Природа и получение масс-спектров

Данный метод принципиально отличается от рассмотренных выше спектроскопических методов, в основе которых лежит поглощение электромагнитных колебаний. Структурная масс-спектрометрия основана на разрушении органической молекулы под действием электронного удара и регистрации массы образующихся осколков.

Допустим, что через пары вещества проходит, поток электронов, энергию которых можно постепенно увеличивать. Если эта энергия достигнет определенного уровня, то при столкновении электрона с молекулой может произойти отрыв («выбивание») из нее электрона с образованием молекулярного иона М^+∙.

ABCD + e^- ® ABCD^{+ ∙} + 2e^-

молекула молекулярный ион

Наименьшая энергия бомбардирующих (ионизующих) электронов, при которой возможно образование из данной молекулы иона, называется энергией (или, менее удачно, «потенциалом») ионизации вещества (Uе). Энергия ионизации является мерой прочности с какой молекула удерживает наименее сильно связанный с ней электрон, следовательно, чем прочнее связь электронов с молекулой вещества, тем выше энергия ионизации. Как правило, для органических молекул энергия ионизации составляет 9—12 эВ (для циклогексана 10 эВ, для бензола 9 эВ).

Если энергия ионизующих электронов значительно превышает энергию ионизации, образующийся молекулярный ион получает избыточную энергию, которой может оказаться достаточно для разрыва в нем связей. В результате такого разрыва происходит распад молекулярного иона на частицы меньшей массы (фрагменты). Такой процесс называется фрагментацией. В практике масс-спектрометрии используются электроны с энергией 30— 100 эВ, что намного превышает энергию ионизации и обеспечивает фрагментацию молекулярного иона.

Реальная структура ионов, образующихся под электронным ударом, в подавляющем большинстве случаев не установлена. Для изображения строения фрагментов обычно используются стандартные структурные символы органической химии. Несмотря на условность такого изображения и, в основном, эмпирический характер закономерностей фрагментации, измерение массы образующихся осколков и их относительного количества позволяет получить ценную информацию о строении органических соединений.

Для получения масс-спектра пары вещества небольшими количествами с помощью специальной системы напуска вводятся в ионизационную камеру, где поддерживается глубокий вакуум (остаточное давление около 10^-6 мм рт. ст.). Молекулы вещества бомбардируются потоком электронов, излучаемых раскаленным катодом. Разность потенциалов между катодом и анодом ускоряет электроны до определенного уровня энергии (например, до 30± 2 эВ). Образующиеся ионы выталкиваются из ионизационной камеры небольшой разностью потенциалов. Получаемый поток ионов ускоряется, фокусируется сильным электрическим полем и попадает в магнитное поле. В результате бомбардировки молекул вещества электронами образуются частицы, имеющие положительный или отрицательный заряд, а также нейтральные частицы. При прохождении потока частиц через магнитное поле нейтральные частицы не изменяют направления, а положительные и отрицательные отклоняются в разные стороны. Величины отклонения ионов пропорциональны заряду и обратно пропорциональны их массе, иными словами, обратно пропорциональны массе, приходящейся на единицу заряда (m/z). В обычной масс-спектрометрии принято регистрировать только частицы, имеющие положительный заряд. Учитывая, что заряд частицы, как правило, равен единице, величина m/z эквивалентна массе нона.

Если на выходе ионов из магнитного поля установить регистрирующее устройство, то частицы, различающиеся значениями m/z, будут давать раздельные сигналы. Интенсивность сигналов будет пропорциональна количеству частиц с данным значением m/z. Анализ ионов по величине m/z обычно производится при изменении напряженности магнитного поля; ионы постепенно фокусируются в щель коллектора, где регистрирующее устройство производит запись образующихся электрических импульсов.

Запись спектра может быть произведена с помощью зеркального гальванометра на фотобумаге. Обычно запись производится при различной чувствительности гальванометра. Характерный вид получаемого при фотозаписи масс-спектра приводится на рисунке 4.1.

Интенсивность сигналов определяется как их высота, выраженная в мм. Высота пика с максимальной интенсивностью принимается за 100 %, интенсивность остальных пиков пересчитывается пропорционально и выражается в процентах. Для пиков малой величины определяют относительную интенсивность путем пересчета по шкале большей чувствительности. Как правило, пики, интенсивность которых менее 3% (реже - 1 %), не принимаются во внимание.

Рисунок 4.1 – Масс-спектр этанола в фотозаписи (100°С, 30 эВ).

Масс-спектр принято изображать в виде набора отрезков прямых длина которых пропорциональна интенсивности пиков, выраженной в процентах, как это представлено на рисунке 4.2.

В современных приборах обработка интенсивности электрических импульсов, соответствующих пикам с различающимися значениями m/z, производится с помощью компьютера, который выдает результаты измерений в виде двух отпечатанных колонок цифр: m/z и относительной интенсивности (интенсивность максимального пика принимается за 1000). Для этанола, например, масс-спектр которого представлен на рисинке 4.1 и 4.2, прибор с регистрирующим устройством такого типа выдаст следующую запись:

m/z 15 28 31 45 46

I 92 402 1000 250 120

Рисунок 4.2 – Масс-спектр этанола (100°С, 30 эВ) в обработанном виде.

К такому же виду, естественно, легко может быть приведен и результат, полученный при фотозаписи, и, соответственно, наоборот. Однако спектр в виде рисунка более нагляден и удобен для расшифровки, особенно при малом опыте. Иногда масс-спектры приводятся в такой записи: указывают значения m/z, а рядом в скобках — относительную интенсивность в процентах, например:

С₂H₅OH - масс-спектр (m/z): 15(9), 28(40), 31(100), 45(25), 46(12)

С ростом m/z разница в отклонении магнитным полем частиц, различающихся на одну атомную единицу массы, уменьшается. В связи с этим важной характеристикой масс-спектрометров является их разрешающая способность (R), определяющая максимальную массу ионов, различающихся на одну атомную единицу массы, для которой прибор разделяет пики не менее чем на 90 %:

R=M/ΔM

где М — максимальная масса, для которой перекрывание пиков менее 10 %; ΔМ — одна атомная единица массы.

Стандартные приборы имеют R ≈ 5000/1. Специальные приборы с двойной фокусировкой потока ионов с помощью электрического и магнитного поля позволяют достичь разрешения R ≈ 10000/1 - 100000/1. Такие приборы способны уловить разницу в молекулярной массе ионов до 0,0001.

Высокие значения разрешающей способности не соответствуют реальным значениям молекулярной массы веществ, для которых может быть получен масс-спектр. Существенным ограничением является понижение летучести соединений с ростом молекулярной массы. Как правило, получение масс-спектров соединений с молекулярной массой более 500 затруднительно.

Общий характер масс-спектра зависит от типа прибора и условий эксперимента, особенно от энергии ионизующих электронов. Для спектров смесей веществ с разной летучестью соотношение интенсивностей пиков отдельных компонентов может изменяться во времени соответственно с изменением их относительных концентраций в процессе напуска в ионизационную камеру; это соотношение зависит также от температуры. Масс-спектрометрия, особенно в сочетании с хроматографией, — один из наиболее информативных методов исследования структуры вещества. Для получения масс-спектра требуется ничтожно малое количество вещества — около 1 мкг.

Дата добавления: 2015-10-28