Мас-спектрометр

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ

ЧЕРКАСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ БОГДАНА ХМЕЛЬНИЦЬКОГО

 

Кафедра фізики

 

Ратушна Людмила  Володимирівна

 

Мас-спектрометр

 

Галузь знань 0402 Фізико-математичні науки

Напрям підготовки 6.040203 Фізика

 

Реферат

студентки 4-го курсу ННІ фізики, математики

та комп’ютерно-інформаційних  систем

 денної форми навчання 

 

Перевірив:

доц. Богатирьов О.І.

 

 

 

Черкаси – 2012

Зміст

 

Вступ 3

1.Мас-спектрограф  Астона 5

2.Мас-спектрограф  Демпстера 6

3.Мас-спектрограф  Бейнбріджа. 7

4.Метод парабол 8

5.Мас-аналізатори 11

6. Детектори 12

7. Характеристики  мас-спектрометрів і мас-спектрометричних  детекторів. 13

8.Чутливість мас-спектроскопічного методу аналізу 14

9.Застосування мас-спектрометрії 14

Висновок 16

Список використаних джерел 17

 

 

 

 

Вступ

Мас-спектрометр - це вакуумний  прилад, який використовує фізичні  закони руху заряджених частинок в  магнітних і електричних полях, і необхідний для отримання мас-спектра.

Мас-спектр, як і будь-який спектр, у вузькому сенсі - це залежність інтенсивності іонного струму (кількості) від відношення маси до заряду (якості). Зважаючи квантування маси і заряду типовий мас-спектр є дискретним. Зазвичай (в рутинних аналізах) так  воно і є, але не завжди. Природа аналізованої речовини, особливості методу іонізації і вторинні процеси в мас-спектрометрі можуть залишати свій слід в мас-спектрі. Так іони з однаковими відношеннями маси до заряду можуть виявитися в різних частинах спектра і навіть зробити частину його безперервним. Тому мас-спектр в широкому сенсі - це щось більше, несуче специфічну інформацію, і робить процес його інтерпретації більш складним і захоплюючим.

Іони бувають однозарядні  і багатозарядні, причому як органічні, так і неорганічні. Більшість  невеликих молекул при іонізації  набуває тільки один позитивний або  негативний заряд. Атоми здатні набувати більш одного позитивного заряду і тільки один негативний. Білки, нуклеїнові кислоти і інші полімери здатні набувати множинні позитивні і негативні  заряди.

Атоми хімічних елементів  мають специфічну масу. Таким чином, точне визначення маси аналізованої молекули, дозволяє визначити її елементний склад . Мас-спектрометрія також  дозволяє отримати важливу інформацію про ізотопному складі аналізованих молекул (див.: ізотопний аналіз).

В органічних речовинах молекули являють собою певні структури, утворені атомами. Природа і людина створили справді незліченне різноманіття органічних сполук. Сучасні мас-спектрометри здатні фрагментувати детектуванні  іони і визначати масу отриманих  фрагментів. Таким чином, можна отримувати дані про структуру речовини.

Історія мас-спектрометрії

1912 рік - Томсон створює  перший мас-спектрограф і отримує  мас-спектри молекул кисню, азоту,  чадного газу, вуглекислого газу  і фосгену.

1913 рік - За допомогою  свого мас-спектрографа Томсон  відкриває ізотопи неону: неон-20 і неон-22.

1923 рік - Астон вимірює за допомогою мас-спектрометра дефект маси.

1934 рік - Конрад застосовує  мас-спектрометрії для аналізу  органічних молекул.

1940 рік - Нір за допомогою  препаративної мас-спектрометрії  виділяє уран-235.

1940 рік - Нір створює  перший надійне джерело електронного  удару, застосувавши іонізаційні  камеру.

1948 рік - Камероном і Еггером створений перший мас-спектрометр з час-пролітних мас-аналізатором.

1952 рік - Тальрозе і Любимова вперше спостерігають сигнал Метоні CH5 в іонному джерелі електронного удару при підвищеному тиску метану в іонізаційній камері (у 1966 Мансон і Філд застосують це відкриття для аналітичних цілей та створять іонне джерело з хімічною іонізацією).

1953 рік - Пауль патентує  квадрупольний мас-аналізатор і  іонну пастку.

1956 рік - МакЛаферті і голка створюють перший газовий хромато-мас-спектрометр.

1966 рік - Мансон і Філд створюють іонний джерело з хімічною іонізацією.

1972 рік - Каратаєв і Мамирін винаходять час-пролітний мас-аналізатор з фокусуванням, значно поліпшує дозвіл аналізатора.

1974 рік - Перший рідинний  хромато-мас-спектрометр створений Арпіно, Болдуином і МакЛаферті

1981 рік - Барбер, Бордолі, Седжвік і Тайлор створюють іонізатор з бомбардуванням швидкими атомами (FAB).

1982 рік - Перший мас-спектр  цілого білка (інсулін) за допомогою  бомбардування швидкими атомами  (FAB).

1983 рік - Бланки та Бестал винаходять термоспрей.

1984 рік - Л. Н. Галль, а потім Фенн публікують роботи за методом електроспрей.

1987 рік - Карас, Бахман, Бар і Хілленкамп винаходять іонізацію лазерної десорбцією за сприяння матриці (MALDI).

1999 рік - Олександр Макаров  винаходить електростатичну іонну  пастку.

1.Мас-спектрограф Астона

Мас-спектрограф Астона має наступний пристрій і принцип дії(рис.1). Пучок додатних іонів проходить через дві обмежуючі щілини і потрапляє в електричне поле між пластинами конденсатора , яке розвиває пучок у вигляді тонкої стрічки в площині креслення, повідомляючи частинкам відхилення, пропорційне . Частина цього розвернутого пучка вирізається діафрагмою Д і проходить через магнітне поле, створюване полюсами електромагніту( на рисунку нанесені у вигляді кругу), відхиляюча дія якого на частинки пропорційно . Магнітне поле направлено перпендикулярно до електричного поля і в той бік, щоб воно відхиляло пучок в тій же площині, що і електричне поле, але в протилежному напрямку. При такій умові магнітне поле збирає іони, які мають однаковий питомий заряд (тобто однаковою масою і при однакових q), але різними значеннями  швидкості, в загальному фокусі F. Це зрозуміло із наступного: іони з малою швидкістю υ під дією поля в конденсаторі матимуть більше відхилення так як відхилення пропорційне  , але в магнітному полі такі іони рухаються по траєкторіям з меншим радіусом кривизни, який при даному значені індукції пропорційний . Швидкі іони, які отримали мале відхилення в електричному полі з напруженістю і в магнітному полі з індукцією , в зворотному напрямі відхиляються менше, так як рухаються по траєкторіям великого радіусу кривизни. Таким чином, траєкторії повільно рухомих і швидко рухомих іонів перетнуться в деякій точці F, не дивлячись на різницю в швидкості іонів. Іони з іншим значенням зберуться в іншому фокусі і т.д.

2.Мас-спектрограф Демпстера

 

На відміну від мас-спектрографа Астона, в мас-спектрометрі Демпстер  рис 2, рис 3., здійснюється фокусування іонного променя по напрямку, а не за швидкостями.

Демпстер використовував в приладі відхилення на 180 градусів в магнітному полі, застосоване ним у своєму першому мас-спектрометрі. В основу методу фокусування пучків певних мас Демпстер поклав метод, відкритий Классеном і використаний ним для електронного пучка. Пучок іонів, прискорених напругою U, входить в постійне магнітне поле, розташоване під прямим кутом до напрямку руху іонів.

У мас-спектрометрі Демпстер всі іони мали однакову швидкість, але виходили з джерела широким пучком, і фокусування проводилася за напрямками. У першому мас-спектрометрі Демпстер застосовував для цієї мети квадрантної електрометрії, пізніше - пристрій з нуль-приладом.

 

 

 

 

 

 

3.Мас-спектрограф Бейнбріджа.

Мас-спектрограф Бейнбріджа характеризується надзвичайно простою конструкцією, але дає результати не менш точні(в деяких випадках навіть більш точні), ніж спектрограф Астона. Тут використовується зовсім інша комбінація електричного і магнітного полів. Принцип дії спектрографа зводиться до наступного(рис.4). Пучок іонів обмежується вузькими щілинами і попадає у фільтр швидкостей. Фільтр швидкостей складається із електричного поля, яке створюється між пластинками конденсатора , і магнітного поля, направленого перпендикулярно до площини креслення. Сила яка діє на іон із зарядом q зі сторони електричного поля, рівна qE; сила, яка діє на той же іон зі сторони магнітного поля, рівна qυB. Напрямок магнітного поля підбирається так, щоб сила qυB була направлена в протилежну сторону в порівнянні з напрямком сили  qE. Така сукупність електричного і магнітного полів пропустить тільки ті іони, для яких вказані сили компенсуються (qE= qυB), тобто через діафрагму Д пройдуть іони різних мас, але однієї і тієї ж самої швидкості.

.

Пучок іонів, пройшовши через  діафрагму Д, піддається впливу другого  однорідного магнітного поля з індукцією ,направленого площині креслення. В однорідному магнітному полі іони описують кругові траєкторії з радіусом кривизни

 

Так як ,q, в умовах досвіду постійні. Таким чином радіуси кривизни траєкторій іонів різних мас виявляються пропорційними їх масам. Пучки іонів, відповідають тому чи іншому  визначеному значенню мас, попадають на фотопластинку і дають смужку. За щільністю почорніння смужок на фотопластинці можна судити про відносний вміст ізотопів. Пристрій має лінійну шкалу мас.

Роздільна здатність мас-спектрографа зазвичай характеризується відношенням , де – різниця мас атомів двох сусідніх ліній, ще вирішуваних прибором, – пів сума мас атомів цих же ліній. Сучасні мас-спектрографи мають роздільну силу в 50000 – 100000.

4.Метод парабол

Нехай джерело К (нитка  розжарювання, яка імітує електрони, або трубка, яка дає додатні  іони) випускає пучок заряджених частин, маючи масу m, заряд q і швидкість  υ(в деякому інтервалі значень  υ). Пучок, виділений діафрагмою Д, проходить  через електричне поле (створюване між пластинами конденсатора), через  однорідне магнітне поле з індукцією (створюване також між пластинами конденсатора додатковим електромагнітом) і попадає на фотопластинку. Джерело частинок, діафрагма,

конденсатор і екран ,який світиться, поміщені в спеціальній  вакуумній трубці. Нехай поля  і направленні вздовж додатної вісі х, l - довжина шляху, пройденого частинками в полях між пластинами, d - відстань від краю конденсатора до екрану.

Якщо поля   і відсутні, то пучок частинок, не відчувши відхиляючої їх дії, попадає на флуоресцентний екран (чи фотопластинку)в точку О, вибрану нами за початок координат системи Оху. При наявності поля додатні частинки відхиляються в напрямку додатної осі Ох, а при наявності магнітного поля – в напрямку додатної осі Оу. Відхилення пучка будуть задовольнять рівнянням:

,

(4.1)

Початок відліку часу нехай співпадає з моментом проходження частинки через діафрагму, і отже, при Час , за час якого частинка пролітає відстань в полях між пластинами конденсатора, рівне . Якщо відхилення частинки під дією полів малі, то можемо прийняти . Після інтегрування (4.1) і використання виписаних початкових умов отримаємо:

;  .    (4.2)

Зміщення частинки по вісі Ох і вісі Оу в кінці конденсатора рівні :

; .    (4.3)

На проходження відстані d від краю конденсатора до екрана (тут  і ) частинка затратить час . Помноживши швидкості частинки по вісі (4.2) на цей час і прибавляючи зміщення і (4.3), ми знайдемо координати х і у точки на екрані, у яку попадає частинка:

,        

         .      (4.4)

(наближені значення отримуємо  при ).

З рівності (4.4) слідує, що частинки з меншою швидкістю  (енергією) мають більше відхилення, ніж частинки з більшою швидкістю. Тому пучок частинок з однаковим значенням швидкості яких укладені в деякому інтервалі значень, дає на екрані геометричне розташування точок (лінію) зустрічі частинок з екраном. Виключивши швидкість із рівностей (4.4), отримаємо:

  або       (4.5)

де  — параметр параболи.

З вказаної на рисунку 5 орієнтації полів отримаємо на екрані вітку  параболи ОА. Змінюючи направлення  магнітного поля на протилежне – вітка ОВ. У випадку протилежного направлення поля для паралельного і антипаралельного направлення магнітного поля на екрані отримаємо вітки нижньої параболи і .

Вимірюючи експериментально координати х і у для деякої точки на параболі, а також знаючи E, B, l,d, вдається  визначити питомий заряд для даного виду частинок.

Якщо потік складається  із двох або декількох видів частинок з різним значенням , то на екрані отримаємо дві або декілька парабол (рис.6).

Проте метод парабол все ж не отримав розповсюдження як точний метод дослідження, так як він володіє істотним недоліком. При великому діаметрі іонного пучка (діафрагми Д) на екрані виходять параболи яскраві, але достатньо чіткі. Зі зменшенням діаметру пучка чіткість парабол зростає, але яскравість зменшується як четверта степінь діаметра діафрагми. Для отримання парабол, задовольняючих потреб точних досліджень, необхідно брати дуже вузьку діафрагму і вибрати дуже тривалу експозицію, що стає практично неприйнятним.

Тому більш досконалим в зрівнянні з методом парабол  являються ті методи, в яких із допомогою  електричних і магнітних полів  досягається фокусування пучків заряджених частинок. Прибори, побудовані з використанням фокусування пучків частинок, називаються мас-спектрографами. Перший із них,як було сказано раніше, був побудований Ф.Астоном(1919).

5.Мас-аналізатори

Отримані при іонізації  іони за допомогою електричного поля переносяться в мас-аналізатор. Там  починається другий етап мас-спектрометричного  аналізу - сортування іонів по масах (точніше по відношенню маси до заряду, або m / z). Існують наступні типи мас-аналізаторів:

безперервні мас-аналізатори

Магнітний та електростатичний секторний мас-аналізатор (англ. Sector instrument)

Квадрупольний мас-аналізатор (англ. Quadrupole mass analyzer)

імпульсні мас-аналізатори