Doklady ChemistryDoklady ChemistryДоклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах2686-95353034-5111The Russian Academy of Sciences65190210.31857/S2686953524040052YDTJWAPHYSICAL CHEMISTRYФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯResearch ArticleDetection of Chemically Hazardous Substances by Ion Mobility SpectrometryОбнаружение аварийно химически опасных веществ методом спектрометрии ионной подвижностиAleksandrovaD. А.АлександроваД. А.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruBaberkinaE. P.БаберкинаЕ. П.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruYakushinR. V.ЯкушинР. В.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruOsinovaЕ. S.ОсиноваЕ. С.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruMelamedТ. B.МеламедТ. Б.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruLuzeninaL. A.ЛузенинаЛ. А.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruTsaplinG. V.ЦаплинГ. В.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruTsaplinG. V.БеляковВ. В.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruBelyakovV. V.БеляковВ. В.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruShaltayevaYu. R.ШалтаеваЮ. Р.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruGolovinA. V.ГоловинА. В.
Russian Federation
kittenlid@mail.ruD. Mendeleev University of Chemical Technology of RussiaРоссийский химико-технологический университет им. Д.И. МенделееваD. Mendeleev University of Chemical Technology of RussiaНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”National Research Nuclear University MEPhIНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”The Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of the Russian Academy of SciencesИнститут физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина Российской академии наук181220245171394802022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2686-9535/article/view/651902

A comparison of chemical detectors based on ion mobility spectrometry used by rapid response services for the rapid detection and identification of a wide range of chemically hazardous substances has been carried out. The physical foundations of the registration method, the method of mathematical processing of spectra and determination of the ionic mobility of substances are presented. A procedure for the preparation of test samples of vapors of volatile organic compounds in a wide range of concentrations has been developed. To identify the compounds, domestic devices were used – the Kerber-T ion drift detector and the Segment stationary automatic gas detector. Their comparison in sensitivity and detection range in the identification of compounds was carried out. The research was conducted on a set of substances standardized to ensure safety in terrorist attacks. As a result of the work, ion mobility spectra for bromocyanum, carbon disulfide, and chloroacetone were obtained. The values of ionic mobility were determined, the dependences of the spectra of these compounds on the concentration in the air were investigated, as well as the limits of detection of substances. Possible mechanisms for the formation of the observed ion mobility spectra are proposed in accordance with the ionization characteristics of bromocyanate, carbon disulfide, and chloroacetone. Schemes of possible formation of monomeric and dimeric ions of compounds are shown. The generalized results of experimental studies, the peculiarities of the identification of compounds, taking into account the type of spectra, concentrations of substances and measurement conditions, are obtained.

Проведено сравнение детекторов химических веществ, работающих на основе спектрометрии ионной подвижности и используемых службами быстрого реагирования для оперативного обнаружения и идентификации широкого спектра аварийно химически опасных веществ. Представлены физические основы метода регистрации, методика математической обработки спектров и определения ионной подвижности веществ. Разработана процедура приготовления тестовых образцов паров летучих органических соединений в широком диапазоне концентраций. Для идентификации соединений использованы приборы отечественного производства – ионно-дрейфовый детектор “Кербер-Т” и стационарный автоматический газосигнализатор “Сегмент”. Проведено сравнение их чувствительности и диапазона обнаружения при идентификации соединений. Исследования проводились на наборе веществ, стандартизированных для обеспечения безопасности при террористических актах. В результате работы получены спектры ионной подвижности для бромциана, сероуглерода, хлорацетона. Определены пределы обнаружения и значения ионной подвижности этих соединений, исследованы зависимости спектров их ионной подвижности от концентрации в воздушной среде. На основании данных спектроскопии ионной подвижности предложены возможные механизмы ионизации молекул бромциана, сероуглерода, хлорацетона. Показаны схемы возможного образования мономерных и димерных ионов соединений. Обобщены результаты экспериментальных исследований, особенности идентификации соединений с учетом вида спектров, концентраций веществ и условий измерений.

ion mobility spectrometrycyanogen bromidecarbon disulfidechloroacetoneionizationспектрометрия ионной подвижностибромциансероуглеродхлорацетонионизацияООО “Модус”Modus LLCСмолин Ю.М., Кобцев Б.Н., Новоселов Н.П. // Вестник ТГТУ. 2009. Т. 15. № 3. С. 620–628.Hernandez-Mesa M., Ropartz D., Garcia-Campana A.M., Rogniaux H., Dervilly-Pinel G., Le Bizec B. // Molecules. 2019. V. 30. № 11. P. 2185–2195. https://doi.org/10.3390/molecules24152706Tabrizchi M., Maki Abadi E., Parchami R., Fadaei E. // J.Am. Soc. Mass Spectrom. 2022. V. 33. № 7. P. 1148–1160. https://doi.org/10.1021/jasms.2c00010Li J., Li L., Gao W., Shi Sh., Yu J., Tang K. // Anal. Chem. 2022. V. 94. № 16. P. 6363–6370. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c00805Жалкиев В.Т., Енин В.Г. // Общество и право. 2006. № 2 (12). С. 141–145.Krylova N., Krylov E., Eiceman G.A., Stone J.A. // J. Phys. Chem. 2003. V. 107. № 19. P. 3648–3654. http://dx.doi.org/10.1021/jp0221136Лобачева Г.К., Кайргалиев Д.В. // Вестник ВолГУ. Сер. 10. 2015. № 47. С. 59–68. http://dx.doi.org/10.15688/jvolsu10.2015.4.9Kanu A.B., Hill H.H. Jr., Gribb M.M., Walters R.N. // J. Environ. Monit. 2007. V. 9. № 1. P. 51–60. https://doi.org/10.1039/b610493bПушкин И.А., Валуев Н.П. // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 4. С. 53–57.Eiceman G.A., Karpas Z., Hill H.H. Jr. Ion Mobility Spectrometry, 3nd ed. Raton B. (Ed.). Taylor & Francis: Boca Raton, FL, USA, 2013, p. 444.Буряков И.А. // Журн. аналит. химии. 2011. Т. 66. № 8. С. 788–809. https://doi.org/10.1134/S1061934811080077The portable ion mobility spectrometry (IMS). Chemical agent detectors. Market survey report. National Urban Security Technology Laboratory for the U.S. Department of Homeland Security, Science and Technology Directorate. Washington, DC, 2013. 20 p.Травень В.Ф., Щекотихин А.Е. Практикум по органической химии: учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. С. 210.Allers M., Schaefer Ch., Ahrens A., Schlottmann F., Hitzemann M., Kobelt T., Zimmermann S., Hetzer R. // Anal. Chem. 2022. V. 94. P. 1211−1220. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04397Семиохин И.А. Физическая химия. М.: МГУ, 2001. 272 с.Александрова Д.А., Меламед Т.Б., Баберкина Е.П., Фенин А.А., Осинова Е.С., Коваленко А.Е., Якушин Р.В., Шалтаева Ю.Р., Беляков В.В., Зыкова Д.И. // Тонкие химические технологии. 2021. Т. 16. № 6. С. 512–525. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-6-512-525Франке З. Химия отравляющих веществ. Пер. с нем. М.: Химия. 1973. 437 с.Гармаш А.В., Сорокина Н.М. Метрологические основы аналитической химии: учеб. пособие по курсу “Аналитическая химия”. Шеховцова Т.Н. (ред.). М.: МГУ, 2017. 52 с.Организация медико-санитарного обеспечения при террористических актах с использованием опасных химических и отравляющих веществ: Методические рекомендации МР № 2510/13132-01-34: утв. М-во здравоохранения РФ, Гл. сан. врачом 27.10.2001 г. / Всероссийский центр медицины катастроф “Защита” Федерального медико-биологического агентства, Министерство здравоохранения Российской Федерации. М.: ВЦМК “Защита”. 2003. 35 с.