Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Масс-спектрометрический метод анализа

Читайте также:
  1. frac34; Методические основы идентификации типа информационного метаболизма психики.
  2. I . ОРГАНИЗАЦИОННО - МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
  3. I. Организационно-методические указания
  4. I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
  5. I. Флагелляция как метод БДСМ
  6. II. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
  7. II. Методы защиты коммерческой тайны.

Масс-спектрометрия является методом, при котором образец исследуется в газообразном состоянии в высоком вакууме (10-7кПа или около10-6 мм.рт.ст), подвергаясь ионизации и фрагментации. Образующиеся ионы «сортируются» по отношению их массы к заряду и детектируются. Данный метод сильно зависит от чистоты пробы при прямом введении образца. Примеси сильно искажают получаемые результаты, если они не исследуются намерено. По этой причине исключительно широкое распространение получил метод масс-спектрометрического анализа соединенный с предварительным хроматографическим разделением исследуемых веществ. В зависимости от агрегатного состояния проб появились газовые, жидкостные хроматографы соединенные с масс-спектрометрическим детектором, которые отличаются подачей вещества в масс-детектор.

Процесс ионизации и фрагментации в масс-спектрометре осуществляется посредством электронного удара по исследуемой молекуле. Для этой цели используются ионные источники. Ионный источникпредназначен для образования фрагментарных ионов исследуемого вещества в высоком вакууме и формирования ионного пучка, который направляется далее в масс-анализатор. Наиболее универсальный метод ионизации вещества - электронный удар. Современные ионные источники такого типа построены по следующему (рис. 8.1) принципу:



Рис. 8.1 Схема ионного источника типа источника

Катод источника формирует поток электронов, которые взаимодействуя с молекулами вещества введенной пробы, разбивает вещество на различные фрагменты которые ионизируются. Ионы с минимальным запасом энергии достаточно устойчивы и достигают детектора. Ионы с большим запасом внутренней энергии распадаются на пути движения на ионы с меньшей молекулярной массой (осколочные ионы), характерные для вещества определенного строения. После этого ионы образуют сложный и достаточно индивидуальный для данного вещества набор (ионный луч), который подается в масс-детектор посредством выталкивающего электрода. Для ионизации молекул обычно используют электроны с энергиями 70-100 эВ, которые движутся со скоростью 108 см/с.

Схематично данные процессы можно пояснить следующими схемами для вещества строения «АВС»:

Ионизация с образованием молекулярного иона: АВС + е- → АВС+ + 2е-

Дальнейшая фрагментация молекулярного иона с образованием осколочных ионов:

АВС+ → А+ + ·ВС

АВС+ → ВС+ + ·А

АВС+ → С+ + ·АВ

АВС+ → АВ+ + ·С

Перегруппировка: АВС+ → АС+ + ·В

Типовой масс–спектрометр состоит из следующих устройств (рис.8.2): устройство для подготовки исследуемого вещества к анализу - обычно хроматограф (1); ионный источник (2), где это вещество частично ионизуется и происходит формирование ионного пучка; масс-анализатор (3), в котором происходит разделение ионов по массам, точнее, обычно по величине отношения массы m иона к его заряду e-; приёмник ионов (4), где ионный ток преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается и регистрируется. В регистрирующее устройство (6), помимо информации о количестве ионов (ионный ток), из анализатора поступает также информация о массе ионов. Масс-спектрометр содержит также системы электрического питания и устройства, создающие и поддерживающие высокий вакуум в ионном источнике и анализаторе. Масс-спектрометры соединяют с ЭВМ (7) для обработки получаемых данных. Вакуум, необходимый для работы масс спектрометров создается насосами высокой производительности (9). Общее управление всем процессом обеспечивается устройством управления прибора (8).

 

Рис. 8.2 Типовой масс-спектрометр

 

Масс-анализаторы (детекторы) - устройства для пространственного или временного разделения ионов с различными значениями m/z в магнитном или электрическом полях или их комбинациях. Различают статические и динамические анализаторы. В статических ионы разделяются в постоянных или практически неизменяющихся за время их движения через анализатор магнитных полях. Ионы с различными значениями m/z движутся в таком анализаторе по разным траекториям и фокусируются либо в разных местах фотопластинки, либо последовательно на щель детектора в результате плавного изменения напряженности электрического и магнитного полей анализатора (Рис. 8.3). Исторически первыми были статические анализаторы. Согласно физическим законам траектория заряженных частиц в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны зависит от массы частиц. Именно это используется для анализа ионов по массам. Для того, чтобы увеличить разрешение, на пути ионов устанавливается еще и электростатический анализатор. Для достижения требуемого разрешения магнитные поля создаются очень высоким напряжением (тысячи вольт). Большие размеры детектора требуют сложной системы создания и поддержания высокого вакуума. Для детектирования используется сложная система детекторов ионов. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение и могут использоваться со всеми видами ионизации.

 

 

Рис. 8.3 Принцип работы магнитного масс-спектрометра

 

Несмотря на значительные преимущества современных магнитных масс-анализаторов перед остальными (высокая чувствительность, однозначность идентификации, большой рабочий диапазон масс, широкий линейный диапазон), они обладают двумя основными "недостатками" - эти приборы большие как по размерам, так и по стоимости. Там, где нельзя без них обойтись, им нет альтернативы (органический анализ с высоким разрешением, анализ изотопных соотношений, элементный анализ на предельной чувствительности), но в современном мире существуют тысячи аналитических применений масс-спектрометрии, для многих из них годятся динамические приборы более просто устроенные, имеющие меньшую стоимость и потому широко доступные.

В 1953 Вольфгангом Паулем был описан первый прибор с квадрупольным анализатором. Создание квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии. Первый коммерческий хромато-масс-спектрометр с квадрупольным анализатором был построен в 1967 году. Меньшие размеры детектора позволили резко упростить систему создания вакуума. Квадруполь представляет собой четыре параллельно и симметрично расположенных монополя (электроды круглого сечения размерами 0,6х15 см). К электродам попарно в противоположной полярности подаётся определённая комбинация постоянного и высокочастотного напряжения (U 0 = U + Vcos( ω t), где U - напряжение постоянного тока, Vcos( ω t) — радиочастотная компонента) (Рис.8.4).

.

Рис. 8.4 Квадрупольный анализатор

Под действием небольшого ускоряющего напряжения (10-20 В) ионы влетают в пространство по оси z параллельно осям стержней электродов. Под действием осциллирующего поля, задаваемым электродами, они начинают колебаться вдоль осей x и y. При этом амплитуда колебаний возрастает без изменения направления движения. Ионы, чьи амплитуды достигают высоких значений, нейтрализуются при столкновении с электродами. Фиксированную амплитуду приобретают только те ионы, чье значения m/z будет отвечать определенному соотношению U / V. Последнее позволяет им свободно перемещаться в квадруполе, пройти весь путь и быть, в конечном итоге, детектируемыми. При изменении значений U / V будут детектированы ионы с другим значением m/z и т.д. Изменение значений U / V для всего требуемого диапазона m/z задается генератором развертки. Таким образом, масс-спектр регистрируется путем взаимного изменения значений величин U и V. Данная схема регистрации является очень простой и позволила резко изменить размеры и стоимость масс-спектрометров, которые стали доступны любой лаборатории и легко размещаются на письменном столе.

Другой тип динамического масс-спектрометра называется времяпролетным. Идея времяпролётного масс-анализатора принадлежит Стивенсу, предложившему конструкцию прибора в 1948 году. Первый анализатор был описан и построен Уилли и Мак Лареном в 1955 году. Во времяпролётном масс-анализаторе ионы, образующиеся в ионном источнике, очень коротким электрическим импульсом "вбрасываются" в виде "ионного пакета" через сетку в анализатор. В процессе движения исходный ионный пакет расслаивается на пакеты, состоящие из ионов с одинаковыми значениями m/z. Масс анализатор представляет собой времяпролетную трубу, где отсутствует электрическое поле (бесполевой промежуток). Пролетев некоторое расстояние d, ионы регистрируются детектором ионов с плоской или почти плоской регистрирующей поверхностью. В качестве детектора ионов используется электронный умножитель «жалюзного типа» рис. 8.5.

Рис. 8.5 Принцип работы времяпролетного масс-детектора

Физический принцип работы времяпролётного масс-анализатора заключается в том, что разность потенциалов U ускоряет ионы в источнике ионов до скорости v согласно уравнению:

При фиксированной длине d бесполевого промежутка от источника ионов до детектора ионов время полета t ионов равно:

Тогда отношение m\z пропорционально квадрату времени пребывания в камере:

Времяпролётный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы поступают из источника ионов во времяпролетную часть не непрерывно, а порциями через определенные интервалы времени. К достоинствам времяпролётных масс-анализаторов относится высокий верхний порог детектируемой массы иона (зарегистрирована масса ионов ДНК в 1,5 миллиона m/z). На современных приборах типичный порог чувствительности составляет 50000-100000 m/z. К недостатком первых приборов, в которых ионы молекул, ионизированных в газовой фазе, ускорялись коротким импульсом электрического поля и летели к детектору по прямой, относилось их низкое разрешение из-за начального больцмановского распределения скоростей ионов. Внешний вид и размеры масс-спектрометров приведены на рисунках 8.6; 8.7.

Рис. 8.6 Хромато-масс-спектрометр динамического типа Pegasus 3


Рис. 8.7 Масс-спектрометр МИ1201В (Сумы СССР, 1986)

 

Одна из важнейших характеристик масс-спектрометров - чувствительность. Чувствительность это величина, показывающая какое количество вещества нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы его можно было детектировать. Для простоты рассмотрим связанный с чувствительностью параметр - минимальное определяемое количество вещества, или порог обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хромато-масс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1 пикограмм при вводе 1 микролитра жидкости (!). Если бросить 1 грамм вещества (например, одну таблетку аспирина) в 1000 тонн воды (например, бассейн длиной 50 метров, шириной 10 метров и глубиной 2 метра), тщательно перемешать воду в бассейне, набрать шприцом 1 микролитр этой воды и ввести в хромато-масс-спектрометр, то в результате анализа получится масс-спектр, который можно сравнить с библиотечным спектром и убедиться в том, что это действительно ацетилсалициловая кислота, иначе называемая аспирином.

При ионизации органической молекулы образуется молекулярный ион, в котором далее происходят процессы разрыва связей или разрыва связей с перегруппировкой молекулы и образование осколочных ионов, которые в свою очередь могут подвергаться дальнейшему распаду. Последовательные распады ионов, устанавливаемые из масс-спектра, называются направлениями или путями распада. Направления распада - важная характеристика каждого класса соединений. Совокупность всех направлений распада составляет характерную для каждого органического соединения схему фрагментации. Если масс-спектр прост, схема фрагментации сводится к одному пути распада, например при распаде молекулярного иона СН3ОН+ (32) в спектре метанола (Рис. 8.8), затем последовательно образуются ионы СН2ОН+ (31) и Н-С=О+ (29).

 

Рис.8.8 Масс-спектр метанола

В масс-спектре этанола (Рис. 8.9) после молекулярного иона СН3СН2ОН+ (46) последовательно образуются ионы СН2СН2ОН+ (45), СН2СНО+ (43) и СН2ОН+ (31).

 

Рис. 8.9 Масс-спектр этанола

В случае сложных масс-спектров схема фрагментации отвечает многим, часто перекрывающимся направлениям распада. Молекулярный ион представляет собой ион с наибольшим массовым числом и точно указывает молекулярную массу исследуемого вещества. Данное обстоятельство является очень важным с точки зрения идентификации.

Однако молекулярные ионы образуются лишь у 20% органических соединений. Поэтому метод ХМС хорошо применим только для определения легколетучих термически стабильных соединений. Если введенное вещество при прохождении по хроматографической колонке под действием температуры разлагается, то регистрируемый масс-спектр с его исходной структурой никак не связан.

Большой молекулярный ион наблюдается только тогда, когда его структура достаточно устойчива к электронному удару. Так, ароматические углеводороды имеют высокий молекулярный ион, а н-алканы значительно меньшие молекулярные ионы. На рис. 8.10 приведены масс-спектры н-гексана и бензола, показывающие разницу в высотах молекулярных ионов (у гексана – С6Н14 + 86; у бензола – С6Н6 + 78).

 

 

 

Рис. 8.10 Масс-спектры н-гексана и бензола

 

У разветвленных углеводородов устойчивость молекулярного иона еще ниже: в спектре геометрического изомера гексана – 2-метил пентана высота молекулярного иона значительно меньше, чем у гексана (рис. 8.11).

 

Рис. 8.11 Масс-спектр 2-метил пентана

 

С увеличение молекулярной массы устойчивость углеводородов к электронному удару падает настолько, что молекулярный ион отсутствует совсем. Это обстоятельство сильно затрудняет расшифровку неизвестных спектров углеводородов, и веществ с большой молекулярной массой. Очень часто высота молекулярного иона настолько мала, что соизмерима с высотой ионов просто загрязняющих спектр. Это приводит к ошибкам при идентификации.

Помимо молекулярного иона важное значение имеют закономерности формирования фрагментарных ионов. Анализ масс-спектра сводится к изучению фрагментации. Молекулярный ион распадается не произвольно, а по энергетически благоприятному пути. Поэтому в спектре возникают типичные воспроизводимые фрагменты, имеющие прямую связь с строением молекулы анализируемого вещества. Закономерно возникающие фрагменты сводятся в таблицу и используются при расшифровке спектров. Наиболее часто употребляемые фрагменты приведены в таблице 8.1:

Таблица 8.1

Масс-спектрометрические фрагменты и их массовые числа

Массовое число Фрагмент Соединение
  N+ Гидразины, гидразоны, тетразены
  CH2+ Углеводороды
  CH3+ Углеводороды
  NH2+ Амины, гидразины, гидразоны
  OH+ Ароматические карбоновые кислоты
  H2O+ Спирты, кислоты
  HC=CH+ Ароматические соединения
  HCN+ N содержащие гетероциклы
  C=O+ Фенолы, хиноны
  N2+ Азосоединения, тетразены
  CH2=NH2+ Амины
  CH2=OH+ Спирты, эфиры
  C3H3 Ароматические соединения
  CH3-CH=NH2+ Амины
  (CH3)2N+ Гидразины, гидразоны, амины
  CH3-CH=OH+ Альдегиды
  NO2+ Алифатические нитросоединения
  C4H3+ Ароматические соединения
  SO2+ Сульфонамиды
  C5H5+ Ароматические соединения
  C6 H3+ Ароматические соединения
  C6 H4+ Ароматические соединения
  C6 H5+ Ароматические соединения
  79Br+ Бромсодержащие соединения
  H79Br+ Бромсодержащие соединения
  I+ Йодсодержащие соединения
  HI+ Йодсодержащие соединения

 

Некоторые закономерности формирования спектров:

- перенос протона приводит к формированию ионов (М+1)+ как в молекулярном ионе так и при фрагментации. В молекулярном ионе присоединение протона дает небольшой ион на единицу массы больше молекулярного иона, хорошо наблюдаемый на спектрах с высокими интенсивностями молекулярного иона. Образование иона (М-1)+ также часто наблюдаемое, особенно в спектрах углеводородов;

 

- отщепление у нормальных углеводородов от молекулярного иона фрагментов СН3, СН2 приводящее к образованию соответствующих фрагментов;

- появление в масс спектре ионов высокой интенсивности, при наличии нескольких путей их образования. Их образование регистрируется в спектрах некоторых симметричных молекул;

- циклические молекулы имеют масс-спектр с высокой интенсивностью молекулярного иона;

- в разветвленных углеводородах распад наиболее легко протекает у места разветвления с образованием соответствующих ионов.

- сложные ион-радикалы А-В+· распадаются по схемам:

А-В+· → А+ + В·

А-В+· → А+· + Во

Таким образом, ион-радикалы А-В+· могут элиминировать или радикалы В· или четно-электронные нейтральные молекулы Во.

- сложные ионы А-В+ распадаются по схеме:

А-В+ → А+ + Во

В процессе этого распада образование радикалов исключается.

- При распаде иона А-В+ возможны варианты:

А-В+ → А+ + Во

А-В+ → Ао + В+

Согласно правилу Стивенсона-Одье положительный заряд формируется на фрагменте, который обладает меньшей энергией ионизации.

- разрыв двойной и тройной связи обычно бывает затруднен. Поэтому чаще рвутся связи С-С рядом с двойной или тройной связью:

-образование алкильного иона при отщеплении неалкильного (галогенного, ОR,SR2, NR2 где R=Н или алкил) радикала:

-выброс нейтральной молекулы при простом разрыве двух связей

 

 

В качестве примеров приведены закономерности образования масс-спектров нормальных углеводородов – гексана, гептана, октана в одинаковых условиях снятия спектров (Рис.8.12)

 

Рис. 8.12 Масс-спектры углеводородов: гексана, гептана, октана.

 

Из приведенного рисунка видно, что характерной особенностью формирования масс-спектров предельных углеводородов является наличие ионов, обусловленных потерей группы СН2, имеющей массу 14: (M\z 71→ 57→ 43) для гексана, (M\z 85→ 71→ 57 →43) для гептана и октана. Формирование этих ионов происходит в результате простого разрыва связей с отщеплением алкильного радикала СН3·:

В отдельных случаях возможно формирование указанных ионов при различных перегруппировочных процессах.

Другой особенностью является образование малого числа фрагментов при потере концевых групп СН3. По этой причине интенсивность ионов, обусловленных потерей первого фрагмента СН3 значительно меньше, чем последующих.

В масс-спектре бензола (Рис. 8.13) ионы формируются при разрушении кольца. Максимальный ион – молекулярный С6Н6+ (78). При потере одного из протонов формируется ион С6Н5+ (77). Отщепление фрагмента СН=СН (26) формирует ион С4Н4+ массой 52. Отщепление фрагмента СН (13) формирует ион С3Н3+ массой 39.

 

Рис. 8.13 Масс-спектр бензола

В масс-спектре толуола (Рис.8.14) максимальным является не молекулярный (92), а ион (М-1) С6Н4СН3 + массой 91, образованный при отщеплении одного из протонов от кольца. На масс-спектре хорошо видно протонирование молекулярного иона – 93. Ионы 90, 89 образуются с последовательной потерей протонов. Ион 78 образован отщеплением фрагмента СН (13) при распаде иона массой 91. Ион 65 образован отщеплением фрагмента СН=СН (26) при распаде иона массой 91. Ион 74 образован отщеплением фрагмента СН3 (15) при распаде иона С6Н2СН3 +массой (89).

 

Рис. 8.14 Масс-спектр толуола

 

Сходным образом происходит формирование масс-спектров других классов соединений. В масс-спектре диметиламина (Рис.8.15) максимальным является ион СН3СН3N+ (44) который образуется при потере протона молекулярным ионом. Последующие ионы формируются также при потере протонов. Ион массой 28 - СН2N+.

Рис. 8.15 Масс-спектр диметиламина

 

В масс-спектре 1,1 диметилгидразина (Рис. 8.16) наибольший ион-молекулярный –СН3СН3NNН2+ (60). При последовательном отщеплении протонов образуются ионы 59,58,57. Ион 45 может быть образован при отщеплении от молекулярного иона группы СН3 массой 15, а также протонированием иона 44. Ион 44 - СН3СН3N+. Последующие ионы образованы отщеплением протонов от иона 44.

 

Рис. 8.16 Масс-спектр 1,1 диметилгидразина

 

Масс-спектр диметилнитрозоамина (Рис. 8.17) имеет самый большой молекулярный ион СН3СН3NNO+ (74).

Потеря фрагмента NO приводит к формированию иона 44 - СН3СН3N+.

Рис. 8.17 Масс-спектр диметилнитрозоамина

 

Метод масс-спектрометрии является очень информативным. Однако его использование для идентификации в ряде случаев не позволяет сделать правильные выводы о строении исследуемого или синтезируемого соединения. Для получения точных данных следует прибегать к дополнительному анализу данных по ИК и ЯМР спектрам этих соединений.

В настоящее время накоплена большая информация по библиотеке спектров различных веществ, которая составляет несколько сотен тысяч спектров. Однако в реальной жизни количество органических веществ, чьи масс-спектры регистрируются при анализах, значительно превосходит составы спектров в библиотеках. С помощью ЭВМ осуществляется сравнение полученного масс-спектра и масс-спектров в библиотеке. Если вероятность совпадения спектра превышает 0,9 то вещество считается идентифицированным. В это случае масс-спектры, сравниваемые ЭВМ, подобны. При вероятности совпадения до 0,85 вещество может быть отнесено к данному классу. При вероятности совпадения меньше 0,85 чаще всего получен неизвестный ранее спектр. На идентификацию неизвестного вещества могут уходить месяцы и годы. Достоверной идентификация вещества считается тогда, когда проведен синтез этого вещества, и его спектр совпадает с полученным ранее спектром с вероятностью совпадения более 0,9. При сравнении спектра полученного при анализе со спектром библиотечным ЭВМ располагает их рядом и сравнением высот зарегистрированных ионов осуществляет идентификацию. Несовпадения по высоте или по наличию ионов выводятся на линию несовпадений. Обычно масс-спектры имеют несовпадение по высоте интенсивностей ионов около ±10-15% при полном совпадении набора ионов. Если вещество присутствует в пробе в малых количествах, то возможно его загрязнение фоновыми ионами, которые так же будут выведены на линию несовпадений (Рис. 8.18). В приведенном примере показаны: библиотечный спектр 1,1 диметилгидразина, реальный спектр, который отличается от библиотечного интенсивностями ионов 42,43,45,59. Данные ионы выведены на линию несовпадений в разные стороны. При такой степени несовпадений вещество считается идентифицированным с вероятностью свыше 95%.

 

Рис. 8.18 Сравнение масс-спектров ЭВМ при автоматической идентификации

 

При анализе пробы на ХМС оператор получает следующую информацию: хроматограмму разделения веществ пробе с указанием времени удерживания зарегистрированных веществ и масс-спектры для каждого вещества с указанием его времени удерживания.

Сегодня трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Это: биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепереработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия и другие области.

 


Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 972 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.027 сек.)