-10-07 Mds Inc. Setup for mobility separation of ions implementing an ion guide with an axial field and counterflow of gas

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Банных О.А. и др. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул. ЖТФ, 2002, т.72, в.12, с.88-93. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2482470C2 (en) * 2007-12-31 2013-05-20 Имплант Сайенсиз Корпорэйшн Using 5-nitrovanillin as calibrant for calibrating drift time in ion mobility spectrometer

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005116626A1 (en) 2005-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5591896A (en) Solid-state gas sensors
DE2717436A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE PARTIAL PRESSURE OF A GAS FOR VACUUM MEASUREMENT, LEAK INDICATION, MEASUREMENT OF THE RATE OF PRECIPITATION OR THE DEGREE.
US4441815A (en) Self-modulating spectrometer
US3032654A (en) Emission spectrometer
TWI732264B (en) Cavity ring-down spectroscopy having interleaved data acquisition for interference mitigation
Meng et al. A highly sensitive and fast responsive semiconductor metal oxide detector based on In2O3 nanoparticle film for portable gas chromatograph
Tang et al. Continuous amperometric hydrogen gas sensing in ionic liquids
Zimmermann et al. An ion-focusing aspiration condenser as an ion mobility spectrometer
US5683570A (en) Gas detection method
RU2263996C1 (en) Method for serviceability check of ion-mobility spectrometer incorporating surface-ionized ion thermoemitter
Lombardo et al. Nb 2 O 5 thin film-based conductometric sensor for acetone monitoring
JP2003014641A (en) Infrared analyzer
JP4823794B2 (en) Mass spectrometer and detection method
JP3154862B2 (en) Output correction method for oxygen analyzer
CN114088690B (en) Analysis and detection device and method for gas impurities in open environment
JP2003510589A (en) Method of operating a mixed potential exhaust gas probe and apparatus for performing the method
JPS59168345A (en) Spectroscopic analysis method
JP3206870B2 (en) Method and apparatus for measuring nitrogen gas or water vapor in argon gas, method and apparatus for simultaneous measurement of nitrogen gas and water vapor
JP2003083889A (en) Infrared analyzer
RU2279066C1 (en) Method of measuring concentration of gas impurity in air
JP2002071562A (en) Infrared spectrometric apparatus
JP2021173580A (en) Analysis device
JP5055157B2 (en) Mass spectrometer
RU2772443C1 (en) Trace ammonia sensor
RU2797767C1 (en) Trace ammonia sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130526