1.3.Характеристики масс-спектрометров и масс – спектрометрических детекторов
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость измерения масс-спектров.
Скорость сканирования
Масс-анализатор при фиксированных значениях магнитных и электромагнитных полей пропускает ионы с определенным соотношением массы и заряда, (кроме многоколлекторных приборов и ионно-циклотронного резонанса). Для того, чтобы проанализировать все ионы по отношению их массы к заряду, он должен работать в режиме сканирования, то есть параметры его поля должны за заданный промежуток времени пройти все значения, нужные для пропускания к детектору всех интересующих ионов. Эта скорость изменения поля называется скоростью сканирования и должна быть как можно больше (соответственно, время сканирования должно быть как можно меньше), поскольку масс-спектрометр должен успеть измерить сигнал за короткое время, например за время выхода хроматографического пика, которое может составлять несколько секунд. При этом, чем больше масс-спектров за время выхода хроматографического пика будет измерено, тем точнее будет описан хроматографический пик, тем менее вероятно будет проскочить мимо его максимального значения. Самым медленным масс-анализатором является магнитный, время его сканирования без особой потери чувствительности составляет секунды. Квадрупольный масс-анализатор может разворачивать спектр за сотые доли секунды, а ионная ловушка еще быстрее. Процесс сканирования всех перечисленных выше масс-анализаторов является компромиссным - чем больше скорость сканирования, тем меньше времени тратиться на запись сигнала на каждое массовое число, тем хуже чувствительность. Самыми быстрыми масс-анализатороми являются времяпролетные. В них нет развертки. Они способны записывать масс-спектры со скоростью 40,000 в секунду.
Разрешение
Разрешение или разрешающую способность можно определить как возможность анализатора разделять ионы с соседними массами (отличающимися на одну атомную единицу массы). Для точного определения масс ионов, которое необходимо для определения атомного состава иона, надо так разделить пики в масс-спектрах, чтобы они не перекрывались и не влияли на положение максимумов, по которому масса и определяется. Для масс-анализаторов, разрешение определяется как отношение массы иона к ширине пика на 10 % или 50 % его высоты M/∆M. Так например, разрешение 1000 на 10% означает, что пики с массами 100.0 а.е.м. и 100.1 а.е.м. отделяются друг от друга, то есть не накладываются вплоть до 10 % высоты.
Номинальной массой или массовым числом называют ближайшее к точной массе иона целое число в шкале атомных единиц массы. Например, масса иона водорода Н+ равна 1.00787 а.е.м., а его массовое число равно 1. Такие масс-анализаторы, которые, в основном, измеряют номинальные массы, называют анализаторами низкого разрешения. Масс-спектрометры с двойной фокусировкой (магнитный сектор плюс электростатический) - приборы среднего или высокого разрешения. Типичным для магнитного прибора разрешением является >60,000. На масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса на массе около 500 а.е.м. можно легко достигнуть разрешения 500,000, что позволяет проводить измерения массы ионов с точностью до 4-5 знака после запятой. Разрешения в несколько тысяч также можно добиваться при использовании времяпролетных масс-анализаторов, однако, на высоких массах, в области которых, собственно этот прибор имеет преимущество перед другими, и этого разрешения хватает лишь для того, чтобы измерить массу иона с точностью +/- десятки а.е.м.
Разрешающая способность по определению записывается в виде (1.9):
(1.9)
где M=0.5(M1+M2) - среднее значение массы регистрируемых ионов,
∆М - минимальная разность масс ионов, раздельно регистрируемых прибором.
Точность измерения массы
Как следует из вышесказанного, разрешение тесно связано с другой важной характеристикой - точностью измерения массы. Проиллюстрировать значение этой характеристики можно на простом примере. Массы молекулярных ионов азота (N2+)и монооксида углерода (СО+) составляют 28.00615 а.е.м. и 27.99491 а.е.м., соответственно (оба характеризуются одним массовым числом 28). Эти ионы будут регистрироваться масс-спектрометром порознь при разрешении 2500, а точное значение массы даст ответ – какой из газов регистрируется. Наиболее точное измерение массы возможно на приборах с двойной фокусировкой и на масс-спектрометрах ионно-циклотронного резонанса.
Динамический диапазон
Если мы анализируем смесь, содержащую 99.99 % одного соединения или какого-либо элемента и 0.01% какой-либо примеси, мы должны быть уверены, что правильно определяем количество этих элементов. Для того, чтобы быть уверенным в результатах анализа, нужно иметь диапазон линейности в 4 порядка. Современные масс-спектрометры для органического анализа характеризуются динамическим диапазоном в 5-6 порядков, а масс-спектрометры для элементного анализа 9-10 порядков. Динамический диапазон в 10 порядков означает, что примесь в пробе будет видна даже тогда, когда она составляет 10 миллиграмм на 10 тонн.
Чувствительность
Чувствительность - величина, показывающая какое количество вещества нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы его можно было детектировать. Чувствительность является одной из важнейших характеристик масс-спектрометров. Для простоты обычно рассматривают связанный с чувствительностью параметр – минимальное определяемое количество вещества, или порог обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хорошего хромато-масс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1х10-12 грамм при вводе 1 микролитра раствора.
Пределы обнаружения неорганических веществ, например, методом ICP/MS (ИСП/МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой) составляет 1х10-15 (одна доля на квадриллион).