The article provides an overview of the monograph of V.I. Kapustin, A.P. Korzhavykh "Surface-ionization drift spectrometry", considered its key position on the new method of drift spectrometry, which implements the method of selective surface-ionization of organic compounds of nitrogen, phosphorus, arsenic and sulfur.
drift spectrometry, thermal emitter ions, surface ionization
Монография [1] посвящена новому методу дрейф-спектрометрии, в котором 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.
В первой главе кратко изложены основные принципы традиционных методов дрейф-спектрометрии и приведены известные литературные результаты в области поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии. Рассмотрены физические соотношения, используемые в области дрейф-спектрометрии и необходимые для понимания материалов, изложенных в последующих разделах.
Вторая глава посвящена физическим моделям поверхностной ионизации органических соединений в условиях воздуха атмосферного давления и при умеренной температуре материалов термоэмиттеров ионов. Рассмотрена классическая модель поверхностной ионизации, основанная на уравнении Саха-Ленгмюра, и показана некорректность ее применения при умеренной температуре материалов термоэмиттеров ионов. Приведены основные положения теории абсолютных скоростей реакций, методы которой были использованы при разработке физико-химических моделей поверхностной ионизации органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы. Сформулированы понятия активных центров ионизации на поверхности различных типов материалов термоэмиттеров ионов органических соединений, показана физико-химическая природа активных центров и описаны методы экспериментального исследования параметров активных центров.
В третьей главе изложены теоретические подходы, разработанные авторами для описания особенностей поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии, которые отличаются от дрейф-спектрометрии с другими типами источников ионов. Суть данных отличий вытекает из того, что в поверхностно-ионизационных источниках ионов ионизация органических молекул происходит на поверхности термоэмиттера ионов без участия реагент-ионов на основе молекул воздуха, как в других типах источников ионов. При этом область ионизации локализована на поверхности термоэмиттера ионов, а образующиеся положительно заряженные ионы органических молекул не скомпенсированы ионами другого зарядового состояния. Дано теоретическое обоснование возможности многопараметрического распознавания органических соединений в едином приборе – путем одновременного определения нескольких независимых физико-химических параметров органических соединений без использования тандемных или более сложных схем. В частности, показано, что поверхностно-ионизационный дрейф-спектрометр позволяет одновременно определять параметры линейной дрейфовой подвижности ионов, параметры нелинейной дрейфовой подвижности ионов, а также ряд других параметров.
Четвертая глава посвящена вопросам конструкций и технологий поверхностно-ионизационных дрейф-спектрометров. Приведены технологические схемы получения материалов термоэмиттеров ионов органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы, рассмотрены конструкция и технология изготовления термоэмиттеров ионов, поверхностно-ионизационных источников ионов, конструкции и технологии изготовления собственно дрейф-спектрометров, а также ряда вспомогательных узлов дрейф-спектрометров.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований поверхностно-ионизационных свойств материалов термоэмиттеров ионов на основе микролегированных сплавов молибдена для детектирования органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы, а также оксидных бронз щелочного металла для детектирования нитросоединений. Приведены результаты исследований кинетики окисления микролегированных сплавов молибдена и результаты исследования термической и фазовой стабильности оксидных бронз щелочного металла, так как именно данные физико-химические процессы ответственны за формирование стабильных поверхностно-ионизационных свойств соответственно микролегированных сплавов молибдена и оксидных бронз щелочного металла.
Шестая глава посвящена детальному экспериментальному исследованию активных центров ионизации органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы на поверхности окисленных микролегированных сплавов молибдена. Изучены физико-химические параметры активных центров и кинетика их формирования при активировании поверхностно-ионизационных свойств окисленных микролегированных сплавов молибдена, по существу, кинетика активирования материала термоэмиттера и стабилизации его свойств.
В седьмой главе приведены результаты исследования активных центров ионизации нитросоединений на поверхности монокристаллов оксидных бронз щелочного металла методами фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов.
Восьмая глава посвящена исследованию параметров поверхностной ионизации модельного набора органических соединений – органических соединений азота, органических соединений фосфора мышьяка и серы – имитаторов физиологически опасных и отравляющих веществ, органических соединений из класса взрывчатых веществ.
В девятой главе приведены результаты масс-спектрометрических исследований состава ионного тока с поверхности окисленных микролегированных сплавов молибдена и с поверхности оксидных бронз щелочного металла, которые являются прямым экспериментальным подтверждение физико-химических моделей поверхностной ионизации, разработанных авторами. Полученные результаты позволили также оптимизировать технологии изготовления термоэмиттеров ионов органических соединений и технологические режимы их эксплуатации.
Десятая глава посвящена разработке и экспериментальному исследованию методов определения физико-химических параметров органических соединений в блоке источника ионов поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра – параметров термической десорбции органических соединений с поверхности носителей проб органических соединений и параметров линейной дрейфовой подвижности ионов органических соединений в области малой напряженности электрического поля.
Одиннадцатая глава посвящена разработке методик и экспериментальному определению физико-химических параметров модельного набора органических соединений в блоке дрейф-камеры поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра – параметров линейной и нелинейной дрейфовой подвижности ионов. Рассмотрены аналитические возможности методов при использовании традиционной аналоговой дрейф-спектрометрии и показана возможность реализации метода цифровой поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии высокого разрешения.
Двенадцатая глава посвящена разработке лабораторных макетов поверхностно-ионизационных дрейф-спекрометров. Экспериментально продемонстрирован многопараметрический принцип распознавания органических соединений путем одновременного определения нескольких физико-химических параметров органических соединений. Даны краткие описания лабораторных макетов приборов с возможность определения трех физико-химических параметров органических соединений с использованием упрощенной модификации поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра и шести-восьми физико-химических параметров органических соединений с использованием поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра в полной комплектации.
Таким образом, разработаны научные и конструкторско-технологические основы поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии, которые направлены на создание нового поколения приборов для анализа и экологического мониторинга атмосферы воздуха, воды и почвы, для систем противопожарной сигнализации, решения досмотровых задач, применения в области медицины, пищевой промышленности, биохимии. По результатам работы получено 20 патентов Российской Федерации. Основные результаты исследований были опубликованы ранее [2–54].
1. Kapustin V.I. Poverkhnostno-ionizatsionnaya dreyf-spektrometriya [Tekst]: monografiya / V.I. Kapustin, A.P. Korzhavyy. – M.: INFRA-M, 2015.
2. Kapustin V.I. Vysokochistye ul´tradispersnye poroshki oksidov: oborudovanie, tekhnologii, primenenie [Tekst] / V.I. Kapustin. Perspektivnye materialy. – 1998. – № 5. – S. 54–62.
3. Bannykh O.A. Fizicheskie metody obnaruzheniya parov vzryvchatykh veshchestv [Tekst] / O.A. Bannykh [i dr.]. Perspektivnye materialy. – 2000. – № 5. – S. 87–94.
4. Kapustin V.I. Fiziko-khimicheskie osnovy sozdaniya mnogokomponentnykh oksidsoderzhashchikh katodnykh materialov [Tekst] / V.I. Kapustin. Perspektivnye materialy. – 2000. – № 2. – S. 5–17.
5. Fizikokhimiya poverkhnostnoy ionizatsii nekotorykh tipov organicheskikh molekul [Tekst] / O.A. Bannykh [i dr.]. Doklady Akademii nauk. – 2002. – T. 385. – № 2. – S. 200–204.
6. Bannykh O.A., Povarova K.B., Kapustin V.I., Bobrov A.A., Petrov V.S. Physical chemistry of surface ionization of some types of organic molecules. Doklady physical chemistry, 2002, vol. 385, N 1–3, pr. 154–157.
7. Bannykh O.A. Novyy podkhod k poverkhnostnoy ionizatsii i dreyf-spektroskopii organicheskikh molekul [Tekst] / O.A. Bannykh, K.B. Povarova, V.I. Kapustin. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. – 2002. – T. 72. – Vyp. 12. – S. 88–93.
8. Bannykh O.A., Povarova K.B., Kapustin V.I. New approach to the surface ionization and drift spectroscopy of the organic molecules. J. Tech. Ph., 2002, vol. 47, № 12, pr. 1570–1575.
9. Bannykh O.A. Novyy dreyf-spektrometr s poverkhnostnoy ionizatsiey organicheskikh molekul [Tekst] / O.A. Bannykh [i dr.]. Naukoemkie tekhnologii. – 2002. – T. 3. – S. 37–40.
10. Kapustin V.I. Parametry ionizatsii nekotorykh nitrosoedineniy na poverkhnosti oksidnoy bronzy shchelochnogo metalla [Tekst] / V.I. Kapustin, V.S. Petrov, A.A. Chernousov. Pis´ma ZhTF. – 2004. – T. 30. – Vyp. 17. – S. 19–22.
11. Kapustin V.I., Petrov V.S., Chernousov A.A. Ionization parameters of nitro compounds on the surface of alkali metal oxide bronze. J. «Technical Physics Letters». 2004, Vol. 30, No. 9, pp. 717, 718.
12. Kapustin V.I. Novye materialy i tekhnologii dlya podogrevateley termoemitterov ionov organicheskikh soedineniy [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Perspektivnye mate-rialy. – 2006. – № 6. – S. 5–9.
13. Kapustin V.I. Fizicheskie osnovy kontrolya kachestva poverkhnostno-ionizatsionnykh termoemitterov ionov [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Perspektivnye materialy. – 2006. – № 3. – S. 76–81.
14. Kapustin V.I. Nano- i robotizirovannye tekhnologii v proizvodstve poverkhnostno-ionizatsionnykh termoemitterov ionov [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Naukoemkie tekhnologii. – 2007. – № 4. – S. 35–37.
15. Kapustin V.I. Novyy metod detektirovaniya geptila i produktov ego nepolnogo okisleniya [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Naukoemkie tekhnologii. – 2007. – № 4. – S. 55–57.
16. Kapustin V.I. Novye fizicheskie metody identifikatsii organicheskikh soedineniy s ispol´zovaniem poverkhnostno-ionizatsionnogo dreyf-spektrometra [Tekst] / V.I. Kapus-tin, K.O. Nagornov, A.L. Chekulaev. ZhTF. – 2009. – T. 79. – Vyp. 5. – S. 109–116.
17. Kapustin V.I., Nagornov K.O., Chekulaev A.L. New Physical Methods of Organic Compound Identification Using a Surface Ionization Drift Spectrometer. J. Technical Physics. – 2009. – Vol. 54, No. 5. – pp. 712–718.
18. Kapustin V.I. Termogravimetricheskie i mass-spektrometricheskie issledovaniya organicheskikh nositeley prob khimicheskikh ob´´ektov [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Naukoemkie tekhnologii. – 2009. – Tom 10. – Vyp. 11. – S. 75–82.
19. Kinetika okisleniya i poverkhnostno-ionizatsionnye svoystva mikrolegirovannykh splavov molibdena [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Perspektivnye materialy. – 2010. – № 1. – S. 33–40.
20. Kapustin V.I. Pribory dlya detektirovaniya toksichnykh veshchestv na osnove poverkhnostno-ionizatsionnykh nanostrukturirovannykh materialov [Tekst] / V.I. Kapustin, A.S. Sigov, K.O. Nagornov. Nanotekhnika. – 2010. – № 4. – S. 80–85.
21. Mass-spektrometricheskie issledovaniya mekhanizma ionizatsii organicheskikh soedineniy azota na poverkhnosti mikrolegirovannogo splava molibdena [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. ZhKhF. – 2011. – T. 30. – № 7. – S. 1–14.
22. Kapustin V.I., Nagornov K.O., Kharybin O.N., Nikolaev E.N. Mass spectrometric study of the mechanism of the ionization of nitrogen containing compounds on the surface of a molybdenum microalloyed alloy. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2011, Vol. 5, No. 4, pp. 689–700.
23. Solntsev S.A. Poverkhnostnaya ionizatsiya organicheskikh soedineniy azota, sery, fosfora i mysh´yaka [Tekst] / S.A. Solntsev, K.O. Nagornov, V.I. Kapustin. Vestnik MITKhT. – 2011. – № 2. – S. 112–118.
24. Kapustin D.V. Poverkhnostno-ionizatsionnye svoystva monokristallov i polikristallov oksidnykh bronz shchelochnogo metalla [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Perspektivnye materialy. – 2013. – № 6. – S. 15–21.
25. Kapustin D.V. Poverkhnostno-ionizatsionnye svoystva oksidnoy bronzy shchelochnogo metalla [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Pis´ma v ZhTF. – 2012. – Tom 38. – Vyp. 4. – S. 83–88.
26. Kapustin D.V., Bush A.A., Nagornov K.O., Kapustin V.I. Surface ionization properties of alkali metal oxide bronze. Technical physics letters. 2012, vol. 38, No. 2, pp. 197–199.
27. Kapustin V.I. Spektrometriya lineynoy i nelineynoy dreyfovoy podvizhnosti ionov organicheskikh soedineniy [Tekst] / V.I. Kapustin, S.A. Solntsev. Naukoemkie tekhnologii. – 2012. – T. 13. – № 2. – S. 47–54.
28. Kapustin D.V. Poverkhnostno-ionizatsionnye svoystva monokristallov i polikristallov oksidnykh bronz shchelochnogo metalla [Tekst] / D.V. Kapustin. Perspektivnye materialy. – 2013. – № 6. – S. 15–21.
29. Kapustin D.V., Bush A.A., Zakharov A.K., Kapustin V.I. Surface Ionization Properties of Single Crystals and Polycrystals of Alkali Metal Oxide Bronzes. Inorganic Materials: Applied Research. 2014. Vol. 4, No. 5. pp. 420–425.
30. Issledovaniya elektronnoy struktury monokristallov natriy-vanadievykh bronz ti-pa NaxV2O5 pri kh = 0,23, 0,28 i 0,33 [Tekst] / V.I. Kapustin [i dr.]. Poverkhnost´. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya. – 2014. – № 2. – S. 1–11.
31. Nazin V.G., Lev L.L., Kapustin V.I. et al. Study of the Electronic Structure of Sodium–Vanadium Bronze (NaxV2O5) Single Crystals at x = 0.23, 0.28, and 0.33. Journal of Surface Investigation. X_ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2014. Vol. 8, No. 1. pp. 117–126.
32. Kapustin D.V. Issledovanie sostava ionnogo toka pri ionizatsii parov tekhnichesko-go trotila na poverkhnosti oksidnoy bronzy shchelochnogo metalla [Tekst] / D.V. Kapustin, A.P. Korzhavyy, V.I. Kapustin. Naukoemkie tekhnologii. – 2014. – № 2. – S. 32–41.
33. Korzhavyy A.P. Metody eksperimental´noy fiziki v izbrannykh tekhnologiyakh zashchity prirody i cheloveka [Tekst] / A.P. Korzhavyy, V.I. Kapustin, G.V. Koz´min. – M.: Iz-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2012. – 352 s.
34. Kapustin V.I. Materialovedenie i tekhnologii elektroniki [Tekst]: uchebnoe posobie / V.I. Kapustin, A.S. Sigov. – M.: INFRA-M, 2014. – 427 s.
35. Patent 2186384 RF. Sposob obnaruzheniya i analiza sledovykh kolichestv organicheskikh molekul v atmosfere vozdukha / Kapustin V.I. i dr. Zayavl. 21.12.1999, opubl. 27.07.2002. B.I. № 21.
36. Patent RF 2105379. Sposob polucheniya sploshnoy plenki s almazopodobnoy strukturoy i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya /Kapustin V.I. i dr. Zayavl. 12.06.1998.
37. Patent 2260869 RF. Material termoemittera dlya poverkhnostnoy ionizatsii organicheskikh soedineniy na vozdukhe i sposob aktivatsii termoemittera / Kapustin V.I. Zayavl. 12.04.2004, opubl. 20.09.2005. B.I. № 26.
38. Patent 2262697 RF. Sposob kontrolya termoemissionnogo sostoyaniya poverkhnostno-ionizatsionnogo termoemittera ionov / Kapustin V.I. Zayavl. 17.05.2004, opubl. 20.10.2005. B.I. № 29.
39. Patent 2265835 RF. Sposob analiza organicheskikh soedineniy v sostave atmosfery vozdukha / Kapustin V.I. Zayavl. 19.04.2004, opubl. 10.12.2005. B.I. № 34.
40. Patent 2528548 RF. Termoemitter ionov organicheskikh soedineniy / Kapustin V.I. Zayavl. 17.10.2012, opubl. 27.04.14.B.I. № 12.
41. Patent 2329563 RF. Sposob i ustroystvo dlya raspoznavaniya organicheskikh soedineniy /Kapustin V.I. Zayavl. 25.12.2006, opubl. 20.07.2008. B.I. № 20.
42. Patent 2357239 RF. Sposob identifikatsii organicheskikh molekul / Kapustin V.I. Zayavl. 08.11.2007, opubl. 27.05.2009. B.I. № 15.
43. Patent 2444730 RF. Sposob identifikatsii atomov i molekul / Kapustin V.I. Zayavl. 22.12.2010, opubl. 10.02.2012. B.I. № 7.
44. Patent 2389011 RF. Sposob analiza organicheskikh soedineniy / Kapustin V.I. Zayavl. 30.12.2008, opubl. 10.05.2010. B.I. № 13.
45. Patent 2293976 RF. Poverkhnostno-ionizatsionnyy istochnik ionov organicheskikh soedineniy / Kapustin V.I. Zayavl. 30.03.2004, opubl. 20.02.2007. B.I. № 5.
46. Patent 2293973 RF. Istochnik ionov organicheskikh soedineniy / Kapustin V.I. Zayavl. 18.04.2005, opubl. 20.02.2007. B.I. № 5.
47. Patent 2293977 RF. Spektrometr ionnoy podvizhnosti / Kapustin V.I. Zayavl. 21.02.2005, opubl. 10.08.2006. B.I. № 5.
48. Patent 2293975 RF. Blok kollektora ionov spektrometra ionnoy podvizhnosti / Kapustin V.I. Zayavl. 30.03.2004, opubl. 20.07.2007. B.I. № 5.
49. Patent 2293974 RF. Spektrometr dreyfovoy podvizhnosti ionov / Kapustin V.I. Zayavl. 18.04.2005, opubl. 20.07.2007. B.I. № 5.
50. Patent 2293978 RF. Blok kollektora spektrometra dreyfovoy podvizhnosti ionov / Kapustin V.I. Zayavl. 18.04.2005, opubl. 20.02.2007. B.I. № 5.
51. Patent 2263996 RF. Sposob kontrolya sostoyaniya spektrometra ionnoy podvizhnosti s poverkhnostno-ionizatsionnym termoemitterom ionov / Kapustin V.I. Zayavl. 25.05.2004, opubl. 10.11.2005. B.I. № 31.
52. Patent 2354963 RF. Sposob identifikatsii organicheskikh molekul / Kapustin V.I. Zayavl. 08.11.2007, opubl. 10.05.2009. B.I. № 13.
53. Patent 2390748 RF. Sistema dlya distantsionnogo otbora i analiza vozdushnykh prob s poverkhnosti i iz negermetizirovannykh ob´´ektov / Kapustin V.I. Zayavl. 22.12.2008, opubl. 27.05.2010. B.I. № 15.
54. Patent 2327982 RF. Generator potoka para organicheskikh veshchestv / Kapustin V.I. Zayavl. 25.12.2006, opubl. 27.06.2008. B.I. № 18.
55. Patent 2447429 RF. Sistema dlya distantsionnogo otbora i analiza vozdushnykh prob / Kapustin V.I. Zayavl. 22.12.2010, opubl. 10.04.2012. B.I. № 10.
