Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Részecske analizátorok és detektorok

Részecske analizátorok és detektorok

Általánosságban elmondható, hogy a részecskék detektálása a spektroanalitikai berendezésekben nagymértékben a fotonokéval analóg módon történik, hiszen a foton detektorok működése is az elektromágneses sugárzás részecske természetén (és nem hullámtermészetén) alapul. Ennek megfelelően az egyes energiatartományokban működő foton detektorok ugyanezen energiatartományokban elvben részecske detektorként is működnek. Fontos ugyanakkor megjegyezni, hogy az elektronok detektálásának esete kivételével a részecskék detektálására használt eszközök élettartama (a foton detektorokkal szemben) határozottan véges, hiszen minden detektált részecske a detektor felületét szennyezi. Fontos azt is megjegyezni, hogy a részecskék analizálása feltétlenül nagyvákuum környezet alkalmazását igényli, hiszen a részecskék gyakori, véletlen ütközése egy környező gáz részecskéivel (pl. a levegő nitrogén, oxigén, stb. molekuláival) nagyon megnehezítené a folyamatot. A laboratóriumi spektroanalitikában a részecskék közül kitüntetett szerepe általában a töltéshordozó részecskéknek, ezen belül is főként az elektronoknak és ionoknak van. Ezen töltéshordozó részecskék analizálása (tömegük vagy töltésük meghatározása) általában külső elektromos és/vagy mágneses mező alkalmazásával lehetséges, mivel az ezen tereken való áthaladáskor tömegükkel (kinetikus energiájukkal) illetve tömeg/töltés viszonyszámukkal arányos kitérítő erők hatnak rájuk. Az alábbiakban előbb a töltéshordozó részecskék analizálására, majd detektálására alkalmas fontosabb eszközöket tekintjük át röviden, amelyek főként a tömegspektrometriában bírnak kiemelt jelentőséggel.

Töltéshordozó részecskék analizálása

A kvadrupólus analizátor

A kvadrupólus analizátorok valójában tömegszűrőknek tekinthetők, mivel működésük során csak egy adott, szűk, hangolható tartományba eső tömegű (tömeg/töltés viszonyszámú) részecskéket engednek magukon keresztül. Ezen analizátorok négy, egymással párhuzamosan elhelyezett, hiperbolikus keresztmetszetű vezető rúdból (elektródból) állnak, amelyekre szemközti páronként olyan, pontosan szabályzott feszültséget kapcsolnak, amely egyenáramú és rádiófrekvenciás váltóáramú komponenst is tartalmaz. A rudak között kialakuló kvardupólus tér hatására a rudak között, az analizátor hossztengelyének irányában belépő töltéshordozó részecskék változó irányú és nagyságú kitérítő erőt érzékelnek, amely őket összetett háromdimenziós pályára kényszeríti. Ezek a röppályák azonban többségében instabilak és a részecskéknek az egyik rúdba való ütközésével fejeződnek be, mindössze egy keskeny tartományba eső m/z viszonyszámú részecske tud akadálytalanul áthaladni. A rúd elektródokra kapcsolat feszültség változtatásával lehetséges az analizátor által átengedett részecske m/z viszonyszámát változtatni. A kvadrupólus analizátorok elterjedten alkalmazott, kompakt (tipikusan kb. 30 cm hosszúságú) és robusztus felépítésű tömeganalizátorok, amelyek előnye a konstans felbontás, viszonylag gyors pásztázási sebesség. Hátránya a közepes iontranszmisszió és felbontás (kb. 0,5 amu).

A kvadrupólus ionanalizátor vázlatos felépítése

A repülési idő analizátor

A repülési idő tömeganalizátorok (time-of-flight, TOF, analizátor) működése a különböző tömegű (és azonos töltésnemű) részecskéknek egy konstans nagyságú gyorsító nagyfeszültség hatására elért eltérő sebességén alapul; a részecskéket egy repülési csőben gyorsítják fel és a detektor a részecskék becsapódási ideje közötti különbséget figyeli. Könnyen belátható, hogy ezen alapjaiban egyszerű mérési elv működéséhez két fontos feltételnek kell teljesülnie: 1.) a részecskék sebességvektorának a gyorsító elektromos tér iránya (a cső hosszanti tengelye mentén) eső vetületének a repülési csőbe való belépéskor a lehető legkisebbnek és lehető leginkább egyformának kell lennie, 2.) a részecskék indítását a detektálással pontosan szinkronizálni kell az időmérés (tömegmérés) pontossága érdekében. Az első feladatot a korszerű TOF analizátorokban ún. reflektron (repeller) segítségével oldják meg; ez az elrendezés lényegében egy elektrosztatikus tükröt hoz létre gyűrűelektródokra kapcsolt taszító elektromos tér segítségével, ami a haladó részecskéket lelassítja, megállásra kényszeríti, majd az ellenkező irányba kezdi gyorsítani. Ezt a precíziós konstrukciót az alábbi ábra vázlata szemlélteti.

Egy repülési idő (TOF) ionanalizátor vázlatos felépítése

A részecskék (időmérés) indulásának szinkronizálását oly módon érik el, hogy a részecskéket rövid impulzusokban, adagokban juttatják be az eszközbe, pl. gyors elektromos impulzussal vagy impulzusüzemű lézerfénnyel való mintavételezés révén. A repülési idő tömeganalizátorok fő előnye nagy pásztázási sebesség (akár kb. 0,1 ms/scan), azért előszeretettel alkalmazzák olyan műszerekben, amelyekkel gyors, tranziens folyamatokat akarnak követni. Ugyanakkor sem iontranszmissziója, sem felbontása nem kimagasló (a kvadrupólus analizátorhoz hasonló). Hátrányai közé tartozik az is, hogy a felbontás nem konstans értékű a teljes tömegspektrumban.

Elektromos és mágneses szektor analizátorok

Amint azt már említettük, a töltéshordozó részecskék analizálása külső elektromos és/vagy mágneses mező alkalmazásával lehetséges, mivel az ezen tereken való áthaladáskor tömegükkel (kinetikus energiájukkal) illetve tömeg/töltés viszonyszámukkal arányos kitérítő erők hatnak rájuk. Ennek praktikus megvalósítása az elektromos és mágneses (kör)szektorokban lehetséges, amelyek tipikusan 180 fokos geometriájúak, amint az az alábbi ábrákon is látható. Az elektromos és mágneses szektorokat önállóan vagy kombináltan, többet egymás után „sorba kapcsolva” is alkalmazni lehet; ebben az esetben a felbontóképesség természetesen jelentősen megnő. Egyes elektromos szektor analizátorokban (főként az elektronok analizálására szolgáló típusokban) két félgömb alkotja a két elektródot (ún. hemiszférikus analizátor). Értelemszerűen, az elektromos és mágneses szektor analizátorokban az elektromos térerősség illetve mágneses térerősség hangolásával lehet a detektálandó tömegű illetve tömeg/töltés viszonyszámú részecskét kiválasztani. A felbontást az analizátor dimenziói és a részecskék kilépésére szolgáló rés mérete szabja meg.

Az elektromos és mágneses szektor ionanalizátorok működésének vázlata

Töltéshordozó részecskék detektálása

Amint azt már említettük a részecskék detektálása általában a megfelelő energiatartományban érzékeny foton detektorokkal is lehetséges, ezért az alábbiakban csak két, a tömegspektrometria számára legfontosabb konkrét detektor konstrukciót ismertetünk.

A Faraday-csésze detektor

Az úgynevezett Faraday-csésze (másképpen: henger elektródos) detektor igen egyszerű felépítésű. Lényegében a töltéshordozó részecskék (elektronok vagy ionok) nyalábja egy fémből készült, csésze alakú elektódba ütközik. A fém ennek hatására felveszi a részecskék töltését, ami a földelés felé távozás során egy érzékeny árammérő műszerrel (pl. elektrométer) mérhető áramlökést produkál. A becsapódáskor másodlagos elektronok is keletkezhetnek, amennyiben a fém kilépési munkája kicsi és a részecskék nagy kinetikus energiával érkeznek. Ezen másodlagos elektronoknak a detektorban tartásáról egy nagy negatív potenciálon tartott, a detektor szájánál elhelyezett kisfuratú gyűrűelektród, vagy egyes konstrukciókban mágneses tér gondoskodik. A Faraday-csésze detektor olcsó, robusztus, de kis érzékenységű detektor, amit éppen ezért nyomanalitikai műszerekben ionok detektálására ritkán alkalmazzák. Gyakran alkalmazzák azonban termoanalitikai műszerekben (TG-MS) és elektronnyalábok intenzitásának mérésére. Az utóbbi alkalmazásokban a legnagyobb pontosságú detektorok közé tartozik.

A channeltron detektor

A nyomanalitikai tömegspektrometriában leggyakrabban alkalmazott részecske detektor az ún. channeltron típusú detektor. Ennek működési elve igen hasonló a fotoelektron-sokszorozóhoz (lásd PMT); egy kis kilépési munkájú katódba csapódó részecskék elektronokat váltanak ki, amelyeket egy dinóda sorra kapcsolt, lépcsőzetesen növekvő pozitív potenciál gyorsít és lavinaszerűen sokszoroz. A channeltron detektorok kiépítése annyiban más, hogy egy kürt alakú (lásd pl. a kvadrupólus ionanalizátort bemutató ábrat), elektromosan vezető, belső felületén kialakított „folytonos dinóda” konstrukcióval dolgoznak. A folytonos dinódán eső feszültségről a bevonat elektromos ellenállása gondoskodik.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Ismertesse a részecskék és fotonok detektálására szolgáló eszközök jellemzői közti különbségeket és hasonlóságokat!

  2. Hogyan működik a TOF tömeganalizátor?

  3. Hogyan működnek a kvadrupólus rendszerű tömeganalizátorok?

  4. Mi a channeltron detektor működési elve?