范文一:辉光发电质谱仪工作原理
辉光放电质谱法(GDMS)
辉光放电质谱仪是直接分析导电材料中的固态痕量元素的最佳工具,能在一次分析过程中测定基体元素(~100 %)、主体元素(%)、微量元素(ppm)、痕量元素(ppb)和超痕量元素(ppt)。
一、仪器结构及基本原理:
辉光放电(GD)属于低压下气体放电现象,放电产生的大量电子和亚稳态惰性气体原子与样品原子频繁碰撞,使样品得到极大的溅射和电离,是一种有效的原子化和离子化源用于分析。
在辉光放电质谱的离子源中被测样品作为辉光等离子体光源的阴极,在阴极与阳极之间充入惰性气体(一般为氩气),并维持压力为10—1000Pa。在电极两
++端加500—1500V的高电压时,Ar电离成电子和Ar,Ar在电场的作用下加速
+移向阴极。阴极样品的原子在Ar的撞击下,以5—15eV的能量从阴极样品上被剥离下来(阴极溅射),进入等离子体,在等离子体中与等离子体中的电子或亚
-+-* +-稳态的氩原子碰撞电离,变成正离子:M +e —M+2e, M+ Ar—M+ Ar +e。已经证实在GD源中碰撞离子化是居于主导地位的电离过程。正离子通过离子源上的小出口进入离子光学系统中进行聚焦,然后进入质量分析器按离子具有不同的质荷比进行分离,最后由离子检测器进行检测。
二、制样方法:
辉光放电质谱仪采用直接取样技术,需测试的导电样品经过简单的机械处理和表面清洁,无需要样品转化为溶液,即可进行元素定量分析,分析样品为平面或针状固体。平面块状固体直径:15,70mm,厚度10um,50mm,针状固体
样品长度:20mm,直径:0.5,7mm
1. 块砖金属:分析时,块状金属几乎不需要样品制备,仅简单的切割或加
工成适合的形状(如针状或圆盘状),固定于离子源中即可。
2. 粉末样品:把待测样品与导体材料混合后,采用特制的压模制成针状或
片状进行分析。
三、用辉光放电质谱仪进行高纯材料分析有以下优点:
1. 直接分析固体样品,样品的制备和处理非常简单;而不需要将样品处理成水
溶液进行分析。
2. 可进行全元素分析,可分析元素周期表上的70多种元素,从轻元素到重元素
都有极高的灵敏度。
3. 元素检出限非常低,对于大多少元素的实际分析能力为10ppt级,完全可以
满足6N或7N以上超纯半导体材料的分析要求。
4. 采用很方便的进样杆推进式进样方式,更换样品时不必破坏离子源的真空。 5. 可满足多种尺寸的棒状或块状固体样品分析的需要
6. 无需建立万级高纯实验室,辉光放电是在固体材料表面进行溅射,样品的表
面污染可通过一定时间的预溅射过程得以清除(一般预溅射10,20min可清
除样品处理和干燥过程中再次引入的污染)。
7. 基体效应非常低,由于辉光放电质谱仪GD源中样品的原子化和离子化分别
在靠近样品表面的阴极暗区和靠近阳极的负辉区两个不同的区域内进行,使
基体效应大为降低。因此,即使在没有标样的情况下,也能给出较准确的多
元素半定量分析结果,十分有利于超纯样品的半定量分析。这是等离子体发
射光谱仪所不能比拟的优势。
GDMS分析具有超高的分辨率,检测速度快、检测元素多、检出限低、
样品处理简单、无需溶样。
四、缺点:
1. 对样品的尺寸形状要求较高,制样时要求样品必须有一个直径15mm或以上
的平面区域,且样品表面平整,粗糙度较小。
2. 要求样品表面光滑平整,否则样品与密封圈接触不良,造成密封不好,外界
空气可能会渗漏进去,不能维持内部真空系统所需的压力,等离子体不稳定,
样品就不能被可靠检测。
3. 样品表面平整度要好,阴阳极间距离是等离子体的重要参数,如果样品表面
是一曲面或弧度较大,就不能保证阴阳极间距离在合适的范围内,同样会影
响等离子体的稳定性。
五、 举例(ELEMENT GD型双聚焦辉光放电质谱仪的各项性能参数)
1. 仪器概况
辉光放电质谱仪是直接分析导电材料中的固态痕量元素的最佳工具,能在一次分析过程中测定基体元素(~100 %)、主体元素(%)、微量元素(ppm)、痕量元素(ppb)和超痕量元素(ppt)。在元素定量分析上,具有以下几个优点:
(1)辉光放电质谱仪采用直接取样技术,需测试的导电样品经过简单的机械处理和表面清洁,无需要样品转化为溶液,即可进行元素定量分析,同传统的酸溶解测试方法相比较,二次污染小。因此,在测试分析定量上准确性更高。
(2)辉光放电质谱仪将高效率辉光放电离子源与高分辨率质谱结合,具备
分辨率和灵敏度、极低的检测限、良好的数据重现性和一次74种元素高的
分析足以满足太阳能级硅材料分析的要求。该仪器同上海硅酸盐研究所及目前全球规模最大的埃文思分析集团(测试仪器型号均为VG9000)采用相同的测试标准和测试方法,并且Element GD型辉光放电质谱仪较VG9000具有更低的检测限,因此测试结果的精确度上具有一定的优势。
(3)辉光放电质谱仪是硅行业乃至半导体行业分析材料纯度通用手段,辉光放电质谱仪能精确定量分析太阳能级硅材料中影响其性能的关键杂质,是分析太阳能级硅材料(杂质含量在ppm以下)的重要和可靠的手段,比如B、P、Fe(检测限分别为6.7ppb、6.5ppb、0.3ppb)。能测试的元素大部分在亚ppb级。
目前,辉光放电质谱仪是太阳能级硅材料分析测试平台的重要仪器之一。
2. 仪器主要技术指标
10-91) 灵敏度(峰高,总离子流):>1 x 10 cps,1.6 x 10 A,分辨(R?4000) 2) 暗流:< 0.2="" cps="">
123) 动态范围:>10 线性,自动交叉校准
4) 最小积分时间:计数模式:0.1 ms,模拟模式:1 ms,法拉第杯模式:
1 ms
5) 质量分辨:3个固定分辨 ?300, ?4000, ?10,000 (10%峰谷定义) 6) 分辨切换时间:?1s
7) 质量稳定性:25 ppm/8小时
8) 扫描速度(磁场):< 150="" ms从m/z="" 7到238到7="">
9) 扫描速度(电场):1 ms/跳峰,与质量范围无关
10) 7分钟内分析74个元素,部分低至ppb量级
3. 对样品尺寸要求:
可分析块状或针状的导电材料尺寸要求如下:
块状导电材料 直径 厚度
最大 - -
最小 22 mm 5mm
针状导电材料 直径 长度
最大 3mm -
最小 0.9mm -
4. 硅基体中典型元素分析检测限:
检测限 检测限 检测限 检测限 元素 元素 元素 元素
(ppb) (ppb) (ppb) (ppb)
Li 0.10 Rb 0.5 Gd 0.14 Co 0.08 Be 2.5 Sr 0.13 Tb 0.04 Cu 1.1
B 6.7 Y 0.12 Dy 0.25 Zn 3.2 Na 0.4 Zr 0.17 Ho 0.03 Ga 2.2 Mg 0.14 Nb 0.10 Er 0.03 Ge 0.4
Al 0.6 Mo 1.2 Tm 0.15 As 0.5
P 6.5 Ru 0.24 Yb 0.19 Se 4.6
K 1.0 Rh 0.21 Lu 0.02 Ba 0.03 Ca 3.6 Pd 1.4 Hf 0.03 La 0.03
Sc 0.06 Ag 0.3 Ta 2.5 Ce 0.09
Ti 0.07 Cd 2.4 W 0.12 Pr 0.04
V 0.02 In 0.3 Re 0.19 Nd 0.3
Cr 0.10 Sn 1.1 Os 0.27 Sm 0.3 Mn 0.08 Sb 0.7 Ir 0.10 Eu 0.02
Fe 0.3 Te 1.8 Pt 0.18 Hg 0.9
Ni 0.5 Cs 0.07 Au 0.8 Tl 0.14
Bi 0.14 Th 0.048 U 0.023 Pb 0.08 5. 清洁硅样品及分析时间:
样品处理详细过程:切割样品到适当形状,具有平整表面,测试的样品为具有两个平面(平面直径最小为2cm)的样品。使用化学试剂为分析纯以上,优级纯更好。样品处理过程如下:
1. 丙酮超声清洗。除去样品切割过程中使用的有机物质。
2. 去离子水冲洗。
3. 使用20%HF超声清洗样品5min,除去表面氧化层。
4. 去离子水冲洗干净。
5. 使用10%超纯HNO超声清洗5min,除去切割表面留下的金属等杂质。 3
6. 去离子水冲洗干净。异丙醇超声波浸泡5min。
7. 去除水分及有机物,并有利于干燥。
8. 氩气流中烘干。
范文二:质谱仪原理
王俊朋6 我的主页帐号设置退出儒生 一级|消息 私信通知|我的百科我的贡献草稿箱我的任务为我推荐|百度首页 新闻网页贴吧知道音乐图片视频地图百科文库
帮助 首页 自然 文化 地理 历史 生活 社会 艺术 人物 经济 科技 体育 图片 数字博物馆 核心用户 百科商城 秦始皇兵马俑博物馆
质谱仪
求助编辑百科名片
CHY-2质谱仪质谱仪又称质谱计。分离和检测不同同位素的仪器。即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理,按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。
目录
质谱仪原理
质谱仪简介
用法
有机质谱仪
无机质谱仪
同位素质谱仪
离子探针
编辑本段质谱仪原理质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子,使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量,质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同,其结果为质谱图。
原理公式:q/m=2v/B2r2
编辑本段质谱仪简介
质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子,按质荷比m/e大小分离的装置。分离后的离子依次进入离子检测器,采集放大离子信号,经计算机处理,绘制成质谱图。离子源、质量分析器和离子检测器都各有多种类型。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态仪器和动态仪器。
编辑本段用法分离和检测不同同位素的仪器。仪器的主要装置放在真空中。将物质气化、电离成离子束,经电压加速和聚焦,然后通过磁场电场区,不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同,聚焦在不同的位置,从而获得不同同位素的质量谱。质谱方法最早于1913年由J.J.汤姆孙确定,以后经 F.W.阿斯顿等人改进完善。现代质谱仪经过不断改进,仍然利用电磁学原理,使离子束按荷质比分离。质谱仪的性能指标是它的分辨率,如果质谱仪恰能分辨质量m和m+Δm,分辨率定义为m/Δm。现代质谱仪的分辨率达 105 ~106 量级,可测量原子质量精确到小数点后7位数字。
质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。测定原子质量的精度超过化学测量方法,大约2/3以上的原子的精确质量是用质谱方法测定的。由于质量和能量的当量关系,由此可得到有关核结构与核结合能的知识。对于可通过矿石中提取的放射性衰变产物元素的分析测量,可确定矿石的地质年代。质谱方法还可用于有机化学分析,特别是微量杂质分析,测量分子的分子量,为确定化合物的分子式和分子结构提供可靠的依据。由
于化合物有着像指纹一样的独特质谱,质谱仪在工业生产中也得到广泛应用。
固体火花源质谱:对高纯材料进行杂质分析。可应用于半导体材料有色金属、建材部门;气体同位素质谱:对稳定同位素C、H、N、O、S及放射性同位素Rb、Sr、U、Pb、K、Ar测定,可应用于地质石油、医学、环保、农业等部门
编辑本段有机质谱仪有机质谱仪基本工作原理:以电子轰击或其他的方式使被测物质离子化,形成各种质荷比(m/e)的离子,然后利用电磁学原理使离子按不同的质荷比分离并测量各种离子的强度,从而确定被测物质的分子量和结构。
离子阱质谱 生物质谱 有机质谱
有机质谱仪主要用于有机化合物的结构鉴定,它能提供化合物的分子量、元素组成以及官能团等结构信息。分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪和磁质谱仪等。
有机质谱仪的发展很重要的方面是与各种联用仪(气相色谱、液相色谱、热分析等)的使用。它的基本工作原理是:利用一种具有分离技术的仪器,作为质谱仪的"进样器",将有机混合物分离成纯组分进入质谱仪,充分发挥质谱仪的分析特长,为每个组分提供分子量和分子结构信息。
可广泛用于有机化学、生物学、地球化学、核工业、材料科学、环境科学、医学卫生、食品化学、石油化工等领域以及空间技术和公安工作等特种分析方面。
编辑本段无机质谱仪无机质谱仪与有机质谱仪工作原理不同的是物质离子化的方式不一样,无机质谱仪是以电感耦合高频放电 (ICP)或其他的方式使被测物质离子化。
无机质谱仪主要用于无机元素微量分析和同位素分析等方面。分为火花源质谱仪、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪、辉光放电质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪。火花源质谱仪不仅可以进行固体样品的整体分析,而且可以进行表面和逐层分析甚至液体分析;激光探针质谱仪可进行表面和纵深分析;辉光放电质谱仪分辨率高,可进行高灵敏度,高精度分析,适用范围包括元素周期表中绝大多数元素,分析速度快,便于进行固体分析;电感耦合等离子体质谱,谱线简单易认,灵敏度与测量精度很高。
质谱分析法的特点是测试速度快,结果精确。广泛用于地质学、矿物学、地球化学、核工业、材料科学、环境科学、医学卫生、食品化学、石油化工等领域以及空间技术和公安工作等特种分析方面。
编辑本段同位素质谱仪同位素质谱分析法的特点是测试速度快,结果精确,样品用量少(微克量级)。能精确测定元素的同位素比值。广泛用于核科学,地质年代测定,同位素稀释质谱分析,同位素示踪分析。
编辑本段离子探针离子探针是用聚焦的一次离子束作为微探针轰击样品表面,测射出原子及分子的二次离子,在磁场中按质荷比(m/e)分开,可获得材料微区质谱图谱及离子图像,再通过分析计算求得元素的定性和定量信息。测试前对不同种类的样品须作不同制备,离子探针兼有电子探针、火花型质谱仪的特点。可以探测电子探针显微分析方法检测极限以下的微量元素,研究其局部分布和偏析。可以作为同位素分析。可以分析极薄表面层和表面吸附物,表面分析时可以进行纵向的浓度分析。成像离子探针适用于许多不同类型的样品分析,包括金属样品、半导体器件、非导体样品,如高聚物和玻璃产品等。广泛应用于金属、半导体、催化剂、表面、薄膜等领域中以及环保科学、空间科学和生物化学等研究部门。
分析化学
扩展阅读:
1
化工词典
2
http://www.ms17.cn/2008/jszx/2008/0412/article_1178.html
3
质谱仪使用过程中的质量数校正 http://www.ivdchina.org/news/articleinfo5?id=29765 开放分类:
仪器仪表 机械 物理化学 分析化学 定义 化学理论 地震学术语 基本物理概念 应用物理 物理理论 理论物理 生物化学品 科学 自然科学
我来完善 “质谱仪”相关词条:
扫描探针显微镜 核磁共振仪 流变仪 原子吸收光谱 红外光谱仪 原子吸收分光光度计 元素分析仪 能谱仪 气相色谱仪 气相色谱 加速器 色谱仪 旋光仪 原子荧光光谱仪 原子吸收光谱仪 离子色谱仪 透射电子显微镜 液相色谱 色谱柱 扫描电镜 透射电镜 光谱仪 液相色谱仪 电子探针 核磁共振波谱仪 荧光分光光度计 高效液相色谱仪
百度百科中的词条正文与判断内容均由用户提供,不代表百度百科立场。如果您需要解决具体问题(如法律、医学等领域),建议您咨询相关领域专业人士。
本词条对我有帮助添加到搜藏 分享到:更多
合作编辑者
悠云箫 , 莔rz商rz冏rz , Bendith_WD , monodchen , 百科ROBOT , jok011 , xipan1991 , 北京汇海科仪 , 我就是蕊蕊 , zhuokefeng0578 更多
如果您认为本词条还需进一步完善,百科欢迎您也来参与 编辑词条 在开始编辑前,您还可以先学习如何编辑词条
如想投诉,请到百度百科投诉中心;如想提出意见、建议,请到百度百科吧。
百度百科内容方针
提倡有可靠依据、权威可信的内容鼓励客观、中立、严谨的表达观点不欢迎恶意破坏、自我或商业宣传在这里你可以
编辑
质疑
投诉
全方位的质量监督
学术委员会:为亿万网友提供权威意见质量委员会:把控质量,做更好的知识王俊朋6 00
去兑换>>您尚无道具可使用
成长任务日常任务本月累计点亮0天。今日笑脸还没点亮哦。
名符图实:参加任务,拿点亮任务日历获得财富值热词推送编辑热词可获得额外经验值 词条动态进入我的百科您目前的等级是1级
您目前的经验值是22点
您还需78点经验值即可升为2级
词条统计
浏览次数:约 130057次
编辑次数:17次 历史版本
最近更新:2012-12-05
创建者:小松博客
最新动态
图解H7N9,让知识消除恐慌:
百科消息:
专题:没有退路的灵魂才会呐喊
百科校园热力招募 这里你是主角
玩拼图游戏,赢iPad mini啦!
app女神评选,赢千元大奖
网易云阅读APP 百万好书随心阅
推广链接
质谱仪--天瑞仪器--质谱仪..
质谱仪天瑞(中国)仪器为世界各行业客户提供质谱仪,质量保证!提..
www.skyray-instrument.com
质谱仪
高效宽范围质谱分析仪.压力范围10mPa到1Pa,高分辨率超过1amu,响.. www.teo.com.cn
你知道质谱仪多少钱?
答:上海齐羿提供的质谱仪极具竞争力,且保证完善的售后技术支持...
www.qytechnology.com
? 2013 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 百度百科合作平台
质谱仪质谱仪原理质谱仪简介用法有机质谱仪无机质谱仪同位素质谱仪离子探针 参考资料
×
范文三:一台质谱仪的工作原理如图所示
物理改错
吴瀚垚
1.一台质谱仪的工作原理如图所示,电荷量均为+q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速
电场,其初速度几乎为零.这些离子经加速后通过狭缝O沿与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B匀强磁场最后打在底片上.已知放置底片的区域MN = L,且OM = L.某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏,检测不到离子,但右侧区域QN仍能正常检测到离子.在适当调节加速电压后,原本打在MQ的离子即可打在QN检测到.
(1)求原本打在MN中点P的离子质量m;
(2)为使原本打在P的离子能打在QN区域,求加速电压U的调节范围;
(3)为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整,求需要调节U的最少
次数(取lg2 = 0.301,lg3 = 0.477,lg5 = 0.699)
2.某种加速器的理想模型如题15-1图所示:两块相距很近的平行小极板中间各开有一小孔a、b,两极板间电压uab的变化图象如图15-2图所示,电压的最大值为U0、周期为T0,在两极板外有垂直纸面向里的匀强磁场。若将一质量为m0、电荷量为q的带正电的粒子从板内a孔处静止释放,经电场加速后进入磁场,在磁场中运动时间T0后恰能再次从a 孔进入电场加速。现该粒子的质量增加了1m0。(粒子在两极板间的运动时间不计,两极板外无电场,100
不考虑粒子所受的重力)
(1)若在t=0时刻将该粒子从板内a孔处静止释放,求其第二次加速后从b孔射出时的动能;
(2)现在利用一根长为L的磁屏蔽管(磁屏蔽管置于磁场中时管内无磁场,忽略其对管外磁场的影响),使题15-1图中实线轨迹(圆心为O)上运动的粒子从a孔正下方相距L处的c孔水平射出,请在答题卡图上的相应位置处画出磁屏蔽管;
(3)若将电压uab的频率提高为原来的2倍,该粒子应何时由板内a孔处静止开始加速,才能经多次加速后获得最大
动能?最大动能
是多少?
3.如图所示,水平面内有一平行金属导轨,导轨光滑且电阻不计。匀强磁场与导轨一闪身垂直。阻值为R的导体棒垂直于导轨静止放置,且与导轨接触。T=0时,将形状S由1掷到2。Q、i、v和a分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。下列图象正确的是
4.如图,磁场垂直于纸面,磁感应强度在竖直方向均匀分布,水平方向非均匀分布。一铜制圆环用丝线悬挂于O点,将圆环拉至位置a后无初速释放,在圆环从a摆向b的过程中
(A)感应电流方向先逆时针后顺时针再逆时针
(B)感应电流方向一直是逆时针
(C)安培力方向始终与速度方向相反
(D)安培力方向始终沿水平方向
5.如图,质量为M的足够长金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。一电阻不计,质量为m的导体棒PQ放置在导轨上,始终与导轨接触良好,PQbc构成矩形。棒与导轨间动摩擦因数为μ,棒左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨bc段长为L,开始时PQ左侧导轨的总电阻为R,右侧导轨单位长度的电阻为R0。以ef为界,其左侧匀强磁场方向竖直向上,右侧匀强磁场水平向左,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨的bc边上,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度为a。
(1)求回路中感应电动势及感应电流随时间变化的表达式;
(2)经过多长时间拉力F达到最大值,拉力F的最大值为多少?
(3)某过程中回路产生的焦耳热为Q,导轨克服摩擦力做功为W,求导轨动能的增加量。
6.在科学研究中,可以通过施加适当的电场和磁场来实现对带电粒子运动的控制. 如题15-1 图所示的xOy 平面处于匀强电场和匀强磁场中,电场强度E 和磁感应强度B 随时间t 作周期性变化的图象如题15-2 图所示. x 轴正方向为E 的正方向,垂直纸面向里为B的正方向. 在坐标原点O 有一粒子P,其质量和电荷量分别为m 和+q. 不计重力. 在
t??
2时刻释放P,它恰能沿一定轨道做往复运动.
(1)求P在磁场中运动时速度的大小v0;
(2)求B0应满足的关系;
(3)在t0(0?t0?
?2)时刻释放P,求P速度为零时的坐标.
7. 如图,水平面内有一光滑金属导轨,其MN、PQ边的电阻不计,MP边的电阻阻值R=1.5Ω,MN与MP的夹角为135°,PQ与MP垂直,MP边长度小于1m。将质量m=2kg,电阻不计的足够长直导体棒搁在导轨上,并与MP平行。棒与MN、PQ交点G、H间的距离L=4m。空间存在垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度B=0.5T。在外力作用下,棒由GH处以一定的初速度向左做直线运动,运动时回路中的电流强度始终与初始时的电流强度相等。
(1)若初速度v1=3m/s,求棒在GH处所受的安培力大小FA。
(2)若初速度v2=1.5m/s,求棒向左移动距离2m到达EF所需要的时间Δt。
(3)在棒由GH处向左移动2m到达EF处的过程中,外力做功W=7J,求初速度v3。
8.
远距离输电的原理图如图所示, 升压变压器原、 副线圈的匝数分别为 n1、 n2, 电压分别为U1、U2,电流分别为 I1、I2,输电线上的电阻为 R. 变压器为理想变压器,则下列关系式中正确的是
( A)I1n1? I2n2
U2 R ( B)I2?
2( C) I1U1?I2R
( D) I1U1?I2U2
9.如图,质量均为m的两个小球A、B固定在弯成120°角的绝缘轻杆两端,OA和OB的长度均为l,可绕过O点且与纸面垂直的水平轴无摩擦转动,空气阻力不计.设A球带正电,B球带负电,电量均为q,处在竖直向下的匀强电场中.开始时,杆OB与竖直方向的夹角
?0=60°,由静止释放,摆动到θ=90°的位置时,系统处于平衡状态,求:
(1)匀强电场的场强大小E;
(2)系统由初位置运动到平衡位置,重力做的功Wg和静电力做的功We;
(3)B球在摆动到平衡位置时速度的大小v.
10.如图,光滑的平行金属导轨水平放置,电阻不计,导轨间距为l,左侧接一阻值为R的电阻.区域cdef内存在垂直轨道平面向下的有界匀强磁场,磁场宽度为s.一质量为m,电阻为r的金属棒MN置于导轨上,与导轨垂直且接触良好,受到F=0.5v+0.4(N)(v为金属棒速度)的水平外力作用,从磁场的左边界由静止开始运动,测得电阻两端电压随时间均匀增大.(已知:l=lm,m=lkg,R=0.3Ω,r=0.2Ω,s=lm)
(1)分析并说明该金属棒在磁场中做何种运动;
(2)求磁感应强度B的大小;
(3)若撤去外力后棒的速度v随位移x的变化规律满足
B2l2
v?v0?x,且棒在运动到ef处时恰好静止,则m(R?r)
外力F作用的时间为多少?
(4)若在棒未出磁场区域时撤去外力,画出棒在整个运动过
程中速度随位移变化所对应的各种可能的图线.
11.图示电路中R1=12Ω,R2=6Ω,滑动变阻器R3上标有“20Ω 2A”字样,理想电压表的量程有0—3V和0—15V两档,理想电流表的量程有0—0.6A和0—3A两档.闭合电键S,将滑片P从最左端向右移动到某位置时,电压表、电流表示数分别为2.5V和0.3A;继续向右移动滑片P至另一位置,电压表指针指在满偏的1/3,
电流表指针指在满偏的l/4,则此时电流表示数为
________A,该电源的电动势为________V.
12..如图,金属棒ab置于水平放置的U形光滑导轨上,在ef右侧存在有界匀强磁场曰,磁场方向垂直导轨平面向下.在ef左侧的无磁场区域cdef
内有一半径很小的金属圆环L,圆环与导轨在同一平面
内.当金属棒ab在水平恒力,作用下从磁场左边界ef处由
静止开始向右运动后,圆环L有________(填:收缩,扩张)
趋势,圆环内产生的感应电流________(填:变大,变小,
不变).
13.如图所示,平行于y轴的导体棒以速度v向右匀速直线运动,经过半径为R、磁感应强度
为B的圆形匀强磁场区域,导体棒中的感应电动势ε与导体棒位置x关系的图像是
14.如图所示,竖直平面内有一半径为r、内阻为R1、粗细均匀的光滑半圆形
金属球,在M、N处与相距为2r、电阻不计的平行光滑金属轨道ME、NF
相接,EF之间接有电阻R2,已知R1=12R,R2=4R。在MN上方及CD
下方有水平方向的匀强磁场I和II,磁感应强度大小均为B。现有质量为
m、电阻不计的导体棒ab,从半圆环的最高点A处由静止下落,在下落过
程中导体棒始终保持水平,与半圆形金属环及轨道接触良好,高平行轨道
中够长。已知导体棒ab下落r/2时的速度大小为v1,下落到MN处的速度
大小为v2。
(1)求导体棒ab从A下落r/2时的加速度大小。
(2)若导体棒ab进入磁场II后棒中电流大小始终不变,求磁场I和II
之间的距离h和R2上的电功率P2。
(3)若将磁场II的CD边界略微下移,导体棒ab刚进入磁场II时速度大小为v3,要使其在外力F作用下做匀加速直线运动,加速度大小为a,求所加外力F随时间变化的关系式。
15.分)如图所示为研究电子枪中电子在电场中运动的简化模型示意图。在Oxy平面的ABCD
区域内,存在两个场强大小均为E的匀强电场I和II,两电场的边界均是边长为L的正方形(不计电子所受重力)。
(1)在该区域AB边的中点处由静止释放电子,求电子离开ABCD区域的位置。
(2)在电场I区域内适当位置由静止释放电子,电子恰能从ABCD区域左下角D处离
开,求所有释放点的位置。
(3)若将左侧电场II整体水平向右移动L/n(n≥1),仍使电子从ABCD区域左下角D
处离开(D不随电场移动),求在电场I区域内由静止释放电子的所有位置。
16.在场强为B的水平匀强磁场中,一质量为m、带正电q的小球在O静止释放,小球的运动曲线如图所示.已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到z轴距离的2倍,重力加速度为g.求:
(1) 小球运动到任意位置P(x,y)的速率v.
(2) 小球在运动过程中第一次下降的最大距离ym.
(3) 当在上述磁场中加一竖直向上场强为E(E?mg)的匀强电场时,q
小球从O静止释放后获得的最大速率vm.
17.如图所示,水平虚线X下方区域分布着方向水平、垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,整个空间存在匀强电场(图中未画出)。质量为m,电荷量为+q的小球P静止于虚线X上方A点,在某一瞬间受到方向竖直向下、大小为I的冲量作用而做匀速直线运动。在A点右下方的磁场中有定点O,长为l的绝缘轻绳一端固定于O点,另一端连接不带点的质量同为m的小球Q,自然下垂。保持轻绳伸直,向右拉起Q,直到绳
。与竖直方向有一小于5的夹角,在P开始运动的同时自由释放Q,Q到达O
点正下方
W点是速率为v0。P、Q两小球在W点发生正碰,碰到电
场,磁场消失,两小球黏在一起运动。P、Q两小球均视为
质点,P小球的电荷量保持不变,绳不可伸长不计空气阻力,
重力加速度为g。
(1)求匀强电场场强E的大小和P进入磁场时的速率v;
(2)若绳能承受的最大拉力为F,要使绳不断,F至少为多大?
(3)求A点距虚线X的距离s
18.如图所示:正方形绝缘光滑水平台面WXYZ边长l=1.8m,距地面h=0.8m。平行板电容器的极板CD间距d=0.1m且垂直放置于台面,C板位于边界WX上,D板与边界WZ相交处有一小孔。电容器外的台面区域内有磁感应强度B=1T、方向竖直向上的匀强磁场。电荷量q=5×10-13C的微粒静止于W处,在CD间加上恒定电压U=2.5V,板间微粒经电场加速后由D板所开小孔进入磁场(微粒始终不与极板接触),然后由XY边界离开台面。在微粒离开台面瞬时,静止于X正下方水平地面上A点的滑块获得一水平速度,在微粒落地时恰好与之相遇。假定微粒在真空中运动、极板间电场视为匀强电场,滑块视为质点,滑块与地面间的动摩擦因数?=0.2,取g=10m/s2
(1)求微粒在极板间所受电场力的大小并说明两板的极性;
(2)求由XY边界离开台面的微粒的质量范围;
(3)若微粒质量mo=1×10-13kg,求滑块开始运动时所获得的速度。
19.如图所示,直线形挡板p1p2p3与半径为r的圆弧形挡板p3p4p5平滑连接并安装在水平台面b1b2b3b4上,挡板与台面均固定不动。线圈c1c2c3的匝数为n,其端点c1、c3通过导线分别与电阻R1和平行板电容器相连,电容器两极板间的距离为d,电阻R1的阻值是线圈c1c2c3阻值的2倍,其余电阻不计,
线圈c1c2c3内有一面积为S、方向垂
直于线圈平面向上的匀强磁场,磁场
的磁感应强度B随时间均匀增大。质
量为m的小滑块带正电,电荷量始终
保持为q,在水平台面上以初速度v0
从p1位置出发,沿挡板运动并通过p5
位置。若电容器两板间的电场为匀强电场,p1、p2在电场外,间距为l,其间小滑块与台面的动摩擦因数为μ,其余部分的摩擦不计,重力加速度为g.求:
(1) 小滑块通过p2位置时的速度大小。
(2) 电容器两极板间电场强度的取值范围。
(3) 经过时间t,磁感应强度变化量的取值范围。
20.如图所示,轻弹簧一端连于固定点O,可在竖直平面内自由转动,另一端连
接一带电小球P,其质量m=2×10-2kg,电荷量q=0.2C.将弹簧拉至水平后,以初
速度v0=20m/s竖直向下射出小球P,小球P到达O点的正下方O1点时速度恰好
水平,其大小v=15m/s.若O、O1相距R=1.5m,小球P在O1点与另一由细绳悬挂
的、不带电的、质量M=1.6×10-1kg的静止绝缘小球N相碰。碰后瞬间,小球P
脱离弹簧,小球N脱离细绳,同时在空间加上竖直向上的匀强电场E和垂直于
纸面的磁感应强度B=1T的弱强磁场。此后,小球P在竖直平面内做半径r=0.5m
的圆周运动。小球P、N均可视为质点,小球P的电荷量保持不变,不计空气阻力,取g=10m/s2。那么,
(1)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹力做功为多少?
(2)请通过计算并比较相关物理量,判断小球P、N碰撞后能否在某一时刻具有相同的速度。
(3)若题中各量为变量,在保证小球P、N碰撞后某一时刻具有相同速度的前提下,请推导出r的表达式(要求用B、q、m、θ表示,其中θ为小球N的运动速度与水平方向的夹角)。
范文四:《质谱分析》教学设计--质谱仪及其工作原理
第 5章 质谱分析
5.2 质谱仪及其工作原理
◆ 课程引入
问题:有质谱法的定义“将化合物形成离子和碎片离子, 按其质荷比 m/z的不同进行分离测 定, 来进行成分和结构分析的一种分析方法” 能否想一下, 一台质谱仪应该具有哪些基本功 能?
◆ 学生讨论:
引导学生将问题集中于碎片离子如何形成, 碎片离子如何分离以及如何检测不同的质荷 比的离子。
◆ 最后得出此问题的核心部分——三大基本功能。
要点:分子离子化,根据其质荷比分离,检测器检测。
那么如何来实现这些功能呢?其实这就质谱法的发展史, 质谱法的建立及发展就是建立 在对实现这些功能的探索上来的。
教师开始本节课内容讲解
质谱仪的基本结构及工作流程
质量分析器:m/z = (H02 R2) / 2V
例题
◎总结本节课内容
思考:
◆ 通 过学习本节内容可以得知分子经过离子化, 然后不同质荷比的离子分离, 在进行检测, 最终输出质谱图。 那么这样一张质谱图上的每条线代表的什么意思, 在解谱之前, 我们要来 认识一下。引出下节课内容质谱图主要离子峰的类型。
四、教学方法和策略
讲解、讨论、总结、思考等直观教学法相结合
情境法 ——提出问题,请学生进行联想分析。
图片演示 ——通过多媒体展示图片, 启发学生联系实际生活中的例子, 来理解材料性能 的重要性。
五、教学安排:
围绕上述的教学任务和内容,进行如下教学安排:
(1)能力目标:了解质谱仪的基本结构及工作流程。
(2)教学载体:以多媒体课件为载体完成本单元的知识讲授。
范文五:一般质谱仪结构与工作原理
一般质谱仪结构与工作原理
一般质谱仪结构与工作原理 2011年11月26日
质谱分析法主要是通过对样品的离子的质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法。因此,质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子,有质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图,由于有机样品,无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以,所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。但是,不管是哪种类型的质谱仪,其基本组成是相同的。都包括离子源、质量分析器、检测器和真空系统。本节主要介绍有机质谱仪的基本结构和工作原理。
离子源(Ion source)
离子源的作用是将欲分析样品电离,得到带有样品信息的离子。质谱仪的离子源种类很多,现将主要的离子源介绍如下。
电子电离源(Electron Ionization EI)
电子电离源又称EI源,是应用最为广泛的离子源,它主要用于挥发性样品的电离。图9.1是电子电离源的原理图,由GC或直接进样杆进入的样品,以气体形式进入离子源,由灯丝F发出的电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离。一般情况下,灯丝F与接收极T之间的电压为70伏,所有的标准质谱图都是在70ev下做出的。在70ev电子碰撞作用下,有机物分子可能被打掉一个电子形成分子离子,也可能会发生化学键的断裂形成碎片离子。由分子离子可以确定化合物分子量,由碎片离子可以得到化合物的结构。对于一些不稳定的化合物,在70ev的电子轰击下很难得到分子离子。为了得到分子量,可以采用1020ev的电子能量,不过此时仪器灵敏度将大大降低,需要加大样品的进样量。而且,得到的质谱图不再是标准质谱图。
离子源中进行的电离过程是很复杂的过程,有专门的理论对这些过程进行解释和描述。在电子轰击下,样品分子可能有四种不同途径形成离子:
样品分子被打掉一个电子形成分子离子。
分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。
分子离子发生结构重排形成重排离子。
通过分子离子反应生成加合离子。
此外,还有同位素离子。这样,一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子,对这些离子进行质量分析和检测,可以得到具有样品信息的质谱图。
电子电离源主要适用于易挥发有机样品的电离,GC-MS联用仪中都有这种离子源。其优点是工作稳定可靠,结构信息丰富,有标准质谱图可以检索。缺点是只适用于易汽化的有机物样品分析,并且,对有些化合物得不到分子离子。
化学电离源(Chemical Ionization , EI )。
有些化合物稳定性差,用EI方式不易得到分子离子,因而也就得不到分子量。为了得到分子量可以采用CI电离方式。CI和EI在结构上没有多大差别。或者说主体部件是共用的。其主要差别是CI源工作过程中要引进一种反应气体。反应气体可以是甲烷、异丁烷、氨等。反应气的量比样品气要大得多。
分子灯丝发出的电子首先将反应气电离,然后反应气离子与样品分子进行离子-反应,并使样品气电离。现以甲烷作为反应气,说明化学电离的过程。在电子轰击下,甲烷首先被电离:
甲烷离子与分子进行反应,生成加合离子:
加合离子与样品分子反应:
生成的XH2+ 和 X+ 比样品分子XH多一个H或少一个H,可表示为(M1),称为准分子离子。事实上,以甲烷作为反应气,除(M+1)+之外,还可能出现(M+17)+,(M+29)+ 等离子,同时还出现大量的碎片离子。化学电离源是一种软电离方式,有些用EI方式得不到分子离子的样品,改用CI后可以得到准分子离子,因而可以求得分子量。对于含有很强的吸电子基团的化合物,检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度,因此,CI源一般都有正CI和负CI,可以根据样品情况进行选择。由于CI得到的质谱不是标准质谱,所以不能进行库检索。
EI和CI源主要用于气相色谱-质谱联用仪,适用于易汽化的有机物样品分析。
快原子轰击源(Fast Atomic bombardment, FAB)
是另一种常用的离子源,它主要用于极性强、分子量大的样品分析。其工作原理如图9.2所示:
氩气在电离室依靠放电产生氩离子,高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流,氩原子打在样品上产生样品离子。样品置于涂有底物(如甘油)的靶上。靶材为铜,原子氩打在样品上使其电离后进入真空,并在电场作用下进入分析器。电离过程中不必加热气化,因此适合于分析大分子量、难气化、热
稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰,而且有较丰富的结构信息。但是,它与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量信息不是分子离子峰M,而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰;其二是碎片峰比EI谱要少。
FAB源主要用于磁式双聚焦质谱仪。
4(电喷雾源(Electron spray Ionization,ESI)
ESI是近年来出现的一种新的电离方式。它主要应用于液相色谱-质谱联用仪。它既作为液相色谱和质谱仪之间的接口装置,同时又是电离装置。它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷咀。最内层是液相色谱流出物,外层是喷射气,喷射气常采用大流量的氮气,其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。另外,在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷咀,补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大,当增大到某个临界值时,离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后,借助于喷咀与锥孔之间的电压,穿过取样孔进入分析器(见图9.3)。
加到喷嘴上的电压可以是正,也可以是负。通过调节极性,可以得到正或负离子的质谱。其中值得一提的是电喷雾喷嘴的角度,如果喷嘴正对取样孔,则取样孔易堵塞。因此,有的电喷雾喷嘴设计成喷射方向与取样孔不在一
条线上,而错开一定角度。这样溶剂雾滴不会直接喷到取样孔上,使取样孔比较干净,不易堵塞。产生的离子靠电场的作用引入取样孔,进入分析器。
电喷雾电离源是一种软电离方式,即便是分子量大,稳定性差的化合物,也不会在电离过程中发生分解,它适合于分析极性强的大分子有机化合物,如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。这样,一个分子量为10000Da的分子若带有10个电荷,则其质荷比只有1000Da,进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。根据这一特点,目前采用电喷雾电离,可以测量分子量在300000Da以上的蛋白质。图9.4是由电喷雾电离源得到的肌红蛋白的质谱图:
5(大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization,
APCI)
它的结构与电喷雾源大致相同,不同之处在于APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极,通过放电电极的高压放电,使空气中某些中性分子电离,产生H3O+,N2+,O2+ 和O+ 等离子,溶剂分子也会被电离,这些离子与分析物分子进行离子-分子反应,使分析物分子离子化,这些反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子,质子脱离和电子捕获产生负离子等。图9.5是大气压化学电离源的示意图:
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因,用ESI不能产生足够强的离子,可以采用APCI方式增加离子产率,可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子,所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子,主要是准分子离子。
以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。
大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因,用ESI不能产生足够强的离子,可以采用APCI方式增加离子产率,可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子,所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子,主要是准分子离子。 以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。
由上式可知,在一定的B、V条件下,不同m/z的离子其运动半径不同,这样,由离子源产生的离子,经过分析器后可实现质量分离,如果检测器位置不变(即R不变)、连续改变V或B可以使不同m/z的离子顺序进入检测器,实现质量扫描,得到样品的质谱。图9.6是单聚焦分析器原理图,这种单聚焦分析器可以是180?的(如图9.6),也可以是90?或其它角度的,其形状象一把扇
子, 因此又称为磁扇形分析器。单聚焦分析结构简单,操作方便但其分辨率很低。不能满足有机物分析要求,目前只用于同位素质谱仪和气体质谱仪。单聚集质谱仪分辨率低的主要原因在于它不能克服离子初始能量分散对分辨率造成的影响。在离子源产生的离子当中,质量相同的离子应该聚在一起,但由于离子初始能量不同,经过后其偏转半径也不同,而是以能量大小顺序分开,磁场
即也具有能量色散作用。这样就使得相邻两种质量的离子很难分离,从而磁场
降低了分辨率。
为了消除离子能量分散对分辨率的影响,通常在扇形磁场前加一扇形电场,扇形电场是一个能量分析器,不起质量分离作用。质量相同而能量不同的离子经过静电电场后会彼此分开。即静电场有能量色散作用。如果设法使静电场的能量色散作用和
磁场的能量色散作用大小相等方向相反,就可以消除能量分散对分辨率的影响。只要是质量相同的离子,经过电场和磁场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。改变离子加速电压可以实现质量扫描。这种由电场和磁场共同实现质量分离的分析器,同时具有方向聚焦和能量聚焦作用,叫双聚焦质量分析器(见图9.7). 双聚焦分析器的优点是分辨率高,缺点是扫描速度慢,操作、调整比较困难,而且仪器造价也比较昂贵。
四极杆分析器(Quadrupole analyzer)
离子从离子源进入四极场后,在场的作用下产生振动,如果质量为m,电荷为e的离子从Z方向进入四极场,在电场作用下其运动方程是:
离子运动轨迹可由方程9.2的解描述,数学分析表明,在a, q取某些数值时,运动方程有稳定的解,稳定解的图解形式通常用a, q参数的稳定三角形表示。(图9.9)当离子的a, q值处于稳定三角形内部时,这些离子振幅是有限的,因而可以通过四极场达到检测器。在保持Vdc/Vrf不变的情况下改变
Vrf值,对应于一个Vrf值,四极场只允许一种质荷比的离子通过,其余离子则振幅不断增大,最后碰到四极杆而被吸收。通过四极杆的离子到达检测器被检测。改变Vrf值,可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场实
现质量扫描。设置扫描范围实际上是设置Vrf值的变化范围。当Vrf值由一个值变化到另一个值时,检测器检测到的离子就会从m1变化到m2,也即得到m1到m2的质谱。
Vrf的变化可以是连续的,也可以是跳跃式的。所谓跳跃式扫描是只检测某些质量的离子,故称为选择离子监测(select ion monitoring SIM)。当样品量很少,而且样品中特征离子已知时,可以采用选择离子监测。这种扫描方式灵敏度高,而且,通过选择适当的离子使干扰组份不被采集,可以消除组分间的干扰。SIM适合于定量分析,但因为这种扫描方式得到的质谱不是全谱,因此不能进行质谱库检索和定性分析。
飞行时间质量分析器(Time of flight analyzer)
飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。图9.10是这种分析器的原理图。离子在加速电压V作用下得到动能,则有:
式中: m:离子的质量
e:离子的电荷量
V:离子加速电压
离子以速度v进入自由空间(漂移区),假定离子在漂移区飞行的时间为T,漂移区长度为L,则:
由式(9.4)可以看出,离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。也即,对于能量相同的离子,离子的质量越大,达到接收器所用的时间越长,质量越小,所用时间越短,根据这一原理,可以把不同质量的离子分开。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。
飞行时间质量分析器的特点是质量范围宽,扫描速度快,既不需电场也不需磁场。但是,长时间以来一直存在分辨率低这一缺点,造成分辨率低的主要原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。这样,即使是质量相同的离子,由于产生时间的先后,产生空间的前后和初始动能的大小不同,达到检测器的时间就不相同,因而降低了分辨率。目前,通过采取激光脉冲电离方式,离子延迟引出技术和离子反射技术,可以在很大程度上克服上述三个原因造成的分辨率下降。现在,飞行时间质谱仪的分辨率可达20000以上。最高可检质量超过300000Da,并且具有很高的灵敏度。目前,这种分析器已广泛应用于气相色谱-质谱联用仪,液相色谱-质谱联用仪和基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。下图是基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪原理图:
离子阱质量分析器
离子阱的结构如图9.11所示。离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极,环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面,并满足r20=2Z20( r0 为环形电极的最小半径,Z0为两个端盖电极间的最短距离)。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间,两端盖电极都处于地电位。
离子阱的特点是结构小巧,质量轻,灵敏度高,而且还有多级质谱功能(见9.2.2.3节)。它可以用于GC-MS,也可以用于LC-MS。
傅立叶变换离子回旋共振分析器(Fourier transform ion cyclotron
resonance analyzer, FTICR)
这种分析器是在原来回旋共振分析器的基础上发展起来的。因此,首先叙述一下离子回旋共振的基本原理。假定质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中,由于受磁场力的作用,离子作圆周运动,如果没有能量的损失和增加,圆周运动的离心力和磁场力相平衡,即:
式中 为离子运动的回旋频率(单位为弧度/秒)。由式(9.6)可以看出,离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系,当磁场强度固定后,只需精确测得离子的共振频率,就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率的办法是外加一个射频辐射,如果外加射频频率等于离子共振频率,离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道,沿着阿基米德螺线加速,离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子。改变辐射频率,就可以接收到不同的离子。但普通的回旋共振分析器扫描速度很慢,灵敏度低,分辨率也很差。傅立叶变换离子回旋共振分析器采用的是线性调频脉冲来激发离子,即在很短的时间内进行快速频率扫描,使很宽范围的质荷比的离子几乎同时受到激发。因而扫描速度和灵敏度比普通回旋共振分析器高得多。图9.12是这种分析器的结构示意图:
分析室是一个立方体结构,它是由三对相互垂直的平行板电极组成,置于高真空和由超导磁体产生的强磁场中。第一对电极为捕集极,它与磁场方向垂直,电极上加有适当正电压,其目的是延长离子在室内滞留时间;第二对电极为发射极,用于发射射频脉冲;第三对电极为接收极,用来接收离子产生的信号。样品离子引入分析室后,在强磁场作用下被迫以很小的轨道半径作回旋运动,由于离子都是以随机的非相干方式运动,因此不产生可检出的信号。
如果在发射极上施加一个很快的扫频电压,当射频频率和某离子的回旋频率一致时共振条件得到满足。离子吸收射频能量,轨道半径逐渐增大,变成螺旋运动,经过一段时间的相互作用以后,所有离子都做相干运动,产生可被检出的信号。做相干运动的正离子运动至靠近接收极的一个极板时,吸收此极板表面的电子,当其继续运动到另一极板时,又会吸引另一极板表面的电子。这样便
),象电流是一种正弦形式的时间域信号,正会感生出“象电流”(见图9.13
弦波的频率和离子的固有回旋频率相同,其振幅则与分析室中该质量的离子数目成正比。如果分析室中各种质量的离子都满足共振条件,那么,实际测得的信号是同一时间内作相干轨道运动的各种离子所对应的正弦波信号的叠加。将测得的时间域信号重复累加,放大并经模数转换后输入计算机进行快速傅立叶变换,便可检出各种频率成分,然后利用频率和质量的已知关系,便可得到常见的质谱
图。
利用傅立叶变换离子回旋共振原理制成的质谱仪称为傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance mass
spectrometer),简称FT-MS。FT-MS有很多明显的优点:
? 分辨率极高,商品仪器的分辨可超过1×106,而且在高分辨率下不影响灵敏度,而双聚焦分析器为提高分辨率必须降低灵敏度。同时,FT-MS的测量精度非常好,能达到百万分之几,这对于得到离子的元素组成是非常重要的。
? 分析灵敏度高,由于离子是同时激发同时检测,因此比普通回旋共振质谱仪高4个量级,而且在高灵敏度下可以得到高分辨率。
? 具有多级质谱功能,详细请见第9.2.2.3节
? 可以和任何离子源相联,扩宽了仪器功能。
此外还有诸如扫描速度快,性能稳定可靠,质量范围宽等优点。当然,另一方面,FT-MS由于需要很高的超导磁场,因而需要液氦,仪器售价和运行费用都比较贵。
检测器(Detecter)
质谱仪的检测主要使用电子倍增器,也有的使用光电倍增管。图9.14
是电子倍增器示意图。由四极杆出来的离子打到高能打拿极产生电子,电子经电子倍增器产生电信号,记录不同离子的信号即得质谱。信号增益与倍增器电压有关,提高倍增器电压可以提高灵敏度,但同时会降低倍增器的寿命,因此,应该在保证仪器灵敏度的情况下采用尽量低的倍增器电压。由倍增器出来的电信号被送入计算机储存,这些信号经计算机处理后可以得到色谱图,质谱图及其它各种信息。
真空系统(Vacuum system)
为了保证离子源中灯丝的正常工作,保证离子在离子源和分析器正常运行,消减不必要的离子碰撞,散射效应,复合反应和离子-分子反应,减小本底与记忆效应,因此,质谱仪的离子源和分析器都必须处在优于10-5 mbar的真
空中才能工作。也就是说,质谱仪都必须有真空系统。一般真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡输分子泵组成。机械真空泵能达到的极限真空度为10-3 mbar,不能满足要求,必须依靠高真空泵。扩散泵是常用的高真空泵,其性能稳定可靠,缺点是启动慢,从停机状态到仪器能正常工作所需时间长;涡轮分子泵则相反,仪器启动快,但使用寿命不如扩散泵。但由于涡轮分子泵使用方便,没有油的扩散污染问题,因此,近年来生产的质谱仪大多使用涡轮分子泵。涡轮分子泵直接与离子源或分析器相连,抽出的气体再由机械真空泵排到体系之外。
以上是一般质谱仪的主要组成部分。当然,若要仪器能正常工作,还必须要供电系统,数据处理系统等,因为没有特殊之处,不再叙述。
这样,一个有机化合物样品,由于其形态和分析要求不同,可以选用不同的电离方式使其离子化,再由质量分析器按离子的m/z将离子分开并按一定顺序排列成谱,经检测器检测即得到样品的质谱。图9.15是α-紫罗酮的质谱图。质谱图的横坐标是质荷比m/z ,纵坐标是各离子的相对强度。通常把最强的离子的强度定为100,称为基峰(图9.15 中为m/z=121),其他离子的强度以基峰为标准来决定。对于一定的化合物,各离子间的相对强度是一定的,因此,质谱具有化合物的结构特征。
特别声明:
1:资料来源于互联网,版权归属原作者 2:资料内容属于网络意见,与本账号立场无关 3:如有侵权,请告知,立即删除。
转载请注明出处范文大全网 » 辉光发电质谱仪工作原理