Масс-спектрометрия

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ТЕМА

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Масс-спектрометрия является одним из наиболее бурно развивающихся, эффективных экспрессных методов анализа и установления строения как индивидуальных органических соединений, синтетических, природных, так и их смесей. Благодаря своей исключительно высокой чувствительности, информативности, надежности метода и возможности использования в комбинации с газовой и жидкостной высокоэффективной хроматографией этот метод широко применяется в органической, полимерной, медицинской химии, в нефтехимии, фармакологии, токсикологии, охране окружающей среды, судебно-медицинской экспертизе и в контроле производства. Одним из способов установления строения исследуемого соединения этим методом является автоматическое сравнение зарегистрированного спектра с банком спектров, введенных в память компьютера.

Для получения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном масс-спектрометре достаточно 10-9-1010 г вещества. Для получения обычного спектра электронного удара индивидуального соединения необходимо затратить всего 1−2 мин, а время анализа сложной смеси органических соединений в режиме хроматомасс спектрометрии определяется исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При этом следует учесть, что в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью современного масс-спектрометра, остаются о временах удерживания, площадях пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, т. е., вводя в прибор 1 мкл сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно получить информацию о ее качественном и количественном составе. Ни один другой метод не сочетает в себе такой экспрессности и информативности. Надежность масс-спектрометрического анализа также очень высока, поскольку масс-спектр является реальной характеристикой конкретного вещества, отражающей его структурные особенности.

Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных проблем: идентификация веществ и изучение фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе в ионном источнике. С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионно-циклотронного резонанса, систем протока после разряда возможности классического метода значительно увеличилось. Соединение масс-спектрометра с жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые ионизации, в частности «электроспрей» и МЛДИ, появившиеся к концу XX века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганическими молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы дальтон. Признанием важности масс-спектрометрии для развития современной науки стало присуждение в 2002 г. Нобелевской премии создателям методов электроспрея и МЛДИ Джону Фенну и Коичи Танаке.

Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и биоорганической химии для установления структур соединений хроматомасс-спектрометрия стала сегодня основным методом качественного и количественного определения органических загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая экология немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических исследованиях и при проведении допинг-контроля на спортивных соревнованиях.

Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космохимических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии и медицины, при идентификации микроорганизмов и т. д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими физико-химическими методами, поскольку оперирует с простейшими характеристиками вещества: массой молекулы и ее основных фрагментов, а также с отношением количеств этих фрагментов. Масса самого тяжелого иона в спектре равна молекулярной массе анализируемого соединения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1).

В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов (точнее величина отношении массы иона к его заряду), по оси ординат — их интенсивности, т. е относительное количество ионов данного вида. В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: углеродные единицы (у.е.), атомные единицы масс (а.е.м.), дальтоны (Да).

Первичным результатом взаимодействия пучка ионизирующих электронов с молекулой, протекающего за 10-15 — 10-17 с, является ионизация, т. е. удаление электрона с молекулярной орбитали и образование нечетно-электронного ион-радикала М+*.

Для того чтобы избежать нежелательных химических реакций в результате взаимодействия молекул и ионов, в источнике масс-спектрометра, как правило, поддерживается высокий вакуум (10-5 — 10-6 мм рт. ст.).

Рис. 2. Блок-схема масс-спектрометра

1. СИСТЕМА ВВОДА ОБРАЗЦА

1.1 Прямой ввод

Прямой ввод вещества в область ионизации. Твердый образец помещается в специальную микрокапсулу (стекло, кварц, керамика, металл), которая штоком вводится непосредственно в ионный источник, т. е. испарение осуществляется прямо в источнике ионов в условиях глубокого вакуума. При необходимости образец может быть нагрет с помощью программируемой печки до температуры 400−500оС и выше.

Рис. 1.1 Система прямого ввода

Программируемый нагрев образца в вакууме позволяет решить одновременно три задачи: 1) перевести в газовую фазу широкий круг органических соединений; 2) подобрать оптимальную температуру съемки; 3) анализировать смеси соединений с разной степенью летучести. Важной характеристикой прямого ввода является существенное уменьшение количества образца. В данном случае следует опасаться ввести слишком много вещества. Считается, что твердый образец в капилляре на конце штока должен быть едва различим глазом. Избыточное количество образца может привести к искажению масс-спектра из-за протекания ионно-молекулярный реакций и вызвать быстрое загрязнение источника ионов.

1.2 Мембранный метод (Membrane Inlet Mass Spectroscopy, MIMS)

Мембрана изготавливается из органического материала и пропускает в источник масс-спектрометра соединения, растворимые или адсорбируемые материалом мембраны и обладающие высоким коэффициентом диффузии в нем. Анализируемое соединения должно быть достаточно летучим, чтобы испаряться на вакуумированной стороне мембраны. Мембраны могут быть размещены: вне источника ионов (1. 2), в другом — капиллярная мембрана вводится непосредственно в источник (1. 3). достоинством такого ввода является селективность в пропускании веществ разной природы. Поскольку мембрана не пропускает воду, неорганические газы и соли.

Рис 1.2. Размещение мембраны вне источника Рис 1.3. Размещение мембраны внутри источника ионов ионов

1.3 Хроматомасс-спектрометрия, ГХ-МС (GC-MS)

Жидкостная хроматография — масс-спектрометрия, ЖХ-МС (LC-MS)

Высокоэффективная жидкостная хроматография — масс- спектрометрия, ВЖХ (HPLC-MS)

На сегодняшний день хроматомасс-спектрометрия является наиболее широко используемой, также метод высокоэффективная жидкостная хроматография — масс-спектрометрия используются все шире и занимают лидирующее положение.

Метод предназначен для анализа органических соединений и заключается в их разделении на колонке хроматографе с последовательным выходом компонентов из колонки в ионной источник масс-спектрометра, где происходит их ионизация.

Рис 1.4 Принципиальная схема ГХ-МС

Хроматомасс-спектрометрия, метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществ в объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов — хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго — идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Чувствительность хроматомасс-спектрометрии (обычно 10-6-10-9г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра.

Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10-5 — 10-6 Па), тогда как давление в хроматографической колонке 105 Па. Для понижения давления используют молекулярный сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим — с ионным источником масс-спектрометра. Молекулярный сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основная часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.

Принцип действия молекулярных сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану.

Наиболее удобный для хроматомасс-спектрометрии газ-носитель — He. Эффективность работы сепаратора, то есть отношение количества органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его количеству, поступающему в масс-спектрометр, в значительной степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20−30 мл/мин удаляется до 9 (3% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого вещества. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматографической колонки расход газа-носителя не превышает 2−3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнительное количество газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в молекулярный сепаратор, достигла 20−30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность молекулярного сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.

В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографические колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого вещества.

Анализируемое вещество (обычно в растворе) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в молекулярный сепаратор. В сепараторе газ-носитель в основном удаляется и обогащенный органическим веществом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально количеству поступающего вещества. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Таким образом масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества.

Важное условие работы прибора — быстрая запись масс-спектра, который должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографического пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость сканирования масс-спектра определяется масс-анализатором. В современных масс-спектрометрах, снабженных компьютером, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количественные характеристики которых накапливаются в памяти компьютера. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Т. к. эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации вещества в ионном источнике, т. е. используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.

Другой вариант хроматомасс-спектрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом ГЖХ. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять растворитель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5−5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в несколько мкм, в результате чего образуются капли, которые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть растворителя испаряется, а оставшаяся вместе с веществом попадает в ионный источник и ионизируется химически.

Эффективный способ сочетания высокоэффективного газо жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150 °C, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в растворе, участвуют в ионо-образовании. Образовавшиеся капли несут положительный или отрицательный заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрического поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных молекулярных ионов или кластеров (молекула вещества + катион буфера).

1.4 Сверхкритическая флюидная хроматография — масс-спектрометрия, СФХ-МС (SFC-MS)

В сверхкритической флюидной хроматографии используемое в качестве подвижной фазы вещество можно представить как очень плотный газ. Используемый CO2 в таком состоянии имеет свойства промежуточные между жидкостью и газом, т. е. это плотный газ с высокой сольватирующей способностью. Растворение образца в таком материале переводит в газовую фазу, протекающий при достаточно низкой температуре. Важно, что метод позволяет анализировать более тяжелые и более термолабильные соединения по сравнению с ГХ-МС. Также, метод широко используется для анализа пестицидов, силиконов, неионогенных ПАВ, природных соединений и т. д. тот факт, что в сверхкритическом состоянии вещество, используемое в качестве подвижной фазы, является отличным растворителем и очень эффективно экстрагирует органические соединения разных классов из образцов пищи, полимерных материалов, объектов окружающей среды и т. д.

десорбционный ионизация молекулярный анализатор

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА МАСС-СПЕКТРО- МЕТРИЧЕСКОГО РАСПАДА

Электронная ионизация, ЭИ (EI).

Среди различных методов ионизации особое положение занимает электронная ионизация. Исторически первый метод ионизации органических соединений. Он же остается и наиболее распространенным на сегодняшний день. Основными достоинствами метода являются надежность и универсальность. Кроме того, в существующих компьютерных библиотеках используются именно спектры электронной ионизации. Теория масс-спектрометрического распада и подходы к интерпретации спектров базируются в основном на первоначальном образовании молекулярного катион-радикала в результате электронной ионизации.

Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут покинуть молекулу. Пучок электронов генерируется катодом и ускоряется потенциалом 12−70 эВ по направлению к аноду. Вещество в газовой фазе взаимодействует с электронами и ионизируется. Формально можно представить процесс ионизации уравнением:

М + з = М+* + 2з

Рис. 1.5. Принципиальная схема электронной ионизации

Рис. 1.6 Принципиальная схема масс-спектрометрии

Важным параметром является энергия электронов. Ионный ток достигает максимума при энергиях электронов около 50 эВ. Стандартные масс-спектры ЭИ принято снимать при 70 эВ.

Рис. 1.7 Зависимость величины ионного тока от энергии ионизирующих электронов

Использование 70 эВ помимо высокой эффективности ионизация объясняется и большой стабильностью спектра. Чем меньше угол наклона кривой эффективности ионизации в какой-либо точке, тем выше стабильность масс-спектра, поэтому высокоэнергетическая часть кривой предпочтительна. В масс-спектрометрии под энергией ионизации подразумевается первый потенциал ионизации, т. е. энергия высшей занятой молекулярной орбитали. Величина Э И для большинства органических соединений лежит в диапазоне 6−12 эВ. Если энергия электронов, эмитируемых катодом, ниже ЭИ, ионизация образца невозможна, и масс-спектр не будет получен. В процессе ионизации молекулярный ион получает избыточную внутреннюю энергию в диапазоне 0−20 эВ. Эта избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям, причем превышение энергии какой-либо связи, ведет к ее разрыву с отщеплением нейтрального фрагмента и образованием осколочного иона. Чем выше энергия ионизирующих электронов, тем большее число направлений распада М+* реализуется.

Рис. 1.8. Масс-спектр электронной ионизации этилприоната при 70, 20 и 14 эВ.

На рис. 1.7. видно, что при уменьшении энергии ионизирующих электронов уменьшается число и интенсивность пиков в спектре, хотя доля молекулярного иона возрастает. Важный вывод: если пик молекулярного ион отсутствует в масс-спектре, полученном при энергии ионизирующих электронов 70 эВ, его не будет и при меньшей энергии электронов. В этом случае можно говорить о нестабильности молекулярного иона данного соединения.

Условия высокого вакуума при использовании электронной ионизации препятствуют столкновению частиц, и судьба образовавшегося иона зависит от той внутренней энергии, которую он приобрел в результате ионизации. Именно эта энергия определяет то, что одна часть ионов достигнет детектора без фрагментации, другая — в виде какого-либо перегруппировочных ионов, третья — в виде осколочных ионов и т. д. Молекулярный ион образуется в результате ионизации молекулы (потери электрона). Его величина m/z соответствует молекулярной массе соединения. Фрагментные ионы образуются при распаде молекулярного. Осколочные ионы образуются в результате простых разрывов связей.

3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАСС-СПЕКТРОВ

3.1 Молекулярный ион

Информация, которую можно извлечь, анализируя область молекулярного иона, поистине огромна. Соотношение изотопных пиков позволяет установить примерный элементный состав, а измерение точной масс М+* с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения — точный элементный состав соединения. Относительная интенсивность пика М+* позволяет сделать определенные предположение о его структуре, принадлежности анализируемого соединения к тому или иному классу. Например, для углеводородов относительная интенсивность М+* в полном ионном токе увеличивается по мере увеличения степени ненасыщенности соединения. Например, ряд интенсивностей пика молекулярного иона углеводородов с 10-ю атомами С в молекуле: декан 1,0%; децен-1 1,1%; бутилциклогексан 4,2%; декадиен-4,6 4,7%; 2,6-диметилоктатриен-2,4,6 7,5%; бутилбензол 10,2%; 1-фенилбутен-2 11,0%; 1-метил-1Н-инден 19,9%; нафталин 58,7%.

К сожалению, многие соединения по ЭИ не дают пика молекулярного, он не стабилен. В связи с этим необходимо научиться правильно определить пик М+* в спектре. Ион должен удовлетворять четырем необходимым условиям:

1) иметь самую большую массу в спектре;

2) быть нечетноэлектронным;

3) быть способным образовать важнейшие ионы с большой массой за счет выброса реальных нейтральных частиц;

4) включать все элементы, наличие которых в образце можно увидеть по фрагментным ионам.

Количество электронов в ионе можно проверить, рассчитав степень его ненасыщенности

где R — степень ненасыщенности (число ратных связей и циклов в ионе), x, y, и z — индексы в брутто-формуле иона CxHyNzOn. Если в состав входят другие элементы, индексы x, y, n, z будут суммами атомов соответствующих валентностей (для C и Si 4 — x, N и P 3 — z, O и S 2 — n, H и Hal 1 — y). Альтернативным вариантом расчета может служить способ замены гетероатомов углеводородными фрагментами. Все одновалентные элементы (за исключением Н) заменяются группами СН3, двухвалентные — СН2, трехвалентные — СН, четырехвалентные — С. Полученная формула сравнивается с формулой алкана с такими же содержанием атомов С. Разность между числом атомов Н в алкане (2n+2) и образца, деленная на 2, дает величину R.

3.2 Определение элементного состава ионов на основании изотопных пиков

Большинство химических элементов имеет несколько стабильных изотопов, элементные состав ионов можно с определенной степенью надежности установить по обычным спектрам. Проявление присутствии изотопов можно продемонстрировать спектрами сероуглерода (рис. 1. 9, а), этилхлорида (рис. 1. 9, б), этилбромида (рис. 1. 9, в).

Вывод о том, что ионы с массами 76 (рис. 1. 9, а), 64 (рис. 1. 9, б) и 108 (рис. 1. 9, в) связаны с потерией двух атомов водорода из молекулярного иона, неверен. На самом деле именно эти три иона являются молекулярными, а более тяжелые (+2 Да) ионы обусловлены более тяжелыми природными изотопами атомов серы (34S), хлора (37Cl) и брома (81Br) соответственно.

Самое важное для Br и Cl:

Br: 50% 79Br 50% 81Br 1: 1

Cl: 75% 35Cl 25% 37Cl 3: 1

Рис. 1.9 Масс-спектры сероуглерода (а), этилхлорида (б) и этилбромида (в)

Определение элементного состава соединения следует начинать с пика М+2. Если интенсивность пика М+2 составляет менее 3% от интенсивности пика М, соединение не содержит атомов хлора, брома, серы и кремния.

Таблица 1

Природная распространенность изотопов химических элементов

3.3 Фрагментные ионы

Когда получена исчерпывающая информация о молекулярном ионе, следует перейти к рассмотрению фрагментных ионов. Все важнейшие фрагментные ионы можно разделить на три вида:

1. Наиболее тяжелые ионы, образующиеся из М+* в результате выброса простейших частиц;

2. Ионы, характеризующиеся наиболее интенсивными пиками в спектре;

3. Характерные серии ионов, различающихся на гомологическую разность, т. е. на 14 а.е.м.

Гомологические серии ионов с низкой массой несут информацию о наличии гетероатомов, степени ненасыщенности, и, в конечном итоге, принадлежности соединения к тому или иному классу.

Таблица 2 Гомологические серии ионов некоторых классов органических соединений

3.4 Схема фрагментации

Рис. 2.0 Схема фрагментации вещества

Эта схема должна отражать основные характеристические направления распада молекулярного иона, а также состав фрагментных ионов, по возможности их структуру, взаимосвязь этих ионов друг с другом, а иногда интенсивности их пиков (рис. 2. 0).

Последовательность действий для интерпретации масс-спектра (по мак-Лафферти):

1. Изучить всю имеющуюся информацию о веществе (спектральную, химическую). Отметить все параметры съемки масс-спектра. Проверить значения m/z;

2. Используя изотопные пики, вывести элементный состав всех фрагментов, для которых это возможно; подсчитать их степень ненасыщенности;

3. Провести тест на молекулярный ион.

4. Отметить все важнейшие нечетноэлектронные ионы, обусловленные перегруппировочными процессами;

5. Изучить общий вид спектра (стабильность молекулярного иона и т. д.);

6. Приписать возможные структуры сериям ионов с низкой массой, важнейшим первичным нейтральным фрагментам, а также вторичным важнейшим характеристическим ионам;

7. Постулировать структуру молекулы.

4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИОНИЗАЦИИ ОБРАЗЦА

4.1 Химическая ионизация, ХИ (CI)

Химическая ионизация применяется к образцам аналогично электронной ионизации и в основном используется для увеличения количества молекулярного иона. В химической ионизации используется ионно-молекулярная реакция в газовой фазе для получения ионов из аналита. Процесс начинается тогда, когда газ-реагент, такие как метан, изобутан, или аммиак ионизируется электронным ударом. Высокое давление газа-реагента приводит к ионно-молекулярному реакцию между реагентом газа-иона и нейтральным газа-реагента. Некоторые из этих продуктов ионно-молекулярных реакций могут вступать в реакцию с молекулами анализируемого вещества для получения аналит-ионов.

Метан:

CH4 + з CH4+* + 2з CH3+ + H*

CH4+* + CH 4 CH5+ +CH3*

CH4+* + CH4 C2H5+ + H2 + H*

Изо-бутан:

i-C4H10 + з i-C4H10+* + 2з

i-C4H10+* + i-C4H10 i-C4H9+ + C4H9 +H2

Аммиак:

NH3 + з NH3+* + 2з

NH3+* + NH3 NH4+ + NH2*

NH4+* + NH3 N2H7+

Возможным механизмом ионизации в химической ионизации происходит следующим образом:

Реагент ® + з > R+* + 2з

R+* + RH > RH+ + R

RH+ + аналит (A) > AH+ + R

В отличие от ЭИ, аналит больше всего, обеспечивает молекулярный ион с понижением фрагментации. Тем не менее, подобно ЭИ, образцы должны быть термически стабильны, который происходит испарение в источнике химической ионизации путем нагрева.

Масс-спектрометрия с химической ионизацией с момента своего введения, стал широко используемым методом. Один из его главных достоинств является его способность так называемым «мягкая» ионизация, позволяющий во многих случаях дать информацию о молекулярной массе, когда масс-спектрометрии с электронной ионизацией не может. Но, в большинстве случаев масс-спектрометрия с химической ионизацией связано с тем, что характеристики масс-спектра в значительной степени зависит от природы газа-реагента используемая для ионизации образца. Как следствие, можно контролировать структурную информацию наблюдая и варьируя природу используемого газа-реагента.

4.2 Электроспрей (ESI)

Поток из жидкостного хроматографа направляется в иглу диаметром 0,1 мм, на которую подается высокое напряжение порядка 6 кВ. на выходе из иглы в источнике ионов образуется аэрозоль из заряженных частиц капель с высоким поверхностным зарядом. Эти капли движутся к противоэлектроду. По мере движения к выходному отверстию первого сепаратора капли уменьшается в размере за счет испарения растворителя. Достигая критического размера, при котором силы поверхностного натяжения далее не могут противостоять силам кулоновского отталкивания, капля «взрывается» с образованием более мелких капелек. В газовой фазе оказываются несольватированные молекулы анализируемого вещества, которые проходят через сепаратор и оказывается в анализаторе.

Рис. 2.1 Принципиальная схема метода электроспрей

В последних модификациях масс-спектрометров используется Z-форма движения пучка ионов. Такой вариант благодаря дополнительным линзам позволил направить в анализатор лишь заряженные частицы, а не весь поток раствора образца. Это улучшило качество спектров и значительно снизило загрязнение приборов.

Помимо высочайшей чувствительности и возможности работы с термолабильными и нелетучими соединениями электроспрей предоставил возможность анализировать высокомолекулярные соединения с молекулярными массами до миллиона Да и выше.

4.3 Вторичноионная масс-спектрометрия, ВИМС (SIMS)

Это одна из наиболее развитых из масс-спектрометрических методов поверхности. Она включает в себя бомбардировку поверхности с пучками (разогнанными) ионов, образующихся в ионной пушке. Ионы, генерируемых из поверхностного слоя, втягивается в спектрометр для масс-анализа.

Рис. 2.2 Блок-схема ВИМС

Вторичные частицы несут отрицательный, положительный и нейтральный заряды, и они имеют кинетическую энергию в диапазоне от нуля до нескольких сотен эВ. Первичного пучка: Cs+, O2+, O, Ar+ и Ga+ с глубиной от 1 до 10 нм и от 1 до 30 кэВ.

Рис. 2.3. Распыление ионными пучками

/

Рис. 2.4 Отрицательный масс-спектр полифениленсульфида

Рис. 2.5 Положительный масс-спектр полиэтилена

4.4. Матричная лазерная десорбционная ионизация, МЛДИ (MALDI)

Метод заключается в переводе молекул образца в газовую фазу при его облучении короткими лазерными импульсами. Является на сегодняшний день важнейшим методом анализа высокомолекулярных органических соединений. Матрица выбирается таким образом, чтобы ее молекулы активно поглощали фотоны, эмитируемые УФ- или ИК-лазером. Над поверхностью образца создается плотная высокотемпературная плазма, в которой наряду с молекулами и ионами матрицы оказываются и молекулы анализируемого соединения. Ионизация последних путем поглощения энергии фотонов или в результате ионно-молекулярных реакций приводит к образованию положительных и отрицательных ионов, которые вытягиваются высоким потенциалом из области ионизации и направляются в анализатор. метод характеризуется интенсивными пиками молекулярных ионов разного типа и низкой фрагментацией. Наиболее термолабильные, труднолетучие, высокомолекулярные соединения стали доступны масс-спектрометрическому анализу. К настоящему времени методом МЛДИ успешно анализируются полипептиды, белки, нуклеотиды, синтетические полимеры, гуминовые кислоты, фуллерены, органические комплексные соединения и т. д.

Рис. 2.6. Взаимодействия лазерного импульса с образцом МЛДИ:

а — до лазерного импульса; б — после лазерного импульса

Короткий световой импульс лазера поглощается молекулами матрицы и разрушает ее кристаллическую структуру. Часть молекул отрывается от поверхности и образует высокотемпературный суперплотный газ, в котором помимо молекул, ионов и ассоциатов матрицы присутствуют молекулы анализируемого соединения.

5. КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР

Квадрупольный анализатор состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения. Использование сочетании компонента радиочастотной и постоянного тока для работы в качестве масс-фильтра. Ионы, вводимые в анализатор небольшим ускоряющим напряжением, под действием электрического поля колеблются относительно осей x и y. Т.к. каждый ион имеет свою собственную частоту, зависящую от массы, через квадруполь пролетают лишь те частицы, частота которых находится в резонансе с радиочастотой квадруполя.

Рис. 2.7. Квадрупольный анализатор

Этот ион переходит по квадрупольной поле, имеет стабильную радиочастотную траекторию.

Этот ион не имеет стабильную траекторию и выбрасывается из квадруполья

6. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР

Этот тип анализатора масс основан на простейшем принципе: скорость разогнанных ионов обратно пропорциональна их массам.

eV=mv2/2 или m=2eV/v2

Измеряется время, которое частицы достигают детектора на известном расстоянии. Это зависеть от соотношения массы к заряду частицы (более тяжелые частицы достигают при низких скоростях). Время достижения ионом детектора можно рассчитать по формуле:

t — время полета

m/z — отношения массы к заряду

k — константа, зависящая от инструментальных параметров и характеристик.

Рис. 2.8 Схема времяпролетного масс-спектрометра

Важным достоинством времяпролетного анализатора является значительно более высокая чувствительность. Все ионы, образовавшиеся в результате импульса ионизации или оказавшиеся в зоне действия импульса ортогонального ускорения, достигают детектора. Следующий импульс можно осуществить, как только самый тяжелый ион достигнет детектора. В реальной ситуации, например в экспериментах с ортогональным ускорением, детектируется один из семи ионов массы, образовавшихся в источнике.

Использованные литературы

1. Лебедьев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: 2003 г.

2. Robert M. Silverstein, Francis X. Webster. Spectrometric identification of Organic Compounds.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой