Масс-спектометрия и области ее применения

Введение

Физико-химические методы анализа — это большая группа методов, в которую часто включают все приемы химических исследований, базирующиеся на количественном измерении физических свойств. Предварительно изученная зависимость состав —свойства позволяет посредством простых физических измерений анализировать любую систему. Если в химическом анализе для определения количественного состава измеряют количество вещества, вступающего в реакцию, или весовое (объемное) количество продуктов реакции, то в физико-химическом анализе непосредственного измерения объема или веса не производят, а количественно определяю/ какое-либо физическое свойство вещества или системы. Поэтому первым этапом разработки и применения любого физико-химического метода является установление зависимости между составом и свойствами, выражаемой математически в виде формулы или графика.
Зависимости, используемые в физико-химических методах анализа, опираются на общие законы физики и химии; специфичность свойств веществ, характер реакций и особенности изучаемых систем находят отражение в величинах параметров уравнений. Это придает физико-химическим методам универсальность, позволяющую применять одни и те же приборы для исследования разнообразных соединений. В связи с этим классификация методов и последовательность их изучения основывается на общности используемых законов (свойств) и применяемой аппаратуры. Вместе с тем специфика состава, структуры и свойств почвы требует уточнения, иногда разработки особых условий проведения исследования, а подчас и новых приемов и деталей аппаратуры. Следует подчеркнуть, что еще далеко не все физико-химические методы исследования в полной мере проверены и приспособлены к изучению состава, структуры и свойств почвы

1 Масс-спектрометрия и область ее применения
1.1 Эффект масс-спектрометрии
Macc-спектрометрический метод определения компонентов пробы анализируемого вещества основан на различии в траекториях движения заряженных частиц различной массы в магнитном и электрическом полях и различном времени движения этих частиц в электрическом ускоряющем поле.
В масс-спектрометрии регистрируют частицы, имеющие различную массу – спектр масс ионов, образованных в результате ионизации атомов или молекул пробы анализируемого вещества. Вещество переводят в парообразное состояние. Ионизацию атомов, изотопов или молекул осуществляют электронным ударом, действием пучка фотонов, ионов индуктивно-связанной плазмы, лазерной абляцией и другими способами. Создают условия для образования потока однозарядных положительных или отрицательных ионов, который далее разделяют в вакууме на пучки ионов по величине m/z, где m – масса, z – заряд иона, под действием электрических и магнитных полей или по времени пролёта до детектора. Напряженность электрического поля определяет величину скорости движения заряженной частицы массой m, а магнитное поле – траекторию её движения по окружности, радиус которой зависит от величины m/z. Детектор регистрирует число ионов одной величины m/z либо по месту ударения коллектора летящими ионами, либо по времени достижения их коллектора. Если заряд иона известен, то однозначно определяется масса иона, а значит масса нейтрального атома (изотопа) и его ядра, молярная масса молекулы.
Метод масс-спектрометрии широко используется для элементного, изотопного и молекулярного анализа многокомпонентного твердого, жидкого и газообразного органического и неорганического вещества. Однако элементный анализ проводится только для неорганических веществ, а молекулярный – только для органических веществ. Масс-спектрометры для анализа неорганических и органических веществ отличаются устройством своих основных блоков. Некоторые типы масс-спектрометров пригодны для выполнения только элементного анализа, другие – только для изотопного, третьи позволяют проводить и элементный и изотопный анализ неорганического вещества. Метод масс-спектрометрии – это метод деструктивного анализа.
В масс-спектрометрах для химического анализа применяются следующие типы анализаторов масс: с секторным магнитом, времяпролетный, квадрупольный фильтр масс. Масс-спектрометр с секторным магнитом разделяет ионы в пространстве, времяпролетные разделяют ионы во времени, квадрупольный действует как фильтр. В масс-спектрометрах для анализа неорганических веществ в настоящее время используют квадрупольные масс-фильтры.
Магнитный анализатор масс-спектрометра выполняет две основные функции – разделяет пучки ионов по массам и фокусирует расходящихся пучки ионов, рис

. 1.1, рис. 1.2.

Рисунок 1.1 – Схема масс-спектрометра с магнитным масс-анализатором секторного типа


Рисунок 1.2 – Упрощенная схема масс-спектрометра высокого разрешения с секторным магнитом и электростатическим анализатором масс и с источником ионизации атомов – ИСП: 1 – ИСП источник ионов; 2 – интерфейс с конусом образца и скимерным конусом; 3 – передающая и фокусирующая ионная оптика; 4 – фокусировка пучка ионов и ускорение; 5 – входная щель; 6 – электромагнит; 7 – электростатический сектор; 8 – выходная щель; 9 – конверсионный динод; 10 – электронный умножитель

Интерфейс с конусом образца и скимерным конусом используется для перехода ионов из высокотемпературного источника ионов с атмосферным давлением в масс-анализатор, в котором создается высокий вакуум при комнатной температуре. Ионная оптическая система выполняет три основные функции: отделяет ионы от других частиц (атомов, молекул, кластеров), присутствующих в ионном пучке; фокусирует ионы на вход ячейки устранения фона или сразу в масс-анализатор; не дает возможность фотонам из плазмы попадать на детектор.
Масс-спектрометрия относится к наиболее информативным методам химического анализа. Методом МС можно проводить прямой или с предварительной химической подготовкой элементный качественный и количественный анализ твёрдых, жидких и газообразных веществ.

1.2 Использование и применение масс-спектрометров
ELAN-6000 (рис. 1.3) – высокочувствительный полностью автоматизированный массспектрометр для многоэлементного анализа (до 81 элемента) проб вещества геологических объектов и объектов окружающей природной среды, сельскохозяйственного сырья. Пределы определения для большинства элементов составляют 1 мг/т, линейный динамический диапазон достигает 8 порядков измеряемой величины и позволяет одновременно определять содержание главных, сопутствующих и следовых элементов пробе анализируемого вещества. Многоэлементный анализ проб вещества горных пород и руд становится возможным после полного кислотного разложения в микроволновой печи.

Рисунок 1.3 – Внешний вид ИСП-масс-спектрометра серии ELAN
ELAN 9000. Стандартный (классический) вариант квадрупольного ИСП-масс-спектрометра. Надежный и простой в применении, предназначен для рутинного анализа в лабораториях с большой нагрузкой по количеству проб анализируемого вещества. Позволяет решать большинство аналитических задач гео-анализа, особенно определение РЗЭ, элементов платиновой группы, редких элементов. Основная масса проб вещества геологических объектов в геологии и геохимии анализируется именно на таких приборах. Пределы определения лучше, чем у ИСП-АЭС и ААС по всем элементам, включая трудные для ИСП-МС элементы, такие как Ca, K, Fe, As, Se. Наиболее трудные элементы – Si и S, пределы определения по ним на уровне 1-500 ppb сильно зависят от матрицы и условий в лаборатории. Elan DCR-e предназначен для следового анализа в лабораториях с большой нагрузкой по количеству проб анализируемого вещества. Он использует Динамическую Реакционную Систему (Dynamic Reaction Cell) – технологию для улучшения пределов обнаружения и устранения масс-спектральных помех, известных в традиционной ИСП-масс-спектрометрии, путём устранения изобарных и молекулярных мешающих ионов при помощи ион-молекулярных реакций в ячейке с ультранизким давлением газа.
В настоящее время наиболее универсальным, производительным и экономичным методом определения элементного состава вещества для решения традиционно трудных задач геохимического анализа является метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). ИСП-масс-спектрометры последних поколений достаточно надежны, очень просты в работе и в обслуживании. Производительность массового рутинного элементного анализа составляет до 250 образцов за смену.
В ИСП-МС возникают дополнительные сигналы в масс-спектрах элементов, так называемые молекулярные и изобарные наложения, за счет образования новых молекулярных ионов при взаимодействии основных компонентов растворителя и пробы между собой и с аргоновой плазмой при температуре плазмы 6000 – 80000С.
В современных масс-спектромерах используется блок DRC (Динамическая Реакционная Система), который позволяет устранить все молекулярные и ряд изобарных наложений способом контролируемых ион-молекулярных реакций c сведенными в ячейку химическими реагентами, например NH3, получившим название «химическое разрешение»