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 mv²/2, покидающий ионный источник со скоростью v:

eV= mv²/2. (35)

После ускорения в электрическом поле ионы под прямым углом пересекают магнитное поле напряженностью Н, подвергаясь, таким образом действию силы еvН, 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?