Масс-спектрометр: виды, особенности и принцип работы

Главная/Вакуумное оборудование/Масс-спектрометр: виды, особенности и принцип работы

Масс-спектрометр: виды, особенности и принцип работы

Навигация:

  1. Хромато-масс-спектрометр
  2. Квадрупольный масс-спектрометр
  3. Магнитный масс-спектрометр
  4. Времяпролетный масс-спектрометр
  5. Масс-спектрометры Agilent

Масс-спектрометр – это прибор, который методом масс-спектрометрии определяет состав, структуру вещества и другие его характеристики на молекулярном уровне. Это отличительная черта масс-спектрометрического метода по отношению к другим методам, вроде рентгеновского, оптического и прочих.

масс-спектрометр

Масс-спектрометр основан на принципе работы анализа заряженных частиц пробного образца: определение массы молекул, их структуры, заряда, изотопного состава. Исследованию поддаются любые материалы, которые поддаются ионизации.

Самые распространенные типы масс-спектрометров:

  1. Хромато-масс-спектрометр.
  2. Квадрупольный масс-спектрометр.
  3. Магнитный масс-спектрометр.
  4. Времяпролетный масс-спектрометр.

Устройство масс-спектрометра можно условно представить в виде блок-схемы.

масс-спектрометр

Анализируемое вещество 1 ионизируется ионным источником 2. Получаемые в результате пучок ионов попадает в камеру масс-спектрометра, так называемый масс-анализатор 3, где ионы разделяются по значению отношения массы иона к его заряду. Приемник ионов (детектор масс-спектрометра) 4 преобразует ток в электрический сигнал, который усиливается с помощью усилителя 5. Этот усиленный сигнал, в котором имеется информация о количестве и массе ионов, принимает регистрирующее устройство 6. Некоторые модели потом выводят дополнительно все полученные результаты на ЭВМ 7.

Для создания и поддержания вакуума, в котором происходит процесс анализа (на блок-схеме эта область обозначена пунктирными линиями), масс-спектрометр снабжен системой питания 8 и вакуумным насосом 9.

В результате всего этого процесса получаются данные в виде масс-спектров.

масс-спектрометр

Каждый материал имеет неповторимый вид масс-спектра, который зависит от структуры и массы молекул. Сложные молекулы могут распадаться не на один, а на несколько ионов или иметь несколько зарядов, поэтому метод масс-спектрометрии имеет очень широкие возможности изучения веществ.

Примечание. В масс-спектрометре может устанавливаться два масс-анализатора, такой прибор получил название тандемный масс-спектрометр.

Хромато-масс-спектрометр

Хромато-масс-спектрометр – это разновидность масс-спектрометра, в котором соединены два метода исследования: хроматография и масс-спектрометрия. Причем газовый хроматограф и масс-спектрометр работают абсолютно независимо друг от друга.

хромато-масс-спектрометр

Применяется газовый масс-спектрометр во многих областях производства, где необходимо исследование органических и других сложных веществ, это:

  • медицина и фармацевтика;
  • биология;
  • химия;
  • экологический контроль;
  • криминалистические лаборатории;
  • парфюмерное производство;
  • пищевая индустрия и прочее.

Существует два вида хромато-масс-спектрометров: газовый и жидкостный.

Все хромато-масс-спектрометры имеют общую схему устройства, которая позволяет исследовать, как газообразные, так жидкие вещества.

Примечание. Хромато-масс-спектрометр позволяет изучить очень сложные материалы, в состав которых входит до 400 компонентов.

хромато-масс-спектрометр

Газовый хромато-масс-спектрометр на первом этапе анализирует весь диапазон масс, потом проводится качественный анализ отдельных видов ионов. И конечным этапом является объединение всех данных на диаграмме со шкалой время. Получается такая хроматограмма всех ионов пробного образца.

хромато-масс-спектрометр

Газовая хроматография хорошо сочетается с процессами ионизации методом электронного удара или химической ионизацией. Для жидкостной хроматографии применяются методы ионизации электроспрей и химическая ионизация при обычном давлении.

Квадрупольный масс-спектрометр

Квадрупольный масс-спектрометр характеризуется очень высокой чувствительностью, производительностью и простотой использования, поэтому широко используется в разных областях производства.

квадрупольный масс-спектрометр

Большинство моделей имеют автоматическую систему контроля давления и могут включаться и выключаться автоматически. А также блок управления и программное обеспечение для контроля за процессом исследования в режиме реального времени.

Принцип работы квадрупольного масс-спектрометра состоит в следующем.

Полученные во время ионизации ионы разгоняются в электрическом поле и проходят через квадрупольный анализатор, который представляет собой четыре стержня. Стержни находятся под таким напряжением постоянного или переменного тока, что в определенное время сквозь них могут проходить ионы какого-то одного значения отношения массы к заряду. Таким образом, меняя напряжение сканируются различные ионы с разными показателями.

Распознавание ионов происходит цилиндром Фарадея или вторично-электронным умножителем. Все результаты исследования в конечном итоге поступают на компьютер.

квадрупольный масс-спектрометр

Примечание. Квадрупольный масс-спектрометр может работать в большом диапазоне давления: от атмосферного до сверхвысокого, что является большим преимуществом данного прибора.

Преимущества квадрупольного масс-спектрометра:

  • компактность;
  • большая скорость анализа;
  • разрешение масс-спектрометра меньше 1 а.е.м.;
  • простота в обслуживании.

Это дает возможность эффективно его использовать для анализа газов, течеискания и контроля процессов, которые происходят в вакууме.

Магнитный масс-спектрометр

Магнитный масс-спектрометр использует в процессе исследования анализ траектории движения ионов в магнитном поле.

магнитный масс-спектрометр

Принцип работы магнитного масс-спектрометра состоит в следующем.

Ионы из ионизатора ускоряются и проходят через магнитное поле, которое образуется перпендикулярно перемещению частиц. В результате направление передвижения ионов меняется: частицы с разным значением отношения массы к заряду по-разному реагируют на магнитное поле. Масс-анализатор меняет силу поля и регистрирует ионы только одной массы по очереди. Существуют многоканальные детекторы, которые могут регистрировать сразу все значения масс.

магнитный масс-спектрометр

Примечание. Часто магнитный масс-спектрометр применяется для исследования окружающей среды, пищевых продуктов и прочее.

Преимуществом магнитного масс-спектрометра является очень высокая чувствительность, высокое разрешение и стабильность работы.

Времяпролетный масс-спектрометр

Времяпролетный масс-спектрометр наряду с обычными образцами может работать с образцами, которые термически нестабильные различного происхождения.

времяпролетный масс-спектрометр

Отличительной характеристикой принципа работы времяпролетного масс-спектрометра является то, что ионы от импульса высокого напряжения или ионизирующего лазера начинают движение одновременно. После этого происходит регистрация всех частиц одновременно, поэтому скорость анализа составляет несколько микросекунд.

времяпролетный масс-спектрометр

Примечание. Времяпролетный масс-спектрометр может работать совместно с жидкостным хроматографом. В результате суммируется общая интенсивность тока в каждом масс-спектре, поэтому для исследования достаточно веса вещества равное единицам пикограмм.

Примером применения времяпролетного масс-спектрометра является использование его для анализа белковых взаимодействий в генной инженерии, поиска патологий клеток и маркеров болезней.

Масс-спектрометры Agilent

Лидером в области масс-спектрометрического оборудования являются масс-спектрометры Аgilent (США).

масс-спектрометры Agilent

Кроме изученных и признанных моделей масс-спектрометров, цена которых зависит от комплектации оборудования, компания Аgilent постоянно занимается поиском новых решения для модернизации и улучшения приборов. Например, хромато-масс-спектрометр Аgilent 5975С обладает возможностью стабилизировать термически нестабильные материалы и произвести их исследование с максимальной точность. Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой 7700 оснащен новой конструкцией ионных линз для увеличения чувствительности и снижения уровня фона, а также новым радиочастотным генератором, нечувствительным к высоколетучим органическим растворителям.

Устройство и принцип работы масс-спектрометров, которые можно купить у официальных дистрибьюторов компании, позволяют применять масс-спектрометры с разными разделительными приборами. Это позволяет значительно уменьшить стоимость и увеличить производительность масс-спектрометров, что с достоинством может оценить покупатель. А новые программные обеспечения и улучшения конструктивных особенностей масс-спектрометров Agilent обеспечивает надежность и получение достоверных результатов.