Фізика і хімія поверхні вуглецевих волокон: мас-спектральний метод дослідження

ЗМІСТ

Вступ.........................................................................................

Розділ 1. Введення в мас-спектроскопію..............................

1.1. Основні принципи утворення мас-спектра.......

1.1.1. Іонізація............................................................

1.1.2. Дисоціація. Загальні положення.....................

1.1.3. Дисоціація та локалізація заряду....................

1.2. Тенденції удосконалення апаратури для

молекулярної мас-спектрометрії....................

1.2.1. Джерело іонів...................................................

1.2.2. Мас-аналізатор.................................................

1.2.3. Детектор ( реєструючий пристрій )...............

1.2.4. Система введення аналізованої речовини

в іонне джерело...............................................

Розділ 2.Мас-спектроскопія в органічній хімії. Засто-

сування мас-спектрометрії......................................

2.1. Утворення мас-спектрів і їхня інтерпретація....

2.1.1. Енергія іонізуючих електронів........................

2.1.2. Температура газу..............................................

2.1.3. Метастабільні іони...........................................

2.1.4. Перегруповані іони..........................................

2.1.5. Повна іонізація.................................................

2.2. Мас-спектрометри для молекулярного

аналізу.................................................................

2.2.1. Іонне джерело...................................................

2.2.2. Аналізатор, магнітне фокусування

іонного пучка..................................................

2.2.3. Реєстрація іонних струмів..............................

2.2.4. Вакуумна система мас-спектра.....................

2.2.5. Система введення аналізованої речовини

в іонне джерело.............................................

2.2.6. Явища сорбції і “ пам’яті ” у мас-

спектрометрі................................................

2.3.Застосування мас-спектрометрії......................

2.3.1. Ідентифікація і встановлення будови

речовини........................................................

2.3.2. Визначення потенціалів іонізації молекул

і утворення іонів..........................................

2.3.3. Мас-спектральні термодинамічні

дослідження.................................................

2.3.4. Мас-спектроскопія в хімічній кінетиці.....

Висновки ..............................................................................

Списки використаних джерел...............................................

Вступ

Мас-спектрометрія – один з найбільш складних сучасних інструментальних методів аналізу. Оформлення мас-спектрометрії засновується на останніх досягненнях вакуумної техніки іонної оптики і електроніки. Загальним

для всіх сучасних мас-спектрометрів є отримання іонів із молекул досліджуваної речовини, чи суміші речовин, розділення їх за масами і реєстація іонних струмів. Механізм утворення іонів в теперішній час практично не вивчений, хоча процеси взаємодії атомів і молекул з іонізуючими частинками і полями в продовж багатьох років є предметом широких досліджень. Та був накопичений великий об’єм елепіричних знань, які з успіхом використовуються хіміками-органіками в їх повсякчасній аналітичній роботі.

З аналітичних позицій застосування мас-спектрометрії для дослідження будови речовини більше за всі методи співпадає з класичним шляхом хімічного аналізу. Роздріблення речовини на більш прості фрагменти та утворення за ними вихідних речовин є шлях, по якому здавна ішов хімік-аналітик. З допомогою мас-спектрометра можна “розколоти” молекулу речовини практично по всіх зв’язках, “зважити” всі осколки з точністю до четвертого чи п’ятого знаку атомної одиниці маси (а.о.м.). Крім того, майже завжди можна визначити також послідовність розбиття і утворення осколків на багатьох стадіях фрагментації вихідної речовини.

Емпіричні закономірності, отримані при дослідженні великого числа мас-спектрів індивідуальних сполук, з набагато більшою ефективністю стали використовуватися в останні роки у зв’язку з широким впровадженням електронно-обчислювальної техніки в аналітичній мас-спектроскопії. Цей напрямок в багато раз підвищив ефективність мас-спектрометричного аналізу органічних речовин.

Мас-спектроскопія – це метод дослідження речовини, шляхом визначення мас іонів цієї речовини (частіше відношення мас іонів до їх зарядів) і їх кількості. Сукупність значень мас і їх відносного складу називається мас-спектром. В мас-спектрі використовується розділення іонів з різними масами в вакуумі під дією електричних і магнітних полів. Тому дослідна речовина перш за все піддається іонізації.Процес іонізації виключається при вивченні іонного складу уже іонізованих газів, наприклад в електричному розряді чи в іоносферах планет. В випадку рідких і твердих речовин їх попередньо випаровують, а потім іонізують, застосовуючи поверхневу іонізацію, при якій утворені іони вилітають в вакуум. Частіше досліджуються позитивні іони, так як існуючі методи іонізації дозволяють отримати їх більш простими шляхами і в більших кількостях, як негативні. Однак в ряді випадків досліджуються і негативні іони.

Перші мас-спектри були отримані в Великобританії Дж.Дж.Томпсоном (1910), а пізніше Ф.Астоном (1919). Вони прийшли до відкриття стабільних ізотопів. Спочатку мас-спектроскопія застосовувалася для визначення

ізотопного складу елементів і точного визначення атомних мас. Мас-спектроскопія до сих пір є одним із основних методів,з допомогою яких отримують дані про маси ядер і атомні маси елементів.

Висока точність і чутливість мас-спектроскопії як методу ізотопного аналізу привели її до застосування і в інших областях, де суттєвим є знання ізотопного складу елементів, перш за все в ядерній техніці. В геології і геохімії мас-спектральне визначення ізотопного складу ряду елементів (свинець, аргон та ін.) лежить в основі методів визначення віку гірських порід. Мас-спектроскопія широко використовується в хімії для елементного і молекулярного структурного аналізу. Перші застосування мас-спектроскопії в області хімії пов’язані з роботами В.Н.Кондратьєва (1923).

Мас-спектральний аналіз елементного складу речовини особливо точний, коли ця речовина випаровується в вигляді вихідних молекул, які розпадаються і помітна доля цих молекул не розпадається в іонному джерелі мас-спектрометра. Тоді, застосовуючи мас-спектрометри з високою дозволяючою здатністю можна, наприклад однозначно визначити число атомів С, Н, О та ін. в молекулі органічної речовини за масою молекулярного іона. Для аналізу елементного складу важко розчинних речовин застовують іонізацію методом вакуумної іскри. При цьому досягається висока чутливість і універсальність при помірній точності в визначенні складу компоненнти (від декількох % до десятих долі %). Якісний молекулярний мас-спектральний аналіз сумішей побудований на тому, що мас-спектри молекул різної будови різні, а кількісний – тому, що іонні потоки від компонент суміші пропорційні складу цих компонент. Точність кількісного молекулярного аналізу в кращому випадку досягає точності ізотопного аналізу, однак часто кількісний молекулярний аналіз затруджений через співпадання за масами різних іонів, що утворені при звичайній і дисоціаційній іонізації різних речовин. Для подолання цієї трудності в мас-спектрах використовують “м’ягкі” способи іонізації, які дають мало осколкових іонів, або ж комбінують мас-спектроскопію з іншими методами аналізу, особливо часто з газовою хроматографією.

Молекулярний структурний мас-спектральний аналіз оснований на тому, що при іонізації речовини деяка доля молекул перетворюється в іони, не руйнуючись, а деяка доля при цьому розпадається на осколки – фрагменти (дисоціативна іонізація, фрагментація). Вимірювання мас і відносного складу молекулярних