질량 분광계에서 이온을 어떻게 분리합니까?
사중극자 분리 시스템
여기에서 이온은 질량 대 전하비를 기준으로 분리됩니다. 물리학에 따르면 궤도로부터 전하 입자(이온)의 편향은 질량 대 전하비에 따라서만 가능한데, 입자의 인력은 전하에 비례하고 관성(변화에 대한 저항)은 질량에 비례하기 때문입니다. 분리 시스템은 4개의 원통형 금속 로드로 구성되어 있고, 서로 평행하게 설치되며 서로 절연됩니다. 2개의 반대쪽 로드는 동일한 전위로 충전됩니다. 그림 4.2는 로드와 전원 공급 장치의 배열을 도식적으로 보여줍니다. 분리 시스템 내의 전기장(Φ)은 DC 전압과 고주파 AC 전압의 중첩을 통해 생성됩니다.
r0 = 로드의 시스템 내부에 내접할 수 있는 실린더의 반경.
그림 4.2 사중극자 질량 분광계 도면
분리 시스템 내부의 중심선 근처에서 평행하게 움직이고 그 움직임에 수직으로 움직이는 단일 충전 이온에 미치는 효과가 힘입니다.
이러한 운동 등식의 수학적 처리에는 마티유의 미분 방정식이 사용됩니다. 안정적이고 불안정한 이온 경로가 있음을 입증됩니다. 안정적인 경로를 사용하면 분리 시스템 중심선에서 이온의 거리가 항상 ro(통로 조건) 미만으로 유지됩니다. 불안정한 경로의 경우 이온이 로드 표면과 충돌할 때까지 축으로부터의 거리가 늘어납니다. 이온이 방출(중화)되므로 감지기에서 사용할 수 없게 됩니다(차단 조건).
미분 방정식 풀이 없이도 순수 현상학적 설명에 도달할 수 있으며, 이를 통해 사중극자 분리 시스템의 가장 중요한 특성을 이해할 수 있습니다.
분리 시스템을 절단하고 원자 수 M의 단일 이온화 양이온의 편향을 관찰하면 서로 수직인 두 평면에서 두 반대되는 로드의 중심을 통과하면서 움직입니다. 단계별로 먼저 xz 평면(그림 4.5, 왼쪽)을 관찰하고 yz 평면(그림 4.5, 오른쪽)을 관찰하겠습니다.
그림 4.5 분리 시스템에 대한 현상학적 설명
1. 로드에서 DC 전위 U만 해당:
xz 평면(왼쪽): 로드에서 +U의 양전위, 이온에 대한 반발성 효과로 중심에 유지되고, 수집기에 도달합니다(→ 통로).
yz 평면(오른쪽): 로드에서 -U의 음전위는 중심축으로부터 가장 작은 편차에서도 이온이 가장 가까운 로드로 향하고 여기에서 중화됩니다. 수집기에 도달하지 않습니다(→ 차단).
2. 고주파 전압 V · cos ω t의 중첩:
xz 평면(왼쪽): 로드 전위 +U + V · cos ω t. AC 전압 진폭이 V가 증가하면 이온이 로드와 접촉하고 중화될 때까지 더 큰 진폭으로 횡축 진동을 실행합니다. 분리 시스템은 높은 V 값에 대해 계속 차단됩니다.
yz 평면(오른쪽): 로드 전위 -U -V · cos ω t. 여기에서 다시 한 번 중첩이 추가적인 힘을 유도하여 V에 대한 특정 값을 기준으로 횡축 진동의 진폭이 로드 사이의 간격보다 작아지도록 하고 이온이 매우 높은 V 값에서 수집기를 통과할 수 있습니다.
3. 고정 질량 M에 대한 이온 방출 i+ = i+ (V):
xz 평면(왼쪽): V < V1의 전압에서 진동 에스컬레이션으로 이어지는 편향은 V1보다 작습니다. 다시 말해 여전히 "통과" 범위에 있습니다. V > V1인 경우 편향이 에스컬레이션과 차단을 유발하기에 충분합니다.
yz 평면(오른쪽): V < V1의 전압에서 진동 감쇠로 이어지는 편향은 V1보다 작습니다. 다시 말해 여전히 "차단" 범위에 있습니다. V > V1인 경우 편향이 진동이 안정되고 통과가 가능하기에 충분합니다.
4. 고정 비율 U/V에 대한 이온 유동 i+ = i+ (M):
이 관계는 i+ = i+(V)에 대한 관계와 정확히 반대입니다. V가 가벼운 질량에 미치는 영향이 무거운 질량에 미치는 영향보다 더 크기 때문입니다.
xz 평면: M < M1 질량의 경우 진동 에스컬레이션을 유발하는 편향이 M1보다 크며, 이는 이온이 차단됨을 의미합니다. M > M1의 경우 편향이 에스컬레이션에 더 이상 충분하지 않아 이온이 통과할 수 있습니다.
yz 평면: M < M1 질량의 경우 진동의 감쇠를 유발하는 편향이 M1보다 크며, 이는 이온이 통과함을 의미합니다. M > M1의 경우 시스템을 진정시키기에 감쇠가 충분하지 않기에 이온이 차단됩니다.
5. xz 평면과 yz 평면의 조합.
양 로드 쌍의 이온 전류 i+ = i+ (M)에 대한 중첩에서 세 가지 중요한 범위가 있습니다.
범위 I: xz 로드 쌍의 차단 동작으로 인해 M에 대한 통로가 없습니다.
범위 II: 질량 M에 대한 로드 시스템의 통과 계수는 U/V 비율로 결정됩니다(다른 이온은 통과하지 않음). 높은 민감도에 해당하는 뛰어난 투과성은 낮은 선택성의 대가입니다(= 분해능, 질량 분석 장비의 사양 참조). 분리 시스템을 이상적으로 조정하려면 이러한 두 특성 간의 절충이 필요합니다. 일정한 분해능을 얻기 위해 U/V 비율은 전체 측정 범위에서 일정하게 유지됩니다. 분리 시스템을 통과할 수 있는 이온의 "원자 수" M(이온화 관련 페이지 참조)은 다음 조건을 만족해야 합니다.
V = 고주파 진폭,
rO = 사중극자 내접 반경
f = 고주파
이러한 선형 의존성의 결과로 U와 V의 동시 비례 수정으로 인해 선형 질량 눈금을 포함하는 질량 스펙트럼이 발생합니다
범위 III: M은 yz 로드 쌍의 차단 특성으로 인해 통과할 수 없습니다.
측정 시스템(감지기)
분리 시스템을 떠나면 이온은 이온 트랩 또는 감지기를 만나게 되며, 가장 간단한 경우에는 패러데이 케이지(패러데이 컵)의 형태를 나타냅니다. 감지기와 충돌하는 이온은 이온 트랩의 전자에 의해 중화됩니다. 표시된 것은 전자 증폭 후 측정 신호 자체가 해당 "이온 방출 스트림"에 해당합니다. 민감도를 높이기 위해 패러데이 컵 대신 2차 전자 승배수 취득(SEMP)을 사용할 수 있습니다.
채널트론 또는 채널플레이트는 SEMP로 사용할 수 있습니다. SEMP는 시작 시 약 10+6의 게인을 갖는 사실상 무관성 증폭기입니다. 초기 사용 단계에서는 떨어지지만 오랜 시간 동안 거의 일정하게 유지됩니다. 그림 4.6의 왼쪽은 패러데이 이온 트랩의 기본 구성을, 오른쪽은 채널트론의 단면을 보여줍니다. 스펙트럼을 기록할 때 질량 라인 t0당 스캔 기간과 증폭기의 시간 상수 t는 t0=10 τ 조건을 만족해야 합니다. TRANSPECTOR와 같은 최신 장치에서는 스캔 기간 및 증폭기 시간 상수의 무제한 선택은 마이크로프로세서 제어에 의해 논리적인 값의 쌍으로 제한됩니다.
그림 4.6 왼쪽: 패러데이 컵의 원리. 오른쪽: 채널트론의 구성
