УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОГРАФИЧЕСКОГО И МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОНЕНТ ВЕЩЕСТВА, РАЗДЕЛЁННОГО ХРОМАТОГРАФОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области исследования и анализа материалов, а именно к устройству для электронографического исследования молекул (их пространственной конфигурации, межъядерных расстояний, валентных углов, амплитуд колебаний) и масс-спектрометрического исследования (элементного, изотопного, структурного) чистых веществ, которые получены хроматографическим разделением анализируемого материала. Это устройство объединяет 3 самостоятельных метода: газовую хроматографию (ГХ), масс-спектрометрию (МС) и газовую электронографию (ГЭ), и которое может быть названо как хромато-масс-электронограф (ХМЭ).
Из уровня техники известно устройство, объединяющее газовую хроматографию (ГХ) и газовую электронографию (ГЭ) [Ewbank J.D. et al. Real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1984, V. 55, page 1598; Ewbank J.D. et al. Improvements in real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1986, V. 57, page 967; Ewbank J.D. et al. On-line gas electron diffraction identification of gas chromatography effluents (GC-GED) / Review Scientific Instruments, 1988, V. 59, page 1144].
В качестве недостатков устройства, объединяющего ГХ и ГЭ, следует отметить невозможность получения масс-спектров исследуемых образцов (веществ).
Соединение газового электронографа (ГЭ) и масс-спектрометра (МС) реализовано в устройстве, описанном в [Треммел Я. и др. Присоединение квадрупольного масс-спектрометра к электронографу / ПТЭ, 1978, №4, С. 251-252; Гиричев Г.В. и др. Модернизация электронографа ЭМР-100 для исследования газов / ПТЭ, 1984, №2, С. 167-169].
Недостатком устройства, объединяющего ГЭ и МС, является то, что отсутствует разделение исследуемых образцов газовой хроматографией, вследствие чего получаемая элекронограмма может быть результатом дифракции электронов от смеси молекул: мономеров, димеров и вообще любых изомеров и примесей, которые могут быть в газовой фазе образца. То же можно сказать и о масс-спектрах: происходит наложение масс-спектров смеси возможных изомеров и примесей в газовой фазе образца.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности всех параметров молекул, определяемых с помощью электронографа (то есть проведение более точного электронографического исследования).
Технический результат достигается устройством для электронографического исследования молекул в газовой фазе, включающим последовательно соединенные блоки газового хроматографа, молекулярного сепаратора, газового электронографа и масс-спектрометра, при этом каждый из указанных блоков соединен с компьютером, который с помощью общей компьютерной программы регулирует и управляет работой каждого блока.
Таким образом, предлагаемое устройство объединяет газовую хроматографию (ГХ), масс-спектрометрию (МС) и газовую электронографию (ГЭ). С помощью этого устройства можно предварительно разделить анализируемый образец на те компоненты, из которых он может состоять (примеси, изомеры, нестабильные молекулы), а затем получить от каждого из них электронограмму и масс-спектр. Информация, полученная от МС и ГЭ, позволяет определить, на какие компоненты исследуемый образец был разделен хроматографом, а затем определить пространственную структуру молекулы, межъядерные расстояния, валентные углы и амплитуды колебаний ядер компонент, входящих в состав исследуемого газового образца (расшифровка электронограмм). При этом каждый блок соединен с  компьютером, который контролирует и управляет их работой. Результаты работы каждого блока поступают в объединенную результирующую компьютерную программу, которая с их учетом расшифровывает электронограмму и выдает окончательный результат.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Исследуемый образец 1, вместе с газом носителем 2, поступают в газовый хроматограф 3. С помощью газового хроматографа анализируемый образец разделяется на отдельные компоненты, из которых может состоять образец (включая изомеры и возможные примеси). В качестве газа-носителя обычно используется гелий, который практически не дает вклада в электронограмму. Из газового хроматографа 3, где газ находится при давлении, близком к атмосферному, исследуемый газовый образец вместе с газом-носителем поступает в молекулярный сепаратор 4, который отделяет большую часть газа-носителя от газа-образца. Давление смеси разделенных газов понижается до значений порядка ≈ 100 Па (1 - 0,1 мм Hg). Этот процесс используется в хромато-масс-спектрометрии и может варьироваться в зависимости от свойств образца и конструкции молекулярного сепаратора.
1
2
2
2
3
4
5
1
1
2
Разделенные в пространстве и во времени компоненты газа-образца и остатков газа-носителя поступают через испаритель 5 электронографа в дифракционную камеру 5 электронографа, что также способствует отделению легкого гелия от более тяжелых молекул исследуемого образца. В дифракционной камере электронографа происходит взаимодействие электронного луча 5, с исследуемым газом, выходящим из испарителя 5 электронографа в направлении, перпендикулярном направлению электронного луча 5. Электронный луч 5 получают с помощью электронной пушки 5 и юстировочного блока 5 электронографа. Получаемая при этом электронограмма от каждого компонента анализируемого образца регистрируется электронным детектором 5 электронографа и заносится в память компьютера 7, соединенного с этим детектором. Подробности регистрации электронограммы при соединении газового хроматографа и газового электронографа известны и реализованы в [Ewbank J.D. et al. Real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1984, V. 55, page 1598; Ewbank J.D. et al. Improvements in real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1986, V. 57, page 967; Ewbank J.D. et al. On-line gas electron diffraction identification of gas chromatography effluents (GC-GED) / Review Scientific Instruments, 1988, V. 59, page 1144]. Из дифракционной камеры 5 электронографа газ-образец направляется в ионный источник масс-спектрометра 6, затем в анализатор 6 масс-спектрометра, где происходит разделение ионов по отношению массы к заряду, после чего ионные токи последовательно измеряются детектором 6 масс-спектрометра, который и дает масс-спектр разделенного ГХ образца. Все блоки плотно соединены фланцами через вакуумные прокладки. Сравнение полученных масс-спектров с каталогами масс-спектров чистых веществ позволит определить структурные формулы этих веществ, что даст дополнительную ценную информацию при обработке электронограмм. Полученные электронограммы запоминаются компьютером и затем обрабатываются по соответствующим программам. То же можно сказать про полученные масс-спектры: они запоминаются компьютером, а затем сравниваются с каталогами масс-спектров целью идентификации веществ, разделенного ГХ исследуемого образца. Если масс-спектра нет в каталоге, то его расшифровка производится на основе существующих в настоящее время методов (изотопный, элементный, фрагментарный, молекулярный ион, набор правил в масс-спектрометрии). Предполагаемая химическая формула передается в компьютер для расшифровки полученной электронограммы. В случае успешной расшифровки масс-спектр заносится в каталог.