Advanced Off-Line Measurements for Quality Control PDF

CHAPTER ADVANCED OFF-LINE MEASUREMENTS FOR QUALITY CONTROL ADVANCED OFF-LINE MEASUREMENTS FOR QUALITY CONTROL 1. MASSASPECTROSCOPIE (MS)...................................................................................................................... 1 1.1 MASSASPECTROMETRIE ALS DETECTIESYSTEEM.................................................................................................... 1 1.2 BELANGRIJKSTE KARAKTERISTIEKEN VAN EEN MASSASPECTROMETER......................................................................... 3 Massaresolutie..................................................................................................................................... 3 Massabereik......................................................................................................................................... 4 Scansnelheid......................................................................................................................................... 4 1.3 SOORTEN MASSASPECTROMETERS.................................................................................................................... 4 De sector-veld massaspectrometer...................................................................................................... 4 a. De magneetsector als massaspectrometer...................................................................................................... 4 b. De elektrostatische sector als energiefilter..................................................................................................... 6 c. Dubbelfocussering........................................................................................................................................... 7 De quadrupoolfilter............................................................................................................................ 10 a. Inleiding......................................................................................................................................................... 10 b. Werkingsprincipe........................................................................................................................................... 10 De time-of-flight analyzer.................................................................................................................. 11 a. Werkingsprincipe........................................................................................................................................... 11 b. Gebruik van een reflectron ter verbetering van de massaresolutie.............................................................. 12 c. Bundelmodulatie............................................................................................................................................ 13 Overzicht van de belangrijkste karakteristieken................................................................................ 15 2. GC-MS....................................................................................................................................................... 16 2.1 ION SOURCE................................................................................................................................................ 16 Electron ionization............................................................................................................................. 16 Chemical ionization............................................................................................................................ 17 2.2 MASS ANALYZER......................................................................................................................................... 18 2.3 TANDEM MS-MS........................................................................................................................................ 18 2.4 DETECTION MODES...................................................................................................................................... 20 Full scan – Total ion current (TIC)....................................................................................................... 20 Selected Ion Monitoring, SIM............................................................................................................. 21 Other detection modes....................................................................................................................... 21 3. ICP – MASSASPECTROMETRIE (ICP-MS).................................................................................................... 22 3.1 ICP ALS IONENBRON..................................................................................................................................... 22 3.2 PLASMA-EXTRACTIE...................................................................................................................................... 24 3.3 IONENDETECTIE........................................................................................................................................... 25 3.4 MONSTERINTRODUCTIE................................................................................................................................. 28 Verstuiving......................................................................................................................................... 28 Laser Ablation.................................................................................................................................... 29 3.5 SPECTRALE INTERFERENTIES........................................................................................................................... 31 Oorzaak van spectrale interferenties................................................................................................. 31 a. Ar-houdende ionen........................................................................................................................................ 31 b. Oxide en hydroxide-ionen.............................................................................................................................. 32 c. Dubbel geladen ionen.................................................................................................................................... 32 d. Andere storende moleculaire ionen.............................................................................................................. 32 Omgaan met spectrale interferenties................................................................................................ 32 a. Eenvoudige methodes................................................................................................................................... 32 b. Sector-veld ICP-MS......................................................................................................................................... 33 c. Botsings/reactiecel – chemische resolutie..................................................................................................... 34 3.6 KARAKTERISTIEKEN VAN ICP-MS.................................................................................................................... 36 4. ELEKTRONENMICROSCOPIE...................................................................................................................... 37 4.1 ELEKTRONENBRONNEN................................................................................................................................. 37 Soorten............................................................................................................................................... 37 a. Thermo-ionische bron.................................................................................................................................... 37 b. Field Emission Gun......................................................................................................................................... 38 Aandachtspunten............................................................................................................................... 39 a. Cross-over...................................................................................................................................................... 39 b. Medium.......................................................................................................................................................... 39 4.2 ELEKTRONENBUNDEL.................................................................................................................................... 39 Instrumentarium................................................................................................................................ 40 Afwijkingen........................................................................................................................................ 40 a. Sferische afwijking......................................................................................................................................... 40 b. Chromatische afwijking.................................................................................................................................. 40 c. Diffractie........................................................................................................................................................ 41 d. Astigmatism................................................................................................................................................... 41 4.3 ELEKTRONEN INTERACTIE............................................................................................................................... 42 4.4 SEM......................................................................................................................................................... 44 Doel.................................................................................................................................................... 44 Principe............................................................................................................................................... 44 Architectuur....................................................................................................................................... 44 Trouble-shooting................................................................................................................................ 46 4.5 TEM......................................................................................................................................................... 47 Doel.................................................................................................................................................... 47 Principe............................................................................................................................................... 47 Architectuur....................................................................................................................................... 47 Modes in beeldvorming...................................................................................................................... 50 Monstervoorbereiding....................................................................................................................... 52 Advanced off-line measurements for Quality Control ADVANCED OFF-LINE MEASUREMENTS FOR QUALITY CONTROL 1. Massaspectroscopie (MS) 1.1 Massaspectrometrie als detectiesysteem Massaspectrometrie kan gedefinieerd worden als de studie van materie via de vorming van gasvormige ionen, die van elkaar worden gescheiden volgens hun verhouding van massa tot lading en vervolgens worden gedetecteerd en gekwantificeerd. Het is een veelzijdige en krachtige techniek voor de identificatie en kwantificatie van isotopen en moleculen. De terminologie massaspectrometrie is een gevolg van het gegeven dat de via deze techniek verkregen resultaten in een zogenoemd massaspectrum kunnen worden weergegeven, dat grote gelijkenissen vertoont met een elektromagnetisch spectrum. In een massaspectrum (Figuur 1) wordt op grafische wijze de gemeten signaalsterkte of signaalintensiteit weergegeven in functie van de massa of, correcter, de verhouding van massa over lading (m/z). De massa van de ionen wordt uitgedrukt in atomaire massa-eenheden. Eén atomaire massa-eenheid (u) komt overeen met één twaalfde van de massa van een 12C-atoom en komt dus bij benadering overeen met de massa van één proton of neutron. Vooral in de organische massaspectrometrie wordt deze eenheid nog vaak aangeduid als ‘Dalton’ (Da). Figuur 1: Voorbeeld van een massaspectrum (relatieve intensiteit in functie van m/z) van benzeen. 1 Advanced off-line measurements for Quality Control Bij elke MS analysetechniek kunnen 3 essentiële onderdelen worden onderscheiden: Ionenbron, waarin de ionen worden geproduceerd Massaspectrometer, die de geproduceerde ionen in de ruimte (magneetsector) of in de tijd (time-of-flight analyzer) van elkaar gaat scheiden in functie van hun verhouding van massa tot lading of gaat optreden als een massafilter (quadrupoolfilter). Detectiesysteem, dat de ionenbundel omzet tot een meetbaar signaal. Het spreekt vanzelf dat een ionenbundel zich enkel ongestoord beweegt in vacuüm, zodat bij elke massaspectrometrische techniek vacuümpompen voor een voldoende lage druk moeten zorgen. Ten slotte dient tevens een geschikt monsterintroductiesysteem en apparatuur voor registratie en verwerking van de detectorsignalen voorzien te zijn. Figuur 2: Schematische voorstelling van de belangrijkste onderdelen van een massaspectrometer. In de organische chemie wordt massaspectrometrie vooral ingezet voor structuurbepaling. De geïntroduceerde organische moleculen worden in de ionenbron omgezet tot geladen (en niet- geladen) fragmenten en eventueel ook tot het moleculair ion. In de massaspectrometer worden de aldus gevormde ionen van elkaar gescheiden volgens hun verhouding massa over lading. Via registratie van de overeenkomstige signalen kan men een inzicht krijgen in de moleculaire massa, de aanwezigheid van karakteristieke groepen en bijgevolg de structuur van de geïntroduceerde molecule achterhalen. Daarnaast is de massaspectrometrie ook van steeds toenemend belang voor anorganische analyse: elementbepaling en isotopenanalyse. In dit onderdeel (2.1) worden de verschillende massaspectrometers alsook de verschillende detectiesystemen onder de loep genomen die zowel voor anorganische als organische toepassingen worden gebruikt. In het volgende worden de ionenbronnen met de daaraan gekoppelde monsterintroductiesystemen eigen aan anorganische MS en organische MS uitvoerig besproken en becommentarieerd met voorbeelden. 2 Advanced off-line measurements for Quality Control 1.2 Belangrijkste karakteristieken van een massaspectrometer Massaresolutie De massaresolutie is een maat voor de mogelijkheid van de massaspectrometer om twee aangrenzende pieken (m.a.w. de signalen van twee ionen met een relatief beperkt verschil in massa) van elkaar te scheiden. De resolutie van een apparaat wordt gedefinieerd via: De klassieke definitie: m R= met ∆m de breedte van de piek bij massa m op 5% van de maximale hoogte. ∆m Figuur 3: Grafische voorstelling van de berekening van de massaresolutie op basis van de piekbreedte. De 10% valley definitie. Bij deze benadering worden twee aangrenzende pieken van gelijke intensiteit als gescheiden van elkaar beschouwd als de hoogte van het signaal tussen deze twee pieken niet hoger is dan 10% van de hoogte van de pieken (Figuur 4). Figuur 4: Grafische voorstelling van de berekening van de massaresolutie op basis van de 10% valley definitie. Deze definitie laat toe de minimale massaresolutie vereist voor het adequaat scheiden van twee pieken te berekenen. 3 Advanced off-line measurements for Quality Control  (m1 + m2 )   R=   2 De massaresolutie is in dit geval gelijk aan: m2 − m1 Via deze definitie kan worden berekend welke de minimale resolutie is, nodig om het signaal van de betrokken ionen adequaat van elkaar te scheiden. Bij toenemende intensiteit van het signaal van het interfererende ion t.o.v. het analietion wordt de hiervoor vereiste resolutie steeds hoger. Massabereik In deze cursus wordt zowel aandacht besteed aan het gebruik van massaspectrometrie in de context van anorganische analyse (elementbepaling en isotopenanalyse) als in de context van organische analyse (structuuranalyse). In tegenstelling tot bij gebruik van massaspectrometrie voor organische analyse, speelt het massabereik bij gebruik voor anorganische analyse een beperktere rol. Bij anorganische MS strekt het massabereik zich uit van 0 tot 260 u. Scansnelheid De scansnelheid bepaalt hoeveel tijd vereist is om het volledige massabereik af te scannen. De scansnelheid heeft vanzelfsprekend steeds een invloed op de vereiste meettijd voor een analyse of de ‘sample throughput’ (snelheid van analyse), maar is voornamelijk belangrijk wanneer een monsterintroductiesysteem wordt gebruikt dat tot transiënte signalen aanleiding geeft. 1.3 Soorten Massaspectrometers De sector-veld massaspectrometer a. De magneetsector als massaspectrometer In Figuur 5 is op schematische wijze de werking van een magneetsector als MS voorgesteld. Veronderstel dat in de ionenbron I positief geladen ionen M+ worden geproduceerd. Deze ionen worden vervolgens versneld over een potentiaalverschil V, terwijl via een stel nauwe spleten S1 en S2 de ionenbundel wordt gecollimeerd. 4 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 5: Schematische voorstelling van de magnetische sector als massaspectrometer. Als een op deze wijze versneld ion het homogeen magnetisch veld (veldlijnen loodrecht op het vlak van de figuur en naar de lezer toewijzend) binnentreedt, dan zal het onder invloed van de Lorentz-kracht een cirkelvormige baan beschrijven. Deze Lorentz-kracht wordt gegeven door: ( ) FL = q. v x B Vermits de bewegingsrichting van het ion en de magnetische veldlijnen loodrecht op elkaar staan, wordt de grootte van deze kracht gegeven door: = qvB Deze kracht staat loodrecht op de snelheid, zodat niet de grootte van deze vector, maar enkel zijn richting verandert. Bijgevolg gaat het ion een eenparig cirkelvormige beweging m v2 beschrijven, zodat geldt dat: = r Bijgevolg is de straal van de cirkelbaan beschreven door het ion des te groter naarmate het ion zwaarder is (m) en/of met grotere snelheid (v) het magneetveld wordt ingestuurd. De straal mv r= wordt daarentegen kleiner bij toename van de lading (q) van het ion en/of de sterkte van het aangelegde veld (B). bB T.g.v. de versnelling over het potentiaalverschil V, verkrijgt elk ion de volgende kinetische energie: E = ½. mv2 = qV met m de massa van het desbetreffende ion, v de snelheid en q zijn 2V m r= lading. B. q Hieruit volgt dat, bij constante versnellingspotentiaal en magnetische veldsterkte, de straal van de ionenbaan wordt bepaald door de verhouding massa tot lading van het ion. Ionen met een verschillende massa, of juister, verhouding van massa tot lading, worden in de ruimte van elkaar gescheiden. 5 Advanced off-line measurements for Quality Control b. De elektrostatische sector als energiefilter De situatie wordt enigszins gecompliceerder als men ervan uitgaat dat niet alle M+-ionen exact dezelfde energie vertonen, maar er daarentegen een zekere spreiding op de kinetische energie zit. Dit komt het scheidend vermogen of de resolutie van de massaspectrometer niet ten goede. Een licht ion met hogere kinetische energie kan dan immers in het magneetveld dezelfde cirkelbaan beschrijven als een iets zwaarder ion met lagere energie. Om de effecten van de hoger vermelde spreiding op de kinetische energie van de ionen op t e vangen, kan men een elektrostatische sector voor (of na) de magneetsector plaatsen. Dergelijke elektrostatische sector (Figuur 6) is opgebouwd uit twee gebogen platen, waarvan op één een positieve en op de andere een negatieve potentiaal is aangebracht. M+-ionen die door de elektrostatische sector worden gestuurd worden afgestoten door de positief geladen plaat en aangetrokken door de negatief geladen plaat en worden tot een eenparig cirkelvormige beweging gedwongen. Figuur 6: Energiefocussering in een elektrostatische sector (E1 < E2) De kracht uitgeoefend op een ion wordt gegeven door: m v2 F= = q.E r m v2 r= q.E De straal van de ionenbaan doorheen de elektrostatische sector wordt bijgevolg, rekening houdende met de uitdrukking voor de kinetische energie, gegeven door 2 E kin = q.E 6 Advanced off-line measurements for Quality Control De elektrostatische sector scheidt de M+-ionen dus niet volgens hun massa of verhouding van massa over lading, maar volgens hun kinetische energie: ionen met een verschillende massa, maar gelijke energie worden in eenzelfde punt gefocusseerd. Wanneer nu een plaat met een nauwe spleet achter de elektrostatische sector wordt geplaatst, kan de opstelling gebruikt worden als een energiefilter: enkel ionen waarvan de kinetische energie binnen bepaalde grenzen is gelegen, zodat ze gefocusseerd worden in een punt dat binnen de spleet is gelokaliseerd, worden doorgelaten. De toegelaten spreiding op de energie wordt bepaald door de spleetbreedte. Wanneer een dergelijke energiefilter voor (of na) de magnetische sector wordt geplaatst (Figuur 7), wordt de resolutie grondig verbeterd, helaas ten koste van een groot verlies aan transmissie-efficiëntie (en dus aan signaalintensiteit en detectievermogen). Figuur 7: Combinatie van een elektrostatische sector en een magneetsector voor het verkrijgen van een hogere massaresolutie. De voorgestelde bundels komen overeen met de bundels van ionen met eenzelfde massa, maar met verschillende energie (E1 < E2 < E3). c. Dubbelfocussering Het grote verlies in bundelintensiteit verkregen door gebruik van een elektrostatische sector als energiefilter kan worden tegengegaan door gebruik te maken van een zogenaamde dubbelfocusserende opstelling. 7 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 8: Dubbelfocusserende sector veld massaspectrometer. De voorgestelde bundels komen overeen met de bundels van ionen met eenzelfde verhouding m/z, maar met verschillende E (E1 < E2). Hierbij zijn de beide sectoren (elektrostatische en magnetische sector) zo ontworpen en gecombineerd dat de dispersie in de ene sector perfect wordt gecompenseerd door de dispersie in de andere. Ionen met eenzelfde verhouding van massa over lading, maar met een verschillende bewegingsrichting en kinetische energie worden uiteindelijk toch in hetzelfde punt gefocusseerd. Er treedt m.a.w. zowel richtings- als energiefocussering op. Er bestaan verschillende dubbelfocusserende geometrieën: Mattauch-Herzog geometrie – In deze geometrie (Figuur 9) worden elektrostatische en magnetische sector zo gecombineerd, dat de bundels overeenstemmend met ionen met verschillende verhouding van massa over lading alle op hetzelfde vlak (het focaal vlak) worden gefocusseerd. 8 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 9: Mattauch-Herzog geometrie. De voorgestelde bundels komen overeen met de bundels van twee soorten ionen (verschillende m/z), die elk ook een variatie in energie vertonen (detector in het focaal vlak). Nier-Johnson geometrie – Bij deze geometrie (Figuur 10, links) wordt slechts dubbelfocussering in één punt (voor één verhouding van massa over lading) verkregen. Selecteren van de verhouding massa over lading van de ionen die op de detector invallen, gebeurt door variatie van de sterkte van het magnetisch veld B of van de versnellingspotentiaal V. Omgekeerde Nier-Johnson geometrie – Bij deze geometrie (Figuur 10, rechts) wordt de magneetsector voor de elektrostatische sector geplaatst. Op deze wijze wordt de grootste fractie van de bundel reeds geëlimineerd vooraleer ze de elektrostatische sector binnenkomt. De verminderde ionendichtheid van de bundel resulteert in minder botsingen en een reductie in de onderlinge afstoting tussen de ionen (zgn. space-charge effecten), wat leidt tot een meer ‘ideaal’ gedrag, met in de praktijk een lager achtergrondsignaal en nauwere pieken in het massaspectrum. Figuur 10: Nier-Johnson geometrie (links) en omgekeerde Nier-Johnson geometrie (rechts) 9 Advanced off-line measurements for Quality Control De quadrupoolfilter a. Inleiding De quadrupoolmassaspectrometer of quadrupoolfilter is geschikt voor toepassingen waarvoor geen hoge massaresolutie vereist is of waarbij geen bepaling van de exacte massa van de ionen vereist is. De belangrijkste voordelen van de quadrupoolfilter zijn: De hoge snelheid waarmee het massaspectrum kan worden afgescand De mogelijkheid te werken bij relatief hoge drukken De instrumentele eenvoud en bijgevolg relatief lage kostprijs De tolerantie inzake spreiding van energie van de binnentredende ionen. Het belangrijkste nadeel van dit type massaspectrometer is de beperkte masaresolutie: slechts ionen die minstens een halve massa-eenheid van elkaar verschillen kunnen van elkaar gescheiden worden. b. Werkingsprincipe In de praktijk bestaat een quadrupoolfilter uit vier evenwijdige cilindervormige staven uit een geleidend materiaal. De diametraal tegenoverstaande staven zijn elektrisch verbonden, zodat twee elektrodeparen ontstaan (Figuur 11). De aldus gevormde elektrodeparen worden op een gelijke (grootte), doch tegengestelde potentiaal gebracht, die bestaat uit een gelijkspannings- en een wisselspanningsgedeelte. Figuur 11: Schematische voorstelling van een quadrupoolfilter (links) en de elektrische verbinding van de diametraal tegenoverstaande staven, waardoor twee elektrodeparen ontstaan (rechts). 10 Advanced off-line measurements for Quality Control De quadrupoolmassaspectrometer gedraagt zich op elk moment als een soort massafilter, die enkel ionen met een verhouding van massa over lading gelegen in een relatief nauw venster (≤ 1 u) doorlaat. De andere ionen vertonen een instabiele baan en worden uit de bundel verwijderd. Figuur 12: De quadrupoolmassaspectrometer laat op elk moment slechts ionen met een m/z binnen een nauw venster door (links). Door aanpassing van de potentialen aangelegd op de quadrupoolstaven kan de positie van het m/z-venster worden aangepast. Door de spanning op de staven te variëren op zo’n wijze dat de verhouding van het gelijkspanningsgedeelte (U) tot de amplitude van het wisselspanningsgedeelte (V) constant blijft, kan het venster (of de mass window) op continue (scanning) of discontinue wijze (peak hopping of peak jumping) over het volledige massabereik worden verschoven. De time-of-flight analyzer a. Werkingsprincipe De time-of-flight (TOF) analyzer is gekarakteriseerd door een eenvoudig werkingsprincipe (Figuur 13). Figuur 13: Schematische voorstelling van de werking van de time-of-flight analyzer. 11 Advanced off-line measurements for Quality Control De ionen geproduceerd in de ionenbron worden eerst versneld over een potentiaalverschil V en verkrijgen hierbij een kinetische energie, gegeven door: 1 E kin =. mv 2 = q.V De verkregen kinetische energie wordt dus enkel bepaald door de lading van het ion en is bijgevolg voor alle enkelvoudig positief geladen M+-ionen gelijk. 2 De op deze wijze versnelde ionen worden vervolgens geïntroduceerd in een veldvrije zone in een rechte buis (flight tube) met lengte L (Figuur 13). De snelheid (v) waarmee een ion zich beweegt in de veldvrije zone, wordt gegeven door: De constante snelheid waarmee een ion zich in de flight tube voortbeweegt, wordt bepaald door zijn massa, of correcter, zijn verhouding van massa over lading. Het is duidelijk dat indien q.V v = 2. enkel enkelvoudig positief geladen ionen worden beschouwd, zware ionen zich trager gaan bewegen dan lichter. m De tijd (t) die een ion nodig heeft om de totale afstand L af te leggen en de detector te bereiken wordt dan gegeven door: L L m t= = Des te zwaarder een ion, des te meer tijd verstrijkt vooraleer het ion de detector bereikt. v 2. q.V Bijgevolg worden met dit type massaspectrometer de ionen volgens hun verhouding massa over lading gescheiden in de tijd. Continue registratie van de intensiteit van de ionenstroom in functie van de tijd levert een massaspectrum op. De massaresolutie van de TOF-analyzer wordt beïnvloed door: De ruimtelijke verdeling van de ionen De spreiding op het vormingstijdstip van de ionen en op hun kinetische energie eens ze in de veldvrije zone worden geïntroduceerd De lengte L van de flight tube De dynamische karakteristieken van het detectiesysteem b. Gebruik van een reflectron ter verbetering van de massaresolutie Ook bij de time-of-flight analyzer beïnvloedt een spreiding op de kinetische energie van de geïntroduceerde ionen de bereikbare massaresolutie op nadelige wijze. Ter verbetering van de 12 Advanced off-line measurements for Quality Control massaresolutie wordt gebruik gemaakt van een reflectron of ion mirror. Zo’n reflectron (Figuur 14) bestaat uit een aantal ringvormige elektroden waarop een steeds toenemende potentiaal is aangelegd (werking beschreven voor positieve ionen). De ionen dringen het aldus opgewekte elektrisch veld binnen en worden door de afstoting die ze ondervinden vertraagd, tot stilstand gebracht en in tegengestelde zin weer versneld. Ionen met hogere energie dringen dieper in het elektrisch veld door en leggen bijgevolg een langere weg af. Op deze wijze wordt ervoor gezorgd dat ionen met eenzelfde verhouding massa over lading, maar met een verschil in kinetische energie alsnog op hetzelfde tijdstip de detector bereiken. Bovendien wordt de afgelegde weg verdubbeld binnen dezelfde behuizing, wat ook voordelig is voor de massaresolutie. Figuur 14: Schematische voorstelling van de werking van het reflectron (links) en een meer realistische weergave van de opbouw ervan (rechts). c. Bundelmodulatie Zoals uit de beschrijving van het werkingsprincipe van dit type massaspectrometer blijkt, is een time-of-flight analyzer niet geschikt voor gebruik bij continue introductie van een ionenbundel, maar kunnen enkel pulsvormige ionenpakketten worden verwerkt. Bij continue introductie zou een licht en dus snel ion b.v. een zwaar en dus traag ion dat eerder werd geïntroduceerd, inhalen. Toch zijn TOF-analyzers compatibel met een continue ionenbron, op voorwaarde dat de output van dergelijke bron wordt gemoduleerd. Dit betekent dat de continue ionenstroom wordt omgezet in pulsvormige ionenpakketten. Men maakt een onderscheidt tussen orthogonale en axiale versnelling: Bij orthogonale versnelling wordt de tube flight van de TOF-analyzer loodrecht geplaatst op de richting van de originele ionenbundel. Door kortstondig aanleggen van een hoge potentiaal op een zogenaamde repeller, worden de ionen die zich op dat moment in de extractiezone 13 Advanced off-line measurements for Quality Control (de zone net voorbij de repeller) bevinden, de TOF-analyzer binnengedrukt, waar ze op de eerder beschreven wijze volgens hun verhouding massa over lading van elkaar worden gescheiden. Slechts na een voldoende lang tijdsinterval wordt opnieuw een potentiaalinterval aangelegd, zodat een nieuw ‘ionenpakket’ in de TOF-analyzer wordt binnengedrukt. Het zwaarste ion uit het pakket geïntroduceerd op tijdstip t moet steeds de detector bereiken voor het lichtste ion uit het pakket geïntroduceerd op tijdstip t + ∆t. Bij anorganische MS kan de frequentie van de op de repeller aangelegde blokspanning tot 30.000 Hz bedragen. Dit betekent dat per s tot 30.000 volledige massaspectra kunnen worden verkregen. Figuur 15: Modulatie van een continue ionenbundel d.m.v. orthogonale versnelling. Ook axiale bundelmodulatie kan hiervoor worden ingezet en steunt op het gebruik van een modulatielens en repeller (Figuur 16). Bij aanleggen van een negatieve potentiaal op de modulatielens worden de positieve ionen versneld naar de TOF-analyzer toe. Via de centrale openingen passeren ze de modulatielens en repeller. Vervolgens worden ze verder versneld door een positieve potentiaal op dat ogenblik aangebracht op de repeller. Wanneer daarentegen een positieve potentiaal op de modulatielens is aangebracht worden de aankomende ionen door elektrostatische afstoting voldoende vertraagd, zodat ze de TOF- analyzer niet kunnen binnentreden en bijgevolg door de vacuümpompen worden verwijderd. De beide toestanden (negatieve versus positieve potentiaal op de modulatielens) worden dikwijls aangeduid als ‘gate open’ versus ‘gate closed’. Deze twee toestanden volgen elkaar ook op met een frequentie tot 30.000 Hz. 14 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 16: Axiale modulatie van een continue ionenbundel. Aan het detectiesysteem volgend op de TOF-analyzer worden bijzonder hoge eisen gesteld - razendsnel moet immers heel veel informatie verwerkt worden. Slechts dankzij recente ontwikkelingen in de micro-elektronica kunnen detectors worden ingezet die toelaten de voordelen van TOF-analyzers ten volle te benutten. Om de grootte van de gegevensbestanden bij gebruik van een TOF-analyzer enigszins binnen de perken te houden, worden de gegevens verkregen in een aantal opeenvolgende cycli (of m.a.w. voor een aantal opeenvolgende ionenpakketten) dikwijls gegroepeerd opgeslagen. Overzicht van de belangrijkste karakteristieken In de volgende tabel worden de belangrijkste karakteristieken van de besproken types massaspectrometers vergeleken. Het massabereik is voor alle types massaspectrometers in de context van anorganische analyse typisch 1-260 u. Type massaspectrometer Massaresolutie Scansnelheid ca. 1,5 ku/s Sector-veld Rmax ≈ 12.000 volledig massaspectrum in 150 ms Unit mass resolution ca. 2,5 ku/s Quadrupool R ≈ 300 volledig massaspectrum in 100 ms Unit mass resolution ca. 7,5 ku/s Time-of-flight R ≈ 300 volledig massaspectrum in 0,03 ms 15 Advanced off-line measurements for Quality Control 2. GC-MS The need to unequivocally identify the components of complex mixtures was the motivation for the development of different instrumental coupling techniques (tandem), including the widely and successfully used (with volatilizable substances) gas chromatography coupled with mass spectrometry (MS). GC-MS is an extremely favorable, synergistic union, as the compounds susceptible to be analyzed by GC (low-molecular weight, medium or low polarity, in ppb-ppm concentration) are also compatible with the MS requirements. Besides both analyses proceed in the same aggregation state (vapor phase). The only "conflict" (short-term and already resolved) between GC and MS, were the different working pressures, i.e., atmospheric at the GC column exit and low (10-5 à 10-6 Torr) in the ionization chamber, respectively. This drawback was overcome by technically introducing an efficient vacuum pump (turbomolecular and gas-jet pumps) and, above all due to the introduction of gas chromatography capillary columns (internal diameter 0.18 to 0.32 mm id, traditionally used in GC- MS), which are inserted directly into the ionization chamber of a mass detector. Figure 17: Classic GC-MS formation with an electron impact ionization mode 2.1 Ion source Electron ionization The essence of a mass spectrometric method revolves around the process of ionization of the molecule, with or without subsequent cleavage or fragmentation. Electron ionization (EI) is the oldest technique for organic molecule ionization; it is the most widespread and the one with the largest number of applications, for example, GC-MS. Electrons are excellent agents for ionizing organic molecules. First, because it is easy to obtain them: just pass an electric current 16 Advanced off-line measurements for Quality Control through a tungsten wire (filament or cathode). Second, their energy is adjustable with the voltage applied between cathode (thermo-electron emitter) and anode (ground connection), where the average standard energy (worldwide accepted convention) is 70 eV. For most organic molecules, the maximum ionization efficiency is already reached with bombarding electrons with energy of 50-60 eV. Standard mass spectra are taken at 70 eV because they so achieve the highest repeatability and reproducibility. Mass spectra libraries are also formed with the spectra obtained by electron ionization energy of 70 eV. All this facilitates the comparison of the spectra taken on different spectrometers with those of databases and other instruments. The bombarding electron energy of 70 eV far exceeds that required to ionize organic molecules. The ionization energies for organic molecules lie in the range of 6 to 13 eV, and depend on their molecular structure. For example, to ionize the cyclohexane molecule, 9.9.eV of energy are required; for benzene 9.2 eV, toluene 8.8 eV, pyridine 8.2 eV, and naphthalene 8.1 eV. Chemical ionization Besides electron ionization, chemical ionization (CI) is sometimes used in GC-MS. Unfortunately, the use of CI generally requires the change of the ionic volume (ionization chamber), because the residual pressures that are used in CI are much higher (up to 1 mm Hg) than those used in EI (10-5-10-7 Torr). The most common technique for the ionization of "small" molecules (more than 90% of applications) is the electron impact, while the positive ion (PICI) or negative ion (NICI) chemical ionization is an important complement used when molecular ions are not recorded in the spectra obtained by EI. When the molecular weight of the substance should be determined, it is clearly deduced from the CI spectra based on the mass of the protonated molecular ion, MH+ [or deprotonated (M-H)-, for NICI], along with the cluster ions, usually formed by electrophilic addition of secondary ions from reactant gases (methane, ammonia, iso-butane, etc.). In fact, less than 10% of all substances in the planet can be ionized in the vapor phase by EI or CI, as the ionization process by these techniques has as major limitation the low volatility or thermal instability of many organic substances. Volatilization is a stage prior to the ionization by EI or CI; the two processes are separate both in time and space. The separation of ions in the GC-MS technique can occur with virtually all types of mass analyzers, e.g., ion traps (IT), quadrupole (Q), magnetic deflection analyzer, as well as the configurations of several tandem analyzers (e.g., QqQ, triple quadrupole), and today, for the GC x GC configuration, the time- of-flight (TOF) analyzer. 17 Advanced off-line measurements for Quality Control 2.2 Mass Analyzer The mass selective detectors are divided into two groups. The first group corresponds to scanning analyzers. These include sector-field analyzers and quadrupole analyzers. The latter are the most frequently used in tandem GC-MS systems. The second group consists of simultaneous ion transmission analyzers. These include e.g. the time-of-flight (TOF) mass spectrometers, which have gained recent popularity in the field of coupled techniques with both gas and liquid chromatography, because of its high resolution and sensitivity. 2.3 Tandem MS-MS Frequently, excessive chemical noise is observed in the ion current of extracts obtained from biological samples, food, soil, etc. This leads to a failure to achieve the required specificity and to detect and identify reliably analytes of interest, when analyzing a complex mixture with many interferences or impurities. Usually, the signal/noise (S/N) increases with the number of steps in an analytical procedure. In instrumental analysis, this is the typical case of a tandem system, for example, GC-MS or LC-MS, including multidimensional or tandem mass spectrometry (MS-MS). Equal to the cleaning of an extract, which increases the S/N in the process of final instrumental analysis, a tandem mass spectrometer includes filtering steps in its operation. For instance, in a triple quadrupole (QqQ), during the first step of ion separation, the first analyzer (MS1) executes a specific clean-up, to distinguish, in a complex mixture, the characteristic ions of the analyte; the second mass analyzer (MS2), records only signals that are characteristic of the target analyte, free from interfering signals. A device located between the two analyzers is where the selected ion can be activated, i.e. its internal energy can be increased, leading to its dissociation and the formation of fragment-ions (ion-products), which are recorded in the analyzer MS2. This device operates as a collisions cell, which cause the disassociation of stable ions selected by the first analyzer. Figure 18: Principle of tandem MS-MS 18 Advanced off-line measurements for Quality Control The classic configuration of a tandem mass spectrometer is the connection in series of MS1, collision- activated chamber and MS2, followed by a system for the detection and measurement of ionic currents. Tandem mass systems are divided into two large groups depending on the types of mass analyzers involved. The first group is made up of tandem-in-time mass spectrometers. These include linear and quadrupolar ion traps, orbital traps (orbitrap). In tandem-in-time instruments the ions produced in the ionization region are trapped, are isolated, fragmented and then separated according to their m/z ratio in the same physical space. The cascade of dissociation reactions of ions pre-selected and then activated and subsequently monitored, take place in the same analyzer, but occur consecutively as a function of time, thus allowing the successive record of ions which are son, grandson, grand-grandson, etc., (MS)n, of the original selected ion. The second group of tandem mass (MS/MS) instruments is made up of the so-called tandem-in-space mass spectrometers. In these, at least 2 analyzers are separated in space. With these spectrometers it is possible to study not only product-ions, but also precursor ions, the reactions (transitions) between 2 related ions, or monitoring the loss of a neutral fragment. A triple quadrupole, designated as QQQ, or QqQ, belongs to this type of tandem mass spectrometers. Hybrid MS/MS configurations involve combining several analyzers of different nature or different operating principles, for example, quadrupole (Q) or ion trap (IT) with a magnetic sector analyzer (B) alone or in conjunction with electrostatic analyzer (E) or a time-of-flight (TOF) analyzer. This gives rise to different hybrid tandem equipment, e.g., EBE, EBEB, B-QI-Q2, QEB, Q-TOF, IT-TOF-TOFB, EB-TOF-TOF EBE, QBE and other possible combinations of analyzers. Of course, the union of several analyzers greatly increases the cost of the instrument and the complexity of their operation, but, simultaneously, increases the amount and quality of analytical information obtained, the degree of reliability and specificity. Tandem MS/MS instruments involve 2 stages of mass analysis separated by a reaction of activated or induced dissociation of ions. This happens between the mass measurement before and after the fragmentation of the ions selected in the first stage. The fragmentations are caused by collisions of the selected ions with inert gas molecules (He, Ar, Xe or N2, at a pressure of 0.1-0.3 Pa), and by the accelerating potential of an electrostatic field applied in a collisions cell, also called cell of activated or induced collisions. When employing soft ionization methods (e.g., chemical ionization, Cl) or in the coupling of liquid chromatography with mass spectrometry with electrospray (ESI) or atmospheric pressure chemical ionization (APCI) molecular (or poliprotonated, multicharged) ions practically do not fragment, and this leads to 19 Advanced off-line measurements for Quality Control a lack of information required for the structural elucidation of the molecule. The "energization" of the stable (non-dissociated) ions (cations), for example, molecular or quasi- molecular ion, multiprotonated species, cluster, etc., allows to forcibly induce their dissociation to subsequently extract structural information complementary to the molecular mass or elemental composition (when using high resolution mass analyzers). Using a detection system with more than one mass analyzer such as a triple quadrupole is appropriate for the analysis of target compounds at trace level (ppt - ppb range) in complex matrices, with the presence of interferences, as in the cases of food samples, biological fluids, animal and plant tissues, soil, wastewater and other environmental samples. The MS/MS technique is very helpful and is a valuable analytical reinforcement, required in situations where (1) there is a high chemical noise in spectra acquired in SlM mode, (2) characteristic ions coelute with isobaric impurities (same nominal mass), (3) the structure of the compound is unknown and requires additional structural information (often, it is necessary to activate molecular, quasi-molecular or protonated ions, or some stable fragment ions, to extract additional structural information through the products in which fragment-ions are dissociated), (4) the fragmentogram obtained in SIM mode requires an additional confirmatory information and finally, (5) higher sensitivity and specificity are required in the analysis (pesticide residues, petroleum biomarkers, anabolic steroids and other doping agents, etc.). The triple quadrupole configuration provides a range of analytical experiments and modes of ionic current acquisition each of which provides certain specific information. The following describes each of the possible modes of acquisition of a QQQ instrument. 2.4 Detection modes Full scan – Total ion current (TIC) This is the traditional type of ionic current acquisition, similar to that employed in spectrometers with a single quadrupole analyzer (mass filter). The first analyzer (MS1) performs a full sweep and records mass spectra of every analyte emerging from the GC or LC column, which has been ionized and fragmented into molecular ion and different ion-products. In the GC-MS technique, ca. 0.05-1 ng of a compound are sufficient to obtain a mass spectrum that meets quality criteria. The intermediate quadrupole (Q2) and the mass analyzer (MS2) operate only in ion transmission mode. 20 Advanced off-line measurements for Quality Control Selected Ion Monitoring, SIM This acquisition mode is also well known and is widely practiced in mass spectrometers with a single quadrupole. In this case, the first analyzer (MS1) allows free passage only to a small number of selected ions (usually 3), typical or characteristic of the target analyte, which is selectively sought in a complex mixture. The other two quadrupoles just transmit the ions filtered by MS1. The mass fragmentogram is built based on the partial ion currents recorded. Since each selected ion is measured for a longer period, e.g., approximately 50 ms instead of 50 µs, chemical noise is reduced (S/N is increased), lower detection levels (by a factor of 10- 100) are reached, and this permits the detection of a target analyte in quantities of pg or less. SIM mode is widely used for recording both a compound of interest in a complex mixture, as well as for sensitive quantitation, but also to register groups of homologous compounds, by monitoring their characteristic ions, namely for n-paraffins: m/z 57, 71, 85, for fatty acid methyl esters: ion at m/z 74; for alkylbenzenes: m/z 91, 105, and for phthalates: m/z 149, 167, among other analytes of interest. Other detection modes Besides TIC and SIM, other modes are available (such as Product ion scan, Parent ion scan, Constant neutral loss scan and Multiple reaction monitoring, MRM), but are out-of-scope for this course. 21 Advanced off-line measurements for Quality Control 3. ICP – Massaspectrometrie (ICP-MS) Uit de hoge intensiteit van ionlijnen waargenomen bij ICP-OES, is duidelijk dat atomen in het ICP efficiënt worden geïoniseerd, wat geleid heeft tot het idee dit ICP te gebruiken als een ionenbron voor massaspectrometrie. Het grote probleem bij koppeling van een massaspectrometer met een ICP is dat binnenin de massaspectrometer een vacuüm nodig is om te vermijden dat ten gevolge van botsingen, de ionen afwijken van hun banen in een magnetisch of elektrisch veld. In figuur 19 is aangegeven hoe de plasma-ionenbron en de massaspectrometer gekoppeld worden: dit gebeurt via zgn. skimmer-cones welke als een interface tussen ICP en MS kunnen beschouwd worden. Het zijn kegelvormige, watergekoelde plaatjes vervaardigt uit bv. Ni die slechts een zeer klein deel van het plasma toelaten in het vacuüm van de massaspectrometer. Na een sampling cone met een opening van ca. 1 mm, welke de gasdruk van 1 bar tot ca. 1 mbar doet dalen, wordt een tweede watergekoelde skimmer cone geplaatst met een nog kleinere opening. Hierdoor daalt de druk tot ca 10-5 bar. De extractielens die achter deze tweede kegel is opgesteld, staat op een sterk negatieve potentiaal en is bedoeld om de ionen vanuit het plasma naar de massaspectrometer toe te doen bewegen. Figuur 19: Opstelling ICP-MS met een hexapool botsings/reactiecel, een quadrupool massaspectrometer en een elekronmultiplier 3.1 ICP als ionenbron Via een benaderende berekening op basis van de Saha vergelijking, waarbij wordt uitgegaan van een ionisatietemperatuur Tion van 7500 K en een elektronendensiteit ne van 1015/cm³, kan worden aangetoond dat de meeste elementen voor meer dan 90% worden geïoniseerd in het 22 Advanced off-line measurements for Quality Control ICP. Onder deze condities wordt de geïoniseerde fractie α in functie van de ionisatie-energie (IE) in figuur 20 uitgezet. Men merkt op dat elementen met een ionisatie-energie groter dan 10 à 11 eV nauwelijks nog aanleiding geven tot metaal-ionen, resulterend in de limitatie van nauwkeurige bepaling. Figuur 20: Geïoniseerde fractie α in functie van de ionisatie-energie (in eV) in het ICP, zoals berekend via de Saha vergelijking met Tion = 7500 K en ne = 1015/cm3. De belangrijkste ionisatiemechanismen zijn voor analietatomen M (i) elektron impact ionisatie, waarbij een voldoende snel elektron botst met het analietatoom en (ii) de Penning ionisatie waarbij een geëxciteerd Ar-atoom de nodige energie overdraagt aan het analietatoom. (i) → 2 ∗ (ii) → Vergelijking van Saha: #$.... ! " ' K.. %.& ! met ni = de ionendensiteit of M+-densiteit ne = de elektronendensiteit na = de atomendensiteit of M-densiteit me = de massa van het elektron k = de constante van Boltzmann Tion = de ionisatietemperatuur h = de sonstante van Planck Zi = de ionaire partitiefunctie Za = de atomaire partitiefunctie IE = de ionistaie-energie van het desbetreffende element M 23 Advanced off-line measurements for Quality Control 3.2 Plasma-extractie De interface gebruikt voor extractie van de analietionen uit het ICP bestaat uit twee opeenvolgende, coaxiale en watergekoelde kegels, de sampling cone en de skimmer met een kleine centrale opening. Het plasmagas dat door de centrale opening in de sampling cone de expansiekamer (dit is de ruimte tussen de sampling cone en de skimmer) binnentreedt, ondergaat wegens de lagere druk (grootteorde 10-3 bar) supersonische expansie in alle richtingen, totdat botsingen. Een deel van het geëxpandeerde plasmagas gaat vervolgens door de tweede opening van de skimmer, waar de druk opnieuw beduidend lager (10-5 bar) is. Na de skimmer bevindt zich een negatief geladen cilindrische extractielens die een aantrekkingskracht uitoefent op de positieve ionen in deze in een minder of meer uitgebreid systeem van elektromagnetische lenzen introduceert, dat de ionen zo efficiënt mogelijk in de MS introduceert. In de MS heerst een nog lagere druk (afhankelijk van het gebruikte type massaspectrometer). Negatief geladen deeltjes (elektronen en eventueel aanwezige negatieve ionen) ondervinden repulsie en worden samen met de neutrale deeltjes (die geen elektrostatische kracht ondervinden, hier overwegend Ar-atomen) weggepompt. Figuur 21: Interface tussen ICP en MS Sampling cone en skimmer zijn dikwijls uit Ni of Pt vervaardigd, omdat deze materialen een hoge thermische geleidbaarheid vertonen (afvoer warmte via waterkoeling), mechanisch sterk zijn en bestand tegen de normaal gebruikte zuren (o.m. verdund HNO3, HCl, H2SO4 en HF). Pt vertoont in deze context betere karakteristieken dan Ni, maar is ook beduidend duurder dan Ni. 24 Advanced off-line measurements for Quality Control 3.3 Ionendetectie Een massaspectrometer is uitgerust met een elektronenvermenigvuldiger voor de detectie van ionen. Hierin onderscheidt men twee soorten: (i) Continue en (ii) Discrete dynode elektronenvermenigvuldigers. Een Continue dynode elektronenvermenigvuldiger is aan voor- en achterzijde voorzien van een elektrisch contact, zodat een groot potentiaalverschil (een paar duizend volt) tussen de uiteinden kan aangelegd worden. Voor de detectie van positieve ionen, wordt een hoge negatieve potentiaal op de voorzijde van de detector aangebracht, terwijl de achterzijde wordt geaard (Figuur 22). Figuur 22: Schematische weergave van de werking van een posthoornvormige ‘continue dynode’ elektronenvermenigvuldiger. Wanneer een ion (of eventueel een foton) invalt op de detector, worden één of meerdere elektronen losgeslagen uit het halfgeleidermateriaal waarmee de binnenzijde van de detector is belegd (een glasachtig materiaal gedopeerd met Pb). De op deze wijze gevormde secundaire elektronen worden ten gevolge van het aangelegde potentiaalverschil versneld naar het andere uiteinde van de detector. Hierbij gaan verschillende botsingen met de wand optreden en telkens een elektron met de wand botst, worden meerdere elektronen losgeslagen, zodat een sterk vermenigvuldigings- of multiplicatie-effect optreedt. Bij rechtlijnige detectoren is de multiplicatiefactor beperkt tot ~104, aangezien bij hogere waarden ionaire terugslag optreedt. Bij een te intense ionenstroom is de kans op ionisatie van een residuele gasmolecule in de detector immers groter. Het aldus ontstane ion wordt in de tegengestelde zin versneld, botst met de wand en geeft aanleiding tot secundaire elektronen. Op deze wijze krijgt men bijgevolg een signaal dat niet van een analietion afkomstig is. Bij posthoornvormige detectoren is de afstand 25 Advanced off-line measurements for Quality Control die een op deze wijze gevormd ion kan afleggen korter - vooral achteraan de detector, de zone waar deze ionen preferentieel gaan ontstaan ten gevolge van de hoge elektronendichtheid. T.g.v. die kortere afstand zullen deze ionen slechts aanleiding kunnen geven tot zwakke (weinig intense) pulsen. Door gebruik van een discriminator kunnen deze pulsen bijgevolg worden herkend en niet in rekening worden genomen. De discriminator vergelijkt daartoe de intensiteit van elke puls met een kritische waarde (treshold level) en laat enkel deze pulsen door waarvan de intensiteit boven deze kritische waarde is gelegen. Bij een dergelijke posthoornvormige detector en een voldoende hoog vacuüm, kan één invallend ion dan ook aanleiding geven tot een lawine van 107 - 108 elektronen, terwijl bij gebruik van de hoger vermelde discriminator, een achtergrond van < 0,1 tellen/s kan worden bereikt. Voorts onderscheidt men 2 soorten modi voor de metingen: In de ‘pulse counting’ modus worden de afzonderlijke pulsen ‘geteld’, zodat elk individueel ion dat de detector bereikt wordt gedetecteerd. In deze modus wordt de detector echter gekenmerkt door het voorkomen van een ‘dode tijd’. De detector heeft een zekere tijd (typisch 10 - 100 ns) nodig voor de verwerking van de puls afkomstig van een invallend ion. Men spreekt van de dode tijd, omdat de detector gedurende deze periode niet beschikbaar is voor de detectie van verdere invallende ionen. T.g.v. deze dode tijd (δ) is de waargenomen signaalintensiteit (Sw) lager dan de ‘echte’ signaalintensiteit (Secht), die zou worden gemeten bij continue beschikbaarheid van de detector (signaalintensiteit uitgedrukt in tellen/s). De dode tijd kan experimenteel bepaald worden en via volgende betrekking kan de ‘echte’ signaalsterkte uit de waargenomen waarde worden berekend: 1 1 = + δ (in s) S w Se Bij hogere bundelintensiteit en dus telkadans, wordt de invloed van de dode tijd steeds sterker. ‘Analogue’ modus. Omdat extreem hoge bundelintensiteiten de levensduur van de detector verkorten, is het aangewezen onder deze omstandigheden om te schakelen naar de ‘analoge’ modus, waarbij de resulterende stroom wordt gemeten. De detector wordt dan eigenlijk als een versterker gebruikt. Bij hedendaagse detectiesystemen gebeurt de omschakeling tussen beide meetmodi automatisch op basis van de bundelintensteit. 26 Advanced off-line measurements for Quality Control Bij discrete dynode elektronenvermenigvuldiger (typisch vervaardigt uit een Cu/Be legering) wordt een successief hogere potentiaal op aangebracht (Figuur 23), zodat bij inval van het ion op de kathode de aldus vrijgestelde secundaire elektronen telkens worden versneld van de ene naar de volgende dynode. Bij elke botsing worden meerdere elektronen vrijgemaakt, zodat dit op volledig analoge wijze aanleiding geeft tot een vermenigvuldigingseffect en bijgevolg een elektronenlawine. Figuur 23: Schematische weergave van de werking van een elektronenvermenigvuldiger met discrete dynodes. Dergelijke elektronenvermenigvuldiger biedt als extra voordeel de mogelijkheid bij zeer intense ionenbundels de stroom te meten op een eerdere dynode om al te snelle slijtage te vermijden. Het grote nadeel van beide elektronenvermenigvuldigers is dat ze immers een beperkte levensduur hebben. Typisch kunnen ongeveer 1011 pulsen worden verwerkt, wat overeenkomt met een levensduur van 1 tot 2 jaar. Bemerk dat dergelijke elektronenvermenigvuldiger ook een signaal geeft bij inval van een foton. De hierdoor veroorzaakte achtergrond tracht men op verschillende manieren te reduceren. Een eerste optie is (i) gebruik van een fotonstop. Dit is een metalen plaatje dat ter hoogte van het lenzensysteem loodrecht op de as van de ionenbaan is geplaatst, zodat de doorgang van het licht zoveel mogelijk wordt beperkt. Door middel van elektrostatische lenzen worden de ionen zo efficiënt mogelijk rond dit plaatje geleid. Fotonen voeren daarentegen een rechtlijnige beweging uit , die niet wordt beïnvloed door de spanningen aangelegd op de lenzen, zodat ze door de aanwezigheid van de fotonstop grotendeels uit de bundel worden verwijderd. Tevens kan (b) de detector uit de as van de ionenbaan geplaatst worden. Ionen worden ten 27 Advanced off-line measurements for Quality Control gevolge van de negatieve potentiaal op de ingang van de elektronenvermenigvuldiger aangetrokken en efficiënt gedetecteerd. Ook hier ondervinden de fotonen geen invloed vanwege het elektrisch veld, bewegen rechtlijnig voort en bereiken de detector niet. Er bestaan ook ICPMS-instrumenten waarbij (c) de volledige ionenbundel door middel van een speciaal type lens, Ω-lens of ion mirror, respectievelijk evenwijdig wordt verschoven of op andere wijze van richting wordt veranderd. Wederom ondervinden de fotonen geen invloed en zetten hun rechtlijnige beweging voort, waardoor ze uit de bundel zijn geëlimineerd. 3.4 Monsterintroductie Verstuiving Het standaard monsterintroductiesysteem bestaat bij ICP-MS, net zoals bij ICP-OES, uit de combinatie van een pneumatische (concentrische of cross-flow) verstuiver en een verstuiverkamer. De technische eenvoud en bijgevolg lage kostprijs, de goede stabiliteit (signaalvariatie 1-2% RSD binnen de periode noodzakelijk voor meting (ca. enkele min)) en hoge analysesnelheid zijn de belangrijkste voordelen van dit monsterintroductiesysteem. Voor meer uitleg verwijs ik naar de cursus instrumentele analyse (ICP-OES). Men kan ook een ultrasoonverstuiver USN (met desolvatatiesysteem) gebruiken voor het verhogen van de analietintroductie-efficiëntie, terwijl men voor een microconcentrische verstuiver kan kiezen als weinig monsteroplossing voorhanden is, om het monsterverbruik significant te beperken zonder een al te nadeling effect op de analietintroductie-efficiëntie. Kwantitatieve (100% efficiëntie) monsterintroductie kan men verkrijgen bij gebruik van een directe injectie verstuiver (direct injection nebuliser of DIN, figuur 24). Een hedendaagse uitvoering van dergelijke verstuiver ziet er uit als een ‘verlengde’ versie van de concentrische verstuiver. Figuur 24: DIN verstuiver in combinatie met het plasma 28 Advanced off-line measurements for Quality Control De DIN wordt niet op een verstuiverkamer, maar in de ICP toorts gemonteerd. Gezien de directe verstuiving van de monsteraërosol in het ICP moet het monsterverbruik noodzakelijk beperkt zijn. Een DIN is beduidend delicater in het gebruik dan een gewone concentrische verstuiver en geeft ook aanleiding tot intensere signalen voor (hydr)oxide-ionen MO(H)+. De gereduceerde geheugeneffecten (het monsterintroductiesysteem wordt dankzij zijn beperkte binnenoppervlakte snel schoongespoeld) kunnen dan weer als een voordeel beschouwd worden. Laser Ablation Wanneer de monsterintroductie via pneumatische verstuiving wordt verwezenlijkt, dienen vaste materialen voor analyse in oplossing te worden gebracht. Dit gebeurt doorgaans door zure digestie in een open beker of in een gesloten destructievaatje (Parr digestiebom of microgolf digestie). Er zijn verschillende omstandigheden waarbij de directe analyse van het vaste materiaal (men spreekt in deze context van solid sampling) voordelig kan zijn. Solid sampling wordt o.a. toegepast wanneer: Het materiaal niet of slechts gedeeltelijk in oplossing kan gebracht worden (bv. keramische materialen). Staalvoorbereiding langdurig en arbeidsintensief is. De monstervoorbereiding voor klassieke vervluchtiging geeft immers een verhoogd risico op analietverliezen en/of contaminatie. Men informatie wenst over de ruimtelijke verdeling van analietelementen over de matrix. Bij laser ablation wordt een laserbundel met een hoge energie en een korte pulsduur (~ns) via een microscoopobjectief gefocusseerd op het oppervlak van het te onderzoeken materiaal. Bij impact wordt een zeer kleine hoeveelheid materiaal geableerd. De (droge) aerosol die hierbij ontstaat, wordt via een dragergas (Ar, He of een mengsel van beide) via een kunststofslang tot in het ICP gevoerd voor elementanalyse. Tegenwoordig worden nagenoeg uitsluitend UV- lasers gebruikt met een golflengte van 266, 213 of 193 nm. De penetratiediepte van één lasershot is afhankelijk van de karakteristieken van de laser en het optisch systeem alsook van het soort materiaal dat onderzocht wordt (grootteorde 0.1 µm). Dit maakt LA-ICP-MS geschikt voor diepteprofilering van al of niet gelaagde materialen. De diameter van de bundel kan gevarieerd worden van < 5µm tot > 100 µm. Deze karakteristieken tonen aan dat LA-ICP-MS zowel voor bulkanalyse als voor puntanalyse geschikt is. 29 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 25: LA-ICP-MS opstelling De belangrijkste beperking bij LA-ICP-MS is de moeilijkheid om betrouwbare kwantitatieve resultaten te verkrijgen. Met de hedendaagse apparatuur kan men nagenoeg alle types materiaal analyseren en bv. zeer snel een idee krijgen over de ruimtelijke verdeling van elementen die ofwel bewust zijn toegevoegd om de karakteristieken van het materiaal te verbeteren (dopering) ofwel enkel als contaminatie aanwezig zijn. Voor het verkrijgen van kwantitatieve gegevens is gebruik van een vaste standaard met een zo analoog mogelijke matrix en gekende concentraties aan de targetelementen vereist. Hiervoor maakt men gebruik van gecertificeerde referentiematerialen (certified reference materials CRMs), uitgegeven door officiële instanties zoals het Amerikaanse NIST (National Institute for Standards ans Technology) of het Europese BCR (Bureau Communautaire de Référence).Hoe groter het verschil in matrixsamenstelling tussen monster en standaard, hoe minder betrouwbaar de resultaten. Voor een verschil in gevoeligheid tussen monster en standaard kan eventueel worden gecorrigeerd door gebruik te maken van een inwendige standaard (dit is één element aanwezig in gekende concentratie in beide materialen). 30 Advanced off-line measurements for Quality Control 3.5 Spectrale interferenties Oorzaak van spectrale interferenties Spectrale interferenties zijn deze interferenties waarbij naast het analiet ook een interferentie wordt gedetecteerd. Men spreekt ook van spectrale overlap. Het spreekt voor zich dat hoe lager de massaresolutie is, des te hoger de spectrale interferentie zal zijn. De belangrijkste spectrale interferenties bij ICP-MS zijn afkomstig van polyatomische ionen, moleculair interfererende ionen en dubbel geladen ionen. Vooral voor elementen die in hoge concentratie in het ICP aanwezig zijn kunnen spectrale interferenties verwacht worden: (i) Ar uit het plasmagas, (ii) N, O, en in mindere mate C uit de omgevende lucht (ICP staat open aan de lucht) en (iii) H en O uit het water van de gemeten oplossing. Het is dan ook belangrijk dat de gebruiker attent is voor mogelijke spectrale interferenties en desnoods maatregelen treft. a. Ar-houdende ionen Voor het in stand houden van het ICP wordt continu Ar toegevoerd aan een debiet van ongeveer 20 L/min, terwijl met de combinatie van een traditionele pneumatische verstuiver en verstuiverkamer ongeveer 10 tot 20 µL onder de vorm van aërosoldruppels en waterdamp in het ICP worden gebracht. Bijgevolg worden er in het ICP-MS spectrum niet alleen zeer intense signalen voor de Ar+ ionen (m/z = 36, 38, 40), maar ook voor moleculaire ionen zoals ArN+ (m/z = 54), ArO+ (m/z = 56) en Ar2+ (m/z = 80) gevonden. In Figuur 26 wordt het ICP-MS spectrum van zeer zuiver water weergegeven. De aanwezigheid van signalen zoals Ar+ (Ca), ArO+ (Fe), Ar2+ (Se) bemoeilijken bv. de bepaling van belangrijke analietelementen die tussen haakjes zijn vermeld. Figuur 26: Achtergrondspectrum voor ultra pure water. 31 Advanced off-line measurements for Quality Control Afhankelijk van de samenstelling van het monster en van de reagentia gebruikt bij de eventuele digestie van het monster, kunnen nog andere Ar-houdende ionen worden waargenomen zoals bv. ArCl+ (bij gebruik van HCl) ArNa+ (bij analyse van zeewater) of ArCu+ (analyse van hoogzuiver Cu). b. Oxide en hydroxide-ionen Oxide (MO+) en hydroxide-ionen (MOH+) (bv. SO+, ClO+, BaOH+) die aanleiding geven tot een signaal respectievelijk 16 en 17 massa-eenheden verder in het massaspectrum. De mate waarin deze ionen worden gevormd hangt voornamelijk af van de M–O bindingssterkte c. Dubbel geladen ionen Voor elementen met een relatief lage tweede ionisatie-energie kunnen ook dubbel geladen ionen M2+ gevormd worden. De overeenkomstige signalen worden in het massaspectrum op de helft van de massa gevonden. d. Andere storende moleculaire ionen Tenslotte kunnen ook nog andere storende moleculaire ionen gevormd worden zoals SO2+, SO2H+, SiCl+ en Cl2+. Omgaan met spectrale interferenties Vermits het optreden van spectrale interferenties leidt tot foutieve resultaten, moet het voorkomen ervan vermeden worden of tenminste in voldoende mate te worden gereduceerd of adequaat gecorrigeerd. a. Eenvoudige methodes Keuze van een geschikte nuclide. Als het hoofdisotoop van een targetelement spectraal is geïnterfereerd, dan kan men de bepaling baseren op een ander (minder abundant) isotoop, vrij van spectrale overlap. Gepaste monstervoorbereiding. De monstervoorbereiding dient men steeds zo uit te voeren dat de spectrale interferenties zo veel mogelijk vermeden worden. Zo wordt indien mogelijk steeds de voorkeur gegeven aan HNO3 of een mengsel van HNO3 en H2O2 voor oxidatieve destructie van monstermateriaal omdat deze reagentia geen nieuwe matrixelementen toevoegen die nog niet in lucht of in water aanwezig zijn. Gebruik van H2SO4, HClO4 of HCl (in koningswater) leidt daarentegen tot de vorming van extra moleculaire ionen. 32 Advanced off-line measurements for Quality Control Blancocorrectie. Bij elke analyse zorgt men voor een procedureblanco, die dezelfde voorbereiding ondergaan heeft als de monsteroplossingen, maar waaraan geen monstermateriaal werd toegevoegd. Op deze wijze wordt niet alleen gecorrigeerd voor contaminatie vanwege de gebruikte reagentia, maar ook voor sommige spectrale interferenties. Aërosoldesolvatatie. Bij gebruik van een desolvatatiesysteem wordt de hoeveelheid solvent geïntroduceerd in het ICP sterk verminderd, zodat de voorkomen van MO+ en MOH+ sterk kan worden teruggedrongen. Cool plasma condities. Cool plasma condities worden bereikt door het plasmavermogen te verminderen en het debiet van het centrale draaggas te verhogen (meer afkoeling en sneller transport door ICP). Onder deze omstandigheden worden moleculen zoals NO en O2 niet langer volledig afgebroken. Deze moleculen zijn in staat tot transfer van een elektron naar Ar+ en andere Ar-houdende ionen, waardoor de signaalintensiteit in bijzonder sterke mate wordt gereduceerd. Nadelen van deze aanpak zijn dat (i) ook analietelementen met een hoge ionisatie-energie (bv. As of Se) niet langer efficiënt worden geïoniseerd, (ii) oxide-ionen in nog sterkere mate worden gevormd en (iii) matrixeffecten (zie verder) sterker worden uitgesproken. b. Sector-veld ICP-MS De krachtigste en meest elegante methode om met spectrale interferenties af te rekenen, is het gebruik van een dubbelfocusserende sector-veld massaspectrometer (zie vroeger) in ICP-MS instrumentatie. Het belangrijkste voordeel van dergelijke set-up is dat de massaresolutie kan worden verhoogd door vernauwen van de ingangs- en uitgangsspleet. Op deze wijze worden signalen die bij lage massaresolutie samenvallen van elkaar gescheiden (zie figuur 27). Nadelen zijn dat het verhogen van de massaresolutie ten koste gaat van de signaalintensiteit en dat de kostprijs dubbel zo groot is als een quadrupoolfilter. 33 Advanced off-line measurements for Quality Control Figuur 27: Lage versus hoge massa-resolutie c. Botsings/reactiecel – chemische resolutie Ook quadrupoolapparatuur heeft een universele en flexibele manier om spectrale interferenties te bekampen: de botsing/reactiecel (collision/reaction cell). Dergelijke cel bevindt zich tussen de interface en de quadrupoolfilter. Ze bestaat uit een multipooleenheid (quadrupool-, hexapool- of octapoolopstelling) en kan gevuld worden met een gas (zie figuur 19). Als een geschikt gas wordt gekozen, kan het signaal van het interfererend ion selectief worden onderdrukt. Verscheidene processen kunnen hierbij een rol spelen: Als moleculaire ionen botsen met een inert gas, kunnen ze dissociëren als de botsingsenergie hoger is dan de bindingsenergie. Bemerk dat de bijdrage van dergelijke botsingsgeïnduceerde dissociatie vrij beperkt is. Selectieve reacties tussen de ionen en de gasmoleculen zijn veel belangrijker. Zo kan men op basis van getabelleerde ionisatie-energieën voorspellen dat NH3 moleculen in de cel spontaan een elektron zullen transfereren naar ArO+ ionen, terwijl ze ten opzichten van Fe+ ionen geen reactiviteit vertonen. Op deze manier kunnen interferentievrije condities bekomen worden voor bv. Fe. 34 Advanced off-line measurements for Quality Control Naast ladingsoverdracht is ook het optreden van ‘echte’ chemische reacties (met atoomtransfer) mogelijk. Zo treedt met CO volgende ion-molecule reactie op: ArO+ + CO → Ar+ + CO2. Opnieuw vertoont CO geen reactiviteit t.o.v. de Fe+ ionen, zodat interferentievrije condities worden gecreëerd. Een nadeel van deze aanpak is dat naast de gewenste processen, ook ongewenste reacties kunnen optreden. Deze ongewenste reacties kunnen tot nieuwe polyatomische ionen (gevormd in de cel zelf) aanleiding geven, die dan op hun beurt spectraal gaan interfereren. Met hedendaagse botsing/reactiecellen kan dit nadeel echter in belangrijke mate vermeden worden. Indien de botsing/reactiecel uitgerust is met een quadrupool, kan men de ionen die via reactie tot ongewenste polyatomische ionen aanleiding geven, destabiliseren en ze dus op basis van hun m/z verhouding verwijderen. Bijgevolg kunnen deze ionen niet meer aan nevenreacties deelnemen en is er van nieuw gevormde spectrale interferenties geen sprake meer. Als de botsingscel uitgerust is met een hexapool of octapooleenheid is een alternatieve aanpak noodzakelijk. In tegenstelling tot de quadrupoolopstelling, kunnen immers noch de hexapool noch de octapool gebruikt worden als massafilter. Bij dergelijke botsings/reactiecellen maakt men gebruik van energiediscriminatie. Ionen die door reactie in de cel zijn gevormd, vertonen een lagere kinetische energie dan de ionen die uit het ICP werden geëxtraheerd en vervolgens de cel binnenkomen. Bijgevolg kan men via aanleggen van een potentiaal (energiebarrière) vermijden dat deze ongewenste ionen de massaspectrometer binnenkomen (selectieve discriminatie). Figuur 28: schematische voorstelling van energiediscriminatie voor het bestrijden van spectrale overlap. 35 Advanced off-line measurements for Quality Control De introductie van botsings/reactiecellen betekende een werkelijke doorbraak in quadrupool- ICP-MS, maar vertoont t.o.v. sector-veld ICP-MS toch nog enkele nadelen: een zeker verlies aan multi-elementkarakter (geen enkel gas is geschikt voor het behandelen van alle spectrale interferenties) en de aanpak vereist een grondige optimalisatie (keuze van het gas, optimalisatie van gasdebiet en andere instrumentele instellingen). 3.6 Karakteristieken van ICP-MS 36 Advanced off-line measurements for Quality Control 4. Elektronenmicroscopie Wanneer we spreken over microscopie, denkt iedereen in eerste instantie aan lichtmicroscopie. Hierbij maakt men gebruik van lichtstralen (visuele gebied) en optische lenzen om een bepaald object te vergroten. Ten gevolge van de beperkte golflengte van licht (380-750nm) is de resolutie, dit is de afstand tussen twee punten die men als net van elkaar gescheiden ziet, beperkt. Dit nadeel kan omzeild worden door gebruik te maken van elektronen in plaats van lichtstralen. Gezien elektronen een veel kleinere golflengte hebben, zijn ze in staat om de resolutie te verbeteren (tot 0.1 nm). Het gebruik van elektronen resulteert natuurlijk in een volledig andere modus operandi: niet alleen de bron van de microscoop zal verschillend zijn, maar ook de wijze van interactie met het staal, de type lenzen en dergelijke meer. In dit hoofdstuk zullen eerst de algemene principes van lichtmicroscopie besproken worden, waarna in detail twee type elektronenmicroscopen uitwerken worden, zijnde Scanning Electron Microscopy (SEM) en Transmission Electron Microscopy (TEM). 4.1 Elektronenbronnen Anno 2008 zijn er twee verschillende soorten elektronenbronnen op de markt. Soorten a. Thermo-ionische bron Bij een thermo-ionische bron wordt een metaal opgewarmd, zodat een fractie van de vrije elektronen een voldoende energie krijgt om het metaal te verlaten. In de praktische uitvoering wordt bijvoorbeeld een haarspeldvormig W-filament door weerstandwarming tot hoge temperatuur (2800 K) opgewarmd. De geëmitteerde elektronen krijgen hun kinetische energie door het aanleggen van een elektrisch veld tussen bron en anode. Figuur 29: Werkingsprincipe van een thermo-ionische bron (links) en SEM-foto van het W-filament (rechts) 37 Advanced off-line measurements for Quality Control Er wordt gekozen voor W vanwege zijn hoog smeltpunt en zijn extreem lage dampspanning. Een wolfraamfilament levert typisch een bundelstroom van 10-10 tot 10-12 Ǻ op. De levenduur van een W-filament is gelimiteerd door de vermindering van het kathodemateriaal door verdamping wat uiteindelijk resulteert in breuk. In nieuwere SEM’s gebruikt men LaB6 als kathode vanwege zijn beter helderheid en lagere werkingstemperatuur (1800 K). Bij gebruik van een LaB6-éénkristal dient men over een beter vacuüm te beschikken om de vorming van vluchtige oxiden te vermijden. Figuur 30: SEM-foto van LaB6-kristal b. Field Emission Gun Veldemissie is het verschijnsel waarbij de elektronen door de aanwezigheid van een zeer hoog elektrisch veld het vastestof-oppervlak verlaten. Voordeel hierbij is dat de elektronenbundel nauwer en beter focusseerbaar is, wat aanleiding geeft tot een hogere resolutie. Een Field Emission Gun (FEG) bestaat uit een puntvormig W-filament dat als kathode fungeert. Door het aanleggen van een potentiaalverschil tussen dit filament en de anode, worden elektronen uit het filamentmateriaal geëxtraheerd en versneld. Hiervoor maakt men gebruik van een dubbele anode waarbij de eerste anode (±4 keV) voor de extractie en de tweede anode (±20 keV) voor de versnelling zorgt. Figuur 31: Werkingsprincipe (links) en SEM-foto (rechts) van de FEG 38 Advanced off-line measurements for Quality Control Men onderscheid binnen de FEG’s twee soorten: Koude FEG, waarvoor een zeer smalle tip nodig is om emissie van elektronen bij kamertemperatuur mogelijk te maken. Hiervoor gebruikt men een éénkristal W-tip. Warme (Schottky) FEG, waar een wolfraamtip welke gecoat is met ZrO2 (gemakkelijke elektronenemissie) wordt opgewarmd tot 1800 K. Bijgevolg moet de tip ook minder scherp zijn dan in het geval van een koude FEG. Aandachtspunten a. Cross-over Opmerkelijk is dat de bron op zichzelf (bv. het relatief groot W-filament-oppervlak) niet de effectieve elektronenbron is, maar wel de 1st cross-over. Deze cross-over wordt bijgevolg als geometrische bron van elektronen beschouwd. b. Medium Alle elektronenmicroscopen werken onder (hoog) vacuüm condities. Dit vacuüm is nodig voor de levensduur van de bron te verlengen alsook omdat elektronen ongehinderd door het instrumentarium moeten. Hoe beter het vacuüm, hoe duurder, maar ook hoe hoger de resolutie van het finale beeld. Ter realisatie van het vacuüm kan men gebruik maken van: Rotary pumps (tot 10-5 torr) Molecular pumps (tot 10-5 torr) Ion-gathering pumps (tot 10-11 torr) 4.2 Elektronenbundel Eens de elektronenbundel is gegenereerd door de bron, dient deze gefocusseerd te worden op het sample. Het focusseren van een elektronenbundel is tweewaardig. Ten eerste is het de bedoeling om de diameter van de eerste cross-over zo klein mogelijk te krijgen. Ten tweede dient men ervoor te zorgen dat de smalle elektronenbundel op het sample wordt gefocusseerd. Merk bovendien op dat de beweging van elektronen vaak voorgesteld wordt door rechte lijnen, terwijl ze in werkelijkheid een helixvormig pad volgen. Dit pad kan dus met andere woorden beïnvloed worden door het gebruik van onderstaande instrumenten. Hoe dit theoretisch verloopt zullen we hieronder verder behandelen. 39 Advanced off-line measurements for Quality Control Instrumentarium Hiervoor kan men gebruik maken van: Elektromagnetische spoelen: deze zorgen voor een symmetrische en gecentreerde elektronenbundel. Hiervoor kan je de Wehnelt-cup bij een W-filament als voorbeeld nemen. Elektromagnetische lenzen: worden gebruikt om de focus en vergroting te regelen. Dit zijn de zogenaamde condensorlenzen en objectieflenzen. Openingen of zogenaamde apertures: wordt gebruikt om een deel van de elektronenbundel te elimineren. Afwijkingen a. Sferische afwijking Sferische aberratie wordt veroorzaakt ten gevolge van een verschillende positie van de elektronen in de elektromagnetische lens. De sterkte van het magnetische veld is immers het sterkst in de buurt van het oppervlak van de lens. Met andere woorden, het pad van de elektronen die dicht bij het oppervlak van de lens passeren, zal meer veranderen meer dan dat van een elektron welke door het midden van de lens beweegt. Dit resulteert in een verlies van elektronen uit de elektronen-bundel (elektronen die de binnenkant van de kolom raken worden geabsorbeerd). b. Chromatische afwijking Chromatische aberratie heeft betrekking op de verschillende energie van de elektronen in de elektronenbundel. De energie van de elektronen gegenereerd door de bron is immers verschillend. Bijgevolg zal een magnetisch veld een grotere invloed uitoefenen op elektronen met een langere golflengte waardoor de bundel niet gericht wordt op een discreet brandpunt. 40 Advanced off-line measurements for Quality Control c. Diffractie Difftractie aan een aperture (wat leidt tot zogenaamde Airy rings) beperkt de resolutie van een optisch systeem. d. Astigmatism Astigmatisme (van het grieks “a-stigma” of ook “geen punt”) is een afwijking van een elektromagnetische lens ten gevolge van het genereren van een “niet” perfect elektrische veld. Hierdoor wordt zoals het woord het zelf zegt, geen punt gevormd. Figuur 32: Astigmatisme Binnenin de elektronenmicroscopie zal men deze afwijking corrigeren met behulp van een stigmator. Door deze zeer precies in te stellen kan astigmatisme verholpen worden. Figuur 33: Stigmator 41 Advanced off-line measurements for Quality Control 4.3 Elektronen Interactie Door interactie van de primaire elektronenbundel (PE) met materie worden een aantal fysische processen verkregen (Figuur): Backscattered elektronen (BSE) zijn primaire elektronen die door een elastische botsing met monsteratomen teruggekaatst worden. Deze teruggekaatste hebben een energie die ongeveer gelijk is aan die van de PE. Door hun hoge energie kunnen ze uit de bulk (ca. 100 nm diepte) van het materiaal ontsnappen. Secundaire elektronen (SE) worden vrijgemaakt uit de buitenste schillen van het atoom door onelastische botsingen van de PE of de BSE met de monsteratomen. Deze secundaire elektronen (secondary electrons, SE) hebben een zeer lage energie en kunnen enkel uit de toplaag (ca 5 nm) van het materiaal ontsnappen. karakteristieke en continue (of Brems) X-stralen worden gegenereerd wanneer een aangeslagen atoom (primair elektron schiet elektron op één van de binnenste schillen weg) terugvalt naar zijn grondtoestand. Auger elektronen (AE) worden gegenereerd wanneer karakteristieke X-stralen een elektron uit één van de buitenste schillen wegslaan. Transmissie-elektronen (TE) zijn primaire elektronen die dwars doorheen het sample gaan. De natuur van deze interactie is in feite een niet-gekwantificeerde overdracht van kinetische energie van het elektron naar de materie. Figuur 34: Penetratiediepte van de elektronenbundel in het sample gekoppeld aan de specifeke elektronen interacties (links) alsook de bijhorende verdeling van elektronen gegenereerd door de elektronen interactie. 42 Advanced off-line measurements for Quality Control Wanneer een elektronenbundel het sample penetreert, worden bovenvermelde fysische processen gegenereerd in een specifiek volume (Figuur). Dit volume is afhankelijk van een aantal factoren, zijnde: Hoe hoger de energie van de PE, hoe groter het interactie-volume maar hoe kleiner de elastische scatter (bv. BSE). Deze kan men regelen aan de hand van de versnelspanning (E0; grootte-orde keV). Hoe hoger de atoommassa, hoe kleiner het interactie-volume. Hoe groter de tilt (afwijkend van loodrechte inval) van de invallende bundel t.o.v. het sample, hoe smaller en asymmetrischer het interactie-volume. Bij het invallen van de PE bundel op het monster, verbreedt de bundel door verstrooiing. Hierdoor neemt ook de energie van de PE af. Afhankelijk van de energie van de PE en de energie van de uitgezonden straling, geeft de gedetecteerde straling informatie over een bepaald interactiegebied. Dit geeft aanleiding tot een peervormig interactiegebied (Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.). In deze scriptie wordt enkel gebruik gemaakt van de informatie verkregen uit de SE. Naar toepassingsmogelijkheden horende bij iedere soort interactie onderscheid men: SEM: Secundair Elektronen Microscopie waar men gebruikt maakt van SE. EDAX: “Energy Dispersive X-ray” waar men gebruik maakt van karakteristieke X- stralen. EBSD: “Electron Back Scatter Diffraction” waar men gebruik maakt van BSE. AES: “Auger Electron Spectroscopy” waar men gebruik maakt van AE. TEM: Transmissie Elektronen Microscopie waar men gebruik TE. 43 Advanced off-line measurements for Quality Control 4.4 SEM Doel Via Scanning Electron Microscopy (SEM) is het mogelijk de oppervlaktemorfologie van een materiaal te bestuderen, waarvan de afbeeldingen een sterke overeenkomst vertonen met die welke door het oog op het netvlies gevormd worden. We spreken hier van vergrotingen tot 400.000 maal, waar een lichtmicroscoop gelimiteerd is tot 1.000 maal. Principe Bij een scanning electron microscope (SEM) wordt het oppervlak van het monster punt per punt gescand door een primaire elektronenbundel (PE). In elk punt wordt de intensiteit van de uitgezonden straling, die het gevolg is van de interactie tussen het monster en de PE gedetecteerd. De maximale resolutie van het verkregen beeld is afhankelijk van de elektronenbron, de versnelspanning en de diameter van de bundel. Architectuur De belangrijkste componenten van de SEM apparatuur zijn weergegeven in onderstaande Figuur. Figuur 35: SEM architectuur 44 Advanced off-line measurements for Quality Control De primaire elektronenbundel wordt geconditioneerd door verschillende elektromagnetische lenzen en rasterspoelen. De condesorlens versmalt de doorsnede van de elektronenbundel en de objectieflens zorgt voor de focussering op het monster. De rasterspoelen buigen de elektronen af en bepalen zo de positie van de bundel. Door interactie (inelastische botsingen) van de gefocusseerde elektronenbundel met het sample kunnen zwak gebonden elektronen uit het monster ontsnappen. Indien deze zwak gebonden elektronen (bindingsenergie < 50 eV) vrijgesteld worden binnen 5 nm van het sample- oppervlak, kunnen ze ontsnappen als secundaire elektronen van lage energie. De detectie van dergelijke SE gebeurt via een scintillator, de zogenoemde SED of secundaire elektronen detector, welke zich schuin boven het monster bevindt. De detector is voorzien van een positief gepolariseerd rooster dat de laagenergetische SE naar de detector afbuigt. Bij hun impact genereren de elektronen lichtflitsen, die via de lichtpijp overgebracht worden naar een fotomultiplier. Het resulterende elektronische signaal wordt uiteindelijk naar een kathodestraalbuis gevoerd. Figuur 36: Positie detector voor secundaire elektronen Indien we de primaire elektronenbundel een raster laten beschrijven en het signaal afkomstig van de secundaire elektronen synchroon naar een kathodebuis brengen, kan men een beeld bekomen van het oppervlak van het monster. Hierbij wordt de grijswaarde van elk punt op de monitor bepaald door de gemeten intensiteit van het overeenkomstig punt op het monster, en treedt een lineaire vergroting op volgens onderstaand verband: Lengte van de monitor Vergroting = Afs tan d waarover de elektronenbundel gescand werd (4.1) Bijgevolg kan de vergroting veranderd worden door variatie van de afmetingen van het gedeelte van het monster dat bestudeerd wordt. 45 Advanced off-line measurements for Quality Control Trouble-shooting Een belangrijk probleem bij het maken van SEM-beelden van een specimen, is oplading. Door inval van hoog-energetische elektronen kan zich een lading opstapelen op het specimen. Dit is uiteraard vooral een probleem bij niet-geleidende specimens. Er zijn verschillende manieren om dit probleem te verhelpen: Men kan een geleidende coating aanbrengen op het specimen, meestal is dit Au. Als de coating voldoende dun is, zal dit geen verschil uitmaken voor de topografie van het onderliggende sample. Anderzijds moet de coating wel voldoende dik zijn om de lading te kunnen afvoeren. Er zijn echter ook nadelen aan verbonden: - Als de resolutie van de SEM beter is dan de korrelgrootte in de Au-coating, dan zullen deze korrels zichtbaar zijn in het beeld. Hiermee moet uiteraard rekening gehouden worden bij de interpretatie van het beeld. - Het aanbrengen van een dunne geleidende laag is bovendien nadelig bij het eventueel bepalen van de chemische samenstelling van het specimen met EDX (zie verder), omdat het signaal van de coating en het signaal van het specimen kunnen overlappen. Men kan werken bij lage versnelspanning. Hoe hoger de versnelspanning (en dus de energie va

Advanced Off-Line Measurements for Quality Control PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript