Тема 6. Масс - спектральный анализ

Масс – спектральный анализ основан на способности газообразных ионов разделяться в магнитном поле в зависимости от отношения m/e, где m– масса, е – заряд иона. Ионизация молекул в газе происходит под действием потока электронов. Наиболее вероятными являются процессы образования однозарядных положительных ионов. Образование двух – и более высокозаряженных ионов, а также захват электрона с образованием отрицательных ионов являются менее вероятными процессами. По величине m/e определяют массовое число иона, а по интенсивности соответствующего сигнала судят о концентрации ионов.

В камере анализируемое вещество переводится в газообразное состояние при давлении 10^-2… 10^-3 Па. Режим работы камеры устанавливается в зависимости от того трудно – или легколетучие соединения входят в состав анализируемого образца. Далее молекулярный пучок ионизируется. Не редко для анализа твердых проб применяются источники с поверхностной ионизацией, в которых процессы испарения и ионизации не разделены.

Ионизация молекулярного пучка газообразной пробы может быть вы-звана фотонами, ионами, электрическим полем, электронным ударом и другими способами. Наибольшее распространение в аналитической практике получили приборы, в которых ионизация осуществляется электронной или ионной бомбардировкой пробы, либо искровым разрядом. Для ионизации электронным ударом используется пучок электронов, перпендикулярный потоку пробы. Энергия электронов не велика и обычно составляет 10….100 эВ.

При бомбардировке молекул или атомов электронами одновременно происходит несколько процессов. В условиях масс – спектрального анализа образуются преимущественно положительные однозарядные ионы и частичные ионы с более высоким зарядом.

Образовавшиеся положительно заряженные ионы, проходят через ускоряющие пластины, разность потенциалов между которыми достаточно высока (несколько тысяч вольт). В ионом источнике формируется пучок моноэнергетических ионов в поле ускоряющего напряжения V с энергией eV, а их скорость возрастает до v. Энергия eV будет равна кинетической энергии ионов m v ²/2, покидающий ионный источник со скоростью v:

eV= m v ²/2. (35)

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

Ионы, описывающие дугу радиуса r, попадают в детектор, детектирование ионов производится фотографическим или электрическим способом. В последнее время разработаны устройства передающие информацию устройства на ЭВМ, что позволяет значительно ускорить обработку данных.

Качественный масс – спектрометрический анализ основан на измерении массы ионов. Масс – спектры многих веществ изучены довольно подробно и составлены специальные атласы и электронные базы данных.

Количественные измерения в масс – спектрометрии проводят по току, фиксируемому детектором. Расчеты основаны на том, что пик ионного тока I пропорционален содержанию компонента и его парциальному давлению

I=kc=χр, (36)

где k, χ-коэффициенты пропорциональности.

Практическое применение масс – спектрометрии весьма многообразно. Его применяют для анализа твердых, жидких и газообразных проб. Небольшой объем газа, требующийся для анализа, возможность определения всех компонентов в смеси без разделения и другие достоинства позволили успешно использовать масс – спектрометрию для определения газов в металлах. Метод применим для анализа металлов, полупроводников и других неорганических и органических веществ. Он позволяет определять примеси на поверхности и по всему объему пробы.

Масс – спектральный метод характеризуется высокой универсальностью. Он 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 использования в работе небольших навесок (1мг и меньше), погрешность метода составляет 5-10%.

Контрольные вопросы

1. Какую зависимость называют масс-спектром вещества?

2. На чем основан масс-спектрометрический анализ?

3. Какие свойства ионов приводят к их разделению в массспектрометре?

4. На чем основан качественный масс-спектрометрический анализ?

5. На чем основан количественный масс-спектрометрический анализ?

6. Каковы области практического применения, достоинства и недостатки масс-спектрометрического метода?