Ученые НИЯУ МИФИ разработали сверхчувствительную методику обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ в воздухе.
Сегодня в промышленности и вооружении широко применяются различные нитросоединения, в том числе, взрывчатые вещества, такие как тротил и гексоген. Даже следовые количества этих веществ в воздухе могут представлять опасность для человека и окружающей среды. Поэтому особенно важно разработать надежные методы обнаружения этих веществ.
Наиболее эффективные аналитические методы основаны на поиске паров нитросоединений в воздухе. Однако разработка надежной методики выявления малолетучих взрывчатых веществ в газовой фазе в концентрациях ниже 10-14 г/см3 остается большой проблемой для ученых. Даже общепризнанный универсальный метод масс-спектрометрии встречается со сложностями, связанными с необходимостью введения воздушных проб в область среднего и высокого вакуума.
В этом случае, по мнению ученых кафедры физики микро и наносистем НИЯУ МИФИ, преимущество получает спектрометрия ионной подвижности (СИП) и ее подвид — спектрометрия приращения ионной подвижности (СПИП). Методика позволяет ионизировать молекулы, присутствующие в воздухе, классифицировать их по подвижности и, таким образом, выявлять примеси нитросоединений.
Исследователи НИЯУ МИФИ изучали пары различных нитросоединений в воздухе с помощью методов СИП и СПИП. Для ионизации паров они использовали лазер ультрафиолетового диапазона, который позволяет производить селективную ионизацию молекул в составе газовой пробы.
«Для улучшения чувствительности метода СИП и СПИП мы предложили ввести в состав газовой пробы примеси, стимулирующие ионообразование (допанты). До сих пор допанты активно применялись для традиционных источников ионизации, однако влияние параметров лазерного излучения на образование ионов различных типов нитросоединений, в том числе, с применением допантов, не было изучено», – рассказал инженер-исследователь кафедры физики микро и наносистем НИЯУ МИФИ Виталий Костарев.
Чтобы обнаружить нитроорганические взрывчатые вещества тринитротолуол (TNT) и малолетучие гексоген (RDX) и пентрит (PETN), исследователи в качестве допантов добавляли в пробы толуол и 1-метилнафталин. Затем они измеряли коэффициенты приращения ионной подвижности для пиков целевых ионов TNT, RDX и PETN.
Выяснилось, что присутствие допантов в составе пробы приводит к двухкратному росту максимального выхода ионов при интенсивности лазерного излучения ниже 2 × 107 Вт/см2. Пределы обнаружения при лазерной ионизации с использованием допантов составили 4,7 × 10-16 г/см3 для гексогена и 9,8 × 10-15 г/см3 для пентрита. Чувствительность нового метода значительно превзошла известные аналоги, так как до сих пор исследователям удавалось обнаруживать пары гексогена в концентрации до 5 × 10-15 г/см3, а пары пентрита — до 10-11 г/см3.
«Полученные результаты помогут повысить чувствительность детекторов и сделать прототипы лазерных СПИП более портативными за счет использования менее мощных и более компактных лазеров», — заключил Виталий Костарев. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Talanta.