Масс-спектрометрия
ТЕМА
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Масс-спектрометрия является одним из наиболее
бурно развивающихся, эффективных экспрессных методов анализа и установления
строения как индивидуальных органических соединений, синтетических, природных,
так и их смесей. Благодаря своей исключительно высокой чувствительности,
информативности, надежности метода и возможности использования в комбинации с
газовой и жидкостной высокоэффективной хроматографией этот метод широко
применяется в органической, полимерной, медицинской химии, в нефтехимии,
фармакологии, токсикологии, охране окружающей среды, судебно-медицинской
экспертизе и в контроле производства. Одним из способов установления строения
исследуемого соединения этим методом является автоматическое сравнение
зарегистрированного спектра с банком спектров, введенных в память компьютера.
Для получения достоверного масс-спектра
индивидуального соединения даже на рутинном масс-спектрометре достаточно 10-9-1010
г вещества. Для получения обычного спектра электронного удара индивидуального
соединения необходимо затратить всего 1-2 мин, а время анализа сложной смеси
органических соединений в режиме хроматомасс спектрометрии определяется
исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При этом
следует учесть, что в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью
современного масс-спектрометра, остаются о временах удерживания, площадях
пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, т.е., вводя в прибор 1 мкл
сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно получить информацию
о ее качественном и количественном составе. Ни один другой метод не сочетает в
себе такой экспрессности и информативности. Надежность масс-спектрометрического
анализа также очень высока, поскольку масс-спектр является реальной
характеристикой конкретного вещества, отражающей его структурные особенности.
Традиционно органическая масс-спектрометрия
используется для решения двух основных проблем: идентификация веществ и
изучение фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой
фазе в ионном источнике. С появлением хроматомасс-спектрометрии,
ионно-циклотронного резонанса, систем протока после разряда возможности
классического метода значительно увеличилось. Соединение масс-спектрометра с
жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые
ионизации, в частности «электроспрей» и МЛДИ, появившиеся к концу XX
века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганическими молекулами,
такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, молекулярные
массы которых составляют миллионы дальтон. Признанием важности
масс-спектрометрии для развития современной науки стало присуждение в 2002 г.
Нобелевской премии создателям методов электроспрея и МЛДИ Джону Фенну и Коичи Танаке.
Наряду с очевидным использованием
масс-спектрометрии в органической и биоорганической химии для установления
структур соединений хроматомасс-спектрометрия стала сегодня основным методом
качественного и количественного определения органических загрязнений в объектах
окружающей среды. Современная химическая экология немыслима без этого метода.
Изучение метаболизма лекарственных средств и пестицидов в окружающей среде и
живых организмах также ведется с активным использованием масс-спектрометрии.
Метод незаменим в криминалистических исследованиях и при проведении
допинг-контроля на спортивных соревнованиях.
Масс-спектрометрия применяется для решения
геохимических и космохимических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии
и медицины, при идентификации микроорганизмов и т.д. Масс-спектрометрия имеет
явное преимущество перед другими физико-химическими методами, поскольку
оперирует с простейшими характеристиками вещества: массой молекулы и ее
основных фрагментов, а также с отношением количеств этих фрагментов. Масса
самого тяжелого иона в спектре равна молекулярной массе анализируемого
соединения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис.
1).
В случае графического изображения по оси абсцисс
откладывается масса ионов (точнее величина отношении массы иона к его заряду),
по оси ординат - их интенсивности, т.е относительное количество ионов данного
вида. В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются
термины: углеродные единицы (у.е.), атомные единицы масс (а.е.м.), дальтоны
(Да).
Первичным результатом взаимодействия пучка
ионизирующих электронов с молекулой, протекающего за 10-15 - 10-17
с, является ионизация, т.е. удаление электрона с молекулярной орбитали и
образование нечетно-электронного ион-радикала М+•.
Для того чтобы избежать нежелательных химических
реакций в результате взаимодействия молекул и ионов, в источнике
масс-спектрометра, как правило, поддерживается высокий вакуум (10-5
- 10-6 мм рт. ст.).
Рис. 2. Блок-схема масс-спектрометра
1. СИСТЕМА ВВОДА ОБРАЗЦА
1.1 Прямой ввод
Прямой ввод вещества в область ионизации.
Твердый образец помещается в специальную микрокапсулу (стекло, кварц, керамика,
металл), которая штоком вводится непосредственно в ионный источник, т.е.
испарение осуществляется прямо в источнике ионов в условиях глубокого вакуума.
При необходимости образец может быть нагрет с помощью программируемой печки до
температуры 400-500оС и выше.
Рис. 1.1 Система прямого ввода
Программируемый нагрев образца в вакууме
позволяет решить одновременно три задачи: 1) перевести в газовую фазу широкий
круг органических соединений; 2) подобрать оптимальную температуру съемки; 3)
анализировать смеси соединений с разной степенью летучести. Важной
характеристикой прямого ввода является существенное уменьшение количества
образца. В данном случае следует опасаться ввести слишком много вещества.
Считается, что твердый образец в капилляре на конце штока должен быть едва
различим глазом. Избыточное количество образца может привести к искажению
масс-спектра из-за протекания ионно-молекулярный реакций и вызвать быстрое
загрязнение источника ионов.
Мембрана изготавливается из органического
материала и пропускает в источник масс-спектрометра соединения, растворимые или
адсорбируемые материалом мембраны и обладающие высоким коэффициентом диффузии в
нем. Анализируемое соединения должно быть достаточно летучим, чтобы испаряться
на вакуумированной стороне мембраны. Мембраны могут быть размещены: вне
источника ионов (1.2), в другом - капиллярная мембрана вводится непосредственно
в источник (1.3). достоинством такого ввода является селективность в пропускании
веществ разной природы. Поскольку мембрана не пропускает воду, неорганические
газы и соли.
Рис 1.2.