Sektormassespektrometri

Et fem-sektormassespektrometer

Et sektormassespektrometer er en generell betegnelse for massespektrometre som benytter statisk elektrisitet eller en magnetisk sektor eller en kombinasjon av de to som en masseanalysator^[1]. En populær kombinasjon av disse to type sektorene har vært BEB (magnetisk-elektrisk-magnetisk). De fleste moderne sektorinstrumentene er dobbeltfokuserte instrumenter (som ble utviklet av Arthur Jeffrey Dempster, Kenneth Bainbridge og Josef Mattauch i 1936^[2]), der de fokuserer ionestrålen både i retning og fart.^[3]

Teori

Oppførselen til et ion i et homogent, lineært, statisk elektrisk eller et magnetisk felt slik det er i et sektorinstrument er enkelt. Det fysiske prinsippet er forklart med Lorentz-kraftlov. Denne ligningen er den grunnlegende ligningen for alle massespektrometriske teknikker og gjelder også i ikke-lineære, ikke-homogene tilfeller, og er en viktig ligning innen elektrodynamikk generelt.

${\displaystyle F=q(E+v\times B)}$

hvor E er den elektriske feltstyrken, B er den magnetiske feltstyrken indusert, q er den elektriske ladningen til partikkelen, v er partikkelens fart (som vektor, ikke skalar) og ${\displaystyle \times }$er vektorproduktet.

Kraften til et ion i et linjert homogent elektrisk felt (et elektrisk sektor) er:

${\displaystyle F=qE}$

i retning av det elektriske feltet, med positive ioner og motsatt med negative ioner.

Elektrisk sektor fra et Finnigan MAT-massespektrometer (vakuumkammerhus fjernet)

Kraften er bare avhengig av ladning og elektrisk feltstyrke. De lettere ionene vil bli avbøyd mer og tyngre ioner mindre på grunn av forskjellen i treghet, og ionene vil fysisk skille seg fra hverandre i rommet til forskjellige stråler av ioner når de går ut av den elektriske sektoren.

Og kraften på et ion i et lineært homogent magnetfelt (en magnetisk sektor) er:

${\displaystyle F=qvB}$

vinkelrett på både magnetfeltet og hastighetsvektoren til selve ionet, i retningen bestemt av høyrehåndsregelen for kryssprodukter og tegnet for ladning.

Kraften i den magnetiske sektoren kompliseres av hastighetsavhengigheten, men med de rette forholdene (for eksempel jevn hastighet) vil ioner av forskjellige masser skille seg fysisk i rommet til forskjellige bjelker som med den elektriske sektoren.

Klassiske geometrier

Dette er noen av de klassiske geometriene fra massespektrografer som ofte brukes til å skille forskjellige typer sektorarrangementer, selv om de fleste nåværende instrumenter ikke passer nøyaktig i noen av disse kategoriene etter hvert som designene har utviklet seg videre.

Bainbridge-Jordan

Sektorinstrumentets geometri består av en 127,30° ${\displaystyle {\bigg (}{\pi \over {\sqrt {2}}}{\bigg )}}$ elektrisk sektor uten en innledende driftlengde etterfulgt av en magnetisk sektor på 60° med samme krumningsretning. Noen ganger kalt et "Bainbridge massespektrometer", brukes denne konfigurasjonen ofte til å bestemme isotopiske masser. En stråle av positive partikler produseres fra isotopen som studeres. Strålen er underlagt den kombinerte virkningen av vinkelrette elektriske og magnetiske felt. Siden kreftene på grunn av disse to feltene er like og motsatte når partiklene har en hastighet gitt av

${\displaystyle v={E \over B}}$

de opplever ikke en resulterende kraft; de passerer fritt gjennom en spalte, og blir deretter utsatt for et annet magnetfelt, som krysser en halvsirkelbane og treffer en fotografisk plate. Isotopens masse bestemmes ved etterfølgende beregning.

Mattauch-Herzog

Mattauch-Herzog-geometrien består av en 31,82° ${\displaystyle {\bigg (}{\pi \over 4{\sqrt {2}}}{\bigg )}}$radianer elektrisk sektor, en drivlengde som følges av en 90° magnetisk sektor med motsatt krumningsretning.^[4] Inngangen av ionene sortert primært etter ladning i magnetfeltet gir en energifokuserende effekt og mye høyere overføring enn et standard energifilter. Denne geometrien brukes ofte i applikasjoner med høy energispredning i ionene som produseres der følsomhet likevel er nødvendig, slik som gnistkildemassespektrometri (SSMS) og sekundær ionemassespektrometri (SIMS).^[5] Fordelen med denne geometrien i forhold til Nier-Johnson-geometrien er at ionene til forskjellige masser alle er fokusert på samme flate plan. Dette tillater bruk av en fotografisk plate eller annen flat detektoroppstilling.

Nier-Johnson

Nier-Johnson geometrien består av en 90° elektrisk sektor, en lang mellomdriftlengde og en 60° magnetisk sektor av samme krumningsretning.^[6][7]

Hinterberger-Konig

Hinterberger-Konig-geometrien består av en 42,43° elektrisk sektor, en lang mellomdriftlengde og en 130° magnetisk sektor av samme krumningsretning.

Takeshita

Takeshita-geometrien består av en 54,43° elektrisk sektor og kort driftlengde, en andre elektrisk sektor med samme krumningsretning etterfulgt av en annen drivlengde før en 180° magnetisk sektor med motsatt krumningsretning.

Matsuda

Matsuda-geometrien består av en 85° elektrisk sektor, en kvadrupol linse og en 72,5° magnetisk sektor av samme krumningsretning.^[8] Denne geometrien brukes i SHRIMP og Panorama (gasskilde, høyoppløselig, multikollektor for å måle isotopologer i geokjemi).

Referanser

1. Chemistry, International Union of Pure and Applied. «IUPAC Gold Book - electric sector in mass spectrometry». goldbook.iupac.org (på engelsk). doi:10.1351/goldbook.e01938. Besøkt 23. april 2019. 
2. «Arthur Jeffrey Dempster | American physicist». Encyclopedia Britannica (på engelsk). Besøkt 23. april 2019. 
3. Burgoyne, Thomas W.; Hieftje, Gary M. (1996). «An introduction to ion optics for the mass spectrograph». Mass Spectrometry Reviews. 4 (på engelsk). 15: 241–259. ISSN 0277-7037. doi:10.1002/(SICI)1098-2787(1996)15:43.0.CO;2-I. Besøkt 23. april 2019. 
4. Klemm, Alfred (1. mars 1946). «Zur Theorie der für alle Massen doppelfokussierenden Massenspektrographen». Zeitschrift für Naturforschung A. 3. 1: 137–141. ISSN 1865-7109. doi:10.1515/zna-1946-0306. Besøkt 17. februar 2021. 
5. Schilling, Gregory D.; Andrade, Francisco J.; Barnes; Sperline, Roger P.; Denton, M. Bonner; Barinaga, Charles J.; Koppenaal, David W.; Hieftje, Gary M. (Juli 2006). «Characterization of a Second-Generation Focal-Plane Camera Coupled to an Inductively Coupled Plasma Mattauch−Herzog Geometry Mass Spectrograph». Analytical Chemistry. 13 (på engelsk). 78: 4319–4325. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac052026k. Besøkt 17. februar 2021. 
6. De Laeter, John; Kurz, Mark D. (Juli 2006). «Alfred Nier and the sector field mass spectrometer». Journal of Mass Spectrometry. 7 (på engelsk). 41: 847–854. ISSN 1076-5174. doi:10.1002/jms.1057. Besøkt 17. februar 2021. 
7. Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «Nier–Johnson geometry». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (på engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.n04141. Besøkt 17. februar 2021. 
8. «US4553029A». Besøkt 17. februar 2021. 

Autoritetsdata