Способы разделения ионов

Как способов ионизации, так и способов пространственного разделения ионов существует достаточно много.

На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая принцип работы так называемого магнитного масс-спектрометра, в котором ионы разделяются под действием магнитного поля, с ионизацией посредством электронного удара.

Масс-спектрометр требует создания в нем очень чистого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10^-7 — 10^-10 мм рт. ст. Нейтральные молекулы исследуемого газа поступают в область камеры ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими электронами. При этом часть молекул (около 0,1%) превращается в ионы по схемам, приведенным выше. Электрическое поле, образованное ускоряющей разностью потенциалов U_уск, сообщает ионам кинетическую энергию. Используя закон сохранения энергии, получим.

На ион, влетающий со скоростью х в масс-анализатор, действует сила Лоренца:

F_л = qхB.

В данном случае вектор магнитной индукции направлен на нас (значок), а угол a между B и х равен 90⁰.

В то же время F_л является по своему характеру центростремительной силой: и, следовательно,.

В результате ион с массой m и зарядом z будет двигаться в магнитном поле по дуге окружности радиуса R, определяемого из соотношения.

или.

Таким образом, изменяя либо U_уск, либо B, можно заставлять двигаться по окружности радиуса R_д, на линии которой находится щель входа в детектор, ионы той или другой массы или величины заряда. Записывая зависимость ионного тока от m / z, получают набор пиков, называемый масс-спектром.

Некоторые другие способы разделения ионов по массе.

Комбинированное высокочастотное (несколько мегагерц) переменное и постоянное электрическое напряжение вида U = V + U₀ cos щt, подаваемое на систему четырех электродов (рис. 2), вынуждает ионы совершать колебательное движение в такт с частотой щ этого поля. При определенных величинах U₀, V и щ во выходную щель масс-анализатора будут проходить только ионы с определенной массой m, отвечающей условию:

m = aU₀ / щ²,.

где, а — некоторая постоянная прибора. Все ионы с отличными массами будут двигаться с нарастающими амплитудами колебаний, что приводит к их нейтрализации на стенках электродов. Путем изменения амплитуды высокочастотного напряжения U₀ или его частоты щ масс-анализатор настраивают на регистрацию ионов той или иной требуемой массы. Так работают квадрупольные масс-анализаторы. Они гораздо компактнее магнитных и обладают довольно высокой чувствительностью.

Еще один способ разделить ионы по массам — создать кратковременный импульс постоянного электрического поля (рис. 3).

Приобретая скорость ионы долетают до коллектора за время где L — длина анализатора. Таким об разом, из-за различия в массах ионы приобретают различные скорости, обратно пропорциональные. Образуется ионный «пакет», в голове которого летят легкие ионы, тогда как тяжелые его замыкают, и, следовательно, ионы достигают коллектора в разные моменты времени. В этом состоит принцип разделения ионов по массам во времяпролетном масс-спектрометре, главными преимуществами которого являются практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое время регистрации масс-спектра порядка 10^— 3 с.

В масс-спектрометрах ион-циклотронного резонанса ион движется под действием сразу двух полей: сильного постоянного магнитного и переменного электрического (рис. 4). Под действием магнитного поля ион движется по окружности с циклической частотой.

определяемой массой иона и магнитной индукцией. Электрическое поле изменяется с циклической частотой wЕ по закону.

E = E₀ сos щ_Et.

При равенстве частот щ_Е и щ_В (напомним, что последняя зависит от массы иона) наступает резонанс, проявляющийся в заметном поглощении энергии электрического поля. Такой масс-спектрометр черезвычайно компактен (ячейка некоторых разновидностей не превышает размера кусочка сахара), имеет очень высокие чувствительность, разрешающую способность и диапазон масс. Интересно отметить, что ионы в ячейке могут удерживаться на своих круговых орбитах по нескольку десятков часов. Отрицательные ионы, которые также могут образовываться в процессе ионизации, вращаются в ячейке в противоположном направлении и также будут регистрироваться в масс-спектре при частоте электрического поля, соответствующей их массе.