Способы разделения ионов
Как способов ионизации, так и способов пространственного разделения ионов существует достаточно много.
Магнитный масс-спектрометр - ионы разделяются под действием магнитного поля В, с ионизацией посредством электронного удара. Масс-спектрометр требует создания в нем очень чистого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10(-7) – 10(-10) мм рт.ст. Нейтральные молекулы исследуемого газа поступают в область камеры ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими электронами. При этом часть молекул (около 0,1%) превращается в ионы. Электрическое поле, образованное ускоряющей разностью потенциалов Uуск, сообщает ионам кинетическую энергию.
В результате ион с массой m и зарядом z будет двигаться в магнитном поле по дуге окружности радиуса R, определяемого из соотношения
Таким образом, изменяя либо потенциал Uуск, либо магнитное поле B, можно заставлять двигаться по окружности большего или меньшего радиуса, на линии которой находится щель входа в детектор, ионы той или другой массы или величины заряда. Записывая зависимость ионного тока от соотношения m/z, получают набор пиков, называемый масс-спектром.
Квадрупольные масс-анализаторы. Они гораздо компактнее магнитных и обладают довольно высокой чувствительностью. Комбинированное высокочастотное (несколько мегагерц) переменное и постоянное электрическое напряжение вида U = V + U0 cos ωt, подаваемое на систему четырех электродов, вынуждает ионы совершать колебательное движение в такт с частотой ω этого поля. При определенных величинах U0, V и ω во выходную щель масс-анализатора будут проходить только ионы с определенной массой m, отвечающей условию:
m = aU0 / ω2
где а – некоторая постоянная прибора. Все ионы с отличными массами будут двигаться с нарастающими амплитудами колебаний, что приводит к их нейтрализации на стенках электродов. Путем изменения амплитуды высокочастотного напряжения U0 или его частоты ω масс-анализатор настраивают на регистрацию ионов той или иной требуемой массы.
Плазма на выходе в сэмплер состоит из: атомов и молекул пробы, ионов пробы, газа и его ионы, электроны, кванты света, полиатомные молекулы, образованные в плазме. В пространстве между сэмплером и скимером, под действием вакума, удаляются все электроны из потока частиц. На выходе из скиммера присутствуют только световые фотоны, ионы и нейтральные атомы. Для того, чтобы изучить только ионы, дальше всё проходит через ионную оптику. Его разновыдностей много, но для того, чтобы разобраться с принципом работы, рассмотрим квадрупольный ионный дифлектор. В этом случае положительно заряженные ионы откланяются на 90 градусов, а всё остальное идёт дальше, таким образом создавая сортировку.
Далее идет квадрупольный анализатор, состоящий из 4 (или 8) параллельно расположенных электродов по которым проложено одновременно высокочастотное постоянное напряжение. Под влиянием электрического поля квадрупольного конденсатора все ионы получают дополнительное ускорение и совершают колебательные движения с различной амплитудой. Только резонансные ионы имеют ограниченную амплитуду и проходят через анализатор, остальные или попадают на стержни квадруполя, или проходят между ними. Меняя напряжение на квадруполе можно регулировать ионы каких элементов будут проходить до конца и попадать на детектор. Каждый сорт ионов должен попасть на детектор 20 раз прежде, чем изменится напряжение.
Пульсовые масс-анализаторы:
Времяпролетный. В основе работы прибора положена зависимость скорости движения заряженных частиц от их массы. Движение ионов в устройстве происходит в бесполевом пространстве. К достоинствам относится практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое время регистрации масс-спектра. Часто используются для исследования проб, которые трудно перевести в газовую фазу.
Ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. Здесь ион движется под действием сразу двух полей: сильного постоянного магнитного и переменного электрического. Под действием магнитного поля ион движется по окружности с циклической частотой определяемой массой иона и магнитной индукцией. Зашумленные сигналы для сохранения полезной информации подвергаются математическому преобразованию Фурье. Такие приборы обеспечивают высокое разрешение и широкий диапазон измеряемых масс. Для их работы требуется создание сильного магнитного поля.
Ионная ловушка. В спектрометре предусмотрена две пары электродов: кольцевые и концевые. Для сбора и удержания ионов в полости ловушки используется комбинация постоянного и высокочастотного напряжения. Резонансная радиочастота обеспечивает доступ заряженных частиц на детектор в соответствии с величиной m/z. Ионизации пробы осуществляется с использованием электронного или химического способа. Благодаря селективной регистрации ионов чувствительность прибора значительно повышается.