Файл: Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник.pdf

ГЛАВА XV

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ВЕЩЕСТВ

§ 1. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Масс-спектрометрический метод — один из наиболее совер­ шенных и универсальных современных методов анализа. Он ос­ нован на измерении важнейшей характеристики вещества — мас­ сы его молекул или атомов, что дает возможность определять со­ став газообразных, жидких и твердых веществ независимо от их физических и химических свойств. К преимуществам масс-спек- трометрического метода относится возможность одновременного определения многих компонентов сложных смесей; для анализа требуется очень небольшое количество анализируемого вещест­ ва; достаточно высокая скорость проведения анализа и высокая чувствительность (до 0,001%). Однако он обладает и серьезны­ ми недостатками, которые заключаются в основном в сложности аппаратурного оформления и обслуживания и очень большой трудности автоматизации.

В основе масс-спектрометрического метода лежит разделение предварительно ионизированных молекул вещества по их мас­ сам. Масс-спектрометрический анализ заключается в выполне­ нии следующих основных операций:

1) превращение молекул анализируемого вещества в поло­ жительные ионы и формирование ионного пучка;

2) разделение ионного пучка по массам в магнитных и элек­ трических полях или в пространстве, лишенном этих полей;

3) улавливание ионов, раздельное измерение и регистрация ионных токов каждой составляющей ионного пучка.

Основными узлами масс-спектрометров являются: источник

различных веществ должны быть учтены некоторые общие поло­ жения:

1) анализ проводится в условиях глубокого вакуума, созда­ ние которого осуществляется специальными вакуумными систе­ мами, состоящими из насосов, манометров, запорных и дози­ рующих вентилей, буферных емкостей, вымораживающих лову­ шек и т. п.;

2) для подготовки проб газообразных, жидких и твердых ве­ ществ используются специальные системы напуска, позволяю­ щие в нужных случаях испарять жидкие и твердые вещества и вводить пробы в источник ионовбез нарушения глубокого ва­ куума в аналитической части масс-спектрометра;

3) для уменьшения сорбционных процессов вакуум-системы выполняются из специальных материалов.

Масс-спектрометры должны устанавливаться в сухих, венти­ лируемых и отапливаемых помещениях. Приборы должны быть защищены от местных перегревов, воздействия сильных элек­ трических полей, механических вибраций и коррозии.

По способу разделения ионов в масс-анализаторе масс-спек­ трометры можно разделить на три основные группы:

2)динамические время-пролетные, с разделением ионов по времени пролета;

3)динамические радиочастотные, с разделением ионов в вы­ сокочастотном электрическом поле.

СТАТИЧЕСКИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ

Действие статических масс-спектрометров с разделением ио­ нов в магнитном поле, структурная схема которых представле­ на на рис. 194, основано на различии траекторий положитель­

ная?-дашш/шр

Рис. 194. Структурная схема статического масс-спектрометра.

ных ионов, движущихся в однородном поперечном магнитном поле и различающихся отношением массы к заряду. В иониза­ ционную камеру 1, находящуюся под очень глубоким вакуумом, вводится с помощью специального устройства анализируемая смесь. Молекулы анализируемого газа ионизируются под дей­ ствием электронов, испускаемых накаленным катодом 2, в ре­ зультате образуются положительные ионы, обладающие одина­ ковым положительным зарядом е, но разной массой т (для раз­ личных компонентов). Ионы под воздействием электрического поля, обусловленного напряжением, приложенным к стенкам ионизационной камеры, вылетают с определенной скоростью че­

электродов. Далее ионы попадают в камеру масс-анализатора, где действует однородное магнитное поле (перпендикулярно плоскости рисунка) напряженностью Н. В зависимости от ве­ личины Н, скорости выхода ионов, т. е. от величины U, а также от массы ионов т различные ионы описывают траектории раз­ ных радиусов.

При постоянных значениях U, Н и е в выходную щель 6 ка­ меры и далее на коллектор 7 приемника ионов попадают ионы с определенным значением т. Попав на коллектор, ионы отда­ ют ему свои заряды, и в измерительной цепи создается электри­

Н — напряженность магнитного поля, А/м; т— масса иона, кг; е — электрический заряд иона, Кл;

U—напряжение, ускоряющее ионы, В.

Из этого уравнения видно, что, изменяя ускоряющее напря­ жение U или напряженность магнитного поля Н, можно направ­ лять на коллектор ионы с различной массой, или, иными слова­ ми, осуществлять развертку масс и регистрировать на массспектрограмме прибора масс-спектры анализируемых веществ, отражающие их молекулярный состав, строение молекул и т. п. Характер записи масс-спектра показан на рис. 195. Высота от­ дельных пиков, прямо пропорциональная силе ионного тока, ха­ рактеризует концентрацию компонентов в анализируемой смеси.

ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНЫЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ

Действие время-пролетных масс-спектрометров основано на принципе разделения ионов по времени их пролета в простран­ стве, свободном от электрических и магнитных полей. Благодаря крайне малому времени образования ионов и регистрации массспектров (несколько микросекунд) эти устройства используются в основном для исследования быстропротекающих процессов. Структурная схема время-пролетного масс-спектрометра приве­ дена на рис. 196. Анализируемый газ из соответствующей систе­ мы напуска поступает в источник ионов 3, где ионизируется ин­ тенсивным потоком электронов, испускаемых накаленным като­ дом /. Поток электронов модулируется с помощью импульсного напряжения, подаваемого на фокусирующий электрод 2. Под действием выталкивающего постоянного напряжения и ъ ы Т , созда­ ваемого выталкивающим электродом 4, ионы переходят в уско­ ряющее пространство 5, где приобретают одинаковую энергию под воздействием постоянного напряжения £/уС к .

Далее ионы попадают в бесполевое пространство дрейфа 6, в котором они распределяются по времени пролета, зависящему от их массы. Время пролета

L — длина пространства дрейфа, м; от—масса иона, кг;

е — заряд иона, Кл.

t7yCK —ускоряющее напряжение, В.

Разделенные по массам ионы улавливаются приемником ио нов 7 (чаще всего электронным умножителем), на выходе которо го появляются импульсы напряжения, соответствующие различ1 ным компонентам анализируемого газа.

После усиления эти импульсы подаются на осциллограф. Масс-спектр, полученный на экране осциллографа, может быть за­ регистрирован с помощью киноили фо­ тоустройства. Другими методами изме­ рить масс-спектр трудно, так как время его регистрации составляет несколько микросекунд.

щей способности масс-спектрометра. Принципиальная схема радиочастотного масс-спектрометра приведена на рис. 197. Дл я повышения разрешающей способности число трехсетчатых каска­ дов может быть равным двум, трем и более. Положительные ионы анализируемого газа, ионизированные под воздействием испускаемых накаленным катодом / электронов, из ионизацион­ ной камеры 2 проходят ускоряющий промежуток и поступают на селекционирующий каскад, состоящий из сеток 3, 4 и 5. На все эти сетки подается отрицательное ускоряющее напряжение U,