Детектирование ионов

Разделение ионов по массам.

7.5.1. Масс-спектрометры низкого разрешения.

Наиболее распространенным способом разделения ионов по массам является использование секторного постоянного (однородного) магнитного поля, в котором производится не только разделение ионов по различным массам, но и фокусировка ионного пучка. Схема:

При попадании иона в магнитное поле на него действуют две противоположные по направлению, но равные по величине центробежная F_ц и центростремительная F_Н силы, которые определяются уравнением:

F_ц = F_Н = mv²/R = eHv (7.7)

Отсюда:

R = mv/eH (7.8)

Исключая скорость из уравнений (7.6) и (7.8), получаем:

Чтобы регистрировать на коллекторе ионы с различным отношением m/e, необходимо либо изменять U, либо Н. Более распространенным является метод сканирования спектра изменением напряженности магнитного поля.

Два иона являются разделенными, если h £ 0,1 H, т.е. если провал между пиками не превышает 10% от интенсивности пиков (см. рис. на след. стр.).

Разрешающая способность зависит от многих факторов: от ионно-оптических свойств источника и магнита, ширины щелей источника и детектора, режима работы прибора. Обычные значения R на современных приборах с магнитной фокусировкой ~ 1000, в отдельных моделях до 10 000. Фактически различаются ионы, массы которых отличаются на 1.

7.5.2. Масс-спектрометры высокого разрешения.

Большой разрешающей способности прибора только с магнитной фокусировкой достигнуть невозможно, ибо ионы в пучке обладают широким разбросом кинетической энергии. Чтобы повысить разрешающую способность прибора, применяют двойную фокусировку: электростатическую (отбор ионов по энергии) и магнитную (отбор ионов по массе).

1 – источник ионов, 2 – выходная щель ускоряю-

щего электрода, 3 – электрический анализатор,

т.е. анализатор энергии, состоящий из разрезан-

ной вдоль радиуса изгиба труба, к верхней поло-

вине которой подведен положительный потенци-

ал V, к нижней – отрицательный, 4 – щель колли-

матора, 5 – наконечники секторного фокусирую-

щего магнита магнитного анализатора, 6 – счет-

чик ионов.

Принцип действия электрического анализатора:

F_ц = F_Н = mv²/R = eV (7.11)

Отсюда следует:

R = 2U/V (7.12)

На щели 4 фокусируются ионы одинаковой энергии, благодаря чему ионы более четко разделяются в магнитном анализаторе. Электрический анализатор позволяет увеличить R до 1 000 000. При М =200 Dm = 0,0002, при М = 2000 Dm = 0,002.

Существуют и другие принципы разделения ионов по массам, среди них следует упомянуть циклотронный резонанс. Еще два способа бегло рассмотрим.

7.5.3. Время пролетные масс-спектрометры.

Здесь между щелью источника ионов и щелью их приемника нет ни магнитного, ни электрического полей. Исходя из уравнения (7.6) видно, что чем больше масса иона, тем меньше скорость его движения и тем позже он достигнет приемника. Таким образом, если интенсивность ионов измерить в зависимости от времени пролета, мы получим масс спектр, похожий на обычный.

7.5.4. Квадрупольные масс-спектрометры.

В хромато-масс-спектрометрах успешно применяется квадрупольные устройства. Анализатором масс в них является квадрупольный конденсатор, состоящий из четырех параллельно расположенных электродов, к которым попарно приложено электрическое напряжение вида:

Е = U + VCos2πνt, (7.13)

где n – частота высокочастотного колебания, U - постоянное напряжение,

VCos2πνt – переменное напряжение:

Положительные ионы направляются из источника по оси Z, параллельной продольным осям электродов. При определенных значениях U и V и ω через анализатор по траектории, мало отличающейся от оси Z, пройдут только ионы определенной массы. При изменении одного из параметров анализатора n, U и V через анализатор пройдут ионы другой массы, что позволяет регистрировать масс-спектр. В большинстве случаев для сканирования спектра изменяют U и V, сохраняя без изменения их соотношение.

Квадрупольный масс-спектр имеет R - 1000, он имеет малые размеры и работает при большем давлении, чем другие типы масс-спектрометров. Это позволяет успешно использовать его в сочетании с хроматографом, ибо требуется менее тщательное отделение газа-носителя на сепараторе.

7.6.1. Фотографическая регистрация.

В масс-спектрографах регистрация ведется на фотопластинке, помещенной в фокальной плоскости прибора. После экспозиции пластинку проявляют обычным способом и получают масс-спектр, состоящий из набора линий. Метод используется только в приборах высокого разрешения.

Недостаток метода - длительность экспонирования, проявление и измерение плотности линий. Однако, этот метод обеспечивает большую точность измерения масс.

7.6.2. Электрическая регистрация.

Наибольшую распространенность получил электронный умножитель, работающий на принципе каскадного выбивания вторичных электронов. При этом запись ведут на многошлейфовом осциллографе или бланке.

Дата добавления: 2014-01-20