Принцип работы

Основные компоненты спектрометра ЭПР изображены схематично на рис. 3. Источником излучения служит клистрон (электронная лампа, рабо­тающая в диапазоне сверхвысоких частот) с частотой обычно 9-10⁹ Гц. СВЧ-излучение передается к образцу и детектору с помощью вол­новода, которым чаще всего служит полая латунная трубка прямо­угольного сечения. Вводя в волновод стержень, можно уменьшать спо­собность волновода проводить излучение и, следовательно, изменять интенсивность излучения, достигающего образца.

Образец закрепляется в резонаторе, в котором возникают стоячие волны. Стоячая электромагнитная волна включает в себя электриче­скую и магнитную составляющие, ориентированные перпендикулярно друг к другу. Воздействие магнитной составляющей на образец вызы­вает электронный парамагнитный резонанс; электрическое поле также может воздействовать на спин электрона. Поэтому образец обычно рас­полагают в полости резонатора в такой области, где влияние высокоча­стотного магнитного поля на спин электрона максимально, а электриче­ского — минимально.

Рис. 3. Блок-схема спектрометра электрон­ного парамагнитного резонанса:

СВЧ-излучение обычно детектируют с помощью детектора из кри­сталла кремния, который преобразует падающее на него излучение в постоянный ток. Сигнал на выходе детектора уси­ливается и подается в регистрирующее устройство. Если сигнал имеет достаточную интенсивность, линии поглощения СВЧ-излучения можно наблюдать на экране осцилло­графа. Для регистрации сла­бых сигналов поле модулиру­ют, полученный переменный сигнал усиливают и, наконец, регистрируют на ленте или карте электронного потенцио­метра в виде первой производ­ной сигнала поглощения. 1 — генератор развертки; 2— источник питания: 3 — клистрон; 4— резонатор с образцом; 5 —кри­сталл детектора; 6 — усилитель; 7 — регистрирую­щее устройство; 8 — полюсные наконечники маг­нита.

Полость резонатора с об­разцом размещена между по­люсами электромагнита, кото­рый создает однородное маг­нитное поле высокой стабиль­ности. Спектр ЭПР ре­гистрируют, изменяя в некото­ром интервале напряженность магнитного поля вблизи резо­нансного значения. Для этого регулируют ток магнита, кото­рый контролируется источником питания. При резонансе происходит заметное изменение мощности, отраженной от полости резона­тора.

Характеристики спектров ЭПР

1. Интенсивность отдельных сигналов, характеризующая содержание парамагнитных частиц разных ионов.

2. Положение сигналов в спектрах, характеризуемое значением g-фактора.

3. Мультиплетность сигналов в спектрах, измеряемая в гауссах (Гс).

4. Ширина линии

5. Форма линии сигнала

ЭПР спектроскопия позволяет обнаруживать такие элементы как марганец, железо (3), хром (3) до 10^-11моль/л, определение элементов и диамагнитных соединений путем комплексообразования, определение изотопного состава и др.

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия — это метод анализа, основанный на разделении ионов анализируемого вещества в зависимости от ве­личины отношения массы к заряду (m/z).

В масс-спектрометре газообразный образец бомбардируется пото­ком электронов (рис. 7.9), что приводит к возникновению из исходного вещества ионизированных молекул или фрагментов. Используют для этих целей один из трех источников ионизации: источник ионов электронного удара; источник ионов химической ионизации; индуктивно-связан­ную плазму.

Затем образовав­шийся набор положитель­но заряженных частиц вытягивается из потока газа с помощью электро­да, на который подано ускоряющее напряжение, и разделяется в соответст­вии с отношением массы ионов к их заряду (m/z). Меняя напряженность магнитного поля, на­правляют ионы с различными массами на регистрирующее устройство (детектор), т. е. делают развертку масс-спектра. Молекулярные ионы и ионизированные фрагменты во время дрейфа от источника к детектору разделяются в соответствии с молекулярной массой, самые легкие ионы приходят первыми и т.д.

Образование ионов. Поскольку столкновения с другими молекула­ми или фрагментами могут исказить разделение частиц на основании их относительных масс, масс-спектрометры работают при высоком ва­кууме и используют очень малые количества образца. Образец вводится в эту камеру в газообразном виде через тонкий капилляр; труднолетучие соединения часто приходится нагревать для того, чтобы достичь необходимого дав­ления паров. Соединения, обладающие очень низкой летучестью, иног­да испаряют непосредственно в ионизационной камере.

Минимальная энергия, необходимая для образования однократно ионизованной молекулы (иногда называемой молекулярным ионом), равна примерно 10 эВ, и если масс-спектрометр работает с ионизиру­ющим пучком электронов примерно такой энергии, обычно в масс-спектре содержится один молекулярный пик, отвечающий массе исход­ной молекулы и образующийся вследствие реакции типа:

ABC + е^- - АВС⁺ + 2е^-

Увеличение энергии электронов приводит к образованию возбуж­денных заряженных частиц, которые могут распасться на отдельные фрагменты. В практике обычно применяют пучки электронов с энерги­ей 50—100 эВ, так как это позволяет получать наиболее воспроизводи­мые спектры. Для большинства исследуемых систем такой энергии до­статочно, чтобы выбить из молекулы второй электрон и образовать двухзарядный ион. Бомбардировка образца электронами приводит так­же к образованию некоторых видов отрицательных ионов, но их доля обычно не превышает 10^-2—10^-4 от полного числа заряженных частиц.

Положительные ионы выталкиваются из ионизирующего пучка с помощью положительно заряженной пластины и попадают в систему ускоряющих электродов.

Полный масс-спектр, образовавшийся при исследовании исходного вещества, включает в себя линии, возникшие вследствие распада (фраг­ментации) молекул. При фрагментации ионы могут образовываться различными путями, например в результате диссоциации однократно ионизованной молекулы: АВС⁺ АВ⁺+С; ВС⁺ + А; А⁺+ВС и т. д., а также вследствие перестройки или рекомбинации фрагментов, напри­мер АС⁺.

Масс-спектрометр ре­гистрирует распределение заряженных частиц по массам и относительную интенсивность соответст­вующих пиков. Для фиксированного значения энергии ионизации электро­нов масс-спектр каждого вещества индивидуален. Это позволяет идентифицировать неизвестное вещество путем сравнения его масс-спектра со спектрами известных веществ, хранящихся в библиотеке масс-спектров.

I,% СН₂ОН⁺ C₂Н₅ОН, Мм = 46

СН₃

15 28 31 45 46 (m/е)

Рис.1.Графическое изображение масс-спектра этанола

Рис.2. Регистрируемый масс-спектр (фрагмент) моно­метилового эфира этиленгликоля.

Расшифровку масс-спектра неизвестного соединения начинают с отнесения пиков с наибольшим массовым числом, так как эти пики являются определяю­щими при оценке спектра [молекулярный пик, (М-Х)-пик, пики стабилизированных фрагментов] по сравнению с пиками с низкими массовыми числами. Прежде всего, идентифицируют молекулярный пик, благодаря чему определяют молекулярную массу исследуемого соединения. Было замечено, что соединения, содержащие легко отщепляемые фрагменты X, дают только слабый молекулярный, но интенсивный (М-Х)-пик.

Изучение масс-спектра позволяет определить точные формулы мо­лекул и молекулярные массы. Опытные масс-спектрометристы на осно­вании рассмотрения масс-спектра могут охарактеризовать исходное ве­щество и полностью расшифровать его структуру. Метод чувствителен и точен, следовательно, его можно также использовать для качествен­ного и количественного анализа.

Часто метод масс-спектрометрии сочетают с газовой или жидкостной хроматографией (ГХ МС или ЖХ МС аналитические системы). В этом случае выход хроматографической колонки через подогреваемый интерфейс соединяют с источником ионов масс-спектрометра. Выходящие из колонки после разделения вещества попадают в область ионизации, а образовавшиеся ионы регистрируются в виде масс-спектра. Система обработки данных позволяет полу­чить масс-спектр каждого хроматографического пика. Газовый хроматомасс спектрометр состоит из газового хроматографа (ГХ), масс спектрометра (МС), роторного насоса, персонального компьютера с монитором и принтером.

В сочетании с хроматографией или капиллярным электро­форезом масс-спектрометрия является мощным инструмен­тальным методом анализа, обладающим высокой информатив­ностью и пригодным для исследования практически всех клас­сов органических соединений. В таком сочетании метод в настоящее время наиболее часто используется для идентифи­кации и контроля качества разных видов пищевой продукции и продовольственно­го сырья.

Дата добавления: 2015-08-10