Наноэлектроника Практическое занятие 4 к т н

Наноэлектроника Практическое занятие 4 к. т. н. , доц. Марончук И. И.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАНОТЕХНОЛОГИЙ Диагностика и методы исследования нанообъектов и наносистем

Масс-спектрометрия атомов и молекул

Масс-спектрометрия – метод исследования и анализа вещества, основанный на ионизации атомов и молекул, входящих в состав пробы, и регистрации спектра масс образовавшихся ионов. Идея метода проста и может быть изложена в виде следующей схемы. 1. Превратить нейтральные частицы – атомы или молекулы в частицы заряженные – ионы. 2. Разделить образовавшиеся ионы в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля. 3. Измеряя электрический ток, образуемый направленно движущимися ионами, можно судить об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества.

Краткая характеристика информации, получаемой в методах масс-спектрометрии и хромато-массспектрометрии 1. Прямое измерение массового числа молекулы вещества, т. е. ее молекулярной массы, в случае, если вещество в условиях масс-спектрометрического эксперимента дает молекулярный ион – заряженную частицу, имеющую ту же массу, до величин массы около 20000 а. е. м. 2. При использовании масс-спектрометрии высокого разрешения возможно получение очень точного значения молекулярной массы, что позволяет по известным табличным данным получить брутто-формулу вещества, до величины массы несколько больше 1000 а. е. м. 3. Получение масс-спектра вещества, что позволяет провести его идентификацию по библиотекам масс-спектральных данных (например, масс-спектры около 700 000 соединений в НИОХ СО РАН) или по характеру фрагментации предположить строение соединения.

4. Разделение аналитического сигнала образцов во времени - в хромато-масс-спектрометрии возникает дополнительный аналитический сигнал – время удержания образца, т. е. как долго вещество проходит через хроматографическую колонку. Как правило, это время при одних и тех же условиях эксперимента является уникальной характеристикой вещества, позволяющей разделить даже смеси изомеров, при использовании специальных хроматографических хиральных колонок – даже оптические изомеры, и получить масс-спектры каждого соединения в смеси. 5. Площадь хроматографического пика пропорциональна содержанию вещества в анализируемом образце, что позволяет, при соблюдении ряда условий, проводить точный количественный анализ образцов. 6. Получать данные о ряде термодинамических процессов (испарение, сублимация), исследовать кинетические закономерности, механизмы протекания процессов термораспада.

1912 год — Томсон (J. J. Thomson) создает первый масс-спектрограф, способный разделить по массам молекулы кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа … Электрический разряд Железный экран Магнит

Фрэнсис Астон ( Francis W. Aston ) (1877 – 1945) Разработал оборудование, позволяющее проводить точные количественные измерения масс разнообразных молекул За работы по развитию методов масс-спектрометрии награжден Нобелевской премией по химии в 1922 г.

Масс-спектрограф Ф. Астона

МАСС-СПЕКТРЫ Фотоснимки с распределением ионизованных атомов пяти веществ, полученные в масс -спектрографе. Чем больше масса атомов, тем меньше отклонение.

Масс-спектр воздуха Атомарный азот Пары воды Азот + окись углерода Кислород Аргон

Фотоплёнка масс-спектрографа

СТРУКТУРА МАСС - СПЕКТРОМЕТРОВ Ввод образца Ионный источник Масс-анализатор Вакуумная система Детектор

Проблемы создания масс-спектрометра 1. Перевести вещество в газовую фазу. Надо, чтобы нашему веществу ничто не мешало, т. е. требуется вакуум. Вакуум облегчает переход соединения в газовую фазу. Вакуум понадобится и вдоль траектории вещества внутри прибора. В ряде случаев вещество необходимо нагреть. 2. Ионизировать вещество. Надо отнять у вещества электрон. Или добавить. 3. Создать ионный пучок. Надо придать скорость и направление движения образовавшимся ионам. При помощи электрического поля высокой напряженности. 4. Разделить ионный пучок по массам в магнитном поле. Надо иметь магнит. 5. Детектировать массы. Надо иметь фотопластинку или электрометр с электронным умножителем.

Создание вакуума: 1. Используется тандем из создающих форвакуум (неглубокий вакуум, примерно 1 10 -2 мбар = 1 Па) механических электронасосов и устройств, создающих глубокий вакуум (1 10 -7 мбар = 1 10 -5 Па – для сравнения – космический вакуум в 1000 км от Земли – 10 -8 Па) – диффузионных насосов, турбомолекулярных насосов, азотных ловушек, специальных веществ – сорбентов (геттеров). Рис. Форвакуумные насосы

Создание вакуума: Рис. Турбомолекулярные насосы Рис. Диффузионный насос

Схема прямого ввода образца в масс-спектрометр:

Ионизация электронным ударом Электронный удар, или, правильнее – электронная ионизация – это ионизация паров вещества потоком электронов, разогнанных в электрическом поле. При этом электрон, пролетая рядом или через молекулу ионизируемого вещества, не захватывается ею, а передает часть своей энергии, что приводит к «возбуждению» молекулы, отрыву от нее одного или нескольких электронов с образованием положительного иона M+, а также, в зависимости от энергии ионизирующих электронов, к разрыву связей в ионизируемой молекуле – к ее фрагментации. Эффективность ионизации зависит от энергии ионизирующих электронов, максимум эффективности достигается при энергии примерно в 70 э. В: Рис. Зависимость величины ионного тока от энергии ионизирующих электронов

Ионизация электронным ударом – зависимость интенсивности пика молекулярного иона от величины энергии ионизации: Масс-спектр электронного удара этилпропионата CH 3 -CH 2 -C(=O)-O-CH 2 CH 3 (молекулярная масса 102) при энергиях ионизирующих электронов 70, 20 и 14 э. В – чем меньше энергия ионизации, тем выше пик молекулярного иона

Ионизация электронным ударом ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ ИОНИЗАЦИИ 1. Наиболее распространенный и простой в реализации метод ионизации 2. Богатый фрагментами масс-спектр соединений, что позволяет проводить структурные исследования 3. Наличие больших баз данных масс-спектров, позволяющих быстро производить идентификацию соединений НЕДОСТАТКИ 1. Не всегда можно получить молекулярный ион 2. Большая фрагментация образца, иногда трудно по фрагментации проследить направление превращения иона под 3. Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в пары.

Ионизация электронным ударом ВАЖНО!!! Энергия в 70 э. В для ионизирующих электронов в настоящее время принята за стандарт, приборы с электронной ионизацией образца, выпускаемые промышленностью, как правило, имеют именно эту величину энергии ионизации, либо позволяют ее установить. Также базы данных масс-спектров содержат масс-спектры, записанные на приборах с электронной ионизацией образца и энергией ионизации в 70 э. В. Массспектры в научных изданиях (журналах, монографиях, сборниках трудов конференций) приводятся, как правило, именно с энергией ионизации образца в 70 э. В (исключения редки).

Электрический (электростатический) анализатор Электростатический анализатор по принципу действия примерно аналогичен магнитному, только роль магнитного поля у него выполняет электрическое поле (ионы движутся между двумя противоположно заряженными электродами), которое также может отклонять ионы тем или иным образом, причем ионы с разными массами будут отклоняться на разные углы (иметь другие траектории движения). Попадая в такой анализатор, ион движется по круговой орбите с радиусом R таким образом, чтобы сила электрического поля уравновешивалась центробежной силой: Варьируя величину поля, возможно пропускать через анализатор ионы с разным значением масс, т. е. производить развертку масс-спектра.

Важнейшим инструментом для быстрой расшифровки результатов массспектрометрического анализа являются Библиотеки массспектральных данных

Библиотеки масс-спектральных данных NIST 07, NIST 08 – библиотеки масс-спектральных данных, созданные и поддерживаемые Национальным институтом стандартизации и технологии США, около 300 000 массспектров. WILEY 07 – библиотека масс-спектральных данных, созданная профессором Мак-Лафферти, при участии Национального бюро стандартов США, около 450 000 масс-спектров, во многом пересекается с библиотеками NIST. Библиотеки, созданные и поддерживаемые в НИОХ СО РАН, по природным соединениям, веществам, часто используемым в синтезах химиками НИОХ СО РАН, продуктам и полупродуктам синтезов – суммарно до 10 000 масс-спектров. Содержат, помимо самих масс-спектров, информацию о методе записи хроматограммы, из которой взят масс-спектр, время удержания или индекс удержания. Литературный поиск при помощи РЖХ, каталогов CAS и Belstein – в редких случаях.

Другие приложения массспектрометрии: кинетические и термодинамические массспектроскопические исследования

Кинетические исследования: 1. Определение механизмов химических процессов (в том числе по изотопным меткам). 2. Определение констант скоростей химических процессов. 3. Определение порядка и молекулярности реакции. Термодинамические исследования: 1. Определение потенциалов ионизации молекул и появления ионов. 2. Определение парциального давления паров вещества. 3. Определение теплоты сублимации. 4. Определение константы равновесия химической реакции и теплоты химической реакции. 5. Ион-молекулярные равновесия.

Масс-спектрометрия в настоящее время является одним из наиболее информативных, чувствительных и надежных аналитических методов. Любая крупная физическая, химическая или биологическая лаборатория имеет в своем распоряжении масс-спектрометр, ориентированный на те или иные специфические исследования. Совершенствование техники позволило создать приборы, способные исследовать молекулы с огромными массами порядка 100 000 а. е. м. и выше, что, несомненно, открывает просторы для изучения таких сложных биологических молекул, как белки, а также длинноцепочечные органические полимеры. Масс-спектрометрия способнаруживать примеси на уровне 0, 0001% и ниже, что актуально при контроле синтеза высокочистых веществ, например в микроэлектронике. Компактность некоторых типов масс-спектрометров и вакуумные условия работы предопределили их широкое применение для анализа образцов в космическом пространстве.

Национальная лаборатория сильных магнитных полей в Университете штата Флорида ( Алан Маршалл ) МАСССПЕКТРОМЕТРИЯ

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ