МАСС-СПЕКТРО́МЕТР

МАСС-СПЕКТРО́МЕТР, при­бор для оп­ре­де­ле­ния изо­топ­но­го или мо­ле­ку­ляр­но­го со­ста­ва ве­ще­ст­ва, ис­поль­зую­щий раз­де­ле­ние ио­ни­зо­ван­ных ато­мов и мо­ле­кул по их мас­сам. Осн. функ­цио­наль­ны­ми эле­мен­та­ми М.-с. яв­ля­ют­ся (рис.): уст­рой­ст­во вво­да проб ана­ли­зи­руе­мо­го ве­ще­ст­ва, ион­ный ис­точ­ник, масс-ана­ли­за­тор, де­тек­тор ио­нов, уст­рой­ст­во за­пи­си и об­ра­бот­ки масс-спек­тров (за­ви­си­мо­стей ин­тен­сив­но­сти по­то­ка ио­нов от ве­ли­чи­ны $m/q$, $m$ – мас­са ио­на, $q$ – его за­ряд). Часть обо­ру­до­ва­ния М.-с. по­ме­ща­ет­ся в ва­ку­ум­ную ка­ме­ру с дав­ле­ни­ем ок. 10^–4–10^–6 Па и ни­же. Как пра­ви­ло, в ва­куу­ме рас­по­ла­га­ют­ся ион­ный ис­точ­ник, масс-ана­ли­за­тор и де­тек­тор, од­на­ко не­ко­то­рые совр. ион­ные ис­точ­ни­ки мо­гут ра­бо­тать при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии.

Блок-схема масс-спектрометра: УВП – устройство ввода проб; ВАК – система, создающая и поддерживающая вакуум; КВ – контроль давления вакуума; ИИ – ионный источник; МА – масс-анализатор; Д – детектор ио...

Ис­сле­дуе­мое ве­ще­ст­во вво­дят в ис­точ­ник ио­нов, где ато­мы или мо­ле­ку­лы про­бы ио­ни­зу­ют­ся; ио­ны, ус­ко­рен­ные элек­трич. по­лем, фор­ми­ру­ют­ся в ион­ный пу­чок или сгу­сток (в за­ви­си­мо­сти от ти­па при­ме­няе­мо­го масс-ана­ли­за­то­ра), за­тем ио­ны по­па­да­ют в масс-ана­ли­за­тор, где про­ис­хо­дит их раз­де­ле­ние по от­но­ше­нию $m/q$. Раз­де­лён­ные пуч­ки/сгу­ст­ки ио­нов по­сту­па­ют на де­тек­тор, ко­то­рый пре­об­ра­зу­ет их в элек­трич. сиг­на­лы. В уст­рой­ст­ве за­пи­си и об­ра­бот­ки масс-спек­тров про­из­во­дит­ся раз­вёрт­ка этих сиг­на­лов во вре­ме­ни и за­пись масс-спек­тра (при ис­поль­зо­ва­нии не­ко­то­рых но­вей­ших ти­пов масс-ана­ли­за­то­ров, напр. ор­бит­рэ­па, до­пол­нит. уст­рой­ст­ва за­пи­си не нуж­ны). Про­во­дит­ся так­же ком­пь­ю­тер­ная об­ра­бот­ка масс-спек­тров и оп­ре­де­ля­ет­ся изо­топ­ный или мо­ле­ку­ляр­ный со­став про­бы.

В со­от­вет­ст­вии с ти­пом при­ме­няе­мо­го масс-ана­ли­за­то­ра М.-с. раз­де­ля­ют на ста­ти­че­ские и ди­на­ми­че­ские, при­чём по­след­ние под­раз­де­ля­ют­ся на ра­дио­час­тот­ные, ре­зо­нанс­ные, квад­ру­поль­ные и вре­мя­про­лёт­ные. Ра­дио­час­тот­ные М.-с. в на­стоя­щее вре­мя не вы­пус­ка­ют­ся и пред­став­ля­ют лишь ис­то­рич. ин­те­рес. На нач. 21 в. наи­бо­лее ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся квад­ру­поль­ные и вре­мя­про­лёт­ные М.-с., ме­нее рас­про­стра­не­ны М.-с. ста­ти­че­ские и ион­но-цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са. М.-с. при­ме­ня­ют в ком­би­на­ции с хро­ма­то­гра­фом (то­гда их на­зы­ва­ют хро­ма­то-масс-спек­тро­мет­ра­ми, см. Хро­ма­то-масс-спек­тро­мет­рия) или со спек­тро­мет­ром ион­ной под­виж­но­сти. В по­след­нем слу­чае ис­поль­зу­ют­ся ис­клю­чи­тель­но вре­мя­про­лёт­ные масс-спек­тро­мет­ры.

Де­тек­то­ра­ми ио­нов в М.-с. в раз­ное вре­мя слу­жи­ли фо­то­пла­стин­ки, ци­лин­д­ры Фа­ра­дея, позд­нее – ион-элек­трон­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли и ум­но­жи­те­ли. В вре­мя­про­лёт­ных М.-с. ис­поль­зо­ва­лись так­же ион-фо­тон-элек­трон­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли, а в квад­ру­поль­ных М.-с. и ион­ных ло­вуш­ках – элек­трон­ные ум­но­жи­те­ли разл. ти­пов. В М.-с. ион­но-цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са и ор­бит­рэ­пах де­тек­ти­ру­ет­ся сиг­нал, на­во­ди­мый ио­на­ми на де­тек­ти­рую­щих элек­тро­дах, и про­из­во­дит­ся его уси­ле­ние спец. пре­ду­си­ли­те­ля­ми.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­кой М.-с. яв­ля­ет­ся раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность. Для раз­ных ти­пов М.-с. раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность (оп­ре­де­ляе­мая как от­но­ше­ние ве­ли­чи­ны из­ме­ряе­мой мас­сы к раз­но­сти масс бли­жай­ших раз­ли­чи­мых по мас­се ио­нов) ко­леб­лет­ся от не­сколь­ких со­тен еди­ниц до не­сколь­ких со­тен мил­лио­нов (М.-с. ион­но-цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са). М.-с. для оп­ре­де­ле­ния мик­ро­при­ме­сей ха­рак­те­ри­зу­ют­ся так­же пре­де­лом об­на­ру­же­ния, ко­то­рый в за­ви­си­мо­сти от ти­па при­бо­ра ко­леб­лет­ся от еди­ниц ppm (10^–6) до еди­ниц ppt (10^–12) и ни­же. Мет­ро­ло­гич. ха­рак­те­ри­сти­ки М.-с. (точ­ность, схо­ди­мость и вос­про­из­во­ди­мость ре­зуль­та­тов ана­ли­за) за­ви­сят от ти­па при­бо­ра и его на­зна­че­ния и мо­гут из­ме­нять­ся в ши­ро­ких пре­де­лах. К др. важ­ным па­ра­мет­рам М.-с. от­но­сят­ся диа­па­зон из­ме­ряе­мых масс, ди­на­мич. диа­па­зон и бы­ст­ро­дей­ст­вие при­бо­ра. Макс. диа­па­зон масс дос­ти­га­ет­ся на вре­мя­про­лёт­ных М.-с. (верх­няя гра­ни­ца 10⁷–10⁸ а. е. м.). Ди­на­мич. диа­па­зон М.-с. (от­но­ше­ние макс. кон­цен­тра­ции ана­ли­зи­руе­мо­го ве­ще­ст­ва к ми­ни­маль­ной при ус­ло­вии со­хра­не­ния осн. ана­ли­тич. ха­рак­те­ри­стик) обыч­но име­ет по­ря­док 10³–10⁴ и бо­лее, в изо­топ­ных М.-с. мо­жет дос­ти­гать 10⁶ и вы­ше.

М.-с. яв­ля­ют­ся так­же мощ­ным ин­ст­ру­мен­том ис­сле­до­ва­ния ки­не­тич. и ди­на­мич. про­цес­сов в ве­ще­ст­ве, по­зво­ля­ют изу­чать струк­ту­ру слож­ных ор­га­нич. мо­ле­кул. М.-с. при­ме­ня­ют­ся в атом­ной пром-сти (при тех­но­ло­гич. кон­тро­ле), ва­ку­ум­ных тех­но­ло­ги­ях, ис­сле­до­ва­ни­ях кос­мич. про­стран­ст­ва, в био­ло­гии, ме­ди­ци­не и мн. др. об­лас­тях.