Масс-спектрометрические методы. Основные положения. Метрологические характеристики. Область применения.

В настоящее время для исследования структуры органических соединений стала широко применяться масс-спектрометрия, основанная на превращениях вещества под действием электронного удара.

Метод масс-спектрометрии основан на ионизации молекулы органического соединения. Ионизация может происходить под действием электронного удара, интенсивного коротковолнового излучения, при столкновении молекулы с возбужденными атомами и ионами или в сильном электрическом поле.

Наиболее широко распространен метод ионизации электронами.
При действии пучка электронов молекула может либо терять электрон с образованием положительного ион-радикала

Μ + е ->・ Mi 4- 2е,

либо захватить электрон и давать отрицательный анион-радикал

М + е->-М7.

При исследовании органических соединений чаще используется масс-спектрометрия положительных ионов.

Образующийся при потере электрона ион-радикал Mi называется молекулярным ионом.

При достаточной энергии электронного пучка образующийся молекулярный ион обладает большой

внутренней энергией, что приводит к его дальнейшему распаду — происходит с образованием положительных ионов и радикалов фрагментации.

Кроме разрыва отдельных связей могут протекать внутримолекулярные перегруппировки, приводящие к перегруппировочным ионам.

Масс-спектр записывается как зависимость относительного количества образующихся ионов от величины пг/е, которая для однозарядных ионов совпадает с массой данного иона. Вероятность образования двухзарядных ионов мала, но если они возникают, то проявляются в масс-спектре в виде пиков при /п/2.

Интенсивность пика в масс-спектре пропорциональна количеству образовавшихся ионов данного вида.

Для получения масс-спектра вещество (1 мг или меньше), находящееся в парообразном состоянии при давлении ~10~6—10~8ммрт. ст., облучается пучком электронов. Обычно используют электроны с энергией 50—70 эВ, что обеспечивает максимальный выход ионов. Образующиеся ионы ускоряются приложенным напряжением и попадают в магнитное поле, где разделяются по массам, поскольку траектория полета иона в магнитном поле зависит от его массы и заряда. Изменяя напряженность магнитного поля, можно фокусировать на выходной щели масс-спектрометра ионы с определенным значением т/е. Ионный ток регистрируется на фотопластинку или электрически, и масс-спектр соединения записывается на самописец или фотобумагу.

Оценка интенсивностей пиков в масс-спектре дается либо в процентах по отношению к наиболее интенсивному пику в спектре (который принимается за 100%), либо в процентах к общей величине ионного тока.

Масс-спектрометрия дает возможность определять молекулярную массу и структуру органических соединений.

При установлении молекулярной массы вещества необходима надежная идентификация пика молекулярного иона — молекулярного пика.

Появление молекулярного иона в спектре наблюдается при энергии электронов, соответствующей потенциалу ионизации органического соединения.

Для большинства соединений эти энергии составляют 8—15 эВ.

При увеличении энергии электронного пучка наряду с образованием молекулярных ионов происходит фрагментация. При обычно используемых в масс-спектрометрах энергиях электронов ~70 эВ происходит одновременно и образование молекулярного иона и его фрагментация.

Понижение энергии электронов до 13—15 эВ дает возможность значительно уменьшить фрагментацию и увеличить относительную интенсивность молекулярного пика.

Идентификация молекулярного пика в спектрах соединений, дающих устойчивые ионы М+ , не вызывает затруднений, так как он достаточно интенсивен.
В спектрах соединений с меньшей ус-тойчивостью молекулярного иона соответствующий пик имеет низкую интенсивность или может быть вообще не виден.

При выборе структуры соединения на основании масс-спектров большую помощь оказывает так называемое азотное правило, согласно которому нечетная молекулярная масса соответствует соединению с нечетным числом атомов азота.

Определение структуры органического соединения основывается на изучении пиков осколочных ионов. В принципе возможен разрыв любой связи в молекулярном ионе, но вероятность разрыва и, следовательно, интенсивность пика соответствующего иона будут зависеть от энергии связей. Например, разрыв одинарных связей происходит легче, чем разрыв кратных, связи С—С разрываются легче, чем связи С—Н, и т. д. Относительная интенсивность пика соответствующего осколочного иона зависит от его собственной устойчивости, от стабильности образующегося одновременно

с ним радикала или нейтральной молекулы.

Таким образом, основные пути фрагментацииопределяются характером связей в молекуле и стабильностью образующихся частиц.

Схема работы масс-спектрометра.

В соответствии с конструкцией анализатора масс существуют пять ос­новных типов масс-спектрометров (МС):

1) секторные магнитные и (или) электрические МС

Ионы, покидающие источник ионов, ускоряются и про­ходят через сектор, в котором магнитное (или электрическое) поле прикладывается перпендикулярно к направлению их дви­жения. Поле изгибает траекторию полета ионов и принуждает ионы с различным отношением m/z разлетаться веером. В ска­нирующем анализаторе масс изменяют силу электрическо­го или магнитного поля, при этом каждый раз регистрируется только одна масса. В несканирующем анализаторе все мас­сы регистрируются одновременно с помощью многоканального детектора;

2) квадрупольные МС

Пучок ионов с помощью элек­трического поля разгоняется до высокой скорости и проходит сквозь квадрупольный анализатор масс, состоящий из четырех металлических стержней. К этим стержням прилагается напря­жение постоянного или переменного тока таким образом, что в каждый момент времени сквозь анализатор пролетают ионы толь­ко с одним соотношением массы к заряду — m/z. Чтобы просканировать различные m/z, напряжение тока варьируют;

3) МС с ионной ловушкой

С помощью различных высокочастотных сигналов, которые прилагаются к кольцево­му электроду и концевым заглушкам, все ионы улавливаются в полости и затем последовательно испускаются соответственно величине их отношений m/z. После прохождения через ускоряющую разность потенциалов ион с зарядом z, массой m и скоростью v при­обретает кинетическую энергию Е=zV=mv2/2);

4) времяпролетные МС

Времяпролетные масс-спектрометры отличаются тем, что в них с по­мощью, например, импульса ионизирующего лазера или с помощью импульса высокого напряжения в электрическом затворе ионы стартуют в одно и то же время. Времяпролетные масс-спектрометры (ВП-МС) обычно менее до­рогие, чем другие типы масс-спектрометров. По сравнению с квадрупольными МС и многими секторными МС они обладают тем пре­имуществом, что регистрируют массы всех ионов без сканирования, что способствует их высокой чувствительности. Однако у ВП-МС меньшая разрешающая способность и меньший интервал регистри­руемых масс, чем у масс-спектрометров с преобразованием Фурье (МС-ПФ);

5) МС с преобразованием Фурье

Принцип работы масс-спектрометра с преобразованием Фу­рье (МС-ПФ).

а — ионы впрыскиваются (инжектируются) в ячейку анализатора. Маг­нитное поле вынуждает тепловые ионы вращаться по низким орби­там, радиус которых зависит от отношения массы ионов к их заряду m/z,

б — прилагаемые высокочастотные импульсы резонансно пере­двигают ионы на более высокие орбиты;

в — высокочастотный сиг­нал, порождаемый принудительным вращением ионов, измеряется и подвергается Фурье-преобразованию.

Замечательной особенностью МС-ПФ является высокое разрешение (Л), которое обычно превышает 100000.

Существенное улучшение информационного содержания спектров до­стигается фрагментацией образца, которое можно осуществить, напри­мер, в ионизационной камере или в полости ионной ло­вушки анализатора масс, заполненной инертным газом, например аргоном.).

Область применения:

Анализ масс-спектрометром смеси атомов различной массы позволяет определить их относительное содержание в этой смеси. В частности, может быть установлено содержание различных изотопов какого-либо химического элемента.

56. Хроматографические методы.Принципы и классификация.
Хроматограммы и способы их получения. Основные теоретические положения и характеристики методов.