POČÁTKY HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE U NÁS: HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE V ÚSTAVU FYZIKÁLNÍ CHEMIE AKADEMIE VĚD (ČÁST II)

Počátky hmotnostní spektrometrie na Ústavu fyzikální chemie AV ČR

Význam tématu
Výzkum srážkových procesů iontů a iontové chemie v rámci hmotnostní spektrometrie položil základy pochopení reakcí iontů s molekulami a povrchy. Tyto poznatky jsou klíčové nejen pro teoretické modely přenosu energie a rozkladu molekul, ale i pro analytické aplikace v průmyslové chemii, životním prostředí či farmaceutickém výzkumu.

Cíle a přehled článku
Autor retrospektivně popisuje vývoj metodiky a instrumentace pro studium srážkových procesů iontů v Československu od roku 1958. Zaměřuje se na první experimenty s přenosem náboje, rozpadové křivky molekulových iontů a vývoj přístrojů pro měření energie uvolněných elektronů a dynamiky srážek.

Použitá metodika a instrumentace

• Modifikovaný iontový zdroj s řízeným tlakem a směsí vzácných plynů a molekul, umožňující studium přenosu náboje.
• Zařízení pro měření rozpadových křivek (break-down curves) polyatomových iontů.
• Lozierova trubice pro přesné měření energie uvolněných elektronů.
• Deflekční analyzátor 127° z molybdenu pro elektronovou spektroskopii Penningovy ionizace.
• Aparatury EVA I a EVA II s kolmými paprsky iontů a neutrálních reaktantů a dvojicí hmotnostních spektrometrů.
• Mnohokanálová molekulová tryska, difuzní vakuové pumpy, teflonové izolátory a motory do vakua dovážené z USA.
• Modifikovaná EVA II s povrchy (nerez, uhlík, wolfram, beryllium) pro studium srážek na pevných látkách.

Hlavní výsledky a diskuse

• První doklady přenosu náboje mezi elektronicky vzbuzenými ionty a molekulami, včetně tvorby H3O+ při zvýšeném tlaku vodní páry.
• Ověření kvazikontinuální teorie QET experimentem přenosu náboje mezi vzácnými plyny a propanem, shoda s osmidenními Rosenstockovými výpočty.
• Objev a kvantifikace asociativní a Penningovy ionizace v jednoduchých plynné směsi, výpočet energie absorbované molekulou.
• Vývoj elektronové spektroskopie Penningovy ionizace, popis autoionizovaných stavů a fragmentace molekul různých typů.
• Studium dynamiky reakcí přesnýma metodami křížených paprsků iontů a neutrálních částic, modelování rozptylu a tvorby komplexů.
• Rozšíření studií na interakce iontů s povrchy pevných materiálů, zachycení produktů rozptýlených iontů.

Přínosy a praktické využití metody
Popisované metody poskytly první kvantitativní údaje o energetice rozpadů molekulových iontů a mechanismech iont-molekula reakcí. Vyvinuté přístroje se staly základem pro pozdější výzkum reakční dynamiky a spektroskopii iontů, přispěly k rozvoji analytických technik pro detekci a charakterizaci organických, anorganických i bioorganických látek.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace kolizních studií s vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrií a pulzními zdroji iontů.
• Pokročilé modelování přenosu náboje a dynamiky rozpadů pomocí výpočtových metod a strojového učení.
• Aplikace technik na studium povrchových reakcí v katalýze a materiálových vědách.
• Využití moderních detektorů a synchronizovaných pulzních laserů pro časově rozlišenou spektroskopii iontových procesů.

Závěr
Pionýrské experimenty Zdeňka Hermana, Vladimíra Čermáka a spolupracovníků posloužily jako klíčový krok v pochopení iontové chemie a hmotnostní spektrometrie. Vyvinuté přístroje a metodiky položily základy mnoha důležitým technikám, které dnes umožňují detailní studium energetiky a mechanistiky iontových procesů v různých oblastech vědy i průmyslu.

Reference

1. Čermák V., Herman Z.: J. Chem. Phys. 87, 717 (1960)
2. Čermák V., Herman Z.: Nucleonics 19, 106 (1961)
3. Herman Z., Čermák V.: Nature 199, 588 (1963)
4. Čermák V., Herman Z.: Collect. Czech. Chem. Commun. 30, 169 (1965)
5. Čermák V., Herman Z.: Chem. Phys. Lett. 2, 359 (1968)
6. Čermák V.: Collect. Czech. Chem. Commun. 33, 2739 (1968)
7. Čermák V., Ozenne J. B.: Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 7, 399 (1971)
8. Čermák V.: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 3, 329 (1974)
9. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 23, 329 (1981)
10. Herman Z., Kerstetter J. D., Rose T. L., Wolfgang R.: Rev. Sci. Instr. 40, 538 (1969)
11. Herman Z., Kerstetter J. D., Rose T. L., Wolfgang R.: Discus. Faraday Soc. 44, 123 (1967)
12. Hierl P., Herman Z., Kerstetter J., Wolfgang R.: J. Chem. Phys. 48, 4319 (1968)
13. Herman Z., Lee A., Wolfgang R.: J. Chem. Phys. 51, 452 (1969)
14. Schneider F., Havemann U., Zülicke L., Pacák V., Birkinshaw K., Herman Z.: Chem. Phys. Lett. 37, 323 (1976)
15. Hierl P. M., Pacák V., Herman Z.: J. Chem. Phys. 67, 2678 (1977)
16. Herman Z., Henchman M., Friedrich B.: J. Chem. Phys. 93, 4916 (1990)
17. Sadílek M., Herman Z.: J. Phys. Chem. 97, 2147 (1993)
18. Friedrich B., Herman Z.: Chem. Phys. Lett. 107, 389 (1984)
19. Herman Z.: Int. Rev. Phys. Chem. 15, 229 (1996)
20. Žabka J., Fárník M., Dolejšek Z., Polách J., Herman Z.: J. Phys. Chem. 99, 15595 (1995)
21. Herman Z.: Int. J. Mass. Spectrom. 212, 413 (2001)
22. Herman Z., Žabka J., Dolejšek Z., Fárník M.: Int. J. Mass Spectrom. 192, 191 (1999)
23. Roithová J., Žabka J., Hrušák J., Thissen R., Herman Z.: J. Phys. Chem., A 107, 7347 (2003)
24. Herman Z.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 14, 1360 (2003)