Настоящий

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6059 (2023) Цитировать эту статью

404 Доступа

Подробности о метриках

Сообщается о первых и значительных результатах использования миниатюрного газового масс-спектрометра без колонки в режиме реального времени в обнаружении целевых веществ с частичным перекрытием спектров. Достижения были достигнуты с использованием как наноразмерных отверстий в качестве системы впуска наножидкостных проб, так и надежного статистического метода. Даже если представленная физическая реализация может быть использована с газовыми хроматографическими колонками, цель высокой миниатюризации требует исследования ее характеристик обнаружения без посторонней помощи. В качестве примера в первом эксперименте были использованы дихлорметан (CH2Cl2) и циклогексан (C6H12) с концентрациями в диапазоне 6–93 ppm в смесях простых и соединений. При использовании метода без колонок с наноотверстиями необработанные спектры были получены за 60 с с коэффициентами корреляции 0,525 и 0,578 в справочной базе данных NIST соответственно. Затем мы построили набор калибровочных данных на основе 320 необработанных спектров 10 известных различных смесей этих двух соединений, используя частичную регрессию наименьших квадратов (PLSR) для вывода статистических данных. Модель показала нормализованную полномасштабную точность среднеквадратического отклонения (NRMSD) \(10,9\mathrm{\%}\) и \(18,4\mathrm{\%}\) для каждого вида соответственно, даже в комбинированные смеси. Второй эксперимент был проведен на смесях, содержащих два других газа, ксилол и лимонен, действовавших в качестве мешающих веществ. Далее было получено 256 спектров на 8 новых смесях, на основе которых были разработаны две модели для прогнозирования CH2Cl2 и C6H12, получив значения NRMSD 6,4% и 13,9% соответственно.

Сочетание новейших результатов в области микро- и нанотехнологий1 с конкретными подходами к использованию аналитических газовых приборов меняет способы проведения измерений2. Новые поколения аналитических приборов, использующие разработки в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС), открывают перспективы для устройств с очень высоким уровнем миниатюризации для газовой хроматографии (ГХ). Последние достижения в области аналитических методов газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) и более целевых технологий, таких как спектроскопия ионной подвижности (IMS), масс-спектрометрия поверхностных акустических волн (SAW-MS) и газовая хроматография-поверхностные акустические волны- Масс-спектрометрия (ГХ-ПАВ) демонстрирует четкую тенденцию к уменьшению размера, времени анализа, а также затрат на установку и развертывание. Следовательно, необходимо соблюдать строгие условия вакуума, требующие сложных дифференциальных вакуумных систем, громоздких соединений и дорогих вакуумных насосов. Однако устранить необходимость в относительно больших расходах газа на входе в приборы сложно. Примеры этих усилий можно найти в нескольких недавних публикациях, где различные газы вводились со значением sccm в диапазоне 10–200 sccm3,4,5,6,7,8. Чтобы еще больше уменьшить потоки, несколько исследователей изучали уменьшение размеров всей системы, получив первое последовательное снижение необходимой пропускной способности на входе: например, в 2007 году Ким и др.9 сообщили о первой интеграции микроГХ, где К микроколонке длиной 25 см подключали 4-ступенчатый газовый микронасос. Эта система обеспечила наилучшее разделение паров между 0,2 и 0,3 см3. Совсем недавно Се и Ким10 разработали систему микроциркуляторной газовой хроматографии и успешно протестировали ее при разделении различных изомеров, работая при фиксированной скорости потока 0,5 см3. Аналогичные результаты были получены с использованием особой технологии под названием «Насос Кнудсена» (КП), основанной на параллельных каналах, созданных с помощью мембран с наноотверстиями. По этой теме Цинь и др. написал несколько статей11,12,13, разрабатывая небольшие системы с расходом 0,4, 0,82 и 0,15 см3 соответственно. В целом, нанотехнологические устройства могут радикально изменить способ реализации этих мер, позволяя радикально и чрезвычайно существенно сократить размеры системы и энергопотребление. Значительное улучшение упрощения системы14,15 возможно за счет использования отверстий нанометрового размера16 в качестве точек отбора проб и интеллектуальных газовых интерфейсов с атмосферным давлением.