научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ФОРМУ СПЕКТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ДВУМЯ БЛИЗКИМИ ЛИНИЯМИ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ФОРМУ СПЕКТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ДВУМЯ БЛИЗКИМИ ЛИНИЯМИ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 12, с. 60-64

ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^

ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ

УДК 537.565; 543.42

ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ФОРМУ СПЕКТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ДВУМЯ БЛИЗКИМИ ЛИНИЯМИ

© 2014 г. М. Н. Левин1, А. В. Крисилов2*, Б. А. Зон3

1Группа Компаний ЭФКО, ЗАО Инновационный центр "Бирюч", Белгородская область, с. Малобыково 2Воронежский институт правительственной связи (филиал) Академии федеральной службы охраны Российской Федерации 3Воронежский государственный университет *Е-таИ: alexph@mail.ru Поступила в редакцию 07.04.2014

Поле пространственного заряда в спектрометрах ионной подвижности существенно влияет на диффузию и дрейф ионов, если их начальная плотность превышает 106 см-3. В результате распределение ионов во времени и пространстве перестает описываться гауссовой кривой. Подобные негауссовы распределения ионов меняют не только количественно, но и качественно вид спектров, что может приводить к их неверной интерпретации.

Ключевые слова: пространственный заряд, спектрометрия ионной подвижности, форма спектральной линии, нелинейная диффузия, распределение Кольрауша-Вильямса-Ваттса.

БО1: 10.7868/80207401X14120103

ВВЕДЕНИЕ

Методы спектрометрии ионной подвижности (ion mobility spectrometry) широко используются в аналитической химии в силу их высокой чувствительности, быстродействия и возможности бесконтактной работы с образцами [1—6]. Время выполнения анализа составляет несколько секунд при чувствительности на уровне пикограммов [7]. Спектрометрия ионной подвижности применяется для решения прикладных задач экологического мониторинга, обнаружения взрывчатых, отравляющих и наркотических веществ [3], в медицинской диагностике [8], пищевой промышленности [9], а также в фундаментальных исследованиях: например, для определения формы малоатомных кластеров [10, 11], зависимости подвижности кластеров от температуры буферного газа [12], структуры сложных органических молекул [13].

Объемный заряд ионов существенно влияет на диффузионно-дрейфовое движение ионов [1, 2]. Возникают нелинейные эффекты, когда дально-действующее кулоновское взаимодействие нарушает независимость броуновского движения каждого отдельного иона. Эти эффекты, в свою очередь, определяют разрешающую способность спектрометров, являющуюся одной из важнейших характеристик спектрометрии ионной подвижности.

Исследование влияния объемного заряда на характеристики спектрометров ионной подвижности проводятся уже достаточно давно [14-21]. В нашей недавней работе [22] было показано, что при начальных плотностях ионов, превышающих 106 см-3, роль объемного заряда становится весьма существенной. Кулоновские силы объемного заряда вызывают дополнительное, по сравнению с диффузионным, уширение ионного сигнала. В результате пространственное распределение ионов перестает быть гауссовским (при достаточно узком начальном распределении), что необходимо учитывать при извлечении информации об отдельных линиях из экспериментально наблюдаемого спектра. Анализ этого вопроса и есть цель настоящей работы.

Мы ограничимся здесь простейшим случаем, наиболее важным с экспериментальной точки зрения, когда интенсивность одной из спектральных линий значительно превышает интенсивность другой. При этом можно не учитывать влияние ионов слабой линии на диффузионно-дрейфовое движение ионов сильной линии. Нелинейные эффекты проявляются здесь во влиянии ионов сильной линии на положение и форму слабой линии.

ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ СИЛЬНОЙ ЛИНИИ

Будем считать, что в дрейфовой трубке находятся ионы двух типов, причем плотность ионов 1-го типа значительно превышает плотность ионов 2-го типа. Случай, когда плотности ионов 1-го и 2-го типов сравнимы по величине, здесь не рассматривается по причине, указанной выше.

Нелинейное интегродифференциальное уравнение, описывающее движение ионов 1-го типа, в пренебрежении влиянием на это движение ионов второго типа имеет вид [22]

дп^т', 0 _ п д п1(г', 0 дп1(г', О,

дг

= А

дг''

ее о

дТ

|П!(С, (М С

еео

(1)

1 п1(т', Ъ2.

Здесь п1 — концентрация ионов 1-го типа; q1, Къ и Б1 — заряд, подвижность и коэффициент диффузии этих ионов, е — диэлектрическая проницаемость буферного газа; е0 — электрическая постоянная. Уравнение (1) записано в системе координат, равномерно движущейся вместе с ионным облаком со скоростью v1 = К1Е0, где Е0 — напряженность внешнего электрического поля. Координата т1 в движущейся системе связана с координатой г в лабораторной системе соотношением: т1 = г — У^.

Анализ численного решения уравнения (1), проведенный в [22], показал, что распределение ионов в этом случае с очень высокой точностью аппроксимируется функцией Кольрауша—Вильям-са—Ваттса (КоЬаизсИ—'ЩШатз—'^кйз (К^^)):

П1(т1, ?) = V ехр <-

(т1 - ад,*)/а

(2)

Зависимость показателя у в распределении KWW (2) от начальной плотности ионов

п((0), см—3 У

106 2.49

2.5 ■ 106 2.61

5 ■ 106 2.85

7.5 ■ 106 3.07

107 3.37

2 ■ 107 4.38

3 ■ 107 5.11

виями ионизации и параметрами ионного затвора. В работе [22] для п1(т'1, 0) было выбрано распределение, близкое к прямоугольному:

п1(т;,о) =

еп(о) п1, т1 < /12,

о, т1 > V 2,

(3)

, (о)

где I — ширина начального распределения, п1 —

начальная плотность ионов.

Эффективная ширина распределения а в формуле (2) для начальных плотностей ионов из интервала 106^3 • 107 см-3 определяется простой линейной зависимостью:

а = Ь + с(п),

(4)

где V — нормировочный множитель, а — эффективная ширина распределения, у — показатель степени распределения К^^

Одним из достоинств распределения KWW является то, что гауссово распределение, возникающее при малости нелинейных эффектов и достаточной узости начального распределения, есть частный случай распределения KWW. В спектрометре ионной подвижности распределение (2) возникает не сразу, а формируется по прошествии определенного времени в процессе движения ионного облака вдоль дрейфовой трубки. В работе [22] это время соответствовало дрейфовому прохождению ионов вдоль всей трубки спектрометра ионной подвижности, которая была принята равной 10 см. Распределение ионов в начальный момент времени, п1(т1, определяется усло-

где (п) есть начальная плотность ионов п{0) в прямоугольном распределении (3) в единицах 106 см—3, Ь = = 9.45 • 10—2 см, с = 5.2 • 10—9 см4. Показатель степени у в формуле (2) более сложно зависит от п{0). Эта зависимость представлена в таблице1) для п{0) в интервале ее значений 106^3 • 107 см—3. Видно, что при возрастании начальной плотности ионов, т.е. с увеличением нелинейных эффектов, показатель у в распределении KWW все больше удаляется от гауссового значения уе = 2.

Предэкспоненциальный множитель V в формуле (2) определяется из закона сохранения числа ионов, поскольку гибелью ионов на стенках дрейфовой трубки и в результате химических реакций с буферным газом пренебрегается. Соответствующее уравнение имеет вид

п{0)/ = IV |ехр НС/а\У <;

(5)

1)В работе [22] расчеты проведены только для п{0) в интервале ее значений 106—107 см—3.

о

о

62

ЛЕВИН и др.

1 -

8 106 - ч \ N V

\ \

V \

6 106 - \ \ V \ \ \

4 106 - V \ 1 \ \ \ \ \

2 106 - \ \ N

___ ' \

—1 . - - \ \ ч 1 1 - Л4*

0.3 -0.2 -0.1

0.1

0.2 0.3 г', см

Рис. 1. Формы сильной и слабой линий (штриховые кривые) и суммарный сигнал (сплошная кривая) при разности подвижностей ионов 8К = 1%.

Интеграл в уравнении (5) выражается через Г-функцию Эйлера:

V =

(0) , « 1 ; N

2 а Г ( 1 /у).

(6)

дщ/дг = АД"2 - к2^ 0 + ^ П2

(7)

Здесь E0 - напряженность внешнего поля, Ei -напряженность поля, создаваемого ионами 1-го типа. Это поле удовлетворяет уравнению

Шу(Е') = щ(г, г).

(8)

660

В одномерном случае уравнения (7), (8) упрощаются:

= д_ЩР> _ + Е)дщ^,

дг 2 дг 2 24 0 ' дг _Е1 _ д!

(9)

, г).

дг 66 0

В выражении (9) учтено, что оба поля, E0 и Ei направлены вдоль оси г. Перейдем в движущуюся систему координат путем замены г2 = г - К2Е0г. В новой системе координат:

дп2(г, г) = дщ(г2, г) _ к Е дщ(г2, г)

* ~ дг 20 дг2 '

и первое уравнение (9) примет вид

дщ(г2, г) = п дщ(г2, г)

дг

- К2Е (г 2, г)

■ л дщ(г 2, г)

Высокая точность распределения (2) позволяет получить ответ на вопрос о наличии в наблюдаемом спектре одной или двух линий. Поскольку любые измерения носят статистический характер, ответ на сформулированный вопрос сводится к проверке статистической гипотезы: "интенсивность сильной линии распределена по KWW". Теория проверки статистических гипотез хорошо разработана и для проверки данной конкретной гипотезы можно воспользоваться одним из существующих критериев [23]. Однако практически более простым является анализ симметрии наблюдаемой линии, часто используемый при описании спектров различной физической природы. Именно, при наблюдении асимметрии "вперед-назад" велика вероятность присутствия в наблюдаемом спектре слабой линии. В этом случае необходимо знать форму слабой линии для надежного восстановления ее положения. К исследованию этой формы мы теперь и переходим.

ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ СЛАБОЙ ЛИНИИ

Получим уравнения, описывающие движение ионов 2-го типа. Их плотность, подвижность и коэффициент диффузии отличаются от соответствующих величин для ионов 1-го типа заменой индекса: "1" ^ "2". Уравнение, описывающее диффузию и дрейф ионов, имеет вид

дг'2

дг'

(10)

Решение второго уравнения (9) можно записать с помощью теоремы Гаусса:

Е'(г 2, г) =

2ее0

| гС - | г)й С

г2

(11)

Таким образом, все величины, входящие в уравнение (10), определены.

ФОРМА СЛАБОЙ ЛИНИИ

Уравнения (1) и (10) решались совместно методом конечных разностей. Обратим внимание на тот факт, что эти уравнения записаны для разных инер-циальных систем координат, что повышает устойчивость численного метода. В качестве начальных

условий для Щ® (г',2, 0) при расчетах было выбрано распределение типа Ферми-Дирака:

«1,2(г1,2,0) = «1,2 {1 + ехр

г1,2

Здесь "энергия Ферми" г^ имеет смысл начальной полуширины распределения: г!,® = К12Е0^/2, - время открытия ионного затвора. "Температура" ё12 связана с конечной скоростью включения затвора. При ё12 ^ 0 (мгновенное открытие затвора) начальное распределение (12

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком