Tömegspektrometria

Tartalom

I. Rész: A tömegspektrométerek felépítése és működése 11
1. Bevezetés 13
1.1 Történeti áttekintés, alkalmazási területek 13
1.2 A tömegspektrometria terminológiája 16
1.3 A tömegspektrométer feladata és részei 19
2. Analizátorok 21
2.1 Bevezetés 21
2.2 Elektrosztatikus analizátorok 21
2.2.1 Ionok mozgása homogén elektromos térben 21
Elektrosztatikus gyorsítók 21
2.2.2 Energia szűrők 24
2.3 Elválasztás mágneses térrel. Ionok mozgása homogén mágneses térben 25
2.4 Fókuszálás mágneses térben 30
2.4.1 Elsőrendű irányfőkuszszálas 31
2.4.2 Általános szektortér elmélet 33
2.4.3 Ideális fókuszáló tér 35
2.4.4 Fókuszálás elektrosztatikus térrel 36
2. 5 Felbontás 38
2.5.1 A mágneses tér diszperziója 38
2.5.2 A felbontás elmélete 40
2.5.3 A felbontás meghatározása 42
2. 5. 4 Transzmisszió 43
2.5.5 Egyszeres fókuszálású készülékek felbontóképessége 44
2.6 Az elektrosztatikus szektortér energiaszórása és felbontása 45
2.7 A kettős fókuszálás elve 45
3. Tömegspektrométer típusok 50
3.1 Történelmi készülékek 50
3. 2 Mágneses eltérítésű készülékek 53
3. 2.1 Egyszeres fókuszálású készülékek 53
3. 2.1.1 Szektor készülékek 53
3.2.1. 2 Többfokozatú analizátor 54
3.2.1.3 Izotóp szeparátorok 55
3. 2. 2 Kettős fókuszálásu készülékek 56
3.2.2.1 Cikloidális ionpályáju tömegspektrométerek 56
3.2.2.2 Dempster és Bainbridge-Jordán-féle készülékek 57
3.2. 2. 3 Mattauch-Herzog tömegspektrográf 59
3. 2. 2.4 Nier-Jonson tömegspektrométer 60
3. 3 Dinamikus tömegspektrométerek 61
3. 3. 1 Energia modulációs tömegspektrométerek 63
3.3.1.1 Rádiófrekvenciás tömegspektrométer (Bennett cső) 63
3.3.1.2 Topatron 64
3.3.1. 3 Omegatron 64
3. 3.1. 4 Syrotron 66
3. 3. 2 Repülési idő tömegspektrométerek 66
3. 3. 2.1 Bendix repülési idő tömegspektrométer (TOF) 67
3. 3. 2. 2 A chronotron és a tömeg szinkrométer 72
3. 3. 3 Stabil röppályájú tömegspektrométerek 74
3.3.3.1 Farvitron 74
3.3. 3. 2 Kvadrupol tömegspektrométer 75
3.3.3.3 Monopol analizátor 78
3.3.4 Karakterisztikus frekvencia generátor tömegspektrométerek 78
4. Ionforrások 79
4.1 Altalános szempontok 79
4.2 Elektronütközéses ionforrás 80
4.3 Termikus ionizációs ionforrás 83
4.4 Vákuum kisüléses ionforrás 86
4. 5 Ionbombázásos ionforrás 88
4.6 Térionizációs ionforrás 93
4.7 Fotoionizációs ionforrás 94
4.8 Gázkisüléses ionforrások 96
4. 9 Laser ionforrás 99
5. Ion detektorok 100
5.1 Elektromos detektorok 100
5.1.3 Ion kollektorok 101
5.1.1.1 Egyes kollektor 101
5.1.1.2 Kettős kollektor 103
5.1.1.3 A dinamikus tömegspektrométerek kollektor rendszere 103
5.1.2 Erősítők 104
5.1.2.1 Bemeneti (mérő) ellenállás 104
5.1.2.2 Egyenárama erősítők 104
5.1. 2. 3 Izotóparány mérése 106
5.1.2.4 Rezgőkondenzátoros elektrométer 107
5.2.1. 5 Jel-zaj viszony 108
5.1.2.6 Elektronsokszorozó (multiplier) 109
5.1.3 Kijelzők (rekorderek) 110
5.1.3.1 Kiirós rekorder' (kiíró potenciométer) 112
5.1.3.2 Regisztráló oszcillográf 113
5.1.3. 3 Katódsugár oszcilloszkóp 113
5.1.3. 4 Mágnes szalagos regisztráló 1113
5.1.3.5 Digitális kijelzők 114
5.2 Fotografikus detektálás 114
6. A tömegspektrométer vákuumrendszere 117
6.1 Bevezetés 117
6.2 Vákuumrendszerekkel kapcsolatos alapösszefüggések 117
6.3 A vákuumrendszer szerkezeti anyagai 121
6.4 A vákuumrendszer szerelése 121
6.4.1 Állandó (nem oldható) tömítés 123
6.4.2 Oldható csatlakozások 124
6.4.3 Felxibilis csatlakozások és mozgó tömítések 125
6.4.4 Szelepek 126
6.5 Vákuum szivattyúk 127
6.5.1 Vákuum szivattyúk jellemzése 127
6.5.2 Mechanikus szivattyúk 128
6.5.3 Diffúziós szivattyúk 130
6.5.4 Hütőcsapdák 132
6.5.5 íon-getter szivattyúk 134
6.5.6 Szorpciós és kifagyasztásos szivattyúk 135
6. 6 Vákuum mérők 136
6.6.1 Kompressziós vákuummérők 136
6. 6.2 Mechanikus vákuummérők 137
6.6.3 Hővezetőképességen alapuló vákuummérők 137
6.6.4 Ionizációs vákuummérők 139
4.7 Vákumrendszer tervezésének alapjai 141
6.8 Szivárgás vizsgálatok 144
7. Minta beeresztő rendszerek 147
7.1 A mintabeeresztés problémái 147
7.2 A gázáramlás törvényei 148
7.3 Beeresztők készítése 150
7.4 Gázminta bevezetése 151
7.5 Folyadékminta bevezetése 152
7.6 Szilárd minták bevezetése 154
7.6.1 Közvetlen beeresztők 154
7.6.2 Knudsen cella 155
8. A tömegspektrométerek kiválasztásának szempontjai 157
II. rész A tömegspektrometriás módszer alkalmazásai 161
9. A tömegspektrumokban előforduló ionok 163
9.1 A tömegspektrum 163
9.2 Teljes (totális) ionizáció 165
9.3 Iontipusok 166
9.3.1 Molekula ionok 166
9.3.2 Töredék (fragmens) ionok 167
9. 3. 3 Többszörös töltésű ionok 168
9.9.4 Izotóp ionok 169
9.9. 5 Átrendeződéses ionok 171
9.3.6 Metastabil ionok 173
9.3.7 Ion-molekula reakciók 176
9.3.8 Negativ ionok 178
9.4 A tömegspektrum elmélete 179
9.4.1 A Frank-Condon elv 179
9.4.2 A tömegspektrumok kvázi egyensúlyi elmélete 182
10. Szerves vegyületektömegspektrometriája 185
10.1 Kvantitatív analízis 185
10.1.1 Összetétel analízis 187
10.1.2 A mennyiségi összetétel számítása 187
10.1.3 Szabatosság és pontosság 190
10.1.4 Vegyület típus analízis 191
1 10.1.5 Kisfeszültségű tömegspektrometria 192
10.1.6 Kvantitatív analízis térionizációval 192
10.2 Kvalitativ analízis 193
10. 2.1 Azonosítási eljárások 193
10.2.2 A névleges tömeg meghatározása 194
10.2.3 A molekulaionok azonosítása 195
10.2.4 A tömegspektrum és a molekulaszerkezet közötti összefüggés 197
10. 2.5 Interpretációs módszerek 200
10.2.6 Térionizációs spektrum és a szerkezet 203
10.3 Nagyfelbontású tömegspektrometria 203
10.3.1 Tömegmeghatározás 204
10.3.1.1 Fotolemezés módszer 204
10. 3.1.2 Gyorsitó feszültség mérése 205
10. 3.1.3 "Peak-matching" technika 205
10.3.2 A felbontóképesség változtatása 207
10. 3.3 Adatkezelés 208
10.3.3.1 Elemtérképek 208
10.3.3.1 Automatikus adatszolgáltató rendszerek 208
10.4 Gázkromatográf és tömegspektrométer összekapcsolása 210
10.4.1 Alapelv 210
10.4.2 Elválasztás gázkromatográffal 210
10.4.3 A GC-MS rendszer müszerproblémái 211
10.4.3.1 Minta átvezetés 211
10.4.3.2 Pásztázási sebesség problémái 213
10.4.4 Alkalmazás 214
10. 5 A tömegspektrométer termikus analitikai módszerekkel történő összekapcsolása 215
11. Szervetlen anyagok tömegspektrometriája 217
11.1 A nyomszennyezés vizsgálatáról általában 217
11.2 Nyomanalizis szervetlen gázokban 218
11.2.1 Betöményitéses módszer 218
11. 2.2 Vákuumolvasztásos tömegspektrometria 220
11. 3 Szilárd anyagok tömegspektrometriás vizsgálata 220
11.3.1 Izotóp higitásos analízis 220
11.3.2 Szikra ionforrásos tömegspektrometria 222
11.3.2.1 Kvalitatív spektrográfia 222
11,3. 2.2 Kvantitatív spektrográf 224
11.3. 2,3 A szikraionforrásos tömegspektrometria alkalmazásai 227
11.4 Szekunder ionemissziós tömegspektrometria 230
11.4.1 Kvalitatív analizis SlMS-el 230
11.4.2 Az ionmikroszkópia 230
11.4.3 Kvantitatív analízis 231
11.4.3.1 A kvantitatív analízis feltételei 231
11.4.3.2 Analitikai módszerek 232
11.4.3.3 A SIMS módszer érzékenysége és anyagfelhasználása 232
11.4.4 Mélységi analízis 233
11.4. 5 A felület analízis 235
12. A tömegspektrometria fizikai-kémiai alkalmazása 237
12.1 Ionizációs és megjelenési poteciál 237
12.1.1 Definíciók 237
12.1.2 Az elektronütközéses folyamatok energetikai alapjai
12.1.3 Az IP és AP meghatározása 239
12.1.3.1 Általános megjegyzések 239
12.1.3. 2 Elektron energia szórás 241
12.1.3.3 Konvencionális módszerek 242
12.1.3.4 Monoenergiáselektronütközéses módszer 244
12.1.3. 5 Fotoionizációs módszer 243
12.1.3.6 AP és IP elméleti számítása 248
12.1.4 A molekulák disszociációjával összefüggő fizikai-kémiai adatok meghatározása 249
12.1.4.1 Kötés disszociációs energia 249
12.1.4. 2 Képződéshő számítás tömegspektrometriás
adatokból 251
12.1.4.3 Elektronaffinitás meghatározása tömegspektrometriás módszerrel 253
12.1.4.4 A tömegspektrometriás IP és AP meghatárózásának korlátai bonyolultabb molekulák esetén 254
12.2 Magas hőmérsékletű tömegspektrometria 255
12.2.1 Alapfogalmak 255
12.2.2 A nyomás meghatározása Knudsen cellás mérésnél 355
12.2.3 A Knudsen cellában létrejövő egyensúly feltételei 258
12.2.4 A magas hőmérsékletű tömegspektrometriás mérésekből nyerhető termodinamikai adatok kiszámítása 259
12.2,5 A Kndusen effuziós tömegspektrometria néhány alkalmazása 261
J2.3 Kémiai reakciókinetikai alkalmazások 263
12.3.1 Homogén kémiai reakciók 263
12.3.2 Heterogén reakciók 266
12.3.2.1 Nagy nyomása reaktorok 267
12.3.2.2 Kis nyomású reaktorok 267
12. 3.2.3 Egyéb vizsgálati módszerek 272
12.3.3 Reakciómechanizmus Vizsgálata izotópnyomjelzéssel 272
12. 3. 4 Kémiai reakciók izotópeffektusa 273
12. 3. 5 Üzemellenőrzés tömegspektrométerrel 275
13. A tömegspektrometria alkalmazása a magfizikai kutatásokban 277
13.1 Az izotópok azonosítása és arányuk meghatározása 277
13.1.1 Természetes izotópok azonosítása 277
13.1.2 Relativ izotóparány meghatározása 278
13.1.3 Az "abszolút" arány meghatározása 278
13.1. 4 A természetes izotóparányokban mutatkozó eltérések 279
13.1. 5 Az izotóparány és a relatív ionáram közötti összefüggés 280
13.2 Atomsuly 281
13.2.1 Az atomsúly kiszámítása 281
13.2.2 Az atomsúly és az atommagok átalakítása 281
13.3 A felezési idő és a neutronbefogási keresztmetszet meghatározása 283
13.4 Izotóp szeparátorok 284
14. A tömegspektrometria geokémiai és kozmokémiai alkalmazása 286
14.1 Izotóp geológia 286
14.1.1 Geokémiai talaj kutatás 286
14.1.2 Geokronometria 286
14.1.3 Geológiai termometria 290
14.2 A tömegspektrometria alkalmazása a felső atmoszféra és az
űrkutatásban 291
14.2.1 Általános megjegyzések 291
14.2.2 A felső atmoszféra összetétele. A D tartomány
ionösszetétele 292
15.A tömegspektrometria biokémiai alkalmazása 295
Ajánlott irodalom 297

Témakörök