Термодинамическое моделирование состава основных фоновых ионов в низкотемпературной (“холодной”) индуктивно связанной плазме

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена возможность изучения методом термодинамического моделирования проявления основных фоновых ионов, образованных главными элементами индуктивно связанной плазмы (H, N, O и Ar) в режиме низкотемпературной (“холодной”) плазмы. Такие ионы, создающие серьезные спектральные помехи, всегда наблюдаются при вводе в масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) водных растворов проб. Методом термодинамического моделирования в диапазоне от 2000 до 5000 К рассчитан количественный состав основных фоновых ионов в МС-ИСП в зависимости от температуры плазмы. Проведено его сравнение с экспериментальными данными измерений масс-спектров основных фоновых ионов и показана высокая степень корреляции между теоретическими и экспериментальными результатами. Совпадение расчетов и экспериментов подтверждает правильность использованной термодинамической модели термохимических процессов в МС-ИСП и ее применимость для последующих расчетов при решении аналитических задач. Предложен прием однозначной оценки газокинетической температуры плазмы с одновременным учетом практически всех основных фоновых ионов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Пупышев

Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Екатеринбург

П. В. Зайцева

Уральский федеральный университет; Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук

Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

М. Ю. Бурылин

Кубанский государственный университет

Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Краснодар

М. А. Мальцев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт

Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Москва; Долгопрудный

И. В. Морозов

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт

Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Москва; Долгопрудный

Е. Л. Осина

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: pupyshev@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Пупышев А.А., Суриков В.Т. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. Образование ионов. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 276 с.
  2. Белов Г. В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный мир, 2002. 184 с.
  3. Пупышев А.А., Луцак А.К., Музгин В.Н. Термодинамическое моделирование термохимических процессов в индуктивно связанной плазме // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 7. С. 713. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K., Muzgin V.N. Thermodynamic simulation of thermochemical processes in inductively coupled plasma // J. Anal. Chem. 1998. V. 53. № 7. P. 627.)
  4. Пупышев А.А., Луцак А.К. Термодинамическое моделирование ионизационных влияний в плазме индуктивно связанного разряда // Журн. аналит. химии. 1998. Т. 53. № 11. С. 1141. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K. Thermodynamic simulation of ionization effects in inductively coupled plasma // J. Anal. Chem. 1998. V. 53. № 11. P. 987.)
  5. Рupyshev A.A., Muzgin V.N., Lutsak A.K. Thermochemical processes and ion transport in inductively coupled plasma mass spectrometry: Theoretical description and experimental confirmation // J. Anal. At. Spectrom. 1999. V. 14. № 9. P. 1485. https://doi.org/10.1039/A902167A
  6. Пупышев А.А., Данилова Д.А. Разработка модели термохимических процессов для метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Аналитика и контроль. 2001. Т. 5. № 2. С. 112.
  7. Пупышев А.А., Васильева Н.Л., Голик С.В. Влияние матрицы в масс-спектрометрии с использованием индуктивно связанной плазмы // Журн. прикл. спектроск. 1998. Т. 65. № 5. С. 768. (Pupyshev A.A., Vasil'eva N.L., Golik S.V. Effect of the matrix in mass spectrometry using an inductively coupled plasma // J. Appl. Spectrosc. 1998. V. 65. № 5. P. 804. https://doi.org/10.1007/BF02679850)
  8. Pupyshev A.A., Semenova E.V. Formation of doubly charged atomic ions in the inductively coupled plasma // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2001. V. 56. P. 2397. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(01)00301-9
  9. Pupyshev A.A., Surikov V.T. Application of negative ions in inductively coupled plasma-mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2004. V. 59. P. 1021. https://doi.org/10.1016/j.sab.2004.05.011
  10. Pupyshev A., Lutsak A. The thermodynamical simulation of thermochemical processes in inductively coupled “cold” plasma mass-spectrometry // XIVth seminar on atomic spectrochemistry. Proceedings. High-Tatras – Podbanska, September 1998. P. 325.
  11. Tanner S.D. Characterization of ionization and matrix suppression in inductively coupled ‘cold’ plasma mass spectrometry // J. Anal. At. Spectrom. 1995. V. 10. P. 905. https://doi.org/10.1039/JA9951000905
  12. Nonose N.S., Matsuda N., Fudagawa N., Kubota M. Some characteristics of polyatomic ion spectra in inductively coupled plasma mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 1994. V. 49. № 10. P. 955. https://doi.org/10.1016/0584-8547(94)80084-7
  13. Ebert C.H., Witte T.M., Houk R.S. Investigation into the behavior of metal-argon polyatomic ions (MAr+) in the extraction region of inductively coupled plasma-mass spectrometry // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2012. V. 76. P. 119. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.06.046
  14. Houk R.S., Praphairaksit Narong. Dissociation of polyatomic ions in the inductively coupled plasma // Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2001. V. 56. P. 1069. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(01)00236-1
  15. Пупышев А.А., Эпова Е.Н. Спектральные помехи полиатомных ионов в методе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой // Аналитика и контроль. 2001. Т. 5. № 4. С. 335.
  16. May T.W., Wiedmeyer R.H. A Table of polyatomic interferences in ICP-MS // At. Spectrosc. 1998. V. 19. № 5. P. 150. https://doi.org/10.46770/AS.1998.05.002
  17. Пупышев А.А., Луцак А.К. Расширение возможностей термодинамического моделирование термохимических процессов в плазме индуктивно связанного разряда // Журн. аналит. химии. 2002. Т. 57. № 8. С. 803. (Pupyshev A.A., Lutsak A.K. Extending the capabilities of the thermodynamic simulation of thermochemical processes in inductively coupled plasma discharge // J. Anal. Chem. 2002. V. 57. № 8. P. 672. https://doi.org/10.1023/A:1016813607161)
  18. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические свойства димеров аргона Ar2+ и Ar2 // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 1. С. 42. https://doi.org/10.1134/S0040364419010174 (Maltsev A., Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic properties of Ar2+ and Ar2 argon dimers // High Temperature. 2019. V. 57. № 1. P. 37. https://doi.org/10.1134/S0018151X19010176)
  19. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические свойства ArH+ и ArH // Tеплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 3. С. 367. https://doi.org/ 10.1134/S0040364419020121 (Maltsev M.A, Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic Properties of ArH+ and ArH // High Temperature. 2019. V. 57. № 3. P. 335. https://doi.org/ 10.1134/S0018151X19020123)
  20. Мальцев М.А., Морозов И.В., Осина Е.Л. Термодинамические функции ArO и ArO+ // Теплофизика высоких температур. 2020. Т. 58. № 2. С. 202. https://doi.org/10.31857/S0040364420020131 (Maltsev A., Morozov I.V., Osina E.L. Thermodynamic functions of ArO and ArO+ // High Temperature. 2020. V. 58. № 2. P. 184. https://doi.org/10.1134/S0018151X20020133)
  21. Maltcev M.A., Aksenova S.A., Morozov I.V., Minenkov Y., Osina E.L. Ab initio calculations of the interaction potentials and thermodynamic functions for ArN and ArN+ // Comput. Chem. 2023. V. 44. № 12. P. 1189. https://doi.org/10.1002/jcc.27078
  22. Tanner S.D., Paul M., Beres S.A., Denoyer E.R. The application of cold conditions for the determination of trace levels of Fe, Ca, K, Na, and Li by ICP-MS // At. Spectrosc. 1995. V. 16. № 1. P. 16.
  23. Пупышев А.А., Сермягин Б.А. Дискриминация ионов по массе при изотопном анализе в методе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 132 с.
  24. Wollenweber D., Strassburg S., Wunsch G. Determination of Li, Na, Mg, K, Ca and Fe with ICP-MS using cold plasma conditions // Fresenius J. Anal. Chem. 1999. V. 364. P. 433. https://doi.org/10.1007/s002160051363
  25. Трусов Б.Г. TERR A. Программа термодинамического расчета состава фаз произвольных гетерогенных систем, а также их термодинамических и транспортных свойств. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.
  26. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 96 с.
  27. Belov G.V., Iorish V.S., Yungman V.S. IVTANTHERMO for Windows – database on thermodynamic properties and related software // Calphad. 1999. V. 23. № 2. P. 173. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(99)00023-1
  28. Музгин В.Н., Емельянова Н.И., Пупышев А.А. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой – новый метод в аналитической химии // Аналитика и контроль. 1998. Т. 2. № 3–4. С. 3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Сопоставление логарифмов интенсивности lgI (импульс/с) основных фоновых ионов c различными соотношениями m/z для режима “холодной” плазмы в работах [11, 22] (1) и [24] (2).

Скачать (75KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение расчетных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) различных основных фоновых ионов Х в зависимости от температуры T (K) для условий “холодной” (a) и нормальной (б) аргоновой индуктивно связанной плазмы. Массовое соотношение Ar : H20 = 96 : 1.

Скачать (319KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сопоставление рассчитанных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) фоновых ионов Х с логарифмами экспериментальных интенсивностей [11, 22] lgI (импульс/с) этих ионов, а также коэффициенты детерминации R2 между расчетными и экспериментальными данными при различной расчетной температуре Т “холодной” плазмы, К: (а) – 2000, (б) – 2500, (в) – 3000, (г) – 3500, (д) – 4000, (е) – 4500.

Скачать (390KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Гистограмма сопоставления рассчитанных (столбики) логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) фоновых ионов Х с логарифмами экспериментальных интенсивностей (точки) lgI (импульс/с) этих ионов [11, 22] при расчетной температуре “холодной” плазмы 3000 К.

Скачать (103KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение коэффициента детерминации R2 между рассчитанными логарифмами концентраций фоновых ионов (см–3) и логарифмами экспериментальных интенсивностей (импульс/с) этих ионов [11, 22] в зависимости от температуры “холодной” плазмы T при различных массовых соотношениях H2O : HNO3: 1 – 10 000, 2 – 1000, 3 – 100, 4 – 25.

Скачать (75KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение расчетных логарифмов концентраций lgn(Х) (см–3) различных фоновых ионов Х в зависимости от температуры T (K) для условий “холодной” плазмы при различных массовых соотношениях Ar : H2O: (а) – 40 (0.8 л/мин аргона) и (б) – 120 (2.4 л/мин аргона).

Скачать (450KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024