Принцип работы масс-спектрометров

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Введение

Методы масс-спектрометрии являются методами получения спектров масс ионов.

Теоретические и экспериментальные основы масс-спектрометрии были заложены Д.Д.Томсоном, который впервые в 1912 г. создал прибор для получения спектра масс положительных ионов.

Схема масс-спектрометров относительно проста и включает три главных элемента – ионный источник, анализатор и детектор. При использовании различных методов ионизации в ионном источнике создаются пучки ионов как положительных, так и отрицательных, в зависимости от поставленной задачи, а иногда те и другие одновременно. Эти пучки ионов, содержащие ионы различных масс, направляются далее в анализатор, где под влиянием полей различной природы формируются пучки ионов определенной массы. Регистрация пучка ионов в коллекторе позволяет получить спектр масс ионов.

Ученик Томсона Ф. Астон существенно повысил разрешение масс-спектрографа за счет лучшей фокусировки ионного пучка и на своем масс-спектрографе впервые открыл изотопы элементов. Масс-спектрографы используют для точного определения атомных масс. Одновременно с Астоном в Чикаго А. Демпстер сконструировал первый масс-спектрометр, в котором анализатором служило поперечное магнитное поле и ионные токи измерялись электрическими методами. Именно этот тип масс-спектрометров имеет широкое применение. Существенное улучшение разрешения масс-спектра было получено в 50-х годах в приборах с двойной фокусировкой, т.е. с использованием в анализаторе электрического и магнитного статических полей. Наряду со статическими полями для получения масс-спектров используют переменное электрическое поле в динамических масс-спектрометрах. Это позволяет исключить из конструкции масс-спектрометров громоздкие масс-спектрометры.

Принцип работы масс-спектрометров

В методах масс-спектрометрии используют ионизацию вещества, так как существуют эффективные методы управления пучками заряженных частиц с помощью магнитных и электрических полей. Большая часть исследований ведется с пучками положительных ионов.

Схематически процесс ионизации с образованием положительных ионов можно представить следующим образом:

,

где Н_м, Н_х, Н₁ и Н₂ – число частиц в единице объема; Е_м, Е_х, Е₁, Е₂ – энергия соответствующих частиц; q – степень ионизации, в большинстве случаев равная единице и поэтому Н₁ = Н₂.

Образование положительных ионов является результатом взаимодействия молекул, атома или радикала в газовой фазе (М) с электроном, фотоном, ионом или быстрой молекулой (х), а также макроскопическим телом, обладающим электрическим полем с высоким градиентом.

Е_х должна быть больше потенциала ионизации (М). Избыток энергии Е_х над потенциалом ионизации после ионизации распределяется между ионом Мq⁺ с энергией Е₁ и эмиттированным электроном с энергией Е₂.