Масс - спектрометрические методы анализа

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

Аналитическую масс - спектрометрию отличают:

■ высокая чувствительность определения;

■ универсальность - возможность анализа широкого круга объектов от элементов до сложных белковых молекул;

■ высокая специфичность и селективность.

Сущность метода

Существуют различные способы ионизации атомов и молекул, специфичные для кон­кретной цели анализа.

Способы ионизации

■ электронный удар;

■ химическая ионизация;

■ искровой разряд;

■ лазерное излучение;

■ бомбардировка пучком ионов.

Наибольшее число исследований, особенно в органическом анализе, проводят с использованием ионизации электронным ударом.

Ионизированные молекулы и атомы по их массам разделяют в масс- спектрометре, схема основных узлов которого приведена на рис.

Он состоит из устройства для ввода пробы (1), 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 (2), где молекулы ионизируются. При ио­низации электронным ударом электроны испускаются раскаленным катодом, соударя­ются по пути к аноду с молекулами введенного вещества. Часть этих молекул электро­ны ионизируют. Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются элек­трическим полем и одновременно фокусируются в пучок (узел ускорения и фокуси­ровки ионов - 3). Нейтральные молекулы удаляются вакуум - насосом (4). Все узлы прибора находятся под высоким вакуумом, который обеспечивает необходимую длину свободного пробега ионов. Поток ускоренных ионов попадает в масс - анализатор (5), где ионы разделяются по массе.

Разделенные пучки ионов затем попадают в детектор (б), где ионный ток преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем (7) и обрабаты­вается ЭВМ (8).

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

В магнитах 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 источнике ионов под воздействием ускоряющего потенциала Uo ионы приобретают кинетическую энергию

E=_ZU₀ =1/2 mv²

где, z - заряд иона,

m - масса иона,

v - скорость иона.

Отсюда

Таким образом, при постоянном ускоряющем напряжении скорость ионов определяет­ся отношением их заряда к массе.

Рис. cхема масс - спектрометра с магнитным масс - анализатором (ОАВ - область од­нородного магнитного поля Н).

Заряженные ионы, ускоренные и сформированные в пучок, попадая в масс- анализатор через входную диафрагму , сначала расходятся, а затем описав окружность с радиусом r, фокусируются на щель (рис). При этом на ион, движущийся по круговой траектории, действует центростремительная сила = Hzv, где Н - напря­женность магнитного поля, и центробежная сила =mv²/r. Отсюда учитывая уровень, имеем ()

r=l/H* 2U₀z/m

Таким образом, при постоянной напряженности магнитного поля Н и ускоряющего потенциала U траектории ионов с разными отношениями m/z будут иметь и тем же отношением m/z рисунок одинаков. Именно поэтому ионы с кратными массами и зарядами, такие, как ¹²С₂⁺ и ⁴⁸Ti²⁺, ^,44Sm²⁺ и ¹⁴⁴Nd²⁺, ⁵⁶Fe₂⁺ и ²⁸Si₄⁺, фокусируются вместе.

Рис. Схема квадрупольного масс- спектрометра: 1 - квадруполь; 2 -коллектор ионов.

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 (Рис.). Между стержнями создается поле с гиперболическим распределени­ем потенциала. При фиксированных значениях частота и амплитуды U переменного поля только ионы с определенным значением m/z проходят через анализатор, попадая на коллектор ионов. При этом выполняется соотношение

m=kU/ ², где k - постоянная прибора.

Амплитуда колебаний ионов с другим отношением m/z нарастает по мере их движения между стержнями квадруполя так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Чтобы их зафиксировать, изменяют либо частоту, либо амплитуду высокочастотного переменного поля. Таим образом, ионы с разной массой регистрируются при разных значениях частоты (или амплитуды) переменного поля, в результате чего формируется масс- спектр.

Рис. Схема анализатора «ионной ловушки»

1- катод; 2 - источник питания катода; 3 - выход пробы; 4- торцевой электрод; 5 - кольцевой электрод; 6- электронный умножитель.

Одной из разновидностей квадрупольного масс - анализатора является «ионная ловушка» называемая иногда пространственным квадруполем. Особенностью ее 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 (рис.). Это поле формируется за счет приложения радиочастотного напряжения (U - const.) между кольцевым и торцевым электродами.

При увеличении амплитуды радиочастотного поля U пропорционально нижняя граница интервала m/z ионов, которые удерживаются в ловушке. Поэтому рост U приводит к тому, что ионы в порядке увеличения их m/z быстро покидают область удер­живания и достигают детектора (электронный умножитель).

Во время - пролетном масс- анализаторе образующиеся в ионном источнике ионы очень коротким электрическим импульсом «впрыскиваются» в анализатор длинной L. Т.к. скорость ионов, имеющих разную массу, неодинакова, то и время пролета t через анализатор, определяемое по формуле:

t=L m/2zU,

при постоянных L и U зависит от отношения m/z.

Анализ органических веществ

При ионизации молекул органических веществ молекулы теряют электрон с об­разованием положительного заряженного катион - радикала:

ABCD + е ABCD⁺ +2е

С увеличением энергии электронов молекулярный ион распадается (идет фрагментация) на отдельные осколки. Т. о. при ионизации молекул возникает большое чис­ло осколков.

Масс - спектрометрия позволяет определить молекулярную массу и структуру органических соединений. Молекулярную массу удобно устанавливать по пику молекулярного иона.

Определение структуры органического соединений основывается на изучении пиков осколочных ионов.

Существуют таблицы наиболее представительных ионов с указанием соответст­вующих им структур, которые могут быть использованы в качестве руководства при интерпретации масс - спектра. По пику молекулярного и осколочных ионов устанав­ливают элементный состав и химическую структуру соединения. Если спектр содер­жится в каталоге, то сделать это просто. Такой спектр приведен на рисунке.

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 - хромато- масс- спектрометрию. Разделяющая способность хроматографии и идентификационная способность масс - спектрометрии при прямом сочетании дают уникальную возможность определения компонентов сложных смесей.

Наиболее распространен вариант сочетания масс - спектрометрии с капиллярной ГЖХ В качестве газа - носителя применяют гелий, имеющий высокую энергию ионизации В этом варианте анализирую только летучие соединения, в противном слу­чае требуется перед вводом пробы в хроматограф использовать предварительный пи­ролиз

Для количественного определения чаще всего пользуются методом внутреннего стандарта, сравнения площади пиков изучаемого вещества и стандарта. Лучшими стандартами в хромате - масс- спектрометре являются изотопно - меченные аналоги

определенного соединения

Преимуществами ХМСпектрометрии являются высокая селективность и низкие пределы обнаружения (до ) на рис. Приведена масс - хроматограмма анализа пробы речной волны.

В некоторых случаях хромато - масс- спектрометрия является единственно воз­можным способом определения. Это относится к группе особо опасных токсикантов - полихлорированных дибензо – n - диоксинов (ПХДЦ) и дибензофуранов (ПХДФ). Их необходимо определять на уровне % и ниже. Кроме того, нужно выделить иден­тифицировать и определить количественно одно соединение ПХДЦ из 22-х изомерных производных. Такую сложную задачу можно решить только сочетанием капиллярной жидкостной хроматографии с масс- спектрометрией высокого разрешения с примене­нием изотопно-меченных стандартов.

Сочетание газовой хроматографии и масс - спектрометрии дает огромную информацию, которая требует компьютерной обработки данных. Компьютерные программы в ХМС предназначены для выделения хранения и анализа большого числа экспериментальных данных, а также справочного каталога для сопоставления масс- спектра определяемого компонента смеси.