Презентация на тему "Масс-спектрометрия"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Масс-спектрометрия

  масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ

• 
  Слайд 2

  В широком смысле

  Масс-спектрометрия - это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получаются при помощи масс-спектрометров

• 
  Слайд 3

  История масс-спектрометрии

  1912 год — Томсон создает первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена. 1913 год — С помощью своего масс-спектрографа Томсон открывает изотопы неона: неон-20 и неон-22. 1923 год — Астон измеряет с помощью масс-спектрометра дефект массы. 1934 год — Конрад применяет масс-спектрометрию для анализа органических молекул. 1940 год — Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235. 1940 год — Нир создает первый надежный источник электронного удара, применив ионизационную камеру. 1948 год — Камероном и Эггером создан первый масс-спектрометр с время-пролётным масс-анализатором. 1952 год — Тальрозе и Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH5+ в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией).[2] 1953 год — Пауль патентует квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку. 1956 год — МакЛаферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр. 1966 год — Мансон и Филд создают ионный источник с химической ионизацией. 1972 год — Каратаев и Мамырин изобретают время-пролётный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора. 1974 год — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и МакЛаферти 1981 год — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB). 1982 год — Первый масс-спектр целого белка (инсулин) с помощью бомбардировки быстрыми атомами (FAB). 1983 год — Бланки и Бестал изобретают термоспрей. 1984 год — Л. Н. Галль, а затем Фенн публикуют работы по методу электроспрей. 1987 год — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI). 1999 год — Александр Макаров изобретает электростатическую ионную ловушку.

• 
  Слайд 4
  

  Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества.

• 
  Слайд 5

  Как получить масс-спектр?

  Первое: превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Второе: перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).

• 
  Слайд 6

  Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра

  Схема магнитного масс-спектрометра с однократной фокусировкой: I – резервуар с образцом, II – зона ионизации, III – зона ускорения, IV – анализатор, V – детектор. 1 – натекатель; 2 – накаливаемый катод; 3 – анод; 4 – пучок ионизирующих электронов; 5 – электроды; 6 – магнит; 7 щель коллектора; 8 – электрический датчик

• 
  Слайд 7

  Принципиальная схема разделения пучка ионов в магнитном поле:

  ИИ – ионный источник, Д – детектор ионов, s1 и s2 – входная и выходная щели, В – магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка, О1, О, О2 – центры и r1, r, r2 – радиусы окружностей, по которым двигаются ионы М1+, М+ и М2+.

• 
  Слайд 8

  Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра

  1 – молекулярный натекатель; 2 – пучок газа; 3 – выталкивающий электрод; 4 – нагреватель катода; 5 – нить катода; 6 – экран; 7 – область ионизации; 8 – электронный пучок; 9 – анод (ловушка электронов); 10 – термопара; 11 – щель, формирующая электронный пучок; 12 – первая щель ускорителя ионов; 13 – фокусирующая щель; 14 – вторая щель ускорителя ионов, 15 – ионно-оптическая система; 16 – нерегистрируемые ионы; 17 – регистрируемые ионы; 18 – щель коллектора; 19 – коллиматор; 20 – коллектор-регистратор ионов; 21 – к предусилителю.

• 
  Слайд 9
  

  Состав масс-спектра Масс-спектр может состоять из нескольких типов ионов: 1. Молекулярный ион 2. Перегруппировочные ионы 3. Фрагментные ионы 4. Многозарядные ионы 5. Метастабильные ионы

• 
  Слайд 10
  

  Молекулярный ион первоначально образуется при электронной ионизации. Имеет массу, равную массе исследуемой молекулы (за вычетом массы одного электрона, что важно в масс-спектрометрии высокого разрешения). При этом из молекулы, как правило, находящейся в основном (невозбужденном) электронном состоянии, возникает ион, находящийся в возбужденном электронном состоянии:

• 
  Слайд 11

  Проблемы создания масс-спектрометра

  1. Перевести вещество в газовую фазу. необходимо, чтобы веществу ничто не мешало, т.е. требуется вакуум. Вакуум облегчает переход соединения в газовую фазу. Вакуум понадобится и вдоль траектории вещества внутри прибора. В ряде случаев вещество необходимо нагреть. 2. Ионизировать вещество. надо отнять у вещества электрон. Или добавить. 3. Создать ионный пучок. надо придать скорость и направление движения образовавшимся ионам. При помощи электрического поля высокой напряженности. 4. Разделить ионный пучок по массам в магнитном поле. надо иметь магнит. 5. Детектировать массы. надо иметь фотопластинку или электрометр с электронным умножителем.

• 
  Слайд 12
  

  Способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.

  Газовая фаза электронная ионизация (EI) химическая ионизация (CI) электронный захват (EC) ионизация в электрическом поле (FI) Жидкая фаза термоспрей ионизация при атмосферном давлении (AP) электроспрей (APESI) химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) Твёрдая фаза прямая лазерная десорбция - масс-спектрометрия (LDMS) матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) бомбардировка быстрыми атомами (FAB) десорбция в электрическом поле (FD) плазменная десорбция (PD)

• 
  Слайд 13
  

  Химическая ионизация – второй по распространенности метод ионизации в настоящее время. Суть метода заключается в том, что ионизация образца происходит не пучком электронов, как в случае электронной ионизации, а пучком предварительно ионизированных молекул газа, например, метана или аммиака. Ионизация молекул газа происходит при помощи электронной ионизации при 150-200 эВ и дальнейшего химического превращения газа-ионизатора. На примере метана: CH4CH4+ CH4+ + CH4CH5+ + CH3 Сталкиваясь с молекулами образца, ионизированные молекулы газа передают свой заряд в виде протона: M + CH5+  MH+ + CH4 Далее протонированная молекула образца выталкивается электрическим полем в сторону масс-анализатора. Достоинства: 1. Мягкий метод ионизации, молекуле образца передается около 5 эВ избыточной энергии, что препятствует процессам фрагментации и позволяет подвергать анализу нестойкие молекулы. 2. Интенсивный пик молекулярного иона. Недостатки: 1. Отсутствие фрагментации, что не позволяет судить о структуре вещества и сравнить спектр с базами масс-спектральных данных. 2. Возможно провести анализ только тех соединений, которые можно перенести в газовую фазу (испарить).

• 
  Слайд 14

  2. Фотоионизация (Photoionization)

  Ионизация фотонами, точнее, монохроматическими пучками фотонов с разбросом по энергии 0.01-0.02 эВ. Пучки могут быть получены излучением молекул инертных газов в газоразрядных трубках либо при помощи лазеров. Энергии самих фотонов лежат в диапазоне 10-40 эВ, что позволяет ионизировать любые органические соединения. Достоинства: 1. Полная передача энергии фотона молекуле вещества. 2. Удобен для установления энергетических характеристик молекул, радикалов, ионов. Недостатки: 1. Незначительная фрагментация молекулярных ионов. 2. Зависимость фрагментации от энергии фотонов. 3. Необходимость перевода образца в газовую фазу (что возможно не для всех образцов).

• 
  Слайд 15
  

  Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Электроспрей (электрораспыление) – относительно новый метод ионизации: – вещество на ионизацию поступает в растворе полярного растворителя (вода, ацетонитрил, метанол и т.д.), при этом в растворе присутствуют катионы водорода или щелочных металлов. Небольшая капля раствора подается в металлический специальный капилляр-«небьюлайзер» («распылитель»), к которому одновременно приложено высокое (несколько кВ) электрическое напряжение, в результате чего капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (чаще всего азота). Объем капли уменьшается, заряд ее поверхностный растет – и капля «взрывается» на ряд мелких капель, заряженных положительно, и продолжающих испарять молекулы растворителя под действием нагретого сухого инертного газа.

• 
  Слайд 16

  3. Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization)

  Через узкие отверстия сепараторов, где происходит постепенное снижение давления с примерно атмосферного до глубокого вакуума, ионизированные частицы, состоящие из молекул исследуемого вещества и катиона (H+, Na+, K+), попадают в ионную оптику: Z-образная геометрия движения потока образца в источнике ионов, работающем по принципу электрораспыления.

• 
  Слайд 17

  Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization)

  Достоинства: 1. Возможность работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу 2. Метод практически идеально подходит для стыковки масс-спектрометра и жидкостного хроматографа 3. Возможность анализа крупных (до нескольих миллионов дальтон) молекул 4. Мягкое (низкоэнергетическое) ионизационное воздействие Недостатки: 1. Вещество должно быть растворимо с полярных растворителях 2. Масс-спектр малоинформативен, как правило, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+, Na+, K+), многозарядных ионов таких комплексов

• 
  Слайд 18

  Лазернаядесорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)

  Матричная лазерная десорбция – метод, при котором исследуемое вещество помещают в «матрицу» - перемешивают с веществом, имеющим меньшую молекулярную массу и отличающимся высокой способностью поглощать лазерное излучение (например, коричная кислота, 3-гидроксипиколиновая кислота, 6,7-гидроксикумарин и т.д.). Перемешивание происходит при помощи растворения вещества-образца и вещества матрицы в одном растворителе и последующем испарении растворителя на специальной подложке. Далее подложка с матрицей помещается в ионный источник, где в качестве ионизатора выступает короткий импульс (0.1 нс…1 мкс) лазерного излучения. Луч, попадая на подложку с матрицей, вызывает испарение вещества матрицы, молекулы которой ухватывают за собой молекулы исследуемого вещества. В процессе испарения часть молекул ионизируется и далее увлекается электрическим полем в сторону анализатора.

• 
  Слайд 19
  

  Для анализа элементного состава неорганических веществ применяются жесткие методы ионизации (энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы).

  ионизация в индуктивно-связанной плазме (ICP) термоионизация или поверхностная ионизация ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация ионизация в процессе лазерной абляции

• 
  Слайд 20
  

  Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. Очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. Их нельзя ионизовать электронным ударом. Среди таких веществ почти всё, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть всё то, что сегодня представляет особый интерес. Сегодня используются, в основном: ионизация при атмосферном давлении электроспрей (ESI), имическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

• 
  Слайд 21

  Масс-анализаторы

  Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс- спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов: непрерывные масс-анализаторы Магнитный и электростатический секторный масс-анализатор (англ. Sector instrument) Квадрупольный масс-анализатор (англ. Quadrupole mass analyzer) импульсные масс-анализаторы Времяпролётный масс-анализатор (англ. Time-of-flight mass spectrometry) Ионная ловушка (англ. Ion trap) Квадрупольная линейная ловушка (англ. Quadrupole ion trap) Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (англ. Fourier transform ion cyclotron resonance) Орбитрэп (англ. Orbitrap) Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые — порциями, через определённые интервалы времени.

• 
  Слайд 22
  

  Электростатический анализатор по принципу действия аналогичен магнитному, только роль магнитного поля у него выполняет электрическое поле (ионы движутся между двумя противоположно заряженными электродами), которое также может отклонять ионы тем или иным образом, причем ионы с разными массами будут отклоняться на разные углы (иметь другие траектории движения). Попадая в такой анализатор, ион движется по круговой орбите с радиусом R таким образом, чтобы сила электрического поля уравновешивалась центробежной силой: Варьируя величину поля, возможно пропускать через анализатор ионы с разным значением масс, т.е. производить развертку масс-спектра. Как правило, этот вид анализатора применяется в дополнение к магнитному анализатору для обеспечения большего разрешения прибора (такие приборы называются «приборами с двойной фокусировкой») и для облегчения измерения точных масс, т.к. электрическое поле возможно варьировать более точно, чем магнитное.

• 
  Слайд 23
  

  Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой ионов (БП – бесполевое пространство)

• 
  Слайд 24

  Времяпролетный анализатор (TOF, Time Of Flight)

  V – ускоряющее напряжение. Если ионы движутся в полой трубе, то детектора они достигают в порядке увеличения своей массы. разделение ионов с массой М1 и М2 происходит на пути от ионного источника (ИИ) до детектора (Д)

• 
  Слайд 25

  Тандемный масс-анализатор

  Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс-спектрометры применяются, как правило, вместе с «мягкими» методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространёнными конфигурациями тандемных масс спектрометров являются квадруполь-квадрупольная и квадруполь-времяпролётная.

• 
  Слайд 26

  Детекторы

  Последним элементом упрощённого масс-спектрометра, является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него ещё большее количество электронов и т. д. Другой вариант — фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).

• 
  Слайд 27

  Детектирование ионов – электронный умножитель

  Схема действия электронного умножителя (ЭУ): Электронный умножитель масс-спектрометра Thermo Electron DFS:

• 
  Слайд 28
  

  Важный параметр масс-спектрометрических приборов – РАЗРЕШЕНИЕ (разрешающая способность)

• 
  Слайд 29
  

  Разрешение масс-спектрометра (R) – это возможностьполучать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m+m): Идеальная форма пика ионов – прямоугольная, реальная – гауссова. В зависимости от глубины ложбины между двумя соседними пиками принято говорить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50% - для квадрупольных.

• 
  Слайд 30

  Разрешение масс-спектрометра

  Увеличивая разрешающую способность, ухудшается чувствительность ! ! Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к 400 а.е.м.

• 
  Слайд 31
  

  Измерение точной массы образца (пик 222) с помощью реперов – пиков от перфторкеросина (219 и 231): расчетное m/z: 222.1111 Экспериментальное: 222.1113 Брутто-формула: C10H14N4O2

• 
  Слайд 32
  

  Масс-спектрометр высокого разрешения Thermo Electron DFS с газовым хроматографом Thermo Electron Trace GC Ultra

• 
  Слайд 33
  

  Времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения Bruker micrOTOFQ с жидкостным хроматографом Agilent 1100

• 
  Слайд 34

  Создание вакуума:

  1. Используется тандем из создающих форвакуум (неглубокий вакуум, примерно 110-2 мбар = 1 Па) механических электронасосов и устройств, создающих глубокий вакуум (110-7 мбар = 110-5 Па – для сравнения – космический вакуум в 1000 км от Земли – 10-8 Па) – диффузионных насосов, турбомолекулярных насосов, азотных ловушек, специальных веществ – сорбентов (геттеров). Рис. Форвакуумные насосы

• 
  Слайд 35
  

  Рис. Турбомолекулярные насосы Рис. Диффузионный насос

• 
  Слайд 36
  

  Ионизация электронным ударом – зависимость интенсивности пика молекулярного иона от величины энергии ионизации:

  Масс-спектр электронного удара этилпропионата CH3-CH2-C(=O)-O-CH2-CH3 (молекулярная масса 102) при энергиях ионизирующих электронов 70, 20 и 14 эВ – чем меньше энергия ионизации, тем выше пик молекулярного иона

• 
  Слайд 37
  

  Определение элементного состава при помощи молекулярного иона при масс-спектре низкого разрешения: 1) Хлор, бром, сера и кремний легко детектируются благодаря характерной для каждого элемента мультиплетности сигнала, зависящей от природной распространенности изотопов соответствующих элементов, т.е. можно сразу сказать, какое количество атомов галогенов находится в соединении

• 
  Слайд 38
  

  Алгоритм действий при интерпретации масс-спектра (Мак-Лафферти) 1) изучить всю имеющуюся информацию о веществе (спектральную, химическую, историю появления данного образца). 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. Как вариант – использовать масс-спектрометрию высокого разрешения для определения элементного состава фрагментов. 3) Провести тест на молекулярный ион (максимальное значение m/z, нечетно-электронность, выбросы нейтральных частиц) 4) Отметить важнейшие нечетно-электронные ионы, обусловленные перегруппировочными процессами. 5) Изучить общий вид спектра (стабильность молекулярного иона, лабильность связей и т.д.) 6) Приписать возможные структуры сериям ионов с низкой массой, важнейшим первичным нейтральным фрагментам, а также вторичным (по спектрам метастабильных ионов и активации соударением), важнейшим характеристическим ионам. 7) Постулировать структуру молекулы (тест по реальному спектру идентифицированного вещества из базы данных, например, по спектрам близких структур, по спектру, предсказанному теоретически).

• 
  Слайд 39
  

  Важнейшим инструментом для быстрой расшифровки результатов масс-спектрометрического анализа являются Библиотеки масс-спектральных данных

• 
  Слайд 40

  Библиотеки масс-спектральных данных

  NIST 07, NIST 08 – библиотеки масс-спектральных данных, созданные и поддерживаемые Национальным институтом стандартизации и технологии США, около 300 000 масс-спектров. WILEY 07 – библиотека масс-спектральных данных, созданная профессором Мак-Лафферти, при участии Национального бюро стандартов США, около 450 000 масс-спектров, во многом пересекается с библиотеками NIST. Библиотеки, созданные и поддерживаемые в НИОХ СО РАН, по природным соединениям, веществам, часто используемым в синтезах химиками НИОХ СО РАН, продуктам и полупродуктам синтезов – суммарно до 10 000 масс-спектров. Содержат, помимо самих масс-спектров, информацию о методе записи хроматограммы, из которой взят масс-спектр, время удержания или индекс удержания. Литературный поиск при помощи РЖХ, каталогов CAS и Belstein – в редких случаях.

• 
  Слайд 41
  

  1. Масс-спектрометрия и хроматография: позволяют узнать массу молекулы, ее брутто-формулу, хроматография при этом помогает производить анализ смеси за счет разделения компонентов во времени попадания на детектирующий масс-спектрометр. При наличии баз данных позволяет легко идентифицировать компоненты смеси и сами соединения. Высокая чувствительность (в ряде случаев – нанограммы образца). Просты для понимания химиком.