Введение в технику физического эксперимента

Лабораторный практикум Учебное пособие

Москва 2025

Содержание

3

Введение

Эксперимент (от латинского experimentum — проба, опыт) в научном методе набор действий и наблюдений, выполняемых для проверки гипотезы или научного исследования причинных связей между явлениями. Эксперимент является краеугольным камнем эмпирического подхода к знанию. Принципиальная возможность постановки опровергающего эксперимента составляет критерий фальсифицируемости, предложенный Карлом Поппером, который позволяет отличить научную теорию от псевдонаучной.

Существуют две группы задач, побуждающих исследователя

ксозданию новых экспериментальных установок:

•проведение конкретных заранее спланированных экспериментов для получения новых научных знаний, включая проверку допустимости ранее высказанных гипотез,

•создание прототипов новых серийных устройств с целью развития научного приборостроения.

Впервом случае установка создается в единственном экземпляре и рассчитывается на проведение конкретных исследований, обслуживание конкретным персоналом, размещение в определенном помещении. Во втором случае разработчики всегда ставят перед собой более широкие задачи и стремятся к оптимальному балансированию между чрезмерным усложнением установки и сужением ее возможностей.

Общий вид создаваемых устройств в первом и втором случаях различен. Разработчики серийной аппаратуры уделяют большое внимание оптимальному подбору отдельных узлов установки, ее компоновке, внешнему виду, ресурсу работы, транспортабельности, габаритам.

Исследователи, создающие установку только для своих целей, стремятся в максимальной степени использовать имеющееся в их распоряжении или известное им оборудование и привычные технические решения. При этом компактности и внешнему виду уделяется существенно меньше внимания.

4

Масс-спектрометры — физические приборы, предназначенные для изотопного, элементного и молекулярного анализа путем измерения интенсивностей ионных токов, соответствующих разным молекулярным массам. Процессы получения, формирования и анализа пучков и пакетов ионов происходят в вакууме. При этом степень разрежения выбирается различной в разных областях прохождения ионов и определяется условиями ионизации и анализа.

Течеискателями называются приборы, специально сконструированные для обнаружения мест течи. Течеискатели избирательно реагируют на отдельные физико-химические свойства газов, с помощью которых определяется место течи (фактически течеискатель — это газоанализатор). Данные газы называются пробными веществами. Пробное вещество, проходя через течь, попадает в датчик течеискателя и возбуждает сигнал, по величине которого судят о размерах течи. В основу масс-спек- трометрического течеискателя положен масс-спектрометричес- кий принцип обнаружения пробного вещества в испытуемом объеме. В качестве пробного вещества взят гелий как инертный газ, содержание которого в воздухе составляет лишь 1/200000 часть. Малость его размеров и молекулярной массы, позволяют проникать через течи легче всех остальных газов, кроме водорода.

Принцип действия дрейфового спектрометра ионной подвижности (СИП) основан на разделении ионов по подвижностям при движении в противотоке дрейфового газа при атмосферном давлении под действием электрического поля с напряженностью до 700 В/см. В отличие от масс-спектрометрии ионы в СИП под действием поля не ускоряются, а дрейфуют с постоянной скоростью. Причем скорость дрейфа каждого сорта ионов индивидуальна, определяется сечением столкновения с молекулами дрейфового газа, напряженностью электрического поля, температурой и давлением газа.

5

Лабораторная работа 1

Управление газодинамическим интерфейсом тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра

Цель: изучение принципов построения и особенностей выбора элементов вакуумных систем физических приборов на примере тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра с ионизацией при атмосферном давлении.

Тандемная масс-спектрометрия

Тандемная масс-спектрометрия, также именуемая MS/MS, — это метод анализа пробы, в котором после этапа ионизации частиц анализируемого вещества этапы разделения ионов повторяются несколько раз, перемежаясь этапами фрагментации разделяемых частиц. Если после первичного разделения ионов последовательность фрагментации оставшихся ионов и повторный анализ фрагментов осуществляются один раз, то это одностадийная MS/MS или MS2. Многостадийная MS/MS или MS осуществляется путем многократного повторения этапов фрагментации и разделения после первичного разделения. В этом случае фрагментации подвергаются ионы, которые сами являлись фрагментами, образовавшимися на предыдущей стадии фрагментации. Проведение описанных этапов анализа может быть реализовано в отдельных элементах масс-спектрометра — тандемные

впространстве масс-спектрометры, или с помощью одного массанализатора с разделением этапов анализа во времени — тандемные во времени масс-спектрометры. Выбор масс-анализаторов, осуществляющих разделение ионов по массам, выходит за рамки данного пособия, отметим лишь, что это может быть, например, квадрупольный, времяпролетный или магнитный массанализатор. Фрагментация может осуществляться, например,

врезультате столкновительной диссоциации, фотодиссоциации, поверхносто-индуцированной диссоциации. Данная лаборатор-

6

ная работа выполняется на приборе с квадрупольными массанализаторами, фрагментация осуществляется в газонаполненной ячейке в результате столкновительной диссоциации.

Аналитическая система тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра

Тандемный трехквадрупольный масс-спектрометр предназначен для анализа веществ в лабораторных условиях, включая как направленный поиск (идентификация и количественное определение известных веществ), так и ненаправленный поиск (идентификация потенциально присутствующего вещества, принадлежащего к известному списку кандидатов). Направленный поиск, характерный для большинства областей, включая научные исследования, основан на применении эталонных проб и, как правило, не требует применения библиотек масс-спектров. Ненаправленный поиск, характерный для аналитической токсикологии и контроля пищевых продуктов, тоже требует применения эталонных проб для количественного определения, а также требует применения библиотек масс-спектров для идентификации веществ.

Аналитическая система тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра состоит из источника электрораспыления ионов, газодинамического интерфейса (интерфейса дифференциальной откачки), ионной оптики и устройства сбора данных.

В источнике электрораспыления ионов поток жидкости при атмосферном давлении пропускается через капилляр, находящийся под высоким напряжением. На выходе из капилляра формируются заряженные капли, которые оказываются в зоне разогрева до 300 C в условиях сильного электростатического поля. Растворитель испаряется, объем заряженных капель уменьшается, кулоновское отталкивание разрывает каплю. В результате этих процессов в идеальном случае должны получаться чистые заряженные молекулы анализируемого вещества без связанного с ними растворителя, в реальных условиях возможно формирование кластерных ионов.

Образованные в источнике ионы проходят газодинамический

7

интерфейс — систему камер с транспортирующим ионы электрическим полем. Молекулярные ионы проходят из камеры в камеру через отверстия, а вакуумные насосы поддерживают в каждой камере нужное давление. Давление поэтапно понижается. Таким путем молекулярные ионы поступают в масс-анализатор, который находится в высоком вакууме. Процессы столкновений в газодинамическом интерфейсе позволяют разрушить мешающие кластерные ионы, сохранившиеся при атмосферном давлении.

В тандемном трехквадрупольном масс-спектрометре для транспортировки ионов к детектору и их масс-анализа используются несколько мультиполей (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Упрощенная схема трехквадрупольного масс-спектрометра

Мультиполь представлен набором цилиндрических или гиперболических электродов, расположенных симметрично и равноудаленно относительно оси мультиполя. К каждому из электродов подводится напряжение, содержащее в общем случае постоянную и переменную периодическую составляющую (рис. 1.2).

Меняя параметры напряжения, подаваемого на электроды, можно влиять на транспорт ионов в направлении детектора и либо пропускать все частицы (фокусировка, пропускание, ВЧрежим), либо пропускать только частицы с определенным соотношением масса/заряд.

В качестве первого мультиполя используется квадруполь (мультиполь из четырех электродов). В качестве второго мультиполя используется гексаполь (мультиполь из шести электро-

8

дов). Камера второго мультиполя может заполняться инертным газом. В ней ионы разгоняются, сталкиваются с молекулами газа и фрагментируются: от них отрываются функциональные группы, энергия связи которых меньше, чем энергия, накопленная в результате столкновений.

Φ = + cos( )

−Φ

Φ

Φ −Φ

Рис. 1.2. Квадруполь из гиперболических электродов и их питание

В качестве третьего мультиполя используется квадруполь. Различные комбинации режимов пропускания первого и третьего квадруполей формируют несколько режимов работы массспектрометра (прил. 2).

Вакуумная система тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра

В процессе анализа ионы пробы непрерывным потоком доставляются из области атмосферного давления в глубокий вакуум, для чего необходима вакуумная система, обеспечивающая требуемый градиент давлений вдоль направления движения ионов.

Структурная схема вакуумной системы тандемного трехквадрупольного масс-спектрометра приведена на рис. 1.3. Вакуумная система масс-спектрометра включает вакуумную камеру с тремя ступенями откачки, двухступенчатый высоковакуумный

9

турбомолекулярный насос, высоковакуумный датчик, низковакуумный датчик, форвакуумный насос. В качестве высоковакуумного датчика используется широкодиапазонный манометр сопротивления (манометр Пирани), совмещенный с магнитоэлектроразрядным манометром (манометр с холодным катодом). В качестве низковакуумного датчика используется манометр сопротивления (манометр Пирани).

Рис. 1.3. Схема вакуумной системы масс-спектрометра

Вакуумная камера тандемного трехквадрупольного массспектрометра обеспечивает достижение необходимых давлений транспорта ионов 1 в первой камере газодинамического интерфейса (камера № 1), 2 — во второй камере газодинамического интерфейса (камера № 2), 3 — в вакуумной камере анализатора (камера № 3). Оптимальные давления обосновываются требованиями достижения оптимальной трансмиссии. Отдельные части камеры должны позиционироваться друг относительно друга с высокой точностью, что обусловлено согласованием ионнооптических элементов, располагающихся в разных камерах системы. Без такого согласования потери в местах транспорта ионов через области между отдельными ионно-оптическими эле-

10