Том 1 (1109661), страница 52
Текст из файла (страница 52)
3.111 изображено устройство анализатора с углом отклонения 90'. Перед разделением пучок ионов необходимо ускорить. Ускорение ионов осуществляют в электростатическом поле с напряжением 800 — 8000 В. В соответствии с законом сохранения энергии можно записать: (3.104) где У вЂ” ускоряющее напряжение, л — заряд, ю — масса и е скорость иона. Ускоренные ионы попадают в магнитное поле с напряженностью Н, силовые линии которого ориентированы перпендикулярно направлению движения ионов.
При этом траектории ионов искривляются и превращаются в круговые. Радиус описываемой окружности можно рассчитать, используя выражения для отклоняющей силы Лоренца (3.105) и центростремительной силы (3.106) Отсюда пгл гНе = г (3.107) Подставляя выражение (3.104) в (3.107), получаем основное уравне- характером поставленной задачи. Разрешение порядка нескольких тысяч необходимо, например, для раздельного определения ионов С~Н4, СН~Х~, Х~ и СО . Округленно молярные массы всех этих ионов равны 28, а точные значения составляют 28д 0313, 28,0187, 28,0061 и 27,9949, соответственно. В то же время для раздельной регистрации ионов МН+ и СН4 (молярные массы — 17 и 16) вполне достаточно разрешения Л = 50.
Я.Б. ЛГ -, р ~: д ф г и . 3~~3а~ ние, описывающее поведение ионов в магнитном анализаторе: (3.108) Отсюда видно, что масс-спектр можно зарегистрировать, изменяя либо величину магнитного поля Н, либо ускоряющее напряжение У, либо величину т. Последний способ используют при регистрации масс-спектра на фотопластинку. В этом случае величины Н и У поддерживают постоянными. Однако в большинстве случаев конструкция прибора позволяет регистрировать поток ионов только при одном определенном значении т.
В этих случаях обычно варьируют величину Н (поддерживая значение У постоянным). Описанный способ разделения ионов достаточно прост. К сожалению, он не позволяет обеспечить высокого разрешения. Причина состоит в том, что ионы, поступающие в масс-анализатор, различаются по своим скоростям. Для увеличения разрешающей способности следует использовать более совершенные масс-анализаторы. Масс-слектрометры с двойной фокусировкой После ускорения ионов в электрическом поле кинетическая энергия ионов одного и того же сорта оказывается неодинаковой. Отдельные ионы приобретают различную энергию уже в источнике ионизации.
Кроме того, скорости отдельных ионов различны ~как по величине, так и по направлению) вследствие их теплового движения. Оба зти эффекта приводят к уширению пиков и ухудшению разрешающей способности. При использовании метода двойной фокусировки ионы разделяют сначала в элекп1ростатаическом, а затем в магнитном секторе. На рис.
3.112 показана схема устройства такого масс-анализатора с геометрией Пира-Джонса. В электростатическом секторе ионы разделяют (фокусируют) в соответствии с их кинетическими энергиями. Выходная щель электростатического сектора пропускает только те ионы, энергия которых находится в достаточно узком диапазоне и соответствует средней кинетической энергии.
Затем ионы разделяют в магнитпном секторе в соответствии с их массовыми числами, как описано выше. Обе плоскости фокусировки -- электростатической (по энергиям) и магнитной (по массовым числам) перпендикулярны друг другу. В результате такой двойной фокусировки в точку пересечения обеих плоскостей попадают толь- (зк14 г я. с р д ко те ионы, которые обладают как определенной кинетической энергией, так и определенным значением массового числа. злектр сектор ка йной сировки по массовым числам источник ионизации Рис. 3.112.
Масс-спектрометр с двойной фокусировкой в геометрии Нира- Джонса. При ином взаимном расположении электростатического и магнитного секторов можно добиться, чтобы обе плоскости фокусировки совпадали. Такая геометрия масс-анализатора называется геометрией Маттауха-Герцога (рис.3.113). Она особенно удобна для регистрации масс-спектра на фотопластинку и часто применяется для элементного масс-спектрометрического анализа с искровой ионизацией. Применение двойной фокусировки позволяет достичь разрешения порядка 10' и определять массовые числа с точностью до пяти значащих цифр. магнитный сектор источник ионизаци входи источ иониз отопластинка злектростатический центр Рис.
3.113. Масс-спектрометр с двойной фокусировкой в геометрии Мат- тауха †Герцо. Я.Б. и вы †~ , . р : д Ф Ю у . »~ДЬЕМ Квадрупольные масс-спектрометры Другой тип масс-спектрометров составляют приборы с квадрупольными масс-анализаторами. Они более компактны и надежны в эксплуатации, чем приборы с магнитными анализаторами. Разделение ионов в них осуществляется в динами- ионы ческом режиме. Ионы ускоряют под действием постоянно- И Рис. з. Ы.
Расположение электродов в квадруполвном масс-анализаторе. вляют в пространство между четырьмя параллельными электродами (рис.3.114). Электроды представляют собой металлические стержни (размером приблизительно 0,6х15 см). Одна пара расположенных по диагонали электродов заряжена положительно, другая — отрицательно. Кроме этого постоянного напряжения, а электроды налагают также высокочастотное переменное напряжение. Для одной пары электродов переменное напряжение смещено по фазе на 180" по отношению к другой. Совместное действие постоянного и переменного электрического поля вызывает отклонение траекторий ионов от первоначального направления. При прохождении потока ионов в канале анализатора напряжения подбирают таким образом, чтобы весь путь между электродами прошли только ионы с определенным значением массового числа.
При этом происходит своеобразная «фильтрация» ионов. Поэтому данный тип масс-анализаторов называют также «масс-фильтрами». Дальнейшее развитие конструкции квадрупольных масс-анализаторов привело к созданию трехмерных ионных ловугаек. Они позволяют регистрировать и ионы, движущиеся по нестационарным траекториям ~в то время как обычные квадрупольные анализаторы — только по стационарным). Квадрупольные масс-анализаторы характеризуются высокой чувствительностью, в результате чего становится возможным работать при давлениях вплоть до 10 х Па.
Разрешающая способность достигает 1000. Приборы с квадрупольными масс-анализаторами невелики по размерам, дешевы, стабильны в эксплуатации и позво- ~316 Г д. С д ы д ляют зарегистрировать спектр за очень короткое время (до О, 1 с). Последнее обстоятельство очень важно при использовании масс-спектрометрии в сочетании с хроматографией. Этот тип приборов в настоящее время наиболее распространен. Времяпролетные масс-анализаторы Действие времяпролетных масс-анализаторов основано на зависимости скорости движения ионов от их массы. После ускорителя все ионы обладают одинаковой кинетической энергией. Следовательно, чем больше их масса, тем меньше скорость (уравнение (3.104)).
Во времяпролетных масс-анализаторах ускоритель ионов отделяют от детектора трубой дрейфа. Чем тяжелее ион, тем больше время, затрачиваемое им на то, чтобы пролететь трубу дрейфа и достичь детектора. Различие во временах движения ионов может составлять всего 1 30мкс, поэтому здесь необходима система цифровой регистрации с очень высоким быстродействием.
Разрешающая способность времяпролетных масс-анализаторов невелика, менее 1000. Достоинством таких анализаторов является высокая надежность в эксплуатации и неограниченный диапазон измеряемых масс. Еще один тип масс-анализаторов составляют ионные ловушки или масс-спектрометпры с фурье-преобразованием. Как и другие типы спектрометров с фурье-преобразованием (ИК, ЯМР), они характеризуются высокими значениями отношений сигнал — шум, повышенным быстродействием, высокой чувствительностью и разрешающей способностью.
В основе их действия лежит явление ионноциклотронного резонанса. Детекторы ионов Для преобразования ионного тока в измеряемый сигнал первоначально использовали фопи>пластинки. В настоящее время применяют главным образом электрический способ регистрации на основе вторичных электр>>ннь>х умножителей — ФЭУ, диноды которых покрыты слоем Си/Ве. Кроме того, используют и фарадеевские детектпорьь Они представляют собой высокоомные (109 — 10м Ом) сопротивления. Лоток ионов, попадая на такой детектор, создает разность потенциалов, величина которой пропорциональна силе ионного тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
