Устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха
Полезная модель относится к устройствам для обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул взрывчатых и психотропных веществ в атмосфере воздуха. Полезная модель может быть использована 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. В основу предложенной полезной модели 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 устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха, содержащее замкнутый или проточный объем, в котором помещен источник ионизации и коллектор ионов, согласно предложенной полезной модели, в качестве источника ионизации включает источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом и снабжено спектрометром дрейфовой подвижности ионов для регистрации и анализа ионного тока отрицательно заряженных ионов органических молекул, образовавших в результате взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом. Возможность достижения технического результат обеспечивается тем, что в предложенном устройстве в качестве материала источника электризации органических молекул используют полимерную пленку с радиоэлектретным эффектом, и процесс электризации органических молекул взрывчатых и психотропных веществ происходит путем прохождения их сквозь наноотверстия полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом. Предложенное устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха относится к устройствам нового поколения, основанном на новом физическом принципе - селективной ионизации молекул газовой фазы с использованием радиоэлектретов.
Полезная модель относится к устройствам для обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул взрывчатых и психотропных веществ в атмосфере воздуха. Полезная модель может быть использована 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.
Известно устройство для регистрации и анализа следовых количеств органических молекул в условиях атмосферы воздуха, включающее в качестве источника ионизации катод, выполненный из электропроводного тугоплавкого металла, например из молибдена, коллектор ионов и регистрирующий блок. Регистрации и анализ следовых количеств органических молекул в условиях атмосферы воздуха осуществляется путем избирательной ионизации указанных органических молекул на нагретой поверхности катода с последующей регистрацией ионного тока в воздушном зазоре между катодом и коллектором ионов [Патент США №5028544, МПК 5 G 01 N 33/00, опубл. 02.07.1991 г.].
В известном устройстве анализ следовых количеств органических молекул 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.
Известно устройство для 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 известное устройство 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 устройству является устройство для обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха, включающее замкнуты или проточный объем, в который помещен коллектор ионов и катод, причем в качестве материала катода используют материал содержащий, по крайней мере, одну оксидную бронзу щелочного металла и бронзообразующий оксид переходного металла. В известном устройстве подают газовую пробу, содержащую органические молекулы, в замкнутый или проточный объем, нагревают катод до рабочей температуры, регистрируют и анализируют ионный ток в цепи коллектора ионов и/или в цепи катода, при этом обеспечивается 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 G 01 N 30/00, G 01 N 27/62, опубл. 27.07.2002 г.].
В известном устройстве 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 устройства для 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 предложенной полезной модели 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 устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха, содержащее замкнутый или проточный объем, в котором помещен источник ионизации и коллектор ионов, согласно предложенной полезной модели, в качестве источника ионизации включает источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом и снабжено спектрометром дрейфовой подвижности ионов для регистрации и анализа ионного тока отрицательно заряженных ионов органических молекул, образовавших в результате взаимодействия органических молекул с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом.
Возможность достижения технического результат обеспечивается тем, что в предложенном устройстве в качестве материала источника электризации органических молекул используют полимерную пленку с радиоэлектретным эффектом, и процесс электризации органических молекул взрывчатых и психотропных веществ происходит путем прохождения их сквозь наноотверстия полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом.
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, No 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 СЭЕ выполняется для органических молекул которые требуется обнаруживать и идентифицировать. С другой стороны, при реализации заявленного способа не происходит образование отрицательных ионов из молекул О2, N2 , CO2, H2O и атомов аргона которые составляют атмосферный воздух. Для этих частиц условие СЭЕ не выполняется и, следовательно, их ионизация данным способом невозможна. Это обстоятельство приводит в заявленном устройстве к высокой селективности ионизации молекул взрывчатых и психотропных веществ. Следствием этого является высокая чувствительность заявленного устройства.
Физическая сущность процесса, происходящего при работе устройства, состоит в присоединении 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.
Предложенная полезная модель поясняется рисунком, где на фиг 1 - изображена схема конструкции устройства.
Устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха (фиг.1) содержит замкнутый или проточный объем 1, в котором помещены
источник ионизации 2 и коллектор ионов 3. В качестве источника ионизации 2 органических молекул 4 взрывчатых и психотропных веществ устройство включает источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, содержащей наноотверстия 5. Устройство снабжено спектрометром 6 дрейфовой подвижности ионов для регистрации и анализа ионного тока отрицательно заряженных ионов органических молекул, образовавших в результате взаимодействия органических молекул 4 с электронами, захваченными при столкновении с поверхностью полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом.
Устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха работает следующим образом.
В замкнутый или проточный объем 1, в котором помещены источник ионизации 2, в качестве которого использован источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающей радиоэлектретным эффектом, содержащей наноотверстия 5 и коллектор ионов 3, подают газовую пробу воздуха, содержащую органические молекулы 4 взрывчатых и психотропных веществ. Органические молекулы 4 газовой пробы электризуют. Процесс электризации органических молекул происходит путем прохождения их сквозь наноотверстия 5 радиэлектретной пленки.
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.
Предложенное устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха относится к устройствам нового поколения, основанном на новом физическом принципе - селективной ионизации молекул газовой фазы с использованием радиоэлектретов.
Устройство для обнаружения и идентификации органических молекул в атмосфере воздуха, содержащее замкнутый или проточный объем, в котором помещен источник ионизации и дрейф-спектрометр, отличающееся тем, что устройство в качестве источника ионизации включает источник электризации, выполненный из полимерной пленки, обладающий радиоэлектроным эффектом.
