RU2577781C1 - Ion mobility differential spectrometer of ion trap - Google Patents
Ion mobility differential spectrometer of ion trap Download PDFInfo
- Publication number
- RU2577781C1 RU2577781C1 RU2014136726/07A RU2014136726A RU2577781C1 RU 2577781 C1 RU2577781 C1 RU 2577781C1 RU 2014136726/07 A RU2014136726/07 A RU 2014136726/07A RU 2014136726 A RU2014136726 A RU 2014136726A RU 2577781 C1 RU2577781 C1 RU 2577781C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- ions
- ionization
- chamber
- source
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Настоящее изобретение относится к области газового анализа, а именно к обнаружению малых концентраций целевых веществ в газовых средах со сложным составом примесей, концентрации которых превышают концентрации целевых веществ.The present invention relates to the field of gas analysis, namely to the detection of low concentrations of target substances in gas media with a complex composition of impurities, the concentrations of which exceed the concentration of the target substances.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известны приборы-газоанализаторы, позволяющие обнаруживать и идентифицировать малые концентрации паров целевых веществ в газовой фазе по подвижности ионов этих веществ в слабых электростатических полях (времяпролетные спектрометры ионной подвижности или IMS) или по коэффициентам нелинейности подвижности в сильных знакопеременных электрических полях (спектрометры приращения ионной подвижности - СПИП или дифференциальные спектрометры ионной подвижности - DIMS). Описания таких спектрометров даны, в частности, в монографии G.A. Eiceman, Z. Karpas, Н.Н. Hill "Ion Mobility Spectrometry", CRC Press, Taylor & Francis, Third Edition, 2014, P.428.Known gas analyzers that allow to detect and identify low concentrations of target substance vapors in the gas phase by the mobility of ions of these substances in weak electrostatic fields (time-of-flight ion mobility spectrometers or IMS) or by the non-linearity coefficients of mobility in strong alternating electric fields (ion mobility increment spectrometers - SPIP or differential ion mobility spectrometers - DIMS). Descriptions of such spectrometers are given, in particular, in the monograph G.A. Eiceman, Z. Karpas, N.N. Hill "Ion Mobility Spectrometry", CRC Press, Taylor & Francis, Third Edition, 2014, P.428.
Известен вариант ионной ловушки, конструктивно образованной двумя коаксиальными металлическими цилиндрами с изолированными металлическими крышками-электродами на торцах. На цилиндры подаются постоянное и высокочастотное (0,1-10 МГц) синусоидальное напряжения, суперпозиция которых создает потенциальную яму для ионов вдоль радиуса зазора. Создание такой потенциальной ямы приводит к пространственному разделению отличающихся по массе ионов вдоль радиуса зазора ионов. В осевом направлении ионы удерживаются постоянными электростатическими потенциалами на торцевых электродах (патент US 2009/0001265, опубл. 01.01.2009). Описанная ловушка позволяет разделять и удерживать отличающиеся по массе ионы на различных расстояниях от поверхностей цилиндров. Концентрации и подвижности пространственно-разделенных ионов по массам ионов измеряют по токам разрядки этих ионов на поверхностях цилиндров при выключении потенциалов, формирующих потенциальную яму. Ограничением способа является невозможность селективного накопления ионов целевого вещества, что не позволяет обнаруживать малые концентрации целевого вещества на фоне больших концентраций других примесей.A known variant of the ion trap, structurally formed by two coaxial metal cylinders with insulated metal caps, electrodes at the ends. A constant and high-frequency (0.1-10 MHz) sinusoidal voltage is applied to the cylinders, the superposition of which creates a potential well for ions along the radius of the gap. The creation of such a potential well leads to the spatial separation of ions that differ in mass along the radius of the gap of ions. In the axial direction, the ions are held constant electrostatic potentials on the end electrodes (patent US 2009/0001265, publ. 01.01.2009). The described trap allows you to separate and hold different mass ions at different distances from the surfaces of the cylinders. The concentration and mobility of spatially separated ions by the masses of ions are measured by the discharge currents of these ions on the surfaces of the cylinders when the potentials forming the potential well are turned off. The limitation of the method is the impossibility of selective accumulation of ions of the target substance, which does not allow to detect small concentrations of the target substance against the background of high concentrations of other impurities.
Известен вариант селективной ионной ловушки (патент US 2012/0273673, опубл. 01.11.2012). Согласно патенту, в цилиндре, образованном набором изолированных друг от друга кольцевых электродов, каждый из которых разрезан на четыре сектора, осуществляется квадрупольная фокусировка ионов вдоль оси цилиндра высокочастотным электрическим полем. В патенте предлагается способ селективного накопления ионов целевого вещества на конечном участке внутри цилиндра, ограниченном вдоль оси потенциальными барьерами, создаваемыми подачей электростатических потенциалов на кольцевые электроды. Ионы поступают внутрь цилиндра с потоком газа, прошедшего через ионизатор. Скорость потока и высоты потенциальных барьеров подбираются таким образом, что ионы с подвижностью выше, чем у целевого вещества, не преодолевают входного потенциального барьера, а ионы с подвижностью ниже, чем у целевого вещества, преодолевают оба барьера. Это позволяет накапливать ионы целевого вещества на участке между двумя барьерами. Для измерения тока, обусловленного накопленным зарядом целевых ионов, снимается барьер на выходе ионов из ловушки. Ограничением способа является то, что селекция ионов происходит по постоянной подвижности ионов в слабых электростатических полях. Другими словами, в патенте предложен вариант IMS с ионной ловушкой. Селекции ионов по нелинейности подвижности ионов в сильных электрических полях способ не обеспечивает.A known variant of the selective ion trap (patent US 2012/0273673, publ. 01.11.2012). According to the patent, in a cylinder formed by a set of ring electrodes isolated from each other, each of which is cut into four sectors, quadrupole focusing of ions along the cylinder axis by a high-frequency electric field is carried out. The patent proposes a method for the selective accumulation of ions of the target substance in a final section inside the cylinder, limited along the axis by potential barriers created by the supply of electrostatic potentials to ring electrodes. Ions enter the cylinder with a stream of gas passing through the ionizer. The flow rate and the heights of potential barriers are selected in such a way that ions with mobility higher than that of the target substance do not overcome the input potential barrier, and ions with mobility lower than those of the target substance overcome both barriers. This allows you to accumulate the ions of the target substance in the area between the two barriers. To measure the current due to the accumulated charge of the target ions, the barrier is removed at the ion exit from the trap. The limitation of the method is that the selection of ions occurs according to the constant mobility of ions in weak electrostatic fields. In other words, the patent proposes an IMS variant with an ion trap. The method does not provide ion selection by nonlinearity of ion mobility in strong electric fields.
Известен вариант селективной ионной ловушки, основанной на селекции и накоплении ионов по нелинейной зависимости подвижности от электрического поля высокой напряженности (патент US 8309912, опубл. 13.11.2012). В патенте предлагается использовать трехмерную фокусировку в известной ловушке Пауля, образованной кольцом с гиперболической внутренней поверхностью и боковыми электродами с гиперболическими поверхностями, обращенными внутрь кольца. Селективность накопления ионов, согласно патенту, достигается за счет подачи между кольцевым и боковыми электродами биполярных импульсов высокого напряжения, отличающихся по амплитуде и длительности при разных полярностях так же, как в дифференциальной спектроскопии ионной подвижности. В данном способе реализуется селекция ионов по нелинейности подвижности в сильных полях с использованием компенсирующего напряжения, подобно тому, как это делается в DIMS. Положительный эффект, достигаемый в патенте, состоит в реализации объемной фокусировки ионов целевого вещества при атмосферном давлении. Ионную ловушку такой конструкции предлагается использовать, в частности, для исследования целевого вещества фото-акустическими методами. Недостатками предложенной ионной ловушки являются технологические сложности изготовления, конструктивные трудности создания ламинарных газовых потоков для управления движением ионов, ограничения по миниатюризации и конструктивные сложности сопряжения с базовыми вариантами DIMS.A known variant of a selective ion trap based on selection and accumulation of ions by the nonlinear dependence of mobility on the electric field of high tension (patent US 8309912, publ. 13.11.2012). The patent proposes to use three-dimensional focusing in the well-known Paul trap formed by a ring with a hyperbolic inner surface and side electrodes with hyperbolic surfaces facing the inside of the ring. The selectivity of ion accumulation, according to the patent, is achieved by supplying high voltage bipolar pulses between the ring and side electrodes, which differ in amplitude and duration at different polarities, as in differential ion mobility spectroscopy. This method implements ion selection by non-linearity of mobility in strong fields using compensating voltage, similar to how it is done in DIMS. The positive effect achieved in the patent is the implementation of volumetric focusing of the ions of the target substance at atmospheric pressure. It is proposed to use an ion trap of this design, in particular, for studying the target substance by photo-acoustic methods. The disadvantages of the proposed ion trap are the technological difficulties of manufacturing, the design difficulties of creating laminar gas flows to control the movement of ions, the miniaturization restrictions and the design difficulties of interfacing with the basic DIMS options.
Ближайшее техническое решение представлено в российском патенте RU 2503083, 27.12.2013. В этом патенте предложена конструкция цилиндрического дифференциального спектрометра ионной подвижности с тремя контурами газораспределения. Спектрометр позволяет обнаруживать и идентифицировать малые количества паров целевых веществ по соответствующим пикам в ионных спектрах, представляющих собой зависимости ионного тока, протекающего через аналитический зазор дрейфовой трубки, от компенсирующего напряжения Uc. Соотношение высот пиков в ионном спектре определяется соотношением концентраций соответствующих примесей в газовой фазе. Проблемы в обнаружении целевых веществ возникают в тех случаях, когда концентрации паров целевых веществ в газовой пробе неразличимо малы на фоне концентраций паров других примесей.The closest technical solution is presented in the Russian patent RU 2503083, 12/27/2013. This patent proposes the construction of a cylindrical differential ion mobility spectrometer with three gas distribution circuits. The spectrometer makes it possible to detect and identify small amounts of target substance vapors by the corresponding peaks in the ion spectra, which are the dependences of the ion current flowing through the analytical gap of the drift tube on the compensating voltage U c . The ratio of the heights of the peaks in the ion spectrum is determined by the ratio of the concentrations of the corresponding impurities in the gas phase. Problems in the detection of target substances arise in those cases where the concentration of vapors of the target substances in a gas sample is indistinguishably small against the background of vapor concentrations of other impurities.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей настоящего изобретения является избирательное повышение чувствительности дифференциального спектрометра ионной подвижности к искомому целевому веществу в газовой фазе со сложным составом примесей, концентрации которых превышают концентрацию целевого вещества.The objective of the present invention is to selectively increase the sensitivity of the differential ion mobility spectrometer to the desired target substance in the gas phase with a complex composition of impurities whose concentrations exceed the concentration of the target substance.
Технический результат настоящего изобретения заключается в снижении порога обнаружения целевого вещества в газовой фазе со сложным составом примесей.The technical result of the present invention is to reduce the detection threshold of the target substance in the gas phase with a complex composition of impurities.
Указанный выше технический результат достигается тем, что дифференциальный спектрометр ионной подвижности с цилиндрической аналитической камерой, согласно изобретению, дополнен электростатическим затвором перед выходом из аналитического зазора. Предлагаемый прибор обеспечивает селективное накопление, фокусировку и удержание ионов целевого вещества в аналитическом зазоре. При закрытом электростатическом затворе аналитический зазор одновременно выполняет функции выделения, фокусировки и накопления ионов заданного для обнаружения целевого вещества с заранее определенным компенсирующим напряжением Uc. Другими словами, в режиме закрытого затвора аналитический зазор является ионной ловушкой, обеспечивающей селективное накопление ионов целевого вещества с характерной нелинейностью полевой зависимости подвижности. Накопление ионов в аналитическом канале происходит при фиксированном значении компенсирующего напряжения Uc, обеспечивающего фокусировку ионов целевого вещества в канале. Накопление ионов целевого вещества происходит за счет поступления ионизованной газовой пробы в аналитический зазор до тех пор, пока концентрация ионов не достигнет значений, при которых существенным становится эффект расширения ионного облака в канале за счет кулоновского отталкивания ионов, после чего накоплению препятствует разрядка ионов на стенках аналитического канала. Эффект кулоновского отталкивания становится существенным при концентрации ионов ~107 см-3 [Spangler GE (1992) Anal Chem 64: 1312], при которых обнаружение целевого вещества по измерению накопленного заряда становится реализуемой задачей. Измерение временной зависимости тока разрядки ионной ловушки при открытии электростатического затвора позволяет определить заряд ионов целевого вещества, накопленного в канале за время работы прибора в режиме закрытого затвора, и рассчитать концентрацию целевого вещества в газовой фазе.The above technical result is achieved by the fact that the differential ion mobility spectrometer with a cylindrical analytical chamber, according to the invention, is supplemented with an electrostatic shutter before leaving the analytical gap. The proposed device provides selective accumulation, focusing and retention of the ions of the target substance in the analytical gap. When the electrostatic shutter is closed, the analytical gap simultaneously performs the functions of separating, focusing, and accumulating ions of the target substance detected for detection with a predetermined compensating voltage U c . In other words, in the closed-gate mode, the analytical gap is an ion trap providing selective accumulation of ions of the target substance with a characteristic nonlinearity of the field dependence of mobility. The accumulation of ions in the analytical channel occurs at a fixed value of the compensating voltage U c , which ensures focusing of the ions of the target substance in the channel. The accumulation of ions of the target substance occurs due to the entry of an ionized gas sample into the analytical gap until the ion concentration reaches values at which the effect of expansion of the ion cloud in the channel due to Coulomb repulsion of ions becomes significant, after which the discharge is prevented by the discharge of ions on the walls of the analytical channel. The effect of Coulomb repulsion becomes significant at an ion concentration of ~ 10 7 cm -3 [Spangler GE (1992) Anal Chem 64: 1312], in which the detection of the target substance by measuring the accumulated charge becomes a feasible task. Measurement of the time dependence of the discharge current of the ion trap when opening the electrostatic shutter allows you to determine the ion charge of the target substance accumulated in the channel during the operation of the device in the closed gate mode and calculate the concentration of the target substance in the gas phase.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1. Конструкция дифференциального спектрометра ионной подвижности с ионной ловушкой T-DIMS. Потенциальный барьер для ионов создается разностью напряжений Ub между цилиндрами входного и выходного участков аналитического канала, разделенных диэлектрической вставкой.FIG. 1. The design of the differential ion mobility spectrometer with an ion trap T-DIMS. A potential barrier for ions is created by the voltage difference U b between the cylinders of the input and output sections of the analytical channel, separated by a dielectric insert.
Фиг. 2. Профили пространственного распределения концентрации ионов ацетона во входной части аналитического канала T-DIMS перед электростатическим затвором. Размах асимметричного разделяющего напряжения Urf=2,0 кВ, значение компенсирующего напряжения Uc=-16,7 В, частота разделяющего напряжения f=0,5 МГц, значение запирающего напряжения на затворе ионной ловушки Ub=2E. Отсчет времени с момента включения запирающего напряжения Ub между входным и запирающим участками канала ton=0.FIG. 2. Profiles of the spatial distribution of the concentration of acetone ions in the input part of the T-DIMS analytical channel before the electrostatic shutter. The magnitude of the asymmetric separation voltage U rf = 2.0 kV, the value of the compensating voltage U c = -16.7 V, the frequency of the separation voltage f = 0.5 MHz, the value of the blocking voltage at the gate of the ion trap U b = 2E. The countdown from the moment of switching on the locking voltage U b between the input and locking sections of the channel t on = 0.
Фиг. 3. Распределения концентрации ионов ацетона в осевом направлении в середине канала через 100, 150, 200, 250, 500 мс после включения запирающего напряжения Ub на затворе ионной ловушки. Представленные распределения соответствуют данным на фиг. 2.FIG. 3. The distribution of the concentration of acetone ions in the axial direction in the middle of the channel after 100, 150, 200, 250, 500 ms after turning on the locking voltage U b at the gate of the ion trap. The presented distributions correspond to the data in FIG. 2.
Фиг. 4. Распределения концентрации ионов в радиальном направлении в области максимума плотности объемного пространственного заряда ионов ацетона в ионной ловушке через 100, 150, 200, 250, 500 мс после включения запирающего напряжения Ub. Представленные распределения соответствуют данным на фиг. 2.FIG. 4. Distributions of the ion concentration in the radial direction in the region of the maximum density of the space spatial charge of acetone ions in the ion trap after 100, 150, 200, 250, 500 ms after the inclusion of the blocking voltage U b . The presented distributions correspond to the data in FIG. 2.
Фиг. 5. Кинетика выхода пространственного заряда накопленных в ловушке Т-DIMS ионов ацетона при выключении запирающего напряжения Ub. Момент выключения tof=600 с. FIG. 5. The kinetics of the space charge yield of the acetone ions accumulated in the T-DIMS trap when the blocking voltage U b is turned off. Off time t of = 600 s.
Фиг. 6. Временная зависимость тока разрядки ионной ловушки, соответствующая данным численного моделирования, представленным на фиг. 5.FIG. 6. The time dependence of the discharge current of the ion trap, corresponding to the numerical simulation data presented in FIG. 5.
Фиг. 7. Экспериментальные ионограммы целевых веществ с высокой (ацетон) и низкой (ТНТ) подвижностями, измеренные в штатном режиме без накопления в ионной ловушке. Ионограммы с высокими пиками получены при анализе специально приготовленных проб воздуха с концентрациями целевых веществ ~10-13 г/см3. Ионограммы с низкими пиками получены для проб воздуха с концентрациями указанных целевых веществ ~10-14 г/см3, соответствующими пределу чувствительности прибора в режиме измерения ионограмм Iion(Uc).FIG. 7. Experimental ionograms of target substances with high (acetone) and low (TNT) mobilities, measured in the normal mode without accumulation in an ion trap. Ionograms with high peaks were obtained by analyzing specially prepared air samples with concentrations of target substances ~ 10 -13 g / cm 3 . Ionograms with low peaks were obtained for air samples with concentrations of the indicated target substances ~ 10 -14 g / cm 3 corresponding to the sensitivity limit of the device in the ionogram measurement mode I ion (U c ).
Фиг. 8. Экспериментальная временная зависимость ионного тока разрядки ионной ловушки Iion(t) для целевых веществ с высокой (ацетон) и низкой (ТНТ) подвижностями. Исходные концентрации веществ в приготовленных пробах воздуха имеют порядок ~10-14 г/см3, соответствующий пределу чувствительности прибора в режиме измерения ионограмм Iion(Uc).FIG. 8. Experimental time dependence of the ion current of the discharge of the ion trap I ion (t) for the target substances with high (acetone) and low (TNT) mobilities. The initial concentrations of substances in the prepared air samples are of the order of ~ 10 -14 g / cm 3 , corresponding to the sensitivity limit of the device in the measurement mode of ionograms I ion (U c ).
Фиг. 9. Радиальные распределения скоростей дрейфа ионов ацетона и тринитротолуола при одинаковых значениях размаха разделяющего напряжения Urf. Звездочками отмечены границы пучка ионов, соответствующие половине максимальной концентрации в сечении ионного пучка. Высокоподвижным ионам ацетона соответствует меньшая толщина пучка по сравнению с ионами ТНТ, обладающими малой подвижностью.FIG. 9. Radial distribution of drift velocities of acetone and trinitrotoluene ions at identical values of the span of the separation voltage U rf . Asterisks mark the boundaries of the ion beam, corresponding to half the maximum concentration in the cross section of the ion beam. Highly mobile acetone ions correspond to a smaller beam thickness compared to TNT ions, which have low mobility.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Дифференциальный спектрометр ионной подвижности с ионной ловушкой состоит из цилиндрической камеры ионизации (1), внешнего цилиндрического электрода (2), состоящего из двух частей, внутреннего цилиндрического электрода (3), состоящего из двух частей и концентрически расположенного относительно внешнего электрода, дополнительной камеры (4) для ввода потока ионизируемого газа (газа-реактанта), концентрически расположенной относительно внутреннего цилиндрического электрода (3), источника ионизации (5), размещенного на выходе камеры (4), в качестве которого возможно использовать радиоактивный β-источник (тритий или радиоактивный изотоп никеля 63Ni), электронный ионизатор, например коронный разряд, для чего в дополнительной камере располагают электрод с острым концом, подключенным к генератору переменного высоковольтного напряжения, электроспрей, для чего в дополнительной камере располагают электроспрейный капилляр, для подачи раствора контролируемого расхода и состава, любой известный источник ультрафиолетового излучения; генератора периодического несимметричного по полярности напряжения (6), обеспечивающего выход на участок нелинейной полевой зависимости подвижности ионов, генератора компенсирующего напряжения (7), источника высокочастотного напряжения (8), обеспечивающего повышение разрешения прибора, генератора выталкивающего напряжения (9), подключенного к камере (4), коллектора ионов (10), размещенного в конце аналитического зазора (11), к которому подключен ионный регистратор (12) - измеритель тока. На выходе камеры (4) располагается область ионизации (13), в камере ионизации (1) - область формирования ионов аналита (14). Камера ионизации (1) и внутренний электрод (3) отстранены друг от друга и образуют ионную апертуру (15), позволяющую ионизированным частицам перемещаться в аналитический зазор (11). Имеется вход (16) для очищенного газа в пространство, образованное стенкой камеры ионизации (1) и электродом (2). Камера ионизации (1) имеет вход (17) для ввода потока анализируемого газа и выход (18) для сброса газа. Спектрометр снабжен системой очистки газа, объединяющей трубопроводами (19) выходы аналитического зазора (11) и камеры ионизации (1) со входами дополнительной камеры (4) и аналитического зазора (11). Система очистки газа включает побудитель расхода газа (насос) (25), два фильтра (23) и (24), соответственно размещенные на выходе из камеры ионизации (1) и на входе в аналитический зазор (11) и дополнительную камеру (4), трех пневматических сопротивлений (20), (21), (22), установленных после фильтров (23) и (24) и на выходе Ε для сброса газа в атмосферу. Цилиндрические электроды и камеры отделены друг от друга поддерживающими элементами (26). Перед выходом из аналитического зазора (11) создан разрыв внешнего цилиндрического электрода (2) и внутреннего цилиндрического электрода (3), в который запрессованы узкие кольцевые диэлектрические вставки (29), обеспечивающие возможность сохранения ламинарного течения газового потока в канале и создания разности потенциалов между входной и выходной частями аналитического зазора с помощью источников питания (27) и (28).Differential ion mobility spectrometer with an ion trap consists of a cylindrical ionization chamber (1), an external cylindrical electrode (2), consisting of two parts, an internal cylindrical electrode (3), consisting of two parts and concentrically located relative to the external electrode, an additional chamber (4 ) to enter the flow of ionized gas (reactant gas) concentrically located relative to the inner cylindrical electrode (3), the ionization source (5) located at the outlet of the chamber (4), as TBE is possible to use a radioactive β-source (tritium or radioactive 63 Ni isotopes of nickel), the electronic ionizer such as a corona discharge, which in the additional chamber has a electrode with a sharp point connected to a generator of alternating high voltage, electrospray, which in the additional chamber have an electrospray capillary for supplying a solution of a controlled flow rate and composition, any known source of ultraviolet radiation; a periodic periodic asymmetric voltage generator (6), which provides access to a nonlinear field dependence of the ion mobility, a compensating voltage generator (7), a high-frequency voltage source (8), which increases the resolution of the device, an ejection voltage generator (9) connected to the camera ( 4), an ion collector (10) located at the end of the analytical gap (11), to which an ion recorder (12) is connected - a current meter. An ionization region (13) is located at the outlet of the chamber (4), and an analyte ion formation region (14) is located in the ionization chamber (1). The ionization chamber (1) and the inner electrode (3) are separated from each other and form an ionic aperture (15), which allows ionized particles to move into the analytical gap (11). There is an entrance (16) for the purified gas into the space formed by the wall of the ionization chamber (1) and the electrode (2). The ionization chamber (1) has an input (17) for entering the flow of the analyzed gas and an output (18) for discharging gas. The spectrometer is equipped with a gas purification system that combines the outputs of the analytical gap (11) and the ionization chamber (1) with the inputs of the additional chamber (4) and the analytical gap (11) by pipelines (19). The gas purification system includes a gas flow inducer (pump) (25), two filters (23) and (24), respectively located at the outlet of the ionization chamber (1) and at the entrance to the analytical gap (11) and an additional chamber (4), three pneumatic resistances (20), (21), (22) installed after the filters (23) and (24) and at the outlet Ε to discharge gas into the atmosphere. Cylindrical electrodes and chambers are separated from each other by supporting elements (26). Before leaving the analytical gap (11), a gap was created between the outer cylindrical electrode (2) and the inner cylindrical electrode (3), into which narrow ring dielectric inserts (29) were pressed in, which made it possible to preserve the laminar gas flow in the channel and create a potential difference between the input and output parts of the analytical gap using power sources (27) and (28).
Спектрометр работает следующим образом. При одинаковых потенциалах, подаваемых на входную и выходную части канала, прибор функционирует в штатном режиме дифференциального спектрометра ионной подвижности, описанном в указанном выше патенте-прототипе RU №2503083. Этот стационарный режим измерения используется для обнаружения и идентификации целевых веществ при их концентрациях, превышающих порог обнаружения дифференциального спектрометра ионной подвижности. Полученные ионограммы используются для определения значений компенсирующего напряжения, соответствующих положению пиков целевых веществ на ионограмме.The spectrometer works as follows. With the same potentials supplied to the input and output parts of the channel, the device operates in the normal mode of the differential ion mobility spectrometer described in the above-mentioned patent prototype RU No. 2503083. This stationary measurement mode is used to detect and identify the target substances at their concentrations exceeding the detection threshold of the differential ion mobility spectrometer. The obtained ionograms are used to determine the values of the compensating voltage corresponding to the position of the peaks of the target substances on the ionogram.
При концентрациях целевых веществ в газовой пробе ниже порога обнаружения в стационарном режиме измерения используется режим селективного накопления ионов целевого вещества во входной части цилиндрического аналитического зазора. На цилиндры, образующие выходную часть аналитического канала, подается электростатическое напряжение Ub, создающее потенциальный барьер для ионов, находящихся во входной части аналитического канала. При подаче такого запирающего напряжения между двумя частями канала во входной части аналитического зазора происходит селективное накопление ионов целевого вещества. Селективность накопления обеспечивается тем, что процесс осуществляется при фиксированном значении компенсирующего напряжения, предварительно определенного в стационарном режиме по ионограмме стандартного эталона целевого вещества. При наличии у целевого вещества нескольких пиков на ионограмме идентификация целевого вещества может проводиться с повторением процедуры селективного накопления при различных значениях компенсирующего напряжения. Реализация такого способа селективного накопления ионов возможна только в цилиндрической конфигурации спектрометра, в которой обеспечивается фокусировка ионного облака в канале за счет формирования потенциальной ямы суперпозицией высокочастотного биполярного и компенсирующего напряжений. В плоском DIMS подобное накопление невозможно из-за отсутствия фокусировки и разрядки ионного облака на электродах. Накопление ионов во входной части канала происходит за счет непрерывного поступления в канал газа-носителя с ионами целевого вещества, что происходит до достижения концентраций ионов, при которых начинается расширение ионного облака за счет кулоновского отталкивания ионов в поле объемного заряда, приводящее к интенсивной разрядке ионов на электродах. Таким образом достигается насыщение концентрации ионов целевого вещества в аналитическом канале, который при создании электростатического затвора для ионов в конце канала представляет собой ионную ловушку, обеспечивающую селективное накопление ионов целевого вещества, отсепарированных по коэффициентам нелинейной подвижности. Достижение описанного насыщения контролируется по появлению тока утечки через потенциальный барьер. При заданном пороговом значении тока утечки запирающий потенциал снимается, и накопившийся заряд газовым потоком переносится к собирающему электроду электрометра. Временная зависимость тока разрядки, измеряемая электрометром, имеет форму пика, площадь которого позволяет определить концентрацию ионов, накопленных в описанной выше ионной ловушке. С учетом времени накопления определяется концентрация ионов, соответствующая концентрации паров целевого вещества в исследуемой пробе воздуха.At concentrations of the target substances in the gas sample below the detection threshold in the stationary measurement mode, the selective accumulation of ions of the target substance in the input part of the cylindrical analytical gap is used. The cylinders forming the output part of the analytical channel are supplied with an electrostatic voltage U b , which creates a potential barrier for ions located in the input part of the analytical channel. When applying such a locking voltage between the two parts of the channel in the input part of the analytical gap, selective accumulation of ions of the target substance occurs. The selectivity of the accumulation is ensured by the fact that the process is carried out at a fixed value of the compensating voltage previously determined in stationary mode from the ionogram of the standard standard of the target substance. If the target substance has several peaks in the ionogram, the identification of the target substance can be carried out by repeating the selective accumulation procedure at different values of the compensating voltage. The implementation of this method of selective ion accumulation is possible only in the cylindrical configuration of the spectrometer, in which the ion cloud is focused in the channel due to the formation of a potential well by superposition of high-frequency bipolar and compensating voltages. In flat DIMS, such accumulation is impossible due to the lack of focusing and discharge of the ion cloud on the electrodes. The accumulation of ions in the input part of the channel occurs due to the continuous intake of the target gas with the ions of the target substance into the channel, which occurs until the ion concentrations reach, at which the expansion of the ion cloud begins due to the Coulomb repulsion of ions in the space charge field, which leads to intense discharge of ions into electrodes. Thus, saturation of the concentration of ions of the target substance in the analytical channel is achieved, which, when creating an electrostatic shutter for the ions at the end of the channel, is an ion trap that provides selective accumulation of ions of the target substance, separated by non-linear mobility coefficients. The achievement of the described saturation is monitored by the appearance of a leakage current through a potential barrier. At a given threshold value of the leakage current, the locking potential is removed, and the accumulated charge by the gas stream is transferred to the collecting electrode of the electrometer. The time dependence of the discharge current, measured by an electrometer, has a peak shape, the area of which allows one to determine the concentration of ions accumulated in the above-described ion trap. Taking into account the accumulation time, the ion concentration is determined, which corresponds to the vapor concentration of the target substance in the studied air sample.
Отметим, что предложенный дифференциальный спектрометр с ионной ловушкой может работать как без включения ловушки в штатном стационарном режиме измерения зависимостей ионных токов от компенсирующего напряжения (ионограмм), так и в режиме включения ионной ловушки, обеспечивающем снижение порога обнаружения целевого вещества за счет накопления ионов этого вещества. В последнем случае измеряются не ионограммы, а временные зависимости тока разрядки накопленного заряда.Note that the proposed differential spectrometer with an ion trap can operate both without turning on the trap in the standard stationary mode of measuring the dependences of ion currents on the compensating voltage (ionograms), and in the mode of switching on the ion trap, which provides a decrease in the detection threshold of the target substance due to the accumulation of ions of this substance . In the latter case, not ionograms are measured, but the time dependences of the discharge current of the accumulated charge.
Реализуемость предложенной идеи изобретения подтверждается численными расчетами кинетики накопления и разрядки ионов. Расчеты проводились для ионов ацетона.The feasibility of the proposed idea of the invention is confirmed by numerical calculations of the kinetics of the accumulation and discharge of ions. The calculations were carried out for acetone ions.
Профили распределений концентрации ионов целевого вещества (ацетона) в канале T-DIMS, рассчитанные для различных моментов времени после закрытия ловушки (Фиг. 2), показывают возможность накопления ионов в канале при постоянном течении потока газа-носителя. Накопление объемного пространственного заряда в ловушке происходит до насыщения, которое возникает, когда ток разрядки ионов на стенки аналитического зазора достигает значения стационарного тока на входе в канал.The profiles of the concentration distributions of the ions of the target substance (acetone) in the T-DIMS channel, calculated for different time instants after the trap closure (Fig. 2), show the possibility of ion accumulation in the channel with a constant flow of the carrier gas. The accumulation of space spatial charge in the trap occurs before saturation, which occurs when the ion discharge current to the walls of the analytical gap reaches the stationary current at the channel entrance.
Количественные зависимости пространственных распределений концентраций ионов в T-DIMS с закрытой ловушкой, представленные на фиг. 3 и фиг. 4 в различные моменты накопления, показывают возможность повысить на два порядка концентрацию ионов целевого вещества в ионной ловушке относительно исходной концентрации этих ионов во входящем в аналитический канал газовом потоке (пробе).The quantitative dependences of the spatial distributions of ion concentrations in T-DIMS with a closed trap shown in FIG. 3 and FIG. 4 at different moments of accumulation show the possibility of increasing the concentration of ions of the target substance in the ion trap by two orders of magnitude relative to the initial concentration of these ions in the gas stream (sample) entering the analytical channel.
Приведенные на фиг. 5 профили распределения концентрации ионов в канале Т-DIMS, рассчитанные для моментов времени после открытия ловушки, соответствующих профилям распределений на фиг. 2, демонстрируют то, что выход пространственного объемного заряда ионов, накопленных в ловушке, происходит без потерь ионов на стенках канала.Referring to FIG. 5, the distribution profiles of the ion concentration in the T-DIMS channel, calculated for time instants after opening the trap, corresponding to the distribution profiles in FIG. 2 demonstrate that the spatial space charge of ions accumulated in the trap emerges without loss of ions on the channel walls.
Кинетика освобождения ионной ловушки от накопленного заряда может быть зафиксирована по временной зависимости ионного тока, регистрируемого электрометром на выходе T-DIMS. Результаты расчета временной зависимости тока разрядки ионной ловушки представлен на фиг. 6. Ионный ток, обусловленный разрядкой накопленного в ловушке заряда ионов, почти на порядок превышает ионный ток, протекающий после опустошения ловушки и определяемый исходной концентрацией ионов во входящем потоке.The kinetics of the release of the ion trap from the accumulated charge can be fixed by the time dependence of the ion current recorded by the electrometer at the T-DIMS output. The results of calculating the time dependence of the discharge current of the ion trap are shown in FIG. 6. The ion current due to the discharge of the ion charge accumulated in the trap is almost an order of magnitude higher than the ion current that flows after the trap is empty and is determined by the initial concentration of ions in the incoming stream.
Существенный результат, отражающий достижение положительного эффекта - повышения селективной чувствительности способа за счет накопления ионов целевого вещества в ионной ловушке, заключается в том, что на временной зависимости тока разрядки Iion(t) ионной ловушки T-DIMS появляется максимум, значение тока в котором существенно (на порядок в рассмотренном случае) превышает значение стационарного ионного тока, измеряемого без повышения концентрации ионов за счет их накопления в ловушке.A significant result, reflecting the achievement of a positive effect — an increase in the selective sensitivity of the method due to the accumulation of ions of the target substance in the ion trap, lies in the fact that a maximum appears on the time dependence of the discharge current I ion (t) of the T-DIMS ion trap, the current value in which is significant (by an order of magnitude in the case considered) exceeds the value of the stationary ion current, measured without increasing the concentration of ions due to their accumulation in the trap.
Таким образом, предлагаемый способ накопления ионов целевого вещества в дифференциальном спектрометре ионной подвижности с ионной ловушкой и измерения временных зависимостей тока разрядки накопленного в ионной ловушке заряда обеспечивает повышение селективной чувствительности способа и конструкции для его реализации по сравнению с прототипом, основанным на измерении зависимостей ионного тока от компенсирующего напряжения.Thus, the proposed method for the accumulation of ions of the target substance in a differential ion mobility spectrometer with an ion trap and measuring the time dependences of the discharge current of the charge accumulated in the ion trap provides an increase in the selective sensitivity of the method and design for its implementation in comparison with the prototype based on measuring the dependences of the ion current on compensating voltage.
Применение изобретения проиллюстрировано экспериментами по обнаружению в атмосфере воздуха веществ с концентрациями ниже порога обнаружения дифференциального спектрометра ионной подвижности, выбранного в качестве прототипа. В качестве целевых веществ исследовались ацетон и тринитротолуол (ТНТ), существенно отличающиеся по подвижности. Эти вещества были использованы для демонстрации широкой применимости предлагаемого способа обнаружения веществ дифференциальным спектрометром с ионной ловушкой.The application of the invention is illustrated by experiments on the detection of substances in the atmosphere with concentrations below the detection threshold of a differential ion mobility spectrometer selected as a prototype. As target substances, acetone and trinitrotoluene (TNT) were studied, which significantly differed in mobility. These substances were used to demonstrate the wide applicability of the proposed method for detecting substances by an ion trap differential spectrometer.
На фиг. 7 представлены экспериментальные ионограммы указанных выше целевых веществ, измеренные при концентрациях выше порога обнаружения DIMS (~10-13 г/см3) и на пределе обнаружительной способности имеющегося прибора (~10-14 г/см3). Измерения проводились в следующих режимах: скорость газового потока 2 л/мин, Urf=2,0 кВ, f=0,5 МГц. Измеренные ионограммы были использованы для определения значений компенсирующих напряжений для ацетона и ТНТ, при которых далее проводилось селективное накопление ионов этих целевых веществ в T-DIMS с ионной ловушкой.In FIG. Figure 7 shows the experimental ionograms of the above target substances, measured at concentrations above the DIMS detection threshold (~ 10 -13 g / cm 3 ) and at the detection limit of an existing device (~ 10 -14 g / cm 3 ). The measurements were carried out in the following modes: gas flow rate of 2 l / min, U rf = 2.0 kV, f = 0.5 MHz. The measured ionograms were used to determine the values of the compensating stresses for acetone and TNT, at which the selective accumulation of ions of these target substances was further carried out in T-DIMS with an ion trap.
На фиг. 8 приведены экспериментальные временные зависимости токов разрядки накопленных ионов ацетона и ТНТ, полученные на дифференциальном спектрометре ионной подвижности с ионной ловушкой, для концентраций паров в атмосфере воздуха ниже порога чувствительности спектрометра-прототипа. Представленные на фиг. 8 зависимости показывают, что чувствительность предложенного способа по ацетону на порядок выше, чем в прототипе. Чувствительность по ТНТ в проведенных режимах измерения повысилась в меньшей степени (в 5 раз).In FIG. Figure 8 shows the experimental time dependences of the discharge currents of accumulated acetone and TNT ions obtained on an ion mobility differential spectrometer with an ion trap for vapor concentrations in the air atmosphere below the sensitivity threshold of the prototype spectrometer. Presented in FIG. 8 dependencies show that the sensitivity of the proposed method for acetone is an order of magnitude higher than in the prototype. The sensitivity of TNT in the measurement modes increased to a lesser extent (5 times).
На фиг. 9 представлены радиальные распределения скоростей ионов ацетона и ТНТ в канале DIMS при указанных выше режимах измерений Urf=2,0 кВ, f=0.5 МГц и соответствующих значениях компенсирующих напряжений, указанных на вставке в фиг. 9. Из представленных расчетов следует, что предложенный способ обеспечивает более значительное повышение чувствительности для ионов целевых веществ с большей подвижностью в результате более эффективной фокусировки (сжатия) ионного пучка и, следовательно, возможности большего повышения концентрации ионов в ловушке за счет меньшего разряда более тонкого пучка ионов на стенках канала.In FIG. 9 shows the radial velocity distributions of the acetone and TNT ions in the DIMS channel at the above measurement modes U rf = 2.0 kV, f = 0.5 MHz and the corresponding values of the compensating voltages indicated on the inset in FIG. 9. From the presented calculations it follows that the proposed method provides a more significant increase in sensitivity for ions of target substances with greater mobility as a result of more efficient focusing (compression) of the ion beam and, therefore, the possibility of a larger increase in the concentration of ions in the trap due to a smaller discharge of a thinner beam ions on the walls of the channel.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Дифференциальный спектрометр ионной подвижности с ионной ловушкой применим для обнаружения в воздухе следов взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, мониторинга промышленных загрязнений в атмосфере, контроля пищевых продуктов по выделяемым испарениям, медицинской диагностики по составу выдыхаемого воздуха.A differential ion mobility spectrometer with an ion trap is applicable for detecting traces of explosive, poisonous, narcotic substances in the air, monitoring industrial pollution in the atmosphere, monitoring food products by emitted vapors, and medical diagnostics by the composition of exhaled air.
Современные методы, технологии и материалы создают реальную возможность осуществления вышеописанного дифференциального спектрометра ионной подвижности с ионной ловушкой. Все конструктивные элементы спектрометра могут быть произведены с помощью уже используемого оборудования на действующих заводах. Специалист в области измерений окружающей среды не сможет подвергнуть сомнению работоспособность дифференциального спектрометра ионной подвижности с ионной ловушкой, предлагаемого настоящим изобретением.Modern methods, technologies and materials create a real opportunity for the implementation of the above-described differential ion mobility spectrometer with an ion trap. All structural elements of the spectrometer can be produced using equipment already in use at existing plants. The person skilled in the field of environmental measurements cannot question the operability of the differential ion mobility spectrometer with an ion trap of the present invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136726/07A RU2577781C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Ion mobility differential spectrometer of ion trap |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136726/07A RU2577781C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Ion mobility differential spectrometer of ion trap |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2577781C1 true RU2577781C1 (en) | 2016-03-20 |
Family
ID=55648007
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014136726/07A RU2577781C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Ion mobility differential spectrometer of ion trap |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2577781C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172629U1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-07-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук | PHOTOACOUSTIC GAS ANALYZER |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2178929C2 (en) * | 2000-01-25 | 2002-01-27 | Конструкторско-технологический институт геофизического и экологического приборостроения СО РАН | Spectrometer of non-linearity of drift of ions |
| US8309912B2 (en) * | 2008-11-21 | 2012-11-13 | Applied Nanotech Holdings, Inc. | Atmospheric pressure ion trap |
| WO2013066881A2 (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-10 | Brooks Automation, Inc. | Method and apparatus for tuning an electrostatic ion trap |
| RU2503083C1 (en) * | 2012-05-22 | 2013-12-27 | Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч") | Differential ion mobility spectrometer |
-
2014
- 2014-09-09 RU RU2014136726/07A patent/RU2577781C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2178929C2 (en) * | 2000-01-25 | 2002-01-27 | Конструкторско-технологический институт геофизического и экологического приборостроения СО РАН | Spectrometer of non-linearity of drift of ions |
| US8309912B2 (en) * | 2008-11-21 | 2012-11-13 | Applied Nanotech Holdings, Inc. | Atmospheric pressure ion trap |
| WO2013066881A2 (en) * | 2011-10-31 | 2013-05-10 | Brooks Automation, Inc. | Method and apparatus for tuning an electrostatic ion trap |
| RU2503083C1 (en) * | 2012-05-22 | 2013-12-27 | Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч") | Differential ion mobility spectrometer |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172629U1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-07-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук | PHOTOACOUSTIC GAS ANALYZER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cumeras et al. | Review on ion mobility spectrometry. Part 1: current instrumentation | |
| TWI484172B (en) | Process and device for the identification of gases | |
| US8378297B2 (en) | Method and apparatus to produce steady beams of mobility selected ions via time-dependent electric fields | |
| US8502138B2 (en) | Integrated ion mobility spectrometer | |
| JP7014436B2 (en) | Use of ionizers for ionizing gaseous substances, devices and methods, and devices and methods for analyzing gaseous ionized substances. | |
| US11201045B2 (en) | Apparatus and method for ionizing an analyte, and apparatus and method for analysing an ionized analyte | |
| KR20170066463A (en) | Duel mode ion mobility spectrometer | |
| RU2673792C2 (en) | Dual polarity spark ion source | |
| RU2602429C2 (en) | Combination ion gate and modifier | |
| Soppart et al. | Comparison of electric fields within drift tubes for ion mobility spectrometry | |
| RU2577781C1 (en) | Ion mobility differential spectrometer of ion trap | |
| Baumbach et al. | Ion mobility sensor in environmental analytical chemistry—Concept and first results | |
| WO2013176580A1 (en) | Differential ion mobility spectrometer | |
| US10458946B2 (en) | Ion selecting device for identification of ions in gaseous media | |
| RU2354963C1 (en) | Method of detecting organic molecules | |
| RU2620251C2 (en) | Differential ion mobility spectrometer with a laminar flow | |
| RU2795499C2 (en) | Method and device for substance identification using ion separation method based on ionic mobility | |
| Kotkovskii et al. | A laser ion-mobility spectrometer | |
| RU2357239C1 (en) | Method of detecting organic molecules | |
| RU2434225C1 (en) | Method of obtaining and analysing analyte ions | |
| Lamabadusuriya | Band broadening phenomena in liquid phase ion mobility spectrometry | |
| Nahin | Modeling and experimenting a novel inverted drift tube device for improved mobility analysis of aerosol particles | |
| Zalewska | Innovative screening device for high-sensitive chemical vapors detection | |
| CN110662486A (en) | Electrode arrangement for drift tube | |
| Pervukhin et al. | Increasing the resolution of ion mobility increment spectrometers using the ripple voltage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE4A | Change of address of a patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200910 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210917 |