Сущность метода

Сущность метода Масс-спект ромет рия – метод анализа, основанный на ионизации молекул веществ, разделении образующихся ионов и их регистрации. Масс-спектрометрия является наиболее чувствительным спектроскопическим методом молекулярного анализа по сравнению с такими методами, как ЯМР- и ИК-спектроскопия. В отличии от других методов, детектирующих излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, имеет дело с самими частицами вещества. Существенное отличие от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что она сочетает в себе и метод разделения и метод определения. Сущность метода Масс-спектрометрия - это метод измерения отношения массы заряженных частиц к их заряду (m/z). Проведения анализа: - образец переводят в ионизированную форму. - производят разделение ионов по отношению их массы к зарядам. - регистрируют эти ионы. Масс-спект ромет рия позволяет определят ь: 1. Молекулярную массу вещества. 2. Молекулярную формулу вещества. 3. Строение вещества. 2 Сущность метода Масс-спектрометрию используют для определения относительной молекулярной массы Мr соединения, которую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.) или дальтонах, Да. В масс-спектре линии с определенным отношением m/z, соответствуют молекулярным фрагментам и также обозначаются целым числом, полученным при округлении точного значения m/z.. С помощью масс-спектрометрии можно анализировать высокомолекулярные соединения с массой до нескольких 1 млн. Да (белки, полипептиды, синтетические полимеры и пр.). Можно детектировать следовые количества веществ до 10-14 грамм. 3 Масс-спект р уксусной кислоты 1. Молекулярная масса – 60. 2. Молекулярная формула – С2Н4О2. 3. Ст роение вещест ва – СН3СООН. 4 Существует три различных понятия массы. Средняя молекулярная масса вычисляется на основании элементного состава и средних атомных масс. Важна при изучении больших молекул. Номинальная молекулярная масса вычисляется с учетом элементного состава и номинальных атомных масс наиболее распространенных в природе изотопов. Точная молекулярная масса вычисляется из значений точных масс наиболее распространенных изотопов. 5 Современное состояние Объединение с хроматографией значительно увеличило возможности метода и расширило круг изучаемых объектов Возможны: органический анализ, неорганический анализ, исследования по выяснению механизмов реакций в органической химии, анализ поверхности. 6 АНАЛИЗ Качественный анализ Используют в определении структуры неизвестного соединения, в частности, природных веществ, метаболитов лекарственных препаратов и других ксенобиотиков, синтетических соединений. Количественный анализ Используют при разработке методов анализа и методов сравнения. 7 Аппаратурное оформление Состоит из пяти узлов, отражающих пять важных разделов аналитической массспектрометрии: •система ввода пробы, •система ионизации аналита, •система разделения ионов по массам (зарядам), •система детектирования ионов •система обработки данных. 8 9 По полученному масс-спектру делается вывод •о составе образца и структуре его молекул, •по величине тока соответствующих ионов судят о количественном составе 10 МАСС-СПЕКТР по оси абсцисс откладывается отношение массы иона к его заряду, m/z по оси ординат откладывается интенсивность, характеризующая относительное количество ионов данного вида. Интенсивность выражается в процентах по отношению к полному ионному току (суммарной интенсивности 11 всех ионов в масс-спектре) или по отношению к максимальной интенсивности ионного тока в масс-спектре. ТГ-МС 12 ТГ-МС 13 Способы ионизации Для газовой фазы 1. Электронный удар (ЭУ) Пары образца подвергают бомбардировке ускоренными электронами. Источником электронов служит электрически нагретая вольфрамовая или рениевая нить. Для увеличения эффективности ионизации молекул газа в источнике используется магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль пучка электронов. Столкновение электронов с молекулами образца приводит к их возбуждению, фрагментации и ионизации. ЭУ дает богатые фрагментами масс-спектры, которые обеспечивают структурную информацию. В масс-спектрометрии регистрируются только заряженные частицы: катионрадикалы АВС+● и катионы А+, АВ+, С+. Незаряженные радикальные частицы ВС ●, С ● , АВ ● не регистрируются. 14 Способы ионизации 2. Химическая ионизация (ХИ) Источник ионов заполняется газом (обычно метан, изобутан, аммиак или вода) при повышенном давлении, из которого в результате ионизации под действием электронного удара генерируются ионы. Определяемые молекулы ионизируются непосредственно за счет ряда реакций ионами реагентного газа. ХИ дает очень простые масс-спектры (мягкая ионизация) с меньшей фрагментации, дает меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить ее молекулярную массу. В зависимости от газа-реагента получаются положительно или отрицательно заряженные ионы. 15 Способы ионизации Для жидкой фазы 1. Ионизация электрораспылением (ИЭР) Поток жидкой фазы направляется в иглу диаметром 0,1 мм, которая находится под высоким потенциалом. На выходе из иглы образуется аэрозоль из заряженных капель, имеющих высокий поверхностный заряд. ИЭР используется для чрезвычайно мягкой ионизации без фрагментации очень неустойчивых молекул и нелетучих соединений, таких, как пептиды, белки, нуклеотиды, сахариды. 2. Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД) Поток образца направляется в распылитель, где он превращается в мелкодисперсный аэрозоль под действием нагретого газа. Происходит термораспыление. После испарения растворителя из капелек аэрозоля поток поступает в область ионизации. Потенциал прикладывается к электроду в области распыления, что приводит к образованию коронного разряда. В этом случае фрагментация значительно меньше, чем в методе ИЭР. Данный метод используется при анализе пестицидов, стероидов, лекарств. 16 Способы ионизации Для сильно полярных и/или высокомолекулярных веществ 1. Бомбардировка быстрыми атомами (ББА) Вещество растворяют в подходящей нелетучей матрице, обычно в глицерине. Раствор помещают в виде тонкой пленки на металлическую подложку специального штока. Образец переносят в ионный источник и после вакуумирования облучают потоком атомов с энергиями. Для бомбардировки используют также высокоэнергетические ионы цезия 2. Полевая десорбция (ПД) Раствор образца помещают на вольфрамовую проволоку диаметром 5-10 мкм (эмиттер), которую перед нанесением образца активируют для образования на ее поверхности микроигл. Эмиттер помещают в сильное электрическое поле, при этом происходит локальное усиление напряженности поля на кончиках игл. Ионы генерируются в результате различных процессов. 3. Ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ) Образец смешивают с раствором подходящей матрицы и помещают на подложку из нержавеющей стали. После высушивания происходит кристаллизация образца и матрицы. Кристаллы подвергают воздействию лазерного излучения, образуются ионы, которые можно проанализировать. 17 Разделение ионов по отношению массы к заряду К непрерывным масс-анализаторам относятся: •Магнитные. Разделение ионов происходит за счет использования однородного магнитного поля. Эти спектрометры отличаются высоким разрешением, чувствительностью и широким диапазоном детектируемых масс. Однако они имеют большие габариты и высокую стоимость. •Квадрупольные. Ионный пучок проходит между четырьмя параллельными электродами, на которые подается высокочастотное переменное напряжение, причем одна из пар противоположно расположенных стержней имеет положительный заряд, а другая - отрицательный. Приборы имеют компактные размеры, высокую чувствительность и быстродействие. Верхний предел пропускания отношений m/z находится между 1000 и 2000. 18 Разделение ионов по отношению массы к заряду Пульсовые масс-анализаторы: •Времяпролетный. В основе работы прибора положена зависимость скорости движения заряженных частиц от их массы. Движение ионов в устройстве происходит в бесполевом пространстве. К достоинствам относится простота и высокая надежность спектрометра, который позволяет измерять массы в широком диапазоне. Часто используются для исследования проб, которые трудно перевести в газовую фазу. •Ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. В основу работы прибора положен ионно-циклотронный резонанс. Зашумленные сигналы для сохранения полезной информации подвергаются математическому преобразованию Фурье. Такие приборы обеспечивают высокое разрешение и широкий диапазон измеряемых масс. Для их работы требуется создание сильного магнитного поля. •Ионная ловушка. В спектрометре предусмотрена две пары электродов: кольцевые и концевые. Для сбора и удержания ионов в полости ловушки используется комбинация постоянного и высокочастотного напряжения. Резонансная радиочастота обеспечивает доступ заряженных частиц на детектор в соответствии с величиной m/z. Ионизации пробы осуществляется с использованием электронного или химического способа. Благодаря селективной регистрации ионов чувствительность прибора значительно повышается. 19 20 Детектирование ионов Величина токов, создаваемых ионами после прохождения масс-анализатора, составляет 10-7 – 10-18 А. Такие токи можно регистрировать с помощью специальных измерительных устройств. 1. Фотопластинка. 2. Динодные вторично-электронные умножители, дискретного или непрерывного типа. Детектирование ионов основано на эмиссии вторичных электронов в результате столкновении ионов с динодом умножителя Ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т.д. Дискретный динодпый умножитель состоит из 12-20 бериллиево-медных динодов, связанных посредством резистивной цепи. Непрерывный динодпый умножитель состоит из покрытой свинцом изогнутой воронкообразной трубки. Напряжение, прикладываемое между концами трубки, создает непрерывное поле по всей ее длине. 3. Фотоумножители. Регистрируют свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. 4. Микроканальные умножители. системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие 21 в данную точку пространства. Типы ионов в масс-спект рах 1. Молекулярны й ион – молекула с положительным зарядом (катионрадикал), полученным за счёт отрыва одного электрона от нейтральной молекулы. 2. Основной ион – ион, интенсивность которого в масс-спектре максимальна. 3. Фрагмент ны й ион – ион, образующийся при распаде молекулярного иона с разрывом связей и миграцией атомов. 22 Типы ионов в масс-спект рах 4. Двухзарядный ион – ион, имеющий двойной положительный заряд за счёт потери двух электронов. В масс-спектре такие ионы регистрируются как частицы с массой формально в два раза меньшей. 5. Метастабильный ион – ион, с формальной массой m = m2/m1, получающийся при распаде иона с массой m1 на ион меньшей массы m2 в процессе движения в магнитном поле масс-спектрометра. Регистрируются в виде широких низко интенсивных пиков. 23 Масс-спект р воздуха 24 Зависимост ь инт енсивности ионов от энергии ионизирующих элект ронов Интенсивности ионов в масс-спектрах зависят от двух параметров: 1. энергия ионизирующих электронов; 2. температура, при которой происходит ионизация. 1. Интенсивность пика молекулярного иона IM+ Интенсивность IM+ определяется устойчивостью молекулярного иона M+. Структурные фрагменты, способствующие стабилизации заряда – ароматические ядра, π-системы – ведут к увеличению IM+ . 2. Азотное правило. Органические соединения, состоящие из основных атомов органогенов C, H, N, S, P, Si, F, Cl, Br, I, имеют чётную молекулярную массу, если в их структуре не содержится атомов азота или число атомов азота чётное (N 25 = 0, 2, 4,…). Нечётной молекулярной массой обладают соединения с нечётным количеством атомов азота (N = 1, 3, 5,..) в структуре. 26 Изот опны й сост ав и характеристические группы ионов Любой ион в масс-спектре представлен кластером пиков из-за наличия изотопов элементов 27 28 Х ромато-масс-спект ромет рия 29 30 31 32