Open English version:

 

DETECTAREA SI IDENTIFICAREA SUBSTANTELOR PERICULOASE FOLOSIND SPECTROMETRIA DE MOBILITATE IONICA CUPLATA CU SPECTROMETRIA DE MASA (MOBSPEC)

 

 

Contract Nr. 81-023/14.09.2007

 

 

Prezentare  Obiective  Activitati  Rezultate  Diseminarea rezultatelor  Echipa  Parteneri

 

Prezentare:

 

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.

 

Inapoi

Obiective:

 

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).

 

Inapoi

Activitati:

 

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.

 

Inapoi

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:

Inapoi

Diseminarea rezultatelor:

1.     Pagina web

2.     Lucrari comunicate

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 SymposiumEnvironment-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 chromatographydifferential 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.

 

Inapoi

 

Echipa:

Inapoi

Parteneri:

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

Inapoi