способ обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха

Формула изобретения

Способ обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха, заключающийся в том, что подают газовую пробу воздуха, содержащую органические молекулы, в замкнутый или проточный объем, в котором помещен источник ионизации и коллектор ионов, ионизируют органические молекулы газовой пробы, регистрируют и анализируют ионный ток в цепи коллектора ионов, отличающийся тем, что в качестве источника ионизации используют источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, ионизируют органические молекулы газовой пробы путем взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, регистрируют и анализируют ионный ток отрицательно заряженных ионов органических молекул, образованных в результате взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, с помощью спектрометра дрейфовой подвижности ионов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам для обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул взрывчатых и психотропных веществ в атмосфере воздуха. Изобретение может быть использовано при создании стационарных, переносных и портативных приборов для регистрации наличия в атмосфере воздуха указанных типов органических молекул, а также для идентификации этих молекул с помощью спектрометра дрейфовой подвижности ионов.

Известен способ регистрации и анализа следовых количеств органических молекул в условиях атмосферы воздуха путем избирательной ионизации указанных органических молекул на нагретой поверхности катода, выполненного из электропроводного тугоплавкого металла, например из молибдена, и последующая регистрация ионного тока в воздушном зазоре между катодом и коллектором ионов путем регистрации электрического тока в цепи катода или коллектора [Патент США №5028544, МПК 5 G01N 33/00, опубл. 02.07.1991 г.].

Известный способ основан на явлении поверхностной ионизации органических молекул, величина энергии ионизации которых меньше величины работы выхода материала катода на нагретой поверхности катода в условиях атмосферы воздуха. Например, величина работы выхода для молибдена составляет 4,0-4,2 эВ, то есть данный материал катода позволяет регистрировать достаточно ограниченный класс органических молекул, энергия ионизации которых меньше указанной величины. При этом в случае формирования на поверхности катода пленки оксида молибдена удается увеличить работу выхода поверхности катода до 6,5-6,8 эВ.

Известен также способ идентификации органических молекул, содержащихся в воздухе, в котором в воздушный зазор между катодом и коллектором помещают устройство, осуществляющее сепарацию ионов органических молекул, попадающих на коллектор, в соответствии с величиной их массы, электрического заряда или дрейфовой подвижности [Буряков И.А., Крылов Е.В., Макась А.Л. и др. Дрейф-спектрометр для контроля следовых количеств аминов в атмосфере воздуха. Журнал аналитической химии, 1993 г., т.43, Вып.1, с.156-165].

Однако известный способ не позволяет регистрировать органические молекулы, имеющие энергию ионизации выше 7,0 эВ, например молекулы нитросоединений M-NO₂, нитрилов M-CN (где М - органический радикал), и многих других типов, к которым относятся взрывчатые и психотропные вещества, так как ионизационная эффективность окисленного молибдена по отношению к органическим молекулам указанных типов в условиях атмосферы воздуха составляет не более 10 ^-7-10^-12.

Наиболее близким к предложенному способу является способ обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха, заключающийся в том, что подают газовую пробу, содержащую органические молекулы, в замкнутый или проточный объем, в который помещен коллектор ионов и катод, нагревают катод до рабочей температуры, регистрируют и анализируют ионный ток в цепи коллектора ионов и/или в цепи катода, причем в качестве материала катода используют материал, содержащий, по крайней мере, одну оксидную бронзу щелочного металла и бронзообразующий оксид переходного металла, при этом обеспечивают насыщение поверхности катода атомами, по крайней мере, одного щелочного металла путем переноса атомов щелочного металла из объема материала катода на его поверхность, регистрируют и анализируют ионный ток вторичных органических молекул, образовавшихся на поверхности катода в результате взаимодействия органических молекул с атомами щелочного металла на поверхности катода [Патент РФ №2186384, МПК 7 G01N 30/00, G01N 27/62, опубл. 27.07.2002 г.].

В известном способе ионизация органических молекул происходит в результате их взаимодействия с кислотными и основными центрами Бренстеда, образующимися на поверхности оксидов в результате диссоциативной адсорбции на ней молекул воды, а также в результате взаимодействия органических молекул с ионами щелочных металлов на поверхности оксидной бронзы. Ионизация протекает по квазихимическим реакциям, причем продуктами этих реакций являются не ионы обнаруживаемых органических молекул, а положительные и отрицательные ионы радикалов, входящих в состав этих органических молекул или ионы химических соединений этих органических молекул с атомами щелочных металлов, с атомами водорода или гидроксильными группами ОН. Как правило, в результате взаимодействия обнаруживаемых органических молекул с поверхностью катода одновременно образуются все вышеперечисленные ионы. Это значительно затрудняет последующий анализ и идентификацию молекул обнаруживаемых органических соединений. Следствием этого является снижение чувствительности обнаружения следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха и погрешности идентификации этих органических молекул.

Изложенное дает основание сделать вывод о том, что известные способы регистрации и анализа органических молекул в сочетании с известными конструкционными материалами катодов не в полной мере удовлетворяют требованиям по селективной ионизации органических молекул в атмосфере воздуха с целью обнаружения этих молекул и последующей идентификации.

В основу настоящего изобретения положена техническая задача, которая состоит в повышении чувствительности обнаружения следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха и снижении погрешности идентификации органических молекул взрывчатых и психотропных веществ.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха, заключающемся в том, что подают газовую пробу воздуха, содержащую органические молекулы, в замкнутый или проточный объем, в котором помещен источник ионизации и коллектор ионов, ионизируют органические молекулы газовой пробы, регистрируют и анализируют ионный ток в цепи коллектора ионов согласно предложенному изобретению, в качестве источника ионизации используют источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, ионизируют органические молекулы газовой пробы путем взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, регистрируют и анализируют ионный ток отрицательно заряженных ионов органических молекул, образовавших в результате взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом с помощью спектрометра дрейфовой подвижности ионов.

Возможность достижения технического результата, состоящего в повышении чувствительности обнаружения следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха и снижении погрешности идентификации органических молекул взрывчатых и психотропных веществ, обеспечивается всей заявленной совокупностью существенных признаков.

Отличительной особенностью заявленного способа является то, что ионизируют органические молекулы газовой пробы путем взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, при этом в качестве источника ионизации используют источник электризации органических молекул, выполненный из полимерной пленки с радиоэлектретным эффектом (радиоэлектреты).

Эти пленки характеризуются наличием сквозных каналов с наноразмерами, обуславливающими селективную ионизацию проходящих сквозь них молекул аминов, составляющих основу психотропных веществ, и молекул нитросоединений, из которых состоят взрывчатые вещества.

Как известно, практически все известные органические и неорганические диэлектрики могут быть переведены в электретное состояние (Губкин А.Н. Электреты, М., 1978).

Для получения электретов диэлектрик, помещенный в электрическое поле, подвергают определенному внешнему воздействию, которое способствует процессу миграции заряженных частиц (электронов и ионов). Такими воздействиями могут быть нагревание, освещение, магнитное поле, механическое напряжение, радиоактивное облучение и др. Поэтому в зависимости от способа изготовления различают термоэлектреты, фотоэлектреты, магнитоэлектреты, радиоэлектреты и др. Радиоэлектреты, в частности, получают воздействием пучков заряженных частиц высокой энергии, радиоактивным облучением, они имеют большую стабильность во времени (Гриднев С.А. Диэлектрики с метастабильной электрической поляризацией // СОЖ, 1997, №5, с.105-111).

Установлено, что глубина поверхностных ловушек полимера, на которые захватываются электроны, в процессе придания полимерной пленке электретных свойств в результате ее облучения пучком электронов составляет Е=(0,5-1,4) эВ. Если с поверхностью такой радиоэлектретной пленки сталкивается органическая молекула, обладающая положительным сродством к электрону (СЭ), причем выполняется условие СЭ Е, тогда к органической молекуле присоединяется покидающий поверхностную ловушку электрон и из нейтральной органической молекулы образуется отрицательный ион. Сродство к электрону молекул нитросоединений, из которых состоят взрывчатые вещества, имеет порядок (1,2-1,8) эВ, такой же порядок СЭ имеют молекулы психотропных веществ. Таким образом, условие СЭ Е выполняется для органических молекул, которые требуется обнаруживать и идентифицировать. С другой стороны, при реализации заявленного способа не происходит образование отрицательных ионов из молекул O₂, N₂ , CO₂, Н₂O и атомов аргона, которые составляют атмосферный воздух. Для этих частиц условие СЭ Е не выполняется и, следовательно, их ионизация данным способом невозможна. Это обстоятельство приводит в заявленном способе к высокой селективности ионизации молекул взрывчатых и психотропных веществ. Следствием этого является высокая чувствительность заявленного способа.

Заявленный способ по своей физической сущности предполагает присоединение к обнаруживаемой органической молекуле электрона, таким образом, в результате взаимодействия органических молекул с поверхностью радиоэлектретной пленки образуются отрицательные ионы самих органических молекул, а не их частей или соединений с другими атомами или группами атомов. Это в значительной степени снижает погрешность идентификации органических молекул, находящихся в атмосферном воздухе.

Заявленный способ поясняется чертежом, где схематически изображен процесс электризации органических молекул, проходящих сквозь наноотверстия радиэлектретной пленки.

Сущность заявленного способа обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха состоит в следующем.

В замкнутый или проточный объем 1, в котором помещены источник электризации 2 и коллектор ионов 3, подают газовую пробу 4 воздуха, содержащую органические молекулы взрывчатых и психотропных веществ. Органические молекулы газовой пробы электризуют, при этом в качестве источника электризации 2 используют полимерную пленку, обладающую радиоэлектретным эффектом. Процесс электризации органических молекул происходит путем прохождения их сквозь наноотверстия 5 радиэлектретной пленки 2.

Полимерную пленку, обладающую радиоэлектретным эффектом, (радиоэлектрет) получают путем облучения пленки в вакууме потоком электронов с энергией от 5 кэВ до 50 кэВ с целью насыщения электронами всего объема пленки.

Далее, ионный ток в цепи коллектора 3 отрицательно заряженных ионов органических молекул, образовавших в результате взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, регистрируют и анализируют. Для чего используют спектрометр 6 дрейфовой подвижности ионов, который идентифицирует отрицательные ионы по скорости их дрейфа в электрическом поле в присутствии атмосферного воздуха.

Предложенный способ обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха относится к технологии нового поколения, основанной на новом физическом принципе - селективной ионизации молекул газовой фазы с использованием радиоэлектретов.