МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Метод масс-спектрометрии (МСМ) основан на ионизации атомов и молекул изучаемого вещества и последующем разделении образовав­шихся ионов в магнитном и электрическом полях. Определение содер­жания в смесях различных по химическому и изотопному составу со­единений и их молекулярный или атомный вес производится на основе регистрации ионных пучков (пакетов), полученных при ионизации и последующем разделении вещества.

Для ионизации пробу облучают фотонами, ионами, воздействуют на нее электрическим полем и др. В ходе дальнейшего эксперимента происходит пространственное разделение пучков ионов с разными от­ношениями массового числа иона m к его заряду q (масс-спектр) (под массовым числом понимается сумма протонов и нейтронов ядра). В основе разделения лежит свойство ионов менять направление или ско­рость своего движения в электрическом и (или) магнитном полях в за­висимости от масс-спектра частицы.

При проведении исследования последовательно выполняют сле­дующие операции:

— перевод образцов твердых или жидких сред в газообразное со­стояние;

— ионизация молекул анализируемого вещества и форми-рование ионного пучка;

— разделение ионного пучка по массам в магнитном и (или) элек­трическом полях;

— улавливание ионов;

— раздельное измерение и регистрация ионных токов каждой со­ставляющей ионного пучка.

Принцип разделения ионов можно пояснить следующим образом (рис. 9.2). Пусть ионы вещества, вылетая из узкой щели, двигаются в однородном поперечном магнитном поле с напряженностью Н. Щель, расположенная в точке S, выделяет ионы в пределах угла 2α, и ионы будут двигаться по окружности с радиусом Центральный луч пересечет ось в точке х₀ = 2r, а лучи, прошедшие у края щели, пересекут ось в , при этом ширина изображения .Если угол мал, то

,

где ν_ начальная скорость вылета иона; определяется па­раметрами масс-спектрометра.

Рис. 4.13. Принцип разделения ионов в масс-спектрометрии

Таким образом, ионы с разными масс-спектрами (m/q) будут сфо­кусированы в разных точках оси. Меняя напряженность магнитного поля, можно последовательно фокусировать в одну точку ионы с раз­ными отношениями (m/q) и построить масс-спектрограмму N=f(m) (рис. 4.14.). Аналогичная картина возникает при использовании электри­ческого поля. Неискаженное движение ионов возможно только в высо­ком вакууме (давлении не свыше 10^-7 ртутного столба).

В масс-спектрометрии возможно использование:

— постоянных или медленно изменяющихся во времени полей;

— полей, период изменения которых соизмерим со временем дви­жения ионов;

— комбинации последовательно расположенных электрических и магнитных полей.

Использование статических электрических полей позволяет разде­лить ионы только по энергиям, в статических магнитных полях они разделяются по массам. Возможна комбинация последовательно распо­ложенных электрических и магнитных полей, определенный подбор которых позволяет значительно улучшить разделительные свойства метода. С применением переменного электрического поля возникает возможность разделения ионов в зависимости от их энергии и во вре­мя движения. При этом различать ионы по энергии позволяет постоян­ное магнитное поле, которое используется в сочетании с переменным электрическим. Переменное магнитное поле не нашло применение в масс-спектрометрии

Для получения информации об исследуемом веществе необходимо зарегистрировать соответствующий ему массовый спектр, который образуется при пространственном распределении ионов.

Рис. 4.14. Типичная масс-спектрограмма сложного соединения

Основными па­раметрами спектра являются высота (или интенсивность) пиков, зави­сящая от количества ионов данной массы, которые поступают на де­тектор, и значение массы ионов, соответствующее каждому пику. По относительной интенсивности каждого выделенного пучка определяют концентрации компонентов анализируемой смеси, а по масс-спектрам — точные формулы молекул и молекулярные массы. При опреде­лении массы различных ионов необходимо чтобы пики, соответствую­щие этим ионам, были четко разделены.

Лекция № 11