Materie & Energie

Massenspektrometrie - Elektrostatische Feldanalyse

Elektrostatische Feldanalyse

Ein elektrostatisches Feld, das Ionen in Richtung eines gemeinsamen Zentrums anzieht, dh eines radialen Feldes, übt auch eine Fokussierungswirkung auf einen divergierenden Ionenstrahl aus, wie in Abbildung 3 dargestellt . Die radiale Kraft auf den Ionen durch die elektrostatische Feld wird Ez, das Produkt des Feldes E und die ionischen Ladung z, und ist gleich die Zentripetalkraft mv 2 r, der Masse m mit beweglicher Geschwindigkeit v um einen Radius r. Somit kann man die Gleichung schreiben

Gleichungen.

Der Radius des Bogens durchquert durch die Ionen werden auf die proportional kinetischen Energie und einem elektrischen Sektor wird daher eine Energie erzeugen Spektrum der Ionen durch sie verläuft. Wenn alternativ an beiden Enden des Sektors schmale Kollimationsschlitze angeordnet sind, kann ein monoenergetischer Ionenstrahl ausgewählt werden.

Kombinierte Analyse von elektrischen und magnetischen Feldern

Die Verwendung eines elektrischen Keils oder Sektors, um einen monoenergetischen Ionenstrahl zu erhalten, der dann zur Massenanalyse durch einen magnetischen Sektor getrennt wird, ist eine andere mögliche Technik. Allgemeine Gleichungen für kombinierte elektrische und magnetische Sektoren wurden entwickelt; Sie zeigen, dass eine geeignete Kombination von Feldern eine Richtungsfokussierung für einen Ionenstrahl mit einem gegebenen Masse-Ladungs-Verhältnis ergibt, obwohl der Strahl eine heterogene Energie haben kann. Der Begriff Doppel konzentriert für jene Kombinationen verwendet , bei denen die Winkel- und Geschwindigkeitsfehler verworfen.

Zwei der besten Beispiele für Doppelfokussierte Massenspektroskope , die beide in einer Vielzahl kommerzieller Instrumente verwendet wurden, wurden von Mattauch und Mattauch gebautRichard Herzog in Westdeutschland und vom amerikanischen Physiker Alfred O. Nier und seinen Mitarbeitern. Die Mattauch-Herzog-Geometrie ist in Abbildung 4 dargestellt . Ionen aller Massen konzentrieren sich entlang einer Linie, die mit der zweiten Magnetfeldgrenze zusammenfällt . Viele Versionen dieses Designs wurden verwendet, wenn eine hohe Auflösung (bis zu 10 5 ) für genaue Massen- und Häufigkeitsmessungen und allgemeine analytische Arbeiten gewünscht wird . Es kann selbst bei einer Energieverteilung des Ionenstrahls von 5 Prozent gute Spektren liefern und kann mit praktisch jeder Ionenquelle verwendet werden. Die aufgelösten Ionenstrahlen können elektrisch oder mit einer Fotoplatte aufgezeichnet werden.

Niers Design ist in Abbildung 5 dargestellt . Mit diesem Instrument konnte Nier sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine hohe Auflösung erzielen. Unter Verwendung einer Elektronenbeschuss-Ionenquelle wurde in einem kommerziellen Instrument ein Auflösungsvermögen von 2 × 10 5 erreicht. Das Design hat Massenmessungen mit höchster Präzision für eine sehr große Anzahl von Isotopen ergeben, und es war auch das beliebteste Design für hochauflösende Arbeiten in der organischen Chemie .

Z- Achsen-Fokussierung

Die Form des in den Analysatoren Fokussierungs oben Beschriebenen angenommen , dass die Kräfte , die auf einer Ionen liegt ganz in der gleichen Ebene wirkenden, in der Regel als die genannten x - y - Ebene mit der Y die Richtung der Strahlachse definiert. Dies ist für die meisten Anwendungen in Magnetsektormaschinen ausreichend, bei denen der Strahl bandförmig ist und bei denen geringfügige Geschwindigkeitsabweichungen in der z- Richtung, die senkrecht zur Hauptebene ist, einen vernachlässigbaren Strahlverlust verursachen. Am Eingang und Ausgang einer Flugbahn, die durch ein von einem Magneten erzeugtes Feld verläuft, ist das Feld nicht parallel, sondern wird ausgebogen. Infolgedessen trifft ein Ion parallel zu x - y auf eine kleine, aber nicht zu vernachlässigende FeldkomponenteEbene, die in z- Richtung eine entsprechend kleine Kraft erzeugt . Es wurden Magnete konstruiert, die solche Kräfte nutzen, um den Strahl in z- Richtung zu fokussieren . Es ist möglich, dass der x- Fokus und der z- Fokus zusammenfallen. Das Fokussieren in z- Richtung wird häufig elektrostatisch durch ein geeignet angeordnetes Elektrodenpaar in der Ionenquelle erreicht.

Flugzeit

The simplest form of mass analysis that does not use magnetic fields depends on the differing speeds of ions with the same energy but different masses. The ion source is generally of the electron-impact type and has one or more electrodes modulated so as to extract ions for a time that is brief compared with the time it takes them to reach the detector. The ion velocities, as given above by v = Square root of2zV/m,und der Abstand zwischen Quelle und Detektor ermöglicht die direkte Berechnung der Masse. In der Praxis wird die Reaktion des Detektors auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen angezeigt und von einem Computer aufgezeichnet. Diese Methode hat zwei Vorteile: Sie ist schnell und kann auf Wunsch das gesamte Massenspektrum anzeigen. Seine Mängel sind eine schlechte Auflösung, eine schlechte Signalgenauigkeit und eine schlechte Effizienz aufgrund des kurzen Zeitraums, in dem Ionen aus der Quelle extrahiert werden.