Содержание
-
Масс-спектрометрические методы анализа
Масс-спектрометрические методы анализа основаны на ионизации атомов и молекул и последующем разделении образующихся ионов в пространстве и времени в соответствии с их массовыми числами – отношениями m/z. Первые масс-спектры изотопов неона были получены Дж. Томпсоном (1910 г.). Ф. Астон из Кембриджа получил в 1922 г. Нобелевскую премию по химии за открытие с помощью масс-спектрографа ряда изотопов нерадиоактивных элементов. Реальное практическое внедрение масс-спектрометрии в аналитическую практику началось с 1960 г. На данный момент масс-спектрометрия является одним из основных методов получения информации о массах ядер и атомов. По соотношению масc-изотопов материнского и дочернего излучений (U – Pb, K – Ar, Rb – Sr) определяют возраст горных пород, геологических, археологических и других объектов. Метод широко применяется для элементного анализа твердых неорганических веществ и материалов.
-
Важным аспектом аналитической масс-спектрометрии является молекулярный анализ неорганических газов. С помощью масс-спектрометрии измерен ионный состав верхних слоев атмосферы Земли, Марса, Венеры. В медицине масс-спектрометрия применяется как экспрессный метод анализа респираторных газов. Аналитическую масс-спектрометрию отличают: - высокая чувствительность определения; - универсальность – возможность анализа широкого круга объектов от элементов до сложных белковых молекул с молекулярной массой до 105 г ∙ моль-1; - высокая специфичность и селективность. Масс-спектрометрию нередко сочетают с хроматографическими способами разделения, например, на основе газовой либо высокоэффективной жидкостной хроматографии.
-
Задачи, решаемые масс-спектрометрией: - установление структуры органических соединений, включая определение молекулярной массы; - качественный и количественный анализ сложных смесей органических и неорганических соединений с высокой чувствительностью и разрешающей способностью; - определение изотопного состава; - исследование состава и структуры поверхностей. Масс-спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала детектора (относительной меры количества данного иона) от отношения массы иона к его заряду (m/z). Поэтому первым условием получения масс-спектра является ионизация анализируемых молекул. Разрешающая сила в масс-спектрометрии(R) определяется способностью различать две массы: (R) = m/Δm, где Δm – разница в массах двух компонентов, дающих разрешенные пики; m – номинальная масса, при которой появляется пик компонента. R =1000 означаетотделение m/z = 1000/1001; 500/500,5 и т.д.
-
Природа масс-спектра
Для разделения ионов, отличающихся друг от друга хотя бы на одну единицу массы, достаточно их простого отклонения в сильном магнитном поле. При этом ионы с большей массой отклоняются меньше, чем ионы с меньшей массой: m/e = H2r2/2V, где H – напряженность магнитного поля, r – радиус круговой траектории движения, V – ускоряющее напряжение. В результате изменения Н при постоянных r и V можно направлять на детектор ионы Принцип действия электромагнитного с разной m/e. С другой стороны, масс-спектрометра при постоянном Н при изменении V можно регистрировать масс-спектр.
-
Масс-спектры регистрируются обычно в направлении от меньших масс к большим. Интенсивность основного пика произвольно устанавливается равной 100. Как правило, основной пик идентичен пику молекулярного иона. Термин «относительная молярная масса» химического соединения показывает, как велика масса данного соединения в сравнении с 1/12 массы Масс-спектр метилбензоата 12С.
-
Поскольку химические элементы состоят из смеси изотопов, то наряду с молекулярным пиком и пиками фрагментируемых ионов постоянно обнаруживается один либо несколько изотопных пиков. Соотношения интенсивностей такой группы пиков соответствует природной распространенности отдельных изотопов в данной комбинации атомов. Определение изотопного состава по масс-спектру вполне пригодно для получения брутто-формулы соединения. Из-за относительно большой доли тяжелых изотопов у таких элементов, какS, CI, Br,соединения, содержащие эти элементы, особенно хорошо поддаются идентификации. До сего времени существует несколько достаточно простых и удобных для общего употребления правил интерпретации спектров. Однако, не все так однозначно. Первичные ионы могут иногда на своей траектории движения претерпеть значительные перегруппировки, выделяя имеющуюся у них избыточную энергию. В результате возникают структуры, слабо связанные с исходной молекулой. По этой причине получаемый масс-спектр способен стать источником опасной дезинформации.
-
Массы и относительная распространенность изотопов некоторых элементов
-
Относительное содержание и точные массы наиболее распространенных элементов
-
Устройство масс-спектрометра
Масс-спектрометры относятся к весьма сложным аналитическим приборам. Цена одного масс- спектрометра значительно превышает 100 000 €. Главными узлами прибора являются система напуска, источник ионизации с ускорителем ионов, масс-анализатор (устройство для разделения ионов) и детектор в сочетании с регистрирующим устройством. Анализ проводят в вакууме: 10-3 – 10-4Па (ионизатор), 10-3 – 10-8Па (масс-анализатор).
-
Система напуска. Количество вводимой пробы не должно превышать нескольких микромолей, чтобы не нарушить вакуум внутри прибора. Существуют прямойи непрямой способы ввода пробы. Прямой ввод пробы используют когда проба труднолетуча. Образец непосредственно вводят в ионизатор через систему шлюзовых камер. Для анализа достаточно нескольких нанограммов образца. При непрямом способе пробу вводят в масс-спектрометр в газообразном состоянии. Жидкий или твердый образец переводят в пар путем нагревания до 500 0С в условиях вакуума (≈10-4 Па). Еще один способ введения пробы состоит в том, что анализируемое вещество поступает в масс-спектрометр в ходе хроматографического разделения. Этот метод анализа называется хромато-масс-спектрометрия. Источники ионизации. Перед разделением анализируемые вещества необходимо перевести из нейтральных молекул или атомов в ионное состояние. На выходе из ионизатора проба находится главным образом в форме положительно заряженных ионов.
-
Способы ионизации в масс-спектрометрии
Несмотря на развитие альтернативных способов ионизации, классическая ионизация электронным ударом до сих пор остается важнейшим способом получения ионов.
-
-
Сравнение методик ионизации
-
Ионизация электронным ударом
Источником высокоэнергетических электронов служит раскаленная вольфрамовая или рениевая проволока. Энергия образующихся электронов составляет около 70 эВ. В результате ион претерпевает фрагментацию. Обычно масс-спектрометр регистрирует лишь положительно заряженные ионы. Ионизация электронным ударом относится к жестким способам ионизации. Она особенно удобна для идентификации веществ, поскольку при этом возникает множество осколочных фрагментов, а масс-спектр богат пиками и однозначно характеризует молекулу, служит как бы ее «отпечатками пальцев». Однако сложность спектров может быть слишком велика. Кроме того, может не наблюдаться молекулярный пик – важнейший источник информации о составе молекулы.
-
В масс-спектре нитробензола присутствует пик молекулярного иона М+с массой 123. Однако самый интенсивный пик с m/z = 77 соответствует фрагменту, образовавшемуся в результате отщепления нитрогруппы. В масс-спектрах интенсивность пиков обычно нормируют, принимая интенсивность базового пика за 100%. В спектре присутствуют пики с m/z более высокими, чем у исходной молекулы. Это пики изотопно замещенных молекул, например, Масс-спектр нитробензола (ионизация 13С с m/z = 124. электронным ударом)
-
Химическая ионизация
Более мягкий способ ионизации основан на взаимодействии молекул пробы с ионами газа-реагента. Этот способ называется химической ионизацией. По степени распространенности он занимает второе место. Газ-реагент (метан, изобутан, аммиак) вводят в камеру для электронно-ударной ионизации при определенном давлении (от 1 до 10 мм рт. ст.) с тем, чтобы он вступил во взаимодействие с молекулами аналита за счет переноса протонов или гидрид-ионов. Процесс химической ионизации начинается с ионизации газа-реагента. Например, в случае метана электронный удар приводит к образованию ионов СН4+ и , СН3+которые затем реагируют с СН4с образованием СН5+и С2Н5+: СН4+ + СН4→ СН5+ + СН3 СН3++ СН4 → С2Н5+ + Н2 Эти ионы реагируют с молекулами образца с переносом протона Н+, или гидрид-иона Н-, или электрона, что увеличивает заряд молекулы на единицу: СН5+ + МН→ МН2+ + СН4 С2Н5+ + МН→ МН+ + С2Н6
-
Сравнение масс-спектров глюкозы, полученных методом электронного удара (слева) и химической ионизации (справа; газ-реагент – аммиак)
При электронном ударе наблюдается очень сильная фрагментация. Максимальное значение М равно 112 (пик С8Н16+). Базовый пик находится при М=73. При химической ионизации спектр очень беден пиками. Самый интенсивный пик (М=198) является квазимолекулярным. Он возник в результате присоединения иона NH4+молекуле глюкозы. Истинный молекулярный пик находится при М=180.
-
Характеристики источников химической ионизации
-
Методы ионизации в масс-спектрометрии
Полевая ионизация. В этом методе ионизация происходит под действием электростатического поля высокой напряженности (107 – 108B/см). При этом наблюдается отрыв электрона от молекулы пробы вследствие квантовомеханического туннельного эффекта. Ионизация происходит на так называемом эмиттере, которым служит вольфрамовая проволока, покрытая пиролитическим углеродом. Полевая ионизация относится к мягким способам ионизации. Десорбционные методы ионизации. Незаменимы при исследовании биоорганических веществ с молярными массами порядка 10 000. Ионизации подвергается непосредственно твердая или жидкая фаза без ее предварительного испарения. Масс-спектры крайне просты и в предельном случае состоят только из молекулярного пика. В настоящее время для ионизации все шире используют лазеры, например, УФ-лазер с длиной волны 337 нм. Полевая десорбция. Пробу ионизируют на эмиттере под действием высокого напряжения. Масс-спектр в этом случае еще проще, чем при полевой ионизации.
-
Сравнение масс-спектров глюкозы, полученных методом полевой ионизации (слева) и полевой десорбции (справа)
-
Методы ионизации в масс-спектрометрии
Бомбардировка быстрыми атомами. В этом методе для ионизации используют высокоэнергетические нейтральные атомы, например, Xe или Ar. Пробу, находящуюся в конденсированном агрегатном состоянии, помещают а ионизатор непосредственно или в виде раствора, например, в глицине. Метод бомбардировки быстрыми атомами применим для исследования высокомолекулярных (молярная масса до 10 000) и термически неустойчивых соединений. Масс-спектрометрия на основе ионно-молекулярных реакций. Этот способ может быть рекомендован для проведения анализов сложных газовых смесей. При этом используется вариант химической ионизации при низких давлениях
-
Масс-спектрометры (масс-анализаторы)
Масс-спектрометры, принцип работы которых основан на действии магнитного поля, представлены в разных вариантах. Квадрупольный масс-спектрометр. Ионы образуются в результате электронного удара либо путем химической ионизации и разделяются в системе, состоящей из четырех немагнитных стержней. Между этими стержнями создается электрическое поле высокой частоты. Под действием Принцип действия квадрупольного поля ионы совершают колебательное масс-спектрометра движение, амплитуда которого возрастает по мере уменьшения массы. Т.о., при изменении электрического поля достигается разделение и детектирование ионов с разными массами.
-
Квадрупольный масс-спектрометр
Недостатком квадрупольных масс-спектрометров является почти в 10 раз меньше чувствительность обнаружения по сравнению с магнитными масс-спектрометрами. Эти приборы достигают разрешения по массам до 4000. Блок-схема квадрупольного масс-спектрометра
-
Наиболее часто используют в варианте ГХ-МС. Можно получить 8 и более масс-спектров за секунду в диапазоне до 800 массовых единиц. Разрешение до 1500 (ГХ – обычно обеспечивает единичное разрешение). Квадрупольный ГХ-МС масс-спектрометр
-
Более распространен способ (TSP).Перегретый элюат из капилляра в виде струи пара и капель аэрозоля подается в вакуумную камеру, где ускоряется до звуковой скорости. При этом капли теряют молекулы растворителя. Термораспыление как способ сочетания с ЖХ
-
Одной из разновидностей квадрупольного масс-спектрометра является ионная ловушка. Ее особенностью является совмещение области ионизации и анализа. После ионизации электронным ударом ионы удерживаются в электронной ловушке полем квадруполя. При увеличении U ионы покидают область удерживания в порядке увеличения m/z и достигают детектора.
-
Магнитный масс-спектрометр
Для разделения ионов, отличающихся друг от друга хотя бы на одну единицу массы, достаточно их простого отклонения в сильном магнитном поле. При этом ионы с большей массой отклоняются меньше, чем ионы с меньшей массой: m/e = H2r2/2V, где H – напряженность магнитного поля, r – радиус круговой траектории движения, V – ускоряющее напряжение. В результате изменения Н при постоянных r и V можно направлять на детектор ионы Принцип действия электромагнитного с разной m/e. С другой стороны, масс-спектрометра при постоянном Н при изменении V можно регистрировать масс-спектр.
-
Применение магнитного масс-спектрометра с высокой разрешающей способностью позволяет определять элементный состав веществ. Это достигается на основе точного измерения масс, поскольку атомный вес отдельных нуклидов в совсем незначительной, но все же различимой степени отличается от целочисленных значений. Огромное преимущество магнитного масс-спектрометра с высокой Примеры молекул или их фрагментов разрешающей способностью состоит с массовым числом 28 из дополнительной информации касательно элементарного состояния иона.
-
Время-пролетный ГХ-МС масс-спектрометр
Ионы проходят через пластины ускорителя с напряжением 3000 В с частотой импульсов от 3000 до 20 000 в секунду. Кинетическая энергия ионов выражается как: mv2/2 = Vq, где m– масса иона; v- скорость;V - напряжение ускорителя; q- заряд иона. Или v = √2 Vq/m. Разность во времени достижения детектора для двух ионов (Δt) составляет (L –длина пролетной трубки) Время-пролетный масс-анализатор
-
Время-пролетный масс-спектрометр
Время-пролетные мас-спектрометры (Time-of flight-spectrometer) способны перекрывать абсолютно неограниченную область массовых чисел. Можно обнаружить все элементы периодической системы, более или менее крупные молекулы и ионные комплексы при разрешении M/ΔM = 2000. Принцип действия время-пролетного масс-спектрометра
-
Масс-спектрометр X Series 2
Производитель: Thermo Scientific Corp. (USA). Год выпуска: 2007. Технические характеристики: эмиссионный спектрометр – Ocean Optics HR2000; оптический диапазон 260 - 980 нм; оптическое разрешение 0,1 нм; детектор - линейная ПЗС матрица на 2048 элементов из кремния; система лазерной абляции UP – 213, размер пятна 50 - 300 мкм, разрешение - 0,25 мкм; диапазон регистрируемых масс от 4 до 250 а.е.м.
-
Сдвоенный (тандемный) масс-спектрометр
В технике сдвоенной масс-спектрометрии последовательно соединяются два масс-спектрометра, в первом из которых осуществляется разделение смеси на молекулярные ионы, а во втором - диссоциация в результате активации столкновениями с нейтральным газом. В так называемой тройной (triple-stage)квадрупольной масс-спектрометрии в первом квадруполе отфильтровывается одна масса, во втором – инициируется столкновение, в третьем регистрируется так называемый дочерний спектр (daughter scan). Первый квадруполь сканирует исходный («материнский») спектр (parent scan) в определенной области массовых чисел, причем ионы разных масс последовательно попадают в столкновительную камеру второго квадруполя и подвергаются там фрагментации. Третий квадруполь устанавливается на некоторую постоянную массу, специфичную для определенного класса веществ. Еще один возможный вариант настройки действует по принципу «neutral loss scan», когда два квадруполя, первый и последний, настроены на постоянную разность мас.
-
Принцип тандемной масс-спектрометрии
-
Хромато-масс-спектрометр: жидкостной хроматограф Agilent 1200 c масс-селективным детектором на основе трех квадруполей 6410
Производитель: Agilent Technologies (USA). Год выпуска: 2007. Технические характеристики: режимы электрораспыления и химической ионизации; диапазон масс 15-1650 а.е.м., погрешность 0,2 а.е.м.; скорость сканирования более 5200 а.е.м./с; чувствительность (сигнал:шум) для 0,5 пкг резерпина 20:1; диапазон длин волн от 190 до 950 нм с шагом 1 нм диапазон рН 1,0 - 12,5; автосамплер для автоматического ввода 384 образцов; скорость регистрации спектра по всему диапазону не более 12,5 миллисекунд.
-
Применение масс-спектрометрии
Определение молекулярной массы. Источником информации служит положение молекулярного пика М+ или его производных – пиков (М + 1)+, (М - 1)+, а также квазимолекулярных пиков. Установление брутто-формулы вещества. При наличии масс-спектрометров высокого разрешения (с двойной фокусировкой) брутто-формулы соединения можно установить непосредственно. Предположим, что в масс-спектре для молекулярного пика вещества найдено массовое число, равное 120,070±0,005. Расчеты показывают, что это может быть бензамин C7H8N2 (М=120,069), но не ацетофенон C8H8О (М=120,096). Для установления брутто-формул существуют специальные таблицы с точными значениями молярных масс всех возможных соединений, состоящих из атомов C, H, N, O. Важным правилом является так называемое «азотное число». Оно гласит, что если молярная масса вещества (округленная до целого) нечетна, то его молекула содержит нечетное число атомов азота. Наличие изотопов приводит к появлению пиков М+, (М + 1)+, (М + 2)+ и т.д.
-
Установление брутто-формулы вещества
Рассмотрим в качестве примера изотопные пики метана и этана. В соответствии с содержанием отдельных изотопов отношение интенсивностей пиков 12СН4 и 13СН4составляет 100:1,1. Для этана возможны следующие изотопно замещенные молекулы:
-
В общем случае при наличии двух изотопов одного элемента с молярными массами, различающимися на единицу, соотношения интенсивностей пиков М+, (М + 1)+, (М + 2)+ и т.д. являются слагаемыми биноминального разложения (a + b)n, где a – относительное содержание легкого изотопа; b - относительное Распределение интенсивностей содержание тяжелого изотопа; изотопных молекулярных пиков CI и Br n – число атомов данного элемента в молекуле. Для элементов S, Si, CI, Br массы природных изотопов различаются на 2 единицы. Например, для молекулы с двумя атомами CI (1 + 0,324)2 = 1 + 2∙1∙0,324 + 0,3242 = 1 + 0,648 + 0,105.
-
Установление структуры с помощью осколочных спектров
Процесс ионизации молекулы длится около 10-16 с. Время прохождения иона от источника ионизации до детектора составляет ≈ 10-5 с. За это время может образоваться множество осколочных ионов-фрагментов. С одной стороны – это ионы, обладающие характерным значением массы. С другой – ионы, обладающие характерным значением разности между массой молекулярного пика и собственной массой. Такие ионы возникают в результате отщепления от исходного иона М+ определенной нейтральной частицы Х и имеют массу, равную М – Х. Осколочные ионы часто группируются в периодические серии. Их наличие обусловлено последовательным отщеплением одного и того же структурного фрагмента. Так, для насыщенных алифатических углеводородов наблюдаются «алкильные серии» вследствие последовательного отщепления фрагмента СН2 (m/z = 14).
-
Важнейшие осколочные ионы с характерным значением масс
-
Важнейшие осколочные ионы с характерными значениями разностей масс
-
Масс-спектр н-додекана, демонстрирующий серийный характер расположения осколочных пиков вследствие отщепления фрагментов СnH+2n+1
-
Качественный анализ
При идентификации веществ с помощью масс-спектрометрии исходят из того, что характер фрагментации неизвестного вещества и соединения предполагаемой структуры одинаковый, а спектры получены в близких экспериментальных условиях. В любом случае при использовании способа ионизации с сильной фрагментацией (например, электронного удара) вероятность совпадения масс-спектров одного и того же вещества выше, чем масс-спектров разных веществ. Для надежной идентификации необходимо наряду со спектром неизвестного вещества экспериментально получить и масс-спектр вещества с предполагаемой структурой. Существующие библиотеки масс-спектров насчитывают до 150 000 спектров различных соединений. Имеются и специализированные библиотеки для отдельных классов веществ – пестицидов, лекарственных средств.
-
Количественный анализ
Для количественного анализа можно использовать масс-спектр как таковой. Для этого следует выбрать некоторый пик, принадлежащий определяемому компоненту, и измерить его интенсивность. Для исключения влияний условий эксперимента используют внутренний стандарт – обычно изотопную разновидность определяемого вещества или его гомолог. Анализ органических веществ.
-
Количественное определение и идентификация смесей органических соединений часто ограничены сложностью получаемого масс-спектра. Поэтому перед масс-спектрометрической детекцией желательно разделять компоненты. С этой целью используют сочетания масс-спектрометрии с различными видами хроматографии и капиллярного зонного электрофореза. Для построения масс-хроматограммы берут интенсивность пиков нескольких ионов из каждого записанного масс-спектра и строят график зависимости этих интенсивностей от номера масс-спектра, соответствующего времени удерживания того или иного компонента. Преимуществами хромато-масс-спектрометрического метода являются высокая селективность и низкие пределы обнаружения (до 10-12 - 10-10 г.). В некоторых случаях хромато-масс-спектрометрия является единственно возможным методом определения. Это относится к группе особо опасных токсикантов: полихлорированных дибензо-n-диоксинов (ПХДД) и дибензофуранов. Так, существует 22 изомерных тетрахлорпроизводных ПХДД, из которых нужно уметь определить лишь одно соединение.
-
Хромато-масс-спектрометрический спектр речной воды
-
Количественный элементный анализ
Элементный анализ осуществляют путем ионизации образца в электрической искре (твердые образцы, одновременно до 60-70 элементов, 10-12 г. ), ИСП или тлеющем разряде. В настоящее время масс-спектрометрия с ИСП стала очень важным методом анализа растворов, позволяющим определять любые элементы ( с массовыми числами начиная от 3) с пределами обнаружения от 0,1 до10 ppm. В ион-ионной масс-спектрометрии LOD достигает 10-18 г.
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.