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

Význam tématu

Studium srážkových procesů iontů s molekulami odhaluje základní mechanismy ionizace, přenosu náboje a fragmentace. Tyto poznatky jsou klíčové pro vývoj hmotnostní spektrometrie, interpretaci rozpadových křivek molekulárních iontů a ověření kvazirovnocenné (QET) teorie. Historie výzkumu Čermáka a Hermana otevírá cestu k preciznímu zkoumání interakcí iontů a neutrálních částic v různých oblastech chemie a fyziky.

Cíle a přehled studie

Práce začala v roce 1958 systematickým sledováním reakcí iontů v podmínkách zvýšeného tlaku vodní páry. Klíčové cíle:

• Objevit a charakterizovat iont–molekula reakce vedoucí k tvorbě H3O+ a dalších produktů.
• Určit vliv elektronické excitace iontů na exotermičnost reakcí.
• Ověřit QET teorii porovnáním experimentálních dat s Rosenstockovými výpočty.

Použitá metodika a instrumentace

Pro sledování procesů přenosu náboje a rozpadových křivek byly využity:

• Modifikovaný iontový zdroj hmotnostního spektrometru s regulovatelnou energií elektronů.
• 127° deflekční analyzátor pro měření energie uvolněných elektronů (Lozierova trubice).
• Aparatury EVA I a EVA II s křižujícími paprsky iontových a neutrálních reaktantů.
• Vícekanálová tryska pro generování molekulárních paprsků a vakuové difuzní pumpy s kapacitou až 2000 l/s.

Hlavní výsledky a diskuse

Významná zjištění a diskuse:

• Exotermické reakce elektronicky excitovaných iontů a tvorba H3O+ jako první přímý důkaz účinnosti excitační energie při překonání energetických bariér.
• Identifikace netradičních procesů, například vznik iontů mimo iontovou komůrku následným přenosem náboje.
• Možnost získat rozpadové křivky polyatomových iontů po přenosu náboje s charakteristickou vnitřní energií.
• První kvantitativní porovnání experimentálních dat s Rosenstockovými QET výpočty pro propan, potvrzující klíčové předpoklady teorie.
• Následný rozvoj elektronové spektroskopie Penningovy ionizace (PIES) a detailní studie elektronových spekter mnoha látek.
• Rozvoj reakční dynamiky přes zkřížené paprsky a studií rozptylu iontů na površích pevných látek.

Přínosy a praktické využití metody

Metody přenosu náboje a rozbourání iontů přispěly k:

• Detailní charakterizaci fragmentačních mechanismů a energetických bariér v polyatomových molekulách.
• Vylepšení hmotnostně spektrometrických technik pro analýzu složitých směsí a měření pomalých iontů.
• Otevření cesty k zobrazování reakční dynamiky v reálném čase prostřednictvím křižujících paprsků.

Budoucí trendy a možnosti využití

Trend budoucího rozvoje:

• Integrace teorií trajektorií s experimentálními daty k predikci reakcí iontů s molekulami a povrchy.
• Využití vysokorozlišených analyzátorů pro studium elektronových a iontových spekter v reálném čase.
• Pokročilé aplikace v analytické chemii, environmentálních studiích a materiálových vědách.
• Rozšíření metod do oblasti bioanalytiky a proteomiky pro sledování rozpadových cest biomolekul.

Závěr

Práce Zdeňka Hermana a Vladimíra Čermáka vytvořila pevný základ pro moderní studium iontových procesů v hmotnostní spektrometrii. Kombinace jednoduchých úprav iontového zdroje, deflekčních analyzátorů a křižujících paprsků umožnila ověřit teoretické modely a otevřít nové směry v reakcích iontů s molekulami a povrchy. Jejich přínos je stále inspirací pro současné i budoucí výzkumy v oblasti analytické chemie.

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. et al.: Rev. Sci. Instr. 40, 538 (1969).
11. Herman Z. et al.: Discus. Faraday Soc. 44, 123 (1967).
12. Hierl P. M. et al.: J. Chem. Phys. 48, 4319 (1968).
13. Herman Z. et al.: J. Chem. Phys. 51, 452 (1969).
14. Schneider F. et al.: Chem. Phys. Lett. 37, 323 (1976).
15. Hierl P. M. et al.: J. Chem. Phys. 67, 2678 (1977).
16. Herman Z. et al.: 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. et al.: J. Phys. Chem. 99, 15595 (1995).
21. Herman Z.: Int. J. Mass. Spectrom. 212, 413 (2001).
22. Herman Z. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 192, 191 (1999).
23. Roithová J. et al.: J. Phys. Chem. A 107, 7347 (2003).
24. Herman Z.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 14, 1360 (2003).