Спектрометрия

 

 

 

 

                                         Реферат  на тему :

                  Спектрометрия

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                      

 

 

                                     Выполнил студент 3 курса

                                                                                         группы НИб-121

                                                                                          Игнатов Владислав

 

Содержание:

1) Что такое масс-спектрометрия

2) История масс-спектрометрии

3) Спектрометры. Устройство и принцип действия

4) Методы оптической спектрометрии

5) Применение спектроскопии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) Что такое масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия — это физический метод, основанный на измерении массы заряженных частиц материи, используется для анализа вещества в течение почти 100 лет начиная с основополагающих опытов Томсона в 1912 году. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее отношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр — это просто рассортировка заряженных частиц по отношениям массы к заряду. Так как большинство небольших органических молекул при ионизации приобретает только один заряд, то для упрощения говорят о разделении веществ по массе. Важным исключением из этого правила являются белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры, которые способны приобретать множественные заряды. Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав. Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом, можно получать данные о структуре вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) История масс-спектрометрии

1912 год — Дж. Дж. Томсон создает первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена.

1913 год — С помощью своего масс-спектрографа Дж. Дж. Томсон открывает изотопы неона: неон-20 и неон-22.

1918 год — Артур Демпстер строит первый масс-спектрограф.

1919 год — Фрэнсис Астон, независимо от Демпстера, строит свой первый масс-спектрограф и начинает исследования изотопов. Этот прибор имел разрешающую способность около 130.

1923 год — Астон измеряет с помощью масс-спектрометра дефект массы.

1932 год — Кеннет Бейнбридж строит масс-спектрометр с разрешающей способностью 600 и чувствительностью 1 часть на 10 тыс.

1936 год — Артур Демпстер, Кеннет Бэйнбридж и Йозеф Маттаух конструируют масс-спектрограф с двойной фокусировкой. Демпстер разрабатывает искровой источник ионизации.

1940 год — Альфред Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235.

1940 год — Альфред Нир создает первый надёжный источник электронного удара, применив ионизационную камеру.

1942 год — Лоуренс запускает «калутрон» — промышленную установку по разделению изотопов урана, основанную на магнитно-секторном масс-спектрометре.

1946 год — Уильям Стивенс предлагает концепцию время-пролётного масс-спектрометра.

1948 год — Камероном и Эггерсом создан первый масс-спектрометр с время-пролётным масс-анализатором.

1952 год — Тальрозе и Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH5+ в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией).

1953 год — Пауль патентует квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку.

1956 год — МакЛафферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр.

1966 год — Мансон и Филд создают ионный источник с химической ионизацией.

1972 год — Каратаев и Мамырин изобретают время-пролётный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора.

1974 год — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и МакЛафферти

1981 год — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB).

1982 год — Первый масс-спектр целого белка (инсулин) с помощью бомбардировки быстрыми атомами (FAB).

1983 год — Бланки и Бестал изобретают термоспрей.

1984 год — Л. Н. Галль, а затем Фенн публикуют работы по методу электроспрей.

1987 год — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

1999 год — Александр Макаров изобретает электростатическую ионную ловушку «Орбитрэп».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Спектрометры. Устройство  и принцип действия

Спектрометр (лат. spectrum от лат. spectare — смотреть и метр от др.-греч. μέτρον — мера, измеритель) — оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Анализируемый спектр получается путем регистрациифлуоресценции после воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.). Обычно измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота) излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики, например, поляризационное состояние. Термин «спектрометр» применяется к приборам, работающим в широком диапазоне длин волн: от гаммадо инфракрасного диапазона.

исторический спектрометр

 

Пример современного спектрометра для определения элементного состава вещества

 

Устройство и принцип действия:

1. Щель

2. Дифракционная решетка

3. Детектор

4. Оптическая схема

5. Спектральное разрешение

6. Выбор оптического волокна

 

Часть 1. Щель

Спектрометр представляет собой систему визуализации, распределяющую множество монохроматических изображений в плоскости детектора (через входную щель). От входной щели зависят рабочие характеристики спектрометра, поскольку она задает размер светового потока, попадающего на оптическую часть. От нее зависит спектральное разрешение, другими важными факторами также являются частота  штрихов дифракционной решетки  и размер пикселей детектора.

Оптическое разрешение и пропускная способность спектрометра полностью зависят от параметров щели. Свет попадает внутрь спектрометра через оптическое волокно или линзу, сфокусированную на  с учетом настройки щели. От щели зависит угол расходимости попадающего внутрь света.

Щели могут иметь разную ширину – от 5мкм до 800мкм и более, высота щели составляет 1 мм (стандартно) – 2мм. Выбор размера входной щели – важный  вопрос, так как она настраивается и устанавливается в спектрометре только квалифицированным специалистом.

В основном в спектрометрах применяются щели шириной 10, 25, 50, 100, 200 мкм и т.д. В системах, в которых применяются оптические волокна для подачи светового пучка, размер пакета волокон совпадает с размером входной щели. Обычно это снижает рассеяние света и повышает пропускную способность прибора.

Часть 2. Дифракционная решетка

Дифракционная решетка формирует спектр длин волн света и частично влияет на оптическое разрешение спектрометра. Правильный выбор дифракционной решетки является важным фактором для получения требуемых характеристик спектра при решении задач. От решетки зависит оптическое разрешение и эффективность распределения в спектре. Она имеет два параметра: частота штрихов решетки и угол блеска, о которых пойдет речь в данном разделе.

Применяются дифракционные решетки двух типов: нарезные и голографические решетки. Нарезные решетки состоят из большого количества параллельных штрихов, выполненных на поверхности, на которую наносится зеркальное покрытие. Голографические решетки создаются в результате интерференции двух УФ лазерных пучков (параллельных или непараллельных) на светочувствительном слое. Они отличаются стабильными спектральными характеристиками, но имеют более низкую эффективность.

Нарезные решетки – наиболее простые и недорогие материалы в производстве, но они довольно сильно рассеивают свет. Это происходит из-за неточности изготовления штрихов и частоты их нанесения. Поэтому в спектроскопии (например, УФ спектроскопии) детектор работает хуже и оптические характеристики получаются ниже. В подобном случае голографические решетки позволяют снизить эффект рассеяния света и повысить выходные характеристики спектрометра. Другим преимуществом голографической решетки является возможность простого ее создания на криволинейных поверхностях, это позволяет одновременно использовать решетку в качестве рассеивающего и фокусирующего элемента

Часть 3. Детектор

Мы обсудили важность входной щели и дифракционной решетки при формировании спектрального изображения в плоскости изображения.  В традиционных спектрометрах (монохроматорах) вторая щель размещена в плоскости изображения и называется выходной щелью.

Выходная щель имеет обычно аналогичные размеры,  как и входная щель, а ширина последней является одним из факторов, ограничивающих спектральный диапазон прибора (как отмечено в части 1 материала). В этой конструкции детектор размещен за выходной щелью и решетка поворачивается для сканирования спектрального изображения через щель, поэтому интенсивность света является функцией длины волны.

В современных спектрометрах детекторы на линейных и ПЗС-матрицах являются следующим шагом развития спектрометров со штриховой решеткой. Поскольку случайный свет попадает на пиксели через ПЗС-матрицу,  то каждый пиксель берет на себя часть спектра, который электронная система прибора может преобразовать и отобразить с помощью программного обеспечения. Это преимущество позволяет конструировать спектрометры без подвижных компонентов,  что приводит к сокращению размеров и энергопотребления. Применение компактных многоэлементных детекторов – это резкое сокращение затрат, компактные размеры спектрометров, которые получили название «миниатюрные спектрометры».

 

 

 

 

 

 

Часть 4. Оптическая схема

Как указано в части 1, спектрометр представляет собой систему получения изображений, которая распределяет множество монохроматических изображений, полученных через входную щель, на плоскость детектора. В предыдущих трех разделах мы обсудили основные компоненты спектрометра: входную щель, дифракционную решетку, детектор. В данном разделе объясняется работа всех трех компонентов совместно с разными оптическими элементами в системе. Эта система называется спектрографом. Вариантов оптических схем довольно много, наибольшее распространение получили следующие из них: кросс-корреляционная схема Черни-Тернера, развернутая модель Черни-Тернера и вогнутые спектрографы

 

 

Часть 5. Спектральное разрешение

Одной из важнейших характеристик спектрометра является спектральное (оптическое) разрешение. Спектральное разрешение системы определяет максимальное количество спектральных пиков, которые спектрометр может определить. Например, если спектрометр имеет диапазон 200 нм и спектральное разрешение 1 нм, система способна определить до 200 длин волн (пиков) в спектре.

В дисперсионных спектрометрах существует три ключевых фактора, которые определяют спектральный диапазон устройства: входная щель, дифракционная решетка, детектор. От щели зависит минимальный размер изображения, который оптический стол может сформировать в плоскости детектора. Дифракционная решетка определяет суммарный спектральный диапазон. Детектор определяет максимальное количество и размер неярких точек, которые можно оцифровать в виде спектра.

 

 

 

 

 

 

 

Часть 6. Выбор оптического волокна

При настройке спектрометра на выполнение работы важным является правильный выбор оптического волокна. Несмотря на наличие множества факторов, влияющих на данный выбор, следует обратить внимание на два ключевых параметра: диаметр волновода и поглощение света. Рассмотрим оптическое волокно и его применение в спектрометре. Затем обсудим обе характеристики, отмеченные выше, и их влияние на пропускную способность оптического волокна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) Методы оптической спектрометрии

Оптическая спектрометрия включает методы количественного и качественного анализа, основанные на взаимодействии света с живой и неживой материей. Оптическая спектрометрия применяется в различных областях науки и в контроле производственных процессов. 
 
Несомненную важность метод оптической спектрометрии неоднократно демонстрирует в медицине, химии, физике, биологии и астрономии, а также в мониторинге окружающей среды. Значимой характеристикой этого метода является высокая специфичность, которая объясняется тем, что каждое вещество обладает своими уникальными спектральными свойствами, отличными от спектральных свойств других веществ. Анализ спектральных характеристик веществ осуществляется с использованием спектрометра, и может быть реализован как в качественном, так и в количественном аспектах. 
Технические параметры современных спектрометров приближаются к пределу, обусловленному известными физическими законами. Высокая чувствительность и разрешающая способность спектрометров придает методам оптической спектрометрии ряд преимуществ по сравнению с другими аналитическими методами: 
-метод не является агрессивным и не требует разрушения измеряемого образца 
-расстояние, с которого производится измерение, варьирует от нескольких микрометров (спектрометрия с использованием микроскопов - микроспектроскопия), нескольких миллиметров, до нескольких сотен километров (со спутников)  
-для исследования подходят жидкие, твердые и газообразные образцы, а также плазма 
-ширина охватываемого диапазона в большинстве случаев перекрывает другие аналитические методы 
-возможно определение чрезвычайно низких концентраций веществ (с использованием люминесцентных методов спектрометрии) 
-возможно исследование чрезвычайно быстрых процессов, а также очень редких явлений (измерение нескольких фотонов в секунду)  
 
Особенно эффективными для решения задач, использующих методы оптической спектрометрии, являются оптоволоконные автоматизированные спектрофотометры Avaspec, которые при габаритах в сотни и стоимости в десятки раз меньше чем сопоставимый классический спектрофотометр отличается высокой эффективностью и надёжностью. Это достигается благодаря использованию оптических измерительных модулей с высокочувствительными матричными детекторами и уникальной электронной платформе, USB и RS-232 интерфейсами спектрометр-компьютер, обеспечивающей работу миниатюрных оптико-измерительных модулей в многоканальном режиме. 
 
Задание автоматизированных режимов работы спектрометров и обработка результатов измерений поддерживается программным обеспечением, обширная библиотека которого даёт решения множества прикладных исследований в режиме реального времени. 
 
В настоящее время происходит расширение сферы применения спектроскопии в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, широкое использование методов Рамановской спектрометрии. Методы оптической спектрометрии незаменимы в физике, геологии и экологии, а также в нефтехимии, пищевой и фармацевтической промышленности и в медицине.