Iónová pohyblivostná spektrometria

Petra Husaníková

Analýza chemického zloženia plynov:-pri vyšetrovaní vlastností látok-pri detekcii hľadaných zložiek plynov, a to: -bojových a toxických látok -výbušnín -drog -únik nebezpečných látok na pracoviskách -v priemysle na kontrolu kvality výrobkov

Rôzne metódy analýzy plynov sa líšia:

Cenou Citlivosťou Rozmermi Rozlišovacou schopnosťou Pracovnými podmienkami Špecializáciou na druhy látok

Optická spektrometria:

Výhoda: Vysoká citlivosťNevýhody: Pomerne veľké rozmery použitých

zariadení Výsledné spektrá vyžadujú

odbornú analýzu Vysoká cena

Hmotnostná spektroskopia:

Výhody: Vysoká citlivosť na široké spektrum látok Analýza spektier počítačomNevýhody: Veľké rozmery Potreba vákua Vysoká cena-obidve metódy náročné na prevádzku

• Schematický náčrt aparatúry skrížených zväzkov na FMFI UK v Bratislave• Generátor napätia 1,3 MHz : hmotnostný rozsah 2048 amu

Vzniká potreba vývoja jednoduchšej, lacnejšej metódy s dostatočnou citlivosťou, v podmienkach atmosferického tlaku

70.roky: metóda založená na separácii iónov v elektrickom poli, v plyne, na základe ich rôznych pohyblivostí =IMS

Vtedy nazvaná plazmová chromatografia, ešte so slabou rozlišovacou schopnosťou

IMS

• Obr. vľavo: IMS vo farmaceutickom priemysle• Obr. V strede: IMS zameraný na pesticídy• Obr. vpravo: využitie na letiskách

Použitie IMS spektrometra:

Komerčné jednoúčelové: Ako zabudovaný- letiská V prenosovej forme: - colníci - vojaciNa výskum ión-molekulových reakcií Potrebné navrhnúť a zostrojiť

vlastný IMS

Základné pojmy HEP: F = q.E spôsobí RZP zrážky zase spomalenie Makroskopicky sa pohyb javí ako s konšt.

rýchlosťou vd (driftová rýchlosť) vd ~ E Vd = K.E (1), kde K je pohyblivosť L = td.vd (2), kde td je čas driftu, L

vzdialenosť, ktorú ión počas driftu prejde (1)+(2):

• Kde V = E.L je potenciálový rozdiel medzi začiatkom a koncom driftu pre HEP

• vd a teda aj K závisia od počtu zrážok a vlastností iónu (teda typu) !

• Pohyblivosť K je špecifická pre jednotlivé ióny, ale pohyblivosti viacerých iónov môžu byť blízke a v IMS nerozlíšiteľné !!!

• Preto je dôležitá rozlišovacia schopnosť spektrometra

• S využitím ťažiskového systému, ZZE, ZZH:

(3)

• kde μ je redukovaná hmotnosť iónu a molekuly

• Porovnaním (1) a (3) dostávame:

• Aplikovaním Maxwellovho rozdelenia rýchlosti:

tEq

vd .

-kde n je koncentrácia neutrálneho plynu, Ω je zrážkový prierez pre zrážku daného iónu s molekulou driftového plynu, kB je Boltzmanova konštanta, T teplota

-presnejší vzťah: 1/4 –> 3/16

-zmena tlaku a teploty ovplyvňujú pohyblivosť!

-zavádza sa redukovaná pohyblivosť:

Schéma zariadenia

Ióny vznikajúce v iónovom zdroji sú elektrickým poľom priťahované do reakčnej časti: reakcia medzi iónmi a vzorkou

Za komorou- ovládacia mriežka (SG) = súbor paralelných vodičov v rovine kolmej na os IMS

zadržiava ióny pred kontinuálnym vniknutím do driftovej časti

Otváranie a zatváranie mriežky Zatvorenie = je na ňu privedený potenciál,

dochádza k rekombinácii prichádzajúcich iónov na vodičoch

Princíp činnosti IMS

Ovládacia mriežka

• Otvorenie (na 50μs až 500μs) – pomocou VN spínača a vpustí balík iónov (vo forme pulzov) do driftovej časti

• Výsledné pole v blízkosti SG je dané superpozíciou tohto „kolmého“ a „driftového“ el. poľa

• Preto konštrukcia SG ovplyvňuje rozlíšenie a citlivosť zariadenia

• Príliš silné „kolmé“ pole – úplné pohltenie iónov mriežkou

• Príliš slabé „kolmé“ pole – predriftovanie rýchlych iónov, vo výslednom spektre konšt. pozadie

• Potenciál medzi susednými drôtmi mriežky je vhodný, ak dosah poľa mriežky je približne rovný ich vzdialenosti

• Výhodné zvoliť dostatočne hustú mriežku

Driftová trubica

• reakčná časť + driftová časť(DČ)• Ióny vo forme pulzov vstupujú do driftovej časti• Separácia iónov podľa ich individuálnych pohyblivostí

• Dôležitá homogenita poľa (na začiatku a konci DČ býva narušená)

• Driftová trubica sa skladá zo sústavy vodivých od seba izolovaných krúžkov

• Na každý z nich je privedený potenciál• Klesá rovnomerne od krúžku ku krúžku

• Ióny sa pohybujú svojimi vd a dochádza k ich separácii

• Privádzaný driftový plyn – vyplavuje nečistoty

• N2, vzduch, Ar, He

• Dôležitá jeho inertnosť a zbavenia sa vodných pár

• Pri pA už stopové množstvá H2O spôsobujú vytváranie klastrov (H2O)n . M+/-

• H2O sa odstraňuje vo vysušovacích nádobách naplnených molekulovými sitami

• Trubica vyhrievaná (>100°C)• Pri vyšších teplotách sa potláča tvorba klastrov• Nevýhoda: zníženie rozlišovacej schopnosti IMS• Dá sa však zlepšiť zvýšením „driftovej“ intenzity

• Nie neobmedzene!• Dané matematické vzťahy platia pre slabé el.

polia• Pri bežných laboratórnych podmienkach by

nemalo byť výrazne vyššie ako 350 V/cm• Ióny po prechode driftovou trubicou pokračujú

na kolektor• Pred kolektorom – cloniaca mriežka• Bráni vzniku indukovaného náboja

Riadiaca elektronika

Ďalšou súčasťou celkového zapojenia IMS

Zdroj VN pripojený na odporový delič VN spínač ovládacej mriežky Zosilňovač signálu A-D prevodník Počítač Osciloskop

• Zaznamenáva sa závislosť nameraného prúdu v závislosti od driftového času

Iónový zdroj

Mal by spĺňať nasledovné kritériá: Stabilita Dostatočná produkcia iónov Nerušivosť na samotné meranie Bezpečnosť

Rádioaktívny zdroj β- žiarič Emituje β-častice, ktoré ionizujú plyn Vznikajú nestabilné primárne ióny Tieto následne reagujú s molekulami

skúmaného plynu Takto vznikajú stabilné ióny Ďalej sa skúma ich spektrum 63Ni, 241Am, 3H,...

Vysoká stabilita Nízka hmotnosť Nízka cena Bez prídavných napäťových zdrojov Nerušivý na meranie

Výhody:

Ďalšie používané zdoje iónov

Korónový: produkcia +/- iónov, e-

UV fotoionizačná metóda: možnosť zmeny spektra výmenou lampy (λ)

Záblesková lampa: vysoká citlivosť Mikroskopický tlecí výboj: rýchle

opotrebovanie materiálu elektród