Sektorový hmotnostní spektrometr

Sektorový hmotnostní spektrometr je druh hmotnostního spektrometru, který používá jako hmotnostní analyzátor statický elektrický (E) nebo magnetický (B) sektor nebo jejich kombinaci.^[1] Často používanými kombinacemi sektorů jsou EB, BE (nazývaná jako obrácená geometrie), třísektorový BEB a čtyřsektorový EBEB spektrometr. Většina moderních sektorových spektrometrů patří mezi dvouohniskové přístroje; tuto variantu vyvinuli Arthur Jeffrey Dempster, Kenneth Bainbridge a Josef Mattauch v roce 1936^[2] jako přístroj řídící směr i rychlost pohybu iontů.^[3]

Teorie

Popis vlastností iontů v homogenním lineárním statickém elektrickém nebo magnetickém poli sektorového spektrometru není složitý. Fyzikální chování částic lze popsat rovnicí pro Lorentzovu sílu. Tato rovnice je základem u všech metod hmotnostní spektrometrie a nachází využití i u nelineárních a nehomogenních polí; jde o významnou součást celé elektrodynamiky.

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$

kde E je intenzita elektrického pole, B je magnetická indukce, q je náboj částice, v její okamžitá rychlost (vyjádřená jako vektor) a × představuje vektorový součin.

Síla působící na ion v lineárním homogenním elektrickém poli tak je:

${\displaystyle F=qE\,}$,

ve směru elektrického pole pro kladně nabité a v opačném směru pro záporně nabité ionty.

Síla závisí pouze na náboji a intenzitě elektrického pole. Lehčí ionty jsou odkláněny více než těžší, protože mají menší setrvačnost, čímž se ionty oddělují a po opuštění elektrického sektoru vytvářejí svazky.

Síla působící na ion v lineárním homogenním magnetickém poli činí:

${\displaystyle F=qvB\,}$,

kolmo na vektor magnetické indukce i rychlost iontu ve směru odpovídajícímu pravidlu pravé ruky.

Působící magnetická síla závisí také na rychlosti, ovšem za vhodných podmínek (jako je stálá rychlost) se ionty o různých hmotnostech oddělí a vytvoří samostatné svazky.

Obvyklé geometrie

Níže jsou uvedeny nejčastější geometrie soustav pro hmotnostní spektrometrii, i když mnoho současných systémů nezapadá přesně do žádné z těchto skupin, protože byly vyvinuty později.

Bainbridgeova-Jordanova

Tato geometrie se skládá z 127,30°${\displaystyle \left({\frac {\pi }{\sqrt {2}}}\right)}$ elektrického sektoru následovaného 60°magnetickým sektorem se stejným směrem zakřivení. Často se používá k určování atomových hmotností izotopů; ze zkoumaného izotopu přitom vzniká proud kladně nabitých částic. Na tento svazek působí současně navzájem kolmá pole, elektrické a magnetické. Jelikož jsou síly vytvářené těmito poli stejně velké a mají opačný směr, tak rychlost částic lze popsat tímto vzorcem:

${\displaystyle v=E/B\,}$

částice volně procházejí štěrbinou a následně na ně působí další magnetické pole, což jim dodává polokruhovou dráhu, po jejímž překonání dopadají na detektor. Hmotnost izotopu se určí následnými výpočty.

Mattauchova-Herzogova

Soupravy s Mattauchovou-Herzogovou geometrií se skládají z 31,82° (${\displaystyle \pi /4{\sqrt {2}}}$ radiánů)elektrického sektoru, za nímž se nachází 90° magnetický sektor zakřivený v opačném směru.^[4]

Ionty roztříděné hlavně podle svého náboje vstupují do magnetického pole s mnohem vyšší průchodností než u běžného energetického filtru. Tato geometrie často nachází využití tam, kde je potřeba rychle rozptýlit vzniklé ionty a nevyžaduje se vysoká citlivost, jako je hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů (SIMS).^[5]

Výhodou této geometrie oproti Nierově-Johnsonově je to, že ionty o rozdílných hmotnostech se soustředí na jedno místo, což umožňuje použít plochý detektor.

Nierova-Johnsonova

Nierova-Johnsonova geometrie se skládá z 90°elektrického sektoru a 60°magnetického sektoru zakřiveného ve stejném směru.^[6][7]

Hinterbergerova-Kongova

Soustavy s Hinterbergerovou-Konigovou geometrií mají 42,43° elektrický sektor následovaný 130° magnetickým sektorem se shodným směrem zakřivení.

Takešitova

Takešitova geometrie obsahuje 54,43° elektrický sektor, druhý elektrický sektor se stejným směrem zakřivení a 180° magnetický sektor zakřivený opačným směrem.

Macudova

Soupravy s Macudovou geometrií mají 85°elektrický sektor následovaný kvadrupólovými čočkami a 72,5° magnetickým sektorem zakřiveným stejným směrem.^[8] Tato geometrie je využívána při analýzách metodami citlivé iontové mikrosondy s vysokým rozlišením (SHRIMP) a Panorama (zdroj plynu, vysoké rozlišení, multikolektor, využití k měření izotopologů v geochemii).

Odkazy

Literatura

• Thomson, J. J.: Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analyses; Longmans Green: London, 1913

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Sector mass spectrometer na anglické Wikipedii.