Большая Советская Энциклопедия (МА)

Лит.: Астон Ф., Масс-спектры и изотопы, пер. с англ., М., 1948; Рафальсон А. Э., ШерешевскийА. М., Масс-спектрометрические приборы, М. — Л., 1968; Бейнон Дж., Масс-спектрометрия и её применение в органической химии, пер. с англ., М., 1964; Материалы 1 Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии, Л., 1972; Джейрам Р., Масс-спектрометрия. Теория и приложения, пер. с англ., М., 1969; Полякова А. А., Хмельницкий Р. А., Масс-спектрометрия в органической химии, Л., 1972.

В. Л. Тальрозе.

Рис. 5. Схема время-пролётного масс-анализатора. Пакет ионов с массами m₁ и m₂ (чёрные и белые кружки), «вброшенный» в анализатор через сетку 1, движется в дрейфовом пространстве 2 так, что тяжёлые ионы (m₁ ) отстают от лёгких (m₂ ); 3 — коллектор ионов.

Рис. 2. Масс-спектр ториевого свинца (dm_50% — ширина пика на полувысоте; dm_10% — ширина пика на уровне ¹ /₁₀ от максимальной интенсивности).

Рис. 3. Схема статического магнитного анализатора с однородным магнитным полем; S₁ и S₂ — щели источника и приёмника ионов; ОАВ — область однородного магнитного поля Н , перпендикулярного плоскости рисунка, тонкие сплошные линии — границы пучков ионов с разными m/е; r — радиус центральной траектории ионов.

Рис. 12. На столе большого масс-спектрометра с двойной фокусировкой для структурно-химического анализа МС-3301 с разрешающей силой R~5 ·10⁴ лежит миниатюрный масс-спектрометр МХ-6407М (обведён квадратом), применявшийся для исследований ионосферы на искусственных спутниках Земли.

Рис. 9. Анализатор омегатрона.

Рис. 4. Пример масс-анализатора с двойной фокусировкой. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели S₁ источника ионов, последовательно проходит через электрическое поле цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле, отклоняющее ионы ещё на 60°, и фокусируется в щель S₂ приёмника коллектора ионов.

Рис. 11. Циклотронно-резонансный масс-анализатор. Высокочастотное электрическое поле в области анализатора позволяет идентифицировать ионы с данной величиной m/е по резонансному поглощению энергии ионами при совпадении частоты поля и циклотронной частоты ионов.

Рис. 7. Квадрупольный масс-анализатор: 1 и 2 — входное и выходное отверстия анализатора; 3 — траектории ионов; 4 — генератор высокочастотного напряжения.

Рис. 1. Скелетная схема масс-спектрометра: 1 — система подготовки и введения исследуемого вещества; 2 — ионный источник; 3 — масс-анализатор; 4 — приемник ионов; 5 — усилитель; 6 — регистрирующее устройство; 7 — ЭВМ; 8 — система электрического питания; 9 — откачные устройства. Пунктиром обведена вакуумируемая часть прибора.

Рис. 6. Схема радиочастотного масс-анализатора: 1, 2, 3 — сетки, образующие трёхсеточный каскад, на среднюю сетку 2 подано высокочастотное напряжение U_вч . Ионы с определённой скоростью и, следовательно, определённой массой, внутри каскада ускоряясь высокочастотным полем, получают больший прирост кинетической энергии, достаточный для преодоления тормозящего поля и попадания на коллектор.

Рис. 8. Фарвитрон: 1 и 2 — электроды, между которыми колеблются ионы.

Рис. 10. Схема магнито-резонансного масс-анализатора; магнитное поле Н перпендикулярно плоскости рисунка.

Масс-спектроскопия

Масс-спектроскопи'я , масс-спектрометрия, масс-спектральный анализ, метод исследования вещества путём определения масс ионов этого вещества (чаще отношений масс ионов к их зарядам) и их количеств. Совокупность значений масс и их относительных содержаний называется масс-спектром (рис. 1 ). В М.-с. используется разделение в вакууме ионов разных масс под воздействием электрических и магнитных полей (см. Масс-спектрометры ). Поэтому исследуемое вещество прежде всего подвергается ионизации . Процесс ионизации исключается при изучении ионного состава уже ионизованных газов, например в электрическом разряде или в ионосферах планет. В случае жидких и твёрдых веществ их либо предварительно испаряют, а затем ионизуют, либо же применяют поверхностную ионизацию , при которой образовавшиеся ионы вылетают в вакуум (см. Ионная эмиссия ). Чаще исследуются положительные ионы, так как существующие методы ионизации позволяют получать их более простыми путями и в больших количествах, чем отрицательные. Однако в ряде случаев исследуют и отрицательные ионы.

Первые масс-спектры были получены в Великобритании Дж. Дж. Томсоном (1910), а затем Ф. Астоном (1919). Они привели к открытию стабильных изотопов . Вначале М.-с. применялась преимущественно для определения изотопного состава элементов и точного измерения атомных масс. М.-с. до сих пор является одним из основных методов, с помощью которых получают данные о массах ядер и атомных массах элементов. Вариации изотопного состава элементов могут быть определены с относительной погрешностью ±10^{– 2} %, а массы ядер — с относительной погрешностью ±10^{– 5} % для лёгких и ±10^{– 4} % для тяжёлых элементов.

Высокая точность и чувствительность М.-с. как метода изотопного анализа привели к её применению и в других областях, где существенно знание изотопного состава элементов, прежде всего в ядерной технике. В геологии и геохимии масс-спектральное определение изотопного состава ряда элементов (свинца, аргона и других) лежит в основе методов определения возраста горных пород и рудных образований (см., например, Геохронология ). М.-с. широко используется в химии для элементного и молекулярного структурного анализа. Первые применения М.-с. в области химии связаны с работами В. Н. Кондратьева (1923).

Масс-спектральный анализ элементного состава вещества особенно точен, когда это вещество испаряется в виде исходных нераспавшихся молекул и заметная доля этих молекул не распадается в ионном источнике масс-спектрометра. Тогда, применяя масс-спектрометры с высокой разрешающей способностью, можно, например, однозначно определить число атомов С, Н, О и других в молекуле органического вещества по массе молекулярного иона. Для анализа элементного состава труднолетучих веществ применяют ионизацию методом вакуумной искры. При этом достигается высокая чувствительность (~10^{– 5} —10^{– 7} %) и универсальность при умеренной точности в определении содержания компонент (от нескольких % до десятых долей %). Качественный молекулярный масс-спектральный анализ смесей основан на том, что масс-спектры молекул разного строения различны, а количественный — на том, что ионные токи от компонент смеси пропорциональны содержаниям этих компонент.

Точность количественного молекулярного анализа в лучшем случае достигает точности изотопного анализа, однако часто количественный молекулярный анализ затруднён из-за совпадения по массе различных ионов, образующихся при обычной и диссоциативной ионизации разных веществ. Для преодоления этой трудности в масс-спектрометрах используют «мягкие» способы ионизации, дающие мало осколочных ионов, либо же комбинируют М.-с. с др. методами анализа, особенно часто с газовой хроматографией .