24 августа 2016
НИЯУ МИФИ

Результаты исследований ученых МИФИ позволят значительно повысить качество отечественных аналитических приборов

Потери пробы при адсорбции на поверхности газовых каналов сравнимы с размером самой пробы (при малых концентрациях обнаружения вещества)

Технология спектрометрии ионной подвижности является хорошо известным методом современного аналитического высокочувствительного оборудования. Эта технология выросла из специализированных областей науки, связанных с безопасностью, для повышения производительности и мобильности аналитических приборов, используемых как в научных исследованиях, так и в широком поле применений, в том числе медицины и контроля качества продуктов.

На данный момент технология спектрометрии ионной подвижности является одним из наиболее чувствительных аналитических методов, который используется в основном для определения сверхмалых доз взрывчатых и наркотических веществ в воздухе и в пробах.

Принципы спектрометрии ионной подвижности просты в понимании и на практике предоставляют пользователям удобство, быстрый анализ, портативность прибора вместе с высокой надёжностью и сравнительно низкой стоимостью эксплуатации. Кратко суть данного анализа в следующем. Пары анализируемых веществ ионизируются при атмосферном давлении, а затем происходит временное разделение ионов в высоковольтном электрическом поле вследствие отличия подвижностей различных ионных классов. Ионы нейтрализуются детектором (анодом), в результате чего возникает ток, который далее усиливается и преобразуется в напряжение. Полученные данные выводятся на дисплее прибора в виде спектра, характеризующего изменения выходного напряжения во времени.

Однако в данном аналитическом высокочувствительном оборудовании существует проблема эффективного переноса пробы без потери части анализируемого вещества. Эта проблема актуальна при обнаружении сверхмалых концентраций взрывчатых и наркотических веществ методом спектрометрии ионной подвижности (СИП). Потери пробы при адсорбции на поверхности газовых каналов и диффузии через стенки проницаемых газовых каналов сравнимы с размером самой пробы. Также существует проблема накопления и проникновения исследуемого вещества в стенки пробоотборного канала, что искажает полученный спектр.

Потери пробы при адсорбции на поверхности газовых каналов сравнимы с размером самой пробы (при малых концентрациях обнаружения вещества)

Для уменьшения потери пробы при адсорбции на поверхности газовых каналов и диффузии через стенки проницаемых газовых каналов важно правильно выбрать материал, который будет минимально накапливать исследуемые вещества.

Группа ученых кафедры микро-и наноэлектроники (А.Родионов, Д.Липатов под руководством В.Белякова) провели исследование материалов, применяемых при пробоотборе вещества, на устойчивость к загрязнениям и сорбции веществ в широком диапазоне температур.

Ученые взяли для исследования следующие материалы: широко используемый на данный момент в СИП полимер ПТФЭ (тефлон), полимер PEEK, боросиликатное стекло, силанизированное боросиликатное стекло, сталь со специальным покрытием SilcosteelTM, кварцевое стекло, силанизированное кварцевое стекло. Образцы данных материалов, соответственно использовались в виде трубок с размерами и диаметрами идентичными реальной конструкции прибора. Эксперимент проводился при фиксированной температуре, выбранной из диапазона (24-100°С) и разбивался на два этапа: продувка трубки исследуемого материала на специально изготовленном макете, эмулирующим режим пробоотбора, и собственно второй этап – измерение спектра исследуемой трубки методом СИП.

Обработка данных и анализ кривой динамики амплитуды по маркеру спектра СИП

Результатом работы появилась новая методика исследований и обработки данных спектров. Статистика большого количества экспериментов (несколько сотен для каждого из материалов) позволила построить математическую модель для понимания процессов, происходящих в пробоотборной системе прибора, а практическим результатом стало выявление новых материалов и их свойств, которые будут применяться в новых поколениях приборов СИП.

«Наилучшими материалами оказались термостойкие материалы типа кварцевого стекла, а также сталь со специальным покрытием SilcosteelTM. Данный выбор материалов для пробоотборной системы прибора послужит в дальнейшем залогом успеха, качества и конкурентноспособности отечественных приборов СИП на рынке среди мировых производителей», 

– прокомментировал полученные данные один из исследователей Дмитрий Липатов.

Результаты исследований ученых НИЯУ МИФИ были представлены на Международной конференции по спектрометрии ионной подвижности (25th International Conference on Ion Mobility Spectrometry) в США и вызвали живой интерес ученых – разработчиков аналитического высокочувствительного оборудования.