Gas analysis and mas spectrometers banner

Bagaimana spektrometer massa memisahkan ion?

Bagikan lewat

Sistem pemisahan kuadrupole

Di sini, ion dipisahkan berdasarkan rasio massa terhadap muatannya. Kita tahu dari fisika bahwa defleksi partikel bermuatan listrik (ion) dari lintasannya hanya mungkin sesuai dengan rasio massa terhadap muatannya, karena tarikan partikel proporsional terhadap muatan sementara inersia (yang menahan perubahan) proporsional terhadap massanya. Sistem pemisahan terdiri dari empat batang logam silinder, yang diatur secara paralel dan terisolasi satu sama lain; kedua batang yang berlawanan diisi dengan potensial yang sama. Gbr. 4,2 menunjukkan skematis pengaturan batang dan catu dayanya. Medan listrik Φ di dalam sistem pemisahan dihasilkan dengan menimbulkan tegangan DC dan tegangan AC frekuensi tinggi:

r₀ = radius silinder yang dapat ditulis di dalam sistem batang.

Gambar 4,2 Skema untuk spektrometer massa kuadrupole

Penggunaan efek pada ion bermuatan tunggal yang bergerak dekat dan paralel dengan garis tengah di dalam sistem pemisahan dan tegak lurus terhadap pergerakannya adalah gaya:

Perlakuan matematika terhadap persamaan gerak ini menggunakan persamaan diferensial Mathieu. Terbukti ada jalur ion yang stabil dan tidak stabil. Dengan jalur stabil, jarak ion dari garis tengah sistem pemisahan selalu tetap kurang dari ro (kondisi lintasan). Dengan jalur yang tidak stabil, jarak dari sumbu akan bertambah hingga ion pada akhirnya bertabrakan dengan permukaan batang. Ion akan dilepaskan (dinetralkan), sehingga menjadi tidak tersedia untuk detektor (kondisi penghalang).

Meskipun tanpa memecahkan persamaan diferensial, dimungkinkan untuk mencapai penjelasan fenomenologis murni yang mengarah pada pemahaman tentang karakteristik terpenting dari sistem pemisahan quadrupole.

Jika kita membayangkan memotong sistem pemisahan dan mengamati defleksi ion positif terionisasi tunggal dengan nomor atom M, bergerak dalam dua bidang, yang tegak lurus satu sama lain dan masing-masing melewati pusat dua batang yang berlawanan. Kami melanjutkan langkah demi langkah dan pertama-tama mengamati bidang xz (Gbr. 4,5, kiri) dan kemudian bidang yz (Gbr.4,5, kanan):

Gambar 4,5 Penjelasan fenomenologis tentang sistem pemisahan

1. Hanya potensial DC U pada batang:

Pesawat xz (kiri): Potensi positif +U pada batang, dengan efek repellent pada ion, menjaganya tetap terpusat; mencapai kolektor (→ lintasan).

Pesawat yz (kanan): Potensi negatif pada batang -U, yang berarti bahwa bahkan pada penyimpangan terkecil dari sumbu pusat, ion akan ditarik ke arah batang terdekat dan dinetralkan di sana; ion tidak mencapai kolektor (→ menghalangi).

2. Superimposisi voltase frekuensi tinggi V · cos ω t:

Pesawat xz (kiri): Potensi batang +U + V · cos ω t. Dengan meningkatnya amplitudo tegangan AC V, ion akan didorong untuk menjalankan osilasi melintang lucu dengan amplitudo yang semakin besar hingga bersentuhan dengan batang dan dinetralkan. Sistem pemisahan tetap diblokir untuk nilai V yang sangat besar.

meja yz (kanan): potensi batang -U -V · cos ω t. Di sini lagi superimposisi menginduksi gaya tambahan sehingga pada nilai tertentu untuk V amplitudo osilasi transversal akan lebih kecil daripada jarak antara batang dan ion dapat melewati kolektor pada V yang sangat besar.

3. Emisi ion i ⁺ = i ⁺(V) untuk massa tetap M:

Tingkat xz (kiri): Untuk tegangan V < V _1,defleksi yang mengarah pada peningkatan osilasi lebih kecil dari V₁, yaitu masih dalam kisaran "lulus". Di mana V > V₁1, defleksi akan cukup untuk menyebabkan peningkatan dan penyumbatan.

meja yz (kanan): Untuk tegangan V < V _1,defleksi yang mengarah ke peredaman osilasi lebih kecil dari V₁, yaitu masih dalam kisaran "blok". Di mana V > V₁1, peredaman akan cukup untuk menetapkan osilasi, memungkinkan lulus.

4. Aliran ion i+ = i+ (M) untuk rasio U / V tetap:

Di sini hubungan berlawanan persis dengan hubungan untuk i ⁺ = i ⁺ (V) karena pengaruh V pada massa ringan lebih besar daripada pada massa berat.

Pesawat xz: Untuk massa M < M₁1, defleksi yang mengakibatkan peningkatan osilasi lebih besar daripada pada M₁, yang berarti bahwa ion akan diblokir. Pada M > M1, defleksi tidak lagi cukup untuk eskalasi, sehingga ion dapat melewati.

meja yz: Untuk massa M < M1, defleksi yang mengakibatkan peredaman osilasi lebih besar daripada pada M₁, yang berarti ion akan lulus. Pada M > M1, peredaman tidak cukup untuk menenangkan sistem sehingga ion diblokir.

5. Kombinasi dari bidang xz dan yz.

Dalam superimposisi arus ion i ⁺ = i ⁺ (M) untuk kedua pasangan batang (U / V tetap) ada tiga rentang penting:

Kisaran I: Tidak ada lintasan untuk M karena perilaku penguncian pasangan batang xz.

Kisaran II: Faktor lulus sistem batang untuk massa M ditentukan oleh rasio U/V (ion lain tidak akan lulus). Kami melihat bahwa permeabilitas yang besar (yang sesuai dengan sensitivitas tinggi) dibeli dengan harga selektivitas rendah (= resolusi, lihat Spesifikasi dalam spektrometri massa ). Penyesuaian ideal sistem pemisahan sehingga memerlukan kompromi antara kedua sifat ini. Untuk mencapai resolusi konstan, rasio U/V akan tetap konstan di seluruh rentang pengukuran. "Jumlah atom" M ( lihat halaman pada Ionisasi ) ion yang dapat melewati sistem pemisahan harus memenuhi kondisi ini:

V = Amplitudo frekuensi tinggi,
r_O = Radius tertulis kuadrupole
f = Frekuensi tinggi

Sebagai hasil dari ketergantungan linear ini, terdapat spektrum massa dengan li mendekati skala massa karena modifikasi U dan V secara proporsional secara bersamaan.

Kisaran III: M tidak dapat lulus, karena karakteristik penguncian pasangan batang yz.

Sistem pengukuran (detektor)

Setelah meninggalkan sistem pemisahan, ion akan bertemu dengan perangkap ion atau detektor yang, dalam contoh paling sederhana, akan berbentuk kandang Faraday (Cup Faraday). Dalam hal apa pun, ion yang membentur detektor akan dinetralkan oleh elektron dari perangkap ion. Ditampilkan, setelah amplifikasi listrik, karena sinyal pengukuran itu sendiri adalah "aliran emisi ion" yang sesuai. Untuk mencapai sensitivitas yang lebih besar, pengambilan pengganda elektron sekunder (SEMP) dapat digunakan sebagai pengganti cangkir Faraday.

Channeltrons atau Channelplates dapat digunakan sebagai SEMP. SEMP adalah penguat yang hampir bebas inersia dengan gain sekitar 10 ⁺⁶ pada awalnya; ini benar-benar akan turun selama fase penggunaan awal tetapi kemudian akan menjadi hampir konstan dalam jangka waktu lama. Gbr. 4,6 menunjukkan di kiri konfigurasi dasar perangkap ion Faraday dan, di kanan, bagian melalui Channeltron. Saat merekam spektrum, periode pemindaian per garis massa t₀ dan konstanta waktu amplifier t harus memenuhi kondisi bahwa t₀ = 10 τ. Pada perangkat modern seperti TRANSPECTOR, pilihan periode pemindaian dan konstanta waktu amplifier yang tidak terbatas akan dibatasi oleh kontrol mikroprosesor pada pasangan nilai logis.