Научное приборостроение, 2023, том 33, № 2

ISSN 0868–5886                                            НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2, c. 3–11 
 

СИСТЕМНЫЙ  АНАЛИЗ  ПРИБОРОВ   

И  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  МЕТОДИК  

3 

 
УДК 543.51 
 
 Ю. А. Титов, А. Г. Кузьмин, Н. А. Есикова, 2023 
 

ИССЛЕДОВАНИЕ  МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  

ПРЯМОГО  ВВОДА  ГАЗООБРАЗНЫХ  ПРОБ  НА  БАЗЕ  

СИЛИКОНОВЫХ  МЕМБРАН  И  НА  БАЗЕ  КАПИЛЛЯРА 

 

В работе представлены результаты исследования газовой проницаемости тонких силиконовых мембран  
в составе системы прямого ввода пробы в квадрупольный масс-спектрометр МС7-200. Исследованы материалы 
4 марок: Sylgard-184, PlatSet-30, Lasil-T4 и Lasil-C. Толщина изготовленных мембран варьировалась 
от 45 до 75 мкм. Определена наиболее проницаемая мембрана — PlatSet-30 (50 мкм). Также проведено сравнение 
масс-спектров, полученных при использовании мембранной системы ввода пробы и системы прямого 
капиллярного ввода пробы. В качестве исследуемого газа использовались: атмосферный воздух, сернистый 
газ в азоте и пентан в воздухе. Показаны преимущества мембранного ввода пробы по сравнению с капиллярным, 
а именно, увеличение чувствительности по отдельным компонентам  при малых концентрациях образца. 
Основной недостаток силиконовых мембран — это достаточно высокая вероятность их повреждения 
при установке в систему мембранного ввода. 
 
 
Кл. сл.: масс-спектрометрия, силиконовые мембраны, мембранный ввод, полидиметилсилоксан 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В масс-спектрометрии мембранный ввод пробы 

изначально был разработан для анализа жидких 
образцов. В частности, полимерные мембраны 
применялись для измерения растворенных в крови 
и моче газов [1], а также для определения компонентов 
природных вод [2]. Мембрана выступала  
в качестве границы (жидкость – высокий вакуум) 
[3]. С появлением силиконовых мембран этот метод 
стал особенно привлекательным и нашел применение 
не только для жидких, но и для газовых 
проб. Тонкие силиконовые полупроницаемые 
мембраны обладают селективной пропускной способностью 
для разных газов, т.е. различные газовые 
компоненты проходят сквозь такие мембраны 
с разной скоростью. Применение такого материала 
позволяет в том числе уменьшить долю инертного 
носителя, который в большинстве случаев присутствует 
в анализируемых пробах [3]. Достигается 
это за счет разной скорости адсорбции молекул 
различных компонентов газовой смеси на поверхности 
мембраны, их последующей диффузии через 
нее и испарения в вакуумную камеру масс-
спектрометра. Все эти этапы прохождения молекул 
пробы зависят от ее состава и свойств мембраны. 
Также на пропускную способность мембраны 
влияют ее толщина, площадь и правильно 
выбранный температурный режим работы источника 
ввода пробы. Таким образом, парциальный 
состав газов до мембраны и после ее прохождения 

может сильно отличаться. Мембранная система 
ввода пробы позволяет увеличить чувствительность 
масс-спектрометра по отдельным компонентам 
в десятки и сотни раз. Для мембранного ввода 
в масс-спектрометр, как правило, используются 
мембраны из полидиметилсилоксана (Sylgard-184) 
[1, 2]. В данной работе исследовались силиконовые 
мембраны, изготовленные из разных материалов 
и имеющие разные толщины. Также было 
произведено сравнение масс-спектров, полученных 
с использованием мембранного и капиллярного 
вводов пробы. 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 

Исследование производилось на разработанном 

в Институте аналитического приборостроения 
РАН квадрупольном масс-спектрометре с ионизацией 
электронным ударом МС7-200 [4]. 

Схема мембранной системы ввода пробы для 

масс-спектрометра представлена на рис. 1. 

Силиконовые мембраны также изготавливались 

в ИАП РАН. Исследованы мембраны разной толщины 
из двукомпонентных силиконовых резин 
четырех марок: Sylgard-184, PlatSet-30, Lasil-T4  
и Lasil-C. Одной из характеристик для оценки 
прочности мембраны является удлинение на разрыв. 
Для приведенных выше материалов данный 
параметр равен: Sylgard-184 — 140%, Lasil-T4 — 
400%, PlatSet-30 — 420%, Lasil-C — 900%.  

Ю. А. ТИТОВ, А. Г. КУЗЬМИН, Н. А. ЕСИКОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

4

 

 

 
 

Мембраны были получены методом центрифу-

гирования с последующим отверждением в термостате 
при 75 °С. Толщина мембраны зависит от режима (
скорости и длительности) центрифугирования 
и свойств (вязкости) резины до отверждения. 
В результате были изготовлены круглые мембраны 
следующих толщин: Sylgard-184 — 50 мкм  
и 60 мкм, PlatSet-30 — 50 мкм и 60 мкм,  
Lasil-T4 — 45 мкм и 75 мкм, Lasil-C — 50 мкм  
и 75 мкм. 

Поскольку при таких толщинах пленки легко 

растягиваются, скомкиваются (в том числе в связи 
с нескомпенсированными поверхностными зарядами), 
то перенос мембран с подложки оказался 
сложным процессом. Поэтому было решено изготавливать 
мембраны единой деталью с уплотнительным 
кольцом. 

 
 

 
 

 

 
Рис. 2. Масс-спектры атмосферного воздуха, полученные с помощью разных мембран (детектирование на коллектор, 
низкая чувствительность) 
 

Рис. 1. Схема мембранного источника ввода пробы.
1 — уплотнительное кольцо, 2 — мембрана, 3 — подложка 
под мембраной 

ИССЛЕДОВАНИЕ  МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  ПРЯМОГО  ВВОДА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

5

 

Итоговый процесс изготовления мембран со-

стоял из следующих этапов:  

1) смешивание двухкомпонентного состава;  
2) нанесение состава на подложку (в чашку 

Петри) и последующее центрифугирование;  

3) термическое отверждение;  
4) обработка мембраны и уплотнительного 

кольца из того же материала кислородной плазмой 
с последующим соединением;  

5) снятие кольца с мембраной с подложки;  
6) термостатирование мембраны при 100 °С для 

восстановления свойств поверхности после плазменной 
обработки и дополимеризации оставшихся 
несвязанными низкомолекулярных цепочек силиконовых 
резин.  

Рабочий диаметр мембран составлял 15 мм. 
В качестве анализируемых образцов газов ис-

пользовался атмосферный воздух, сернистый газ  
в азоте и пентан в воздухе. 

РЕЗУЛЬТАТЫ 

В результате измерений были получены масс-
спектры атмосферного воздуха для всех исследуемых 
мембран (рис. 2 и 3). 

Для наглядности относительные интенсивности 

по основным компонентам смеси для всех мембран 
представлены в табл.  
 

 
 

 

 

Рис. 3. Масс-спектры атмосферного воздуха, полученные с помощью разных мембран (детектирование на вторично-
электронный умножитель, высокая чувствительность) 

 
 

Табл.  Относительные интенсивности основных компонент спектров для исследуемых мембран (* — криптон 
измерялся на вторично-электронный умножитель) 

 

Компонента 
смеси 

Sylgard-
184, 
50 мкм 

Sylgard-
184, 
60 мкм 

PlatSet-
30, 
60 мкм 

PlatSet-
30, 
50 мкм 

Lasil-T4,  
 
45 мкм 

Lasil-T4,  
 
75 мкм 

Lasil-C,  
 
75 мкм 

Lasil-C,  
 
50 мкм 

14(N) 
0.050
0.040
0.046
0.062
0.058
0.026
0.025
0.029

16(O) 
0.046
0.036
0.037
0.047
0.049
0.024
0.022
0.024

18(H2O) 
0.617
0.433
0.381
0.419
0.593
0.258
0.237
0.247

28(N2) 
0.895
0.648
0.707
1.000
0.960
0.378
0.355
0.457

32(O2) 
0.407
0.288
0.305
0.436
0.437
0.172
0.149
0.191

40(Ar) 
0.028
0.020
0.022
0.032
0.030
0.012
0.011
0.013

84(Kr)* 
0.673
0.645
0.778
1
0.948
0.411
0.403
0.5

Ю. А. ТИТОВ, А. Г. КУЗЬМИН, Н. А. ЕСИКОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

6

 

Таким образом, наибольшая амплитуда сигнала 

по атмосферным компонентам была зафиксирована 
у мембраны PlatSet-30 толщиной 50 мкм. 

Далее было проведено сравнение масс-спек-

тров, полученных с помощью мембранной системы 
ввода пробы с мембраной PlatSet-30,  50 мкм,  
и с помощью капиллярной системы ввода пробы. 
На рис. 4 и 5 представлены полученные масс-
спектры воздуха. 

В масс-спектрометре использовалось как де-

тектирование на коллектор, так и на вторично-
электронный умножитель (ВЭУ). 

На рис. 6 представлены масс-спектры смеси 

SO2 в азоте (107 ppm), полученные на мембранной 
и капиллярной системах ввода. Интенсивность 
сигнала, полученного на мембранном вводе, была 
в 8 раз выше, чем на капиллярном, а значение сигнал/
шум выше в 7.8 раза. 

 
 

 

Рис. 4. Масс-спектры атмосферного воздуха, полученные с помощью мембранного и прямого капиллярного вводов 
пробы (мембрана PlatSet-30, 50 мкм, детектирование на коллектор) 

 
 
 

 

Рис. 5. Масс-спектры атмосферного воздуха, полученные с помощью мембранного и прямого капиллярного вводов 
пробы (мембрана PlatSet-30, 50 мкм, детектирование на ВЭУ, нормирование по Kr (84 а.е.м.) 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  ПРЯМОГО  ВВОДА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

7

 

 

Рис. 6. Масс-спектры смеси SO2 в азоте (мембранный и капиллярный вводы) 

 
 
 

 

 

Рис. 7. Масс-спектр смеси пентана и воздуха (мембранный и капиллярный вводы) 

 
 

На рис. 7 представлен масс-спектр пентана в воз-

духе (300 ppm). Интенсивность сигнала, полученного 
на мембранном вводе (молекулярный пик  
72 а.е.м.), в 3.8 раза выше, чем на капиллярном,  
а значение сигнал/шум выше в 5 раз. 

На рис. 8 представлен масс-спектр атмосферно-

го ксенона, полученного на масс-спектрометре  
с мембранным вводом, отношение сигнал/шум по 
пику 129 а.е.м. при этом равно 18. 

 
 

ВЫВОДЫ 

В работе исследованы мембраны разной тол-

щины из 4 марок силиконовых резин. В процессе 
измерений были определены две лучшие мембраны 
с точки зрения чувствительности масс-спектрометра — 
PlatSet-30 толщиной 50 мкм и Lasil-T4 
толщиной 45 мкм. Также были выявлены следующие 
трудности: быстрый выход системы из строя 
(из-за   прорыва  мембраны)  при     использовании 
 

 

Ю. А. ТИТОВ, А. Г. КУЗЬМИН, Н. А. ЕСИКОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

8

 

 
Рис. 8. Масс-спектр атмосферного ксенона (80 ppb) 

 
 
мембран толщиной менее 50 мкм, а при использовании 
более толстых мембран — вероятность их 
повреждения в процессе установки в систему прямого 

ввода. 
Сложность 
отделения 
мембран  

от подложки после процесса центрифугирования 
была преодолена путем объединения мембраны  
и уплотнительного кольца (тот же, что и мембрана, 
материал) в одну деталь. Мембраны марки 
Sylgard-184, согласно своим прочностным характеристикам, 
оказались самыми неудобными из всех 
исследуемых марок, т.к. очень легко повреждались. 
Прочности мембран марок PlatSet-30 и Lasil-
T4 было достаточно для многоразового снятия  
и установки в систему ввода пробы. Мембраны  
из материала Lasil-C, являясь самыми прочными 
среди исследуемых, давали самую низкую чувствительность 
в масс-спектрах, т.е. имели самую 
маленькую проницаемость. 

В работе было произведено сравнение двух 

масс-спектрометрических систем прямого ввода 
пробы — мембранной и капиллярной. В результате 
зафиксирована более высокая чувствительность 
мембранной системы ввода по отдельным компонентам (
вода, кислород, углекислый газ и др.) при 
равных концентрациях. Также отмечено увеличение 
отношения сигнал/шум в масс-спектрах, полученных 
с помощью мембранной системы ввода.  

Мембранная система прямого ввода пробы дает 

преимущества при анализе малых и следовых концентраций 
некоторых газовых компонент при условии, 
что эти компоненты имеют более высокую 
скорость прохождения через мембрану относи-

тельно основных компонент. Это, в частности, 
продемонстрировано на примере сернистого газа  
и пентана. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Елохин В.А., Ершов Т.Д., Елизаров А.Ю. Применение 

мембранного сепараторного интерфейса для масс-
спектрометрического анализа анестезиологических 
препаратов в биологических жидкостях // Научное 
приборостроение. 2014. Т. 24, № 2. C. 118–122. URL: 
http://iairas.ru/mag/2014/abst2.php#abst15 

2. Горбацкий В.В., Елохин В.А., Николаев В.И., Ер-

шов Т.Д., Елизаров А.Ю. Исследование растворенных 
в морской воде газов при помощи масс-спектрометра 
с мембранным сепараторным интерфейсом // Научное 
приборостроение. 2016. Т. 26, № 1. C. 68–76. URL: 
http://iairas.ru/mag/2016/abst1.php#abst10 

3. Коган В.Т. Масс-спектрометрия. Основы, приложения. 

СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. 
107 с. 

4. Кузьмин А.Г. Квадрупольный масс-спектрометр. Па-

тент на полезн. мод. № 94763 РФ, 27.05.2010. 
 
 

Институт аналитического приборостроения РАН,  
Санкт-Петербург 

Контакты: Титов Юрий Алексеевич, 
toplm@mail.ru 
 

Материал поступил в редакцию 23.03.2023 

 

ISSN 0868–5886                                         NAUCHNOE  PRIBOROSTROENIE, 2023, Vol. 33, No. 2, pp. 3–11 

9 

INVESTIGATION  OF  MASS-SPECTROMETRIC  SYSTEMS  

USING  SILICONE  MEMBRANES  AND  CAPILLARY  

FOR  DIRECT  INLET  OF  GAS  SAMPLES 

 

Yu. A. Titov,  A. G. Kuzmin, N. A. Esikova 

 

Institute for Analytical Instrumentation of RAS,  Saint Petersburg, Russia 

 

The paper presents the results of a study of the gas permeability of thin silicone membranes used as part of  

a direct sample inlet system into an MS7-200 quadrupole mass spectrometer. Materials of 4 sorts were studied: 
Sylgard-184, PlatSet-30, Lasil-T4 and Lasil-C. The thickness of the fabricated membranes varied from 45 to  
75 μm. PlatSet-30, 50 µm was determined to be the most permeable membrane. The mass spectra obtained us-
ing a membrane sample inlet system and a direct capillary sample inlet system were also compared. The follow-
ing gases were used as the test ones: atmospheric air, sulfur dioxide in nitrogen, and pentane in air. The advantages of 
membrane inlet compared to capillary are shown, namely, an increase in sensitivity for individual components at low 
sample concentrations. The main disadvantage of silicone membranes is their rather high probability of damage when 
installed in a membrane inlet system. 
 
 
Keywords: mass spectrometry, silicone membranes, membrane inlet, polydimethylsiloxane 

 

 

INTRODUCTION 

Membrane inlets were originally developed for the 

analysis of liquid samples. In particular, polymer 
membranes have been used to measure gases dis-
solved in blood and urine [1], as well as to determine 
the components of natural waters [2]. Membrane is 
advocated as a boundary (liquid – high vacuum) [3]. 
With the advent of silicone membranes, this method 
has become especially promising and has found use 
not only for liquid but also gas samples. Thin silicone 
semi-permeable membranes have selective permeabil-
ity for different gases, i.e., different gas components 
pass through such membranes at different rates. The 
use of such a material makes it possible, inter alia, to 
reduce the proportion of an inert carrier, which in 
most cases is present in the analyzed samples [3]. This 
is achieved due to the different rates of adsorption of 
molecules of various components of the gas mixture 
on the membrane surface, their subsequent diffusion 
through it, and evaporation into the vacuum chamber 
of the mass spectrometer. All these stages of the pas-
sage of the sample molecules depend on the composi-
tion and properties of the membrane. Also, the 
throughput of the membrane is affected by its thick-
ness, area, and the correctly set temperature regime of 
the sample injection source. Thus, the specific compo-
sition of gases before and after the membrane passage 
can be very different. The membrane sample inlet sys-
tem makes it possible to increase the sensitivity of the 
mass spectrometer for individual components by tens 
or hundreds of times. As a rule, membranes made of 

polydimethylsiloxane (Sylgard-184) are used for the 
membrane inlet into a mass spectrometer [1, 2]. In this 
work, we studied silicone membranes made of differ-
ent materials and having different thicknesses.  
A comparison was also made of mass spectra obtained 
using membrane and capillary sample inlets. 

EXPERIMENTAL EQUIPMENT 

The study was carried out on a quadrupole mass 

spectrometer with electron impact ionization МС7-
200 developed at the Institute of Analytical Instru-
mentation of the Russian Academy of Sciences [4]. 
The scheme of the membrane inlet system for the 
mass spectrometer is shown in Fig. 1. 
 

 

Silicone membranes were also made at the IAP 

RAS. Membranes of various thicknesses made of two-
component silicone rubbers of four makes were stu-
died: Sylgard-184, PlatSet-30, Lasil-T4, and Lasil-C. 
One of the characteristics for evaluating the strength 
of the membrane is elongation at break. For the above 
materials, this parameter is equal to: Sylgard-184 — 
140%, Lasil-T4 — 400%, PlatSet-30 — 420%, Lasil-
C — 900%. 

 

Fig. 1. Source scheme of the sample inlet via mem-
brane. 
1 — O-ring, 2 — membrane, 3 — substrate under the 
membrane 

Ю. А. ТИТОВ, А. Г. КУЗЬМИН, Н. А. ЕСИКОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

10

The membranes were obtained using centrifugation 

followed by curing in a thermostat at 75 C. The thick-
ness of the membrane depends on the mode (speed 
and duration) of centrifugation and the properties 
(viscosity) of rubber before curing. As a result, round 
membranes of the following thicknesses were pro-
duced: Sylgard-184 — 50  and 60 µm, PlatSet-30 — 
50 µm and 60 µm, Lasil-T4 — 45 µm and 75 µm, La-
sil-C — 50 µm and 75 µm. 

Since films with such thicknesses are easily 

stretched and clumped (inter alia due to uncompen-
sated surface charges), the transfer of membranes 
from the substrate turned out to be a complex process. 
It was chosen to produce the membranes in a single 
piece with an O-ring as a result. 

The final process of manufacturing membranes 

consisted of the following steps: 

1) mixing a two-component working material; 
2) application of the working material to the sub-

strate (into a Petri dish) and subsequent centrifuga-
tion; 

3) thermal curing; 
4) connection after oxygen plasma treatment of the 

membrane and O-ring made of the same material; 

5) removal of the ring with the membrane from the 

substrate; 

6) temperature control of the membrane at 100 °C 

to restore the surface properties after plasma treatment 
and polymerization of the remaining unbound low 
molecular weight chains of silicone rubber. 

The working diameter of the membranes was  

15 mm. 

Atmospheric air, sulfur dioxide in nitrogen, and 

pentane in air were used as analyzed gas samples. 

RESULTS 

The measurements led to the acquisition of mass 

spectra of ambient air for all membranes under inves-
tigation (Figs. 2 and 3). 
 

 

 

For clarity, the relative intensities for the main 

components of the mixture for all membranes are pre-
sented in Tab.  
 

 

Thus, the highest amplitude of atmospheric com-

ponent signals was obtained using the PlatSet-30 
membrane, which is 50 µm thick. 
Next, a comparison was made between the mass spec-
tra obtained using a membrane sample inlet system 
with a PlatSet-30 membrane, 50 µm, and those ob-
tained using a capillary sample inlet system. Figs. 4 
and 5 present the obtained air mass spectra. 
 

 

 

The mass spectrometer used both collector and 

secondary electron multiplier (SEM) detection. 

Fig. 6 shows the mass spectra of a mixture of SO2 

in nitrogen (107 ppm) obtained using the membrane 
and capillary injection systems. The intensity of the 
signal obtained using the membrane inlet was 8 times 
higher than that obtained using the capillary one, and 
the signal-to-noise value was 7.8 times higher. 
 

 

Fig. 7 shows the mass spectrum of pentane in air 

(300 ppm). The intensity of the signal obtained with 
the membrane inlet (molecular peak 72 u) is 3.8 times 
higher than using the capillary, and the signal-to-noise 
ratio is 5 times higher. 
 

 

Fig. 8 shows the mass spectrum of atmospheric 

xenon obtained on a mass spectrometer with a mem-
brane inlet, signal-to-noise ratio is equal to 18 at peak 
129 u. 

Fig. 2. Mass spectra of atmospheric air obtained using 
different membranes (detection with a collector), low 
sensitivity 

Fig. 3. Mass spectra of atmospheric air obtained us-
ing different membranes (detection with a secondary 
electron multiplier), high sensitivity 

Fig. 4. Atmospheric air mass spectra obtained using 
membrane and direct capillary sample inlets (Plat-
Set-30 membrane, 50 µm, collector detection) 

Fig. 5. Mass spectra of atmospheric air obtained us-
ing membrane and direct capillary sample inlets 
(PlatSet-30 membrane, 50 µm, SEM detection, Kr 
normalization (84 u) 
 

Fig. 6. Mass spectra of a SO2 mixture in nitrogen 
(membrane and capillary inlets) 

Fig. 7. Mass spectrum of a mixture of pentane and 
air (membrane and capillary inlets) 

Tab. Relative intensities of the main components of 
the spectra for the membranes under study (* — kryp-
ton was measured with a secondary electron multip-
lier) 

ИССЛЕДОВАНИЕ  МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  ПРЯМОГО  ВВОДА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2 

11

 

CONCLUSIONS 

In this work, membranes of various thicknesses of 

4 silicone rubber sorts were studied. In the course of 
measurements, the two best membranes were deter-
mined in terms of mass spectrometer sensitivity — 
PlatSet-30 with a thickness of 50 μm and Lasil-T4 
with a thickness of 45 μm. Also, the following diffi-
culties were revealed: rapid system failure (due to 
membrane rupture) when using membranes less than 
50 µm thick, and the possibility of damage during 
placement in a direct inlet system if thicker mem-
branes are used. The difficulty of separating mem-
branes from the substrate after the centrifugation 
process was overcome by combining the membrane 
and O-ring (of the same material as the membrane) in 
one piece. Sylgard-184 membranes, according to their 
strength characteristics, turned out to be the most in-
convenient of all the studied makes, because they are 
very easily damaged. The strength of PlatSet-30 and 
Lasil-T4 membranes was sufficient for repeated re-
moval and installation in the sample inlet system. 
Membranes of the Lasil-C material, being the strong-
est among those studied, gave the lowest sensitivity in 
the mass spectra, i.e., had the lowest permeability. 

In this work, we compared two mass spectrometric 

systems for direct sample inlet, membrane, and capil-
lary. As a result, the higher sensitivity of the mem-

brane inlet system for individual components (water, 
oxygen, carbon dioxide, etc.) was recorded at equal 
concentrations. An increase in the signal-to-noise ratio 
was also noted in the mass spectra obtained using  
a membrane inlet system. 

The direct inlet membrane system offers advantag-

es in the analysis of low and trace concentrations of 
certain gas components, provided that these compo-
nents have a higher membrane passage rate relative to 
the main components. Pentane and sulfur dioxide 
serve as excellent illustrations of this. 

REFERENСES 

1. Elochin V.A., Ershov T.D., Elizarov A.Yu. [Use of mem-

brane separator interface for mass spectrometry analysis 
of anaesthetic products in biological fluids].  Nauchnoe 
Priborostroenie 
[Scientific 
Instrumentation], 
2014, 

vol. 24, no. 2, pp. 118–122. (In Russ.). URL: 
http://iairas.ru/mag/2014/abst2.php#abst15 

2. Gorbazkiy V.V., Elochin V.A., Nikolaev V.I., Er-

shov T.D., Elizarov A.Yu. [Study of gases dissolved in 
seawater using a mass spectrometer with a membrane se-
parator interface].  Nauchnoe Priborostroenie [Scientific 
Instrumentation], 2016, vol. 26, no. 1, pp. 68–76. DOI: 
10.18358/np-26-1-i6876 (In Russ.). 

3. Kogan V.T. Mass-spektrometriya. Osnovy, prilozheniya 

[Mass spectrometry. Basics, Applications]. SPb., Izd-vo 
Politechnicheskogo universiteta, 2008. 107 p. (In Russ.). 

4. Kuzmin A.G. Kvadrupol'nyy mass-spektrometr [Quadru-

pole mass spectrometer]. Patent № 94763 RF, 27.05.2010.  
(In Russ.). 

 

 
 
Contacts: TitovYuriyAlekseevich,  
toplm@mail.ru 
 

 
 

Article received by the editorial office on 23.03.2023 

 

 

 

Fig. 8. Mass spectrum of atmospheric xenon (80 ppb)
 

ISSN 0868–5886                                          НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 2, c. 12–23 
 

СИСТЕМНЫЙ  АНАЛИЗ  ПРИБОРОВ   

И  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  МЕТОДИК  

12 

 
УДК 53.087.92 
 
 И. И. Иванов, А. М. Баранов, 2023 
 

ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ  БЕСПЛАМЕННОГО  

КАТАЛИТИЧЕСКОГО  ГОРЕНИЯ  ВОДОРОДА  

НА  КАТАЛИЗАТОРАХ  ПЛАТИНОВОЙ  ГРУППЫ  НА  ПАРАМЕТРЫ 

ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ  СЕНСОРОВ 

 

Проведено исследование отклика термокаталитических сенсоров водорода с катализаторами платиновой 
группы (Pt+3Pd, Pt, Pd, Ir и Rh) в диапазоне комнатных температур. Показано, что реакция беспламенного 
каталитического горения водорода на Pt и (Pt+3Pd) катализаторах протекает при температуре 20 ºС, что проявляется 
в самопроизвольном нагреве чувствительного элемента термокаталитического сенсора и увеличении 
сопротивления микронагревателя. Впервые проведено измерение температуры микронагревателя. Показано, 
что температура увеличивается на 99 ºС и 84 ºС в поверочной газовой смеси, содержащей 0.96% об. 
водорода, для Pt и (Pt+3Pd) катализаторов соответственно. Предложен способ измерения концентрации водорода 
термокаталитическим сенсором без подачи нагревающего напряжения.  
 
 
Кл. сл.: термокаталитический сенсор водорода, катализаторы платиновой группы, беспламенное горение, 
температура самоинициирования реакции 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В последнее время водородная энергетика при-

влекает все большее внимание [1, 2]. В связи с быстрым 
развитием водородной энергетики наблюдается 
повышенный интерес к разработке сенсоров 
водорода, которые рассматриваются как важный 
компонент промышленной безопасности [3–
5].  

С точки зрения термокаталитических сенсоров 

водорода их основными недостатками являются 
низкая селективность к горючим газам, а также 
необходимость нагрева катализатора до температур 
выше 200 ºС и, как следствие, повышенная 
опасность сенсоров в водородной среде [6]. 

Возможность создания низкотемпературного 

термокаталитического сенсора водорода является 
чрезвычайно привлекательной идеей, поскольку 
может значительно расширить области их промышленного 
использования, в частности, там, где 
требуются малопотребляющие сенсоры для долговременной 
автономной работы. Несмотря на успехи 
в совершенствовании термокаталитических 
сенсоров, они остаются наиболее энергопотребляющими 
компонентами электронных устройств 
[7, 8].  Хотя в литературе представлены разработки 
термокаталитических сенсоров с энергопотреблением 
меньше 10 мВт [9], потребляемая мощность 
промышленных термокаталитических сенсоров 
обычно превышает 100 мВт [10, 11]. 

Уменьшение энергопотребления, которое про-

исходит одновременно с уменьшением рабочей 
температуры, позволяет использовать их в приложениях, 
в которых требуется длительное время автономной 
работы, в частности, в беспроводных 
сенсорных сетях. Одновременно уменьшение рабочей 
температуры повышает безопасность применения 
сенсоров в водородовоздушных средах.  

Ранее в работе [12] было проведено исследова-

ние температурных зависимостей отклика сенсоров 
водорода с катализаторами платиновой группы  — (
Pt+3Pd)-катализатором  и  Ir-катализатором — 
в области отрицательных температур окружающей 
среды. В результате проведенных исследований 
был определен температурный порог 
начала каталитической реакции водорода.  В частности, 
было установлено, что для сенсоров  
с (Pt+3Pd)-катализатором температура инициирования 
реакции каталитического горения водорода 
лежит  в диапазоне 17–22 ºС. А для катализаторов 
на основе иридия горение водорода начинается 
при температуре выше 190 ºС.  

Кроме того, было показано, что уменьшение 

рабочей температуры сенсора позволяет создать 
селективные сенсоры водорода, которые могут 
измерять его концентрацию в смесях горючих газов, 
в частности углеводородов [13].  

Полученные результаты согласуются с более 

ранними результатами, где температура платиновых 
металлических катализаторов мгновенно по-