9. Методы анализа вещества

Источники ионов и детекторы в масс-спектрометрии

Источники ионов

Назначение: атомизация твердой или жидкой пробы и последующая ионизация атомов.

Виды источников ионов:

1.Нить нагрева из Ta, Re, W (испарение и ионизация пробы нанесенной на тугоплавкую нить при температуре 800-20000С)

2.Аргоновая индуктивно-связанная плазма (ВЧ-поле плазменной катушки)

3.Искра высокого напряжения (10-20 кВ)

4.Тлеющий разряд

5.Лазерно-индуцированная плазма

Детекторы

1.Фотопластина

2.Электронный умножитель (система динодов)

3.Фотоумножитель (регистрируют свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора)

4.Электрометр Фарадея (полый металлический проводник)

5.Микроканальные умножители, системы диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства и др.

21

Основные типы масс-спектрометров

1.Секторные магнитные и электрические МС (разделяют ионы в пространстве)

2.Квадрупольные МС (прибор с масс-фильтром)

3.Времяпролетные или ионно-дрейфовые МС (разделяют ионы по времени)

4.МС с преобразованием Фурье

5.МС с ионной ловушкой

22

1. Магнитные и электрические масс-спектрометры

Масс-спектрометр с одноканальным (а) и многоканальным (б) детектором.

Ионы, покидающие источник ионов, ускоряются и проходят через сектор с магнитным или электрическим полем.

Поле изгибает траекторию полета ионов и принуждает ионы с различным отношением m/z разлетаться веером.

Всканирующем анализаторе масс (а) изменяют силу электрического или магнитного поля, при этом каждый раз регистрируется только одна масса.

Внесканирующем анализаторе (б) все массы регистрируются одновременно (в определенном диапазоне масс) с помощью многоканального детектора.

23

2. Квадрупольный масс-спектрометр

Пучок ионов с помощью электрического поля разгоняется до высокой скорости и проходит сквозь квадрупольный анализатор масс, состоящий из четырех металлических стержней.

К этим стержням прилагается напряжение постоянного или переменного тока таким образом, что в каждый момент времени сквозь анализатор пролетали ионы только с одним соотношением массы к заряду (m/z).

Чтобы просканировать различные m/z, напряжение тока варьируют.

24

3. Времяпролетный (ионно-дрейфовый) масс-спектрометр

Состав

1.Импульсный ионный источник

2.Ускоряющая сетка

3.Бесполевая пролетная труба

4.Детектор

Принцип работы

Ионы ускоряются потенциалом V. Ионы с малым значением m/z движутся быстрее, чем ионы с большим значением m/z.

Измеряют время t необходимое для того чтобы ионы достигли детектора, помещенного на расстоянии d от источника.

Пульсация необходима для того, чтобы избежать одновременного прихода к детектору ионов с различными m/z.

25

4.Масс-спектрометр с преобразованием Фурье

а— ионы впрыскиваются (инжектируются) в ячейку анализатора. Магнитное поле вынуждает тепловые ионы вращаться по низким орбитам, радиус которых зависит от отношения массы ионов к их заряду m/q,

6 — прилагаемые высокочастотные импульсы резонансно передвигают ионы на более высокие орбиты;

в — высокочастотный сигнал, порождаемый

принудительным вращением ионов, измеряется и подвергается Фурье-преобразованию. Замечательной особенностью МС-ПФ является высокое разрешение (Л), которое обычно превышает 100000.

26

Нейтронно-активационный анализ

Ядра атомов большинства элементов легко поглощают нейтроны, особенно если скорость их не велика.

Врезультате образуются радиоактивные ядра и испускается мгновенное гамма-излучение: 197Au(n,γ)198Au .

Врезультате распада радиоактивных ядер обычно испускаются бета-частицы

игамма-кванты: 198Au → 198Hg + β + γ .

По спектру гамма-излучения можно судить о химических элементах, входящих в исследуемый образец, о их о концентрации.

Определение элементного состава образца по спектру гамма-излучения.

27

Элементы, определяемые нейтронно-активационным анализом

28

Гамма-активационный анализ

Гамма-активационный анализ основан на ядерных реакциях (фотоядерные реакции), при которых жесткие фотоны возбуждают реакции с выходом нейтронов и протонов.

Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы.

Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности с энергией 10—30 МэВ.

Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронноактивационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно, анализу могут подвергаться образцы больших размеров.

29

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Ядра вещества, имеющие не нулевой спин, в однородное магнитное поле выстраиваются по направлению поля.

При облучении слабым радиочастотным излучением ориентация спина ядер изменяется.

После окончания действия излучения ядра возвращаются в первоначальное состояние, испуская ЯМР-сигнал, который .

регистрируется.

Амплитуда сигнала зависит от количества резонирующих ядер.

Время ядерной магнитной релаксации зависит от окружающей ядра структуры.

Это позволяет судить о физико-химических свойствах исследуемых веществ и их структуре.

ЯМР заложен в основу магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Для нуклидов 1H, 13C, 31Р частоты ЯМР в поле В0= 11,7 Тл равны соотв. (в

МГц): 500, 160,42 и 202,4

Схема спектрометра ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 - полюса магнита; 3 - генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушки модуляции поля В0; 7 - осциллограф.

30