Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Д. К. Топорков

Лабораторная работа 4.1

Квадрупольный масс-спектрометр

Цель работы: знакомство с методами масс-спектрометрии, изучение принципа работы квадрупольного масс-спектрометра, анализ состава газов масс-спектрометрическим методом.

1. Введение

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX века. Окончание «-метрия» термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов. Масс-спектрометрия в широком смысле — это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получаются при помощи масс-спектрометров. Масс-спектрометрический метод анализа получил широкое распространение в науке и технике. Сегодня он рутинно используется в тысячах лабораторий и предприятий мира, имеет в своей основе фундаментальные знания природы вещества. Первоначально метод применялся только для измерения масс атомов и концентрации изотопов. Развитие масс-спектрометрического приборостроения позволило открыть новые области применения масс-спектрометрии. Естественно, приборы, которые используются в этом методе, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы имеют дело с материальным веществом, которое, как известно, состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов. Масс-спектрометры устанавливают, что это за молекулы (то есть, какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (то есть их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение

Сэр Джозеф Джон Томсон (18 декабря 1856 — 30 августа 1940) — английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года.

или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества, используя законы движения заряженных частиц в магнитном или электрическом поле.

2. Краткая история масс-спектрометрии

Cовременный масс-спектрометр базируется на основополагающей работе, сделанной сэром Дж. Дж. Томсоном в Кэвендишевской лаборатории Кембриджского университета. Исследования Томсона, приведшие к открытию электрона в 1897 году, также привели к созданию первого масс-спектрометра, построенного им для изучения влияния электрического и магнитного поля на ионы, генерируемые в остаточном газе на катоде рентгеновской трубки. Томсон обратил внимание, что эти ионы движутся по параболическим траекториям, пропорциональным отношениям их массы к заряду. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике за "выдающиеся заслуги в теоретическом и экспериментальном изучении электропроводимости газов".

Период с 1930-ых по начало 1970-ых годов отмечен выдающимися достижениями в области масс-спектрометрии. К концу Первой мировой войны работы Артура Демпстера привели к значительному улучшению точности и воспроизводимости измерений на масс-спектрометрах.

В середине 1950-ых годов Вольфганг Пауль разработал квадрупольный масс-анализатор. Этот анализатор способен разделять ионы с помощью осциллирующего электрического поля. Другой инновационной разработкой Пауля было создание квадрупольной ионной ловушки, специально предназначенной для захвата и измерения масс ионов. Первая ионная ловушка стала коммерчески доступной в 1983 (патент Finnigan). Сегодня квадруполи и квадрупольные ионные ловушки являются наиболее распространенными масс-анализаторами в мире и за свои инновационные работы Вольфганг Пауль получил в 1989 году Нобелевскую премию по физике. В 1950-е годы впервые были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр. Затем появились новые методы ионизации - бомбардировка быстрыми атомами, химическая ионизация , полевая десорбция/ионизация, лазерная десорбция/ионизация, ионизация в электроспрее - ESI, ионизация в индуктивно-связанной плазме. Были разработаны новые приборы для новых применений - масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса и, затем, с Фурье-преобразованием сигнала, тройные квадрупольные тандемные масс-спектрометры .

Демпстер Артур Джеффри (1886 - 1950)- канадский физик, построил первые масс-спектрометр (1918г.) и масс-спектрограф, открыл ряд изотопов, в том числе в 1935 году уран-235, использовавшийся позже в атомных бомбах.

Вольфганг Пауль (нем. Wolfgang Paul; 10 августа 1913, Лоренцкирх, Германская империя — 7 декабря 1993, Бонн, ФРГ) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1989 году (половина премии совместно с Хансом Демельтом) «за разработку метода удержания одиночных ионов». Вторую половину премии получил Норман Рамзей «за изобретение метода раздельных колебательных полей и его использование в водородном мазере и других атомных часах».

3. Общие сведения о масс-спектрометрах

Масс-спектрометр – прибор для разделения ионизованных частиц (атомов, молекул) по отношению их массы m к заряду q путем воздействия магнитных и электрических полей, а также для определения их масс и относительного содержания, т.е. спектра масс. Масс-спектрометр включает: систему подготовки и ввода вещества в прибор; источник ионов, где это вещество частично ионизуется и осуществляется формирование ионного пучка; масс-анализатор, в котором происходит разделение ионов по величине М/q и фокусировка ионов, вылетевших в разных направлениях в небольшом телесном угле; приемник ионов (коллектор), где ионный ток измеряется или преобразуется в электрический сигнал, который далее усиливается и регистрируется выходным устройством. В регистрирующее устройство помимо информации о количестве ионов (ионный ток) поступает информация о массе ионов. Масс-спектрометр содержит также питающее и измерительное устройства, а также вакуумную систему, создающую, поддерживающую и контролирующую достаточно глубокий вакуум ( Па) в источнике ионов, камере масс-анализатора и приемнике ионов. ЭВМ контролирует режим работы всего прибора, а также осуществляет сбор и обработку получаемых данных.

3.1 Основные параметры

Регистрируемый с помощью масс-спектрометра масс-спектр представляет собой зависимость ионного тока I от отношения М/q. В масс-спектре каждый из пиков ионного тока соответствует определенному веществу. Высота пика пропорциональна содержанию данного вещества. Отношение массы иона к ширине пика M (в а.е.м.) называется разрешающей способностью R масс-спектрометра: R=M/M. Т.к. M на разных уровнях интенсивности ионного пика различна, то R также различна. Для полной характеристики разрешающей способности прибора необходимо знать форму ионного пика, которая зависит от множества факторов. Иногда разрешающей способностью называют значение той наибольшей массы, при которой два пика, отличающихся по массе на единицу, разрешаются до заданного уровня. Для тех масс-спектрометров у которых R не зависит от отношения m/q, оба определения совпадают. Считается, что масс-спектрометр с R имеет низкую разрешающую способность, с R~ – среднюю, с R~ – высокую, с R~ – очень высокую.

Если вещество вводится в ионный источник в виде газа, то чувствительностью масс-спектрометра называется отношение тока, создаваемого ионами данной массы заданного вещества, к парциальному давлению этого вещества в источнике. Эта величина в масс-спектрометрах разных типов лежит в диапазоне А/Па. Относительной чувствительностью называют минимальное содержание вещества в смеси веществ, которое еще может быть обнаружено с помощью масс-спектрометра. Для разных масс-спектрометров и различных веществ она лежит в диапазоне %. За абсолютную чувствительность иногда принимают минимальное количество вещества (в г), которое необходимо ввести в масс-спектрометр для обнаружения этого вещества. Она также зависит от типа масс-спектрометра и может достигать г.

Важным параметром является порог чувствительности – минимальное определяемое парциальное давление газа.

Наряду с разрешающей способностью и чувствительностью, важными характеристиками масс-спектрометра являются диапазон масс и быстродействие. Диапазон масс у приборов для анализа органических веществ превышает а.е.м.

Быстродействие, под которым принято подразумевать минимальное время, необходимое для регистрации масс-спектра в пределах так называемой декады а.е.м. (1-10, 10-100 и т.д.) без потери информации, составляет 0.1-0.5 с для статических приборов и с для динамических.

Максимальное рабочее давление, при котором отклонение от линейной зависимости между ионным током и соответствующем ему парциальным давлением (вследствие рассеяния ионов в преобразователе с повышением давления) достигает предельно допустимого значения (обычно 10%).

Для проведения количественного анализа масс-спектрометр предварительно калибруют по каждой компоненте рабочей смеси. Пробный газ вводят в стандартный объем, из которого он поступает в источник ионов. Давление в этом объеме контролируется обычным манометрическим датчиком. Определяют главную линию спектра данной компоненты и по ней устанавливают

Таблица 1.

чувствительность прибора. После этого находят отношение интенсивностей всех линий спектра данного газа к интенсивности главной линии. Имея спектры чистых газов, можно по интенсивности линий в масс-спектре смеси определить состав и парциальное давление компонентов смеси. В Таблице 1 приведены спектральные характеристики некоторых газов и паров. Идентифицировать вещества можно только с учетом характерного наличия дополнительных сопутствующих пиков, поскольку в масс-спектрах всех соединений при неизменной энергии ионизирующих электронов соотношение пиков примерно постоянно и практически не зависит от типа масс-спектрометра.

3.2 Виды масс-спектрометров

В масс-спектрометрии рассматриваются два случая движения ионов в электрическом и магнитном полях. В первом случае электрическое и магнитное поля не зависят от времени: E=E(x,y,z), H=H(x,y,z). Все масс-спектрометры, в основе которых лежит разделение ионов в статических электрическом и магнитном полях, называются статическими. Во втором случае электрическое и магнитное поля или одно из них являются функциями также и времени E=E(x,y,z,t), H=H(x,y,z,t). Масс-спектрометры, в которых разделение ионов происходит в переменных полях, называются динамическими.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы