Основы масс-спектрометрии, основные элементы масс-спектрометров

Масс-спектрометрия

Метод масс-спектрометрии основан на ионизации молекулы органического соединения и последующего разделения ионов по массам.

Принцип разделения ионов в магнитном поле был продемонстрирован еще в 1898 году. К 1918 году развитие метода достигло такой степени, что с его помощью было продемонстрировано существование у неона двух изотопов с массами 20 и 22. К 1942 году масс-спектрометры выпускались серийно.

 

ИК-спектроскопия

 

Инфракрасное излучение относится к той части электромагнитного спектра, которая находится между видимой и микроволновой областями. Среди химиков-органиков наибольшее применение нашла только ограниченная его часть между 4000 и
650 см^-1.

Следует отметить, что даже простые молекулы могут дать чрезвычайно сложный спектр. Исследователи пользуются этим, когда сравнивают спектр неизвестного вещества со спектром заведомо известного образца. Совпадение всех полос является доказательством идентичности. Никакие два соединения, за исключением оптических изомеров, не могут дать одинаковые ИК-спектры.

ИК-излучение с частотой менее 100 см^-1 поглощается и преобразуется молекулой в энергию вращения. Поглощение квантовано, и, таким образом, вращательный спектр молекул состоит из дискретных линий.

ИК-излучение в интервале 10000 ‒100 см^-1 при поглощении преобразуется органической молекулой в энергию колебания. Это поглощение также квантовано, но колебательный спектр состоит не из линий, а из полос, поскольку каждое изменение колебательной энергии сопровождается изменениями многочисленных состояний вращательной энергии.

Частота, при которой наблюдается полоса поглощения (ν), зависит от относительных масс атомов, силовых постоянных атомов и геометрии молекулы (уравнение 2).

 

                           ν = ½ π с √ k / μ,                                  (2)

 

где k ‒ силовая постоянная связи

μ ‒ приведенная масса μ = m₁ m₂ / (m₁+ m₂)

Следует отметить, что в ИК-спектрах проявляются только те колебания, которые происходят с изменением дипольного момента. Колебания симметричных связей в ИК-спектре не проявляются.

Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и твердых соединений. Для измерения спектров газообразных соединений используют специальные газовые кюветы. Жидкие соединения наносят в виде пленки на пластинки из материала, прозрачного в исследуемой области (например, KBr, NaCl, CsI, KCl). Из твердых веществ приготовляют суспензию в вазелиновом масле, которую помещают между солевыми пластинками. Нужно иметь в виду при этом, что само вазелиновое масло поглощает при  3000‒2800 см^-1 , 1460 и 1380 см^-1.

Можно получить спектры твердых веществ, запрессовывая их с бромистым калием и снимая спектр полученной пластинки. ИК-спектры могут быть измерены и для растворов веществ. Поскольку не имеется растворителей, прозрачных для всей области спектра, то обычно регистрация ИК-спектра растворов делается только для узких областей.

Хотя ИК-спектр является характеристикой всей молекулы, оказывается, что некоторые группы атомов поглощают при определенной частоте или вблизи нее независимо от структуры остальной части молекулы. Эти полосы, которые называют характеристическими, настолько постоянны, что по ним можно судить о структурных элементах молекулы. Характеристическими являются колебания групп, содержащих легкий атом водорода (С–Н, О–Н, N–H) и колебания групп с кратными связями.

Различают два типа молекулярных колебаний: валентные и деформационные.

Валентное колебание – это ритмичное движение вдоль оси связи, при этом межатомное расстояние увеличивается и уменьшается.

Деформационные колебания вызывают изменение угла, образованного связями около общего атома, или движение группы атомов по отношению к остальной части молекулы без смещения атомов по отношению друг к другу внутри этой группы. Примером деформационных колебаний могут быть крутильные (twisting), маятниковые (rocking), и торсионные (torsional) колебания

При записи ИК-спектров поглощения параметром длины волны (λ) являются микроны (мкм) или частоты (ν) в см^-1. Интенсивность поглощения выражается в процентах поглощения (рис. 3).

Наиболее важные и надежно интерпретируемые характеристические полосы поглощения располагаются в коротковолновой (высокочастотной) области частот колебаний молекул от 4000 до 1500 см^-1. Длинноволновая часть инфракрасного спектра (<1500 cм^-1) гораздо более сложна и содержит наряду с характеристическими полосами большое число интенсивных полос поглощения, положение и форма которых индивидуальны для каждой сложной молекулы. Поэтому эту часть спектра называют «областью отпечатков пальцев».

Рис. 3. ИК-спектр 1,2,4-триазин-5,6(1 H,4 H)-диона

 

 

Таблица 5.

Полосы поглощения важнейщих функциональных групп и связей в ИК-спектре

Функциональная группа	Структура	ν, см-1	Интенсивность
OH (неассоциированная)	–OH	3600	сильная
ОН (водородная связь)	–	3550–3200	средняя
Аминогруппа		3300–3500	–
Ацетилены (концевая)		3300	сильная
Ароматические связи С-Н		3020	средняя
Метиленовые связи С-Н		2850–2960	–
Метильные связи С-Н			–
			–
Алкины		2100–2300	слабая или средняя
Нитрилы		2215–2260	средняя
Цианаты		2270	сильная
Изоцианаты		2200–2300	сильная
Тиоцианаты		2150	сильная
Аллены		1950	сильная
Изонитрилы		2120–2185	сильная
Азиды		2120–2160	–
диазогрупа		2100–2330	сильная
Кетоны		1700–1725	–
Альдегиды		1720–1740	–
Ароматические альдегиды или кетоны		1660–1715	–
Циклопентаноны		1740–1750	–
Карбоновые кислоты		1700–1725	–
Ароматические кислоты		1680–1715	–
Сложные эфиры		1735–1750	–
Фенольные эфиры		1760–1800	–
Ароматические эфиры		1715–1730	–
Амиды		1630–1690	–
Хлорангидриды		1785–1815	–
Ангидриды (две полосы)		1740–1850	–
Карбоксилаты		1550–1610 1300–1450	–
Имины		1480–1690	–
Енольные эфиры		1600–1660	сильная
Алкены		1640–1680	от слабой до сильной
Нитрогруппа		1500–1650 1250–1400	сильная сильнаяя
Эфиры		1085–1150	сильная
Алкилфториды		1000–1400	сильная
Алкилхлориды		580–780	сильная
Алкилбромиды		560–800	сильная

 

Масс-спектрометрия

Метод масс-спектрометрии основан на ионизации молекулы органического соединения и последующего разделения ионов по массам.

Принцип разделения ионов в магнитном поле был продемонстрирован еще в 1898 году. К 1918 году развитие метода достигло такой степени, что с его помощью было продемонстрировано существование у неона двух изотопов с массами 20 и 22. К 1942 году масс-спектрометры выпускались серийно.

 

Основы масс-спектрометрии, основные элементы масс-спектрометров

 

Масс-спектрометрию можно рассматривать как совокупность нескольких отдельных процессов: ионизация, разделение ионов по массам и регистрация образующихся ионов.

Способы ионизации органических веществ классифицируют по тому, в каком агрегатном состоянии находится исследуемое вещество (табл.1).

Газовая фаза:

§ электронная ионизация (EI – Electron Impact);

§ химическая ионизация (CI – Chemical Ionisation);

§ электронный захват (EC);

§ ионизация в электрическом поле (FI – Field Ionisation).

Жидкая фаза:

§ термоспрей (TSI – TermoSpray Ionistion);

§ ионизация при атмосферном давлении (AP - Atmospheric Pressure):

- электроспрей (APESI – Atmospheric Pressure Sprey Ionisation);

- химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI –      Atmospheric Pressure Chemical Ionisation);

- фотоионизация при атмосферном давлении (APPI - Atmospheric Pressure PhotoIonisation).

Твердая фаза:

§ прямая лазерная десорбция – масс-спектрометрия (LDMS – Laser desorption);

§ матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI – Matrix assistant Laser Desorption Ionisation);

§ масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS – Secondary Ion Mass Spectrometry);

§ бомбардировка быстрыми атомами (FAB – Fast Atom Bombardment);

§ десорбция в электрическом поле (FD – Field Desorption);

§ плазменная десорбция (LD - Laser Desorption).

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. Однако не все вещества можно испарить без разложения. Для ионизации таких соединений были разработаны специальные методы ионизации.

Полученные при ионизации ионы ускоряются с помощью электрического поля и переносятся в масс-анализатор для разделения ионов по массам (точнее, по отношению массы к заряду m / z)

В настоящее время для сортировки ионов в масс-спектрометрии используются следующие типы анализаторов:

непрерывные масс-анализаторы (ионы поступают непрерывным потоком):

§  магнитный масс-анализатор;

§  масс-анализатор со скрещенным магнитным и электростатическим полями;

§  квадрупольный масс-анализатор;

импульсные масс-анализаторы (ионы поступают порциями, через определенные интервалы времени):

§ времяпролетный масс-анализатор;

§ ионная ловушка;

§ квадрупольная линейная ловушка;

§ ионно-циклотронная ловушка;

§ масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием.

Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора (тандемный масс-спектрометр).

Регистрация образующихся ионов производится с помощью детекторов нескольких типов:

§ диодные вторично-электронные умножители;

§ фотоумножители.

Наиболее общим методом ионизации является электронный удар (ЭУ). В этом случае образец в газовой фазе бомбардируется потоком электронов с высокой энергией (70 eV). Потенциал ионизации органических соединений обычно меньше 15 eV. Бомбардировка вещества электронами вызывает образование молекулярного иона. Далее вмолекулярном ионе идет разрыв связей с энергией от 3 до 10 еV. Расщепление связей происходит достаточно интенсивно, с высокой степенью воспроизводимости и является характеристикой соединения.Более того, процесс расщепления связей и образования фрагментов является предсказуемым.

В условиях ионизации ЭУ многие молекулы не образуют стабильных молекулярных ионов или относительная интенсивность его бывает настолько мала, что достоверная идентификация становится невозможной. Для дополнения структурной информации, получаемой с помощью масс-спектрометрии с ЭУ, может быть использован метод мягкой ионизации, с помощью которого может быть получена информация о молекулярной массе. Для этого используется метод химической ионизации (ХИ). Основной недостаток метода – состав масс-спектра ХИ очень сильно зависит от условий ионизации: температуры источника и давления, настройки параметров, чистоты газа-реагента и самого источника. Все это приводит к низкой воспроизводимости.

При использовании ионизации в электрическом поле нет необходимости испарять пробу. Метод подходит для анализа летучих соединений (солей) или термически нестабильных соединений. Ионы образуются под действием сильного электрического поля на поверхности специально активированного металлического эммитера. Полученные масс-спектры имеют минимум фрагментаций или не имеют их вообще.

При ионизации термоспреем раствор, содержащий анализируемые вещества, подается через нагретый до высокой температуры стальной капилляр в камеру с пониженным давлением. Перегретый растворитель мгновенно испаряется и ионы из жидкой фазы переходят в газовую.

 

Таблица 1.

Сравнение различных методов ионизации органических соединений

Метод ионизации	Образую- щиеся ионы	Чувствиль-ность метода, г	Преимущества	Недостат-ки
Электрон-ный удар	M+	10-9	1.Доступность базы данных 2.Структурная информация	Иногда отсутст-вует  М+
Химическая ионизация	М+1, M+18, и т.д.	10-9	M+	Скудная струк-турная инфор-мация
Ионизация электри-ческим полем	M+	10-6	Нелетучие соединения	Специ-альное оборудо-вание
Термо-спрей	M+	10-6	Нелетучие соединения	Устарев-ший метод
Электро-спрей	M+, M++, M+++	10-9	Нелетучие соединения Образование многозарядных ионов	Бедная струк-турная информация