устройство для получения и анализа ионов аналита

Формула изобретения

1. Устройство для получения и анализа ионов аналита, содержащее лазер УФ-диапазона, мишень, включающую молекулы аналита и расположенную на траектории потока лазерного излучения, систему регистрации ионов аналита и герметичный корпус, расположенный между мишенью и лазером, так что его продольная ось совмещена с траекторией лазерного излучения, а вдоль этой оси внутри корпуса последовательно и соосно расположены система ионизации молекул аналита, система выделения и транспортировки ионов аналита к системе их регистрации, корпус снабжен патрубками для ввода и вывода газа и системой ввода и транспортировки лазерного излучения на мишень, отличающееся тем, что в него введены газодинамическая система ввода и транспортировки молекул аналита от мишени в систему ионизации соосно и навстречу направлению движения лазерного излучения на мишень и дополнительный патрубок для вывода газа, расположенный между системой ионизации и системой выделения ионов аналита, а патрубок ввода буферного газа из системы циркуляции расположен на стенке корпуса со стороны ввода в него лазерного излучения, которая выполнена так, что ее оптический фокус расположен за мишенью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введена система подогрева, соединенная с электродами системы ионизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к определению микроследов опасных веществ - взрывчатых веществ, наркотиков, токсичных веществ и т.п. - при прохождении контрольных пунктов в аэропортах, железнодорожных вокзалах, выставках, при поиске скрытых закладок взрывчатых и наркотических веществ на таможенных пунктах досмотра, аэропортах, вокзалах, производственных и жилых помещениях.

Известна система для дистанционного отбора воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов, содержащая устройство обдува объекта воздушной струей, включающее побудитель нагнетаемого потока воздуха, устройство всасывания поступающего от объекта воздушного потока, снабженное побудителем всасываемого потока воздуха и устройство отбора транспортируемой от объекта пробы. Устройство обдува снабжено завихрителем воздушного потока и каналом транспортировки нагнетаемого потока воздуха от побудителя к завихрителю. Патент Российской Федерации № 2279051, МПК: G01N 1/22, 2006 г. В целом система для дистанционного отбора воздушных проб громоздка и малоэффективна.

Известно устройство обнаружения следов опасных веществ на поверхностях объектов при досмотре, содержащее устройство ввода обследуемого объекта, побудитель расхода воздуха, обдувающего поверхность объекта, нагреватель и газоанализатор, соединенный с выходом устройства ввода обследуемого объекта. В качестве обследуемого объекта используется поверхность предъявляемого для контроля документа. Устройство дополнительно снабжено фильтром очистки воздуха, а в качестве газоанализатора используется спектрометр приращения ионной подвижности. Выход спектрометра приращения ионной подвижности соединен с входом фильтра. Вход устройства ввода обследуемого объекта и вход спектрометра приращения ионной подвижности соединены с выходом фильтра, кроме того, нагреватель расположен непосредственно над поверхностью документа, а устройство ввода обследуемого объекта выполнено в виде герметичной камеры, защищающей обследуемую поверхность документа от внешней атмосферы. Патент Российской Федерации № 2288459, МПК: G01N 13/00, 2006 г. Устройство может быть использовано только для малогабаритных объектов.

Известно устройство для формирования и анализа ионов аналита, содержащее мишень с наноструктурированной поверхностью, средство для направления аналита к мишени, лазерный источник энергии для нагревания наноструктурированной поверхности мишени, средство для определения компонент аналита. Недостатком устройства является низкая чувствительность и необходимость создания вакуума. Патент США № 6825477, МПК: Н01J 49/00, 2004 г.

Известно устройство для получения и анализа ионов аналита, содержащее мишень с наноструктурированной поверхностью, средство для направления аналита к мишени, лазер, средство для выделения ионов налита. Средство для направления аналита к мишени и средство для выделения ионов аналита выполнено в виде дрейфовой трубки, соединенной с узлом ввода проб, содержащим корпус с патрубками для забора пробы и вывода газового потока из области ионизации. В корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлена мишень с наноструктурированной поверхностью, узел непрерывного обдува исследуемого объекта расположен вдоль оси входного и выходного патрубков, на противоположном внутреннем торце дрейфовой трубки расположен коллектор, соединенный с усилителем, выход усилителя соединен с входом компьютера. Патент Российской Федерации № 2346354, МПК: H01J 49/00. Опубл. 2009.

Известно устройство для получения и анализа ионов аналита в газовой фазе, содержащее лазер с рабочей частотой, систему ввода лазерного излучения в область ионизации молекул аналита, систему анализа ионов аналита, выполненную в виде корпуса с патрубками для ввода и вывода исследуемого газа, в котором последовательно и соосно расположены узел создания, выделения и транспортировки ионов аналита, дрейф-спектрометр, подключенный к системе регистрации и отображения тока ионов, и оптический резонатор, образованный двумя интерференционными зеркалами, на оси оптического резонатора между интерференционными зеркалами расположены поворотное интерференционное зеркало для направления лазерного излучения вдоль оптической оси резонатора, нелинейный оптический преобразователь частоты лазерного излучения, а за ним система создания, выделения и транспортировки ионов аналита и дрейф-спектрометр.

Патент РФ по заявке на изобретение № 2009108908/28(011922) от 12.03.2009 г, МПК: G01N 21/63. Прототип.

Недостатком известного устройства является то, что оно предназначено для работы с газообразной мишенью. На практике же существует проблема оперативного обнаружения следов аналита на твердых предметах без нарушения их целостности. Предлагаемое устройство решает эту задачу.

Это достигается тем, что в известное устройство для получения и анализа ионов аналита, содержащее лазер УФ диапазона, мишень, включающую молекулы аналита и расположенную на траектории потока лазерного излучения, систему регистрации ионов аналита и герметичный корпус, расположенный между мишенью и лазером, так что его продольная ось совмещена с траекторией лазерного излучения, а вдоль этой оси внутри корпуса последовательно и соосно расположены система ионизации молекул аналита и система выделения и транспортировки ионов аналита к системе их регистрации, корпус снабжен патрубками для ввода и вывода газа, соединенными с системой циркуляции газа и системой ввода и транспортировки лазерного излучения на мишень, введены газодинамическая система ввода и транспортировки молекул аналита от мишени в систему ионизации соосно и навстречу направлению движения лазерного излучения на мишень и дополнительный патрубок для вывода газа, расположенный между системой ионизации и системой транспортировки ионов аналита, а патрубок ввода газа из системы циркуляции расположен на стенке корпуса со стороны ввода в него лазерного излучения, который содержит линзу с оптическим фокусом, расположенным за мишенью. Кроме того, в устройство введена система подогрева, соединенная с электродами системы ионизации.

Существо изобретения поясняется на фиг.1-2.

На фиг.1 схематично представлено предлагаемое устройство, где: 1 - импульсно-периодический лазер УФ диапазона, 2 - фокусирующая линза, 3 - система регистрации ионов, 4 - система выделения и транспортировки ионов, 5 - система ионизации, 6 - газодинамическая система ввода и транспортировки молекул, 7 - исследуемая мишень, 8 - патрубок вывода анализируемого газа, 9 и 10 - патрубки ввода и вывода буферного газа, 11 - герметичный корпус, 12 - направление движения лазерного излучения на мишень, 13 - система циркуляции газа.

На фиг.2 приведены спектры ионной подвижности тринитротолуола и гексогена, полученные с помощью устройства.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 вводится в герметичный корпус 11 вдоль его продольной оси через фокусирующую линзу 2 и выводится за пределы корпуса на мишень, десорбируя с ее поверхности находящиеся на ней молекулы. Фокус линзы при этом располагается за поверхностью мишени, что обеспечивает отсутствие разрушения мишени при ее облучении. Десорбированные молекулы при помощи газодинамической системы 6 воздушным потоком транспортируются в систему ионизации 5, где ионизируются тем же лазерным лучом, который вызвал их десорбцию с мишени. Образовавшиеся ионы из системы ионизации под действием электрического поля, создаваемого электродами выделения системы транспортировки ионов 4, попадают в систему регистрации 3. Одновременно навстречу анализируемому потоку ионов направляется воздушный буферный поток из системы циркуляции через патрубок 9. Буферный поток представляет собой очищенный системой циркуляции воздух и служит для предотвращения попадания внешней воздушной среды в систему транспортировки и регистрации ионов, подхватывая и выводя внешний газовый поток в систему циркуляции через патрубок 10. Патрубок 8 служит для вывода воздушного потока из устройства. Направление лазерного излучения 12 совпадает с продольной осью симметрии систем ионизации, транспортировки и регистрации. Система подогрева, соединенная с электродами системы ионизации, на чертеже не показана и при работе устройства может быть включена или выключена.

Спектры, приведенные на фиг.2, соответствуют следующим условиям работы устройства.

Спектры 1 для тринитротолуола и 3 для гексогена получены для случая, когда мишень 7 не подвергается лазерному облучению, а молекулы аналита попадают в систему ионизации 5 устройства вследствие естественного газоотделения с поверхности исследуемой мишени 7.

Спектры 2 (тринитротолуол) и 4 (гексоген) соответствуют ситуации, когда десорбция с мишени 7 осуществляется благодаря воздействию на нее потоком излучения от лазера 1.

Таким образом, облучение лазером поверхности мишени 7 стимулирует десорбцию молекул с анализируемой поверхности, приводя к возрастанию амплитуды сигнала для ТНТ (спектр 2) более чем в 5 раз, для гексогена (спектр 4) - в 4 раза. Из соотношения площадей пиков ТНТ в спектрах 1 и 2 и гексогена в спектрах 3 и 4 можно сделать вывод об увеличении не менее чем в 10 раз концентрации молекул в воздушной пробе в случае лазерной десорбции. Важно, что работа устройства никак не связана с характеристиками мишени, не требует ее нагрева, предконцентрирования, а его эффективность проявляется особенно сильно при детектировании следов веществ с крайне низким давлением насыщенных паров (~10^-14 г/см³ и ниже). Время регистрации веществ устройством - 2 с.