H₂O Vapor에 포함된 저농도NH₃를 측정하기 위한 Soft Ionization Technique

H₂O에 포함된 저농도 암모니아의 측정은 아래와 같은 다양한 응용분야에서 중요하게 사용됩니다.

• 냉동
• 화학산업
• 자동차산업
• 에너지제품

질량분석기를 사용하여 수증기에 포함된 저농도 암모니아를 측정할 때 가장 큰 문제점은 물과 암모니아가 m/z 17에서 스펙트럼이 겹치는 것입니다. 수분의 백그라운드 스펙트럼을 보정해서 측정할 수 있지만 이 방법은 수증기의 변화량 때문에 정확한 암모니아 농도의 측정이 어렵습니다.

HIDEN 질량분석기에서는 이 두 가지 가스를 나누어서 측정하는 방법으로 Soft ionization이라는 기술을이용합니다. 이 기술은 하나의 mass number에 서로 다른 이온화 에너지를 사용하여 가스를 선택적으로 이온화하는 기술입니다. 일반적인 전자충격 이온화 방법(Electron Impact Ioniztion)으로 발생된 전자(Excited Electron)는 대략 70eV의 전자에너지를 가지게 되며 HIDEN 질량분석기는 이 전자에너지를 0.1eV 단위로 4eV~150eV까지 변화시킬 수 있습니다.

Figure 1 A : m/z vs Electron energy-H₂O/Air

그림1A(Origin®사용)는 1eV간격으로 10~30eV까지 점진적으로 전자에너지를 증가시켜msss number 15번에서 19번까지 scan한 결과입니다. 이 scan방법은 그림2에서처럼MASsoft의 multi-variantscan 방법을 통하여 쉽게 사용할 수 있습니다. 이 실험은 HIDENHPR-20을 사용하여 대기중의 수증기를 측정하였습니다.

Figure 2 : MASsoft Multi-variant Scan

그림1A는 H₂O가 15eV에서 이온화가 시작되는 것을 보여줍니다. 15eV 이상에서 H₂O가 H₂O+로 이온화 되며 이는 18eV(빨간줄)에서 물이 H₂O+가 될 때 이온화 생산물이 측정되는 것을 볼 수 있습니다.

20eV이하에서는 H₂O가 OH+로 이온화되지 않습니다. 따라서 이런 이온화 에너지의 차이점을 이용하여NH₃가 NH₃+로 이온화 될 때의 에너지를 사용하면OH+와 NH₃+의 분리할 수 있습니다.이론적으로 NH₃+의 이온화는 11eV에서 일어납니다.

Figure 1 B : m/z vs Electron energy-NH₃/H₂O/Air mix

그림1B는 전자 에너지를 10eV부터 30eV까지 점차적으로 높이면서 mass number 15번에서 19번까지scan한 결과입니다. 이 실험에는 암모니아가 포함된 수증기 혼합물을 사용했습니다. 그림1A에서는 m/z 17번이약 20eV까지 이온화가 시작하지 않았지만 그림1B에서는 약 13eV에서 m/z 17번의 이온화가 시작되는 것을 알 수 있으며 이는 이온화 과정 중에NH₃+가 형성되었다는 증거가 됩니다. 따라서 NH₃와 H₂O를 Soft Ionization Technique으로 분리할 수 있다는 것을 나타냅니다.
위의 그림1B에서 18eV(빨간색)의전자 에너지 scan은 m/z 17번, 18번모두에서 측정되는 것을 나타냅니다. 따라서 18eV의 전자 에너지를 이용하여 수증기 중의 암모니아분석이가능하다는 것을 알 수 있습니다.

앞서 서술했던 기술(18eV를 이용한 수증기 안의 암모니아 분석)을 이용하여 이 기술의 측정 한계를 조사하였습니다. HPR-20을 사용하여 2% 수증기에 다양한 농도의 암모니아를 혼합한 혼합물을 측정하였으며 Carrier 가스로는 Argon을 사용하였습니다.

Figure 3 : Detection limits of NH₃ in 2% H₂O

이 Application Note들 통하여 m/z가 겹치는 가스들을 HIDEN HPR-20의 Soft Ionization Technique을 사용하여 어떻게 측정할 수 있는지 알 수 있으며 또한 전자 에너지를 줄이더라도 noise가 없는 깨끗한 peak을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있습니다.

HIDENMASsoft는 아래와 같이 다양한 용도로 soft ionization scan을 사용할 수 있습니다.