Искровая ионизация (также известная как ионизация с искровым источником ) — это метод, используемый для получения ионов газовой фазы из твердого образца. Подготовленный твердый образец испаряется и частично ионизируется прерывистым разрядом или искрой. [1] Этот метод в основном используется в области масс-спектрометрии . При объединении с масс-спектрометром весь прибор называется масс-спектрометром с искровой ионизацией или масс-спектрометром с искровым источником (SSMS). [2]
Использование искровой ионизации для анализа примесей в твердых телах было указано в работе Демпстера в 1935 году. [ 3] Металлы были классом материалов, которые ранее не могли быть ионизированы термической ионизацией (метод, ранее использовавшийся для ионизации твердого образца). Источники искровых ионов не производились в коммерческих целях до 1954 года, когда Hannay продемонстрировал свою способность анализировать следовые примеси (чувствительность обнаружения субчастей на миллион) в полупроводниковых материалах. [4] Прототипом прибора с искровым источником был масс-спектрометр MS7, произведенный Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. в 1959 году. Коммерческое производство приборов с искровыми источниками продолжалось в течение 50-х, 60-х и 70-х годов, но они были прекращены, когда были изобретены другие методы обнаружения следовых элементов с улучшенным разрешением и точностью (около 1960-х годов). [5] Преемниками источника искровых ионов для анализа следовых элементов являются лазерный источник ионов, источник ионов тлеющего разряда и источник ионов с индуктивно связанной плазмой . Сегодня во всем мире лишь немногие лаборатории используют искровую ионизацию.
Источник искровых ионов состоит из вакуумной камеры, содержащей электроды, которая называется искровым корпусом. Кончики электродов состоят из образца или содержат его и электрически соединены с источником питания. Извлекающие электроды создают электрическое поле, которое ускоряет сгенерированные ионы через выходную щель.
Для искровой ионизации существуют два источника ионов: низковольтный дуговой источник постоянного тока (DC) и высоковольтный радиочастотный (rf) искровой источник. Дуговой источник имеет лучшую воспроизводимость, а производимые ионы имеют более узкий разброс энергии по сравнению с искровым источником; однако искровой источник способен ионизировать как проводящие, так и непроводящие образцы, в то время как дуговой источник может ионизировать только проводящие образцы. [6]
В источнике дуги постоянного тока низкого напряжения высокое напряжение подается на два проводящих электрода для инициирования искры, после чего подается постоянный ток низкого напряжения для поддержания дуги между искровым зазором. Продолжительность дуги обычно составляет всего несколько сотен микросекунд, чтобы предотвратить перегрев электродов, и она повторяется 50-100 раз в секунду. [2] Этот метод может быть использован только для ионизации проводящих образцов, например металлов.
Высоковольтный источник искры ВЧ — это тот, который использовался в коммерческих приборах SSMS из-за его способности ионизировать как проводящие, так и непроводящие материалы. Обычно образцы физически включаются в два проводящих электрода , между которыми создается прерывистая (1 МГц) высоковольтная (50-100 кВ с использованием трансформатора Тесла) электрическая искра , ионизирующая материал на кончиках штыревых электродов. [2] Когда импульсный ток подается на электроды в сверхвысоком вакууме, в искровом промежутке возникает плазма искрового разряда , в которой ионы генерируются посредством электронного удара. Внутри плазмы разряда образец испаряется, распыляется и ионизируется посредством электронного удара. [7] Общий ионный ток можно оптимизировать, регулируя расстояние между электродами. Этот режим ионизации можно использовать для ионизации проводящих, полупроводящих и непроводящих образцов.
Проводящие и полупроводящие образцы могут быть непосредственно проанализированы после формирования в электроды. Непроводящие образцы сначала измельчаются, смешиваются с проводящим порошком (обычно графитом или серебром высокой чистоты), гомогенизируются, а затем формируются в электроды. Даже жидкости могут быть проанализированы, если они заморожены или после пропитки проводящим порошком. [8] Однородность образца важна для воспроизводимости.
Источник искры RF создает ионы с широким энергетическим разбросом (2-3 кВ), что требует анализатор масс с двойной фокусировкой. Анализаторы масс обычно имеют геометрию Маттауха-Герцога , которая обеспечивает фокусировку скорости и направления на плоскости либо с помощью фоточувствительных пластин для обнаружения ионов, либо с помощью линейных детекторных матриц каналотронов . [9] SSMS имеет несколько уникальных особенностей, которые делают его полезным методом для различных приложений. Достоинства SSMS включают высокую чувствительность с пределами обнаружения в диапазоне ppb, одновременное обнаружение всех элементов в образце и простую подготовку образца. Однако ионный ток искры RF является прерывистым и неустойчивым, что приводит к удовлетворительному разрешению и точности, когда стандарты не реализованы. Другие недостатки включают дорогостоящее оборудование, длительное время анализа и необходимость высококвалифицированного персонала для анализа спектра. [5]
Искровая масс-спектрометрия использовалась для анализа следов и многоэлементного анализа высокопроводящих, полупроводниковых и непроводящих материалов. Некоторые примеры приложений SSMS включают анализ следов высокочистых материалов, многоэлементный анализ элементов в технических сплавах, геохимических и космохимических образцах, биологических образцах, образцах промышленных потоков и радиоактивных материалах. [8]