Gnistionisering

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Skjematisk oversikt over Dempsters høyspent radiofrekvente gnistioniseringskilde

Gnistionisering (også kjent som gnistkildeionisering) er en metode som brukes til å produsere gassfaseioner fra en fast prøve. Den tilberedte faste prøven fordampes og delvis ioniseres ved periodisk utslipp eller gnist.[1] Denne teknikken brukes primært innen massespektrometri. Når det er integrert i et massespektrometer, blir hele instrumentet referert til som et gnistioniseringsmassespektrometer eller som et gnistkildemassespektrometer (ofte forkortet til SSMS fra det engelske navnet spark source mass spectrometer).[2]

Historie[rediger | rediger kilde]

Bruken av gnistionisering for analyse av urenheter i faste stoffer ble indikert av Arthur Jeffrey Dempster i 1935.[3] Metaller var en klasse av materiale som ikke tidligere kunne ioniseres ved termisk ionisering (metoden som tidligere ble brukt for ioniserende fast prøve). Gnistionkilder ble ikke produsert kommersielt før etter 1954, da Hannay demonstrerte sin evne til å analysere sporurenheter (per million deteksjonsfølsomhet) i halvledende materialer.[4] Prototypen av gnistkildeinstrumentet var MS7 massespektrometer produsert av Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. i 1959. Kommersiell produksjon av gnistkildeinstrumenter fortsatte gjennom 50-, 60- og 70-tallet, men de ble faset ut når andre sporstoffelementdeteksjonsteknikker med forbedret oppløsning og nøyaktighet ble oppfunnet (ca. 1960-tallet).[5] Etterfølgere av gnistionkilden for sporelementanalyse er laserionkilden, glødeutladningskilden og den induktivt koblede plasmaionkilden. I dag bruker svært få laboratorier gnistionisering over hele verden.

Hvordan den fungerer[rediger | rediger kilde]

Gnistionkilden består av et vakuumkammer som inneholder elektrodene, som kalles gnisthuset. Spissene på elektrodene er sammensatt av eller inneholder prøven og er elektrisk koblet til strømforsyningen. Ekstraksjonselektroder skaper et elektrisk felt som akselererer de genererte ionene gjennom utgangsslissen.

Ionekilden[rediger | rediger kilde]

For gnistionisering eksisterer det to ionkilder: lavspenning likestrøm (DC) lysbuekilde og høyspenning radiofrekvens (RF) gnistkilde. Buekilden har bedre reproduserbarhet og de produserte ionene har en smalere energispredning sammenlignet med gnistkilden; imidlertid har gnistkilden evnen til å ionisere både ledende og ikke-ledende prøver mens buekilden bare kan ionisere ledende prøver.[6]

I lavspent DC-buekilde tilføres en høy spenning til de to ledende elektrodene for å initiere gnisten, etterfulgt av påføring av en lavspennings likestrøm for å opprettholde en lysbue mellom gnistgapet. Varigheten av buen er vanligvis bare noen få hundre mikrosekunder for å forhindre overoppheting av elektrodene, og den gjentas 50-100 ganger per sekund.[2] Denne metoden kan bare brukes til ionisering av ledende prøver, f.eks. metaller.

Høyspennings RF-gnistkilden er den som ble brukt i kommersielle SSMS-instrumenter på grunn av dens evne til å ionisere både ledende og ikke-ledende materialer. Vanligvis er prøver fysisk innlemmet i to ledende elektroder mellom hvilke en intermitterende (1 MHz) høyspenning (50-100 kV ved bruk av en Tesla-transformator) elektrisk gnist produseres for å ionisere materialet på tuppen av de pinformede elektrodene.[2] Når den pulserende strømmen påføres elektrodene under ultrahøy vakuum, oppstår et gnistutladningsplasma i gnistgapet der ioner genereres via elektronstøt. Innen utladningsplasmaet fordamper prøven, forstøver og ioniseres prøven via elektronpåvirkning.[7] Den totale ionestrømmen kan optimaliseres ved å justere avstanden mellom elektrodene. Denne modusen for ionisering kan brukes til å ionisere ledende, halvledende og ikke-ledende prøver.

Prøveopparbeiding[rediger | rediger kilde]

Ledende og halvledende prøver kan analyseres direkte etter å ha blitt formet til elektroder. Ikke-ledende prøver pulveriseres først, blandes med et ledende pulver (vanligvis grafitt eller sølv med høy renhet), homogeniseres og formes deretter til elektroder. Selv væsker kan analyseres hvis de er frossne eller etter impregnering av et ledende pulver.[8] Prøvehomogenitet er viktig for reproduserbarhet.

Gnistkildemassespektrometri (SSMS)[rediger | rediger kilde]

RF gnistkilden skaper ioner med en bred energispredning (2-3 kV), noe som krever en dobbeltfokuserende masseanalysator. Masseanalysatorer har typisk Mattauch-Herzog-geometri, som oppnår hastighet og retningsfokusering på et plan med enten lysfølsomme plater for ionedeteksjon eller lineære kontinuerlig elektronmultiplikator.[9] SSMS har flere unike funksjoner som gjør det til en nyttig teknikk for forskjellige applikasjoner. Fordelene ved SSMS inkluderer høy følsomhet med deteksjonsgrenser i ppb-området, deteksjon av alle elementene i en prøve samtidig og enkel prøveforberedelse. Imidlertid er RF-gnistionstrømmen diskontinuerlig og uberegnelig, noe som resulterer i bra oppløsning og nøyaktighet når standarder ikke implementeres. Andre ulemper inkluderer kostbart utstyr, lang analysetid og behovet for høyt utdannet personell for å analysere spekteret.[5]

Anvendelser av SSMS[rediger | rediger kilde]

Gnistkildemassespektrometri har blitt brukt til sporanalyse og multielementanalyseapplikasjoner for høytledende, halvledende og ikke-ledende materialer. Noen eksempler på SSMS-applikasjoner er sporelementanalyse av materialer med høy renhet, analyse av elementer i tekniske legeringer, geokjemiske og kosmokjemiske prøver, biologiske prøver, industrielle strømmningsprøver og radioaktivt materiale.[8]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ IUPAC gold book definition. [død lenke]
  2. ^ a b c Beske, H. E.; Hurrle, A.; Jochum, K. P. (Januar 1981). «Part I. Principles of spark source mass spectrometry (SSMS)». Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 4 (engelsk). 309: 258–261. ISSN 0016-1152. doi:10.1007/BF00488596. Besøkt 10. mars 2021. 
  3. ^ Dempster, A. J. (April 1935). «New Ion Sources for Mass Spectroscopy». Nature. 3414 (engelsk). 135: 542–542. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/135542a0. Besøkt 10. mars 2021. 
  4. ^ Hannay, N. B. (Juli 1954). «A Mass Spectrograph for the Analysis of Solids». Review of Scientific Instruments. 7 (engelsk). 25: 644–648. ISSN 0034-6748. doi:10.1063/1.1771150. Besøkt 10. mars 2021. 
  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. 6 (engelsk). 1: 411. ISSN 0267-9477. doi:10.1039/ja9860100411. Besøkt 10. mars 2021. 
  6. ^ «Recent advances in analytical spark source mass spectrometry». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1491 (engelsk). 305: 509–519. 5. juli 1982. ISSN 0080-4614. doi:10.1098/rsta.1982.0048. Besøkt 10. mars 2021. 
  7. ^ Ekman, Rolf; Silberring, Jerzy; Westman-Brinkmalm, Ann; Kraj, Agnieszka, red. (21. november 2008). Mass Spectrometry: Instrumentation, Interpretation, and Applications. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-470-39581-3. doi:10.1002/9780470395813. 
  8. ^ a b Beske, H. E.; Gijbels, R.; Hurrle, A.; Jochum, K. P. (Januar 1981). «Part IV. Review and evaluation of spark source mass spectrometry as an analytical method». Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 4 (engelsk). 309: 329–341. ISSN 0016-1152. doi:10.1007/BF00488613. Besøkt 10. mars 2021. 
  9. ^ Becker, J.Sabine; Dietze, Hans-Joachim (Februar 2000). «Inorganic mass spectrometric methods for trace, ultratrace, isotope, and surface analysis». International Journal of Mass Spectrometry. 1-3 (engelsk). 197: 1–35. doi:10.1016/S1387-3806(99)00246-8. Besøkt 10. mars 2021. 
Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Gnistionisering&oldid=21788726»