Spectrometru de masă
spectrometru de masă

Spectrometru de masă - un dispozitiv pentru determinarea maselor de atomi (molecule) după natura mișcării ionilor lor în câmpuri electrice și magnetice.
Un atom neutru nu este afectat de câmpurile electrice și magnetice. Cu toate acestea, dacă unul sau mai mulți electroni îi sunt luați sau îi sunt adăugați unul sau mai mulți electroni, atunci se va transforma într-un ion, a cărui natură a mișcării în aceste câmpuri va fi determinată de masa și sarcina sa. Strict vorbind, în spectrometrele de masă, nu masa este determinată, ci raportul dintre masă și sarcină. Dacă sarcina este cunoscută, atunci masa ionului este determinată în mod unic și, prin urmare, masa atomului neutru și a nucleului său. Din punct de vedere structural, spectrometrele de masă pot diferi foarte mult unele de altele. Ele pot folosi atât câmpuri statice, cât și câmpuri magnetice și/sau electrice care variază în timp.

Luați în considerare una dintre cele mai simple opțiuni.
Spectrometrul de masă este format din următoarele părți principale:
A) a sursei de ioni, unde atomi neutri se transformă în ioni (de exemplu, sub influența încălzirii sau a unui câmp de microunde) și sunt accelerate de un câmp electric, b) zone de câmpuri electrice și magnetice constante și în) un receptor de ioni care determină coordonatele punctelor în care cad ionii care traversează aceste câmpuri.
Din sursa de ioni 1, ionii accelerați prin fanta 2 cad în regiunea 3 a câmpurilor electrice E și magnetice B 1 constante și uniforme. Direcţie câmp electric este stabilit de poziția plăcilor condensatorului și este indicat prin săgeți. Câmpul magnetic este îndreptat perpendicular pe planul figurii. În regiunea 3, câmpurile electrice E și magnetice B 1 deviază ionii în părți opuseși mărimea intensității câmpului electric E și a inducției camp magnetic B 1 sunt alese astfel încât forțele acțiunii lor asupra ionilor (qE și, respectiv, qvB 1, unde q este sarcina și v este viteza ionului) să se compenseze reciproc, i.e. a fost qЕ = qvB 1 . La viteza ionului v = E/B 1 se deplasează fără a se devia în regiunea 3 şi trece prin a doua fantă 4, căzând în regiunea 5 a unui câmp magnetic uniform şi constant cu inducţie B 2 . În acest câmp, ionul se deplasează de-a lungul cercului 6, a cărui rază R este determinată din relație
Mv 2 /R = qvB 2, unde M este masa ionului. Deoarece v \u003d E / B 1, masa ionului este determinată din relație

M = qB 2 R/v = qB 1 B 2 R/E.

Astfel, cu o sarcină ionică cunoscută q, masa sa M este determinată de raza R orbita circulară în regiunea 5. Pentru calcule, este convenabil să se folosească raportul din sistemul de unități dat în paranteza patrata:

M[T] = 10 6 ZB 1 [T]B 2 [T]R[m]/E[V/m].

Dacă o placă fotografică este utilizată ca detector de ioni 7, atunci această rază se va afișa cu mare precizie Punct negruîn locul plăcii fotografice dezvoltate unde a lovit fasciculul ionic. Spectrometrele de masă moderne folosesc de obicei multiplicatori de electroni sau plăci cu microcanale ca detectoare. Spectrometrul de masă face posibilă determinarea maselor cu o precizie relativă foarte mare ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
Analiza unui amestec de atomi de diferite mase cu ajutorul unui spectrometru de masă face posibilă și determinarea conținutului lor relativ în acest amestec. În special, se poate stabili conținutul diverșilor izotopi ai oricărui element chimic.

Această metodă diferă fundamental de metodele spectroscopice considerate mai sus. Spectrometria de masă structurală se bazează pe distrugerea unei molecule organice ca urmare a ionizării într-un fel sau altul.

Ionii rezultați sunt sortați în funcție de raportul lor masă/sarcină (m/z), apoi numărul de ioni pentru fiecare valoare a acestui raport este înregistrat sub forma unui spectru. Pe fig. 5.1. este prezentată schema generală a unui spectrometru de masă tipic.

Orez. 5.1. Diagrama bloc a unui spectrometru de masă tipic

O anumită formă de cromatografie este de obicei folosită pentru a ghida proba în spectrometrul de masă, deși multe instrumente au capacitatea de a introduce direct proba în camera de ionizare. Toate spectrometrele de masă au dispozitive pentru ionizarea probei și separarea ionilor prin valoarea m/z. După separare, este necesar să se detecteze ionii și să se măsoare numărul acestora. Un colector de ioni tipic constă din fante de colimare care sunt ghidate în colector la acest moment numai ioni de un fel, unde sunt detectați, iar semnalul de detectare este amplificat de un multiplicator de electroni. Spectrometrele de masă moderne sunt echipate cu software specializat: computerele controlează acumularea, stocarea și vizualizarea datelor.

Acum a devenit o practică obișnuită să combine un spectrometru de masă cu un cromatograf cu gaz (GC-MS) sau lichid (LC-MS).

Toate spectrometrele de masă sunt împărțite în două clase: dispozitive low (single) și înaltă definiție(R). Spectrometrele cu rezoluție joasă sunt dispozitive care pot separa mase întregi până la m/z 3000 (R = 3000/(3000-2990) = 3000). Pe un astfel de dispozitiv, compușii C16H26O2 și C15H24NO2 nu se pot distinge, deoarece dispozitivul va fixa masa 250 atât în ​​primul cât și în cel de-al doilea caz.

Instrumentele de înaltă rezoluție (R = 20000) vor putea distinge între compușii C 16 H 26 O 2 (250,1933) și C 15 H 24 NO 2 (250,1807), în acest caz R = 250,1933 / (250,1930,1930,1 -1807) = 18057) .

Astfel, este posibil să se stabilească formula structurală a unei substanțe pe instrumente cu rezoluție scăzută, dar de multe ori în acest scop este necesară în plus implicarea datelor din alte metode de analiză (spectroscopie IR, RMN).

Instrumentele de înaltă rezoluție pot măsura masa unui ion cu o precizie suficientă pentru a determina compoziția atomică, adică determinați formula moleculară a substanței de testat.

În ultimul deceniu, a existat o dezvoltare și o îmbunătățire rapidă a spectrometrelor de masă. Fără a discuta structura lor, observăm că ele sunt împărțite în tipuri în funcție de 1) metoda ionizării, 2) metoda de separare a ionilor. În general, metoda de ionizare este independentă de metoda de separare a ionilor și invers, deși există și excepții. Informații mai complete despre aceste probleme sunt prezentate în literatura de specialitate [Sainsb. Lebedev].

În acest manual, vor fi luate în considerare spectrele de masă obținute prin ionizare prin impact de electroni.

5.2. Spectre de masă cu ionizare prin impact de electroni

Impactul electronic (EI, impactul electronului, EI) este cea mai comună metodă de ionizare în spectrometria de masă. Avantajul acestei metode este posibilitatea utilizării motoarelor de căutare și a bazelor de date (metoda EI a fost istoric prima metodă de ionizare, principalele baze de date experimentale au fost obținute pe dispozitive EI).

O moleculă de substanță probă în fază gazoasă este bombardată cu electroni de înaltă energie (de obicei 70 eV) și ejectează un electron, formând un cation radical numit ion molecular:

M + e → M + (ion molecular) + 2e

Cea mai joasă energie a electronilor de bombardare (ionizanți), la care formarea unui ion dintr-o moleculă dată, se numește energia (sau, cu mai puțin succes, „potențial”) ionizării unei substanțe (U e).

Energia de ionizare este o măsură a puterii cu care o moleculă reține electronul cel mai puțin puternic legat de ea.

De regulă, pentru moleculele organice, energia de ionizare este de 9-12 eV, astfel încât bombardarea cu electroni cu o energie de 50 eV și mai sus conferă un exces de energie internă ionului molecular rezultat. Această energie este parțial disipată din cauza ruperii legăturilor covalente.

Ca urmare a unei astfel de ruperi, ionul molecular se descompune în particule de masă mai mică (fragmente). Un astfel de proces se numește fragmentare.

Fragmentarea are loc selectiv, este foarte reproductibilă și este caracteristică unui compus dat.. În plus, procesele de fragmentare sunt previzibile și ele determină posibilitățile largi de spectrometrie de masă pentru analiză structurală. De fapt, analiza structurală prin spectrometrie de masă constă în identificarea ionilor de fragment și reconstrucția retrospectivă a structurii moleculei originale, pe baza direcțiilor de fragmentare a ionului molecular. Deci, de exemplu, metanolul formează un ion molecular conform schemei:

O
punctul de jos - electronul impar rămas; când sarcina este localizată pe un singur atom, semnul sarcinii este indicat pe acel atom.

Mulți dintre acești ioni moleculari se descompun în 10 -10 - 10 -3 s și dau naștere unui număr de ioni de fragment (fragmentare primară):

Dacă unii dintre ionii moleculari au destui mare vreme durata de viață, ele ajung la detector și sunt înregistrate ca un vârf de ion molecular. Deoarece sarcina ionului inițial este egală cu unitatea, raportulm/ zcăci acel vârf dă greutatea moleculară a analitului.

Prin urmare, spectrul de masă este o reprezentare a concentrațiilor relative ale fragmentelor încărcate pozitiv (inclusiv un ion molecular) în funcție de masele lor.

Literatura specială conține tabele cu cei mai comuni ioni de fragmente, unde sunt indicate formula structurală a ionului și valoarea sa m/z [Prech, Gordon, Silverstein].

Înălțimea celui mai intens vârf din spectru este luată ca 100%, iar intensitățile altor vârfuri, inclusiv vârful ionului molecular, sunt exprimate ca procent din vârful maxim.

În anumite cazuri, vârful ionului molecular poate fi și cel mai intens. În general: intensitatea vârfului depinde de stabilitatea ionului rezultat.

Spectrele de masă conțin adesea o serie de vârfuri de ion fragment care diferă printr-o diferență omoloagă (CH2), adică 14 amu Serii omoloage de ioni sunt caracteristice fiecărei clase de substanțe organice și, prin urmare, poartă informații importante despre structura substanței studiate.

Capacitate de spectrometrie de masă

Spectrul de masă poate fi utilizat pentru a determina greutatea moleculară a unei substanțe. Acest lucru este necesar să se stabilească formulă moleculară substanțe (formula generală). Masa unui atom, măsurată cu mare precizie, diferă de numărul de masă. Deci, pentru CO 2 și C 3 H 8 numărul de masă este 44, dar masele lor moleculare relative exacte sunt 43,989828 și, respectiv, 44,062600, i.e. diferența este de 0,072772 amu. Spectrometrul de masă face posibilă separarea fasciculelor de ioni CO 2 + și C 3 H 8 + atunci când acestea sunt obținute simultan.

Determinarea compoziţiei atomice prin valoare exacta masa se realizează folosind tabele cu masele exacte pentru diferite rapoarte ale numărului de atomi C, H, O și N ca elemente cele mai comune. Măsurarea precisă a masei nu înlocuiește analiza elementară. Ambele metode se completează reciproc.

Când se studiază spectrul de masă, pe lângă determinarea tipului de ion molecular (M + ) măsoară vârfurile și pentru ionii izotopici, inclusiv izotopi mai ușori sau mai grei (cu numerele de masă M ± 1, M ± 2, M ± 3 etc.). Prezența simultană a mai multor izotopi într-o moleculă este puțin probabilă, deoarece abundența naturală a izotopilor mai grei C, H, O și N este neglijabilă. De exemplu, 13 C: 12 C = 1×10 -2 ; 2H: 1H = 1,6×10-4; 15 N: 14 N = 4×10 -3 etc. Totuși, pentru clor 35 Cl: 37 Cl = 3:1; pentru brom 79 Br: 81 Br = 1:1. În consecință, în spectrul de masă, împreună cu ionul M + va fi prezent un ion (M+1) + cu o intensitate proporţională cu abundenţa izotopilor. În tabelele de referință utilizate pe scară largă, sunt date de obicei rapoartele intensităților de vârf ale ionilor moleculari cu numere de masă M + 1 și M + 2.

Valoare maximă m/z în spectrul de masă al unei substanțe poate avea un ion molecular (M + ), a cărui masă este egală cu masa moleculară a compusului de testat. Intensitatea vârfului unui ion molecular (M +) este cu cât este mai mare, cu atât acest ion este mai stabil.

În practică, este rareori posibil să se stabilească structura completă a unui compus numai pe baza spectrului de masă. Cel mai eficient mod de a folosi multiple metode fizice si chimice. Spectrometria de masă, în special în combinație cu cromatografia, este una dintre cele mai informative metode de studiere a structurii unei substanțe (spectrometrie cromato-masă).

Astfel, posibilitățile metodei sunt: ​​determinarea masei moleculare și a formulelor brute ale substanțelor; stabilirea structurii unei substanțe după natura fragmentelor rezultate; analiza cantitativă a amestecurilor, inclusiv determinarea urmelor de impurități; determinarea purității unei substanțe; determinarea compoziţiei izotopice a unei substanţe.

Luați în considerare, ca exemplu, spectrul de masă al etanolului (Fig. 2). De obicei, spectrul este prezentat sub formă de histograme.

Orez. 2. Spectrul de masă al etanolului

LA aparate moderne procesarea intensității impulsurilor electrice corespunzătoare vârfurilor cu diferite valori m/z se realizează cu ajutorul unui calculator.

Spectrele de masă sunt date în următoarea notație: sunt indicate valorile m/z și intensitatea relativă (%) în paranteze. De exemplu, pentru etanol:

Spectrul de masă C2H5OH (m/z): 15(9), 28(40), 31(100), 45(25), 46(14).

Intrebari de interviu

1. Baza teoretica metodă.

2. Energia de ionizare. Tipuri de fragmentare.

3. Schema schematică a spectrometrului de masă.

4. Metode de ionizare: impact electronic, ionizare chimică etc.

5. Modele de fragmentare a ionilor moleculari.

6. Posibilitati ale spectrometriei de masa.

Sarcini de testare

1. Tipuri de fragmentare a ionilor moleculari:

A). Disocierea - dezintegrarea unui ion molecular cu păstrarea secvenței de legături. Ca rezultat al procesului, se formează un cation și un radical și se formează fragmente cu valori egale ale raportului m/z.

Rearanjare - se formează o modificare a secvenței legăturilor, se formează un nou cation radical cu masă mai mică și o moleculă neutră stabilă, fragmentele sunt caracterizate de o valoare impară a raportului m / z.

b) Rearanjare - dezintegrarea unui ion molecular menținând în același timp succesiunea legăturilor. Ca rezultat al procesului, se formează un cation și un radical și se formează fragmente cu valori impare ale raportului m/z.

Disocierea este o modificare a secvenței legăturilor, se formează un nou cation radical cu masă mai mică și o moleculă neutră stabilă, fragmentele sunt caracterizate printr-o valoare uniformă a raportului m/z.

c) Disocierea - dezintegrarea unui ion molecular cu păstrarea secvenței de legături. Ca rezultat al procesului, se formează un cation și un radical și se formează fragmente cu valori impare ale raportului m/z.

Rearanjare - se formează o modificare a secvenței legăturilor, se formează un nou cation radical cu masă mai mică și o moleculă stabilă neutră, fragmentele sunt caracterizate printr-o valoare uniformă a raportului m / z.

2. Capacitățile metodei spectrometriei de masă:

a) determinarea masei moleculare si a formulelor brute a substantelor, analiza cantitativa a amestecurilor;

b) stabilirea structurii substanţei după natura fragmentelor formate, determinarea compoziţiei izotopice a substanţei;

c) determinarea masei moleculare si a formulelor brute a substantelor; stabilirea structurii unei substanțe după natura fragmentelor rezultate; analiza cantitativă a amestecurilor, inclusiv determinarea urmelor de impurități; determinarea purității unei substanțe; determinarea compoziţiei izotopice a unei substanţe.

3. Alegeți răspunsul corect:

a) Probabilitatea de rupere Conexiuni S-N scade odată cu creșterea lanțului de hidrocarburi; energie de rupere a legăturilor S-S mai puțin; la derivații aromatici, ruperea legăturii β cu formarea unui ion de tropil de rearanjare este cel mai probabilă;

a) Probabilitatea ruperii legăturii C-H scade odată cu creșterea lanțului de hidrocarburi; energie de rupere a legăturilor S-S mai mult; la derivații aromatici, ruperea legăturii β cu formarea unui ion de tropil de rearanjare este cel mai probabilă;

c) Probabilitatea ruperii legăturii C-H scade odată cu creșterea lanțului de hidrocarburi; energie de rupere Conexiuni C-C mai mici; la derivații aromatici, ruperea legăturii a cu formarea unui ion de tropil de rearanjare este cel mai probabilă;

1. Kazin V.N., Urvantseva G.A. Metode de cercetare fizică și chimică în ecologie și biologie: tutorial(gât UMO) / V.N. Kazin, G.A. Urvantsev; Yaroslavl stat un-t im. P.G. Demidov. - Iaroslavl, 2002. - 173 p.

2. Sub. ed. A.A. Ișcenko. Chimie analiticăși metode fizico-chimice de analiză / N.V. Alov și alții - M .: Centrul de Editură „Academia”, 2012. (în 2 volume, 1 volum - 352 p., 2 volum - 416 p.) - (Bacalaureat Ser.)

3. Vasiliev V.P. Chimie analitică. - carte. 2. Metode fizico-chimice de analiză. Moscova: Ministerul Educației al Federației Ruse. 2007. 383 p.

4. Kharitonov Yu.Ya. Chimie analitică, carte. 1, carte. 2, facultate, 2008.

5. Otto M. Metode moderne chimie analitică (în 2 volume). Moscova: Technosphere, 2008.

6. Ed. Yu.A. Zolotova. Fundamentele Chimiei Analitice, Liceul, 2004.

7. Vasiliev V.P. Chimie analitică. - carte. 2. Metode fizico-chimice de analiză. M.: Dropia, 2009.

8. Kazin V.N. Metode fizice și chimice de analiză: atelier de laborator/ V.N. Kazin, T.N. Orlova, I.V. Tihonov; Yaroslavl stat un-t im. P.G. Demidova.- Iaroslavl: YarSU, 2011. - 72 p.

(spectroscopie de masă, spectrografie de masă, analiza spectrală de masă, analiză spectrometrică de masă) - o metodă de studiere a unei substanțe prin determinarea raportului dintre masă și sarcină (calitatea) și numărul de particule încărcate formate în timpul unui anumit proces de expunere la o substanță. Istoria spectrometriei de masă începe cu experimentele fundamentale ale lui John Thomson la începutul secolului al XX-lea. Terminația „-metria” a fost dată termenului după trecerea omniprezentă de la detectarea particulelor încărcate folosind plăci fotografice la măsurători electrice curenti ionici.

Diferența esențială dintre spectrometria de masă și alte metode analitice fizico-chimice este că optice, cu raze X și alte metode detectează emisia sau absorbția de energie de către molecule sau atomi, iar spectrometria de masă detectează direct particulele de materie (Fig. 6.12).

Orez. 6.12.

Spectrometria de masă în în sens larg este știința obținerii și interpretării spectrelor de masă, care, la rândul lor, sunt obținute cu ajutorul spectrometrelor de masă.

Un spectrometru de masă este un instrument cu vid care utilizează legi fizice mișcarea particulelor încărcate în câmpuri magnetice și electrice, necesară pentru obținerea unui spectru de masă.

Spectrul de masă, ca orice alt spectru, sens restrâns este dependența intensității curentului ionic (cantității) de raportul dintre masă și sarcină (calitatea). Datorită cuantizării masei și sarcinii, un spectru de masă tipic este discret. De obicei (în analizele de rutină) acest lucru este adevărat, dar nu întotdeauna. Natura analitului, caracteristicile metodei de ionizare și procesele secundare din spectrometrul de masă își pot lăsa amprenta pe spectrul de masă. Astfel, ionii cu aceleași raporturi masă-încărcare pot ajunge în părți diferite spectru și chiar să facă parte din el continuă. Prin urmare, spectrul de masă într-un sens larg este ceva mai mult care transportă informații specifice și face procesul de interpretare a acestuia mai complex și mai interesant. Ionii sunt încărcați individual și încărcați multiplă, atât organici, cât și anorganici. Majoritate molecule miciîn timpul ionizării capătă un singur pozitiv sau sarcina negativa. Atomii pot dobândi mai mult de unul sarcină pozitivăși doar unul este negativ. veverițe, acizi nucleiciși alți polimeri sunt capabili să dobândească mai multe sarcini pozitive și negative. atomi elemente chimice au o greutate specifică. Prin urmare, definiție precisă masa moleculei analizate permite determinarea acesteia compoziție elementară. De asemenea, spectrometria de masă face posibilă obținerea Informații importante despre compoziţia izotopică a moleculelor analizate. În substanțele organice, moleculele sunt structuri specifice formate din atomi. Natura și omul au creat o varietate cu adevărat incalculabilă compusi organici. Spectrometrele de masă moderne sunt capabile să fragmenteze ionii detectați și să determine masa fragmentelor rezultate. În acest fel, se pot obține date despre structura unei substanțe.

Principiul de funcționare al spectrometrului de masă

Instrumentele care sunt utilizate în spectrometria de masă se numesc spectrometre de masă sau detectoare spectrometrice de masă. Aceste dispozitive funcționează cu substanta materiala, care constă din cele mai mici particule- Molecule și atomi. Spectrometrele de masă determină ce fel de molecule sunt (adică ce atomi le alcătuiesc, care este masa moleculara, care este structura aranjamentului lor) și ce fel de atomi sunt (adică compoziția lor izotopică). Diferența esențială dintre spectrometria de masă și alte metode analitice fizico-chimice este că optice, cu raze X și alte metode detectează emisia sau absorbția de energie de către molecule sau atomi, în timp ce spectrometria de masă se ocupă de particulele de materie în sine. Spectrometria de masă măsoară masele lor, sau mai degrabă, raportul dintre masă și sarcină. Pentru aceasta, se folosesc legile mișcării particulelor încărcate de materie într-un câmp magnetic sau electric. Un spectru de masă este o sortare a particulelor încărcate în funcție de masele lor (raporturile masă-încărcare).

În primul rând, pentru a obține un spectru de masă, este necesar să se transforme moleculele neutre și atomii care alcătuiesc orice substanță organică sau anorganică în particule încărcate - ioni. Acest proces se numește ionizare și se realizează diferit pentru organice și substante anorganice. În substanțele organice, moleculele sunt structuri specifice formate din atomi.

În al doilea rând, este necesar să se transforme ionii în faza gazoasă în partea de vid a spectrometrului de masă. Vidul profund asigură mișcarea nestingherită a ionilor în interiorul spectrometrului de masă, iar în absența acestuia, ionii se vor împrăștia și se vor recombina (se vor transforma înapoi în particule neîncărcate).

În mod convențional, metodele de ionizare a substanțelor organice pot fi clasificate în funcție de fazele în care se află substanțele înainte de ionizare.

faza gazoasa:

• ionizare electronică (EI, El - ionizare electronică);
• ionizare chimică (CI, Cl - Ionizare chimică);
• captare electronică (EZ, EU - Captură electronică);
• ionizare într-un câmp electric (PI, FI - Field ionization).

Faza lichida:

• termospray;
• ionizare la presiune atmosferică(ADI, AR - Atmospheric Pressure Ionization);
• electrospray (ES, ESI - Electrospray ionization);
• ionizare chimică la presiune atmosferică (APCI - Atmospheric pressure chemical ionization);
• – fotoionizare la presiune atmosferică (FIAD, APPI – Fotoionizare la presiune atmosferică).

fază solidă:

• desorbție directă cu laser - spectrometrie de masă (PLDMS, LDMS - Direct Laser Desorbtion - Mass Spectrometry);
• desorbție laser asistată de matrice (ionizare) (MALDI, MALDI - Desorbție laser asistată de matrice (ionizare));
• spectrometria de masă a ionilor secundari (MSVI, SIMS - Secondary-Ion Mass Spectrometry);
• bombardarea cu atomi rapizi (FAB, FAB - Fast Atom Bombardment);
• desorbție într-un câmp electric (FD, FD - Field Desorption);
• desorbția plasmatică (PD, PD - Desorbția plasmatică).

În nu Chimie organica pentru analiza compoziției elementare

aplica metode grele ionizare, deoarece energia de legare a atomilor dintr-un solid este mult mai mare, ceea ce înseamnă că trebuie folosite metode mult mai stricte pentru a rupe aceste legături și a obține ioni:

• ionizare în plasmă cuplată inductiv (ICP, IC - Plasmă cuplată inductiv);
• ionizare termică sau ionizare de suprafață;
• ionizare cu descărcare strălucitoare și ionizare prin scânteie;
• ionizare în timpul ablației cu laser.

Din punct de vedere istoric, primele metode de ionizare au fost dezvoltate pentru faza gazoasă. Din păcate, foarte multe substanțe organice nu pot fi evaporate; transfer în fază gazoasă fără descompunere. Aceasta înseamnă că nu pot fi ionizate prin impactul electronilor. Dar, printre astfel de substanțe, aproape tot ceea ce alcătuiește țesutul viu (proteine, ADN etc.) este fiziologic. substanțe active, polimeri, adică tot ceea ce prezintă un interes deosebit astăzi. Spectrometria de masă nu a stat pe loc și înăuntru anul trecut Au fost dezvoltate metode speciale ionizarea unor astfel de compuși organici. Astăzi, două dintre ele sunt utilizate în principal - ionizarea la presiune atmosferică și subspeciile sale - electrospray (ES), ionizarea chimică la presiune atmosferică și fotoionizarea la presiune atmosferică, precum și ionizarea cu desorbție laser asistată de matrice (MALDI).

Ionii obținuți în timpul ionizării sunt transferați la analizorul de masă cu ajutorul unui câmp electric. Acolo începe a doua etapă a analizei masă-arc-întindere - sortarea ionilor după masă (mai precis, după raportul dintre masă și sarcină).

Există următoarele tipuri de analizoare de masă.

• 1. Analizoare de masă continue:
  • analizor de masă sector magnetic și electrostatic;
  • analizor de masă quadrupol.
• 2. Analizoare de masă a impulsurilor:
  • analizor de masă timp de zbor;
  • capcană de ioni;
  • capcană liniară quadrupol;
  • analizor de masă al rezonanței ion-ciclotron cu transformată Fourier;
  • orbitcapcană.

Diferență între continuu și analizoare de masă a impulsurilor constă în faptul că primii ioni intră într-un flux continuu, iar al doilea - în porțiuni, la anumite intervale de timp.

Spectrometrul de masă poate avea două analizoare de masă. Un astfel de spectrometru de masă se numește tandem. Spectrometrele de masă în tandem sunt utilizate, de regulă, împreună cu metodele de ionizare „soft”, în care nu există fragmentare a ionilor moleculelor analizate (ioni moleculari). Astfel, primul analizor de masă analizează ionii moleculari. Ieșind din primul analizor de masă, ionii moleculari sunt fragmentați sub acțiunea ciocnirilor cu molecule de gaz inert sau radiații laser, după care fragmentele acestora sunt analizate în al doilea analizor de masă. Cele mai comune configurații ale spectrometrelor de masă în tandem sunt cvadrupol-cvadrupol și cvadrupol-timp de zbor.

Ultimul element al spectrometrului de masă simplificat pe care îl descriem este detectorul de particule încărcate. Primele spectrometre de masă au folosit o placă fotografică ca detector. Acum se folosesc multiplicatori de electroni secundari din dinod, în care un ion, lovind primul dinod, elimină un fascicul de electroni din acesta, care, la rândul său, lovind următorul dinod, elimină mai mult. cantitate mare electroni etc. O altă opțiune sunt fotomultiplicatoarele care detectează strălucirea care apare atunci când sunt bombardate cu ioni de fosfor.

În plus, sunt utilizați multiplicatori cu microcanale, sisteme precum rețele de diode și colectoare care colectează toți ionii care au căzut în punct dat spațiu (colecționari Faraday).

Spectrometrele de masă sunt utilizate pentru analiza organică și compuși anorganici. Substanțele organice în cele mai multe cazuri sunt amestecuri multicomponente componente individuale. De exemplu, se arată că mirosul de pui prăjit este de 400 de componente (adică 400 de compuși organici individuali). Sarcina analizei este de a determina câte componente alcătuiesc materia organică, de a afla ce componente sunt (identificați-le) și cât de mult din fiecare compus este conținut în amestec. Pentru aceasta, combinația cromatografiei cu spectrometria de masă este ideală. Cromatografia gazoasă este cea mai potrivită pentru a fi combinată cu sursa de ioni a unui spectrometru de masă cu ionizare prin impact de electroni sau ionizare chimică, deoarece compușii sunt deja în fază gazoasă în coloana cromatografului. Instrumentele în care un detector spectrometric de masă este combinat cu un cromatograf de gaze se numesc spectrometre de cromato-masă ("Chromass").

Mulți compuși organici nu pot fi separați în componente folosind cromatografia în gaz, dar pot fi separați folosind cromatografie lichidă. Pentru a combina cromatografia lichidă cu spectrometria de masă, acum se folosesc surse de ionizare în electropress și ionizare chimică la presiune atmosferică, iar combinația cromatografia lichidă cu spectrometrele de masă se numește LC/MS. Cele mai puternice sisteme pentru analiză organică, cerute de proteomica modernă, sunt construite pe baza unui magnet supraconductor și funcționează pe principiul rezonanței ion-ciclotron.

Cel mai răspândit în timpuri recente analizor de masă, care permite măsurarea cât mai precisă a masei ionului și are o rezoluție foarte mare. Rezoluția înaltă face posibilă lucrul cu ioni poliprotonați formați în timpul ionizării proteinelor și peptidelor într-un electrospray, iar precizia ridicată a determinării masei face posibilă obținerea formulei brute a ionilor, făcând posibilă determinarea structurii amino. secvențe de acid în peptide și proteine, precum și pentru a detecta modificări post-translaționale ale proteinelor. Acest lucru a făcut posibilă secvențarea proteinelor fără hidroliza lor prealabilă în peptide. Această metodă se numește proteomică „de sus în jos”. Obținerea de informații unice a devenit posibilă datorită utilizării unui analizor de masă de rezonanță ion-ciclotron cu o transformată Fourier. În acest analizor, ionii zboară într-un câmp magnetic puternic și se rotesc acolo pe orbite ciclice (ca într-un ciclotron, accelerator particule elementare). Un astfel de analizor de masă are anumite avantaje: are o rezoluție foarte mare, gama de mase măsurate este foarte largă și poate analiza ionii obținuți prin toate metodele. Cu toate acestea, pentru funcționarea sa, este nevoie de un câmp magnetic puternic, ceea ce înseamnă că utilizarea magnet puternic cu un solenoid supraconductor menținut la o temperatură foarte scăzută (heliu lichid, aproximativ -270°C).

Cel mai important specificatii tehnice spectrometrele de masă sunt sensibilitatea, intervalul dinamic, rezoluția, viteza de scanare.

Cea mai importantă caracteristică în analiza compuşilor organici este sensibilitatea. Pentru a ajunge cât mai departe sensibilitate mai mare când raportul semnal-zgomot se îmbunătățește, se recurge la detectarea pentru ioni individuali selectați. În acest caz, câștigul în sensibilitate și selectivitate este colosal, dar atunci când se folosesc dispozitive cu rezoluție scăzută, trebuie să sacrifice altul. parametru important- credibilitate. Utilizarea rezoluției înalte pe dispozitivele cu focalizare duală vă permite să obțineți nivel inalt fiabilitate fără a sacrifica sensibilitatea.

Pentru a obține o sensibilitate ridicată, se poate folosi și spectrometria de masă în tandem, când fiecare vârf corespunzător unui singur ion poate fi confirmat de spectrul de masă al ionilor fii. Campionul absolut în sensibilitate este un spectrometru de masă cromatografie organică de înaltă rezoluție cu focalizare dublă.

În funcție de caracteristicile combinației de sensibilitate cu fiabilitatea determinării componentelor, capcanele de ioni urmează dispozitive de înaltă rezoluție. Instrumentele clasice cu patru poli de ultimă generație sunt îmbunătățite de o serie de inovații, cum ar fi utilizarea unui prefiltru cvadrupol curbat pentru a reduce zgomotul, împiedicând particulele neutre să ajungă la detector.

Aplicații ale spectrometriei de masă

• · Energie nucleară;
• · Arheologie;
• · Petrochimie;
• · Geochimie (geocronologie izotopică);
• · Agrochimie;
• · Industria chimica;
• · Analiza materialelor semiconductoare, a metalelor ultrapure, a peliculelor subțiri și a pulberilor (de exemplu, oxizi de U și REE);
• · Farmaceutice - pentru a controla calitatea medicamentelor fabricate și a detecta contrafacerile;
• · Diagnostice medicale;
• · Biochimie - identificarea proteinelor, studiul metabolismului medicamentelor.

Spectrometrie cromato-masă

Spectrometria cromato-masă este o metodă de analiză a amestecurilor de substanțe în principal organice și de determinare a unor urme de substanțe într-un volum lichid. Metoda se bazează pe o combinație a două metode independente - cromatografia și spectrometria de masă. Cu ajutorul primului, amestecul este separat în componente, cu ajutorul celui de-al doilea - identificarea și determinarea structurii substanței, analiza cantitativă. Există 2 variante de cromatografie-spectrometrie de masă, care sunt o combinație de spectrometrie de masă cu cromatografia gaz-lichid (GLC) sau cromatografia lichidă de înaltă performanță.

Orez. zece.

Primele studii capacitati analitice spectrometria cromato-masă a fost efectuată în anii 1950, primele instrumente industriale care combinau un cromatograf gaz-lichid și

spectrometru de masă, apărut în anii 60. Compatibilitatea fundamentală a acestor două instrumente se datorează faptului că în ambele cazuri substanța analizată se află în fază gazoasă, intervalele de temperatură de funcționare sunt aceleași, iar limitele de detecție (sensibilitate) sunt apropiate. Diferența este că un vid înalt (10 -5 - 10 -6 Pa) este menținut în sursa de ioni a spectrometrului de masă, în timp ce presiunea în coloana cromatografică este de 10 5 Pa. Pentru reducerea presiunii se folosește un separator, care este conectat la un capăt la ieșirea coloanei cromatografice, iar la celălalt capăt la sursa de ioni a spectrometrului de masă. Separatorul elimină partea principală a gazului purtător din fluxul de gaz care părăsește coloana, iar materia organică trece în spectrometrul de masă. În acest caz, presiunea la ieșirea coloanei este redusă la presiunea de lucru în spectrometrul de masă.

Principiul de funcționare al separatoarelor se bazează fie pe diferența de mobilitate a moleculelor gazului purtător și a analitului, fie pe permeabilitatea diferită a acestora printr-o membrană semipermeabilă. In industrie se folosesc cel mai des separatoarele de injectoare, care functioneaza dupa primul principiu. Separatoarele cu o singură treaptă de acest tip conțin două duze cu găuri de diametru mic, care sunt instalate exact una față de cealaltă. Se creează o presiune de 1,33 Pa în volumul dintre duze. Fluxul de gaz din coloana cromatografică prin prima duză cu viteză supersonică intră în regiunea vidului, unde moleculele se propagă cu viteze invers proporționale cu masa lor. Ca urmare, moleculele mai ușoare și mai rapide ale gazului purtător sunt pompate, iar moleculele mai lente ale materiei organice intră în orificiul celei de-a doua duze și apoi în sursa de ioni a spectrometrului de masă. Unele instrumente sunt echipate cu un separator în două trepte echipat cu un alt bloc de duze similar. Se creează un vid înalt în volumul dintre ele. Cu cât moleculele de gaz purtător sunt mai ușoare, cu atât sunt îndepărtate mai eficient din fluxul de gaz și cu atât este mai mare îmbogățirea materie organică.

Cel mai convenabil gaz purtător pentru spectrometria cromato-masă este heliul. Eficiența separatorului, adică raportul dintre cantitatea de materie organică din fluxul de gaz care iese din coloană și cantitatea acesteia care intră în spectrometrul de masă depinde în mare măsură de debitul gazului purtător care intră în separator. La un debit optim de 20-30 ml/min, până la 93% din gazul purtător este îndepărtat și mai mult de 60% din analit intră în spectrometrul de masă. Acest debit de gaz purtător este tipic pentru coloanele umplute. În cazul utilizării unei coloane cromatografice capilare, debitul de gaz purtător nu depășește 2–3 ml/min, prin urmare, la ieșirea acesteia, se adaugă o cantitate suplimentară de gaz purtător în fluxul de gaz, astfel încât debitul care intră în separatorul ajunge la 20–30 ml/min. Acest lucru asigură cea mai bună eficiență a separatorului. Coloanele capilare flexibile de cuarț pot fi injectate direct în sursa de ioni. În acest caz, sursa de ioni trebuie să fie prevăzută cu un sistem puternic de pompare care să mențină un vid ridicat.

Spectrometrele de masă conectate la cromatografele de gaze utilizează ionizare prin impact de electroni, ionizare chimică sau de câmp. Coloanele cromatografice trebuie să conțină staționări nevolatile și termostabile faze lichide astfel încât spectrul de masă al vaporilor lor să nu se suprapună cu spectrul analitului.

Analitul (de obicei în soluție) este introdus în evaporatorul cromatografului, unde se evaporă instantaneu, iar vaporii, amestecați cu un gaz purtător, intră în coloană sub presiune. Aici, amestecul este separat și fiecare component din fluxul de gaz purtător, pe măsură ce eluează din coloană, intră în separator. În separator, gazul purtător este îndepărtat în principal, iar fluxul de gaz îmbogățit cu materie organică intră în sursa de ioni a spectrometrului de masă, unde moleculele sunt ionizate. Numărul de ioni formați în acest caz este proporțional cu cantitatea de substanță primită. Folosind un senzor instalat în spectrometrul de masă, care răspunde la modificările curentului ionic total, se înregistrează cromatogramele. Astfel, spectrometrul de masă poate fi considerat un detector universal pentru un cromatograf. Concomitent cu înregistrarea cromatogramei în orice punct, de obicei în vârful vârfului cromatografic, se poate înregistra un spectru de masă, ceea ce face posibilă stabilirea structurii substanței.

O condiție importantă pentru funcționarea dispozitivului este înregistrarea rapidă a spectrului de masă, care trebuie înregistrat într-un timp mult mai scurt decât timpul vârfului cromatografic. Înregistrarea lentă a spectrului de masă poate distorsiona raportul intensităților de vârf din acesta. Rata de înregistrare a spectrului de masă (viteza de scanare) este determinată de analizorul de masă. Cel mai scurt timp de scanare a întregului spectru de masă (câteva milisecunde) este asigurat de un analizor cu patru poli. În spectrometrele de masă moderne echipate cu un computer, construcția cromatogramelor și prelucrarea spectrelor de masă se realizează automat. Prin intervale egale timpul în care componentele amestecului sunt eluate, spectrele de masă sunt înregistrate, caracteristici cantitative care sunt stocate în memoria computerului. Pentru fiecare scanare se adaugă intensitățile tuturor ionilor înregistrați. Deoarece această valoare totală (curent ionic total) este proporțională cu concentrația substanței în sursa de ioni, este utilizată pentru a construi o cromatogramă (această valoare este reprezentată de-a lungul axei ordonatelor, de-a lungul axei absciselor - timpul de retenție și numărul de scanare ). Prin setarea numărului de scanare, puteți reaminti spectrul de masă din memorie în orice punct al cromatogramei.

După cum s-a descris mai sus, pot fi analizate amestecuri de substanțe care sunt suficient de bine separate pe coloane adecvate de cromatografie gazoasă-spectrometrie de masă. Uneori pot fi investigate și vârfurile cromatografice nerezolvate. Substanțele studiate trebuie să fie stabile termic, mobile cromatografic în intervalul temperaturii de funcționare a coloanei și să fie ușor transferate în faza de vapori la temperatura evaporatorului. Dacă substanțele nu îndeplinesc aceste cerințe, ele pot fi modificate chimic, de exemplu, prin sililare, alchilare sau acilare a grupărilor hidroxi, carboxi, mercapto, amino.

Sensibilitatea cromatografiei gazoase-spectrometrie de masă (de obicei 10 -6 -10 -9 g) este determinată de sensibilitatea detectorului spectrometrului de masă. O varietate mai sensibilă (10 -12 -10 -15 g) de spectrometrie de cromato-masă este fragmentografia de masă, numită și detectie selectivă de ioni sau multi-ioni. Esența sa constă în faptul că înregistrarea cromatogramelor se realizează nu în funcție de curentul ionic total, ci în funcție de cel mai caracteristic pentru substanță dată ionii. Acest tip de spectrometrie de cromato-masă este utilizat pentru a căuta, identifica și analiza cantitativa substanțe cu un spectru de masă cunoscut într-un amestec complex, de exemplu, când cuantificare urme de substanţe în volume mari fluide biologice(medicina, farmacologie, toxicologie, control doping, biochimie). Efectuați fragmentare de masă pe spectrometre de cromato-masă folosind un dispozitiv special - un detector multi-ion sau folosind un computer care poate construi cromatograme pentru unul sau mai mulți ioni. O astfel de cromatogramă, spre deosebire de cea obișnuită, conține vârfuri doar ale acelor componente ale căror spectre de masă conțin astfel de ioni. Analiza este efectuată folosind un standard intern, care este adesea folosit ca analog al substanței dorite, etichetat izotopi stabili(2H, 13C, 15N, 180).

O altă opțiune pentru spectrometria cromato-masă este combinația dintre cromatografia lichidă de înaltă performanță și spectrometria de masă. Metoda este destinată analizei amestecurilor de substanțe polare greu volatile care nu pot fi analizate prin metoda spectrometriei de cromato-masă GJ. Pentru a menține vidul în sursa de ioni a spectrometrului de masă, este necesar să se îndepărteze solventul care vine de pe cromatograf cu o viteză de 0,5–5 ml/min. Pentru a face acest lucru, o parte din fluxul de lichid este trecută printr-o gaură de câțiva microni, în urma căreia se formează picături, care cad apoi în zona încălzită, unde se evaporă cea mai mare parte a solventului, iar restul, împreună cu substanța. , intră în sursa de ioni și este ionizat chimic.

O serie de dispozitive industriale implementează principiul unui transportor cu bandă. Eluatul din coloană intră într-o centură în mișcare care trece printr-o cameră încălzită cu IR unde solventul se evaporă. Apoi banda cu substanța trece prin zona încălzită de un alt încălzitor, unde analitul se evaporă, după care intră în sursa de ioni și este ionizat. Mai mult metoda eficienta Combinația dintre un cromatograf gaz-lichid de înaltă performanță și un spectrometru de masă se bazează pe pulverizare electro- și termică. În acest caz, eluatul este trecut printr-un capilar încălzit la 150°C și pulverizat într-o cameră cu vid. Ionii tampon prezenți în soluție participă la formarea ionilor. Picăturile rezultate poartă o sarcină pozitivă sau negativă. Datorită diametrului său mic, se creează un gradient mare de câmp electric de-a lungul picăturii, iar acest gradient crește pe măsură ce picătura se rupe. În acest caz, are loc desorbția din picături de ioni protonați sau clustere (moleculă de substanță + cation tampon).

Metoda spectrometriei de cromato-masă este utilizată în studiile structurale și analitice din chimie organică, petrochimie, biochimie, medicină, farmacologie, pentru protecția mediu inconjurator si etc.