Gnistionisering

Gnistionisering (også kjent som gnistkildeionisering) er en metode som brukes til å produsere gassfaseioner fra en fast prøve. Den tilberedte faste prøven fordampes og delvis ioniseres ved periodisk utslipp eller gnist.^[1] Denne teknikken brukes primært innen massespektrometri. Når det er integrert i et massespektrometer, blir hele instrumentet referert til som et gnistioniseringsmassespektrometer eller som et gnistkildemassespektrometer (ofte forkortet til SSMS fra det engelske navnet spark source mass spectrometer).^[2]

Bruken av gnistionisering for analyse av urenheter i faste stoffer ble indikert av Arthur Jeffrey Dempster i 1935.^[3] Metaller var en klasse av materiale som ikke tidligere kunne ioniseres ved termisk ionisering (metoden som tidligere ble brukt for ioniserende fast prøve). Gnistionkilder ble ikke produsert kommersielt før etter 1954, da Hannay demonstrerte sin evne til å analysere sporurenheter (per million deteksjonsfølsomhet) i halvledende materialer.^[4] Prototypen av gnistkildeinstrumentet var MS7 massespektrometer produsert av Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. i 1959. Kommersiell produksjon av gnistkildeinstrumenter fortsatte gjennom 50-, 60- og 70-tallet, men de ble faset ut når andre sporstoffelementdeteksjonsteknikker med forbedret oppløsning og nøyaktighet ble oppfunnet (ca. 1960-tallet).^[5] Etterfølgere av gnistionkilden for sporelementanalyse er laserionkilden, glødeutladningskilden og den induktivt koblede plasmaionkilden. I dag bruker svært få laboratorier gnistionisering over hele verden.

Gnistionkilden består av et vakuumkammer som inneholder elektrodene, som kalles gnisthuset. Spissene på elektrodene er sammensatt av eller inneholder prøven og er elektrisk koblet til strømforsyningen. Ekstraksjonselektroder skaper et elektrisk felt som akselererer de genererte ionene gjennom utgangsslissen.

For gnistionisering eksisterer det to ionkilder: lavspenning likestrøm (DC) lysbuekilde og høyspenning radiofrekvens (RF) gnistkilde. Buekilden har bedre reproduserbarhet og de produserte ionene har en smalere energispredning sammenlignet med gnistkilden; imidlertid har gnistkilden evnen til å ionisere både ledende og ikke-ledende prøver mens buekilden bare kan ionisere ledende prøver.^[6]

I lavspent DC-buekilde tilføres en høy spenning til de to ledende elektrodene for å initiere gnisten, etterfulgt av påføring av en lavspennings likestrøm for å opprettholde en lysbue mellom gnistgapet. Varigheten av buen er vanligvis bare noen få hundre mikrosekunder for å forhindre overoppheting av elektrodene, og den gjentas 50-100 ganger per sekund.^[2] Denne metoden kan bare brukes til ionisering av ledende prøver, f.eks. metaller.

Høyspennings RF-gnistkilden er den som ble brukt i kommersielle SSMS-instrumenter på grunn av dens evne til å ionisere både ledende og ikke-ledende materialer. Vanligvis er prøver fysisk innlemmet i to ledende elektroder mellom hvilke en intermitterende (1 MHz) høyspenning (50-100 kV ved bruk av en Tesla-transformator) elektrisk gnist produseres for å ionisere materialet på tuppen av de pinformede elektrodene.^[2] Når den pulserende strømmen påføres elektrodene under ultrahøy vakuum, oppstår et gnistutladningsplasma i gnistgapet der ioner genereres via elektronstøt. Innen utladningsplasmaet fordamper prøven, forstøver og ioniseres prøven via elektronpåvirkning.^[7] Den totale ionestrømmen kan optimaliseres ved å justere avstanden mellom elektrodene. Denne modusen for ionisering kan brukes til å ionisere ledende, halvledende og ikke-ledende prøver.

Ledende og halvledende prøver kan analyseres direkte etter å ha blitt formet til elektroder. Ikke-ledende prøver pulveriseres først, blandes med et ledende pulver (vanligvis grafitt eller sølv med høy renhet), homogeniseres og formes deretter til elektroder. Selv væsker kan analyseres hvis de er frossne eller etter impregnering av et ledende pulver.^[8] Prøvehomogenitet er viktig for reproduserbarhet.

RF gnistkilden skaper ioner med en bred energispredning (2-3 kV), noe som krever en dobbeltfokuserende masseanalysator. Masseanalysatorer har typisk Mattauch-Herzog-geometri, som oppnår hastighet og retningsfokusering på et plan med enten lysfølsomme plater for ionedeteksjon eller lineære kontinuerlig elektronmultiplikator.^[9] SSMS har flere unike funksjoner som gjør det til en nyttig teknikk for forskjellige applikasjoner. Fordelene ved SSMS inkluderer høy følsomhet med deteksjonsgrenser i ppb-området, deteksjon av alle elementene i en prøve samtidig og enkel prøveforberedelse. Imidlertid er RF-gnistionstrømmen diskontinuerlig og uberegnelig, noe som resulterer i bra oppløsning og nøyaktighet når standarder ikke implementeres. Andre ulemper inkluderer kostbart utstyr, lang analysetid og behovet for høyt utdannet personell for å analysere spekteret.^[5]

Gnistkildemassespektrometri har blitt brukt til sporanalyse og multielementanalyseapplikasjoner for høytledende, halvledende og ikke-ledende materialer. Noen eksempler på SSMS-applikasjoner er sporelementanalyse av materialer med høy renhet, analyse av elementer i tekniske legeringer, geokjemiske og kosmokjemiske prøver, biologiske prøver, industrielle strømmningsprøver og radioaktivt materiale.^[8]