Результаты исследований ученых МИФИ позволят значительно повысить качество отечественных аналитических приборов

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.