Prof. Alexander Bulgakov, Dr.Sc. a Oleksandr Gatsa, PhD. z oddělení SLA představili hmotnostní spektrometr pro studium interakčních procesů mezi laserem a materiály. Systém byl použit například v Open Access experimentu profesorky Eleanor Campbellové a doktorandky Elle Bethuneové ze School of Chemistry of the University of Edinburgh ve Velké Británii. Vědci z Centra HiLASE společně s nimi nedávno publikovali článek v časopise Applied Physics A od Springer Nature, kde referují o systematickém experimentálním i teoretickém zkoumání tavení zlata jednotlivými femto- a pikosekundovými blízkými infračervenými laserovými pulzy. Více info.
Podívejte se na video o hmotnostním spektrometrickém systému pro studium interakce mezi laserem a látkou ZDE.
Co je to hmotnostní spektrometrický systém?
Systém se skládá ze tří hlavních částí: velké vakuové komory pro laserovou ablaci (objem cca 100 l), v níž probíhají laserem indukované procesy, které mají být studovány, Time of Flight hmotnostního spektrometru s vysokým rozlišením (TOF MS), přístroje pro studium těchto procesů, a z meziprostoru samostatně čerpané vakuové komory mezi ablační komorou a hmotnostním spektrometrem.
Laserová ablační komora je čerpána vysokorychlostní turbomolekulární vývěvou až na základní tlak 10-7 mbar. Komora je vybavena řadou optických průzorů pro zavádění laserových paprsků, systémy pro translaci a rotaci ozářených terčů uvnitř komory, optikou pro zaostřování a snímání laserových paprsků na povrchu terče, elektrickým přívodem, systémy pro přívod plynu. Přístroj TOFMS je na míru vyrobený hmotnostní spektrometr typu Reflectron s vysokým rozlišením a vysokou citlivostí, speciálně navržený pro zkoumání laserem ablovaného plazmatu a laserem indukovaných procesů v plynné fázi (Kore Technology, UK). Hlavní parametry MS: hmotnostní rozsah 1-20000 Da, hmotnostní rozlišení lepší než 1000, detekce jednotlivých iontů. Přístroj je vybaven dvěma postionizačními technikami, elektronovým dělem (proměnná energie elektronů v rozsahu 10-200 eV) a excimerovým ArF laserem (energie fotonů 6,4 eV). Je vybaven dvěma detektory: mikrokanálovým deskovým detektorem (MCP) (detekce částic do 2000 Da) a vysokonapěťovým dynodovým detektorem pro studium těžkých prvků (do 20000 Da). Registrační systém zahrnuje režim analogového signálu a režim počítání iontů. MS je čerpán vlastním vakuovým systémem až na základní tlak 10-8 mbar. Mezikomora slouží jako diferenciálně čerpaný systém a je potřebná k udržení správného vakua v MS (pod 10-6 mbar), když jsou do ablační komory přiváděny plyny z okolí (až do maximálního tlaku 1 mbar).
Jak to funguje?
Laserem produkované plazma a/nebo laserem vystřelované částice jsou zkoumány pomocí TOFMS, aby bylo možné získat informace o částicích, konkrétně o stavu náboje částic, výtěžku, koncentraci, složení, hmotnostním rozložení, rychlostním rozložení, stabilitě a chemické reaktivitě. Lze rozlišovat a zkoumat různé částice (atomy, molekuly, klastry, nanočástice (NP), neutrály, kladně a záporně nabité ionty).
Přesněji řečeno, plazma nebo jednotlivé částice vytvořené pulzní laserovou ablací/desorpcí/excitací jsou pulzně vzorkovány v pevné vzdálenosti od ozářeného vzorku a dopraveny do TOF MS k analýze. Vzorkování se provádí přiváděním vysokonapěťových pulzů na systém elektrod (průhledných pro ionty), které tlačí ionty směrem k driftovací trubici MS. Při analýze neutrálních částic se používá pulzní postionizace (elektronový náraz nebo fotoionizace), která je potlačena speciálním vychylovacím systémem, aby se zabránilo vylučování iontů plazmy a tím se zabránilo interferenci neutrálních a iontových signálů. Rozložení rychlostí částic se obvykle analyzuje změnou zpoždění mezi ablačními a vzorkovacími pulzy. U poměrně energetických iontů plazmatu existuje také možnost měřit jejich rychlost přímo podle doby jejich dopadu na detektor. Velkou výhodou systému je možnost detekovat všechny produkované ionty v jednom laserovém pulzu. Systém také umožňuje detekovat částice s nízkou výtěžností nebo stopové ionty (kdy je během jednoho laserového pulzu generována méně než jedna částice) pomocí režimu počítání iontů, a to kumulací signálu při velkém počet pulzů.
K čemu jej můžeme použít?
Studium laserem produkovaného plazmatu a částic nám umožňuje získat poznatky o mechanismech interakcí mezi laserem a hmotou, analyzovat složení složených pevných vzorků a plynných směsí včetně detekce stopových prvků, optimalizovat různé aplikace založené na laseru, jako je pulzní laserová depozice (PLD), generování nanočástic, laserem indukovaný transfer (LIFT) atd., charakterizovat stabilitu molekul a nanočástic a jejich reaktivitu vůči různým chemickým činidlům v plynné fázi a hledat podmínky pro generování nových neprobádaných nanosystémů.
Většina procesů při interakci laseru s hmotou zahrnuje ablační odstraňování materiálu nebo desorpci/ejekci jednotlivých částic. Studium a charakterizace vzniklých částic je jedním z klíčových nástrojů pro pochopení procesů a odhalení mechanismů ablace/desorpce. Laserem produkované plazma a částice se používají v řadě aplikací, včetně pulzní laserové depozice (PLD) tenkých vrstev, generování nanočástic a iontových svazků, laserového tisku, strukturní analýzy nanoobjektů a biomolekul, analýzy složení vícesložkových materiálů atd. Podrobná charakterizace plazmatu a částic v závislosti na podmínkách ozařování je pro optimalizaci těchto aplikací klíčová. Hmotnostní spektrometrie v kombinaci s laserovou excitací je jedním z nejmocnějších nástrojů pro zkoumání stability a reaktivity neutrálních a nabitých molekul a nanočástic v plynné fázi. Naše systémy umožňují zkoumat takové laserem indukované procesy jako je zpožděná ionizace, metastabilní fragmentace. Dostupnost diferenciálně čerpaného systému umožňuje provádět hmotnostně spektrometrické experimenty při poměrně vysokém tlaku okolních plynů a zkoumat tak srážkami indukované procesy a chemické reakce laserem produkovaných částic a molekul okolních plynů. Vysoké rozlišení MS umožňuje určit složení reakčních produktů s vysokou přesností. Můžeme například studovat reaktivitu malých částic zlata a platiny, které nejsou v nanorozměrech ušlechtilé. Kombinace technik laserové ablace a hmotnostní spektrometrie je velmi flexibilní systém, který umožňuje sledovat laserem produkované částice v širokém rozsahu podmínek jejich vzniku a v různých fázích tvorby, a nabízí tak možnost hledat nové neprozkoumané molekuly a nanočástice. Například při analýze laserem produkovaných částic pomocí MS byly objeveny nové systémy jako jsou fullereny a met-cars.
Hlavním účelem tohoto diagnostického systému je zkoumat mechanismy laserem indukovaných procesů a optimalizovat takové aplikace laseru, jako je PLD, LIFT a syntéza nanočástic. Systém má unikátní možnosti pro tento druh výzkumu a konkrétně v této oblasti se očekávají jedinečné výsledky světové úrovně. V rámci Open Access lze však provádět i rutinnější experimenty, jako je analýza složení vícesložkových vzorků nebo plynných směsí.
