Công nghệ hệ thống khối phổ – plasma cảm ứng
5 (100%) 2 votes

Hệ thống khối phổ – plasma cảm ứng (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ICP-MS) là một công nghệ phân tích nguyên tố có khả năng phát hiện hầu hết các bảng tuần hoàn các nguyên tố ở mức miligam đến mức nanogram mỗi lít tức là thấp đến một phần nghìn tỷ [10^-(10)-(-12)]. Thiết bị này được sử dụng trong một loạt các ngành công nghiệp bao gồm giám sát môi trường, phân tích địa hóa, luyện kim, phân tích dược phẩm và nghiên cứu lâm sàng. Thiết bị này có khả năng phát hiện các nguyên tố trong mẫu vật với thấp hơn khả năng phát hiện của máy AAS và ICP-AES. Là một thiết bị rất ít bị giới hạn khả năng phân tích phát hiện các nguyên tố hóa học.

Công nghệ hệ thống khối phổ - plasma cảm ứng

Công nghệ hệ thống khối phổ – plasma cảm ứng

Bài viết trước: Thiết bị sắc khí lỏng hiệu năng cao hoạt động thế nào?

Hệ thống khối phổ – plasma cảm ứng

Như tên gọi, hệ thống khối phổ – plasma cảm ứng bao gồm 2 phần ghép nối là khối ICP – cảm ứng plama và khối phổ kế.

Khối ICP là một nguồn ion hóa, phân hủy hoàn toàn một mẫu thành các thành phần cấu thành của mẫu và biến đổi các nguyên tố đó thành các ion. Khối ICP thường bao gồm khí argon và năng lượng được “kết hợp” với nó bằng cách sử dụng một cuộn dây cảm ứng để tạo thành plasma.

Khối phổ kế chứa quang phổ kế có khả năng cảm ứng nhận biết thông tin, gửi về máy tính điều khiển lưu giữ và hiển thị.

Hệ thống ICP-MS là thiết bị phân tích mạnh mẽ; để có được chất lượng dữ liệu tốt nhất từ các công cụ này, các phương pháp chuẩn bị và bảo quản mẫu phải được thực hiện cẩn thận. Ngoài ra, thu thập và xử lý dữ liệu nên được xem xét kỹ lưỡng trước khi thao tác với thiết bị này.

Tìm hiểu thêm:

Tổng hợp các thiết bị phân tích môi trường phổ biến nhất

Nguyên lý hoạt động hệ thống sắc ký khí – quang phổ khối

Cấu tạo, chức năng các bộ phận trong hệ thống ICP-MS

Một hệ thống ICP-MS bao gồm năm phần cơ bản: hệ thống thu mẫu, plasma, vùng chân không trung gian, quang học ion với máy phân tích phổ khối và hệ thống phát hiện ion. Hệ thống giới thiệu mẫu và plasma được vận hành ở áp suất khí quyển, trong khi quang học ion, phân biệt khối lượng và khu vực phát hiện ion được vận hành trong điều kiện chân không cao.

Vị trí 5 phần cấu tạo của máy ICP-MS

Vị trí 5 phần cấu tạo của máy ICP-MS

Plasma

Plasma là hỗn hợp của các ion, electron và nguyên tử ở áp suất khí quyển, có nhiệt độ cực cao (lên tới 10.000 K). Ở nhiệt độ này, hầu hết các nguyên tố dễ dàng thực hiện quá trình chuyển đổi từ nguyên tử sang ion. Một đặc điểm rất hữu ích của plasma argon là hầu hết các ion được tạo thành là các ion dương tích điện đơn, vì vậy phổ khối lượng tương đối đơn giản để tạo thành.

Thiết bị ICP-MS rất đa dạng và thiết kế cụ thể chủ yếu dựa trên loại ứng dụng mà thiết bị được sử dụng. Bản thân plasma được duy trì bởi một máy phát tần số vô tuyến (RF), cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng một cuộn dây cảm ứng. Các mẫu được ion hóa bằng plasma và được chuyển đến máy phân tích khối thông qua vùng chân không. Sau khi tách ra, các ion được phát hiện bởi hệ thống phát hiện ICP-MS để phân tích dữ liệu bởi máy tính điều khiển.

Máy phát tần số vô tuyến (RF) cung cấp một nguồn năng lượng không đổi để duy trì plasma. Thiết bị này thực hiện bằng cách gửi tín hiệu RF công suất cao (~1,5 kW) thông qua cuộn tải được quấn quanh ngọn lửa ICP. Bản thân plasma được hình thành khi các electron phóng ra từ nguồn tia lửa, khiến các nguyên tử argon bị ion hóa trong dòng khí của ngọn lửa. Khi các ion này va chạm với các nguyên tử argon khác, chúng gây ra một tầng ion hóa tạo thành plasma. Năng lượng điện RF không đổi được cung cấp bởi máy phát RF sau đó duy trì plasma.

Sơ đồ vị trí hệ thống thu mẫu, plasma, vùng chân không trung gian của thiết bị ICP-MS

Sơ đồ vị trí hệ thống thu mẫu, plasma, vùng chân không trung gian của thiết bị ICP-MS

Bản thân Plasma tạo ra một từ trường đối lập trực tiếp với máy phát RF. Khi plasma ổn định, máy phát RF và tần số plasma được đồng bộ hóa (hoặc trùng khớp) với nhau, do đó từ trường đến từ plasma có hiệu quả tối thiểu và plasma có thể được duy trì dễ dàng hơn. Khi các mẫu được đưa vào, tần số plasma thay đổi, bộ tạo RF có thể trở nên không khớp với plasma.

Do hiện tượng này, máy phát RF phải có khả năng đối phó với các dao động trong plasma bằng cách trả lại tần số plasma cho tần số của máy phát RF (được thực hiện trong các máy phát có khóa tần số) hoặc bằng cách điều chỉnh tần số của máy phát RF sao cho phù hợp với tần số đó của plasma (được thực hiện trong các máy phát tự do). Máy phát RF chạy tự do cũng có khả năng đối phó với các biến thể rộng hơn trong ma trận mẫu và do đó có thể duy trì plasma trong thời gian dài hơn, cho phép phân tích lâu hơn vì có thể tạo ra plasma mạnh hơn.

Các loại hệ thống xử lý nước thải:

Máy li tâm khử bùn trong xử lý nước thải là gì?

Thiết bị UV trong xử lý nước thải

Hệ thống thu mẫu

Đây là một phần quan trọng của ICP-MS, bao gồm một cặp hình nón chỉ cho phép kênh trung tâm của plasma (nơi hình thành các ion mẫu) vào vùng chân không với sự trợ giúp của một thấu kính chiết điện tích âm nằm phía sau hình nón.

Khi mẫu đi qua vùng chân không, khối lượng nguyên tố của mẫu được phân tách bằng máy phân tích khối.

Có hai loại máy phân tích khối thường được sử dụng trong ICP-MS đó là tứ cực và từ trường. Máy phân tích khối tứ cực là tuần tự, vì vậy mỗi yếu tố được đo theo trình tự. Máy phân tích ngành từ có thể là tuần tự hoặc đồng thời tùy thuộc vào hình dạng của các thành phần thiết bị.

Máy phân tích khối tứ cực

Thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm thông thường vì chúng tương đối dễ vận hành và bảo trì. Các thiết bị có từ tính vốn đã nhạy hơn các thiết bị bốn cực vì chúng sử dụng tiềm năng chiết ion cao hơn được sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt cần độ nhạy cao hơn.

Máy phân tích khối tứ cực hoạt động bằng cách kết hợp điện thế xoay chiều tần số vô tuyến (RF) với điện thế dòng điện một chiều (DC) trên bốn điện cực để tạo ra điện trường mà các ion mẫu đi qua. Khi các ion đi qua điện trường này, chúng có được năng lượng và tăng tốc.

Hai trong số các cực được đặt đối diện có có điện tích âm và hai cực đối điện còn lại mang điện tích dương. Điều này tạo ra hai điện trường chồng chéo: một trong mặt phẳng ngang và một trong mặt phẳng thẳng đứng.

Cấu tạo máy phân tích khối tứ cực

Cấu tạo máy phân tích khối tứ cực

Máy phân tích khối từ trường

Máy phân tích khối lượng từ trường hoạt động bằng cách tác dụng lực lên các ion tích điện khi chúng đi qua từ trường. Lực này vuông góc với đường bay của ion và tỷ lệ thuận với động lượng của các ion.

Nam châm điện được sử dụng trong máy quang phổ khối có dạng chữ U qua đó các ion đặc biệt có thể vượt qua không bị cản trở. Thay đổi cường độ từ trường sẽ điều khiển động lượng của ion có thể đi qua tâm của nam châm điện vào phần sau của máy quang phổ khối.

Cấu tạo máy phân tích khối từ trường

Cấu tạo máy phân tích khối từ trường

Công nghệ tế bào phản ứng va chạm

Các phương pháp được đề cập ở trên không phải lúc nào cũng thành công trong việc giải quyết nhiễu loạn. Do đó, công nghệ tế bào phản ứng va chạm (CRC) là giải pháp toàn diện cho vấn đề này. Trong CRC, tế bào là một hệ thống đa cực giống như máy phân tích khối nhưng chỉ hoạt động với điện áp RF.

Các bài viết khác:

Thu hồi dầu mỡ thải bằng hệ thống lọc bùn li tâm

Cấu tạo thiết bị xử lý nước thải bằng tia UV

Cấu tạo và cách vận hành hệ thống lọc bùn li tâm

Thiết bị phát hiện ion

Sau khi tách khối, các ion phải được phát hiện và khuếch đại để xác định cường độ của chúng. Hai loại máy dò thường được sử dụng: cốc Faraday và đa electron.

Cốc Faraday là thiết bị đơn giản: Khi các ion tốc độ cao chạm vào cốc Faraday, chúng chuyển điện tích của chúng sang kim loại bên trong cốc. Điều này gây ra một dòng điện được gửi đến một mạch khuếch đại dẫn đến phát hiện. Cốc Faraday yêu cầu số lượng ion tương đối lớn để tạo ra tín hiệu có thể đo được và do đó không thể được sử dụng để phát hiện các sự kiện ion đơn lẻ. Tuy nhiên, chúng cực kỳ ổn định và phù hợp với các phép đo tỷ lệ đồng vị chính xác, đặc biệt là trong các thiết bị đa hướng.

Cấu tạo thiết bị phát hiện Ion

Cấu tạo thiết bị phát hiện Ion

Bộ đa electron (còn được gọi là bộ nhân electron thứ cấp, máy dò SEM) có thể phát hiện dòng ion cực nhỏ, kể cả các ion đơn lẻ đến từ máy phân tích khối. Chúng hoạt động theo nguyên tắc phát xạ điện tử thứ cấp, trong đó các hạt tích điện có sự cố năng lượng đủ trên dynode, kích thích sự phát xạ của các electron từ bề mặt. Bằng cách thiết lập một loạt các dynode rời rạc, sự khuếch đại cho phép phát hiện ion đơn lẻ. Các máy dò SEM hiện đại có khả năng đếm tốc độ trong phạm vi của các ion đơn lẻ, đến hơn 10^9 ion mỗi giây.

Các bài đã đăng:

Hệ thống lọc bụi túi vải là gì?

Lọc Cartridge là gì? Các loại sản phẩm Cartridge hiện nay

Chất liệu sử dụng may túi lọc bụi (phần 1)

Chất liệu sử dụng may túi lọc bụi (phần 2)

Chất liệu sử dụng may túi lọc bụi (phần 3)

Mua bán piano Nhật