ТеорИмба

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия является одним из важнейших методов изучения органических веществ. С использованием этого метода можно определить молекулярную массу органического соединения и его строение, а массспектрометрия высокого разрешения позволяет определить даже его элементный состав. Масс-спектрометрия характеризуется чрезвычайно высокой чувствительностью и позволяет обнаруживать и количественно определять микро- и следовые количества органических соединений в больших объемах газов и жидкостей, а также в биологических системах.

Ионизацией называют явление перехода нейтрального атома или молекулы в заряженную частицу в результате удаления или присоединения одного или нескольких электронов (за счёт отщепления гидрид-иона, либо присоединением катиона).

Прибор, используемый для получения масс-спектра, называется массcпектрометром. На рисунке 1 приведена его блок-схема.

Рис. 1. Блок-схема устройства масс-спектрометра.

1

От вида системы ионизации масс-спектрометра зависит возможность анализа данного соединения (возможно ли таким способом получить молекулярный ион) и вид получаемого иона ( молекулярный или осколочный ион), а от устройства блока разделения ионов зависит точность определения массы получаемых ионов, и эффективность разделения ионов, имеющих близкие массы.

Наблюдаемые в масс-спектрах массы молекулярного иона и фрагментов используются для определения химического состава, изотопного распределения соединения или для выяснения химической структуры молекул.

В масс-спетрометрии имеют дело со следующими молекулярными массами:

1.Номинальная молекулярная масса − масса, рассчитанная суммированием целочисленных атомных масс наиболее распространенных изотопов элементов.

2.Моноизотопная молекулярная масса − масса, рассчитанная суммированием точных атомных масс наиболее распространенных изотопов элементов, вместо усреднения массы по изотопному составу.

3.Средняя молекулярная масса − масса, рассчитанная суммированием средних атомных масс элементов входящих в состав соединения.

Единицами измерения массы являются атомные единицы массы (а.е.м.) и Дальтоны (Да), 1 а.е.м. = 1 Да ≈ 1.6605402×10−27 кг.

Рассмотрим физические принципы, лежащие в основе масс-

спетрометрии. На частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v в магнитном поле с индукцией B, действует сила Лоренца (рис. 2).

FЛ = q × v × B ×sin a

С другой стороны, сила Лоренца является центробежной силой, и ее величина будет определяться следующим выражением:

FЛ = m R× v2 ,

где R – радиус окружности, по которой будет вращаться заряженная частица массой m в магнитном поле, тогда

2

R = m × v

q × B ×sin a

Рис. 2. Движение частицы в магнитном поле.

Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле и угол между векторами ее скорости и индукции поля равен 90°, то

R= m × v q × B

Таким образом, радиус окружности (R), по которой будет совершать вращение заряженная частица в магнитном поле, будет пропорциональна отношению массы этой частицы к ее заряду.

В результате в масс-спектроскопии под масс-спектром понимают график интенсивности сигнала ионов в зависимости от отношения их массы к заряду.

Основные способы ионизации Электронная ионизация (electron ionization, EI)

При данном виде ионизации вещества используется поток электронов с высокой энергией. На рисунке 3 приведена схема устройства ионизационной камеры в которой происходит ионизация.

3

происходит распад молекулярного иона на две частицы, одна из которых – ион с меньшей массой (осколочный ион), вторая – радикал или нейтральный фрагмент.

В зависимости от устойчивости молекулярного иона, он может либо преобладать в спектре, либо же содержаться в незначительных количествах по сравнения с осколочными фрагментами. В ряде случаев молекулярный ион может отсутствовать вовсе, что существенно затрудняет идентификацию соединения.

Весьма важная информация заключается в характере фрагментации. Соединения, принадлежащие к одному и тому же классу, имеют сходную картину распада молекулярного иона. Масс-спектр органического соединения, записанный в условиях электронной ионизации, обладает высокой индивидуальностью. В условиях электронной ионизации принято использовать бомбардирующие электроны, обладающие энергией 70 эВ, так как при этих условиях удается получить воспроизводимые результаты ионизации.

Преимущества метода электронной ионизации :

•Наиболее изученный метод ионизации,

•Может использоваться для ионизации практически любых летучих соединений, особое распространение данный метод ионизации нашел в сочетании с газовой хроматографией;

•Высокая воспроизводимость спектров;

•Фрагментация позволяет получить информацию о строении соединения, идентификация соединений производиться на основание сравнения полученного спектра со спектрами из базы данных.

Недостатки метода электронной ионизации :

•Анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью , Диапазон масс: до 1000 Да;

•Частое отсутствие или низкая интенсивность в полученных спектрах соединений сигнала молекулярного иона затрудняет идентификацию.

Химическая ионизация (chemical ionization, CI)

При ионизации электронным ударом происходит непосредственная передача энергии молекуле аналита, в методе же химической ионизации перенос энергии происходит посредствам промежуточного химического агента в качестве которого

5

используется газ – реагент ( метан, изобутан). Давление при химической ионизации поддерживается до 1 мм рт. ст.

1.При взаимодействии газа-реагента с ионизирующими электронами происходит образование первичных ионов газа-реагента (энергия электронов 70-200 эВ). Например, из метана возникают следующие ионы:

CH 4 + e ® CH 4 +• + 2e

CH 4 +• ® CH 3+ + H •

2.При увеличении давления в источнике происходят столкновения между первичными ионами и нейтральными молекулами газа-реагента, приводящие к образованию вторичных ионов. В результате чего образуются следующие вторичные ионы:

CH 4 +• + CH 4 ® CH 5 + + CH 3•

CH 3+ + CH 4 ® C2 H5+ + H 2

и так далее.

Полученные таким образом ионы попадают в ионизационную камеру, где взаимодействуют с молекулами исследуемого вещества, предварительно переведенными в газообразное состояние. В итоге в ионизационной камере между ними могут протекать следующие реакции:

а) протонирование:

M + CH 5 + ® MH + + CH 4

б) перезарядка:

M + CH 4 + ® M +• + CH 4

в) электрофильное присоединение:

M + C2 H5 + ® [M + C2 H5 ]+

Преимущества метода химической ионизации:

•Позволяет получить информацию о молекулярной массе соединения, так как чаще всего фрагментация незначительная или отсутствует вовсе;

•Масс-спектр намного проще, чем при ионизации электронами.

Недостатки метода химической ионизации:

6

•Как и в случае электронной ионизации, анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью, Диапазон масс: как и в случае электронной ионизации до 1000 Да;

•Поскольку осколочных ионов практически не образуется, невозможно получить информацию о строении вещества;

•Результат сильно зависит от типа газа-реагента, его давления, времени взаимодействия с веществом, поэтому очень трудно добиться воспроизводимых результатов.

•

Ионизация электрическим полем (field ionization, FI) и полевая десорбция (field desorption, FD)

Ключевую роль играет проволочный эмиттер, поверхность которого покрыта микроиглами. Между эмиттером и ускоряющим катодом поддерживается разность потенциалов 8–10 кВ. За счет малого радиуса кривизны, на концах игл создается высокая напряженность электрического поля. Молекулярные орбитали вещества под действием поля искривляются, и происходит туннелирование электронов из молекулы на эмиттер. Благодаря этому происходит ионизация молекул. Образующиеся ионы выталкиваются одноименно заряженным анодом (рисунок 4).

Рис. 4. Ионизация электрическим полем.

7

Ионизация электрическим полем (FI) применяется для получения массспектров газообразных соединений, эмиттер находится в заполненной газомвеществом камере. Для ионизации жидкостей и твердых веществ используется ионизация десорбцией электрическим полем (FD) когда вещество непосредственно наносится на эмиттер. Образец наносится на эмиттер путем упаривания раствора.

Большое значение в обоих случаях имеет качество эмиттера. Приготовление эмиттера является сложной технической задачей и получаемый образец крайне хрупок.

Метод ионизации полем позволяет получать высокостабильные ионы M+• и [M+H]+, и вследствие малого количества энергии переданной веществу не происходит фрагметация полученного иона.

Это, наряду с другими недостатками, привело к тому, что методы FI и FD получили пока ограниченное распространение.

Преимущества ионизации полем:

•Масс-спектр содержит зачастую только сигнал молекулярного иона;

•Дает хорошие результаты при анализе органических соединений, полимеров

снебольшой молекулярной массой и металлорганических соединений. Диапазон масс: в случае FD до 2000–3000 Да.

Недостатки ионизации полем:

•Хрупкость эмиттера и трудности его изготовления;

•Для ионизации полем вещество должно обладать достаточной летучестью, Диапазон масс: в случае FI до 1000 Да;

•Для FD из-за небольших размеров эмиттера необходимо строго; контролировать количество наносимого вещества (не более 10–5 г);

•Анализ требует продолжительного времени.

Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД, ХИАД)

В ионном источнике под большим давлением распыляется раствор аналита, смешиваясь с потоком нагретого газа (азот, воздух), он превращается в аэрозоль. Микрокапли аэрозоля с большой скоростью поступают в прогретую область, где из них происходит испарение, как растворителя, так и переход анализируемого вещества в газообразное состояние. Этот газ поступает в область ионизации

8

(коронный разряд или эмиттер β- частиц), где происходит ионизация молекул газаносителя и растворителя (рисунок 5).

Рис. 5. Химическая ионизация при атмосферном давлении Далее по механизму химической ионизации происходит взаимодействие

образующихся ионов с молекулами исследуемого вещества, приводящее к их протонированию (ионы [M+H]+) или отщеплению от них протона (ионы [M - H]-) (рисунок 6).

Рис. 6. Механизм образования ионов аналита при химической ионизации при атмосферном давлении

Достоинствами метода являются высокая чувствительность, удобно использовать совместно с ВЭЖХ. Недостатками же являются сильная зависимость спектров от параметров ионизации, ограниченная информативность масс-спектров.

9

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ)

Воснове метода матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации лежит облучение вещества лучом лазера, в результате которого происходит его электронное или колебательное возбуждение и ионизация. Взаимодействию лазером подвергается исследуемое вещество не в индивидуальном виде, а смешанное с другим веществом, выполняемым функцию матрици в соотношении ~1:5000. Роль матрицы заключается в абсорбции энергии излучения лазера, что предотвращает разрушение анализируемых молекул в результате их облучения в процессе ионизации.

Вкачестве матриц обычно используются различные органические кислоты, хотя в некоторых случаях находят применения и другие органические соединения (рисунок 7)

Рис. 7. Вещества, используемые в качестве матрицы при МАЛДИ.

Исследуемое вещество и матрица наносятся на специальную подложку (мишень), которая затем помещается через систему шлюзов в прибор МАЛДИ и

10