Содержание
-
1 Учреждение Российской академии наук Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН http://ineos.ac.ru/crown270 раздел:
-
Рекомендуемая литература
2 А. Т. Лебедев "МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ" МОСКВА БИНОМ Лаборатория знаний 2003 В. И. Сорокин, В. А. Озерянский "МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ МЕТОДЫ ИОНИЗАЦИИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ " Методическое пособие к спецкурсу «Спектральная идентификация органических соединений» «Что в имени твоем, масс-спектрометрия?» (К вопросу о терминах "масс-спектрометрия" и "масс-спектрометр") Н.А.Понькин ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" http://ineos.ac.ru/crown270 раздел:
-
Области применения масс-спектрометрии
3 Химический и структурный анализ Элементный анализ Хромато-масс-спектрометры. ГХ и ЖХ системы. Биохимия Протеомика Клиническая химия Косметика Допинги, наркотики Контроль окружающей среды Пищевые продукты Сельское хозяйство Криминалистика Органическая химия Парфюмерия и ароматизаторы Нефти Нефтехимия Фармацевтика Полимеры Токсикология Изотопный анализ
-
4 Изотопный анализ Химический и структурный анализ Элементный анализ Масс-спектрометры для анализа стабильных изотопов в газовой фазе Термоионизационные масс-спектрометры Сельское хозяйство Климатические исследования Клиническая химия Медицинская диагностика Пищевые продукты Ароматические вещества Алкогольные напитки Допинг контроль Геология Гидрология Петрография и минералогия Нефть Криминалистика Геохронология Ядерная энергетика Контроль окружающей среды
-
5 Изотопный анализ Химический и структурный анализ Элементный анализ Масс-спектрометры с индуктивно- связанной плазмой Археология Косметика Экология Общая химия Металлургия Ядерная энергетика Геохимия Продукты питания Медицина и токсикология Фармацевтика Полупроводниковая промышленность Криминалистика Нефти и нефтепродукты
-
Классификация масс-спектрометров
6 Исследование и анализ вещества: по агрегатному состоянию веществ: газов жидкостей твердых тел плазмы по виду анализов изотопный анализ элементный анализ химический анализ определение структуры молекул определение структуры вещества Масс анализаторы Источники ионов Устройства детектирования ионов
-
7 Исследование и анализ вещества: Статические: магнитные секторные секторные с двойной фокусировкой со скрещенными электрическими магнитными полями Масс анализаторы Источники ионов Устройства детектирования ионов Динамические : времяпролетные квадрупольные монопольные ионные ловушки радиочастотные магниторезонансные с Фурье преобразованием ускорительные
-
8 Исследование и анализ вещества: с электронным ударом с диссоциативным захватом электронов с поверхностной ионизацией с термоионизацией с индуктивно-связанной плазмой с тлеющим разрядом с искровым разрядом с дуговым разрядом с фотоионизацией с лазерной десорбцией и ионизацией Масс анализаторы Источники ионов Устройства детектирования ионов с полевой ионизацией с коронным разрядом с вторичной ионной эмиссией с ионизацией нейтральными частицами с ионизацией при электрораспылении с химической ионизацией с ионизацией осколками спонтанного деления 252Cf без ионизации (для плазмы) комбинированные
-
9 Исследование и анализ вещества: однолучевые приемники ионов многолучевые приемники ионов вторичные электронные умножители ионно-электронные преобразователи микроканальные пластины ионно-чувствительные пластинки (фотопластинки) Масс анализаторы Источники ионов Устройства детектирования ионов
-
10 Методы ввода проб Способы развертки по массам ионов Способ регистрации ионов: АЦП сигнала электрометрического усилителя регистрация интегральных токов счет ионов почернение эмульсии фотопластинки
-
11 Методы ввода проб Способы развертки по массам ионов Способ регистрации ионов: ввод газовой пробы ввод газовых проб и эталонов мембранный ввод газообразной пробы газовый хроматограф – масс-спектрометр жидкостный хроматограф – масс-спектрометр капиллярный электрофорез – масс-спектрометр ввод твердофазных проб – шлюзование ввод твердофазных проб – барабан испарение проб в источнике ионов из тигля испарение пробы лазером масс-спектрометр, встроенный в установку
-
12 Методы ввода проб Способы развертки по массам ионов Способ регистрации ионов: ручная настройка на пик непрерывная развертка ступенчатая развертка вывод накопленных ионов (ионная ловушка) регистрация по времени пролета без развертки (на фотопластинке, многолучевые детекторы)
-
Блок-схема масс-спектрометра
13 Система ввода Ионизация Разделение ионов Регистрация Обработка информации
-
Основные понятия
14
-
15
-
Система ввода образца
16 Баллон напуска Прямой ввод Мембранный ввод Хроматомасс (газовая хроматография) Жидкостная хроматография Ленточный транспортёр Прямой ввод жидкости Поток частиц Термораспыление (электрораспыления при атмосферном давлении, ИЭР) Сверхкритическая флюидная хроматография—масс-спектрометрия, СФХ-МС Капиллярный электрофорез
-
Система ввода проб
17 Ионный источник К насосу Вход Баллон напуска Устарел. В настоящее время практически не используется Недостатки: Необходимость перевода вещества в газовую фазу в условиях неглубокого вакуума, что для многих образцов проблематично Большой расход вещества
-
18 Прямой ввод Электронный удар Химическая онизация Методы ионизации:
-
19 Прямой ввод Перевод в газовую фазу широкого круга органических соединений Можно подобрать оптимальную температуру съемки для качественного масс-спектра Можно анализировать смеси соединений с разной степенью летучести Требуется малое количество образца для анализа Недостатки: Термодеструкция вещества При значительной разнице температур источника и ввода пробы происходит конденсация образца на стенках источника. Положение образца относительно пучка электрона влияет на процессы деструкции и фокусировку Преимущества:
-
20 Размещение мембраны вне источника ионов Размещение мембраны внутри источника ионов Мембранныйввод
-
21 Мембранныйввод Недостатки: Требования к анализируемому веществу: Летучесть вещества с проверхности мембраны растворимость или адсорбируемость вещества в материале мембраны, обладание высоким коэффициентом диффузии. Подбор материала мембраны Селективность в пропускании веществ различной природы; Метод эффективен для анализа загрязнения воды, воздуха биологических процессов, т.к. мембрана не попускает воду, неорганические газы и соли Преимущества:
-
22 Хроматомасс-спектрометрия Газовая хроматография Высокоэффективная жидкостная хроматография Химическая ионизация при атмосферном давлении, Электрораспыление, электроспрей Суть метода: Анализа смесей органических соединений и заключается в их разделении на колонке хроматографа с последовательным выходом компонентов из колонки в ионный источник масс-спектрометра Методы ионизации:
-
23 Хроматомасс-спектрометрия Вид и площадь наблюдаемого сигнала хроматографического пика в зависимости от скорости сканирования, а — аналоговый сигнал; б — за время выхода компонента зарегистрировано 13 масс-спектров; в — за время выхода компонента зарегистрировано 7 масс-спектров; г —за время выхода компонента зарегистрировано 3 масс-спектра Насос (жидкая фаза) Хр. Колонка (разделение) МАСС-спектрометр Инжектор (ввод пробы)
-
24 Хроматомасс-спектрометрия анализ смесей органических соединений в газовой или жидкой фазах Важный параметр — время удерживания определение ультрамикро-компоненты на фоне высоких концентраций других соединений Преимущества: Недостатки: Давление в ионом источнике выше идеального Необходима быстрая скорость сканирования, т.к. концентрация вещества быстро меняется число соединений, которые можно проанализировать методом, значительно меньше, чем с прямым вводом. ,
-
25 Хроматомасс-спектрометрия Ленточный транспортёр Устарел термическая ионизация
-
26 Хроматомасс-спектрометрия Недостатки: Использование стандартных библиотек масс-спектров электронного удара для идентификации веществ. Работа со стандартными колонками для жидкостной хроматографии (1.5 мл/мин). Неорганические соли, используемые в качестве буфера при хроматографировании, не мешают анализу. Требуется термический перевод вещества в газовую фазу; Лента транспортера примерно через 10 прохождений оказывается загрязненной Преимущества: Замещён методом «Поток частиц» Ленточный транспортёр Устарел
-
27 Хроматомасс-спектрометрия Прямой ввод жидкости Диафрагма2-5 мкм Устарел Недостатки: отверстие диафрагмы постоянно забивается; добавки неорганических солей к подвижной фазе приводят к быстрому ухудшению работы масс-спектрометра; требуется либо разделять поток из стандартных хроматографических колонок, уменьшая чувствительность метода ~ в 20 раз, либо использовать узкие колонки. химическая ионизация
-
28 Хроматомасс-спектрометрия Поток частиц химическая или электронной ионизация. Поток от 0,1 до 1,0 мл/мин. Устарел
-
29 Хроматомасс-спектрометрия Недостатки: невозможностью работы с высокомолекулярными, нелетучими и термолабильными соединениями. Получение спектров электронного удара (библиотеки веществ) Поток от 0,1 до 1,0 мл/мин. Чувствительность метода (10-9 г). Преимущества: Поток частиц Устарел
-
30 Хроматомасс-спектрометрия Термораспыление или термоспрей 0,1 мм Образец Растворитель
-
31 Хроматомасс-спектрометрия Термораспыление или термоспрей Диаметр капилляра 0,1 мм, что значительно уменьшает случаи закупорки Чувствительность метода 10-9÷ 10-3 г. поток жидкой фазы от 0,5 до 2,0 мл/мин, что позволяет работать с обычными аналитическими колонками. Преимущества: Недостатки: Плохая воспроизводимость Зависимость результатов от состава раствора, наличия добавок, температуры капилляра и источника
-
32 Сверхкритическая флюидная хроматография—масс-спектрометрия, СФХ-МС (Supercritical Fluid Chromatography/Mass Spectrometry, SFC/MS) Сверхкритическая флюидная Недостатки: Перевод вещества в газовую фазу при низкой температуре. Эффективно экстрагирует органические соединения разных классов из образцов пищи, полимерных материалов, биоты, объектов окружающей среды Исследуемое вещество находится в условиях, отличных от нормальных Преимущества: Капиллярный электрофорез Биологические молекулы (белков, аддуктов с ДНК и т. д.)
-
Методы ионизации
33 Электронная ионизация Химическая ионизация классический метод – ионизация в газе ионизация при атмосферном давлении, электрораспыление, электроспрей ультразвуковое распыление Ионизация электрическим полем полевая ионизация полевая десорбция Бомбардировка быстрыми атомами Матричная лазерная десорбционная ионизация - MALDI Ионизация фотонами
-
34 M + ē → M+• + 2ē или электронный удар Электронная ионизация Образец Поток электронов
-
35 Наиболее изученный метод ионизации; Может использоваться для ионизации практически любых летучих соединений; Высокая воспроизводимость спектров; Фрагментация позволяет получить информацию о строении соединения; Возможность идентификации соединений сравнением полученного масс-спектра со спектрами из базы данных. Преимущества: Недостатки: Анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; Отсутствие или низкая интенсивность в спектрах многих соединений сигнала молекулярного иона затрудняет идентификацию. Электронная ионизация Диапазон масс: до 1000 Да.
-
36 70±5 эВ Энергии ионизации большинства органических соединений 6 – 12 эВ Электронная ионизация Нестабиль-ный участок M + ē → M+• + 2ē
-
37 Электронная ионизация Энергии появления - минимальная энергия ионизирующих электронов, необходимая для регистрации осколочного иона 1) иметь самую большую массу в спектре; 2) быть нечетноэлектронным; 3) быть способным образовать важнейшие ионы с большой массой за счет выброса реальных нейтральных частиц; 4) включать все элементы, наличие которых в образце можно увидеть по фрагментным ионам. Молекулярный ион:
-
Фрагментация
38 39 65 51 78 93 108 Электронныйудар осколочныйион Молекула 70 эВ меньшая масса,детектируется прибором РадикалX или нейтральный фрагментN не детектируется прибором M+• → [M - N]+•+ N M+• → [M - X]+•+ X
-
Определение элементного состава
39 ионов на основании изотопных пиков Лебедев, с.67.
-
40 H2S C2H5Cl C2H5Br ионов на основании изотопных пиков
-
41 Максимально возможное число атомов углерода в молекуле: [M+H] Мешающий ион: Другие правила: Азотное правило Вклад изотопов углерода в интенсивности пиков изотопных ионов. Определение содержания изотопа 13С в природных образцах Гомологические серии ионов
-
42 1966 г. Мансон и Филд «мягкий» метод ионизации при более высоком давлении (до 1 мм рт. ст.) низкая степень фрагментации Молекулярный ион Осколочныйион Молекула РадикалX или нейтральный фрагментN 200-500 эВ Газ
-
43 Облучение метана электронами а) протонирование: б) перезарядка: в) электрофильное присоединение: г) отрыв аниона: AB + X+→ AX + B+ M + X+→ MX+ M + C2H5+→[M + C2H5]+ M + X+•→ M+• + X M + CH4+•→ M+• + CH4 M + BH+→ MH+ + B M + CH5+→ MH+ + CH4 CH4 + ē→ CH4+• + 2 ē CH4+•→ CH3+ + H• CH4+• + CH4→ CH5+ + СH3• CH3+ + CH4→ C2H5+ + H2 и т.д. Химическая ионизация
-
44 Масс-спектры три-н-бутиламина (Mr = 185), записанные в условиях электронной и химической ионизации Химическая ионизация
-
45 гелий, вода, метан, аммиак, сероуглерод, бензол, этилендиамин, изобутан и т. д. Газ (любое летучее соединение): Химическая ионизация Позволяет получить информацию о молекулярной массе соединения; Масс-спектр намного проще, чем при ионизации электронами. Преимущества: Недостатки: Как и в случае электронной ионизации, анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; Поскольку осколочных ионов практически не образуется, метод в большинстве случаев не позволяет получить информацию о строении вещества; Результат сильно зависит от типа газа-реагента, его давления, времени взаимодействия с веществом, поэтому очень трудно добиться воспроизводимых результатов.
-
46 (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI) Лебедев, с.106 Химическая ионизация при атм. давлении Диапазон масс: не более 1200 Да. Принципиальная схема источника ионов, работающего при атмосферном давлении
-
47 Химическая ионизация при атм. давлении Электрораспыление, ионизация распылением в электрическом поле, электроспрей, термоспрей,ИЭР, ESI-MASS ионоспрей Газ
-
48 Электроспрей
-
49 ГАЗ ГАЗ ВХОДНОЙ КОНУС КОНУС ЭКСТРАКЦИИ ГЕКСАНОЛЬ Химическая ионизация при атм. давлении Только заряженные частицы Образец Растворитель
-
50 Качественный масс-спектр можно получить при вводе в прибор менее одного аттомоля (10-18 М) вещества. Химическая ионизация при атм. давлении Скорость потока: Классический – 1-40 мкл/мин; Электроспрей – до 200 мкл/мин; Наноспрей – несколько нл/мин Особенности метода Предварительное разделение веществ. Однозарядные до 150 000 Да Многозарядные 500 - 3 000 Да Диапазон масс: рекорд: 28-35 тыс. Да
-
51 Пример объектов, изучаемых методом электроспрей ИР-МАСС спектр раствора L в присутствии катиона Zn2+ (CL=310‑4 моль/л, CZn(ClO4)2=110‑4 моль/л, MeCN). L
-
52 Ультразвуковое распыление (Sonic Spray) Применяется для анализа лекарственных препаратов и их метаболитов. Химическая ионизация при атм. давлении
-
53 Преимущества: Прекрасно подходит для получения масс-спектров полярных и ионных соединений; Позволяет анализировать вещества, растворённые в газе или жидком растворителе, что делает возможным использовать одновременно хроматографический и масс-спектральный анализ сложных и/или нелетучих объектов. «Мягкая» ионизация, фрагментация или отсутствует, или незначительна; Образование мультизарядных ионов расширяет диапазон детектируемых масс; Высокая чувствительность; Фрагментацией можно управлять, изменяя электрическое напряжение на капилляре. Недостатки: Не подходит для анализа неполярных или слабополярных соединений; Метод чувствителен к присутствию в растворе посторонних примесей; Достаточно сложное аппаратное оформление. Химическая ионизация при атм. давлении
-
54 Полевая ионизация (field ionization, FI) и полевая десорбция (field desorption, FD) Ионизация электрическим полем Требование к объектам исследования и способ ввода:
-
55 Схема установки для ионизации полевой десорбцией (FD) Эмиттер под микроскопом Тонкие углеродные иглы Ионизация электрическим полем
-
56 92.059 92.059 Ионизация электрическим полем
-
57 Масс-спектр содержит зачастую только сигнал молекулярного иона; Дает хорошие результаты при анализе органических соединений, полимеров с небольшой молекулярной массой и металлорганических соединений. Преимущества: Недостатки: Хрупкость эмиттера и трудности его изготовления; Для FI вещество должно обладать достаточной летучестью; Для FD из-за небольших размеров эмиттера необходимо строго контроли- ровать количество наносимого вещества (не более 10–5 г); Анализ требует продолжительного времени. Ионизация электрическим полем Потенциал эмитера 8–10 кВ Туннелирование электронов из молекулы на эмиттер Передаваемая энергия – доли электрон-вольт (ниже, чем в условиях химической ионизации) Диапазон масс: В случае FI до 1000, для FD до 2000–3000 Да. Особенности метода:
-
58 (fast atom bombard-ment, FAB) и масс-спектрометрия вторичных ионов с ионизацией в жидкой фазе (liquid secondary ion mass spectrometry, LSIMS) Лебедев, 102 Диапазон масс: от 200 до 2000, в некоторых случаях до 5000 Да. Раствор вещества, нанесенного на металлическую подложку Бомбардировка быстрыми атомами обычно -инертные газы матрица- нелетучее соединение, глицерин
-
59 Метод бомбардировки быстрыми атомами в проточном варианте Бомбардировка быстрыми атомами
-
60 Быстрое получение масс-спектра; Отсутствует необходимость в использовании высокой температуры, что позволяет анализировать термически лабильные соединения; Дает хорошие результаты для широкого спектра образцов, в частности, позволяет получать масс-спектры ионных соединений. . Преимущества: Недостатки: Аналит должен хорошо растворяться в матрице Высокий уровень шумов, что требует введения больших количеств образца; В области низких масс доминируют ионы матрицы. Бомбардировка быстрыми атомами Существенно влияет масса разогнанных частиц первичного пучка на выход ионов.
-
61 при содействии матрицы (matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI) Лебедев, с.112. Диапазон масс:до 500 тыс. Да. Матричная лазерная десорбционная ионизация,МЛДИ
-
62 Быстрое получение масс-спектра; «Мягкая» ионизация, фрагментация или отсутствует, или незначительна; Очень большой диапазон анализируемых масс, что позволяет анализировать сложные биомолекулы. Преимущества: Недостатки: Отсутствие фрагментации не позволяет судить о структуре; Требуется специальный анализатор, совместимый с импульсным режимом работы; Вид спектра чувствителен к типу используемой матрицы; В области низких масс доминируют ионы матрицы. Сложные биоорганическе молекулы, полипептиды, белки, нуклеотиды, полисахариды, синтетические полимеры, гуминовые кислоты, фуллерены, органические комплексные соединения и т. д. Область применения: Матричная лазерная десорбционная ионизация,МЛДИ Диапазон масс:до 500 тыс. Да.
-
63 (Photoionization) Лебедев, с.92. Энергии 1 эВ соответствует длина волны 12395 А. Получить монохроматический пучок фотонов значительно проще, чем пучок электронов. Энергии фотонов, излучаемых инертными газами в условиях тлеющего разряда, 10-40 эВ, что позволяет ионизировать любые органические соединения. Полная передача энергии при взаимодействии излучения с молекулой вещества. Преимущества: Недостатки: экспериментальные сложности, незначительной фрагментацией молекулярных ионов, зависимость фрагментации от энергии фотонов, необходимостью переводить анализируемый образец в газовую фазу, как и в случае электронного удара. He → He* + hν Ar → Ar* + hν Тип He I: Тип Ar I: E=21,22 эВ, λ=584.3 Å E=11,62 эВ, λ=1066.7Å Основные источники фотонов – инертные газы Ионизация фотонами
-
64 Химическая ионизация отрицательных ионов (Лебедев, с.96.) Пульсирующая химическая ионизация (Pulsed Positive, Negative Ion Chemical Ionization Mass Spectrometry, Лебедев, с.98) Десорбционная (прямая) химическая ионизация, ДХИ (Direct (Desorption) Chemical Ionization, DCI, Лебедев, с.98) Пиролитическая масс-спектрометрия (Лебедев, с.121) Плазменная десорбционная масс-спектрометрия (Plasma Desorption Mass Spectrometry, PDMS, Лебедев, с.101, только ссылки на лит-ру) и другие методы Другие методы ионизации
-
Дополнительная информация
65 Лебедев, с.86. Когда обычного спектра электронного удара недостаточно Получение пика молекулярного иона "мягким" методом Химическаяионизация Полевая ионизация Термоспрей (ЭИР) Проблема пиков примесей прямого ввода хроматомасс-спектрометрия. информация о точном элементном составе молекулярного и фрагментных ионов масс-спектрометрии высокого разрешения Другие методы спектры метастабильных ионов спектры активации соударением изотопная метка Аналог элементного анализа
-
Методыразделения ионов
66 Магнитный секторный анализатор (magnetic sector) Квадрупольный анализатор (quadrupole) Ионная ловушка (ion trap) Времяпролетный анализатор (time-of-flight, TOF) Ионный циклотронный резонанс с Фурье преобразованием
-
Магнитный секторный анализатор
67 (magnetic sector) R ~ m/z Преимущества: Высокое разрешение, чувствительность. Недостатки: Не подходит для импульсных ионизационных методов, например, MALDI; Сложности при соединении с источниками ионизации, которые работают при более высоком давлении, например, ESI; Большие размеры; Высокая цена. Диапазон масс и разрешение: способен детектировать ионы с массами до 4000, Да.
-
68 (magnetic sector)
-
Квадрупольный анализатор
69 (quadrupole) Преимущества: Компактный, недорогой, простой в изготовлении; Быстрое сканирование (до 1000 m/z в секунду); Хорошая воспроизводимость спектров. Недостатки: Не подходит для импульсных ионизационных методов, например, MALDI; Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс. Диапазон масс: способен детектировать ионы с массами до 2000.
-
Ионная ловушка
70 (ion trap) Преимущества: Высокая чувствительность; Самый маленький и дешевый из всех применяемых анализаторов; В отличие от ранее описанных анализаторов позволяет работать с импульными методами ионизации. Недостатки: в ионной ловушке протекают реакции между ионами, что приводит к искажению спектров и сложностям при компьютерной идентификации соединений Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс Диапазон масс: для коммерческих приборов до 2000 Да.
-
Времяпролетный анализатор
71 (time-of-flight, TOF) Преимущества: Простое устройство; Теоретически неограниченный предел регистрируемых масс; Высокая скорость записи спектров (до нескольких сотен спектров в секунду); Высокая чувствительность и разрешающая способность. Недостатки: Наиболее подходит для импульсных методов ионизации, работа с непрерывными методами ионизации требует использования более сложных схем; Внутри анализатора необходимо поддерживать очень высокий вакуум. Диапазон масс и разрешение: обычно до 200 тыс., типичное разрешение 10 тыс., для приборов без рефлектрона – 1000 Да.
-
Ионный циклотронный резонанс
72 с Фурье преобразованием (Fourier transform ion cyclotron resonance, FTICR) Регистрируемый временной сигнал (а) и полученный после Фурье преобразования масс-спектр (б)
-
73 Преимущества: Обеспечивает наивысшее среди других анализаторов разрешение; Ионы внутри ячейки могут находиться достаточно продолжительное время. Недостатки: Очень громоздкий и дорогой; Использование сверхпроводящих магнитов требует криогенного охлаждения.
-
74
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.