Study of the Impurity Composition of Monoisotopic High Purity Germane⁷²GeHi Using Gas Chromatography-Mass Spectrometry

Gas chromatography-mass spectrometry is used to study the impurity composition of germane, isotopically enriched with germanium⁷²Ge to 99.953 %at. For the chromatographic separation of impurities, we used quartz gas-adsorption capillary columns GS-GasPro 60 m х 0.32 mm with modified silica gel, CarbonPlot 25 m х 0.32 mm х 0.25 pm with a carbon sorbent and 25 m х 0.26 mm х 0.25 pm with polytrimethylsilylpropyne. Identification of the impurities was carried out by comparing their mass spectra with the mass spectra of NIST database, using literature data on the retention time and mass spectra of germanium-containing substances. The impurities of permanent gases, xenon, krypton, nitrous oxide, carbon dioxide, silane, hydrocarbons C₁ - C₈, aromatic, chlorinated and fluorinated hydrocarbons, homologues of germane, methylgermane, chlorogermane, carbon disulfide, carbonyl sulfide, 1,4-dioxane, difluorodimethylsilane are identified in different fractions of⁷²GeH₄ obtained during rectification. Impurities of xenon, krypton, carbon disulfide carbon oxides, 1,4-dioxane and difluorodimethylsilane have been identified in germanium for the first time. The impurities of carbon disulfide, krypton and xenon exhibit shifted isotopic composition while the impurities of methylgermane, homologues of germane and chlorogermane, as well as the main component are isotopically enriched. Quantitative determination of the impurities is carried out in the mode of selected ion monitoring (SIM) using the mass numbers with the maximum signal-to-noise ratio. The impurity concentrations are determined by absolute calibration of peak areas using self-prepared and certified calibration mixtures. In the absence of reference samples, the impurity concentrations are determined from the dependence of the coefficients of detection sensitivity on the value of the total ionization cross section. Detection limits calculated by tripling value of the standard deviation of a signal in the “blank” experiment range within 1 x 10⁵ - 5 x 10⁸ % mol.

хромато-масс-спектрометрия, идентификация, изотопно-обогащенный герман, примеси, масс-спектры, gas chromatography-mass spectrometry, identification, isotopically enriched germane, impurities, mass spectra

1. Шубин А. Н., Гилев А. Н., Кононов Д. Б. и др. Новые требования к обогащенным изотопам для экспериментов по изучению безнейтринного двойного p-распада (эксперимент Герда) / Атомная энергия. 2006. Т. 101. № 2. С. 588 - 592.

2. Avignone F. T., Brodzinski R. L., Klimenko A. A., et al. Results of the Pilot Experiment to Search for Inelastic Interactions of WIMPS with 73Ge / Physics of Atomic Nuclei. 2000. Vol. 63. N 7. P. 1337 - 1340.

3. Деточенко А. П., Денисов С. А., Дроздов М. Н. и др. Эпитаксиально выращенные моноизотопные слои Si, Ge и твердого раствора Si 1 xGex получение и некоторые свойства / Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. № 3. С. 350 - 353.

4. Klimenko A. A., Osetrov S. B., Smolnikov A. A., et al. Experimental limit on the charge non-conserving p decay of Ge-73 / Phys. Lett. B. 2002. Vol. 535. P. 77-84.

5. Журавлева Л., Плеханов В. Изотопическая наноинженерия для телекоммуникационных систем / Наноиндустрия. 2012. Т. 33. № 3. С. 54-59.

6. Арефьев Д. Г., Васин С. А., Долгов С. В. и др. О применении моногермана для разделения изотопов германия на газовых центрифугах / Перспективные материалы. 2010. Специальный выпуск №8. С. 19-24.

7. Гусев А. В., Буланов А. Д., Филимонов С. В. и др. Получение высокочистого изотопно-обогащенного германия 76Ge / Перспективные материалы. 2011. № 10. С. 17 - 20.

8. Пат. 2412747 РФ, МПК B 01 D 59/20. Способ разделения изотопов германия / Арефьев Д. Г. и др.; заявитель и патентообладатель Институт химии высокочистых веществ РАН, ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод». - № 2009127051/05; заявл. 16.07.2009. опубл. 27.02.2011, бюл. № 6.

9. Крылов В. А. Анализ высокочистых летучих веществ / Журн. аналит. химии. 2002. Т. 57. № 8. С. 790 - 802.

10. Девятых Г. Г., Зорин А. Д. Летучие неорганические гидриды особой чистоты. - М.: Наука, 1974. - 206 с.

11. Ежелева А. Е., Снопатин Г. Е., Малыгина Л. С. Применение пламенно-фотометрического детектора при хроматографическом анализе летучих неорганических гидридов особой чистоты / Журн. аналит. химии. 1979. Т. 34. № 12. С. 2308 - 2311.

12. Крылов В. А., Красотский С. Г., Малышев В. М. и др. Криогенный метод концентрирования примесей водорода, аргона, кислорода и азота при их газохроматографическом определении в летучих неорганических гидридах / Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56. №11. С. 1137- 1143.

13. Зорин А. Д., Фролов И. А., Карабанов Н. Т. и др. Хроматографический анализ силана и германа на содержание органических примесей / Журн. аналит. химии. 1970. Т. 25. № 10. С. 389 - 391.

14. Воротынцев В. М., Мочалов Г. М., Суворов С. С. и др. Газохроматографическое определение содержания примесей постоянный газов, метана, моно- и диоксида углерода в моногермане особой чистоты / Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. № 6. С. 648 - 653.

15. Николаева Л. Г., Агафонов И. Л. Возможности определения примесей в летучих неорганических веществах особой чистоты методами масс-спектрометрии и газовой хроматографии / Получение и анализ веществ особой чистоты. - М.: Наука, 1978. С. 168 - 174.

16. Девятых Г. Г., Засавицкий И. И., Ильин В. М. и др. ИК-спектрометр на перестраиваемые диодных лазерах для молекулярного анализа высокочистых летучих веществ / Высокочистые вещества. 1990. №6. С. 106-114.

17. Кривцун В. М., Курицын Ю. А., Снегирёв Е. П. и др. Измерение малых концентраций PH3 в GeH4 с помощью спектрометра на перестраиваемые диодные лазерах /Журн. прикл. спектроскопии. 1985. Т. 63. С. 571 -576.

18. Сенников П. Г., Кошелева И. А., Буланов А. Д. и др. Изучение примесного состава изотопно-обогащенного германа методом ИК-Фурье спектроскопии высокого разрешения / Перспективные материалы. 2011. Вып. 10. С. 93 - 98.

19. Крылов В. А., Чернова О. Ю., Созин А. Ю. Идентификация примесей в моногермане высокой чистоты методом хромато-массспектрометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 7. С. 11 - 15.

20. Чурбанов М. Ф., Крылов В. А., Чернова О. Ю. и др. Примесный состав изотопно-обогащенного моногермана / Перспективные материалы. Специальный выпуск. 2010. Вып. 8. С. 105 - 108.

21. Крылов В. А., Чернова О. Ю., Созин А. Ю. и др. Хрома-то-масс-спектрометрический анализ германа высокой чистоты / Аналитика и контроль. 2015. Т. 19. № 1. С. 45-51.

22. Крылов В. А., Чернова О. Ю., Созин А. Ю. Состав молекулярные примесей в высокочистом германе / Неорганические материалы. 2015. Т. 51. № 10. С. 1047 - 1053.

23. Крылов В. А., Чернова О. Ю., Созин А. Ю. Высокочувствительное хромато-масс-спектрометрическое определение примесей в мо ногермане высокой чистоты с применением адсорбционной капиллярной колонки с углеродным сорбентом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 2. С. 23 - 27.

24. Потапов А. М., Курганова А. Е., Буланов А. Д. и др. Изотопный анализ моногерманов 72GeH4, 73GeH4, 74GeH и 76GeH методом масс-спектрометрии высокого разрешения с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) / Журн. аналит. химии. 2016. Т. 71. №7. С. 698 - 706.

25. Жигач А. Ф., Стасиневич Д. С. Химия гидридов. - Л.: Химия, 1969. - 676 с.

26. Крылов В. А., Чернова О. Ю., Созин А. Ю. Хромато-массспектрометрическая идентификация примесей в изотопно-обогащенном силане / Масс-спектрометрия. 2007. № 4. С. 125 - 130.

27. Берёзкин В. Г., Королёв А. А., Хотимский В. С. Политриметилсилилпропин как адсорбент в капиллярной газовой хроматографии / Доклады АН. 2000. Т. 370. С. 200 - 204.

28. Агафонов И. Л., Девятых Г. Г. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой чистоты. - М.: Наука, 1980. - 336 с.

29. van der Kelen G. P. The mass spectra of mono- and digermane / Bulleten des societes chimiques Belgas. 1960. Vol. 69. P. 504 - 516.

30. Fitch W. L. Calculation of relative Electron Impact Total Ionization Cross Dections for Organic Molecules / Anal. Chem. 1983. Vol. 55. P. 832-835.

31. Mann J. B. Ionization ctoss sections of the elements calculated from mean-square radii of atomic orbitals / J. Chem. Phys. 1967. Vol. 46. P. 1646 - 1651.

32. Beran J. A., Kevan L. Molecular Electron Ionization Cross Sections at 70 eV / J. Phys. Chem. 1959. Vol. 73. P. 3866 - 3876.

33. Крылов В. А., Созин А. Ю., Зорин В. А. и др. Хромато-массспектрометрическое определение примесей в изотопно-обогащенном силане высокой чистоты / Масс-спектрометрия. 2008. Т. 6. № 4. С. 225 - 233.

34. Основы аналитической химии. Изд. 2-е.: в 2 т. / Под ред. Ю. А. Золотова. - М.: Высшая школа, 2000. - 351 с.

35. Справочник химика. Изд. 2-е испр.: в 6 т. Т. 2 / Гл. ред. Б. П. Никольский. - Л.: Химия, 1964. - 1168 с.