Содержание
-
МЕТОДЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
Лекция № 13-14
-
-
Краткая характеристика информации, получаемой в методах масс-спектрометрии и хромато-масс-спектрометрии
1. Прямое измерение массового числа молекулы вещества, т.е. ее молекулярной массы, в случае, если вещество в условиях масс-спектрометрического эксперимента дает молекулярный ион – заряженную частицу, имеющую ту же массу, до величин массы около 20000 а.е.м. 2. При использовании масс-спектрометрии высокого разрешения возможно получения очень точного значения молекулярной массы, что позволяет по известным табличным данным получить брутто-формулу вещества, до величины массы несколько больше 1000 а.е.м. 3. Получение масс-спектра вещества, что позволяет провести его идентификацию по библиотекам масс-спектральных данных (например, масс-спектры около 700 000 соединений в НИОХ СО РАН) или по характеру фрагментации предположить строение соединения.
-
4. Разделение аналитического сигнала образцов во времени - в хромато-масс-спектрометрии возникает дополнительный аналитический сигнал – время удержания образца, т.е. как долго вещество проходит через хроматографическую колонку. Как правило, это время при одних и тех же условиях эксперимента является уникальной характеристикой вещества, позволяющей разделить даже смеси изомеров, при использовании специальных хроматографических хиральных колонок – даже оптические изомеры, и получить масс-спектры каждого соединения в смеси. Площадь хроматографического пика пропорциональна содержанию вещества в анализируемом образце, что позволяет, при соблюдении ряда условий, проводить точный количественный анализ образцов. Получать данные о ряде термодинамических процессов (испарение, сублимация), исследовать кинетические закономерности, механизмы протекания процессов термораспада.
-
Рекомендуемая литература
1. Пентин Ю.А., Л.В. Вилков. Физические методы исследования в химии. М.: Мир, ООО «Издательство АСТ», 2003. – 683 с. 2. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 493 с. 3. Заикин В.Г., Варламов А.В., Микая А.И., Простаков Н.С. Основы масс-спектрометрии органических соединений. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. – 286 с. 4. Хмельницкий Р.А., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия (Методы Аналитической химии). М.: Химия, 1984. – 216 с.
-
Масс-спектрометрия – физико-химический метод анализа, заключающийся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом ионов. История 1897 г. – Дж.Дж. Томсон, Ф.В.Астон; 1901 г. – В.Кауфман: прототип параболического масс-спектрографа; 1918г. – А.Демпстер: магнитный масс-спектрометр с источником электронной и термической ионизации; 1940 г. – первые промышленные МС для анализа органических соединений; 1967 г. – квадрупольные масс-спектрометры; 2002 г. – Джон Фенн и Коичи Танаке: электроспрей и МЛДЛИ (Нобелевская премия). Исследователи получили награду «за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул».
-
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ (2002) Применять масс-спектрометрию для исследования крупных молекул и, в частности, белков долго не удавалось. В 1970-е годы химики научились осуществлять «десорбцию» - ионизировать макромолекулы в газообразном состоянии и «взвешивать» их, отделив друг от друга. Однако при такой обработке белковые молекулы, как правило, не сохраняли свою структуру. Фенну и Танаке удалось создать технологию «мягкой десорбции». Фенн перед исследованием белка с помощью масс-спектрометра распылял раствор и одновременно подвергал его воздействию сильного электрического поля. А Танака предложил метод лазерной десорбции. Ученый облучал вязкий комочек из молекул белка лазером, при этом слабо ионизированные молекулы оставались в целости и сохранности и затем могли быть исследованы с помощью масс-спектрометрии. Сегодня эти методы анализа белков, пептидов, углеводов широко используются как в научных исследованиях, так и в фармакологической и пищевой промышленности.
-
Основы метода«масс-спектрометрия» Это метод анализа состава газовой смеси или жидкости в виде аэрозоля. Проба исследуемого вещества подается в вакуумную камеру через входное отверстие. Сразу за входным отверстием поступающий газ ионизируется пучком электронов, идущих с анода ионизатора. Далее ионизированный газ проходит через мощное постоянное магнитное поле, которое отклоняет траектории движения ионизированных частиц газа. Ионы с более высоким отношением массы к заряду отклоняться на меньший угол вследствие своей большей инертности при одинаковой величине воздействия. В итоге газ разделяется на потоки по критерию величины отношения массы к заряду, то есть по химическому составу. Величины этих потоков регистрируются на коллекторах ионов на приемной поверхности вакуумной камеры. По показаниям счетчиков определяют процентное соотношение того или иного компонента.
-
-
Основы метода
Методы масс-спектрометрии являются методами получения спектров масс ионов. Схема масс-спектрометров проста и включает три главных элемента − ионный источник, анализатор и детектор. При использовании различных методов ионизации веществ в ионном источнике создаются пучки ионов как положительных, так и отрицательных в зависимости от поставленной задачи. Эти пучки ионов, содержащие ионы различных масс, направляются далее в анализатор, где под влиянием полей различной природы формируются пучки ионов определенной массы. Регистрация пучка ионов в коллекторе ионов позволяет получить спектр масс ионов. К ионизации вещества в методах масс-спектрометрии прибегают потому, что существуют эффективные методы управления пучками заряженных частиц с помощью магнитных и электрических полей.
-
Теоретические и экспериментальные основы масс − спектрометрии были заложены Томсоном, который впервые в 1912 г. создал прибор для получения спектра масс положительных ионов. Его ученик Астон в 1918 г. существенно повысил разрешение прибора за счет лучшей фокусировки ионного пучка. Практически одновременно с Астоном в Чикаго Демпстер сконструировал первый масс-спектрометр, в котором анализатором служило поперечное магнитное поле и ионные токи измерялись электрическими методами. Именно этот тип спектрометров имеет широкое применение в химии, т.к. сочетает в себе возможность достаточно точного определения масс ионов и их количества, т.е. ионного тока.
-
Масс-спектрометром называют устройство, с помощью которого можно измерить массы заряженных частиц, например, ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов, то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массовыми числами (например, 235U и 238U). Масс-спектрометр состоит из высоковакуумной камеры, помещенной в однородном магнитном поле между полюсами электромагнита. Заряженные частицы влетают в камеру, предварительно пролетев через селектор скоростей. Частицы движутся в камере в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, под действием силы Лоренца. Масс-спектрометр
-
-
Траектории частиц представляют собой окружности радиуса R = mv / qB, где m и q – масса и заряд частицы, v – ее скорость, B – индукция магнитного поля. Измеряя радиус траектории при известных значениях v и B, можно определить отношение q/m. В случае изотопов (q1 = q2) масс-спектрометр позволяет разделить частицы с разными массами. Компьютерная программа моделирует работу масс-спектрометра – прибора, предназначенного для разделения изотопов и измерения отношения зарядов частиц к их массам. Для проведения компьютерного эксперимента предусмотрен выбор двух изотопов некоторого химического элемента. Возможен также выбор величин магнитного поля и скорости частиц. Разность радиусов круговых траекторий изотопов выводится на экран.
-
-
Принципиально масс-спектрометр состоит из четырех блоков: системы напуска, ионного источника, системы магнитной фокусировки и детектора (рис. 1). В системе напуска образец анализируемого вещества испаряют в вакууме. Образовавшиеся пары поступают в ионный источник, где подвергаются бомбардировке пучком ускоренных электронов (энергия обычно порядка десятков электрон-вольт). Энергия облучения расходуется на выбивание электронов из молекул анализируемого вещества – последние превращаются в положительно заряженные ион-радикалы. Такие частицы высоко реакционноспособные и нестойкие. Тут же в ионизационной камеры они претерпевают распад на заряженные и незаряженные осколки (отсюда название метода «осколочная масс-спектрометрия»). Вся ионизационная камера находится под высоким положительным потенциалом по отношению к остальным частям прибора. Поэтому электростатическое поле выталкивает из камеры положительные ионы. Перед выходом из камеры пучок ионов проходит через систему электростатических линз и диафрагм, так что в результате из камеры выходит узкий сфокусированный ионный луч, в котором скорости ионов зависят от их масс и зарядов.
-
Скелетная схема масс-спектрометра: 1 — система подготовки и введения исследуемого вещества; 2 — ионный источник; 3 — масс-анализатор; 4 — приемник ионов; 5 — усилитель; 6 — регистрирующее устройство; 7 — ЭВМ; 8 — система электрического питания; 9 — откачные устройства. Пунктиром обведена вакуумируемая часть прибора
-
Ионные пучок далее попадает в зону магнитной фокусировки. Здесь в магнитном поле прямолинейные траектории ионов искривляются, причем геометрия магнитного поля рассчитана так, чтобы сфокусировать ионы на детекторе. В конечном итоге ионы подходят к детектору по индивидуальным траекториям, которые целиком определяются величиной отношения массы иона к его заряду (m/e). Варьируя электростатическое или магнитное поле, можно сфокусировать на детекторе ионные потоки для каждого значения m/e и измерить количественно соответствующий таким частицам ионный ток, т.е. величину, пропорциональную числу частиц с данным m/e в анализируемой плазме. Развертка по m/e дает масс-спектр, в котором по оси абсцисс отложены величины m/e, а по оси ординат – интенсивности ионного тока, или, что то же самое, доля частиц с данным m/e в плазме. Поскольку в подавляющем большинстве случаев образующиеся осколки однозарядны, шкала m/e практически совпадает со шкалой ионных масс.
-
Проблемы создания масс-спектрометра
1. Перевести вещество в газовую фазу. надо, чтобы нашему 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.
-
Создание вакуума
1. Используется тандем из создающих форвакуум (неглубокий вакуум, примерно 110-2 мбар = 1 Па) механических электронасосов и устройств, создающих глубокий вакуум (110-7 мбар = 110-5 Па – для сравнения – космический вакуум в 1000 км от Земли – 10-8 Па) – диффузионных насосов, турбомолекулярных насосов, азотных ловушек, специальных веществ – сорбентов (геттеров). Форвакуумные насосы
-
Турбомолекулярные насосы Диффузионный насос
-
Схема прямого ввода образца в масс-спектрометр
-
-
Решение первых трех проблем - ионный источник
1 – напускной канал, 2 – ионизационная камера, 3 – электронная пушка, 4 – вытягивающая линза, 5 – фокусирующая линза, 6 – ионный пучок
-
Решение 4-ой проблемы – сила Лоренца!
Кинетическая энергия иона после выхода из ионизационной камеры: Сила Лоренца: Центростремительная сила: Приравнивая: Итог:
-
Динамическое выражение силы Лоренца можно приравнять к центростремительной силе в кинематической форме: mv2 / r = evB илиr = mv / (eB), где r - радиус кривизны траектории. В постоянном магнитном поле В не изменяется r, следовательно, траектория движения иона является окружностью. Комбинируя предыдущие уравнения, исключаем v и получаем для однозарядных ионов: m / e = r2B2 / 2V. Для заданных величин r, B, V можно измерить ток ионов массой m. Изменяя ускоряющийся потенциал V (электростатическая развертка) или индукцию магнитного поля В (магнитная развертка), получают ионный масс-спектр.
-
Ионизация атомов и молекул
В методе масс-спектрометрии используют ионизацию вещества, т.к. существуют эффективные методы управления пучками заряженных частиц с помощью магнитных и электрических полей. Большая часть исследований ведется с пучками положительных ионов. Образование положительных ионов является результатом взаимодействия молекулы, атома или радикала в газовой фазе (М) с электроном, фотоном, ионом или быстрой молекулой (Х), а также с макроскопическим телом, обладающим электрическим полем с высоким градиентом.
-
Схематически процесс ионизации с образованием положительных ионов можно представить следующим образом: Х(Ех) М(Ем) → Мq+(Е1) + qe- (Е2), nМ nx n1 n2 где nм, nx, n1, n2– число частиц в единице объема; Ем, Ех, Е1, Е2– энергия соответствующих частиц; q– степень ионизации, в большинстве случаев равная единице и поэтому n1=n2. Частица М обычно находится в термическом равновесии с ее окружением. Однако частица Х должна иметь энергию выше некоторого минимального значения, соответствующего энергии связи электрона на самой низкоэнергетической орбитали частицы М. Избыток энергии частицы Х над потенциалом ионизации после ионизации распределяется между ионом Мq+с энергией Е1и электроном с энергией Е2.
-
Процесс ионизации и типы ионов
Наиболее прост процесс ионизации атомов, хотя он может происходить различными путями. В большинстве случаев однозарядные ионы образуются при выбивании электрона из наружной валентной оболочки атома. Образующийся ион может находится как в основном, так и в возбужденном состоянии: А + ē = А+ + 2ē или А + ē = А+* + 2ē. Особенности поведения молекулы при ионизации обусловлены наличием у молекул внутренних степеней свободы. В простейшем случае, т.е. для двухатомных молекул, возможны четыре вида процессов (рис. 1.1). Электронное возбуждение и ионизация молекул подчиняется принципу Франка-Кондона − за время электронного перехода межъядерное расстояние не изменяется.
-
-
На диаграмме потенциальной энергии в форме кривых для определенного электронного состояния такой переход изображается вертикальной линией. Если минимум потенциальной кривой ионного состояния смещен вправо относительно минимума кривой молекулы АВ (а), то вертикальный переход (показан стрелкой) на более высокий по энергии электронный уровень приводит к образованию молекулярного ионав различных возбужденных колебательных состояниях. Если энергия иона АВ+больше его энергии диссоциации D0и потенциал атома А меньше В, то возможна диссоциация иона АВ+с образованием атомного иона А+(б). Процесс называют диссоциативной ионизацией, т.к. ионизация приводит к диссоциации. На рис. 1.1 (в) иллюстрируется процесс ионизации с переходом в антисвязывающее состояние, которое приводит к образованию иона А+и атома В.
-
Нижнее электронное состояние иона называют основным, другие − электронно-возбужденными. Вертикальный переход может также привести к электронно-возбужденному состоянию АВ+ (г). Процессы ионизации и диссоциативной ионизации многоатомных молекул более сложны. При удалении одного ē образуется молекулярный ион М+. Точка под знаком + означает, что образовался катион-радикал. Таким образом, ионизация многоатомных молекул приводит к сложным процессам образования нескольких типов ионов. Молекулярные ионы. Это такие ионы, масса которых равна массе ионизируемой молекулы.
-
Осколочные ионы. Молекулярный ион может претерпевать фрагментацию в различных направлениях, обусловленных строением исходной молекулы и методом ионизации. Это мономолекулярный процесс. В масс-спектре некоторых соединений практически отсутствует молекулярный ион. Увеличение энергии ионизирующих частиц приводит к более глубокому распаду молекулярного иона. Перегруппировочные ионы. Ионизация молекулы и фрагментация образовавшего молекулярного иона в большинстве случаев сопровождается разрывом одних и образованием других связей. Так, классическим примером перегруппировочного иона является ион тропиния, который образуется по схеме:
-
Метастабильные ионы. В процессе ионизации образуются не устойчивые (метастабильные) ионы. Отрицательные ионы.Они образуются в результате: резонансного захвата электрона: АВ +ē-→ А - ·; диссоциативного резонансного захвата: АВ + ē-→А- + В·; ион-молекулярной реакции: АВ + С-→ АВС-; при распаде молекулы на пару ионов: АВ → А- + В+. Многозарядные ионы. Условием стабилизации двухзарядного иона является максимальное разделение зарядов.
-
Наиболее распространенные методы ионизации
1. Электронная ионизация (ионизация электронным ударом) 2. Химическая ионизация (CI) 3. Фотоионизация (Photoionization) 4. Электроспрей (ESI) 5. Лазернаядесорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) 6. Полевая десорбция/ионизация (FI) 7. Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
-
-
Методы ионизации
Ионизация молекул должна проводиться в таких условиях, при которых образовавшийся ион вне зависимости от метода ионизации не претерпевал бы никаких столкновений с другими молекулами или ионами. Ионизация может проводиться различными методами: Метод ионизации электронным ударом.Это наиболее распространенный метод получения ионов в связи с простотой и доступностью источников электронов и их высокой эффективностью. Энергия ионизирующих электронов должна превышать энергию ионизацию молекулы (~10 эВ). Число ионов, образующихся в единицу времени при ионизации электронным ударом, определяет ионный ток, уравнение которого имеет вид: Ij = Ie• nj• σj• l, где Ij – ионный ток ионов типа j; Ie– электронный ток; nj– число ионизируемых атомов или молекул типа j в единице объема; l – длина пути электронов в ионизируемом газе; σj – сечение ионизации молекулы, зависящее от энергии электронов в ионизирующем пучке.
-
-
При диссоциативной ионизации ток осколочных ионов типа i из молекул типа j будет выражаться уравнением: Iij = Ie•nj•σij • l, где σij–парциальное сечение диссоциативной ионизации. Сечение ионизации характеризует вероятность ионизации молекул и зависит от типа молекул и используемых энергий ионизирующих электронов. Форма кривых зависимости сечений ионизации от энергии электронов (кривые эффективности ионизации) имеет сходный вид для различных молекул (рис. 1.2.).
-
Эта функция близка к нулю в области энергии ионизации, затем достигает максимума и снова уменьшается. Увеличение сечения ионизации с ростом энергии электронов объясняется увеличением вероятности неупругого рассеяния, но дальнейшее повышение энергии электронов уменьшает время взаимодействия их с электронами молекулы и, как следствие, снижает вероятность ионизации. Минимальная энергия электронов, при которой появляется ион, называется потенциалом появления иона и обозначается ПП. Она соответствует точке пересечения кривой σ(V) с осью абсцисс. Схема ионного источника дана на рис. 1.3.
-
-
-
Газообразные и легколетучие вещества поступают в источник из системы напуска. Труднолетучие и термически неустойчивые вещества испаряют непосредственно в источнике и в виде молекулярного пучка направляют в ионизационную камеру. Положительные ионы, образовавшиеся в ионизационной камере, вытягиваются и ускоряются электрическим полем электродов, находящихся под напряжением 1000...3000 В.
-
Ионизация электронным ударом
Электронный удар, или, правильнее – электронная ионизация – это ионизация паров вещества потоком электронов, разогнанных в электрическом поле. При этом электрон, пролетая рядом или через молекулу ионизируемого вещества, не захватывается ею, а передает часть своей энергии, что приводит к «возбуждению» молекулы, отрыву от нее одного или нескольких электронов с образованием положительного иона M+, а также, в зависимости от энергии ионизирующих электронов, к разрыву связей в ионизируемой молекуле – к ее фрагментации. Эффективность ионизации зависит от энергии ионизирующих электронов, максимум эффективности достигается при энергии примерно в 70 эВ: Зависимость величины ионного тока от энергии ионизирующих электронов
-
-
-
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
-
Ионизация электронным ударом
ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ ИОНИЗАЦИИ 1. Наиболее распространенный и простой в реализации метод ионизации. 2. Богатый фрагментами масс-спектр соединений, что позволяет проводить структурные исследования. 3. Наличие больших баз данных масс-спектров, позволяющих быстро производить идентификацию соединений. НЕДОСТАТКИ 1. Не всегда можно получить молекулярный ион. 2. Большая фрагментация образца, иногда трудно по фрагментации проследить направление превращения иона. 3. Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в пары.
-
ВАЖНО!!! Энергия в 70 эВ для ионизирующих электронов в настоящее время принята за стандарт, приборы с электронной ионизацией образца, выпускаемые промышленностью, как правило, имеют именно эту величину энергии ионизации, либо позволяют ее установить. Также базы данных масс-спектров содержат масс-спектры, записанные на приборах с электронной ионизацией образца и энергией ионизации в 70 эВ. Масс-спектры в научных изданиях (журналах, монографиях, сборниках трудов конференций) приводятся, как правило, именно с энергией ионизации образца в 70 эВ (исключения редки).
-
-
Химическая ионизация
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: CH4CH4+ CH4+ + CH4CH5+ + 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.
-
-
Химическая ионизация (CI, Chemical Ionization) Химическая ионизация.Этот вид ионизации осуществляется при столкновении иона газа-реагента с исследуемой молекулой. Ионы газа-реагента получают в ионизационной камере электронным ударом. При химической ионизации также понижена фрагментация молекулярного иона. 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).
-
Фотоионизация Энергия ионизирующего излучения составляет 7-15 эВ, длина волна заключена в интервале (800-1200)·10-10 м. Зависимость эффективности ионизации от энергии фотонов в области энергии ионизации носит ступенчатый характер, что обеспечивает большую точность в оценке потенциала появления иона (рис. 1.4). Фотоионизационные источники обладают более высокой монохроматичностью излучения, чем в методе электронного удара.
-
-
Масс-спектры с использованием фотоионизации имеют значительно меньшее число линий. Преимущества этого метода реализуются при преодолении больших технических трудностей, поэтому метод не нашел широкого распространения.
-
-
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).
-
-
Ионизация электрическим полем. Ионизация этим методом достигается на электродах в виде острия или тонкой проволоки. Под влиянием сильного неоднородного поля происходит туннельный переход электрона от молекулы к аноду за 10-12 с и образуется положительный ион-радикал, который выталкивается этим полем. Обычно при ионизации электрическим полем не происходит значительной фрагментации, и наблюдаются в основном молекулярные ионы. Увеличение напряжения приводит к диссоциативной ионизации. Недостаток метода − низкое значение ионного тока и плохая воспроизводимость масс-спектра.
-
Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Электроспрей (электрораспыление) – относительно новый метод ионизации, суть которого заключается в следующем – вещество на ионизацию поступает в растворе полярного растворителя (им может быть вода, ацетонитрил, метанол и т.д.), при этом в растворе присутствуют катионы водорода или щелочных металлов, натрия или калия. 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.
-
-
Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization)
-
Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Далее 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: Рис. Z-образная геометрия движения потока образца в источнике ионов, работающем по принципу электрораспыления.
-
Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Рис. Приставка для электроспрей-ионизации, подключенная к времяпролетному масс-спектрометру Bruker micrOTOFQ
-
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.
-
Лазернаядесорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) Матричная лазерная десорбция – метод, при котором исследуемое вещество помещают в «матрицу» – перемешивают с веществом, имеющим меньший молекулярный вес 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.
-
Лазернаядесорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) 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.
-
-
-
Лазернаядесорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)
Достоинства: 1. Возможность анализа крупных молекул (массой до 100 000 дальтон и выше). 2. Мягкая ионизация образца. 3. Возможность анализа загрязненных примесями образцов. Недостатки: 1. Малоинформативный масс-спектр – присутствуют лишь пики молекулярного иона и его «мультимеров» – частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1. 2. Долгая пробоподготовка и необходимость подбора условий под образец - подбирать вещество для матрицы.
-
-
-
-
Полевая десорбция/ионизация (FI, Field Ionization) Ионизация путем взаимодействия вещества с эмиттером (электродом, оформленным в виде узких пучка игл), на котором создается высокая напряженность электрического поля (до 1 В/Å). В результате происходит переход (туннелирование) электрона от молекулы органического вещества к эмиттеру. После этого высокий положительный потенциал эмиттера резко выталкивает образовавшийся катион из источника. Достоинства: 1. Мягкий метод ионизации, в результате чего спектр представляет собой, как правило, единственный пик, принадлежащий молекулярному иону. 2. Возможность работы с как с газообразными образцами, так и с веществами, которые сложно перевести в газовую фазу (сахаров, пептидов, нуклеотидов, солей, кислот). Недостатки: 1. Отсутствие фрагментации. 2. Малая интенсивность спектров.
-
-
-
-
Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI, Atmospheric Pressure Chemical Ionization) Химическая ионизация при атмосферном давлении – метод, похожий на электрораспыление. Используется для стыковки жидкостного хроматографа с масс-анализатором. Поток из колонки жидкостного хроматографа направляется в распылитель, где он превращается в мелкодисперсный аэрозоль и смешивается с большим количеством нагретого газа (азота или воздуха), далее капли аэрозоля перемещаются в область испарения, где в газовую фазу переходит большая часть молекул растворителя. Далее на пути уже газообразного образца следует область ионизации:
-
Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI, Atmospheric Pressure Chemical Ionization) Ионизация происходит при атмосферном давлении либо коронным разрядом, либо бета-излучателями. Далее электрическое поле и поток увлекает ионизированные частицы в последовательные сепараторы, где происходит быстрая откачка легких молекул (газ, растворитель), а ионизированные частицы образца попадают в анализатор с глубоким вакуумом:
-
-
Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI, Atmospheric Pressure Chemical Ionization) Достоинства: 1. Работа ионного источника при атмосферном давлении. 2. Необязательно использовать только полярные растворители для образца (как в случае электрораспыления). 3. Возможность работы с образцами, которые сложно перевести в газовую фазу обычными методами. Недостатки: 1. Возможен анализ образцов с массой примерно до 1500 дальтон, что относительно немного. 2. Полученные масс-спектры малоинформативны и не позволяют использовать их для структурных исследований (мало линий).
-
-
-
Поверхностная ионизация Ионный поток можно получить путем эмиссии положительных ионов с поверхности, нагретой до высоких температур. В качестве “рабочего” металла обычно используют вольфрам или оксидированный вольфрам. Температурная зависимость ионных токов в этом методе позволяет определять потенциалы ионизации атомов, молекулы и радикалов. Комбинированные методы ионизации Для увеличения эффективности исследования различных молекулярных систем конструируют источники, сочетающие два вида ионизации: электронным ударом и электрическим полем; или электронным ударом и химической ионизацией. Спектры, полученные двумя разными методами, могут оказаться более информативными в структурных исследованиях.
-
Масс-спектрографы и масс-спектрометры
Разделение и регистрация ионов осуществляется несколькими путями: использование для регистрации ионов фотопластинок (масс-спектрограф); измерение ионных токов электрическими методами (масс-спектрометров); Масс-спектрографы применяют для точного определения относительных масс. Широкое использование имеют масс-спектрометры, т.к. позволяют с большей точностью определять отношение ионных токов. Используются два класса масс-спектрометров: в первом типе используют статические электрические или магнитные поля, во втором типе − переменные электрические поля.
-
Методы разделения (типы масс-спектрометрических анализаторов)
1. Магнитный анализатор 2. Электрический анализатор 3. Квадрупольный анализатор 4. Времяпролетный анализатор 5. Ионная ловушка
-
Магнитный анализатор Рис. Схема масс-спектрометра с магнитным анализатором Исторически первый тип анализатора (Демпстер, 1918 г.). Физические основы действия были приведены на одном из предыдущих слайдов – изменение траектории заряженной частицы под действием магнитного поля.
-
Электрический (электростатический) анализатор Электростатический анализатор по принципу действия примерно 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.
-
Электрический (электростатический) анализатор Как правило, этот вид анализатора применяется в дополнение к магнитному анализатору для обеспечения большего разрешения прибора (такие приборы называются «приборами с двойной фокусировкой» и о них будет сказано ниже) и для облегчения измерения точных масс, т.к. электрическое поле возможно варьировать более точно, чем магнитное. Рис. Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой ионов (1БП – бесполевое пространство)
-
Квадрупольный анализатор Квадрупольный анализатор представляет собой систему из четырех стержней-электродов, к которым приложены высокочастотные переменное и постоянные напряжения, изменяющиеся во времени как U + V(cos t), противоположные стержни заряжены одинаково: Рис. Квадрупольный анализатор, поперечный (слева) и продольный (справа) разрезы. Ионный пучок движется от источника ионов (ИИ) по направлению к детектору (Д).
-
Квадрупольный анализатор Принцип работы анализатора состоит в том, что под действием постоянного и переменного электрических полей заряженные частицы с массой М испытывают стабильные колебания и могут пройти через квадрупольный фильтр (т.е. между электродами вдоль осевой линии) только при определенных значениях постоянного и переменного напряжения на электродах. Частицы с другими массами при этом движутся слишком далеко от главной оси системы и, сталкиваясь со стержнями, выбывают из потока. Меняя напряжения на стержнях, возможно производить развертку масс-спектра.
-
Времяпролетный анализатор (TOF, Time Of Flight) Рис. Схема принципа действия времяпролетного масс-спектрометра, показано разделение ионов с массой М1 и М2 на пути от ионного источника (ИИ) до детектора (Д) Времяпролетный анализатор масс основан на простом принципе – скорость разогнанных ионов обратно пропорциональна их массам: или где V – ускоряющее напряжение. Если ионы движутся в полой трубе, то детектора они достигают в порядке увеличения своей массы.
-
Ионная ловушка (Ion Trap) Основой этого анализатора является ячейка с тремя электродами. Два концевых (полюсных) гиперболических по форме электрода имеют потенциал Земли (заземлены), между ними располагается электрод кольцевой формы, на который подается радиочастотное напряжение мегагерцового диапазона. Схема ячейки Эта система электродов создает поле, позволяющее удерживать ионы достаточно долгое время. Для ионизации образца используется электронная или химическая ионизация в импульсном режиме (0,1 – 10 мс). Образовавшиеся ионы удерживаются полем центрального электрода.
-
Ионная ловушка Импульсное изменение амплитуды радиочастотного напряжения на центральном электроде заставляет ионы с определенным m/z переходить на нестабильные траектории и покидать ловушку (образованную полем центрального электрода), попадая в систему регистрации – на электронный умножитель.
-
-
-
Детектирование ионов – электронный умножитель
Схема действия электронного умножителя (ЭУ) Электронный умножитель масс-спектрометра Thermo Electron DFS
-
-
Схема масс-спектрографа Из источника через щели S1 и S2 ионы анализируемого элемента попадают в электромагнитное поле. Его характеристики подобраны так, что из щели S3 ионы вылетают с одинаковой скоростью. Эти ионы попадают в магнитное поле (МП). Группы частиц с одинаковой массой М, будут здесь двигаться по одним и тем же траекториям и дадут линию на фотопластинке. Радиус траектории пропорционален массе иона, поэтому она легко определяется по положению линий на пластинке.
-
Масс-спектрометры
-
Характеристики масс-спектрометра
Качество фокусировки пучка ионов. Магнитное поле обладает особенностью осуществлять фокусировку ионов по направлению. Часть ионов вылетает под некоторым небольшим углом к направлению поля, т.е. имеет место расходимость пучка ионов. Формирование изображения источника и уменьшение расходимости потока ионов в магнитном поле называется фокусировкой по направлению. Разрешающая сила R спектрометра определяет возможность разделить два соседних пика − для ионов с наибольшей массой m и массой m ±∆m –выражается уравнением: R = m / ∆m = r / s1 + δ+ s2, где s1 - ширина выходной щели; s2– ширина входной щели; δ– уширение ионного пучка из-за несовершенства фокусировки. Так, например, разрешение 250 означает, что два одинаковых пика для ионов с относительными массами 251 и 250 разделены на ленте самописца и в минимуме между ними интенсивность тока не превышает 10% полного ионного тока. Примеры низкого разрешения, если R≤2000 и с высоким, если R≥10000.
-
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.
-
Разрешение масс-спектрометра
Увеличивая разрешающую способность, мы расплачиваемся за это ухудшением чувствительности. ! ! Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к 400 а.е.м.
-
Для уменьшения влияния магнитного поля на ионы в ионном источнике и коллекторе ионов широко используют масс-спектрометры секторного типа. В этих приборах магнитное поле создается между полюсными башмаками секторной формы, которые могут иметь любой секторный угол. На практике часто используются секторный угол, равный 900 (рис. 1.6). Если расходящийся пучок ионов входит и выходит из однородного магнитного поля перпендикулярно его границам, то он фокусируется на прямой, проходящей через выходную щель ионного источника, и центр кривизны траекторий ионов, который совпадает с вершиной сектора.
-
Для увеличения разрешения масс-спектра применяют двойную фокусировку (рис. 1.7). Ионы из ионного источника проходят через цилиндрический конденсатор с радиальным электрическим полем, в котором происходит фильтрация ионов по энергии и фокусировка по направлению для ионов одинаковой энергии. Затем пучок ионов входит в поперечное магнитное поле, на выходе из которого получают масс-спектр. Двойная фокусировка увеличивает разрешение до 30000. Чувствительностью прибора называют минимальное определяемое давление паров изучаемого вещества или минимальную массу этого вещества. Чувствительность масс-спектрометров при определении микропримесей достигает до 10-7%. Для получения масс-спектра достаточно нескольких микро- или нанограммов вещества.
-
-
Результаты масс-спектрометрического эксперимента представляют в виде графика зависимости ионного тока от m/e (рис.1.8), либо в виде таблиц (табл. 1.1). В общем случае удается без труда обнаружить пик с интенсивностью, равной 15 от суммарного ионного тока.
-
Магнитный масс-спектрометр
Принципы разделения ионов: Первый магнитный масс-спектрометр был сконструирован в 1918 г. Демпстером. Схема его используется и в современных приборах (рис. 1.5). В ионном источнике формируется пучок моноэнергетических ионов в поле ускоряющего напряжения V с энергией: mv2 / 2 = eV, где v – скорость иона; m – его масса; e – единичный заряд иона. Направленный перпендикулярно магнитному полю пучок ионов испытывает действие силы Лоренца F: F = e • v • B, где B – индукция магнитного поля. В магнитном поле ионы движутся по окружностям разного радиуса. Для положительных ионов это движение подчиняется правилу левой руки: ладонь направлена вдоль v и в нее входят магнитные силовые линии B; большой палец показывает направление силы F.
-
Принципиальная схема разделения пучка ионов в магнитном поле
-
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
-
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.
-
Масс-спектр ториевого свинца (dm50% — ширина пика на полувысоте; dm10% — ширина пика на уровне 1/10 от максимальной интенсивности)
-
Динамические масс-спектрометры
В настоящее время разработаны методы получения масс-спектров в переменных электрических полях. Рассмотрим два типа динамических масс-спектрометров: Времяпролетный масс-спектрометр. Квадрупольный масс-спектрометр.
-
Ионный источник испускает короткие импульсы ионов, поскольку электронная пушка работает в импульсном режиме (несколько микросекунд). Если все ионы начали движение из источника в момент ускоряющего импульса 0,01 мкс, то все они приобрели одинаковую энергию eV. Из равенства mv2 / 2 = eV следует, что скорость иона v = √ 2eV / m, тогда время движения через участок дрейфа L равно t = L / v = L √ m / 2eV, т.е. ионы разной массы пролетают участок дрейфа с разным временем. Если детектор делается чувствительным только на короткий промежуток времени, то точное измерение времени между моментом активации источника и отпиранием детектора дает информацию о массе регистрируемых ионов.
-
-
-
-
-
-
-
Квадрупольный масс-спектрометр На четыре электрода квадруполя (рис. 1.10) попарно подается переменное напряжение в форме U+V0 cos wt на оси x и – (U+V0 cos wt) на оси y. Принцип работы основан на том, что при прохождении ионов через квадруполь часть ионов может иметь ограниченную амплитуду колебаний, в то время как амплитуда колебаний другой части ионов неограниченно возрастает со временем. Первая часть ионов достигает детектора, а вторая часть нейтрализуется на поверхностях электродов. Режим работы анализатора выбирают так, чтобы он действовал как фильтр масс.
-
-
-
Принцип работы квадрупольного масс-спектрометра
Исследуемый газ ионизируется пучком электронов, эмитируемых катодом накала (Filament) и проходящих к коллектору электронов. Из ионизатора ионы поступают через диафрагму в анализатор, представляющий собой высокочастотный электрический квадруполь и образованный четырьмя параллельными стержнями (электродами) круглого сечения. Противолежащие электроды попарно соединены, и между ними приложено высокочастотное напряжение U+V*cos(wt), где, и V — напряжение соответственно постоянного и переменного тока. Ион, движущийся вдоль оси стержней, раскачивается высокочастотным полем. Амплитуда колебаний ионов зависит от их массовых чисел и напряжений на стержнях. Траектории ионов могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Ионы с устойчивыми траекториями (амплитуда их колебаний меньше расстояния от центральной оси квадруполя до стержня) проходят через анализатор и попадают на коллектор, создавая в цепи коллектора ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению. По мере продвижения ионов с неустойчивыми траекториями вдоль анализатора амплитуда их увеличивается. Сталкиваясь, с электродами ионы нейтрализуются. Для получения развертки масс-спектра изменяют напряжения на электродах ионизатора.
-
-
-
-
Наиболее распространенная схема масс-спектрометров с индуктивно связанной плазмой и квадрупольным масс-анализатором
-
Квадрупольный масс-анализатор: 1 и 2 — входное и выходное отверстия анализатора; 3 — траектории ионов; 4 — генератор высокочастотного напряжения Анализатор омегатрона
-
-
Устройство квадрупольного масс-спектрометра
-
Спектрометр ион-циклотронного резонанса В магнитном поле, перпендикулярном траектории иона, последний движется по окружности. При этом период обращения Т не зависит от энергии частицы, т.к. T = 2 π r / v, подставляя выражение r из уравнения r = m v / (e B), получим T = 2 π m / (e B) частота вращения: w = 2 π / T = eB / m. Таким образом, для данного типа спектрометров период и частота зависят от индукции магнитного поля и массы ионов. В связи с тем, что ионы из ионного источника вылетают под различными углами к магнитному полю, их траектория имеет форму цилиндрической спирали (рис. 1.11). Это увеличивает время движения иона в анализаторе до 5...10 мс, в то время как при движении по прямой это составляло бы доли микросекунды. Если теперь приложить переменное электрическое поле перпендикулярно магнитному полю, то на частотах w=wc, будет проходить поглощение энергии, так как будет иметь место циклотронный эффект ускорения движения иона с раскручиванием спирали. Функция поглощения энергии от частоты дает масс-спектр.
-
-
МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
-
Масс-спектрометрия высокого разрешения (МСРВ, HRMS – High Resolution Mass-Spectrometry)позволяет разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих одной целочисленной массе. Примером такого является мультиплет с целочисленной массой 28. Это может быть монооксид углерода CO,азот N2, этилен C2H4. Поскольку за стандарт принят основной изотоп углерода 12С (12.000000), массы всех остальных изотопов элементов не целые числа: масса основного изотопа водорода 1Н 1.00782506, азота 14N 14.00307407, кислорода 16О 15.99491475и т.д. Тогда массы СО -27.9949, N2 - 28.0061, C2H4 - 28.0313. Рис. Зависимость формы пика ионов с целочисленной массой 28 Да от разрешения масс-спектрометра
-
Таким образом, при разрешении 5000 возможно разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих целочисленной массе 28. Измерение точной массы иона (4-6 знаков после запятой) однозначно определяет его элементный и изотопный состав. Измерения проводят при помощи реперов – стандартов известного состава, как правило, это перфторкеросин, перфтортрибутиламин и другие полностью фторированные соединения – в масс-спектрах таких стандартов регистрируются сигналы фрагментных ионов, равномерно перекрывающих весь диапазон масс от m/z 19 до M+ (примерно до 1500 Да). Разумеется, что с ростом молекулярной массы резко возрастает число ионов с одинаковой целочисленной массой, что приводит к необходимости увеличения разрешения масс-спектрометров.
-
Упрощенная схема масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой:1 - ИСП источник ионов; 2 - интерфейс с конусом образца и скимерным конусом; 3 - передающая и фокусирующая оптика; 4 - фокусировка пучка ионов и ускорение; 5 - входная щель; 6 - электромагнит; 7 - электростатический сектор; 8 - выходная щель; 9 - конверсионный динод; 10 - электронный умножитель
-
Рис. 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
-
Например, для измеренной массы иона неизвестного состава 163.9497 возможны такие комбинации атомов: Выбор из нескольких брутто-формул может быть произведен на основании изотопных пиков (об этом – в другой лекции), характеру фрагментации и априорной информации об образце.
-
Рис. Масс-спектрометр высокого разрешения Thermo Electron DFS с газовым хроматографом Thermo Electron Trace GC Ultra НИОХ СО РАН имеет в своей Лаборатории Физических Методов Исследования два прибора высокого разрешения – классический масс-спектрометр с двойной (электрической и магнитной) фокусировкой Thermo Electron DFS (Double Focusing System) и времяпролетный масс-спектрометр Bruker micrOTOFQ. Основные выполняемые задачи – установление элементного состава соединений.
-
Рис. Времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения Bruker micrOTOFQ с жидкостным хроматографом Agilent 1100
-
Новые возможности перед масс-спектрометрией открылись при совместном использовании масс-спектрометра и хроматографа и созданием таким образом хроматомасс-спектрометрии. Основная задача, решаемая этим методом, − разделение, идентификация и количественный анализ веществ. Магнитные масс-спектрометры имеют широкое применение в различных областях науки и техники, однако они имеют и предельные недостатки, в частности относительно низкую скорость измерений, большие габариты, массу и др.
-
-
-
Хромато-масс-спектрометр 1200 на основе трансмиссионного квадруполя Масс-спектрометромс индуктивно-связанной плазмой
-
Времяпролетный масс-спектрометр ЛЮМАС-50 в составе газоаналитического комплекса для контроля технологического процесса
-
Применение масс-спектрометрии
1.Идентификация и установление строения вещества Точное значение относительной молекулярной массы, полученной из измерения в масс-спектре тока молекулярных ионов, необходимо для установления молекулярной формулы вещества. Установив молекулярную формулу вещества, можно определять химическое строение молекулы. На основе брутто-формулы для органических соединений вычисляют фактор непредельности, который состоит в том, что замещая галоген на СН3, а кислород или серу на СН2 и азот на СН-группу, получаем формулу углеводорода. Дальнейший ход расшифровки масс-спектра основывается на закономерностях фрагментации. Спектр, содержащий много осколочных ионов, интенсивность пиков которых увеличивается с уменьшением m/е, как правило, соответствует алифатическому углеводороду или его производному. Ароматические соединения имеют интенсивный пик молекулярного иона. Главные осколочные ионы позволяют выяснить основные направления диссоциативной ионизации. Широкое применение для установления структуры молекул масс-спектрометрия нашла в органической химии, поскольку гомологические ряды позволяют выявить закономерности, связывающие химическое строение и масс-спектр.
-
-
2. Определение потенциала ионизации молекул и появления ионов Расчет энергий разрыва химических связей. При ионизации переход от молекулы к иону происходит без изменения геометрии ядерной конфигурации, т.е. вертикально, то в результате получают ион в возбужденном состоянии, т.к. потенциальная кривая или поверхность иона сдвинута по отношению к нейтральной молекуле. Потенциал ионизации, соответствующий переходу с нулевого колебательного уровня молекулы на нулевой колебательный уровень электронного состояния, называется адиабатическим потенциалом ионизации. В эксперименте при ионизации электронным ударом в основном осуществляется вертикальный переход на верхние колебательные уровни с образованием возбужденного иона. Следовательно, измерения приводят не к адиабатическим, а к вертикальным потенциалам ионизации, которые всегда больше первых. Задача экспериментатора − приблизить условия ионизации к адиабатическим.
-
При определении потенциалов ионизации проводят регистрацию ионного тока в зависимости от напряжения, ускоряющего ионизирующие ионы, т.е. от их энергии Е. При этом получают так называемые кривые эффективности ионизации I (E), соответствующие кривым σ (Е) (рис. 1.12).
-
В связи немонохроматичностью ионизирующих электронов и распределением ионов по колебательно-вращательным уровням энергии начальный участок кривой I (E) имеет пологий подъем, а затем переходит в линейную область. Поэтому экстрополяция линейного участка до пересечения с осью абсцисс дает завышенные значения потенциалов ионизации, являющиеся их верхним пределом. Для увеличения точности определения потенциалов ионизации методом электронного удара применяют специальные методы, увеличивающие моноэнергетичность электронов. Съемка кривых эффективности ионизации веществ, молекулы (или атома) которые имеют известные потенциалы ионизации и одинаковую линейную часть этих кривых, позволяют скорректировать определение потенциала ионизации исследуемого вещества.
-
Использование такого стандарта более надежно, если ионизационные потенциалы объекта и стандарта имеют близкие значения. При диссоциативной ионизации наблюдают осколочные ионы, для которых могут быть получены кривые эффективности ионизации. Для этого проводят измерение ионного тока исследуемого иона Е. Потенциал появления иона (ПП) при диссоциативной ионизации на ион R1+ и радикал R2 запишется в виде:
-
3. Качественный и количественный 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. Для надежной идентификации необходимо наряду со спектром неизвестного вещества экспериментально получить и масс-спектр вещества с предполагаемой. Существующие библиотеки масс-спектров насчитывают до 150000 спектров различных соединений. Имеются и специализированные библиотеки масс-спектров для отдельных классов веществ - пестицидов, лекарственных средств. С помощью масс-спектрометрии можно проводить как вещественный, так и элементный количественный анализ.
-
Схема устройства масс-спектрометра и масс-спектр атома хлора
-
Вещественный анализосуществляют обычно в сочетании с хроматографическим разделением. Чаще всего для этого используют газовую хроматографию. В ходе хроматографического процесса регистрируют во времени интенсивность какого-либо пика с определенным массовым числом. В результате получается зависимость сигнала детектора от времени, как и в любом виде хроматографии. Сочетание методов разделения и масс-спектрометрического определения возможно и в форме так называемой тандемной масс-спектрометрии. Здесь последовательно используют два масс-спектрометра. Первый служит для выделения молекулярных пиков отдельных веществ из масс-спектра их смеси, второй − для фрагментации выделенных веществ с целью их идентификации.
-
Для количественного анализа можно использовать и масс-спектр как таковой. Для этого следует выбрать некоторый пик, принадлежащий определяемому компоненту, и измерить его интенсивность. Для исключения влияния условий эксперимента используют внутренний стандарт− обычно изотопную разновидность определяемого вещества или его гомолог. Элементный анализосуществляют путем ионизации образца в электрической искре, индуктивно-связанной плазме или тлеющем разряде. Искровой ионизацией анализируют главным образом твердые образцы. Масс-спектрометрия с ИСП стала важным методом анализа растворов, позволяющим определять любые элементы с массовыми числами начиная от 3. Метод масс-спектрометрии применяется и для исследования поверхностипри анализе материалов.
-
A typical 1-50 amu mass spectrum of the linear quadrupole mass spectrometer employed. The spectrum was obtained in a closed system, and represents residual air gases plus those from vacuum wall outgassing
-
-
-
Джон Азара разбил с помощью энзима трипсина белок на фрагменты (или пептиды), состоящие из 10-20 аминокислот. Затем пептиды разделили с помощью жидкостной хроматографии и распылили в масс-спектрометре (фото с сайта med.harvard.edu).
-
Исследователи из медицинской школы Гарварда и её же медицинского центра Beth Israel Deaconess построили последовательности аминокислот коллагенов тираннозавра (жившего 68 миллионов лет назад) и мастодонта (жившего 0,5 миллиона лет назад). Вверху: масс-спектры найденных коллагенов (иллюстрация Zina Deretsky, National Science Foundation).
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Международная группа специалистов создала масс-спектрометр на основе миниатюрной наноэлектро- механической системы Процесс определения массы молекул в традиционном масс-спектрометре разбит на два основных этапа: сначала проводится ионизация образцов, а затем полученные ионы сортируются по отношению массы к заряду с помощью магнитного или электрического поля. Новая технология позволяет заметно упростить процедуру измерения; в качестве чувствительного элемента авторы использовали резонаторы длиной 2 мкм и шириной 100 нм, которые колеблются с высокой частотой, находящейся в прямой зависимости от их массы. При попадании молекулы на резонатор частота колебаний уменьшается, после чего зарегистрированная величина этого сдвига преобразуется в единицы массы.
-
ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
Для анализа следовых количеств летучих и полулетучих органических соединений наиболее информативным и надежным методом анализа является хромато-масс-спектрометрия. При анализе летучих соединений применяется концентрирование на сорбенте с последующей десорбцией (метод Purge&Trap).
-
-
-
-
-
-
Сравнение спектра вещества с временем удерживания морфина (рис.11) и сравнение со спектром морфина, заложенным в банк данных (рис.12). Рис. 11. Рис. 12.
-
-
Газохроматографический анализ нефтей и конденсатов и их сравнение с помощью "звездных" диаграмм, построенных по величинам отношений выбранных пар хроматографических пиков
-
-
Результаты исследования водных экстрактов из окурков с помощью хромато-масс-спектрометрии. (Рисунок из Ind. Eng. Chem. Res., DOI: 10.1021/ie100168s)
-
-
-
Сейчас
-
-
Задание на дом: Подготовить презентацию на тему: «Применение масс-спектрометрии при оценке загрязнений окружающей среды» Хроматомасс-спектрометрические пики:1-гомоцистеин; 2-метилмалоновая кислота
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.