Д.В. Капустин, А.П. Коржавый, В.И. Капустин ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ИОННОГО ТОКА ПРИ
advertisement
Д.В. Капустин, А.П. Коржавый, В.И. Капустин ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ИОННОГО ТОКА ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ИОНИЗАЦИИ ПАРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ТРОТИЛА Развитие методов селективного анализа органических веществ представляет большой научный интерес и практически значим для создания эффективных методов детектирования наркотических, отравляющих и взрывчатых веществ, например, с использованием дрейф-спектрометрических газоанализаторов [1-4]. В литературе была показана эффективность применения метода масс-спектрометрии для исследования продуктов ионизации в различных типах источников ионов [5-7], в том числе в поверхностноионизационных источниках ионов, в которых в качестве активного элемента для ионизации аминов был использован материал на основе микролегированного сплава молибдена [8]. Ранее в литературе была сформулирована научная гипотеза о физико-химической природе активных центров ионизации нитросоединений на поверхности оксидной бронзы и физико-химическом механизме поверхностной ионизации нитросоединений [5]. Однако экспериментальное подтверждение указанной гипотезы в литературе отсутствовало. Целью данной работы было экспериментальное исследование продуктов поверхностной ионизации тротила с использованием метода массспектрометрии высокого разрешения. Нами были проведены масс-спектрометрические исследования состава фонового тока с поверхности термоэмиттера, изготовленного на основе активного элемента из бронзы состава Na0,33V2O5. Методика экспериментальных исследований была аналогична методике работы [8]. В качестве масс-спектрометра был использован прибор высокого разрешения фирмы Thermo Finnigan LCQ Deca XP. Температура термоэмиттера при исследовании состава фонового тока и исследовании продуктов ионизации паров технического тротила составляла 450 °С. На рис. 1 приведен масс-спектр фонового тока термоэмиттера, а в таблице 1 - его расшифровка. Рис. 1. Таблица 1 Масса иона 57 Интенсив ность, отн. ед. 95 Расшифровка масс-спектра рис. 1 Тип иона Масса Интенсив иона ность, отн. ед. + 115 50 K H2O Тип иона Ni60OK+ Ni58OK+ Ni60O2Na+ Ni60O*Na+H2O V2O3*Na+5H2O 117 35 Na+3H2O 151 13 K+4H2O + Na 5H2O Ni58OK+ Ni58O2Na+ Основным типом ионов в составе фонового тока термоэмиттера являются ионы натрия, захватившие молекулы воды, и кластеры на основе оксидов никеля, ионов натрия и молекул воды. Ионы калия содержаться в оксидной бронзе в качестве примеси и, вследствие низкого потенциала ионизации калия, дают определенный вклад в состав ионного тока. Таким образом, впервые экспериментально подтверждено, что центрами ионизации органических нитросоединений на поверхности оксидной бронзы являются поверхностные ионы натрия из состава натрий – ванадиевой оксидной бронзы и, частично, ионы калия, входящие в состав оксидной бронзы в качестве примеси. Основой потенциальной областью практического применения натрий ванадиевой оксидной бронзы является использование ее в качестве материала для селективных источников ионов взрывчатых веществ, применяемых в различных типах газоанализаторов. Поэтому для дальнейших исследований в качестве тестового органического вещества из класса нитросоединений нами был выбран технический тротил. Результаты качественных исследований методом ИК-спектрометрии показали, что технический тротил содержит изомеры тринитротолуола, динитротолуола, мононитротолуола и органическую связку. Количественные исследования нами не проводились ввиду отсутствия соответствующих эталонов компонентов технического тротила. Был исследован масс-спектр технического тротила при подаче на вход прибора паров указанного вещества при температуре термоэмиттера 450 °С. На рис. 2 показан спектр масс тротила в диапазоне масс 200 – 500 а.е.м. 77 101 113 100 20 25 Рис. 2. В таблице 2 приведен состав ионов, образующихся при поверхностной ионизации тринитротолуола. В таблице 2 применены следующие обозначения: - МНТ – мононитротолуол; - ДНТ – динитротолуол; - ТНТ – тринитротолуол; - (МНТ-СН2) – мононитротолуол, потерявший в результате частичной диссоциации группу СН2; - (ТНТ-СН2) – тринитротолуол, потерявший в результате частичной диссоциации группу СН2. Таблица 2 Расшифровка масс-спектра технического тротила Масс Интенси Тип иона Масс Интенси Тип иона а вность, а вность, иона отн. ед. иона отн. ед. + 200 24 277 50 (MHT-CH2)Na 3H2O ДHTNa+4H2O 214 40 302 43 MHTNa+3H2O THTK+2H2O 232 40 344 42 (THTMHTNa+4H2O CH2)Na+6H2O 250 33 376 57 THTNa+ THTNa+7H2O 268 40 430 60 THTNa+H2O THTNa+10H2O 270 78 483 100 (THT-CH2)K+H2O THTNa+V3O5 Следует отметить, что мононитротолуол и динитротолуол содержатся в техническом тротиле и обладают по сравнению с последним более высокой летучестью. Кроме того, они могут образовываться в результате частичной диссоциации тринитротолуола на нагретой поверхности термоэмиттера с потерей одной или двух нитрогрупп. Таким образом, поверхностная ионизация нитросоединений на поверхности оксидной бронзы щелочного металла протекает с захватом ионов натрия и возможным захватом некоторого количества молекул воды из воздуха при движении первичных ионов в трубке дрейфа. На основании полученных результатов можно заключить: 1. Основными типами ионов в составе фонового тока термоэмиттера на основе оксидной натрий - ванадиевой бронзы являются ионы натрия из состава бронзы, захватившие молекулы воды, и ионы калия из состава примесей бронзы, захватившие молекулы воды. 2. Ионизация нитросоединений на поверхности оксидной бронзы щелочного металла протекает с захватом ионов натрия и, частично, ионов калия на поверхности оксидной бронзы с возможным захватом некоторого количества молекул воды из воздуха при движении первичных ионов в трубке дрейфа газоанализатора. При этом для молекул тринитротолуола возможна частичная диссоциация молекул на нагретой поверхности термоэмиттера с отщеплением групп –СН2 и, возможно, –NO2. Список литературы 1. IMS spectrometers with radioactive, X-ray, UV and laser ionization / V. Matsaev, M. Gumerov, L. Krasnobaev et al. // Int. Jour. For Ion Mobility Spectr. – 2002. – V. 5. – № 3. – P. 112-114. 2. Buryakov I.A. Ion mobility increment spectrometer with radial symmetry // Int. Jorn. For Ion Mobility Spectr. – 2003. – V.6. – Р. 121-126. 3. Буряков И.А. Явления переноса ионов в газе в электрическом поле. Спектрометрия приращения ионной подвижности: Автореферат дисс. … докт. физ.-мат. наук. – Новосибирск, 2005. – 32 с. 4. Капустин В.И., Нагорнов К.О., Чекулаев А.Л. Новые физические методы идентификации органических соединений с использованием поверхностноионизационного дрейф-спектрометра // ЖТФ. – 2009. – Т. 79. – Вып. 5. – С. 109116. 5. Поверхностно-ионизационные свойства оксидной бронзы щелочного металла / Д.В. Капустин, А.А. Буш, К.О. Нагорнов и др. // Письма в ЖТФ. – 2012. – Т. 38. – Вып. 4. – С. 83-88. 6. Блашенков Н.М., Лаврентьев Г.Я. Исследование неравновесной поверхностной ионизации методом полевой поверхностно-ионизационной масс-спектроскопии // Успехи физических наук. – 2007. – Т. 177. – №1. – С. 5985. 7. Филиппенко В.А., Малкин Е.К. Исследование влияния условий ионизации на масс-селективное распределение подвижности ионов тротила и гексогена методом спектрометрии ионной подвижности/тандемной массспектрометрии // Масс-спектрометрия. – 2010. – №7(3). – С. 205-212. 8. Масс-спектрометрические исследований механизма ионизации органических соединений азота на поверхности микролегированных сплавов молибдена / В.И. Капустин, К.О. Нагорнов, О.Н. Харыбин и др. // Химическая физика. – 2011. – Т. 30. – № 7. – С. 1-14.
