В статье представлен обзор монографии В.И. Капустина, А.П. Коржавого «Поверхностно-ионизационная дрейф-спектрометрия», рассмотрены ее ключевые положения относительно нового метода дрейф-спектрометрии, в котором реализован метод селективной поверхностной ионизации органических соединений азота, фосфора, мышьяка и серы.
дрейф-спектрометрия, термоэмиттеры ионов, поверхностная ионизация
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. Капустин В.И. Поверхностно-ионизационная дрейф-спектрометрия [Текст]: монография / В.И. Капустин, А.П. Коржавый. - М.: ИНФРА-М, 2015.
2. Капустин В.И. Высокочистые ультрадисперсные порошки оксидов: оборудование, технологии, применение [Текст] / В.И. Капустин // Перспективные материалы. - 1998. - № 5. - С. 54-62.
3. Банных О.А. Физические методы обнаружения паров взрывчатых веществ [Текст] / О.А. Банных [и др.] // Перспективные материалы. - 2000. - № 5. - С. 87-94.
4. Капустин В.И. Физико-химические основы создания многокомпонентных оксидсодержащих катодных материалов [Текст] / В.И. Капустин // Перспективные материалы. - 2000. - № 2. - С. 5-17.
5. Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул [Текст] / О.А. Банных [и др.] // Доклады Академии наук. - 2002. - Т. 385. - № 2. - С. 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, pр. 154-157.
7. 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.
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, pр. 1570-1575.
9. 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.
10. 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.
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. Капустин В.И. Новые материалы и технологии для подогревателей термоэмиттеров ионов органических соединений [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные мате-риалы. - 2006. - № 6. - С. 5-9.
13. Капустин В.И. Физические основы контроля качества поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. - 2006. - № 3. - С. 76-81.
14. 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.
15. 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.
16. Капустин В.И. Новые физические методы идентификации органических соединений с использованием поверхностно-ионизационного дрейф-спектрометра [Текст] / В.И. Капус-тин, К.О. Нагорнов, А.Л. Чекулаев // ЖТФ. - 2009. - Т. 79. - Вып. 5. - С. 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. 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.
19. Кинетика окисления и поверхностно-ионизационные свойства микролегированных сплавов молибдена [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. - 2010. - № 1. - С. 33-40.
20. 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.
21. 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.
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. 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.
24. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства монокристаллов и поликристаллов оксидных бронз щелочного металла [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Перспективные материалы. - 2013. - № 6. - С. 15-21.
25. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства оксидной бронзы щелочного металла [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2012. - Том 38. - Вып. 4. - С. 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. Капустин В.И. Спектрометрия линейной и нелинейной дрейфовой подвижности ионов органических соединений [Текст] / В.И. Капустин, С.А. Солнцев // Наукоемкие технологии. - 2012. - Т. 13. - № 2. - С. 47-54.
28. Капустин Д.В. Поверхностно-ионизационные свойства монокристаллов и поликристаллов оксидных бронз щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин // Перспективные материалы. - 2013. - № 6. - С. 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. Исследования электронной структуры монокристаллов натрий-ванадиевых бронз ти-па NaxV2O5 при х = 0,23, 0,28 и 0,33 [Текст] / В.И. Капустин [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2014. - № 2. - С. 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. Капустин Д.В. Исследование состава ионного тока при ионизации паров техническо-го тротила на поверхности оксидной бронзы щелочного металла [Текст] / Д.В. Капустин, А.П. Коржавый, В.И. Капустин // Наукоемкие технологии. - 2014. - № 2. - С. 32-41.
33. 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.
34. Капустин В.И. Материаловедение и технологии электроники [Текст]: учебное пособие / В.И. Капустин, А.С. Сигов. - М.: ИНФРА-М, 2014. - 427 с.
35. Патент 2186384 РФ. Способ обнаружения и анализа следовых количеств органических молекул в атмосфере воздуха / Капустин В.И. и др. Заявл. 21.12.1999, опубл. 27.07.2002. Б.И. № 21.
36. Патент РФ 2105379. Способ получения сплошной пленки с алмазоподобной структурой и устройство для его осуществления /Капустин В.И. и др. Заявл. 12.06.1998.
37. Патент 2260869 РФ. Материал термоэмиттера для поверхностной ионизации органических соединений на воздухе и способ активации термоэмиттера / Капустин В.И. Заявл. 12.04.2004, опубл. 20.09.2005. Б.И. № 26.
38. Патент 2262697 РФ. Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов / Капустин В.И. Заявл. 17.05.2004, опубл. 20.10.2005. Б.И. № 29.
39. Патент 2265835 РФ. Способ анализа органических соединений в составе атмосферы воздуха / Капустин В.И. Заявл. 19.04.2004, опубл. 10.12.2005. Б.И. № 34.
40. Патент 2528548 РФ. Термоэмиттер ионов органических соединений / Капустин В.И. Заявл. 17.10.2012, опубл. 27.04.14.Б.И. № 12.
41. Патент 2329563 РФ. Способ и устройство для распознавания органических соединений /Капустин В.И. Заявл. 25.12.2006, опубл. 20.07.2008. Б.И. № 20.
42. Патент 2357239 РФ. Способ идентификации органических молекул / Капустин В.И. Заявл. 08.11.2007, опубл. 27.05.2009. Б.И. № 15.
43. Патент 2444730 РФ. Способ идентификации атомов и молекул / Капустин В.И. Заявл. 22.12.2010, опубл. 10.02.2012. Б.И. № 7.
44. Патент 2389011 РФ. Способ анализа органических соединений / Капустин В.И. Заявл. 30.12.2008, опубл. 10.05.2010. Б.И. № 13.
45. Патент 2293976 РФ. Поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений / Капустин В.И. Заявл. 30.03.2004, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
46. Патент 2293973 РФ. Источник ионов органических соединений / Капустин В.И. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
47. Патент 2293977 РФ. Спектрометр ионной подвижности / Капустин В.И. Заявл. 21.02.2005, опубл. 10.08.2006. Б.И. № 5.
48. Патент 2293975 РФ. Блок коллектора ионов спектрометра ионной подвижности / Капустин В.И. Заявл. 30.03.2004, опубл. 20.07.2007. Б.И. № 5.
49. Патент 2293974 РФ. Спектрометр дрейфовой подвижности ионов / Капустин В.И. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.07.2007. Б.И. № 5.
50. Патент 2293978 РФ. Блок коллектора спектрометра дрейфовой подвижности ионов / Капустин В.И. Заявл. 18.04.2005, опубл. 20.02.2007. Б.И. № 5.
51. Патент 2263996 РФ. Способ контроля состояния спектрометра ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов / Капустин В.И. Заявл. 25.05.2004, опубл. 10.11.2005. Б.И. № 31.
52. Патент 2354963 РФ. Способ идентификации органических молекул / Капустин В.И. Заявл. 08.11.2007, опубл. 10.05.2009. Б.И. № 13.
53. Патент 2390748 РФ. Система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов / Капустин В.И. Заявл. 22.12.2008, опубл. 27.05.2010. Б.И. № 15.
54. Патент 2327982 РФ. Генератор потока пара органических веществ / Капустин В.И. Заявл. 25.12.2006, опубл. 27.06.2008. Б.И. № 18.
55. Патент 2447429 РФ. Система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб / Капустин В.И. Заявл. 22.12.2010, опубл. 10.04.2012. Б.И. № 10.
