DETECTAREA SI IDENTIFICAREA
SUBSTANTELOR PERICULOASE FOLOSIND SPECTROMETRIA DE MOBILITATE IONICA CUPLATA CU
SPECTROMETRIA DE MASA (MOBSPEC)
Contract Nr. 81-023/14.09.2007
In ultimii ani a crescut dramatic pericolul actelor de terorism indreptate
impotriva institutiilor publice, facilitatilor si cladirilor care adapostesc un
mare numar de oameni. Acest lucru impune necesitatea dezvoltarii unor sisteme
de alarmare eficiente, impotriva prezentei unor substante periculoase, cum sunt
agentii chimici sau biologici de lupta, explozibilii, respectiv substantele
urmarite, ca drogurile ilegale.
Spectrometria de mobilitate ionica (SMI) reprezinta o tehnica de varf,
confirmata de practica, destinata detectiei si identificarii substantelor
periculoase la concentratii foarte reduse. Prin sensibilitatea lor ridicata
fata de compusii cu electronegativitate ridicata (cazul explozivilor) sau cu
afinitate mare fata de protoni (cazul agentilor chimici de lupta), prin timpul
de raspuns foarte rapid si prin faptul ca se preteaza la miniaturizare,
analizorii bazati pe mobilitate ionica sunt ideali pentru detectarea
ultra-urmelor de substante chimice toxice sau explozive, la nivele de
concentratie de sub-p.p.b.
Intrucat rezolutia spectrometrelor de mobilitate ionica este relativ
redusa, pentru identificarea cu precizie a substantelor analizate se recomanda
cuplarea cu spectrometrele de masa, care au un rol confirmator. Aceasta cuplare
se face prin intermediul unei interfete care trebuie sa asigure:
-
scaderea presiunii de la cea atmosferica in SMI, la cea
de lucru in spectrometrul de masa (10-6 bar);
-
transferul ionilor din zona SMI in zona spectrometrului
de masa la un nivel energetic adecvat analizei.
Obiectivul general al acestui proiect este realizarea unui model
experimental de instrument tandem spectrometru de mobilitate ionica (SMI) cu
sursa de ionizare neradioactiva – spectrometru de masa cuadrupolar (SMC), cu
ajutorul caruia sa poata fi detectate si identificate substantele periculoase.
Realizarea obiectivului principal se va face prin obiectivele specifice
definite intr-un paragraf in continuare.
Originalitatea propunerii consta in realizarea
pentru prima data in tara noastra a acestui tip de detector tip tandem SMI-SMC,
fapt care implica rezolvarea, prin solutii noi, a unor probleme complexe ca: asigurarea
stabilitatii fasciculului de ioni produs de sursa de ioni neradioactiva cu
descarcare corona, transferul cu pierderi mici al curentului ionic din
analizorul de mobilitate ionica la spectrometrul cuadrupolar si realizarea unui
montaj electronic special care sa asigure atat detectarea ionilor pozitivi cat
si a ionilor negativi, folosirea unor produse
software dedicate prelucrarii datelor primare obtinute de la spectrometre,
introducerea de elemente de inteligenta artificiala (AI) in control.
Interfata care asigura transferul de ioni intre cele doua spectrometre va
constitui obiectul unei propuneri de brevet.
Pentru rezolvarea obiectivelor proiectului a fost constituit un consortiu,
compus din patru institutii de prestigiu din tara: doua institute nationale de
cercetare si doua de invatamant superior. Realizarea obiectivelor propuse va
permite promovarea de colaborari internationale in vederea pregatirii unor
propuneri de proiecte FP7.
Activitatile care se vor desfasura in cadrul
proiectului vor fi cu preponderenta de cercetare aplicativa dar si de
dezvoltare tehnologica.
Obiectivul
general al proiectului:
Realizarea unui model experimental de tandem analizor spectrometru de
mobilitate ionica – spectrometru de masa cuadrupolar pentru detectarea si
identificarea substantelor periculoase din categoria agentilor chimici de
lupta.
Obiectivele
specifice sunt:
-
O-1. Analiza sistemului de transport ionic si a sistemului
de vid in vederea proiectarii si realizarii interfetei si a sursei de ioni
neradioactive.
-
O-2. Proiectarea
componentelor mecanice si electronice ale
analizorului de mobilitate ionica.
-
O-3. Proiectarea
componentelor mecanice si electronice ale analizorului de masa cuadrupolar.
-
O-4. Realizarea si testarea
componentelor mecanice si electronice ale tandemului analizor SMI–SMC.
-
O-5. Conceperea si realizarea
de produse software dedicate pentru controlul tandemului SMI-SMC.
-
O-6. Elaborarea metodologiei
de lucru cu echipamentul.
-
O-7. Experimentarea si
verificarea, prezentarea si demonstrarea functionalitatii analizorului tandem
SMI–SMC folosind substante simulante (compusi chimci cu structura chimica
foarte apropiata de cea a agentilor chimici de lupta, dar cu toxicitate mult redusa).
Etapa I. Analiza comparativa de
solutii pentru un spectrometru de mobilitate ionica (SMI) cuplat cu un
spectrometru de masa cuadrupolar (SMC). Alegerea variantei optime. – Corelare cu O-1.
Activitati:
A I.1
Analiza sistemelor de ionizare si comanda; A I.2 Studiul sistemelor de vid
pentru interfata si spectrometrul cuadrupolar; A I.3 Studiul sistemelor de
transport de ioni si de focalizare a
acestora; A I.4 Elaborarea de metode pentru controlul numeric al surselor de
alimentare, surselor de inalta tensiune, surselor de inalta frecventa; A I.5
Studii de transport de sarcini la presiune atmosferica; Influenta parametrilor
gazelor asupra mobilitatii.
Etapa II. Simularea pe calculator
de traiectorii ionice in vederea obtinerii de date de proiectare pentru sursa
de ioni, analizorul de mobilitate ionica, sistemul de transport ionic. Proiectarea mecanica si
electronica a acestor componente. Realizarea sursei de ioni a SMI. – Corelare cu O-2 si O-3.
Activitati: A II.1 Simularea pe calculator a
traiectoriilor ionice in sistemul de lentile ale interfetei; A II.2 Cercetarea
– proiectarea mecanica a sistemelor de introducere a probelor, de ghidare si
purificare a gazelor de drift; A II.3 Proiectarea mecanica a sursei de ioni,
analizorului de mobilitate ionica si a interfetei. Elaborarea documentatiei
tehnice; A II.4 Proiectarea de scheme electronice pentru unitatile SMI; AII.5
Conceperea unor sisteme inteligente integrate care sa coreleze functionarea subsistemelor
care concura la functionarea SMI; A II.6 Realizarea si montarea sursei de ioni
a SMI; A II.7 Diseminarea rezultatelor.
Etapa III. Realizarea modelelor
experimentale pentru sistemul de introducere a probelor, sistemul de ghidare si
purificare a gazelor, celula analizoare si interfata. Proiectarea mecanica si
electronica a analizorului cuadrupolar si a sistemului de detectie a curentilor
ionici. Proiectarea sistemului de vid al interfetei de cuplare a SMI cu
analizorul cuadrupolar si a cuadrupolului. –
Corelare cu O-3 si O-4.
Activitati: A III.1 Realizarea sistemului de
introducerea probelor si a sistemelor de gaze de drift; A III.2 Realizarea si
montarea celulei analizoare si a interfetei;
A III.3 Proiectarea mecanica si electronica a componentelor analizorului
cuadrupolar. Elaborarea documentatiei tehnice; A III.4 Proiectarea sistemului
de vid al tandemului; A III.5 Elaborarea de metode de procesare avansata a
semnalelor; A III.6 Diseminare rezultate.
Etapa IV. Realizarea modelului
experimental de analizor de masa cuadrupolar
si a sistemului de vid. Realizarea unitatilor electronice
SMI. Realizarea modelului experimental SMI. Conceperea de produse software
dedicate pentru conducerea tandemului SMI-SMC. – Corelare cu O-4 si O-5.
Activitati: A IV.1 Realizarea componentelor
mecanice ale analizorului cuadrupolar si a unitatilor lui electronice. Montarea
lor; A IV.2 Realizarea si testarea unitatilor electronice ale SMI; A IV.3
Montarea componentelor mecanice si electronice ale SMI; A IV.4 Realizarea sistemului de vid al tandemului; A IV.5
Realizarea controlului numeric al sistemelor electronice de generare a
pulsurilor de tensiune pe grile; A IV.6 Organizarea unui atelier de lucru cu partenerii;
A IV.7 Diseminare de rezultate.
Etapa V. Montarea tandemului analizor
SMI-SMC, punerea lui in functiune si verificarea parametrilor proiectati. – Corelare cu O-4.
Activitati: A V.1 Experimentarea SMI; A V.2
Experimentarea SMC; A V.3 Montarea tandemului, experimentarea lui si
verificarea parametrilor proiectati; A V.4 Experimentarea sistemului de
procesare avansata a semnalelor; A V.5
Diseminarea pe scara larga prin comunicarea si publicarea nationala si internationala
a rezultatelor.
Etapa VI. Prezentarea si demonstrarea
functionalitatii tandemului analizor SMI-SMC pe un grup de substante simulante.
Elaborarea metodologiei de lucru cu echipamentul, legate de colectarea,
introducerea si analiza probelor. –
Corelare cu O-6 si O-7.
Activitati: A VI.1 Alegerea clasei de
substante care sa simuleze cel mai bine substantele toxice de lupta; A VI.2
Prepararea probelor si pregatirea lor pentru analiza; A VI.3 Elaborarea
metodologiei de lucru cu echipamentul; A VI.4 Testarea softului pentru
conducerea tandemului de tip SMI–SMC. Achizitia si prelucrarea avansata a
datelor; A VI.5 Demonstrarea functionalitatii tandemului analizor SMI–SMC; A
VI.6 Diseminare rezultate.
Rezultatul final al cercetarilor prevazute in acest proiect va fi un model experimental de
tandem analizor, spectrometru de mobilitate ionica-spectrometru de masa
cuadrupolar ultrasensibil, de mare precizie, pentru detectarea si identificarea
substantelor periculoase. Aparatul poate fi folosit la detectarea agentilor
chimici de lupta.
Alte rezultate: 1. Date privind
influenta ciocnirilor ion-molecula asupra mobilitatii ionilor prin gaze la
presiuni atmosferice. Date privind influenta presiunii si incarcarii analizorului
asupra mobilitatii ionice. 2. Date privind transportul sarcinilor electrice la
presiune atmosferica sau apropiata in campuri electrice de diferite
configuratii si intensitati. 3. Un spectrometru de mobilitate ionica cu sursa
de ionizare neradioactiva ce poate fi
folosit separat, la analize de substante chimice (cu detectorul care va fi
construit si pentru tandem). 4. Un spectrometru de masa cuadrupolar caruia daca
i se ataseaza o sursa de ioni poate functiona ca unitate analizoare separata.
5. Software pentru comanda electronica a impulsurilor si esalonarea in timp a
acestor impulsuri aplicate sistemelor de comanda a pachetelor de ioni. 6.
Software pentru achizitie si prelucrare de date. 7. Brevete si lucrari
stiintifice.
Rezultatele etapa I:
·
S-au studiat sistemele de ionizare si comanda si s-a
optat pentru o sursa de ioni cu descarcare corona, ai carei parametri
constructivi au fost dati;
·
S-au studiat mai multe tipuri de interfete si s-a optat
pentru o interfata cuprinsa intre doua conuri separatoare cu un sistem de vid
in doua etaje, pentru care s-au dat parametrii de lucru;
·
Pentru sistemul de transport al ionilor se va folosi un
cuplaj de lentile electrostatice cuadrupolare sau octupolare cu lentile
electrostatice Einzel;
·
S-a aratat influenta parametrilor gazelor de drift,
temperatura, presiune si umiditate asupra mobilitatii ionice;
·
S-au studiat si elaborat metode de control numeric al
surselor de tensiune pentru analizorul de mobilitate ionica si analizorul de
masa cuadrupolar;
·
S-a ales o varianta de tandem spectrometru de mobilitate
FAIMS – spectrometru de masa cuadrupolar
Rezultate etapa II:
·
A efectuat simularea pe calculator a traiectoriilor in sistemul de lentile al interfetei si simularea pe
calculator a campurilor electrice
pentru sursa de ioni si tubul
analizor. In urma acestor simulari s-au obtinut datele de proiectare pentru componentele amintite;
·
A realizat proiectele de executie pentru sursa de ioni cu descarcare corona, analizorul de
tip FAIMS, analizorul clasic
si interfata cu spectrometrul de masa;
·
A finalizat documentatia tehnica pentru unitatile electronice ale SMI;
·
A realizat, montat si testat sursa
de ioni cu descarcare
corona;
·
A realizat o instalatie de cuplare a sursei de ioni cu un analizor de mobilitate ionica;
·
S-a ocupat de diseminarea rezultatelor cercetarilor prin realizarea unei pagini WEB, publicarea sau trimiterea la publicare a patru lucrari ISI si comunicarea a trei lucrari la conferinte din tara si strainatate
Rezultate etapa III:
·
A realizat, montat si testat, celula
analizoare FAIMS cu placi paralele;
·
A realizat si montat
interfata SMI-SMC;
·
A realizat proiectele de executie mecanice si electronice pentru analizorul cuadrupolar a acestuia, impreuna cu UT Cluj-Napoca;
·
Impreuna cu UBB Cluj-Napoca a elaborat
proiectul sistemului de vid al tandemului;
·
S-a ocupat de diseminarea rezultatelor impreuna cu ceilalti parteneri, prin trimiterea a trei lucrari la conferinte nationale si internationale,completarea
paginii WEB.
·
A realizat impreuna cu INCDTIM
Cluj-Napoca, sistemul de introducere
a probelor
Rezultate etapa IV:
·
S-au proiectat componentele mecanice
ale analizorului cuadrupolar;
·
S-a realizat si montat modelul
experimental al interfetei;
·
Au fost realizate componentele
mecanice ale modelului experimental de analizor cuadrupolar.
Rezultate etapa V:
·
A fost realizat sistemul de ghidare si purificare a
gazelor;
·
Au fost proiectate componentele electronice ale
spectrometrului de masa cuadrupolar;
·
S-a elaborat documentatia tehnica;
·
Au fost realizate unitatile electronice ale analizorului cuadrupolar;
·
A fost realizata unitatea electronica
pentru analizorul de mobilitate ionica in camp electric omogen (SMI);
·
A fost realizata unitatea
electronica pentru analizorul de mobilitate ionica cu camp electric
asimetric (FAIMS);
·
Au fost montate componentele mecanice si electronice
ale spectrometrului de mobilitate ionica;
·
A fost realizat
sistemul de vid al cuadrupolului.
Rezultate etapa VI:
ARTICOLE PUBLICATE:
·
S. Cuna, R. Wierzchnicki, M. Derda and C. Cuna, Study of isotopic fractionation occurring in
the process of measurements of isotopic ratios 15N/14N
and 18O/16O in nitrate of water, Journal of Mass
Spectrometry, Issue 12, vol. 42, no. 12, 2007;
·
Eva
Dulf, C. Festila, C. Cuna, Asymmetric
High Frequency Square Wave Generator with DC Component Control for Ion Mobility
Spectrometers, Proceedings of the 5th International Symposium on Applied
Computational Intelligence and Informatics, IEEE Catalog Number: CFP0945C-CDR,
ISBN: 978-1-4244-4478-6, Library of Congress: 2009903350, pp.95-98, DOI:
10.1109/SACI.2009.5136219, 2009;
·
C.
Cuna, M. Leuca, N. Lupsa, V. Mirel, V. Bocos-Bintintan, Stela Cuna, V. Cosma
and Florina Tusa, Ion mobility
analyzer-quadrupole mass spectrometer system design, Journal of Pysics:
Conference series, volume 182, 2009;
·
Clement Festila, Dulf Eva-Henrietta,
Roxana Cordos: “Square Wave Generator with DC Control
for High-field Asymmetric Ion Mobility Spectrometers (FAIMS)”, BS-UPT TACCS
Volume 54(68) No. 4 / 2009, pp.163-169;
·
James C.
Reynolds, Gavin J. Blackburn, Cristina Guallar-Hoyas,
Victor H. Moll, Victor Bocos-Bintintan, Gushinder Kaur-Atwal, Mark D. Howdle, Emma L. Harry, Lauren J. Brown, Colin S. Creaser
and C. L. Paul Thomas, Detection of
Volatile Organic Compounds in Breath Using Thermal Desorption Electrospray Ionization-Ion Mobility-Mass Spectrometry,
in Analytical Chemistry, Vol. 82, No. 5, pp. 2139-2144. (DOI:
10.1021/ac9027593), 2010;
·
Victor Bocos-Bintintan, Victor H. Moll, Robert J. Flanagan and
C.L. Paul Thomas, Rapid determination of
alcohols in human saliva by gas chromatography differential mobility
spectrometry following selective membrane extraction, in International
Journal for Ion Mobility Spectrometry, 13(2), 55-63, 2010.
COMUNICARI STIINTIFICE:
·
C. Cuna, St. Popescu,
M. Kaucsar, Digital
signal acquisition with non National
Instruments input/output board, Isotopic and Molecular Processes,
Cluj-Napoca, Sept. 20-22, 2007;
·
C. Cuna, E. Indrea, St. Popescu, D.
Ursu, Analog signal acquisition
with non National Instruments
input board, Isotopic and
Molecular Processes, Cluj-Napoca, Sept. 20-22, 2007;
·
Victor Bocos-Bintintan, Georgiana-Maria Pop, Trace detection of ammonia
by ion mobility spectrometry, 6-th Symposium
“Environment-Research, Protection
and Management”, October
26-28, Cluj Napoca, 2007;
·
Stela Cuna, Negoita Teodor, Petre Berdea, The use of isotopic signals for the study of the response
of polar ecosystems to environmental changes, 2-nd
National Symposium of
Polar Scientific Research,
November 16-17, Bucharest,
2007;
·
Stela Cuna, Cornel Cuna, Gabriela Balas, Alina Magdas,
Edina Szilagyi,
Study of the dynamic exchanges of carbon between the atmosphere
and the terrestrial
biosphere and their impact on the climat and the environment,
A III-a Conferinta Internationala
Energie -Mediu (CIEM), 22 - 23 Noiembrie, Bucuresti, 2007;
·
C. Cuna, Stela Cuna, D. Ursu, M. Leuca and Florina Tusa,
Volatile organic compounds analysis by ion mobility spectrometry, 26th
IMMS 2008, 4th-8th May, Fiera di Primiero, Italy, 2008;
·
Stela Cuna, Petre Berdea, Cornel Cuna, Gabriela Balas, Alina
Magdas, Models of variation of deuterium
in biological fluids, 26th IMMS 2008, 4th-8th
May, Fiera di Primiero, Italy, 2008;
·
C. Cuna, M. Leuca, N. Lupsa, V.
Mirel, C. Festila, Eva Dulf,
Stela Cuna, Florina Tusa, The calculus and the design of a field asymmetric waveform ion mobility spectrometer, 27th
IMMS, 3-8 May, Retz, Austria, 2009;
·
Eva Dulf, C.Festila, C.Cuna, Asymmetric High Frequency Square Wave Generator with DC Component
Control for Ion Mobility Spectrometers,
5th International Symposium on Applied Computational
Intelligence and Informatics,
May 28-29, Timisoara, Romania, 2009;
·
C. Cuna, M. Leuca, N. Lupsa, V. Mirel, V. Bocos-Bintintan,
Stela Cuna, V.Cosma and Florina Tusa, Ion
mobility analyzer-quadrupole mass spectrometer system design, Conferinta
Internationala ”Processes in Isotopes and Molecules”, 24-26 September,
Cluj-Napoca, Romania, 2009;
·
A. Bot, C. Cuna, V. Cosma, M. Kaucsar, St. Popescu, F.
Toadere, Ana V. Popescu, 15N
Isotope separation installation computed control, Conferinta Internationala
”Processes in Isotopes and Molecules”, 24-26 September, Cluj-Napoca, Romania,
2009;
·
D. Ioanoviciu, I. Albert, C. Ciortea, C. Cuna, D. Dumitriu,
N. Lupsa, V. Mirel, Small angle
scattering as resolution harming factor for isotopic peaks in mass spectra, Conferinta
Internationala ”Processes in Isotopes and Molecules”, 24-26 September,
Cluj-Napoca, Romania, 2009;
·
Victor
Moll, Victor Bocos-Bintintan, C.L. Paul Thomas, Rapid and sensitive screening for methanol and ethylene glycol
poisoning using differential ion mobility techniques, Communication presented at the 1st Analytical Research Forum (Royal
Society of Chemistry), Pfizer Global R+D Labs (Sandwich, Kent) and University of Kent (Canterbury), 13th – 15th
July, United Kingdom, 2009;
·
Lauren J.
Brown, James C. Reynolds, Victor Bocos-Bintintan, Danielle Toutoungi,
Billy Boyle, C.L. Paul Thomas, Colin S. Creaser, Miniaturised high field asymmetric waveform ion mobility spectrometry for the detection of volatile and
non-volatile analytes, Communication
presented at the 1st
Analytical Research Forum
(Royal Society of Chemistry), Pfizer Global R+D Labs (Sandwich, Kent) and University of Kent (Canterbury), 13th – 15th
July, United Kingdom, 2009;
·
Victor
Moll, Victor Bocos-Bintintan, C.L. Paul Thomas,
Robert J. Flanagan, Screening for methanol poisoning
using thermal desorption – gas chromatography –
differential mobility spectrometry, Presented at
The 18th International Conference on Ion Mobility Spectrometry ISIMS 2009,
Thun, Switzerland, July
25-31, (Poster #20), 2009;
·
James C. Reynolds, Gavin A. Blackburn, Victor Bocos-Bintintan,
Victor H. Moll, Cristina Guallar-Hoyas, Gushinder Kaur-Atwal, Emma L.
Harry, Mark Howdle, Lauren J. Brown, Colin S. Creaser, C.L. Paul Thomas, Breath profiling by electrospray ion mobility spectrometry mass spectrometry, Presented at The 18th
International Conference on Ion Mobility
Spectrometry ISIMS 2009, Thun,
Switzerland, July 25-31, (Communication
#2), 2009;
·
Colin S. Creaser,
Mark D. Howdle, Gushinder Kaur-Atwal, James C. Reynolds, Emma L. Harry, Lauren J.
Brown, Gavin J. Blackburn, Victor H. Moll, Victor Bocos-Bintintan,
Cristina Guallar-Hoyas, C.L. Paul Thomas, Desorption Electrospray
Imaging Combined with Ion Mobility-Mass Spectrometry, Presented at the 18th International
Mass Spectrometry Conference (IMSC), Bremen, Germany, Aug. 30 – September 4,
2009.
1.
Institutul National de Cercetare - Dezvoltare
pentru Tehnologii Izotopice si Moleculare, Cluj-Napoca - Coordonator de proiect
Cuna Cornel - Director de proiect - Fizician dr. CS I
2.
Universitatea Babes-Bolyai
Responsabil de proiect: Bocos - Bintintan Victor - Lector Univ. Dr.
3.
Institutul National de Cercetare - Dezvoltare
pentru Tehnologii Criogenice si Izotopice - ICSI Rm. Valcea
Responsabil de proiect: Iliescu Mariana - Inginer
4. Universitatea
Tehnica Cluj – Napoca
Responsabil de proiect: Conf. Univ. Dr. Eva Dulf