Искровая ионизация - Spark ionization

Схема высоковольтного источника радиочастотной искровой ионизации Dempster

Искровая ионизация (также известный как ионизация источника искры) - метод получения газовой фазы ионы из твердого образца. Приготовленный твердый образец испаряется и частично ионизируется прерывистым разрядом или искрой.[1] Этот метод в основном используется в области масс-спектрометрии. При объединении с масс-спектрометром весь прибор называется масс-спектрометром с искровой ионизацией или масс-спектрометром с искровым источником (SSMS).[2]

История

На использование искровой ионизации для анализа примесей в твердых телах указали Демпстер Работа 1935 г.[3] Металлы были классом материалов, которые ранее нельзя было ионизировать термической ионизацией (метод, ранее использовавшийся для ионизации твердых образцов). Источники искровых ионов коммерчески не производились до 1954 года, когда Hannay продемонстрировал свою способность анализировать следовые количества примесей (чувствительность обнаружения в долях на миллион) в полупроводниковых материалах.[4] Прототипом прибора с искровым источником был масс-спектрометр MS7 производства Электротехническая компания "Метрополитен-Виккерс", ООО. в 1959 году. Коммерческое производство приборов с искровым источником продолжалось в 50-х, 60-х и 70-х годах, но они были прекращены, когда были изобретены другие методы обнаружения микроэлементов с улучшенным разрешением и точностью (около 1960-х годов).[5] Преемниками искрового источника ионов для анализа следовых элементов являются лазерный источник ионов, тлеющий разряд ионный источник, и индуктивно связанная плазма ионный источник. Сегодня очень немногие лаборатории во всем мире используют искровую ионизацию.

Как это устроено

Искровой источник ионов состоит из вакуумной камеры, содержащей электроды, которая называется искровым корпусом. Наконечники электродов состоят из образца или содержат образец и электрически подключены к источнику питания. Электроды экстракции создают электрическое поле, которое ускоряет генерируемые ионы через выходную щель.

Источники ионов

Для искровой ионизации существуют два источника ионов: низковольтный источник дуги постоянного тока (DC) и высоковольтный радиочастотный (RF) источник искры. Источник дуги имеет лучшую воспроизводимость, а образующиеся ионы имеют меньший разброс энергии по сравнению с источником искры; однако источник искры может ионизировать как проводящие, так и непроводящие образцы, в то время как источник дуги может ионизировать только проводящие образцы.[6]

В низковольтном источнике дуги постоянного тока высокое напряжение прикладывается к двум проводящим электродам для инициирования искры, после чего прикладывается постоянный ток низкого напряжения для поддержания дуги между искровыми промежутками. Продолжительность дуги обычно составляет всего несколько сотен микросекунд, чтобы предотвратить перегрев электродов, и она повторяется 50-100 раз в секунду.[2] Этот метод можно использовать только для ионизации проводящих образцов, например металлы.

Высоковольтный источник искры RF - тот, который использовался в коммерческих приборах SSMS из-за его способности ионизировать как проводящие, так и непроводящие материалы. Обычно образцы физически объединены в два проводящих электроды между которыми присутствует прерывистое (1 МГц) высокое напряжение (50-100 кВ с использованием трансформатора Тесла) электрическая искра производится, ионизируя материал на концах штыревых электродов.[2] Когда импульсный ток подается на электроды в сверхвысоком вакууме, в плазме возникает плазма искрового разряда. разрядник в котором ионы генерируются электронным ударом. В плазме разряда образец испаряется, распыляется и ионизируется электронным ударом.[7] Полный ионный ток можно оптимизировать, регулируя расстояние между электродами. Этот режим ионизации можно использовать для ионизации проводящих, полупроводящих и непроводящих образцов.

Базовые приготовления

Проводящие и полупроводящие образцы можно анализировать непосредственно после формирования электродов. Непроводящие образцы сначала измельчаются, смешиваются с проводящим порошком (обычно графитом или серебром высокой чистоты), гомогенизируются, а затем формуются в электроды. Можно анализировать даже жидкости, если они заморожены или пропитаны проводящим порошком.[8] Однородность образца важна для воспроизводимости.

Масс-спектрометрия источника искры (SSMS)

ВЧ искровой источник создает ионы с широким разбросом энергии (2-3 кВ), что требует использования масс-анализатора с двойной фокусировкой. Масс-анализаторы обычно Маттаух-Херцог геометрия, которая обеспечивает скорость и направленную фокусировку на плоскости с помощью светочувствительный пластины для обнаружения ионов или линейные Channeltron детекторные матрицы.[9] SSMS имеет несколько уникальных функций, которые делают его полезным методом для различных приложений. К достоинствам SSMS относятся высокая чувствительность с пределами обнаружения в диапазоне частей на миллиард, одновременное обнаружение всех элементов в образце и простая подготовка образца. Однако ионный ток высокочастотной искры является прерывистым и неустойчивым, что приводит к хорошему разрешению и точности, когда стандарты не выполняются. К другим недостаткам можно отнести дорогое оборудование, длительное время анализа и необходимость в высококвалифицированном персонале для анализа спектра.[5]

Приложения SSMS

Масс-спектрометрия с источником искры использовалась для анализа следов и многоэлементного анализа высокопроводящих, полупроводниковых и непроводящих материалов. Некоторыми примерами приложений SSMS являются анализ микроэлементов в материалах высокой чистоты, многоэлементный анализ элементов в технических сплавах, геохимических и космохимических образцах, биологических образцах, промышленных образцах сточных вод и радиоактивных материалах.[8]

Рекомендации

  1. ^ Определение золотой книги ИЮПАК
  2. ^ а б c Х. Э. Беске, А. Херрле и К. П. Йохум (1981). «Часть I. Принципы масс-спектрометрии искрового источника (SSMS)». Журнал аналитической химии Фрезениуса. 309 (4): 258–261. Дои:10.1007 / BF00488596.
  3. ^ Демпстер, А.Дж. (Апрель 1935 г.). «Новые источники ионов для масс-спектроскопии». Природа. 135 (3414): 542. Дои:10.1038 / 135542a0.
  4. ^ Хэнней, Н. Б. (июль 1954 г.). «Масс-спектрограф для анализа твердых тел». Обзор научных инструментов. 25 (7): 644–648. Дои:10.1063/1.1771150.
  5. ^ а б Верлинден, Йозеф; Гиджбельс, Ренаат; Адамс, Фредди (1986). «Применение искровой масс-спектрометрии в анализе полупроводниковых материалов. Обзор». Журнал аналитической атомной спектрометрии. 1 (6): 411. Дои:10.1039 / JA9860100411.
  6. ^ Адамс, Ф .; Томас, Дж. М. (1982). «Последние достижения в аналитической масс-спектрометрии источника искры [и обсуждение]». Философские труды Лондонского королевского общества. 305 (1491): 509–519. Дои:10.1098 / рста.1982.0048. ISSN  0080-4614. JSTOR  37113.
  7. ^ Край, Агнешка (2009). Экман, Рольф; Зильберринг, Ежи; Вестман-Бринкмальм, Энн; Край, Агнешка (ред.). Масс-спектрометрия: приборы, интерпретация и приложения. http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9780470395813: John Wiley & Sons. стр.19 –20. Дои:10.1002/9780470395813. ISBN  9780470395806.CS1 maint: location (связь)
  8. ^ а б Beske, H.E .; Gijbels, R .; Hurrle, A .; Jochum, K.P. (1981). «Часть IV. Обзор и оценка масс-спектрометрии источника искры как аналитического метода». Fresenius 'Zeitschrift für Analytische Chemie. 309 (4): 329–341. Дои:10.1007 / BF00488613.
  9. ^ Беккер, Сабина; Дитце, Ханс-Иоахим (29 февраля 2000 г.). «Неорганические масс-спектрометрические методы для анализа следов, ультраследований, изотопов и анализа поверхности». Международный журнал масс-спектрометрии. 197 (1–3): 1–35. Дои:10.1016 / S1387-3806 (99) 00246-8.