Масс-спектрометрия

Macс-спектральный анализ основан на способности газообразных ионов разделяться в магнитном поле в зависимости от отношения т/е, где т масса, е -заряд иона. Ионизация молекул в газе происходит под действием потока электронов. Наиболее вероятными являются процессы образования однозарядных положительных ионов:

М + = М⁺ + 2,

По величине m/е определяют массовое число иона, а по интенсивности соответствующего сигнала судят о концентрации ионов.

Рис. 25. Схема масс-спектрометра 1 - газообразная проба; 2 - катод; 3 - анод; 4 - ускоряющие пластинки; 5 - магнитное поле; 6 - детектор.

В камере анализируемое вещество переводится в газообразное состояние при давлении 10^-2-10^-3Па. Режим работы камеры устанавливается в зависимости от того, трудно- или легко-летучие соединения входят в состав анализируемого образца. При анализе газообразных проб стадия испарения отпадает. Далее молекулярный пучок ионизируется. Ионизация молекулярного пучка газообразной пробы может быть вызвана фотонами, ионами, электрическим полем, электронным ударом и другими способами.

Образовавшиеся положительно заряженные ионы проходят через ускоряющие пластины, разность потенциалов между которыми достигает нескольких тысяч вольт. Здесь они приобретают энергию eV, а их скорость возрастает до V. Энергия еV будет равна кинетической энергии ионов mV²/2, покидающих ионный источник со скоростью V.

eV = mV²/2 (6.10.1)

После ускорения в электрическом поле ионы под прямым углом пересекают магнитное поле напряженностью Н, подвергаясь, таким образом, действию силы HeV, направленной перпендикулярно движению иона. Поэтому траекторией движения ионов будет окружность радиуса r.

r = 1/Н √ 2Vmle (6.10.2)

Ионы, описывая дугу радиуса г, попадают в детектор.

m/e = r²×H²/2V (6.10.3)

Для получения масс-спектра, в принципе, можно менять любую переменную правой части уравнения (6.10.3) и измерять ионный ток или почернение фотопластинки. Радиус r обычно не меняется, он задается конструкцией прибора и остается постоянным для всех ионов. Таким образом, меняя Н при постоянном V или меняя V при постоянном Н, можно направлять на детектор ионы с разной величиной m/е. Масс-спектр представляют зависимостью в виде спектрограммы или таблицы, содержащей величины m/е и соответствующую им интенсивность. Пропорциональность между экспериментально измеренным V и отношением m/е можно найти путем градуировки по веществу с известным масс-спектром.

Качественный масс-спектрометрический анализ основан на измерении массы ионов. Идентификация масс проводится по положению линии на фотопластинке, которое фиксируется, измеряя расстояние между линиями с известной массой и анализируемой линией. Масс-спектры многих веществ изучены достаточно подробно и сведены в специальные атласы.

Количественный анализ в масс-спектрометрии проводят по току, фиксируемому детектором, или по почернению фотопластинки. В первом случае расчеты основаны на том, что пик ионного тока 1 пропорционален содержанию компонента или его парциальному давлению:

1 = k×c = ξ×р,

где k и ξ - коэффициенты пропорциональности,

с - концентрация,

р - давление.

Практическое применение масс-спектрометрии многообразно. Измерения масс-спектров используют при изучении изотопного состава различных веществ. Основные сведения о стабильных изотопах получены с помощью масс-спектрометра. Mace-спектрометрию применяют для анализа твердых, жидких и газообразных проб, а также для анализа многих классов соединений, сложных многокомпонентных смесей углеводородов и т.д. Метод применим для определения почти всех элементов периодической системы со средним пределом обнаружения 10^-3-10^-4%, а при благоприятных условиях и до 10^-7%. Одним из достоинств метода является возможность одновременного определения нескольких элементов и использование в работе небольших навесок, 1мг и менее. Погрешность метода составляет менее 5%.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова приципиальная схема масс-спектрометра?

2. Как проходит процесс измерения образца?

3. Каким образом проводят количественный анализ в масс-
спектрометрии?

4. Какие области практического применения масс-спектрометрии Вы
знаете?

5. Какова погрешность метода масс-спектрометрии?