Масс спектрометрия. масс-спектрометрия. Источники ионов, применяемых в методах молекулярного массспектрометрического анализа
 Скачать 242.76 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Физико-технологический институт Кафедра физико-химических методов анализа Реферат на тему Источники ионов, применяемых в методах молекулярного масс-спектрометрического анализа Преподаватель Д.Г. Лисиенко Студент С.П. Турчинович Группа Фт-390016 Екатеринбург 2021 Содержание ВВЕДЕНИЕ_______________________________________________________3 1.Работа ИСП-МС______________________________________________4 2.Основные виды масс-спектрометров_____________________________6 2.1. Квадрупольный МС____________________________________6 2.2. МС с двойной фокусировкой____________________________8 2.3. Времяпролетный МС___________________________________9 3. Детектирование ионов_______________________________________10 4. Преимущества и ограничения метода ИСП-МС__________________12 СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ_________________________14 ВВЕДЕНИЕ Метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой занимает лидирующую позицию среди инструментальных методов элементного анализа. Все благодаря высокой чувствительности по отношению к большинству элементов, возможности их одновременного определения и экспрессности анализа. В связи с этим метод обрел широкую область применения: это и анализ геологических пород, и экологический мониторинг, производство чистых и сверхчистых материалов в производстве элементов микроэлектроники, в медицине и многих других областях. Основа метода – применение аргоновой индуктивно-связанной плазмы как источника ионов и масс-спектрометра для разделения и последующего детектирования этих ионов. Достоинствами аргоновой плазмы по сравнению с другими источниками ионов – искрой и электронным ударом – заключаются в простоте ввода анализируемого образца в источник ионизации при атмосферном давлении, стабильность параметров плазмы, почти 100%-ая ионизация большинства элементов. На данный момент существует 3 вида ИСП-МС с разницей в механизме работы масс-фильтра – квадрупольные МС, времяпролетные МС и приборы высокого разрешения с двойной фокусировкой. В состав ИСП-МС спектрометра входят следующие основные компоненты: 1. Система ввода образца, состоящая из пластиковых трубочек, распылителя, распылительной камеры, перистальтического насоса; 2. Горелка с индуктором, в которой создается горячая плазма при атмосферном, давлении; стационарное горение плазмы поддерживается за счет мощности, подающейся на индуктор от генератора; 3. Интерфейс, через который образовавшиеся ионы попадают в масс-спектрометр; 4. Ионная оптика, с помощью которой формируется пучок ионов перед входом в масс-фильтр; 5. Масс-фильтр, пропускающий только ионы с определенным значением заряд/масса; 6. Детектор, преобразующий поток ионов в электрический сигнал; 7. Система оцифровки электрических сигналов и обработки данных. Работа всех элементов масс-спектрометра (интерфейса, ионной оптики, масс-фильтра) обеспечивается вакуумной системой прибора. Механический фор-вакуумный насос обеспечивает давление в интерфейсе порядка нескольких мбар, давление в остальной части масс-спектрометра (порядка 10-4-5 мбар) обеспечивает турбомолекулярный насос. Работа масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Первым делом происходит пробоподготовка. В данном методе анализа пробоподготовка проста – основной областью применения ИСП-МС является анализ жидких образцов – поэтому если образец твердой фазы, то его необходимо как-либо растворить. Также стоит отметить, что метод относительный, то есть перед проведением анализа образца необходима градуировка прибора раствором стандартного образца с известным составом. Механизм введения жидкости в плазму начинается с работы перистальтического насоса (преимуществом данного насоса является постоянный поток жидкости независимо от различий вязкости между пробой, стандартом и растворителем), который через капилляр загоняет исследуемый раствор в распылительную камеру, где происходит распыление раствора пневмотическим распылителем и селекция его частиц. Частицы с диметром больше 10 мкм осаждаются под действием силы тяжести и выходят через дренажную трубку, а частицы с диметром 5-10 мкм транспортируются в инжектор плазменной горелки. В плазме частицы раствора ионизируются и потоком плазмы направляются в интерфейс. Интерфейс, в свою очередь, состоит из двух металлических конусов - сэмплера с диаметром порядка 1 мм и скиммера с диаметром 0,5-0,7 мм. Сформировавшиеся в плазме ионы проходят сквозь первый конус, попадая в область низкого давления. На небольшом расстоянии после семплера находится гораздо более «острый» скиммер, который срезает лишний поток. Ионы, прошедшие скиммер, ионной оптикой направляются к масс-спектрометру. Ионная оптика, обеспечивающая экстракцию положительно заряженных ионов из общего потока электронов, отрицательных ионов, нейтральных атомов, молекул. Так же как оптические линзы формируют поток фотонов, электростатические линзы формируют пучки заряженных частиц. Важным преимуществом ионной оптики по сравнению с оптическими системами является возможность изменения параметров фокусировки за счет простого изменения управляющего потенциала или его полярности. Экстракционная линза (или система линз) представляет из себя металлический цилиндр, на который подается электрический потенциал. Если экстрактор состоит из нескольких элементов, они должны быть электрически изолированы друг от друга с тем, чтобы имелась возможность оптимально фокусировать ионный пучок, подбирая форму и управляющие потенциалы на каждом элементе. В большинстве приборов на цилиндр экстрактора подается отрицательный потенциал, который выталкивает из пучка электроны и отрицательно заряженные ионы, ускоряя при этом положительно заряженные ионы и формируя из них пучок ионов. После ионной оптики пучок ионов попадает в масс-спектрометр. Основные виды МС Существуют несколько основных типов МС – квадрупольный (КМФ), времяпролетный (ВП,), с двойной фокусировкой (ДФ, Ф), ионная ловушка (ИЛ,). Ниже будут кратко описаны принципы их работы. Квадрупольный масс-фильтр - совокупность металлических электродов определенной длины и профиля, на которые подаются электрические потенциалы.   Рис.1. Схематическое изображение эквипотенциальных контуров в квадрупольном МС. На электроды Х подано напряжение +10В, на электроды Y подано -10В. Контуры проведены с интервалом 2 В. Распределение электрического поля симметрично и в плоскости XZ и в плоскости YZ. Потенциал увеличивается в направлении от центра МФ к электродам X и уменьшается при движении от центра МФ к электродам Y. К электродам попарно в противоположной полярности подаётся определённая комбинация постоянного и переменного полей, благодаря чему будут детектироваться только те ионы, у которых соотношение m/z (m – масса иона, z – заряд иона) будет отвечать соотношению U/V (U - постоянный потенциал, V - амплитуда переменного поля из уравнения  ).Масс-спектрометры с двойной фокусировкой – в этих приборах возможны схемы одноколлекторным и многоколлекторным детекторами. Разница заключается в количестве чувствительных устройств, на которых происходит регистрация ионов. В одноколлекторных регистрация ионов с различными m/Z происходит последовательно в процессе быстрого сканирования параметров МФ, в многоколлекторных - ионы фокусируются не в узкую область на щель, а на плоскость, на которой расположены отдельные изолированные проводящие полоски, соотвоетсвенно, регистрация ионов происходит одновременно.  a  b Рис.2. Схема спектрометра с двойной фокусировкой (a) и принцип действия схемы двойной фокусировки (b). Принципиально иной конструкцией, позволяющей регистрировать практически весь спектр масс одновременно, является времяпролетный МС. Основным достоинством ВП-МС является практически одновременная регистрация всех масс, что особенно необходимо в следующих аналитических задачах: Детектирование максимально возможного числа элементов в коротких по времени процессах (лазерная абляция, электротермическая атомизация, кратковременные сигналы после хроматографического разделения компонентов сложной смеси и т.п.). Измерение отношений разных элементов с высокой точностью (методика внутреннего стандарта, изотопическое отношение). Измерение максимально возможного числа элементов в ограниченном объеме пробы. В основе метода лежит физический принцип – зависимость энергии движущейся частицы от массы и скорости: Ek = Ѕ mv2 Если всей совокупности ионов, попавших в ВП-МС, сообщить одинаковую энергию за счет высокого электрического потенциала (U) в ускоряющем промежутке, то ионы с разной массой вылетят из ускоряющего поля с разными скоростями. Если после ускоряющего промежутка ионы попадают в бесполевую зону длиной L, то ионы с разными массами пролетят эту зону в разное время t, определяемое соотношением: m/Z = 2Ut2/L2 В итоге массовый спектр образца представляет собой разделенные во времени импульсы разной интенсивности.  Рис. 3. Принципиальная схема времяпролетного МС с аксиальным расположением элементов. Детектирование ионов. Существуют два основных типа детекторов - электронные умножители и полоски Фарадея. Первый тип детекторов используется в значительном большинстве коммерческих приборов. Второй тип используется, как правило, если нет необходимости в быстродействии системы регистрации и концентрации определяемых элементов достаточно велики. Основное применение пластинки Фарадея находят в мультиколлекторных приборах. Электронные умножители состоят из отдельных динодов - металлических пластинок специальной формы, покрытых полупроводниковым материалом с высоким коэффициентом выхода вторичных электронов, т.е. с числом электронов, выбиваемых одним падающим на динод ионом, порядка 3-5. На эту систему подается такое напряжение, что между двумя соседними ионами создается ускоряющее вторичные выбитые электроны поле, которое направляет их к следующему диноду; таким образом образуется «лавина» электронов, которая впоследствии регистрируется и оцифровывается. Количество используемых динодов можно изменять в зависимости от концентрации регистрируемого в данный момент элемента – при малой концентрации элемента задействуются все диноды; если концентрация элемента достаточно велика, то ряд пластинок отключается, что приводит к ослаблению усиления в ЭУ и информация считывается по потоку определяемых ионов на первом диноде. Отличие канального ЭУ от ЭУ с дискретными динодами сводится к тому, что вместо изолированных динодов используется изогнутая в форме рога трубка, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой проводящего материала с высоким квантовым выходом вторичной электронной эмиссии. В остальном же канальный ЭУ выполняет все те же функции, что и ЭУ с динодами.  a  b Рис.17. Принципиальная схема ЭУ с дискретными динодами (а) и в форме канального ЭУ (b). Преимущества и ограничения метода ИСП-МС Преимущества: Высокая чувствительность по отношению к большинству элементов Возможности одновременного определения элементов Экспрессность анализа Достаточно простая пробоподготовка Удобство в использовании Производительность Малый расход пробы Недостатки: Матричные помехи, влияющие на точность результата анализа (спектральные и неспектральные интерференции) Возможные загрязнения сэмплера, необходимо прочищать Дороговизна технического обслуживания Литературные источники Большов М.А., Серегина И.Ф. «Элементная масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой» https://ru.wikipedia.org/wiki/Масс-спектрометрия_с_индуктивно-связанной_плазмой#Использование – Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой https://ru.wikipedia.org/wiki/Квадрупольный_масс-анализатор - Квадрупольный масс-анализатор |