원자질량분석

목차

1. 서 론

2. 원자 질량 분석법의 일반적인 특징
1) 질량분석법의 원자량
2) 질량 대 전하비
3) 원자질량분석법 형태

2. 질량분석계
1) 질량분석법의 변환기
2) 사중극자 질량분석계
3) 비행시간 분석계
4) 이중초점 분석계

3. 유도쌍 플라스마 질량분석법
1) ICPMS 기기
2) 원자 질량 스펙트럼과 방해
3) ICPMS의 응용

본문내용

. 더운 플라스마 가스는 기계적인 펌프에 의해 약 1 torr의 압력을 유지하는 영역으로 이 작은 구멍을 통해 분출된다. 이 영역에서 가스의 빠른 퍼짐에 의해 냉각된다. 이 영역에서 가스의 일부는 스키머(skimmer)라 불리는 2차 원추에 있는 작은 구멍을 통과하고 질량분석기의 압력을 유지하는 챔버속으로 들어간다. 여기서 양이온은 음전위에 의해 분자 화학종과 전자로부터 분리되고 가속된다. 그리고 사중극자 질량분석계의 입구구멍으로 자기 이온 렌즈에 의해 모아진다. 시판되는 기기의 성능은 분리능 m/z=1의 차를 식별할 수 있고 3~300의 질량범위의 분석을 할 수 있다. 주기율표에 있는 원소의 90%이상을 거의 스펙트럼 방해없이 정량할 수 있으나 원소당 10초의 측정시간이 걸리며 검출한계는 대부분의 원소에서 0.1~10 ppb 범위이다.
근래에 와서 적어도 두 기기제조회사가 레이저시료 공급장치를 ICP/MS에 연결시켜 최소량의 고체원소분석 기기를 만들었다. 이 기기에서 펄스 레어져 빛살은 고체시료 위의 수㎛2의 면적에 초점을 맞추어 1012W/㎠의 힘을 공급한다. 그러한 고강도 복사선은 아무리 내화성이 센 물질이라도 빠르게 대부분의 물질을 기화시킨다. 아르곤의 흐름이 기화된 시료를 ICP 토치로 인도하고 거기에서 원자화와 이온화가 일어난다. 그리고 생성된 플라스마는 질량분석계로 들어간다. 이러한 종류의 기기는 지질학적 물질, 합금유리, 농업생산물, 도시의 분진, 그리고 흙과 같이 분해하거나 녹기 힘든 시료의 반정량분석에 특히 적합하다. 그림 10-8은 레이저증발/ICPMS에 의해 얻어진 표준 암석 시료의 질량 스펙트럼이다. 이 스펙트럼을 얻기 위해 암석은 고운 가루로 분쇄되고 압력을 가해 작은 디스크로 만들었다. 레이저 빛살로 증발시킨 후 생긴 증기를 가스 흐름 주입에 의해 ICP토오치로 도입시킨다. 거기서 이온화가 완성된다. 기체 이온은 사중극자 질량분석계로 분석한다. 대부분 다른 이온화 장치에 사용이 가능한 부품들을 표 10-1에 실었다. 또한 이것은 ICP토오치와 연결하여 상업적으로 이용이 가능하다.
2) 원자 질량 스펙트럼과 방해
분광학적 방해
분광학적 방해는 플라즈마에서 이온 화학종이 분석이온과 같은 m/z 값을 가질 때 일어난다. 그러한 방해는 4가지 종류가 있다. ⑴ 동중핵 이온, ⑵ 다원자 또는 부가이온, ⑶ 이 중하전 이온들, ⑷ 내화산화물 이온
⑴ 동중핵 방해 - 동중핵 화학종들은 실질적으로 같은 질량을 갖는 동위원소를 가지는 두가지 원소이다.
⑵ 다원자 이온방해 - 플라스마의 화학종과 매트릭스의 화학종 또는 대기 사이의 상호작용으로 형성된 다원자 화학종으로부터 발생되는 방해문제는 동중핵 원소에 의해 생긴 문제보다도 더 심각하다.
⑶ 산화물과 수산화물 화학종 방해 - ICPMS에서 방해의 가장 중요한 일반적 종류에는 분석물 자체, 매트릭스 성분, 용매와 플라스마 가스로부터 형성되어지는 산화물과 수산화물이 포함되어 있다. 이들 화학종의 대부분은 MO+와 MOH+이온을 형성하는데 여기서 M은 분석물과 매트릭스 원소이다. 따라서 그런 화학종의 봉우리와 분석물 중 하나의 봉우리가 겹치는 전위가 존재한다. 예를 들어, 자연적으로 발생하는 티타늄 동위 원소의 1가 산화물 이온은 62, 63, 64, 65와 66의 질량을 갖는다. 이러한 이온들의 봉우리들은 62Ni+, 63Cu+, 64Zn+, 65ZCu+, 66Zn+0에 대해 분석물 봉우리에 전위 방해가 생긴다.
⑷ 매트릭스 효과 - ICPMS에서, 매트릭스 효과는 약 500~1,000 ㎍/mL 보다 더 진한 농도에서 크게 나타난다. 보통 이러한 효과는 비록 어떤 실험에서는 신호증대가 관찰되지만 분석물 신호의 감소의 원인이 된다. 매트릭스 효과는 높은 농도의 공존 원소에서 나타나는 것이 일반적이다. 일반적으로 매트릭스 효과는 묽은 용액을 사용하거나 시료 첨가순서를 바꾸거나 또는 방해 화학종을 분리해 냄으로써 최소화 시킬 수 있다. 그 효과는 또한 적당한 내부 표준물의 사용, 분석물과 같은 질량과 이온화 에너지를 갖는 내부 표준 원소를 가해서 제거 될 수 있다.
3) ICPMS의 응용
ICPMS는 시료에 있는 한 개 또는 그 이상의 원소를 정성, 반정량, 정량 분석하는 데 사용된다.
⑴ 정성과 반정량 응용
ICPMS는 다중원소 분석에 가장 적합하기 때문에 인공합성물질, 자연적으로 발생한는 다양한 형태의 반정량 분석, 빠른 특성화에 적당하다. 일반적으로 검출한계는 광학적 방출 ICP가 ICPMS보다 더 좋고 전열원자 흡수분광학의 검출 한계와는 비슷하다.
일반적으로 원자 질량 스펙트럼들은 광학적 방출 스펙트럼들보다는 단순하고, 해석하기 쉽다. 이러한 성질은 복잡한 방출 스펙트럼들을 내는 철과 같은 중금속 물질과 회토류 원소의 시료에 특히 중요하다. 그림 10-9에 이러한 이점을 설명하였다. 원자량 139~175 사이의 14가지 회토류 원소의 혼합물의 원자 질량 스펙트럼을 그림 10-13에 나타냄으로써 이 스펙트럼의 간단함을 설명하고 있다. 이 혼합물의 광학적 방출 스펙트럼은 복잡해서 장황하고, 시간이 소비되고, 거의 해석이 불가능하다.
그림 10-10에 나타낸 화합물속의 하나 또는 그 이상의 구성 성분에 반정량은 농도를 알고 있는 용액의 감도 또는 이온 전류 봉우리를 측정함으로써 알 수 있다. 이온전류는 농도에 비례하므로 분석할 시료의 농도는 계산될 수 있다. 단순한 절차가 아닌 이러한 과정에 의해 계산된 농도는 일반적으로 ±100% 상관관계를 가지고 있다.
⑵ 검출 한계
ICPMS의 주요 관심중 하나는 광학 검출 보다 질량 분광학적 검출이 더 낮은 검출 한계에 도달한다는 것에 있다. 많은 경우 이러한 한계는 비슷하고 때때로 전열원자 흡수법에 의해 나타나는 것보다 뛰어나다. 물론 ICPMS과정은 속도에 큰 이점이 있고 다원소도 가능하다는 것이다. 그림 10-11에서 선택된 몇 개의 원소를 가지고 ICPMS, ICP/AES, ET/AAS의 검출한계를 비교하였다. 이 데이터들은 주기율표에 있는 대부분원소들에도 적용된다. 일반적으로 질량 분석법은 0.02~0.1 ppb의 범위에서의 주요 원소들의 검출 한계를 가진다.

키워드

원자질량분석,   질량분석계,   MS