Iónová pohyblivostná spektrometria

1. Iónová pohyblivostná spektrometria Petra Husaníková

2. 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

3. Cenou Citlivosťou Rozmermi Rozlišovacou schopnosťou Pracovnými podmienkami Špecializáciou na druhy látok Rôzne metódy analýzy plynov sa líšia:

4. Optická spektrometria: Výhoda: • Vysoká citlivosť Nevýhody: • Pomerne veľké rozmery použitých zariadení • Výsledné spektrá vyžadujú odbornú analýzu • Vysoká cena

5. Hmotnostná spektroskopia: Výhody: • Vysoká citlivosť na široké spektrum látok • Analýza spektier počítačom Nevýhody: • Veľké rozmery • Potreba vákua • Vysoká cena -obidve metódy náročné na prevádzku

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

8. IMS • 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

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

10. Použitie IMS spektrometra: Komerčné jednoúčelové: • Ako zabudovaný- letiská • V prenosovej forme: - colníci - vojaci Na výskum ión-molekulových reakcií • Potrebné navrhnúť a zostrojiť vlastný IMS

11. Základné pojmy • HEP: F = q.Espôsobí 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):

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

13. S využitím ťažiskového systému, ZZE, ZZH: (3) • kde μ je redukovaná hmotnosť iónu a molekuly • Porovnaním (1) a (3) dostávame: • Aplikovaním Maxwellovho rozdelenia rýchlosti:

14. -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:

15. Schéma zariadenia

16. Princíp činnosti IMS • 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

17. Ovládacia mriežka

18. 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

19. Potenciál medzi susednými drôtmi mriežky je vhodný, ak dosah poľa mriežky je približne rovný ich vzdialenosti • Výhodné zvoliť dostatočne hustú mriežku

20. Driftová trubica

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

22. 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

23. 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

24. 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

25. Riadiaca elektronika Ďalšou súčasťou celkového zapojenia IMS • Zdroj VN pripojený na odporový delič • VN spínač ovládacej mriežky • Zosilňovač signálu • A-D prevodník • Počítač • Osciloskop

26. Zaznamenáva sa závislosť nameraného prúdu v závislosti od driftového času

27. Iónový zdroj Mal by spĺňať nasledovné kritériá: • Stabilita • Dostatočná produkcia iónov • Nerušivosť na samotné meranie • Bezpečnosť

28. 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,...

29. Výhody: • Vysoká stabilita • Nízka hmotnosť • Nízka cena • Bez prídavných napäťových zdrojov • Nerušivý na meranie

30. 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