스파크 이온화

Spark ionization
뎀스터의 고전압 무선 주파수 스파크 이온화 선원의 개략도

스파크 이온화(스파크 소스 이온화라고도 함)는 고체 시료에서 기상 이온을 생성하는 데 사용되는 방법입니다.준비된 고체 시료는 간헐적 방전 또는 [1]스파크에 의해 증발되고 부분적으로 이온화된다.이 기술은 주로 질량 분석 분야에서 사용됩니다.질량 분석계와 통합된 경우 전체 계측기를 스파크 이온화 질량 분석계 또는 스파크 소스 질량 분석계(SSMS)[2]라고 합니다.

역사

고형물의 불순물 분석을 위한 스파크 이온화 [3]사용은 1935년 뎀프스터의 연구에 의해 입증되었다.금속은 이전에는 열 이온화(예전에는 고체 샘플을 이온화하는 방법)로 이온화할 수 없었던 물질의 한 종류였다.스파크 이온원은 1954년 이후 Hannay가 반도체 [4]재료의 미량 불순물(sub-part per million detection sensitivity) 분석 능력을 입증할 때까지 상업적으로 생산되지 않았다.시제품 스파크 소스 계측기는 1959년 Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd.에서 생산한 MS7 질량 분석계입니다.스파크 소스 계측기의 상업적인 생산은 50년대, 60년대 및 70년대 내내 계속되었지만 해상도와 정확도가 향상된 다른 미량 원소 검출 기술이 발명되면서 점차 중단되었습니다(약 1960년대).[5]미량 원소 해석용 스파크 이온원의 후계자는 레이저 이온원, 글로우 방전 이온원 및 유도 결합 플라즈마 이온원이다.오늘날 전 세계적으로 스파크 이온화를 사용하는 연구소는 거의 없습니다.

구조

스파크 이온 소스는 전극이 들어 있는 진공 챔버로 구성되어 있으며, 이를 스파크 하우징이라고 합니다.전극의 팁은 샘플로 구성되거나 샘플이 들어 있으며 전원 공급기에 전기적으로 연결됩니다.추출 전극은 출구 슬릿을 통해 생성된 이온을 가속하는 전계를 생성합니다.

이온원

스파크 이온화에는 저전압 직류(DC) 아크 소스와 고전압 무선 주파수(rf) 스파크 소스의 두 가지 이온 소스가 있습니다.아크 소스는 재현성이 우수하고 생성된 이온은 스파크 소스에 비해 에너지 확산이 좁습니다. 그러나 아크 소스는 전도성 샘플과 비전도성 샘플을 모두 이온화할 수 있는 능력이 있는 반면 아크 소스는 [6]전도성 샘플만 이온화할 수 있습니다.

저전압직류아크원은 2개의 도전전극에 고전압을 인가하여 스파크를 개시한 후 저전압직류전류를 인가하여 스파크갭간의 아크를 유지한다.아크의 지속 시간은 전극의 과열을 방지하기 위해 보통 수백 마이크로초이며 초당 [2]50-100회 반복됩니다.이 방법은 금속과 같은 전도성 검체를 이온화하는 데에만 사용할 수 있습니다.

고전압 RF 스파크 소스는 도전성 물질과 비전도성 물질을 모두 이온화할 수 있기 때문에 상용 SSMS 계측기에 사용된 소스입니다.일반적으로 샘플은 두 개의 도전성 전극에 물리적으로 통합되어 있으며, 그 사이에 간헐적(1MHz) 고전압(Tesla 변압기를 사용하여 50-100kV) 전기 스파크가 생성되어 핀 모양의 [2]전극 끝에 있는 물질이 이온화됩니다.초고진공 상태에서 전극에 펄스 전류가 인가되면 스파크 갭에서 스파크 방전 플라즈마가 발생하며, 이 스파크 갭에서 전자충격으로 이온이 발생한다.방전 플라즈마 내에서 샘플은 전자 [7]충격을 통해 증발, 원자화 및 이온화됩니다.총 이온 전류는 전극 사이의 거리를 조정하여 최적화할 수 있습니다.이 이온화 모드는 전도성, 반전도성 및 비전도성 샘플을 이온화하는 데 사용할 수 있습니다.

샘플 준비

도전성 시료와 반도전성 시료는 전극으로 형성한 후 직접 분석할 수 있다.비전도성 샘플은 먼저 분말을 만들어 전도성 분말(일반적으로 고순도 흑연 또는 은)과 혼합한 후 균질화한 후 전극으로 형성됩니다.액체라도 동결 또는 도전성 [8]분말 함침 후 분석이 가능하다.표본 균질성은 재현성에 중요합니다.

불꽃원 질량 분석(SSMS)

RF 스파크 소스는 넓은 에너지 범위(2-3kV)의 이온을 생성하므로 이중 초점 질량 분석기가 필요합니다.질량 분석기는 전형적으로 Mattauch-Herzog 기하학으로 이온 검출용 감광판 또는 선형 채널트론 검출기 [9]어레이를 사용하여 평면에 속도와 방향 초점을 맞춘다.SSMS에는 다양한 응용 프로그램에 유용한 기술이 되는 몇 가지 고유한 기능이 있습니다.SSMS의 장점은 ppb 범위의 검출 한계를 가진 고감도, 시료 내 모든 원소의 동시 검출, 간단한 시료 준비 등이다.단, RF 스파크 이온 전류는 불연속적이고 불규칙하기 때문에 표준이 구현되지 않은 경우 분해능이 균등하고 정확합니다.다른 단점으로는 고가의 장비, 긴 분석 시간, 스펙트럼 [5]분석을 위한 고도의 훈련을 받은 직원의 필요성 등이 있습니다.

SSMS의 응용 프로그램

스파크 소스 질량 분석법은 전도성, 반도체 및 비전도성 재료의 미량 분석 및 다원소 분석 응용 분야에 사용되어 왔습니다.SSMS 적용의 예로는 고순도 재료의 미량 원소 분석, 기술 합금의 원소 다원소 분석, 지구 화학 및 우주 화학 샘플, 생물 샘플, 산업 흐름 샘플 및 방사성 [8]물질이 있다.

레퍼런스

  1. ^ IUPAC 골드북 정의
  2. ^ a b c H. E. Beske, A. Hurrle and K. P. Jochum (1981). "Part I. Principles of spark source mass spectrometry (SSMS)". Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. 309 (4): 258–261. doi:10.1007/BF00488596.
  3. ^ Dempster, A.J. (April 1935). "New Ion Sources for Mass Spectroscopy". Nature. 135 (3414): 542. doi:10.1038/135542a0.
  4. ^ Hannay, N. B. (July 1954). "A Mass Spectrograph for the Analysis of Solids". Review of Scientific Instruments. 25 (7): 644–648. doi:10.1063/1.1771150.
  5. ^ a b Verlinden, Jozef; Gijbels, Renaat; Adams, Freddy (1986). "Applications of spark-source mass spectrometry in the analysis of semiconductor materials. A review". Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 1 (6): 411. doi:10.1039/JA9860100411.
  6. ^ Adams, F.; Thomas, J. M. (1982). "Recent Advances in Analytical Spark Source Mass Spectrometry [and Discussion]". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 305 (1491): 509–519. doi:10.1098/rsta.1982.0048. ISSN 0080-4614. JSTOR 37113.
  7. ^ Kraj, Agnieszka (2009). Ekman, Rolf; Silberring, Jerzy; Westman-Brinkmalm, Ann; Kraj, Agnieszka (eds.). Mass Spectrometry: Instrumentation, Interpretation, and Applications. John Wiley & Sons. pp. 19–20. doi:10.1002/9780470395813. ISBN 9780470395806.
  8. ^ a b Beske, H. E.; Gijbels, R.; Hurrle, A.; Jochum, K.P. (1981). "Part IV. Review and Evaluation of Spark Source Mass Spectrometry as an Analytical Method". Fresenius' Zeitschrift für Analytische Chemie. 309 (4): 329–341. doi:10.1007/BF00488613.
  9. ^ Becker, Sabine; Dietze, Hans-Joachim (29 Feb 2000). "Inorganic mass spectrometric methods for trace, ultratrace, isotope, and surface analysis". International Journal of Mass Spectrometry. 197 (1–3): 1–35. doi:10.1016/S1387-3806(99)00246-8.