RU2354963C1 - Method of detecting organic molecules - Google Patents

Method of detecting organic molecules Download PDF

Info

Publication number
RU2354963C1
RU2354963C1 RU2007141032/28A RU2007141032A RU2354963C1 RU 2354963 C1 RU2354963 C1 RU 2354963C1 RU 2007141032/28 A RU2007141032/28 A RU 2007141032/28A RU 2007141032 A RU2007141032 A RU 2007141032A RU 2354963 C1 RU2354963 C1 RU 2354963C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
drift
ion
max
voltage
organic molecules
Prior art date
Application number
RU2007141032/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Капустин (RU)
Владимир Иванович Капустин
Original Assignee
Владимир Иванович Капустин
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 Владимир Иванович Капустин filed Critical Владимир Иванович Капустин
Priority to RU2007141032/28A priority Critical patent/RU2354963C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2354963C1 publication Critical patent/RU2354963C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: present invention pertains to gas analysis and can be used for detecting vapours of organic compounds in air. The said method involves recording peaks of ion current on drift-spectra of ions of organic molecules, that is, the relationship between ion collector current Ic and compensation voltage Uc, at different values of amplitude of output voltage of a high-voltage generator. The position of Uc.max of maximum peaks of ion current Ic.max on the compensation voltage scale is determined using the drift-spectrometer of ion mobility, containing series-arranged, in the direction of pumping air through the spectrometer, a device for ionising the probe of organic molecules in air, a device for separating the formed ions on parametres of the linear part of the drift mobility of ions and a device for recording ion current, which comprises at least, an ion collector. One of the electrodes of the device for separating ions is connected to a high-voltage generator with alternating, periodically assymetrical polarity of voltage and a low-voltage source of compensation voltage. A surface-ionisation ion source of organic molecules is used to ionise the sample. Constants ΔU0, A and B are predetermined for the device calibration relationship between ΔU=ΔU0+AIc.max+BUc.max of the half-width of peaks ΔU of ion current on drift-spectra on half their height with the maximum peak of ion current Ic.max, and the position of the peak Uc.max on the drift-spectrum. After that the drift-spectra of organic molecules are recorded. Taking into account device calibration characteristics, peaks of ion current on the drift-spectrum are separated, and for each, the true position of Uc.max on the scale of compensation voltage is determined.
EFFECT: more accurate detection of organic compounds, through more accurate determination of the position of maximums of peaks of ion current on drift-spectra.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для детектирования и распознавания паров органических соединений в воздухе, в частности смесей паров наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, молекулы которых эффективно ионизируются на нагретой поверхности поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов.The invention relates to the field of gas analysis and can be used for the detection and recognition of vapors of organic compounds in air, in particular mixtures of vapors of narcotic, explosive and toxic substances, the molecules of which are effectively ionized on the heated surface of surface-ionized ion thermal emitters.

Известен способ распознавания органических молекул [1], присутствующих в виде паров в воздухе, путем измерения нелинейной части дрейфовой подвижности ионов.A known method for the recognition of organic molecules [1] present in the form of vapors in air by measuring the nonlinear part of the drift mobility of ions.

Данный способ реализован в устройстве - дрейф-спектрометре поперечной дрейфовой подвижности, в котором органические молекулы, подаваемые в дрейф-спектрометр в составе потока воздуха через входной штуцер устройства, ионизируются с помощью радиоизотопного ионизатора, а затем определяется величина нелинейной части дрейфовой подвижности ионов при большом значении напряженности электрического поля, по величине которой и распознаются органические молекулы [1].This method is implemented in a device — a transverse drift mobility drift spectrometer, in which organic molecules supplied to the drift spectrometer as part of an air stream through the device’s inlet are ionized using a radioisotope ionizer, and then the non-linear part of the ion drift mobility is determined at a large value electric field strength, by the value of which organic molecules are recognized [1].

В основе способа лежит известное соотношение [1], определяющее величину скорости дрейфового движения ионов vД в электрическом поле напряженностью Е,The method is based on the well-known relation [1], which determines the value of the drift velocity of ions v D in an electric field of intensity E,

Figure 00000001
Figure 00000001

где µ0 - подвижность ионов в пределе малой напряженности электрического поля, α - нелинейная часть дрейфовой подвижности ионов, величина которой определяется в данном способе. По величине α, имея базу данных, и проводят идентификацию органических молекул.where μ 0 is the ion mobility in the limit of low electric field strength, α is the nonlinear part of the ion drift mobility, the value of which is determined in this method. By value α, having a database, and carry out the identification of organic molecules.

Известный способ нашел достаточно широкое использование в технике газового анализа, например, при определении наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, однако он имеет и серьезные недостатки.The known method has found wide enough use in the technique of gas analysis, for example, in the determination of narcotic, explosive and toxic substances, but it also has serious disadvantages.

Как правило, для надежного распознавания типа органических молекул определение только одного физико-химического параметра органических молекул бывает недостаточно. Кроме того, температура воздуха в области ионизации органических молекул и определения их физико-химических параметров составляет не более 150 ÷ 200 °С. Поэтому при изотопной, а также лазерной, коронной и других традиционных методах ионизации органических молекул, в зависимости от величины влажности воздуха, прокачиваемого через устройство, образующиеся ионы могут захватывать различное число молекул воды, что приводит к неоднозначности определения параметров дрейфовой подвижности таких образовавшихся комплексных ионов, то есть к неоднозначности распознавания органических молекул. Кроме того, используемые для реализации указанного способа методы ионизации органических молекул не селективны к важным классам веществ (наркотическим, взрывчатым, отравляющим).As a rule, for reliable recognition of the type of organic molecules, the determination of only one physicochemical parameter of organic molecules is not enough. In addition, the air temperature in the field of ionization of organic molecules and determination of their physicochemical parameters is not more than 150 ÷ 200 ° C. Therefore, with isotopic, as well as laser, corona, and other traditional methods of ionizing organic molecules, depending on the humidity of the air pumped through the device, the formed ions can capture a different number of water molecules, which leads to ambiguity in determining the parameters of the drift mobility of such formed complex ions, that is, to the ambiguity of recognition of organic molecules. In addition, the methods of ionization of organic molecules used to implement this method are not selective for important classes of substances (narcotic, explosive, and poisonous).

Наиболее близким к заявленному способу является способ идентификации органических молекул, включающий регистрацию пиков ионного тока на дрейф-спектрах ионов органических молекул, то есть на зависимостях тока коллектора ионов Iс от напряжения компенсации Uc, при различных значениях амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора и определение положения Uc.max максимумов пиков ионного тока Ic.max на шкале напряжения компенсации с использованием дрейф-спектрометра ионной подвижности, содержащего последовательно расположенные по направлению прокачки воздуха через спектрометр устройство для ионизации проб органических молекул в воздухе, устройство для разделения образовавшихся ионов по параметрам нелинейной части дрейфовой подвижности ионов и устройство для регистрации ионного тока, включающее, по крайней мере, коллектор ионов, причем один из электродов устройства для разделения ионов соединен с высоковольтным генератором переменного периодического несимметричного по полярности напряжения и низковольтным источником напряжения компенсации [2].Closest to the claimed method is a method for identifying organic molecules, including recording peak ion currents on the drift spectra of ions of organic molecules, that is, on the dependences of the current of the ion collector I c on the compensation voltage U c , for various values of the amplitude of the output voltage of the high voltage generator and determining the position U c.max maxima ion current peaks I c.max to scale the compensation voltage using the drift of an ion mobility spectrometer comprising in sequence about the direction of pumping air through a spectrometer, a device for ionizing samples of organic molecules in air, a device for separating the formed ions according to the parameters of the nonlinear part of the drift mobility of ions, and a device for detecting ion current, including at least an ion collector, one of the electrodes of a separation device ion is connected to a high voltage generator of alternating periodic asymmetric polarity voltage and a low voltage compensation voltage source [2].

Сущность известного способа состоит в том, что на основании смещения положения пиков на дрейф-спектрах при изменении амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора он, в принципе, позволяет определить значения параметров α, β, γ и т.д. на основании соотношения (1), то есть провести идентификацию органических молекул сразу по нескольким физико-химическим параметрам. Однако для реализации указанного способа необходимо точно определять положения Uc.max максимумов пиков ионного тока Ic.max на дрейф-спектрах на шкале напряжения компенсации Uc.The essence of the known method is that based on the shift of the position of the peaks in the drift spectra when the amplitude of the output voltage of the high-voltage generator changes, it, in principle, allows us to determine the values of the parameters α, β, γ, etc. based on relationship (1), that is, to identify organic molecules at once by several physicochemical parameters. However, for the implementation of this method, it is necessary to accurately determine the positions U c.max of the maximum peaks of the ion current I c.max on the drift spectra on the compensation voltage scale U c .

Вместе с тем, у известного способа распознавания органических соединений имеются существенные недостатки. Во-первых, значения коэффициентов α, β, γ и т.д. малы, в то время как точность измерения напряжения компенсации составляет порядка 3-5% [2]. Поэтому при анализе смесей органических молекул, имеющих близкие значения параметров α, β, γ и т.д., возможно наложение пиков от различных типов ионов, что приводит к неопределенности в измерении параметров Uc.max пиков в дрейф-спектрах. Кроме того, образующиеся при изотопной ионизации ионы органических соединений склонны захватывать различное количество молекул воды, что приводит к появлению дополнительных типов ионов. То есть достоверность распознавания органических молекул в известном способе невелика.However, the known method for the recognition of organic compounds has significant disadvantages. First, the values of the coefficients α, β, γ, etc. are small, while the accuracy of measuring the compensation voltage is about 3-5% [2]. Therefore, when analyzing mixtures of organic molecules having close values of the parameters α, β, γ, etc., overlapping peaks from various types of ions is possible, which leads to uncertainty in the measurement of the parameters U c.max peaks in the drift spectra. In addition, the ions of organic compounds formed during isotopic ionization tend to trap a different number of water molecules, which leads to the appearance of additional types of ions. That is, the recognition accuracy of organic molecules in the known method is small.

Целью предлагаемого способа является повышение достоверности распознавания органических соединений путем повышения точности и достоверности определения положений максимумов пиков ионного тока на дрейф-спектрах, прежде всего, при анализе смесей органических молекул или органических молекул, которые при ионизации дают несколько типов ионов.The aim of the proposed method is to increase the reliability of recognition of organic compounds by increasing the accuracy and reliability of determining the positions of the peaks of ion currents on the drift spectra, primarily in the analysis of mixtures of organic molecules or organic molecules, which upon ionization produce several types of ions.

Поставленная цель достигается тем, что для ионизации проб органических молекул используют поверхностно-ионизационный источник ионов органических молекул, для дрейф-спектрометра предварительно определяют константы ΔU0, А и В приборной калибровочной зависимости ΔU=ΔU0+AIc.max+BUc.max полуширины пиков ΔU ионного тока на дрейф-спектрах на половине их высоты от величины максимума пика ионного тока Ic.max и от величины положения пика Uc.max на дрейф-спектре, после чего регистрируют дрейф-спектр органических молекул и с учетом приборной калибровочной зависимости последовательно выделяют пики ионного тока на дрейф-спектре, для каждого из которых определяют его истинное положение Uc.max на шкале компенсирующего напряжения.This goal is achieved by the fact that for the ionization of samples of organic molecules using a surface-ionization source of ions of organic molecules, for the drift spectrometer, the constants ΔU 0 , A and B are preliminarily determined ΔU = ΔU 0 + AI c.max + BU c.max the half-widths of the peaks ΔU of the ion current in the drift spectra at half their height from the maximum peak of the ion current I c.max and the position of the peak U c.max in the drift spectrum, after which the drift spectrum of organic molecules is recorded and taking into account the instrument calibration The dependence of the ion peaks consistently isolated current drift spectrum, for each of which determine its true position on the dial U c.max compensating voltage.

Константы ΔU0 и А определяют в режиме отсутствия разделения ионов в дрейф-спектрометре, для чего при выключенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации регистрируют дрейф-спектры ионов тестовых органических молекул при различных значениях концентрации органических молекул в потоке воздуха, прокачиваемого через спектрометр, и/или ионов фонового тока поверхностно-ионизационного источника ионов при различных значениях ионизационной эффективности поверхностно-ионизационного источника ионов, определяют зависимость величины ΔU от величины Ic.max пика ионного тока, при этом величину А находят по тангенсу угла наклона линейной части этой зависимости, а величину ΔU0 находят экстраполяцией линейной части этой зависимости к нулевому значению величины Ic.max.The constants ΔU 0 and A are determined in the mode of absence of ion separation in the drift spectrometer, for which, with the high-voltage generator turned off and the compensation voltage source turned on, the ion drift spectra of test organic molecules are recorded at various values of the concentration of organic molecules in the air stream pumped through the spectrometer, and / or ions of the background current of the surface-ionization ion source for various values of the ionization efficiency of the surface-ionization ion source, determines The dependence of ΔU on Ic.max of the peak of the ion current is determined , while A is found from the slope of the linear part of this dependence, and ΔU 0 is found by extrapolating the linear part of this dependence to the zero value of Ic.max .

Константу В определяют в режиме наличия разделения ионов в дрейф-спектрометре, для чего при включенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации регистрируют дрейф-спектры ионов тестовых органических молекул и/или ионов фонового тока поверхностно-ионизационного источника ионов при фиксированном значении концентрации органических молекул в потоке воздуха, прокачиваемого через спектрометр, и/или при фиксированной ионизационной эффективности поверхностно-ионизационного источника ионов, но при различных значениях амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора, по крайней мере для одного пика i на дрейф-спектрах и для различных значений j амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора определяют величины Uc.max.i,j, Ic.max.i,j иThe constant B is determined in the mode of ion separation in the drift spectrometer, for which, with the high-voltage generator turned on and the compensation voltage source turned on, the drift spectra of the ions of the test organic molecules and / or background ions of the surface ionization ion source are recorded at a fixed concentration of organic molecules in the flow of air pumped through the spectrometer, and / or with a fixed ionization efficiency of the surface-ionization ion source, but with different x values of the amplitude of the output voltage of the high-voltage generator, for at least one peak i in the drift spectra and for different values of j of the amplitude of the output voltage of the high-voltage generator determine the values of U c.max.i, j , I c.max.i, j and

ΔUi,j, затем рассчитывают константы Bi,j в соответствии с выражениемΔU i, j , then the constants B i, j are calculated in accordance with the expression

Bi,j=(ΔUi,j-ΔU0-AIc.max.i,j)/Uc.max.i,j, а затем по значениям констант Bi,j определяют среднее значение константы В.B i, j = (ΔU i, j -ΔU 0 -AI c.max.i, j ) / U c.max.i, j , and then from the values of the constants B i, j determine the average value of the constant B.

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

На Фиг.1 приведен дрейф-спектр паров из смеси тринитротолуола и динитротолуола, содержащих двухкомпонентную органическую связку из веществ, относящихся к классу аминов. Дрейф-спектр зарегистрирован с использованием коаксиального дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов при амплитуде выходного напряжения высоковольтного генератора 1700 В.Figure 1 shows the drift spectrum of vapors from a mixture of trinitrotoluene and dinitrotoluene containing a two-component organic binder of substances belonging to the class of amines. The drift spectrum was recorded using a coaxial drift spectrometer with a surface ionization ion source with an output voltage amplitude of the high voltage generator 1700 V.

На Фиг.2 приведена зависимость полуширины ΔU пика фонового тока дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов от величиныFigure 2 shows the dependence of the half-width ΔU of the peak of the background current of the drift spectrometer with a surface-ionization ion source on the value

Ic.max пика фонового ионного тока, полученная путем обработки дрейф-спектров, зарегистрированных при выключенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации и с использованием дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов.I c.max peak of the background ion current obtained by processing the drift spectra recorded with the high-voltage generator turned off and the compensation voltage source turned on and using a drift spectrometer with a surface ionizing ion source.

На Фиг.3 приведены зависимости полуширины ΔU пика фонового тока на дрейф-спектрах для дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов и величины напряжения компенсации Uc.max пика от величины выходного напряжения высоковольтного генератора Ud при включенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации.Figure 3 shows the dependence of the half-width ΔU of the peak of the background current on the drift spectra for a drift spectrometer with a surface ionization ion source and the compensation voltage U c.max peak on the output voltage of the high-voltage generator U d with the high-voltage generator turned on and the voltage source turned on compensation.

На Фиг.4 приведены зависимости полуширины ΔU пика тестового органического вещества - тринитротолуола на дрейф-спектрах для дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов и величины напряжения компенсации Uc.max пика от величины выходного напряжения высоковольтного генератора Ud при включенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации.Figure 4 shows the dependence of the half-width ΔU of the peak of the test organic substance - trinitrotoluene on the drift spectra for a drift spectrometer with a surface ionization ion source and the value of the compensation voltage U c.max peak on the output voltage of the high-voltage generator U d with the high-voltage generator turned on and compensation voltage source turned on.

На Фиг.1 обозначены: 1 - пик фонового тока, 2 и 5 - пики органической связки, 3 - пик тринитротолуола, 4 - пик динитротолуола.Figure 1 shows: 1 - peak current background, 2 and 5 - peaks of the organic ligament, 3 - peak trinitrotoluene, 4 - peak dinitrotoluene.

На Фиг.2 обозначены: 1 - линейный участок зависимости, 2 - нелинейный участок зависимости, 3 - область экстраполяции линейного участка к нулевому значению ионного тока.In Fig. 2, the following are indicated: 1 — linear portion of the dependence, 2 — non-linear portion of the dependence, 3 — extrapolation region of the linear portion to the zero value of the ion current.

Ни Фиг.3 и 4 обозначены: 1 - зависимость напряжения компенсации от величины выходного напряжения высоковольтного генератора, 2 - зависимость полуширины пика от величины выходного напряжения высоковольтного генератора.None of Figures 3 and 4 are indicated: 1 - dependence of the compensation voltage on the output voltage of the high-voltage generator, 2 - dependence of the peak half-width on the value of the output voltage of the high-voltage generator.

В качестве активных элементов поверхностно-ионизационных источников ионов использовали материалы на основе сплава молибдена [3], эффективно ионизирующего соединения из класса аминов, или материалы на основе оксидной бронзы щелочного металла [4], эффективно ионизирующего соединения из класса аминов и нитросоединений.As the active elements of surface ionization sources of ions, materials based on a molybdenum alloy [3], an effectively ionizing compound from the class of amines, or materials based on oxide bronze of an alkali metal [4], effectively an ionizing compound from the class of amines and nitro compounds, were used.

Ионизационную эффективность поверхностно-ионизационного источника ионов регулировали либо изменением температуры активного элемента поверхностно-ионизационного источника ионов, либо изменением величины разности потенциалов, приложенной между активным элементом поверхностно-ионизационного источника ионов и электродом источника ионов, вытягивающим ионы с поверхности активного элемента.The ionization efficiency of the surface ionization ion source was controlled either by changing the temperature of the active element of the surface ionization ion source, or by changing the potential difference applied between the active element of the surface ionization ion source and the ion source electrode that draws ions from the surface of the active element.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

На дрейф-спектре, приведенном на Фиг.1, имеется 5 пиков, причем значения максимальных величин ионных токов у пиков сравнимы, а сами пики полностью не разделены. Поэтому распределения ионных токов в каждом пике накладываются друг на друга, что приводит к смещению максимумов пиков и соответственно к ошибке в определении их положений на шкале напряжения компенсации, то есть к ошибке в идентификации органических молекул.In the drift spectrum shown in FIG. 1, there are 5 peaks, and the maximum values of the ion currents at the peaks are comparable, and the peaks themselves are not completely separated. Therefore, the distributions of ion currents in each peak overlap each other, which leads to a shift in the maximums of the peaks and, accordingly, to an error in determining their positions on the compensation voltage scale, that is, to an error in the identification of organic molecules.

Разрешающая способность R любого спектрального прибора - оптического, электронного, ионного, рентгеновского и т.д. - вычисляется как отношение полуширины линии изображения к дисперсии прибора. С другой стороны, она равна экспериментально измеряемой разрешающей способности, равной отношению полуширины пика в спектре на половине его высоты к положению пика на шкале развертки спектра. Для электронных и ионных приборов ширина линии изображения может возрастать из-за действия объемного заряда электронов или ионов, различного вида аберраций прибора, которые являются приборными функциями каждого прибора. Соответственно и ширина пика в спектре также будет возрастать вследствие указанных причин. В этом случае для дрейф-спектрометра разрешающую способность можно представить в виде:The resolution R of any spectral device - optical, electronic, ionic, X-ray, etc. - calculated as the ratio of the half-width of the image line to the dispersion of the device. On the other hand, it is equal to the experimentally measured resolution equal to the ratio of the half-width of the peak in the spectrum at half its height to the position of the peak on the spectrum scan scale. For electronic and ionic devices, the line width of the image can increase due to the action of the space charge of electrons or ions, various types of aberrations of the device, which are the instrument functions of each device. Accordingly, the peak width in the spectrum will also increase due to these reasons. In this case, for a drift spectrometer, the resolution can be represented as:

где ΔU0 - исходная ширина пика в спектре, ΔU1 - уширение пика, обусловленное действием объемного заряда ионов, ΔU2 - уширение пика, обусловленное действием различных аберраций, то есть нелинейностей в характере движения ионов в дрейф-спектрометре.where ΔU 0 is the initial peak width in the spectrum, ΔU 1 is the peak broadening due to the action of the space charge of ions, ΔU 2 is the peak broadening due to the action of various aberrations, i.e., nonlinearities in the nature of the motion of ions in the drift spectrometer.

Форма пика в спектральных приборах с высокой степенью точности обычно описывается распределением Гаусса. Поэтому в принципе, зная положение максимума пика и его полуширину, можно выделить данный пик на фоне других пиков. Или, наоборот, можно последовательно вычитать наиболее достоверные по положению и полуширине пики из сигнала, содержащего несколько пиков, проведя таким образом последовательную расшифровку спектра, содержащего не полностью разделенные пики.The peak shape in spectral instruments with a high degree of accuracy is usually described by a Gaussian distribution. Therefore, in principle, knowing the position of the peak maximum and its half width, we can distinguish this peak against the background of other peaks. Or, conversely, it is possible to sequentially subtract the most reliable peaks in position and half-width from a signal containing several peaks, thereby sequentially decoding the spectrum containing the not completely separated peaks.

При ионизации молекул органических соединений любыми известными способами, за исключением поверхностной ионизации, образуются как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные ионы с соблюдением условия общей электронейтральности объема воздуха. Например, если при ионизации органических молекул образуются отрицательно заряженные ионы органических молекул, то одновременно образуются и положительно заряженные ионы из молекул воздуха и молекул воды, присутствующих в воздухе. При этом положительно заряженные ионы более легкие и соответственно обладают большей подвижностью. При образовании положительно заряженных ионов органических молекул одновременно образуются и более подвижные отрицательно заряженные ионы. Когда указанная «смесь» ионов начинает движение между обкладками дрейф-камеры, между ионами с зарядами различных знаков протекают процессы перезарядки и рекомбинации ионов. При этом траектория движения ионного пучка, величина напряженности электрического поля между обкладками дрейф-камеры сложным образом меняются вдоль направления движения ионного пучка. Соответственно сложным образом меняются и параметры, ответственные за уширение пучка и обусловленные действием объемного заряда и аберрацией. При этом указанные параметры зависят от многих факторов - влажности воздуха, величины концентрации ионов органических молекул в воздухе, скорости потока воздуха и т.д.When ionizing the molecules of organic compounds by any known methods, with the exception of surface ionization, both positively charged and negatively charged ions are formed subject to the condition of the general electroneutrality of the air volume. For example, if negatively charged ions of organic molecules are formed during the ionization of organic molecules, then positively charged ions are simultaneously formed from air molecules and water molecules present in the air. In this case, positively charged ions are lighter and, accordingly, have greater mobility. During the formation of positively charged ions of organic molecules, more mobile negatively charged ions are simultaneously formed. When the indicated "mixture" of ions begins to move between the plates of the drift chamber, between the ions with charges of different signs the processes of recharging and recombination of ions occur. In this case, the trajectory of the ion beam, the magnitude of the electric field between the plates of the drift chamber in a complex way change along the direction of movement of the ion beam. Accordingly, the parameters responsible for beam broadening and due to the action of the space charge and aberration also change in a complex way. Moreover, these parameters depend on many factors - air humidity, the concentration of ions of organic molecules in the air, air flow rate, etc.

При поверхностной ионизации органических молекул на поверхности активного элемента термоэмиттера ионов образуются только положительные ионы органических соединений. Они образуются в результате захвата амином протона на поверхности одного типа материала термоэмиттера ионов [3] или захвата иона щелочного металла или протона на поверхности другого типа материала термоэмиттера ионов [4]. При этом с поверхности термоэмиттера в результате термической десорбции могут также выходить протоны или ионы щелочного металла, эти ионы могут захватываться молекулами воздуха или воды, но также с образованием положительно заряженных ионов. Поэтому при данном способе ионизации процессы перезарядки и рекомбинации ионов в области дрейф-камеры протекать не могут. Поэтому при данном способе ионизации органических молекул параметры, ответственные за уширения пучка и обусловленные действием объемного заряда и аберрацией, не связаны между собой. Данное обстоятельство позволяет экспериментально измерить вклады в уширение ионного пучка, обусловленные соответственно действием объемного заряда и аберрацией, и использовать данные характеристики, являющиеся калибровочными для каждой конкретной конструкции дрейф-спектрометра, для определения истинного положения пика ионного тока в дрейф-спектре.During the surface ionization of organic molecules, only positive ions of organic compounds are formed on the surface of the active element of the ion emitter. They are formed as a result of the capture by an amine of a proton on the surface of one type of ion-emitter material [3] or the capture of an alkali metal ion or proton on the surface of another type of ion-emitter material [4]. Moreover, protons or alkali metal ions can also escape from the surface of the thermal emitter as a result of thermal desorption; these ions can be captured by air or water molecules, but also with the formation of positively charged ions. Therefore, with this ionization method, the processes of ion recharging and recombination in the drift chamber region cannot occur. Therefore, with this method of ionizing organic molecules, the parameters responsible for beam broadening and due to the action of the space charge and aberration are not interconnected. This circumstance makes it possible to experimentally measure the contributions to the broadening of the ion beam due to the action of the space charge and aberration, respectively, and to use these characteristics, which are gauge for each specific design of the drift spectrometer, to determine the true position of the peak of the ion current in the drift spectrum.

Предложенный способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

На Фиг.2 приведена экспериментальная зависимость полуширины ΔU пика фонового тока дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов от величины Ic.max пика фонового ионного тока. В области не слишком больших значений тока данная зависимость линейна и позволяет определить значения ΔU0 и А для данного прибора. В области больших значений ионного тока имеет место отклонение зависимости от линейной, что обусловлено ограничением токопропускания приборов такого типа [5]: если величина ионного тока превышает некоторое значение, определяемое конструкцией прибора, ионный ток выходит в «насыщение».Figure 2 shows the experimental dependence of the half-width ΔU of the peak of the background current of the drift spectrometer with a surface-ionization ion source on the value of I c.max of the peak of the background ion current. In the region of not too large current values, this dependence is linear and allows you to determine the values of ΔU 0 and A for this device. In the region of large values of the ion current, there is a deviation of the dependence on the linear one, which is due to the limitation of the current transmission of devices of this type [5]: if the ion current exceeds a certain value determined by the device design, the ion current goes into saturation.

Показанные на Фиг.3 и 4 экспериментальные зависимости полуширины пиков соответственно для фонового тока с термоэмиттера и для тестового нитросоединения от величины амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора, которые отражают изменение ширины пиков вследствие эффектов аберрации, коррелируют с зависимостями смещения пиков от амплитуды напряжения высоковольтного генератора. Такая корреляция обусловлена тем обстоятельством, что и аберрация, и смещение пиков в дрейф-спектрометре обусловлены нелинейными параметрами α, β, γ и т.д., входящими в уравнение движения ионов (1). Поэтому с использованием по крайней мере одной из указанных корреляций может быть определен параметр В для данного прибора.The experimental dependences of the half widths of the peaks shown in Figs. 3 and 4, respectively, for the background current from the thermal emitter and for the test nitro compound on the magnitude of the amplitude of the output voltage of the high voltage generator, which reflect the change in the peak width due to aberration effects, correlate with the dependences of the peak displacement on the voltage amplitude of the high voltage generator. Such a correlation is due to the fact that both the aberration and the shift of the peaks in the drift spectrometer are due to the nonlinear parameters α, β, γ, etc., which are part of the ion motion equation (1). Therefore, using at least one of these correlations, parameter B can be determined for a given device.

После определения параметров ΔU0, А и В для данного конкретного прибора для каждого пика в сложном дрейф-спектре может быть определено значение его истинной ширины с учетом уширения пика, после чего может быть проведена процедура выделения пиков в сложном дрейф-спектре и нахождения истинного положения Uc.max пика на шкале компенсирующего напряжения с учетом поправок из-за наложения и уширения пиков. При этом расшифровку спектра целесообразно начинать с пика или с пиков, слева и справа от которого находятся другие пики с близкими значениями максимума ионного тока.After determining the parameters ΔU 0 , A, and B for a given specific device, for each peak in the complex drift spectrum, the value of its true width can be determined taking into account the broadening of the peak, after which the procedure can be performed to select peaks in the complex drift spectrum and find the true position U c.max peak on the compensating voltage scale, adjusted for corrections due to overlapping and broadening of the peaks. In this case, it is advisable to begin the decoding of the spectrum from a peak or from peaks, to the left and to the right of which there are other peaks with close values of the maximum ion current.

Например, представленный на Фиг.1 спектр следует расшифровывать в следующей последовательности: определение положений максимумов пиков с наибольшей и близкой по величине интенсивностью, слева и справа от которых находятся пики также с близкими значениями интенсивности, в данном случае пиков 3 и 4; расчет истинной полуширины пиков 3 и 4 в соответствии с соотношением ΔU=ΔU0+AIc.max+BUc.max; вычитание из полного дрейф-спектра пиков 3 и 4 с учетом их Гауссова распределения и вычисленных значений полуширины; определение положений максимумов пиков 2 и 5; расчет истинной полуширины пиков 2 и 5; вычитание из оставшегося дрейф-спектра пиков 2 и 5 с учетом их Гауссова распределения и вычисленных значений полуширины; определение положения максимума пика 1; расчет истинной полуширины пика 1; вычитание из оставшегося дрейф-спектра пика 1 с учетом его Гауссова распределения и вычисленного значения полуширины. Отметим, что после указанной процедуры на оставшемся дрейф-спектре могут появиться малые пики, которые не видны на исходном дрейф-спектре из-за эффекта наложения пиков. Их расшифровка также должна проводиться в соответствии с указанной выше процедурой.For example, the spectrum shown in FIG. 1 should be deciphered in the following sequence: determining the positions of the peaks of the peaks with the highest and closest in magnitude intensity, to the left and right of which there are peaks with similar intensity values, in this case peaks 3 and 4; calculation of the true half-width of peaks 3 and 4 in accordance with the relation ΔU = ΔU 0 + AI c.max + BU c.max ; subtraction of the peaks 3 and 4 from the full drift spectrum, taking into account their Gaussian distribution and calculated half-width values; determination of the positions of the peaks of peaks 2 and 5; calculation of the true half-width of peaks 2 and 5; subtraction of the peaks 2 and 5 from the remaining drift spectrum, taking into account their Gaussian distribution and calculated half-width values; determination of the peak position of peak 1; calculation of the true half-width of peak 1; subtracting peak 1 from the remaining drift spectrum, taking into account its Gaussian distribution and the calculated half-width value. Note that after this procedure, small peaks may appear on the remaining drift spectrum, which are not visible on the original drift spectrum due to the effect of overlapping peaks. Their decryption should also be carried out in accordance with the above procedure.

Таким образом, предложенный способ позволяет определять истинные значения положений пиков в дрейф-спектрах в случае их частичного наложения и с учетом уширения пиков вследствие действия объемного заряда ионов и аберраций дрейф-спектрометра.Thus, the proposed method allows to determine the true values of the positions of the peaks in the drift spectra in the case of their partial overlap and taking into account the broadening of the peaks due to the action of the space charge of ions and aberrations of the drift spectrometer.

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 of “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”.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент США №5420424 от 30.05.1995 г. (аналог).1. US patent No. 5420424 from 05/30/1995, (analog).

2. Буряков И.А. Экспериментальное определение зависимости коэффициентов подвижности ионов в газе от напряженности электрического поля. ЖТФ, 2002, том 72, вып.11, с.109-113 (прототип).2. Buryakov I.A. Experimental determination of the dependence of the mobility coefficients of ions in a gas on the electric field strength. ZhTF, 2002, volume 72, issue 11, pp. 109-113 (prototype).

3. Патент РФ №2260869. Материал термоэмиттера для поверхностной ионизации органических соединений на воздухе и способ активации термоэмиттера. Приоритет от 12.04.2004 г.3. RF patent No. 2260869. Material of a thermal emitter for surface ionization of organic compounds in air and a method for activating a thermal emitter. Priority dated April 12, 2004

4. Патент РФ №2265835. Способ анализа органических соединений в составе атмосферы воздуха. Приоритет от 19.04.2004 г.4. RF patent No. 2265835. The method of analysis of organic compounds in the atmosphere. Priority 04/19/2004

5. 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.88-93.5. 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, pp. 88-93.

Claims (3)

1. Способ идентификации органических молекул, включающий регистрацию пиков ионного тока на дрейф-спектрах ионов органических молекул, то есть на зависимостях тока коллектора ионов Iс от напряжения компенсации Uc, при различных значениях амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора и определение положения Uc.max максимумов пиков ионного тока Ic.max на шкале напряжения компенсации с использованием дрейф-спектрометра ионной подвижности, содержащего последовательно расположенные по направлению прокачки воздуха через спектрометр устройство для ионизации проб органических молекул в воздухе, устройство для разделения образовавшихся ионов по параметрам нелинейной части дрейфовой подвижности ионов и устройство для регистрации ионного тока, включающее по крайней мере коллектор ионов, причем один из электродов устройства для разделения ионов соединен с высоковольтным генератором переменного периодического несимметричного по полярности напряжения и низковольтным источником напряжения компенсации, отличающийся тем, что для ионизации проб органических молекул используют поверхностно-ионизационный источник ионов органических молекул, для дрейф-спектрометра предварительно определяют константы ΔU0, А и В приборной калибровочной зависимости
ΔU=ΔU0+AIc.max+BUc.max полуширины пиков ΔU ионного тока на дрейф-спектрах на половине их высоты от величины максимума пика ионного тока Ic.max и от величины положения пика Uc.max на дрейф-спектре, после чего регистрируют дрейф-спектр органических молекул и с учетом приборной калибровочной зависимости последовательно выделяют пики ионного тока на дрейф-спектре, для каждого из которых определяют его истинное положение Uc.max на шкале компенсирующего напряжения.
1. A method for identifying organic molecules, including recording peaks of ion current on the drift spectra of ions of organic molecules, that is, on the dependences of the current of the ion collector I c on the compensation voltage U c , at various values of the amplitude of the output voltage of the high-voltage generator and determining the position U c.max maxima ion current peaks I c.max on scale voltage drift compensation using an ion mobility spectrometer, comprising successively arranged in the direction of air pumping through spectrum a device for ionizing samples of organic molecules in air, a device for separating the formed ions according to the parameters of the nonlinear part of the ion drift mobility, and a device for detecting the ion current, including at least an ion collector, one of the electrodes of the device for separating ions being connected to a high-voltage alternating periodic generator asymmetric in polarity of voltage and low-voltage source of voltage compensation, characterized in that for the ionization of samples of organic molecules is surface ionization ion source of organic molecules, for drift spectrometer pre-determined constants ΔU 0, A and instrument calibration curve
ΔU = ΔU 0 + AI c.max + BU c.max the half-width of the peaks of ΔU ion current in the drift spectra at half their height from the peak value of the ion current peak I c.max and the position of the peak U c.max in the drift spectrum and then the drift spectrum of organic molecules is recorded and, taking into account the instrument calibration dependence, the peaks of the ion current in the drift spectrum are sequentially identified, for each of which its true position U c.max on the scale of the compensating voltage is determined.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что константы ΔU0 и А определяют в режиме отсутствия разделения ионов в дрейф-спектрометре, для чего при выключенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации регистрируют дрейф-спектры ионов тестовых органических молекул при различных значениях концентрации органических молекул в потоке воздуха, прокачиваемого через спектрометр, и/или ионов фонового тока поверхностно-ионизационного источника ионов при различных значениях ионизационной эффективности поверхностно-ионизационного источника ионов, определяют зависимость величины ΔU от величины Ic.max пика ионного тока, при этом величину А находят по тангенсу угла наклона линейной части этой зависимости, а величину ΔU0 находят экстраполяцией линейной части этой зависимости к нулевому значению величины
Ic.max.
2. The method according to claim 1, characterized in that the constants ΔU 0 and A are determined in the mode of absence of ion separation in the drift spectrometer, for which, with the high-voltage generator turned off and the compensation voltage source turned on, the ion drift spectra of test organic molecules are recorded at different values the concentration of organic molecules in the flow of air pumped through the spectrometer and / or the background current ion of the surface ionization ion source at various values of the ionization efficiency of the surface ion Discount ion source values determine the dependence of the magnitude of ΔU I c.max peak ion current, wherein the value of A is found by linear part of this dependence of the slope, and the magnitude of ΔU 0 are extrapolating the linear part of this dependence to zero value
I c.max .
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что константу В определяют в режиме наличия разделения ионов в дрейф-спектрометре, для чего при включенном высоковольтном генераторе и включенном источнике напряжения компенсации регистрируют дрейф-спектры ионов тестовых органических молекул и/или ионов фонового тока поверхностно-ионизационного источника ионов при фиксированном значении концентрации органических молекул в потоке воздуха, прокачиваемого через спектрометр, и/или при фиксированной ионизационной эффективности поверхностно-ионизационного источника ионов, но при различных значениях амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора, по крайней мере для одного пика i на дрейф-спектрах и для различных значений j амплитуды выходного напряжения высоковольтного генератора определяют величины Uc.max.i,j, Ic.max.i,j и ΔUi,j, затем рассчитывают константы Bi,j в соответствии с выражением Bi,j=(ΔUi,j-ΔU0-AIc.max.i,j)/Uc.max.i,j, а затем по значениям констант Вi,j определяют среднее значение константы В. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the constant B is determined in the mode of ion separation in the drift spectrometer, for which, with the high-voltage generator turned on and the compensation voltage source turned on, the drift spectra of ions of test organic molecules and / or ions are recorded background current of a surface ionization ion source with a fixed concentration of organic molecules in the air flow pumped through the spectrometer and / or with a fixed ionization efficiency of surface ionization ion source, but for different values of the amplitude of the output voltage of the high voltage generator, for at least one peak i in the drift spectra and for different values of j of the amplitude of the output voltage of the high voltage generator, determine the values of U c.max.i, j , I c.max .i, j and ΔU i, j , then the constants B i, j are calculated in accordance with the expression B i, j = (ΔU i, j -ΔU 0 -AI c.max.i, j ) / U c.max. i, j , and then from the values of the constants B i, j determine the average value of the constant B.
RU2007141032/28A 2007-11-08 2007-11-08 Method of detecting organic molecules RU2354963C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007141032/28A RU2354963C1 (en) 2007-11-08 2007-11-08 Method of detecting organic molecules

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007141032/28A RU2354963C1 (en) 2007-11-08 2007-11-08 Method of detecting organic molecules

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2354963C1 true RU2354963C1 (en) 2009-05-10

Family

ID=41020085

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007141032/28A RU2354963C1 (en) 2007-11-08 2007-11-08 Method of detecting organic molecules

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2354963C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444730C1 (en) * 2010-12-22 2012-03-10 Владимир Иванович Капустин Method of identifying atoms and molecules
RU2601231C2 (en) * 2011-06-16 2016-10-27 Смитс Детекшен Монреаль Инк. Looped ionisation source
CN114627625A (en) * 2020-12-10 2022-06-14 中国科学院大连化学物理研究所 Early warning device and method for dangerous chemical leakage

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Буряков И.А. Экспериментальное определение зависимости коэффициентов подвижности ионов в газе от напряженности электрического поля. ЖТФ, 2002, том 72, вып.11, с.109-113. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444730C1 (en) * 2010-12-22 2012-03-10 Владимир Иванович Капустин Method of identifying atoms and molecules
RU2601231C2 (en) * 2011-06-16 2016-10-27 Смитс Детекшен Монреаль Инк. Looped ionisation source
CN114627625A (en) * 2020-12-10 2022-06-14 中国科学院大连化学物理研究所 Early warning device and method for dangerous chemical leakage

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7045776B2 (en) System for collection of data and identification of unknown ion species in an electric field
US8502138B2 (en) Integrated ion mobility spectrometer
JP5144496B2 (en) Detection apparatus, detection method, and ion mobility spectrometer apparatus
TWI484172B (en) Process and device for the identification of gases
US7381944B2 (en) Systems and methods for ion species analysis with enhanced condition control and data interpretation
JP4782801B2 (en) Tandem differential mobile ion electromobility meter for chemical vapor detection
US20050139762A1 (en) Mobility based apparatus and methods using dispersion characteristics, sample fragmentation, and/or pressure control to improve analysis of a sample
EP3552224A1 (en) Apparatus for detecting constituents in a sample and method of using the same
Drewnick et al. Aerosol quantification with the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer: detection limits and ionizer background effects
US9299546B2 (en) Methods for acquiring and evaluating mass spectra in fourier transform mass spectrometers
Eiceman et al. A micromachined field asymmetric-ion mobility spectrometer for detecting volatile organic chemicals in ambient air
RU2354963C1 (en) Method of detecting organic molecules
Manard et al. Differential mobility spectrometry/mass spectrometry: The design of a new mass spectrometer for real-time chemical analysis in the field
Pavlačka et al. Analysis of explosives using differential mobility spectrometry
Pomareda et al. A novel differential mobility analyzer as a VOC detector and multivariate techniques for identification and quantification
EP3082151B1 (en) Mass spectrometer and method for mass determination using ion mobility measurements
Baumbach et al. Ion mobility sensor in environmental analytical chemistry—Concept and first results
US20200027713A1 (en) Apparatuses for Detecting Constituents in a Sample and Method of Using the Same
RU2277238C2 (en) Method of measurement of concentration of impurities in nitrogen, hydrogen and oxygen by means of ion mobility spectrometry
US6365893B1 (en) Internal calibration of time to mass conversion in time-of-flight mass spectrometry
RU2357239C1 (en) Method of detecting organic molecules
RU2422812C1 (en) Method for determining composition of gas impurities in main gas, and ionisation detector for its implementation
Zimmermann et al. A miniaturized ion mobility spectrometer for detection of hazardous compounds in air
JP2006515415A (en) Method for performing ion mobility spectrometry
Hill et al. Programmable gate delayed ion mobility spectrometry-mass spectrometry: a study with low concentrations of dipropylene-glycol-monomethyl-ether in air

Legal Events

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

Effective date: 20121109