Прошло более 100 лет, как в практику научных исследований и в различные отрасли промышленности вошли методы исследования органических соединений с использованием масс-спектрометров и газовых хроматографов. В настоящее время ряд ведущих промышленных компаний мира серийно производит масс-спектрометры и газовые хроматографы различных модификаций, а также тандемные приборы – хромато-масс-спектрометры. Эффективная разрешающая способность этих приборов может достигать десятков и сотен тысяч. Основными недостатками перечисленных газоанализаторов являются их высокая стоимость и энергопотребление, значительные габаритные размеры и высокие требования к квалификации обслуживающего персонала.
В последние 20–25 лет актуализировалась проблема развития внелабораторных методов анализа [1], основанных на применении приборов с небольшими габаритами, энергопотреблением и временем анализа. Приборы должны обладать приемлемой разрешающей способностью, не требовать применения вакуума или особо чистых газов, характеризоваться простотой управления и интерпретации результатов анализа. Важнейшими областями применения таких приборов являются экологический мониторинг окружающей среды и промышленных производств, медицина, пищевая промышленность, биохимия, решение досмотровых задач для пресечения незаконного оборота наркотических, отравляющих и взрывчатых веществ.
Одним из важных направлений внелабораторных методов анализа является метод дрейф-спектрометрии, в котором идентификация органических соединений осуществляется по параметрам дрейфовой подвижности ионов органических соединений в воздухе атмосферного давления. Для ионизации органических соединений во входной части приборов применяют различные методы – радиоизотопную ионизацию, ионизацию в коронном разряде, ионизацию с использованием лазерного излучения, спрей-ионизацию, матричную ионизацию и т.д. [1–3]. Начиная с 1998 г. по указанной проблематике выходит специализированный научный журнал (International Journal for Ion Mobility Spectrometry), раз в два года проходят международные конференции, регулярно публикуются обзорные статьи по данной тематике [2–3], выходят монографии, посвященные различным модификациям дрейф-спектрометрии [4–6].
В монографии [4] подведены итоги развития спектрометрии ионной подвижности. Данный метод позволяет определять параметры дрейфовой подвижности ионов в области малой напряженности электрического поля. В данном случае величина дрейфовой подвижности ионов не зависит от величины напряженности электрического поля. В отечественной литературе метод называют «Времяпролетная Спектрометрия Ионной Подвижности» (ВСИП), в зарубежной литературе – «Ion Mobility Spectrometry» (IMS). По своей научной идеологии данный метод дрейф-спектрометрии восходит к научным результатам, изложенным в известной монографии [7].
В монографии [5] подведены итоги развития метода спектрометрии приращения ионной подвижности, позволяющего определять параметры дрейфовой подвижности ионов в области большой напряженности электрического поля. В данном случае величина дрейфовой подвижности ионов зависит от величины напряженности электрического поля. В отечественной литературе метод называют «Спектрометрия Приращения Ионной Подвижности» (СПИП), в зарубежной литературе – «High-field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry» (FAIMS), причем в основе метода лежит известное изобретение [8].
В развитие тандемных методов анализа химических объектов в монографии [6] описаны современные достижения в области создания приборов, в которых первой ступенью прибора является дрейф-спектрометр, осуществляющий предварительную сепарацию ионов по параметрам их дрейфовой подвижности со сравнительно небольшой разрешающей способностью. При этом основной анализ химических объектов осуществляется во второй ступени прибора, выполненной на основе масс-спектрометра высокого разрешения.
В литературе имеется большое число публикаций и по другому перспективному методу тандемной дрейф-спектрометрии, в котором первая ступень прибора выполнена на основе поликапиллярной хроматографической колонки, а вторая – на основе спектрометра ионной подвижности [9]. И хотя разрешающая способность как поликапиллярных хроматографических колонок, так и спектрометров ионной подвижности невелика, метод позволяет, по существу, проводить анализ химических объектов в трехмерном пространстве – «время прохождения поликапиллярной колонки – время прохождения дрейф-спектрометра – интенсивность сигнала». Вообще же, по данным работы [9] на 2010 г., в мире в различных областях науки и промышленности используется более 90 тыс. дрейф-спектрометров различных типов и модификаций.
С начала 70-х гг. прошлого века в различных лабораториях мира проводились исследования по созданию селективных поверхностно-ионизационных детекторов органических соединений азота, в частности аминов, к классу которых относятся наркотические вещества [10–15], а с появлением дрейф-спектрометрических приборов – исследования, направленные на создание селективных поверхностно-ионизационных дрейф-спектрометров [16]. Однако вплоть до настоящего времени промышленность так и не освоила серийный выпуск коммерческих приборов такого типа.
Монография В.И. Капустина, А.П. Коржавого «Поверхностно-ионизационная дрейф-спектрометрия» посвящена разработке научных и конструкторско-технологических основ поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии, в которой реализован метод селективной поверхностной ионизации органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы. Разработана физико-химическая теория поверхностной ионизации органических соединений, созданы высокоэффективные материалы термоэмиттеров ионов. Методами масс-спектрометрии и фотоэлектронной спектроскопии исследованы активные центры ионизации органических соединений и экспериментально подтверждена предложенная теория поверхностной ионизации. Разработаны новые теоретические подходы, позволившие совместить поверхностно-ионизационный источник ионов с дрейф-спектрометром коаксиального типа и обосновать возможность многопараметрического распознавания органических молекул в едином приборе.
Разработаны конструкции и технологии изготовления приборов, обеспечивающие высокую селективность и эффективность детектирования органических соединений, отсутствие чувствительности к колебаниям влажности воздуха. На примере модельного набора органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы показана возможность их идентификации по трем-семи независимым параметрам в различных модификациях прибора. Показана возможность реализации режима высокого разрешения именно в поверхностно-ионизационных дрейф-спектрометрах. Созданы лабораторные макеты пяти модификаций приборов – для анализа и экологического мониторинга атмосферы воздуха, воды и почвы, для систем противопожарной сигнализации степени опасности продуктов горения, для решения досмотровых задач с целью пресечения незаконного оборота наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, для применения в области медицины, пищевой промышленности, биохимии и т.д. Основные научные результаты были опубликованы в работах [17–49]. По результатам исследований и конструкторско-технологических разработок получен 21 патент Российской Федерации [50–70].
Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области электронного материаловедения, приборостроения, экологического мониторинга и может служить учебником, полезным преподавателям, аспирантам, магистрантам соответствующих физико-технических и естественнонаучных специальностей.
