2. Реєстрація та розшифровка спектра

Принцип роботи мас-спектрометричних систем заснований на розділенні іонів із різним відношенням їх маси до заряду (m/z). Незалежно від принципу розділення іонів мас-спектрометричні системи складаються з трьох основних вузлів: аналізатора іонів, що розділяє іони відповідно до відношення m/z; детектора, що приймає виділені іони; реєструючого пристрою, в якому відбувається підсилення сигналу. Найбільш важливий вузол це – аналізатор іонів. Відповідно до способу розділення іонів мас-спектрометри є статичними та динамічними. До статичних належать прилади, в яких можна розділяти іони в постійних за часом електричних і магнітних полях. До динамічних – прилади, в яких розподіл відбувається за часом прольоту або в змінних полях.

Основним параметром мас-спектрометричної системи є роздільна здатність R_m та світлосила. R_m визначається здатністю системи розділяти іони з різною масою й вираховується у відносних одиницях R_m = m/m, де m = m₁–m₂ мінімальна різниця мас іонів, що реєструються окремо. Світлосила мас-спектрометричної системи в загальному випадку являє собою відношення кількості іонів, що дійшли до детектора, до загальної кількості іонів, утворених у плазмовому факелі. Чутливість мас-спектрометра визначається тим, скільки грамів речовини необхідно для того, щоб зареєструвати в зразку, елемент, який цікавить дослідника. Чутливість може відповідати мінімальний відносній концентрації домішкового елемента, що реєструється. У такому випадку цю характеристику називають відносним порогом виявлення. Часопролітні динамічні системи дозволяють отримувати за короткий час інформацію про якісний елементний склад речовини, проводити експресний аналіз із концентраційною атомною чутливістю  10^–4 % (у цій роботі до 10^–3 %).

У процесі детектування іонні пучки або пакети перетворюються на електричний сигнал підсилювачами іонних струмів або складнішими пристроями, в яких іонний сигнал перетворюється на електронний чи світловий для подальшого підсилення електронним, або фотопомножувачем. При обранні детектора необхідно врахувати такі вимоги щодо нього: мінімальний вплив на роздільну здатність приладу, максимальну чутливість, точність та швидкість аналізу.

Запис мас-спектрів здійснюється за допомогою пристроїв з пам'яттю. На стадії ідентифікації мас-спектрів оператор може розшифровувати мас-спектри розрахунковим шляхом або використовувати логічні пристрої та обчислювальні машини. У часопролітному мас-аналізаторі застосовується диференційний метод, в якому вимірюються іонні струми або їх похідні за часом.

Якісна ідентифікація масових чисел може бути отримана за допомогою еталонного спектра. Основою при визначенні масових чисел ліній є положення лінії спектра, що прямо пропорційне кореню квадратному зі співвідношення . На першій стадії розшифровки слід використовувати еталони (репери), атоми яких у мас-спектрах мають характерні ізотопні співвідношення. Такими речовинами можуть бути ізотопи ¹⁰В та ¹¹В із відсотковим вмістом у природній суміші 18,83 % та 81,17 %, відповідно; ізотопи ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg з відсотковим вмістом 78,6, 10,11 та 11,29 %, відповідно тощо.

Розглянемо процедуру визначення невідомої маси за допомогою часопролітного мас-спектрометра. Якщо в трубу дрейфу довжиною L влітають два іони масою М₁ та М₂, що мають однакову енергію Е, то

, (2)

де V₁ та V₂ – швидкості відповідних іонів. Враховуючи, що , де t – час прольоту труби дрейфу, маємо

або , (3)

де t₁ і t₂ – час польоту труби дрейфу відповідних іонів, звідки

, (4)

тобто, знаючи масу одного із іонів М₂, і час прольоту дрейфового проміжку іонами М₁ та М₂, можна визначити невідому масу іона М₁ незалежно від довжини дрейфу L.

В експерименті в аналогічних умовах спочатку реєструється мас-спектр від репера, а потім зразка, що вивчається. За формулою (4) визначається маса іонів. Слід зауважити, що існують випадки, коли знань про маси атома недостатньо для ідентифікації елемента, оскільки існують ізотопи різних елементів з однаковою масою, наприклад, Cd¹¹³ і In¹¹³. Таким чином, при розшифруванні спектрів потрібно бути уважним і користуватися таблицею Менделєєва та природним відсотковим співвідношенням ізотопів елементів, які наведено в таблицях природного ізотопного складу елементів (таблиці природних ізотопів елементів надає викладач).Розшифровку спектра слід починати з боку найбільших мас, враховуючи ту обставину, що в мас-спектрі атомної маси m багатозарядні іони m²⁺, m³⁺ тощо відповідають масам m/2, m/3 тощо. При відборі проби за допомогою лазерного променя можуть виникати і заряджені кластери (сукупність декількох атомів), але, оскільки маса кластерів велика, вони прилітають запізно, коли реєстрація мас-спектра закінчилась. На рис. 5 для прикладу представлено оглядовий мас-спектр аморфного металічного сплаву, на якому добре видно спектр ізотопів кожного елемента та піки багатозарядних іонів.

Рис. 5. Панорамний спектр аморфного металічного сплаву