В статье представлен анонс на монографию В.И. Капустина, А.П. Коржавого «Поверхностно-ионизационная дрейф-спектрометрия», посвященную новому методу дрейф-спектрометрии, в котором реализован метод селективной поверхностной ионизации органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы.
дрейф-спектрометрия, хроматограф, масс-спектрометр, внелабораторные методы анализа.
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.
1. Проблемы аналитической химии. Том 13: Внелабораторный химический анализ [Текст] / под ред. акад. РАН Ю.А. Золотова. – 2010. – М.: Наука. – 564 с.
2. Baumbach, J.I. Ion mobility spectrometry in scientific literature and in the International Journal for Ion Mobility Spectrometry (1998–2007) [Теxt] / J.I. Baumbach // Int. J. Ion Mobil. Spec. – 2008. – № 11. – Pр. 3–11.
3. Буряков И.А. Российские публикации 1991–2010 годов, посвященные методу спектрометрии ионной подвижности [Текст] / И.А. Буряков // Журнал аналитической химии. – 2011. – Том. 66. – № 11. – С. 1210–1217.
4. Eiceman G.A. Ion Mobility Spectrometry [Теxt] / G.A. Eiceman, Z. Karpas // Second Edition. – 2010. – CRC Press. – 370 p.
5. Shvartsburg A.A. Differential Ion Mobility Spectrometry [Теxt] / А.А. Shvartsburg // Nonlinear Ion Transport and Fundamentals of FAIMS. – 2009. – CRC Press. – 322 p.
6. Wilkins C.L. Ion Mobility Spectrometry [Теxt] / C.L. Wilkins, S. Trimpin // Mass Spectrometry: Theory and Applications. – 2010. – CRC Press. – 374 p.
7. Мак-Даниэль И. Подвижность и диффузия ионов в газах [Текст] / И. Мак-Даниэль, Э. Мэзон; пер. с англ. – 1976. – М.: Мир. – 424 с.
8. Горшков М.П. Метод анализа примесей в газах. Авторское свидетельство СССР № 966583. МКИ G01n27/62. Опубл. в бюлл. – 38. –982 г.
9. Bunkowski A. Software tool for coupling chromatographic total ion current dependencies of GC/MSD and MCC/IMS [Теxt] / A. Bunkowski // Int. J. Ion Mobil. Spec. – 2010. – № 13. – Рр.169–175.
10. Зандберг Э.Я. Эмиттеры для поверхностно-ионизационных детекторов органических соединений [Текст] / Э.Я. Зандберг, У.Х. Расулев, Ш.М. Халиков // ЖТФ. – 1976. – Том XLVI. – 4. – С. 832–837.
11. Зандберг Э.Я. Окисленные вольфрамовые ленты как эмиттеры ионов для поверхностной ионизации органических соединений [Текст] / Э.Я. Зандберг, Э.Г. Назаров, У.Х. Расулев // ЖТФ. – 1980. – Том. 50. – 4. – С. 796–803.
12. Зандберг Э.Я. Термоэмиттеры положительных ионов из окисленных рениевых пленок [Текст] / Э.Я. Зандберг, Э.Г. Назаров, У.Х. Расулев // ЖТФ. – 1981. – Том. 51. – № 1. – С. 1242–1247.
13. Rasulev U.K. A study of a surface-ionization source for IMS [Теxt] / U.K. Rasulev // Int. J. Ion Mobility Spectrom. – 2001. – Vol. 4. – Рр. 13–16.
14. Rasulev U.K. Atmosphere pressure surface ionization indicator of narcotics [Теxt] / U.K. Rasulev [et al.] // Int. J. Ion Mobility Spectrom. – 2001. – Vоl. 4. – № 2. – Рр. 212–225.
15. Бурханов Г.С. Материал поверхностно-ионизационных эмиттеров для обнаружения аминов [Текст] / Г.С. Бурханов [и др.] // Металлы. – 2009. – № 2. – С. 100–104.
16. Буряков И.А. Дрейф-спектрометр для контроля следовых количеств аминов в атмосфере воздуха [Текст] / И.А. Буряков [и др.] // Журнал аналитической химии. – 1993. – Том 48. – № 1. – С. 156–165.
17. Капустин В.И. Высокочистые ультрадисперсные порошки оксидов: оборудование, технологии, применение [Текст] / В.И. Капустин // Перспективные материалы. – 1998. – №5. – С. 54-62.
18. Банных О.А. Физические методы обнаружения паров взрывчатых веществ [Текст] / О.А. Банных [и др.] // Перспективные материалы. – 2000. – № 5. – С. 87–94.
19. Капустин В.И. Физико-химические основы создания многокомпонентных оксидсодержащих катодных материалов [Текст] / В.И. Капустин // Перспективные материалы. – 2000. – № 2. – С. 5–17.
20. Банных О.А. Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул [Текст] / О.А. Банных [и др.] // Доклады Академии наук. – 2002. – Т. 385. – № 2. – С. 200–204.
21. Bannykh O.A. Physical chemistry of surface ionization of some types of organic molecules [Теxt] / O.A. Bannykh [et al.] // Doklady physical chemistry. – 2002. – Vol. 385. – Nо 1-3. – Рр. 154–157.
22. Банных О.А. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул [Текст] / О.А. Банных, К.Б. Поварова, В.И. Капустин // Журнал технической физики. – 2002. – Т. 72. – Вып. 12. – С. 88–93.
23. Bannykh O.A. New approach to the surface ionization and drift spectroscopy of the organic molecules [Теxt] / O.A. Bannykh, K.B. Povarova, V.I. Kapustin // J. Tech. Ph. – 2002. – Vol. 47. – № 12. – Рp. 1570–1575.
24. Банных О.А. Новый дрейф-спектрометр с поверхностной ионизацией органических молекул [Текст] / О.А. Банных [и др.] // Наукоемкие технологии. 2002. – Т. 3. – С. 37–40.
25. Капустин В.И. Параметры ионизации некоторых нитросоединений на поверхности оксидной бронзы щелочного металла [Текст] / В.И. Капустин, В.С. Петров, А.А. Черноусов // Письма ЖТФ. – 2004. – Т. 30. – Вып. 17. – С. 19–22.
26. Kapustin V.I. Ionization parameters of nitro compounds on the surface of alkali metal oxide bronze [Теxt] / V.I. Kapustin, V.S. Petrov, A.A. Chernousov // J. “Technical Physics Letters”. – 2004. – Vol. 30. – No. 9. – Рp. 717, 718.
27. Капустин В.И. Новые материалы и технологии для подогревателей термоэмиттеров ионов органических соединений [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. – 2006. – № 6. – С. 5–9.
28. Капустин В.И. Физические основы контроля качества поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. – 2006. – № 3. – С. 76–81.
29. Капустин В.И. Нано- и роботизированные технологии в производстве поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Наукоемкие технологии. – 2007. – № 4. – С. 35–37.
30. Капустин В.И. Новый метод детектирования гептила и продуктов его неполного окисления [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Наукоемкие технологии. – 2007. – № 4. – С. 55–57.
31. Капустин В.И. Новые физические методы идентификации органических соединений с использованием поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра [Текст] / В.И. Капустин, К.О. Нагорнов, А.Л. Чекулаев // ЖТФ. – 2009. – Т. 79. – Вып. 5. – С. 109–116.
32. Kapustin V.I. New Physical Methods of Organic Compound Identification Using a Surface Ionization Drift Spectrometer [Теxt] / V.I. Kapustin, K.O. Nagornov, A.L. Chekulaev // J. Technical Physics. – 2009. – Vol. 54. – No. 5. – Рp. 712–718.
33. Капустин В.И. Термогравиметрические и масс-спектрометрические исследования органических носителей проб химических объектов [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Наукоемкие технологии. – 2009. – Том 10 – Вып. 11. – С. 75–82.
34. Капустин В.И. Кинетика окисления и поверхностно-ионизационные свойства микролегированных сплавов молибдена [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. – 2010. – № 1. – С. 33–40.
35. Капустин В.И. Приборы для детектирования токсичных веществ на основе поверхностно-ионизационных наноструктурированных материалов [Текст] / В.И. Капустин, А.С. Сигов, К.О. Нагорнов // Нанотехника. – 2010. — № 4. – С. 80–85.
36. Капустин В.И. Масс-спектрометрические исследования механизма ионизации органических соединений азота на поверхности микролегированного сплава молибдена [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // ЖХФ. – 2011. – Т. 30. – № 7. – С. 1–14.
37. Kapustin V.I. Mass spectrometric study of the mechanism of the ionization of nitrogen containing compounds on the surface of a molybdenum microalloyed alloy [Теxt] / V.I. Kapustin [et al.] // Russian Journal of Physical Chemistry B. – 2011. – Vol. 5. – No. 4. – Рp. 689–700.
38. Солнцев С.А. Поверхностная ионизация органических соединений азота, серы, фосфора и мышьяка [Текст] / С.А. Солнцев, К.О. Нагорнов, В.И. Капустин // Вестник МИТХТ. – 2011. – № 2. – С. 112–118.
39. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства монокристаллов и поликристаллов оксидных бронз щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. – 2013. – № 6. – С. 15–21.
40. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства оксидной бронзы щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин // Письма в ЖТФ. – 2012. – Том 38. – Вып. 4. – С. 83–88.
41. Kapustin D.V. Surface ionization properties of alkali metal oxide bronze [Теxt] / D.V. Kapustin [et al.] // Technical physics letters. – 2012. – Vol. 38. – No. 2. – Рp. 197–199.
42. Капустин В.И. Спектрометрия линейной и нелинейной дрейфовой подвижности ионов органических соединений [Текст] / В.И. Солнцев, В.И. Капустин, С.А. Солнцев // Наукоемкие технологии. – 2012. – Т. 13. – № 2. – С. 47–54.
43. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства монокристаллов и поликристаллов оксидных бронз щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. – 2013. – № 6. – С. 15–21.
44. Kapustin D.V. Surface Ionization Properties of Single Crystals and Polycrystals of Alkali Metal Oxide Bronzes [Теxt] / D.V. Kapustin [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Vol. 4. – No. 5. – Рp. 420–425.
45. Капустин В.И. Исследования электронной структуры монокристаллов натрий - ванадиевых бронз типа NaxV2O5 при х = 0,23, 0,28 и 0,33 / В.И. Капустин [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2014. – № 2. – С. 1–11.
46. Nazin V.G. Study of the Electronic Structure of Sodium–Vanadium Bronze (NaxV2O5) Single Crystals at x = 0.23, 0.28, and 0.33 [Теxt] / V.G. Nazin [et al.] // Journal of Surface Investigation. X_ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2014. - Vol. 8. – No. 1. – Рp. 117–126.
47. Капустин Д.В. Исследование состава ионного тока при ионизации паров технического тротила на поверхности оксидной бронзы щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин, А.П. Коржавый, В.И. Капустин // Наукоемкие технологии. – 2014. – № 2. – С. 32–41.
48. Коржавый А.П. Методы экспериментальной физики в избранных технологиях защиты природы и человека [Текст] / А.П. Коржавый, В.И. Капустин, Г.В. Козьмин. – М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 352 с.
49. Капустин В.И. Материаловедение и технологии электроники [Текст]: учебное пособие / В.И. Капустин, А.С. Сигов. – М.: ИНФРА-М, 2014. – 427 с.
50. Патент 2186384 РФ. Способ обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха / В.И. Капустин и др. Заявл. 21.12.1999, опубл. 27.07.2002. Б.И. № 21.
51. Патент РФ 2105379. Способ получения сплошной пленки с алмазоподобной структурой и устройство для его осуществления /Капустин В.И. и др. Заявл. 12.06.1998.
52. Патент 2260869 РФ. Материал термоэмиттера для поверхностной ионизации органических соединений на воздухе и способ активации термоэмиттера / В.И. Капустин Заявл. 12.04.2004, опубл. 20.09.2005. Б.И. № 26.
53. Патент 2262697 РФ. Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов. / В.И. Капустин. Заявл. 17.05.2004, опубл. 20.10.2005. Б.И. № 29.
54. Патент 2265835 РФ. Способ анализа органических соединений в составе атмосферы воздуха / В.И. Капустин. Заявл. 19.04.2004, опубл. 10.12.2005. Б.И. № 34.
55. Патент 2528548 РФ. Термоэмиттер ионов органических соединений /В.И. Капустин. Заявл. 17.10.2012, опубл. 27.04.14.Б.И. № 12.
56. Патент 2329563 РФ. Способ и устройство для распознавания органических соединений /В.И. Капустин. Заявл. 25.12.2006, опубл. 20.07.2008. Б.И. № 20.
57. Патент 2357239 РФ. Способ идентификации органических молекул / В.И. Капустин. Заявл. 08.11.2007, опубл. 27.05.2009. Б.И. № 15.
58. Патент 2444730 РФ. Способ идентификации атомов и молекул /В.И. Капустин. Заявл. 22.12.2010, опубл. 10.02.2012. Б.И. № 7.
59. Патент 2389011 РФ. Способ анализа органических соединений / В.И. Капустин. Заявл. 30.12.2008, опубл. 10.05.2010. Б.И. № 13.
60. Патент 2293976 РФ. Поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений / В.И. Капустин Заявл. 30.03.2004, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
61. Патент 2293973 РФ. Источник ионов органических соединений / В.И. Капустин. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
62. Патент 2293977 РФ. Спектрометр ионной подвижности / В.И. Капустин. Заявл. 21.02.2005, опубл. 10.08.2006. Б.И. № 5.
63. Патент 2293975 РФ. Блок коллектора ионов спектрометра ионной подвижности / В.И. Капустин. Заявл. 30.03.2004, опубл. 20.07.2007. Б.И. № 5.
64. Патент 2293974 РФ. Спектрометр дрейфовой подвижности ионов / В.И. Капустин. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.07.2007. Б.И. № 5.
65. Патент 2293978 РФ. Блок коллектора спектрометра дрейфовой подвижности ионов / В.И. Капустин. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
66. Патент 2263996 РФ. Способ контроля состояния спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов / В.И. Капустин. Заявл. 25.05.2004, опубл. 10.11.2005. Б.И. № 31.
67. Патент 2354963 РФ. Способ идентификации органических молекул / В.И. Капустин. Заявл. 08.11.2007, опубл. 10.05.2009. Б.И. № 13.
68. Патент 2390748 РФ. Система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов / В.И. Капустин. Заявл. 22.12.2008, опубл. 27.05.2010. Б.И. № 15.
69. Патент 2327982 РФ. Генератор потока пара органических веществ / В.И. Капустин. Заявл. 25.12.2006, опубл. 27.06.2008. Б.И. № 18.
70. Патент 2447429 РФ. Система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб / В.И. Капустин. Заявл. 22.12.2010, опубл. 10.04.2012. Б.И. № 10.
