Реферат

по дисциплине «Физико-химические методы исследования»

на тему «Методы масс-спектрометрии»

Выполнили: студенты гр. Товз 131

Т. А. Доронина ____________

И. Плеханова ____________

Проверил: к. хим. н., доцент

В.Л. Штабнова ____________

Омск – 2015

Содержание

Введение 3

1. Масс-спектрометрический метод 4

2. Теоретические основы метода 4

2.1 Ввод образца 7

2.2 Ионизация 7

2.3 Масс-анализаторы 9

2.4 Детектирование ионов 10

3. Газовая хроматография / масс-спектрометрия – универсальный

метод для анализа объектов окружающей среды 10

4. Анализ органических веществ 12

5. Элементный анализ 14

6. Современное оборудование 16

Заключение 19

Список литературы 21

Введение

Современная масс-спектрометрия — наиболее чувствительный, быстрый и ин­формативный аналитический метод. Ей доступны любые аналиты: от химических эле­ментов до сложнейших биологических молекул (белки, сахара, нуклеиновые кислоты). Качественный и количественный анализ индивидуальных компонентов сверхсложных смесей, состоящих из многих тысяч ингредиентов, может осуществляться быстро и без какого-либо предварительного разделения. Можно отобрать пробу воды из реки, лужи, бутылки и в течение пары часов проверить наличие в ней сотен индивидуаль­ных веществ. Любое значимое с точки зрения экологии соединение может быть надежно определено масс-спектрометрически.

Возможности работать с самыми разными аналитами (от химических элементов до сложнейших биомолекул) в сложнейших матрицах без предварительного разделения, действительно, ставят масс-спектрометрию в приоритетное положение по сравнению с любыми другими методами анализа. При этом результаты масс-спектрометрических исследований позволяют делать выводы, которые подготавливают административные решения, влияющие на здоровье населения и экосистем в целом.

Эффективность, надежность, простота и широта применимости современной масс-спектрометрии поистине впечатляющи. Помимо классических наук (физика, химия, биология) масс-спектрометрия чрезвычайно успешно используется в медици­не, космических исследованиях, археологии, антропологии, антитеррористической деятельности, экспертизе предметов искусства, экологии, допинг-контроле, метроло­гии, ядерной физике [1, с. 23].

Первые масс-спектры были получены в Великобритании Дж. Томсоном (1910), а затем Ф. У. Астоном (1919). Они привели к открытию стабильных изотопов, и вначале масс-спектрометрия применялась преимущественно для опреде­ления изотопного состава элементов и измерения их атомных масс.

Период с 1930-ых по начало 1970-ых годов отмечен выдающимися достижениями в области масс-спектрометрии. К концу Первой мировой войны работы Френсиса Астона и Артура Демпстера привели к значительному улучшению точности и воспроизводимости измерений на масс-спектрометрах. Позднее Альфред Нир воплотил эти достижения вместе со значительным продвижением в вакуумной технике и электронике в конструкцию масс-спектрометра, значительно сократив его размеры. Нир и Джонсон впервые построили масс-спектрометр с двойной фокусировкой. Еще раньше, в 1946 году, Уильям Стивенс предложил концепцию время-пролетных анализаторов, способных разделять ионы путем измерения скоростей их движения по прямому пути к коллектору. В середине 1950-ых годов Вольфганг Пол разработал квадрупольный масс-анализатор [6, с. 2-3].

1 Масс-спектрометрический метод

Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации ато­мов и молекул изучаемого вещества и последующем разделении обра­зующихся ионов в пространстве или во времени.

Метод широко применяют для элементного анализа твердых неорга­нических веществ и материалов. Важным аспектом аналитической масс-спектрометрии является молекулярный анализ неорганических газов. В частности, с помощью масс-спектрометрии измерен нейтральный и ион­ный состав верхних слоев атмосферы Земли, Марса и Венеры. В медици­не масс-спектрометрия применяется как экспрессный метод анализа рес­пираторных газов.

Наиболее важное применение получила масс-спектрометрия для идентификации и установления структуры органических соединений. Молекулярный анализ сложных смесей органических соединений целесо­образно проводить после их хроматографического разделения.

Аналитическую масс-спектрометрию отличают:

1) высокая чувстви­тельность определения;

2) универсальность — возможность анализа ши­рокого круга объектов от элементов до сложных белковых молекул;

3) высокая специфичность и селективность[2, c. 364].

2 Теоретические основы метода

Для того чтобы получить масс-спектр, необходимо ввести образец в ионный ис­точник масс-спектрометра, ионизировать молекулы (получить положительные или отрицательные ионы), разделить эти ионы по величинам m/z (отношение их массы к заряду) и установить число ионов с каждым m/z.

Существуют различные способы ионизации атомов и молекул, спе­цифичные для конкретной цели анализа. Несмотря на развитие альтернативных методов ионизации, наиболь­шее число исследований, особенно в органическом структурном анализе, проводят с использованием ионизации электронным ударом [2, c. 365].

Ионизованные молекулы и атомы по их массам разделяют в масс-спектрометре, схема основных узлов которого приведена на рис. 1 [1, c. 29].

Рис. 1 Принципиальная схема масс-спектрометра

Mасс-спектрометр состоит из устройства для ввода пробы, в которое газы вводят непо­средственно, а жидкости испаряют заранее или в приборе. Задача систе­мы напуска заключается во вводе такого количества газообразной пробы, чтобы обеспечить давление 10^-5 - 10^-4 мм рт. ст. в ионном источнике, где молекулы ионизируются. При ионизации электронным ударом элек­троны испускаются раскаленным катодом, соударяются по пути к аноду с молекулами введенного вещества и часть этих молекул электроны иони­зуют.

Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются электрическим полем и одновременно фокусируются в пучок (узел уско­рения и фокусировки ионов). Нейтральные молекулы удаляются ваку­умным насосом. Все узлы прибора находятся под высоким вакуумом, который обеспечивает необходимую длину сво­бодного пробега ионов. Поток ускоренных ионов попадает в масс-анализатор, где ионы разделяются по массе. Разделенные пучки ионов затем попадают в детектор, где ионный ток преобразуется в электриче­ский сигнал, который усиливается усилителем и обрабатывается ЭВМ. Компьютер управляет всеми про­цессами и проводит обработку данных. [2, c. 365]

Таким образом, масс-спектрометрия является аналитическим методом, оперирую­щим заряженными атомами и молекулами химических соединений. Принципиальным моментом является ионизация молекул образца или перевод ионов, уже имеющихся в растворе или в твердой матрице, в газовую фазу. Отношение массы к заряду (m/z) ио­нов может быть точно измерено, что позволяет установить молекулярные массы ингре­диентов образца. Можно также инициировать фрагментацию исходных молекулярных ионов с получением набора фрагментных ионов. Эти ионы представляют собой наибо­лее стабильные фрагменты исходной молекулы и позволяют делать выводы о её струк­туре.

Интенсивности и величины m/z молекулярных и фрагментных ионов на графике по осям y и x соответственно называются масс-спектром. Обычно график нормализу­ется на 100 % по наиболее интенсивному пику в спектре. Масс-спектр — уникальная характеристика химического вещества. Для работы с масс-спектром необходимы толь­ко атомные массы химических элементов, точнее природных изотопов этих элементов. Поскольку атомные и молекулярные массы — простые и широко используемые характе­ристики, масс-спектры значительно проще для интерпретации, чем ЯМР, ИК, УФ, ЭПР и другие типы спектров.

Существуют определенные правила, определяющие направления фрагментации химических соединений в масс-спектрометре. Поэтому на основе масс-спектра можно установить молекулярную массу, элементный состав, присутствие определенных функ­циональных групп, а зачастую и полную структуру аналита.

Спектр электронной ионизации бензоилхлорида в классической графической фор­ме представлен на рис. 2. Абсцисса соответствует массам ионов (точнее величинам m/z), а ордината — относительным интенсивностям пиков этих ионов. Принимать во внимание можно только наиболее интенсивные пики в спектре. Менее интенсивные пики, следующие сразу за интенсивными, обусловлены наличием в со­ставе молекул образца природных стабильных изотопов, они играют важную роль при установлении структуры.

Рис. 2 Спектр электронной ионизации бензоилхлорида (NIST 27422)

Пик иона с самой большой массой соответствует молекулярному иону аналита. В спектре на рис. 2 — это 140. Следует также обратить внимание на ион с m/z 142, интенсивность пика которого составляет 1/3 от интенсивности пика иона с m/z 140. Эти два пика обусловлены существованием двух природных изотопов хлора: ³⁵Cl и ³⁷Cl. Их природное соотношение ~ 3: 1. Первичный фрагментный ион с m/z 105 образует­ся при потере 35 единиц массы из молекулярного иона с m/z 140 или 37 единиц массы из изотопного иона с m/z 142. Оба выброса обусловлены атомами хлора (³⁵Cl и ³⁷Cl). Первичный ион с m/z 105 теряет молекулу CO с образованием вторичного фрагментного иона (m/z 77), который, однако, может образоваться и напрямую из молекулярного иона при разрыве связи С-С. Даже человек с минимальным опытом работы по расшифровке масс-спектров знает, что ион с m/z 77 может считаться визитной карточкой фенильной группы (C₆H₅+). Это стабильный в газовой фазе ион, который указывает на ароматиче­скую природу аналита. Продукт следующей стадии фрагментации, ион с m/z 51, образу­ется при отщеплении из фенил-катиона молекулы ацетилена (C₂H₂). Измерение точной массы может надежно подтвердить сделанные выводы, поскольку дает воз­можность установить элементный состав всех упомянутых выше ионов.

Существование природных изотопов химических элементов облегчает установле­ние структуры и позволяет определить элементный состав анализируемого соединения по его масс-спектру. Хлор и бром часто присутствуют в молекулах приоритетных загрязняющих веществ (пестициды, фармацевтические препараты, побочные продукты дезинфекции). Благодаря уникальному соотношению природных изотопов (³⁵Cl: ³⁷Cl ~ 3: 1; ⁷⁹Br: ⁸¹Br ~ 1: 1) присутствие этих элементов в анализируемых образцах может быть мо­ментально установлено по масс-спектру [1, c. 30-32].

2.1 Ввод образца

Любой масс-спектрометрический эксперимент начинается с ввода образца в прибор. На этой стадии наиболее серьезная проблема связана с тем, что большинство приборов функционирует в условиях глубокого вакуума (10^-5—10^-6 торр). Существует несколько подходов: прямой ввод, ввод через полупроницаемую мембрану, интерфейсы с много­численными хроматографами (ГХ, ВЭЖХ, СКФХ, КЭ) и даже самостоятельное натекание молекул или ионов из атмосферы в прибор, работающий в условиях пониженного давления. Наиболее популярными являются системы ввода в виде различных интерфей­сов между блоком разделения (хроматографы) и масс-спектрометром [1, c. 32].

2.2 Ионизация

Масс-спектрометрия регистрирует исключительно заряженные частицы. Ни молеку­лы, ни радикалы не могут быть исследованы в своей исходной нейтральной форме. Сле­довательно, молекулы образца должны быть ионизированы. Альтернативно ионы целе­вого вещества, уже существующие в конденсированной фазе, могут быть каким-либо образом переведены в газовую фазу. За столетнюю историю масс-спектрометрии описа­но несколько десятков методов ионизации, причем следует отметить, что значительное число новых атмосферных методов были предложены совсем недавно, уже в XXI веке. Частота использования того или иного метода с годами изменяется. Одни из них про­должают играть важную роль в современных исследованиях, другие уже прошли свой «золотой период» и заменены более эффективными.

Все существующие методы могут быть грубо разделены на две группы: «мягкие» и «жесткие». Это разделение основано на величине избытка внутренней энергии в об­разующемся молекулярном ионе. Если эта величина мала, фрагментация незначи­тельна и ион регистрируется как молекулярный. Такой процесс называется «мягкой ионизацией». Определенный избыток внутренней энергии запускает процесс разрыва конкретных химических связей в исходном молекулярном ионе, приводя к появлению различных фрагментных ионов. Иногда молекулярный ион вообще не удается зарегистрировать. Подобный процесс называется «жесткой» ионизацией. Оба варианта по­лезны. Первый дает информацию о молекулярной массе соединения и его элементном составе (масс-спектрометрия высокого разрешения), второй позволяет получить струк­турную информацию благодаря массам фрагментных ионов [1, c. 33-34].

Электронная ионизация (ИЭ) — это универсальный метод, позволяющий исследовать разные классы химических соединений (традиционно называвшаяся «электронным ударом»), пред­ложенная Демпстером еще в 1921 году, исторически была первым и до сих пор остается одним из наиболее востребованных методов ионизации. Однако у него есть существенный недостаток, связанный с необходимостью перевода молекул образца в газовую фазу. Именно поэто­му метод непригоден для полярных, термолабильных и тяжелых молекул. Тем не менее, электронная ионизация прекрасно справляется с анализом подавляющего большин­ства экологически значимых соединений в самых разных матрицах[1, c. 34].

Химическая ионизация (ХИ). В 1966 г. Мансон и Филд описали «мягкий» метод ионизации, названный химической ионизацией (ХИ, chemical ionization, CI). Поскольку внутрен­няя энергия образующихся в результате ХИ ионов обычно ниже 5 эВ, фрагментация практически отсутствует. Иногда в спектре наблюдается исключительно пик молеку­лярного иона.

Основное различие между ИЭ и ХИ связано со значительно более высоким давле­нием в источнике (~1 мм рт. ст.) во втором случае. Это давление достигается введением так называемого газа-реагента, в качестве которого можно использовать практически любое вещество (воду, аммиак, метан, бензол, гелий, этилендиамин и т. д.). Взаимодей­ствие молекул газа-реагента с электронами высокой энергии (200—500 эВ) приводит к ионизации. Благодаря высокому давлению образующиеся молекулярные ионы вза­имодействуют с нейтральными молекулами. В результате самых разнообразных ионно-молекулярных реакций создается газовая плазма, существующая в динамическом равновесии. Наиболее распространенные и реакционноспособные ионы в этой плазме называются ионами-реагентами. Это могут быть молекулярные, фрагментные ионы или ионы — продукты реакций исходных молекул газа-реагента [1, c. 35].

Химическая ионизация отрицательных ионов (ХИОИ, negative ion chemical ioniza­tion, NICI) — это эффективный метод анализа соединений с высоким сродством к элек­трону. В этом случае выигрыш в чувствительности по сравнению с режимом положи­тельных ионов может быть весьма существенным. Хорошим примером использования ХИОИ в экологических исследованиях является качественный и количественный ана­лиз полихлорированных соединений.

Недостатками химической ионизации являются необходимость перевода образца в газовую фазу, слабо выраженная фрагментация и быстрое загрязнение источника ио­нов. Тем не менее, комбинация ХИ и ИЭ может быть очень успешной, поскольку первая дает возможность зарегистрировать молекулярный ион, а вторая предоставляет исчер­пывающую структурную информацию [1, c. 36].

Еще одним популярным «мягким» методом является полевая ионизация (ПИ, field ion­ization, FI). Само явление было открыто Е. Мюллером в 1951 году. Он создал полевой ионный микроскоп, наблюдая за появлением катионов вблизи металлической поверх­ности в сильном электростатическом поле. Метод основан на эффекте туннелирования электрона. Ио­низация происходит, когда молекула образца в газовой фазе оказывается вблизи эмит­тера, к которому приложен очень высокий потенциал (8—10 кВ). Некоторое время назад казалось, что ПИ утратила свое значение, но недавно по­явившиеся приборы, способные попеременно снимать масс-спектры ЭИ и ПИ, вдохну­ли новую жизнь в этот метод. Самые разнообразные экотоксиканты могут быть надежно идентифицированы, когда их молекулярные ионы зарегистрированы в режиме ПИ, а структурная информация получена в режиме ЭИ [1, с. 37]

2.3 Масс-анализаторы

После того как ионы образца получены, необходимо их разделить. Для этой цели исполь­зуются масс-анализаторы. Существует несколько типов анализаторов. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Масс-спектрометры классифицируют по принципу, используемому для разделения ионов по массе. Наиболее распространены магнитные и квадрупольные масс-спектрометры, но применяют также масс-анализаторы, основанные на принципе «ионной ловушки» и времени пролета ионов. Любой из этих типов масс-спектрометра сочетается с газовым хроматографом.

В магнитных масс-спектрометрах для разделения ионов в масс-анализаторах используют однородное магнитное поле. В этом случае процессы ускорения ионов в электрическом поле и разделения их в магнитном могут быть описаны количественно.

В квадрупольных масс-спектрометрах разделение ионов осуществляется при прохождении ионного пучка вдоль оси между четырьмя параллельными стержнями, к которым одновременно приложено постоянное и переменное высокочастотное напряжение. Между стержнями создается поле с гиперболическим распределением потенциала. Ионы с разной массой регистрируются при разных значениях частоты (или амплитуды) переменного поля, в результате чего формируется масс-спектр.

Одной из разновидностей квадрупольного масс-анализатора является «ионная ловушка», особенностью её является совмещение области ионизации и анализа. После ионизации (электронным ударом) определяемых молекул образующиеся ионы, имеющие значение m/z больше некоторого заданного, удерживаются в электронной ловушке полем квадруполя. Это поле формируется за счет приложения радиочастотного напряжения между электродами. При увеличении амплитуды радиочастотного поля ионы в порядке увеличения их m/z быстро покидают область удерживания и достигают детектора (электронного умножителя).

Во время-пролетном масс-анализаторе образующиеся в ионном источнике ионы очень коротким электрическим импульсом «впрыскиваются» в анализатор с постоянной длиной. Так как скорость ионов, имеющих разную массу, неодинакова, то и время пролета через анализатор при постоянной амплитуде переменного поля определяется отношением m/z. [2, с. 368]

2.4 Детектирование ионов

Конечный блок масс-спектрометра отвечает за детектирование (прием) ионов. В первых клас­сических приборах использовалась фотопластинка. Ионы с одинаковым значением m/z попадали на конкретный участок фотопластинки, а уровень засвечивания позволял проводить количественные измерения.

Токи ионов с одной величиной m/z в конкретном эксперименте очень малы (10^-9 - 10^—17А) для прямого измерения. Поэтому детектированию предшествует процедура уси­ления сигнала. Умножители генерируют вторичные токи, более мощные в 10⁴—10⁸ раз. Когда ион проходит анализатор и попадает в детектор, он инициирует эмиссию вторич­ных частиц, например фотонов или электронов. Детекторы конвертируют энергию вхо­дящих частиц в ток, который измеряется соответствующими устройствами.

Важнейшими характеристиками детекто­ров являются линейность, коэффициент умножения, время восстановления и уровень шума. [1, с. 49]

3 Газовая хроматография / масс-спектрометрия – универсальный метод

для анализа объектов окружающей среды

Соединение газового хроматографа и масс-спектрометра было абсолютно логично, по­скольку оба метода обладали примерно равной чувствительностью и успешно исполь­зовались для анализа органических соединений. Газовый хроматограф разделяет ком­поненты образца, а масс-спектрометр отвечает за их детектирование и идентификацию. Однако благодаря синергетическому эффекту эта комбинация стала одним из наиболее мощных аналитических методов современной науки. Основные принципы стыковки были выдвинуты и реализованы в 1957 году.

Безусловно, круг соединений, которые можно исследовать методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии (ГХ/МС) значительно уже, чем тот, который можно исследовать методом масс-спектрометрии индивидуально. По счастью, для подавляю­щего большинства антропогенных загрязняющих веществ газовая хроматография при­менима. Поэтому ГХ/МС является чрезвычайно эффективным аналитическим мето­дом в экологических исследованиях.

Говоря о методах ионизации в ГХ/МС, следует отметить, что более 90 % проводи­мых анализов основано на электронной ионизации (ИЭ), которая обеспечивает интенсивную фрагментацию и позволяет эффективно применять компьютерные библиотеки масс-спектров.

Хроматография привносит в комбинированный метод ГХ/МС (ЖХ/МС) очень важ­ный параметр — время выхода (удерживания). Благодаря этому параметру появляется возможность различать изомеры, даже в тех случаях, когда их масс-спектры очень близ­ки друг другу. Это особо значимо для экологических исследований, поскольку токсич­ности изомеров могут отличаться в миллионы и миллиарды раз. Таким образом, время удерживания может играть ключевую роль в установлении (под­тверждении) структуры аналита.

Существует две основные стратегии использования ГХ/МС. Первая связана с де­тектированием целевых соединений. В этом случае задача обычно заключается в коли­чественном определении заранее выбранных аналитов. При этом все остальные компо­ненты образца, как правило, игнорируются. Вторая стратегия называется скринингом, нецелевым анализом или анализом полного спектра. Эта существенно более сложная задача включает идентификацию всех компонентов образца с последующим выбором среди них наиболее значимых исходя из целей анализа. Точное количественное опре­деление в режиме скрининга, как правило, невозможно. Однако по результатам можно сделать более или менее точные количественные оценки.

Существует вариант ГХ/МС-анализа, когда записи полного масс-спектра не тре­буется. В этом случае масс-спектрометр настраивается на регистрацию только одного или нескольких ионов с заранее выбранными значениями m/z. Этот метод называется «мониторинг заданных (выбранных) ионов» (МЗИ, SIM) или «масс-фрагментография» и используется для детектирования и количественного определения целевых аналитов в сложных образцах (наиболее простой вариант целевого анализа). В этом случае ин­формация о всех других компонентах образца теряется. Тем не менее, поскольку детек­тор прибора в этом режиме постоянно измеряет лишь ток заданных ионов, а не скани­рует несколько сотен различных величин m/z, интегральная чувствительность

анализа может быть повышена примерно на 2 порядка. Масс-фрагментография часто исполь­зуется в экологических, криминалистических исследованиях, допинг-контроле, т. е. в тех случаях, когда необходимо детектировать целевые соединения в ультра-следовых количествах. Наличие пика заданного характеристического иона с известным временем выхода на масс-фрагментограмме свидетельствует о присутствии данного соединения в образце, а площадь пика позволяет провести его количественное определение. Однако, поскольку вероятность присутствия в сложном образце веществ с близкими временами выхода и имеющими в спектрах ионы с одинаковыми значениями m/z достаточно высо­ка, результаты SIM не столь надежны, как результаты, полученные в режиме полного сканирования спектра. Для повышения надежности используется одновременная реги­страция нескольких характеристических ионов. На рис. 3 представлены результаты количественного масс-фрагментографического определения 14 полициклических ароматических угле­водородов (ПАУ) в образце почвы. Хотя на рис. 3 видны пики, обусловленные неко­торыми другими компонентами образца, проблемы с идентификацией и количествен­ным определением ПАУ нет, поскольку их времена выхода точно известны. Аналит считается детектированным, если зарегистрированы все характеристические ионы, причем со­отношения их пиков соответствуют этим соотношениям в стандартном масс-спектре данного соединения.

Количество целевых соединений в аналогичных автоматизированных программах анализа может достигать сотен. Если одни и те же целевые аналиты должны быть определены во мно­гих аналогичных образцах, очень полезным становится применение автосамплера. В этом случае система ГХ/МС будет проводить последовательные анализы без участия оператора.

Можно назвать три группы соединений, подвластных ГХ/МС: летучие, полулетучие, а также нелетучие и термолабильные. Для прохождения хроматографической колонки последним требуется предварительная дериватизация [1, с.52-54 ].

4 Анализ органических веществ

Масс-спектрометрия позволяет определять молекулярную массу и структуру органических соединений. Молекулярную массу удобно уста­навливать по пику молекулярного иона. В тех случаях, когда пик молеку­лярных ионов в масс-спектре достаточно интенсивен, можно приближен­но рассчитать валовую (брутто) формулу органического соединения по числу атомов каждого вида. Для этого используют соотношение интенсивностей пиков изотопов элементов, входящих в органическое соедине­ние. Например, число атомов углерода в молекуле углеводорода можно точно определить по интенсивности пика иона с массой на единицу большей, чем у молекулярного иона. Этот ион имеет такую же структуру, но содержит атомы ¹³С. Естественное содержание изотопа ¹³С в приро­де составляет 1,1%. Поэтому для углеводорода, имеющего один атом уг­лерода, интенсивность пика иона, содержащего ¹³С, составит 1,1% от интенсивности пика молекулярного иона, а для иона, содержащего п ато­мов углерода —1,1 п%.

Для точного определения массы иона целесообразно использовать масс-спектрометры высокого разрешения с магниторезонансными (ион-циклотронными) масс-анализаторами, на которых возможно измерение массы ионов с точностью до десятых долей миллиграмма. Это позволяет с большей вероятностью установить элементный состав соединений.

Определение структуры органических соединений основывается на изучении пиков осколочных ионов в соответствии с правилами, о кото­рых говорилось выше. Существуют таблицы наиболее представительных ионов с указанием соответствующих им структур, которые могут быть использованы в качестве руководства при интерпретации масс-спектра. Если спектр содержится в каталоге, то сопоставление масс-спектра изу­чаемого соединения с каталогами позволяет иногда быстро идентифици­ровать соединение. По пику молекулярного и осколочных ионов уста­навливают элементный состав и химическую структуру соединения.

Количественное определение и идентификация смесей органических соединений часто ограничены сложностью получаемого масс-спектра. Поэтому перед масс-спектрометрической детекцией необходимо предва­рительно разделять компоненты. С этой целью используют сочетание масс-спектрометрии с различными видами хроматографии и капиллярно­го зонного электрофореза — хромато-масс-спектрометрию. Разделяющая способность хроматографии и идентификационная способность масс-спектрометрии при прямом сочетании дают уникальную возможность идентификации и определения компонентов сложных смесей. Наиболее распространен вариант сочетания масс-спектрометрии с капиллярной газожидкостной хроматографией. В качестве газа-носителя применяют гелий, имеющий высокую энергию ионизации (25 эВ). В этом варианте хромато-масс-спектрометрического метода можно исследовать только летучие соединения, в противном случае необходимо перед вводом про­бы в хроматограф использовать предварительный пиролиз или фотолиз. Так, предшествующий определению пиролиз был осуществлен на косми­ческих аппаратах серии «Викинг» при анализах проб грунта хромато-масс-спектрометрическим методом с целью обнаружения органической жизни на Марсе.

Современные хромато-масс-спектрометрические системы получают данные посредством непрерывного сканирования масс-спектров элюата, выходящего с хроматографической колонки. При этом можно получить хроматограмму зависимости изменения суммарного ионного тока во вре­мени, отмечая выход каждого компонента смеси из колонки. Такая хроматограмма содержит пики всех компонентов, элюированных из колонки, но не несет масс-спектрометрической информации. Для построения масс-хроматограммы берут интенсивности пиков не­скольких ионов из каждого записанного масс-спектра и строят график зависимости этих интенсивностей от номера масс-спектра, соответвующего времени удерживания того или иного компонента. Масс-хроматограммы очень эффективны для идентификации, если правильно выбраны характеристические ионы. Наличие на масс-хроматограмме пика с точно заданной массой и определенным временем удерживания для кон­кретного соединения является доказательством его присутствия в образце.

Для количественного определения чаще всего пользуются методом внутреннего стандарта, сравнивая площади пиков изучаемого вещества и стандарта. Лучшими стандартами в хромато-масс-спектрометрии являют­ся меченные аналоги определяемого соединения.

Преимуществами хромато-масс-спектрометрического метода явля­ются высокая селективность определения отдельных соединений или оп­ределенных классов соединений в сложной смеси (рис. 4) и низкие пределы их обнаружения

Сочетание методов газовой хроматографии и масс-спектрометрии дает огромную информацию, которая требует компьютерной обработки данных. Компьютерные программы в хромато-масс-спектрометрии пред­назначены для выделения, хранения и анализа большого числа экспери­ментальных данных, а также для сопоставления масс-спектра определяе­мого компонента смеси с масс-спектрами справочного каталога [2, c. 369-373].

5 Элементный анализ

Значительный раздел масс-спектрометрии составляет элементный анализ твердых веществ. Прежде чем осуществить ионизацию, необходи­мо перевести эти вещества в атомное состояние. Для этого требуются достаточно высокие затраты энергии, и те источники, которые использу­ют для этой цели, обеспечивают одновременно атомизацию и ионизацию твердых веществ. Среди наиболее распространенных источников иониза­ции можно выделить искровой электронный разряд, излучение лазера и поток ускоренных первичных ионов. Им соответствуют три вида масс-спектрометрического анализа твердых тел: искровая, лазерная и ионионная, или масс-спектрометрия вторичных ионов. Наибольшее число определений проводится методом искровой масс-спектрометрии.

Искровой разряд возбуждают между двумя близко расположенными (доли миллиметра) электродами, один из которых (катод, иначе его назы­вают зондом) изготовлен в виде тонкой иглы из тугоплавкого металла, как правило, из тантала. Анодом служит анализируемый образец, если он является проводником электрического тока. К электродам подводят в им­пульсном режиме ток высокого напряжения (десятки кВ). В межэлек­тродном пространстве возникает короткий искровой разряд. При этом часть образца разрушается, распыляется и испаряется в зазор между электродами, атомизируется и частично ионизируется. Качественный анализ основан на расшифровке положения линии в масс-спектре. Идентификация осуществляется путем привязки к линиям основного элемента или введенного внутреннего стандарта, как это дела­ется в атомно-эмиссионном спектральном анализе.

К достоинствам искровой масс-спектрометрии можно отнести высо­кую селективность и чувствительность (абсолютный предел обнаружения достигает 10^-12 г). Кроме того, это многоэлементный метод, позволяющий одновременно определять до 60—70 элементов. Одним из ограничений метода является необходимость электропроводности образца. Однако это ограничение можно преодолеть, например, напыляя на поверхность не­проводящей пробы тонкий слой металла высокой степени чистоты. Ана­логично исследуют жидкости после быстрого их замораживания и покры­тия тонким слоем проводящего электрический ток материала.

В методе лазерной масс-спектрометрии луч лазера, как и искра, обеспечивает одновременно и атомизацию и ионизацию вещества. Ана­литические характеристики близки к характеристикам искровой масс-спектрометрии.

В ион-ионной масс-спектрометрии, или, как ее также называют, масс-спектрометрии вторичных ионов, для ионизации исследуемого ве­щества используют первичные ионы аргона, кислорода или других ве­ществ, которые получают и разгоняют в ионной пушке. Пучок этих ионов фокусируют и бомбардируют ими анализируемый образец. Образующие­ся при этом вторичные ионы регистрируют. Этот метод удобен для изу­чения и локального анализа поверхности, поскольку возникающий при бомбардировке кратер невелик, и ионы проникают в исследуемое вещество неглубоко. Для метода характерен крайне низкий предел обнаружения — до 10 ^-18 г [2, c. 374].

6 Современное оборудование

Масс-спектрометры устанавливают, что это за молекулы (то есть, какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (то есть, их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества [6, c.2]

Сегодня лаборатории оснащаются масс-спектрометрами высокого разрешения. Они позволяют идентифицировать вещество в пробе. Внастоящее время созданы библиотеки точных масс веществ. Масс-спектрометр, оснащенный такой библиотекой, позволяет полностью провести скрининг (отбор, сортировку) и расшифровать структуру веществ, которые находятся в образце. После такого анализа оператор может не только ответить на вопрос, присутствует ли конкретное вещество и в каком количестве, но и определить полный состав пробы после "идентификации неизвестных".

Методики разработаны таким образом, что специалист любой квалификации может выявить то или иное вещество. Фактически, процесс анализа полностью автоматизирован. Пока полностью исключить человеческий фактор при осуществлении экспертизы невозможно, ведь очень важным этапом в проведении анализа остается пробоподготовка. Оператор не может завести в прибор неподготовленный образец крови или мочи, так как это приведет к загрязнению прибора. Для этого лаборатория должна быть оснащена не только современным оборудованием, но и различными системами экстракции и очистки этих экстрактов, химическими реагентами высокой степени чистоты, оборудованием для концентрирования, дериватизации и другими средствами, повышающими эффективность процедуры пробоподготовки и надежность конечных результатов анализа [3].

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость.

Хромато-масс-спектрометр Agilent 7890B/5977A

Газовый хромато-масс-спектрометр Agilent 5977A Series GC/MSD System, новейший из серии настольных хромато-масс-спектрометров Agilent MSD, продолжает историю семейства передовых приборов для хромато-масс-спектрометрического анализа.

Рис. 5 Хромато-масс-спектрометр 5977А

Газовый хромато-масс-спектрометр Agilent 5977A Series GC/MSD System представляет собой комбинацию двух новейших приборов: газового хроматографа высокого разрешения 7890B GC и компактного квадрупольного масс-спектрометра 5977A, полностью интегрированных в мощную аналитическую систему с рабочей станцией Agilent ChemStation для хромато-масс-спектрометрии. Газовый хромато-масс-спектрометр Agilent 5977A GC/MSD имеет новый, более эффективный источник ионов Extractor Ion Source, позолоченный нагреваемый монолитный кварцевый квадрупольный анализатор ионов Gold Quadrupole и трехосевой детектор ионов Triple-Axis Detector [4].

С помощью данного прибора можно решать следующие задачи:

1) контроль пищевых продуктов, например, классификация сортов чая;

2) исследование химических веществ и материалов, например, составление характеристики биотоплива [3].

Хромато-масс-спектрометр с МСД Хроматек

ЗАО СКБ "Хроматэк" г. Йошкар-Ола - признанный лидер в разработке и производстве газохроматографического оборудования в России.

В составе хромато-масс-спектрометра - первый в России серийный отечественный квадрупольный масс-спектрометрический (масс-селективный) детектор с конкурентными техническими характеристиками на уровне лучших зарубежных образцов.

Прибор разработан специалистами СКБ Хроматэк на основе многолетнего опыта работы и эксплуатации с многочисленными потребителями по всей России. Изготавливается на собственной производственной базе.

Рис. 6 Хромато-масс-спектрометр с МСД Хроматек

Особенности:

- источник ионов - из инертного металла с минимальной адсорбцией;

- двойной катод - с программным переключением;

- квадруполь - из высококачественного металла с бесконечным сроком службы;

- высочайшая чувствительность.

Характеристики:

- источник ионизации - электронный удар

- диапазон масс - от 1 до 1200 а.е.м.

- температура источника ионов - до 350 °C

- температура переходной линии ГХ-МС - до 400 °C

- турбомолекулярный насос - 66 или 240 л/с

- отношение сигнал / шум (1 пг ОФН) - 1000:1 и выше

- инструментальный предел обнаружения (IDL) - 10 фг и менее

Библиотеки масс-спектров:

- универсальные библиотеки NIST 2014 г. (276 248 спектров), Wiley 10th Edition 2013 г (719 000 спектров)

- библиотека наркотических, лекарственных веществ и их метаболитов 2011 г г (около 9 000 спектров)

- библиотека дизайнерских наркотиков 2014 г. г (20 296 спектров)

- библиотека пестицидов 2009 г. (1 238 спектров) [6]

Заключение

Глубинные физические законы, передовые научные и инженерные разработки, высокотехнологичные вакуумные системы, высокие электрические напряжения, самые лучшие материалы, высочайшее качество их обработки, современнейшая быстродействующая цифровая и аналоговая электроника и компьютерная техника, изощренное программное обеспечение - вот из чего сложен современный масс-спектрометр. И для чего же все это? Для ответа на один из важнейших вопросов мироздания - из чего сложена материя. Но это вопрос не высокой науки, а каждодневной жизни человека.

Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ. Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов, например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков - бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая безопасность страны более надежна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соотвествие заявленному виду и качеству. А анализ нефтей и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле. В эпоху "химизации сельского хозяйства" весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека. Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для здоровья человека действие в предельно низких концентрациях). Примером является хорошо известный диоксин. Существование ядерной энергетики немыслимо без масс-спектрометрии - с ее помощью определяется степень обогащения расщепляющихся материалов и их чистота. Конечно, и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter Pylori и является самым надежным из всех методов диагностики.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия [6, c.15].

Бурное развитие метода в начале XXI века привело к созданию новых приборов, новых методов ионизации образцов. Появилась возможность работать с минимальной пробоподготовкой или вовсе без пробоподготовки. Популярным направлением стала масс-спектрометрия в нормальных условиях, в настоящее время активные работы ведутся по миниатюри­зации масс-спектрометров. Появление простых и чувствительных портативных масс-спектрометров, работающих при нормальных условиях, станет прорывом в аналити­ческой химии.

В последние годы созданы портативные приборы (до нескольких килограммов), спо­собные решать весьма сложные задачи и в недалеком будущем обычный человек сможет использовать масс-спектрометр для замеров на «кухне», например для проверки качества пищевых продуктов, простых экологических тестов или контроля здоровья [1, с. 53].

Вопросы

1. Какой анализ вещества (качественный или количественный) возможен с помощью масс-спектрометрического метода исследования? Ответ: и качественный, и количественный

2. Какие вещества можно анализировать масс-спектрометрическим методом? Ответ: все (твердые вещества, неогранические газы, органические соединения), от элементов до сложных биомолекул

3. Когда и кем были получены первые масс-спектры? Ответ: Дж. Томсон (1910)

4. На чём основан масс-спектрометрический метод анализа? Ответ: на ионизации молекул и разделении полученных ионов (+), (-) по величинам m/z (отношение их массы к заряду) и определение числа ионов с каждым значением m/z.

5. Какая величина ионов лежит в основе метода? Ответ: отношение массы иона к заряду, эта величина может быть точно измерена, что позволяет установить молекулярные массы ингре­диентов исследуемого вещества.

6. Что такое масс-спектр? Ответ: это величина и интенсивность величины m/z на графике по осям х и у соответственно.

7. Какие основные устройства масс-спектрометра? Ответ: устройство ввода пробы, ионизатор (ионный источник), масс-анализатор ионов (разделитель ионов), детектор (приемник) ионов, ЭВМ (сбор и обработка данных, система управления масс-спектрометром).

8. Какие методы ионизации ионов используются в масс-спектрометрах? Ответ: электронная, химическая, полевая ионизация

9. Какие два типа масс-анализаторов используются в масс-спектрометрах? Ответ: магнитные (постоянное магнитное поле) и квадрупольные (постоянное и переменное).

10. Чем обусловлено соединение газового хроматографа с а масс-спектрометром? Ответ: газовый хроматограф разделяет ком­поненты образца, а масс-спектрометр отвечает за их детектирование и идентификацию.

Список литературы

1.Лебедев, А.Т. Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды Москва: Техносфера, 2013. - 632с. - Режим доступа: http://www.technosphera.ru/files/book_pdf/0/book_353_517.pdf. (дата обращения 20.01.2015)

2.Золотов, Ю.А., Дорохова, Е Н., Фадеева, В.И. Основы аналитической химии. В 2кн. Кн. 2.Методы химического анализа: Учеб. для вузов/ Ю.А. Золотов, Е Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др. Под ред. Ю.А. Золотова — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк.; 2002. — 494с: ил.

3. Герасимов Р. Аналитические технологии против "дизайнерских наркотиков" публикация 23 апреля 2014 - Режим доступа: http://www.narkotiki.ru/5_46671.htm. (дата обращения 19.01.2015)

4. Характеристики http://www.femteco.ru. (дата обращения 19.01.2015)

5. Хромато-масс-спектрометр с МСД Хроматек, сайт ЗАО СКБ "Хроматэк"- Режим доступа: http://www.chromatec.ru. (дата обращения 23.12.14)

6. Токарев М. Что такое масс-спектрометрия и зачем она нужна? - Режим доступа: http://www.chromatec.ru/products/main/gcms/gcms_chromatec (дата обращения 20.01.2015)

Дата добавления: 2015-08-10