Масс-спектрометрия и резонансные методы. Часть I. Методы масс-спектрометрии.

Масс-спектрометрия и резонансные методы.
Часть I. Методы масс-спектрометрии.
Одними из главных проблем в химии являются идентификация и
установление
химического строения молекул исследуемого вещества,
качественный и количественный анализ. Если в прошлом для решения этих
задач использовались лишь химические методы, то в настоящее время для
этого используется громадное многообразие физические методы исследования,
основой которых служат те или иные физические явления. Особую роль среди
этих методов занимают методы масс-спектрометрия ,число модификаций
которых и областей применения постоянно возрастает.
Темы лекций
1. Принципиальные основы
масс-спектрометрии
2. Хромато- масс-спектрометрия
3.Тандемная масс-спектрометрия
4.Качественный и количественный анализ
5. Применение в высокотемпературной химии
6. Применение в органической химии
7. Изотопный анализ
8. Вопросы для самоконтроля.
9.Рекомендуемая литература.
10.Приложения
2
1 Принципиальные основы масс-спектрометрии .
Масс-спектрометрия относится к ионизационным физическим методам
исследования Своим названием все масс-спектрометрические методы
исследования обязаны масс-спектрометрам - приборам разных типов и
конструкций, в которых полученный из исследуемого вещества (тем или иным
способом) пучок ионов (положительных или отрицательных) разделяется на
отдельные пучки в соответствии с отношением масс ионов к их зарядам - me а
затем количество ионов каждого типа регистрируется в виде масс-спектра
(табличного или графического) Принципиальная схема масс-спектрометра
может быть представлена в следующем виде(рис 1.) :
Система
ввода
исследуемого
вещества
Источник
ионов и
формирование
пучка ионов
Пространственное или временное
разделение ионов
по отношению m/e
Система детектирования и
регистрации
ионов
Система создания и поддержания глубокого
вакуума (10-8-10-11 Па.)
(Создание ,формирование и разделение ионного пучка
на компоненты происходит в условиях глубокого
вакуума )
Запись массспектра
система обработки экспериментальных
данных
массспектр
(графи
ческий
или
табл.)
ЭВМ
Рис. 1. Блок-схема масс-спектрометра.
Различные системы ввода дают возможность исследовать вещества в
газообразном, жидком или твердом состояниях.
Рассмотрим простейший пример получения масс-спектра газовой смеси.
Известно, что атмосферный воздух состоит в основном из N 2 (75,5% масс.) и
O2 (23,1% масс.). Тогда, в случае ионизации воздуха методом электронного
удара по реакциям (1) и (2)
(1) N2 + e- = N2+ + 2e- ( для ионов N2+ m/e = 28)
(2) O2 + e- = O2+ + 2e- (для ионов O2+
m/e = 32)
3
и предполагая образование только положительно заряженных молекулярных
ионов, может быть получен следующий масс-спектр воздуха( рис .2):
Табличный масс-спектр воздуха.
+ ( интенсивности всех ионов рассчитываются по отношению
(Ii )
к наиболее интенсивному)
м./е
отн.
интенсивн.
28
100
32
30.6
+
80
N2
+
40
O2
28
30
32
m/e
Рис.2 Масс-спектр воздуха
+
Таким образом, масс-спектр - это графическая зависимость количеств (Ii )
регистрируемых ионов от их m/e , где m - масса иона, e - заряд иона,
индекс i указывает на вид иона. Графический масс-спектр легко может
быть представлен в табличном виде. При компьютерной обработке
экспериментальной информации легко получить как графические, так и
табличные масс-спектры исследуемых соединений.
Хотя, cтрого говоря
масс-спектр вещества не является физической
константой однако нет двух таких веществ ионизация которых приводит к
одному и тому же масс-спектру Это обстоятельство послужило фундаментом
для бурного развития масс-спектрометрии, особенно высокотемпературной
масс-спектрометрии неорганических соединений различных классов и
структурной масс-спектрометрии органических соединений.
Мощные аналитические возможности масс-спектрального метода,
позволяющие проводить качественный и количественный анализ сложных
органических и неорганических смесей, включая биологические объекты,
получать информацию о химическом строении и энергетических
характеристиках сложных молекул и ионов ,способствовали тому ,что сегодня
трудно назвать области науки, техники или медицины, включая космическую
и спортивную медицину, фармакологические исследования, где бы не
применялись масс-спектрометры различных типов и конструкций.
4
При выборе масс-спектрометра наиболее подходящего для данного
исследования обычно сравнивают следующие рабочие характеристики массспектрометров: разрешение, чувствительность,
дисперсия по массе,
диапазон регистрируемых масс.
Одной из важнейших характеристик масс-спектрометра любого типа
является его разрешающая сила R (разрешение) - мера способности прибора
разделять в масс-спектре два иона с какой-либо определенной разностью масс
∆ М.
Общепринято, что пики разрешены, если (l / L)* 100 < 10 , где L - высота
пиков ионов в масс-спектре, а l - высота "седловины"появляющейся из-за
перекрывания между интенсивностями соседних пиков - в таком случае
говорят о разрешении на уровне 10 % (рис.3), хотя в ряде случаев
могут считаться разрешенными спектры и на уровне 30 или 50% .
+
M1
+
Ii
+
M2
∆ М.=
+
L
+
М2 - М1
l
m/e
Рис. 3. Схема определения значения разрешения (R) из масс-спектра.
Численное значение R можно получить по формуле: R = M/ ∆ М
Условно принято считать масс-спектрометры с R < 2000 приборами низкого
разрешения, а с R> 10000 – масс-спектрометрами высокого разрешения.
Современные масс-спектрометры имеют разрешение более 10000. Приборы с
высоким разрешением позволяют точно определять массу регистрируемого
иона, а значит и его брутто формулу, что является важным. Этапом
интерпретации масс- спектра.
5
Например, на приборах с низким разрешением ( R  1000) , для
массового числа с м/е = 28 в масс-спектре будет регистрироваться один
общий пик. На масс-спектрометрах с R  3000 для массового числа
+
с м/е =28 будет регистрироваться мультиплет из четырех ионов : C2H4
+
+
+
(м/е = 28,031300); CNH2 (m/e = 28,018724) ; N2 ( m/e =28,006148) ; CO (m/e
=27,994915).Таким образом , измерив на приборах с высоким разрешением
точное значение массы иона, можно найти для него единственно
возможную комбинацию атомов , т.е его брутто- формулу.
Чувствительность(минимально определяемое давление паров
изучаемого вещества ) - является одной из важнейших характеристик массспектрометров ( наиболее частое обозначение -” S ” ) .Абсолютная
чувствительность большинства серийных масс-спектрометров , определяемая
конструкцией детектора, лежит в пределах 10 -6- 10-9 г. вещества. Проба
вещества, исследуемого масс- спектрометрически , не регенерируется и
расходуется полностью. К сожалению, чувствительность ( S ) и разрешение
( R ) масс-спектрометров в классическом варианте обратно пропорциональны:
R1/S.
Дисперсия по массе Dm - это то расстояние на коллекторе ионов (в мм.) ,
на которое отстоят друг от друга ионы ,отличающиеся по массе на 1 %.
Важной характеристикой при анализе смесей является “динамический
диапазон”. Динамический диапазон в 10 порядков означает, что что примесь в
пробе будет обнаружена даже если она составляет 10 мг.всего на 10 тонн
основного образца.
"Сердцем" любого масс-спектрометра является его ионный источник. Для
создания пучка заряженных частиц используются различные способы
ионизации: ионизация электронами определенной энергии(метод
электронного удара - ”ЭУ ” ), поверхностная ионизация (ионизация при
десорбции исследуемого вещества с нагретой поверхности металлов), метод
фото ионизации (A + hv = A+ + e - ), химическая ионизация (ХИ), ионизация в
сильном электрическом поле ( полевая ионизация) , ионизация лазером и др.
Метод электронного удара (ЭУ) является исторически первым и к
настоящему времени этим методом ионизации получено громадное
количество масс-спектров соединений различных классов, что позволило
создать каталоги, компьютерные базы данных масс-спектров. При ионизации
методом ЭУ молекулы исследуемого вещества в условиях глубокого вакуума
облучаются пучком электронов, имеющих энергию 50-100 эВ, что намного
превышает величину энергии , необходимой для ионизации одной из самых
“ стойких” органических молекул CH4 (Е ион. = 13 эВ), что в свою очередь
вызывает сильную фрагментацию молекул вещества. Поэтому масс-спектры,
6
полученные методом электронного удара содержат большое число осколочных
ионов, а сам метод ЭУ относится к “жестким “ способам ионизации.
Кроме молекулярных и осколочных ионов при ионизаии электронным
ударом возможно образование метастабильных и перегруппировочных ионов,
многозарядных ионов.
В качестве примера рассмотрим схему образования масс-спектра при
столкновении электронов ,обладающих энергией 50-100 эВ, с молекулами
пропана С3H8 :
C3H8 + e-
 C3H8+ +
2e -
возбужденный непрочный
молекулярный ион
(Ii+ )распадается с образованием осколочных
ионов C3H7+ , C3H6+, C2H5+,
СH2+ и других, а в масс-спектре появляются не только ионы с m/e =47, но и с
m/e = 43, 42,29, 14 и другие. Поэтому метод ионизации ЭУ приводит к
появлению многолинейчатого масс-спектра, что часто вызывает затруднения
при качественном и количественном анализе сложных смесей и
идентификации веществ.
Из перечисленных методов лишь "химическая ионизация", "полевая
ионизация" и "фотоионизация" являются "мягкими" методами ионизации - т.е.
при использовании этих методов из молекул исследуемого вещества при их
ионизации образуются в основном молекулярные ионы (ионы, масса которых
практически совпадает с массой исследуемой молекулы), а число
осколочных ионов, получающихся при распаде молекулярных ионов обычно
невелико - регистрируется малолинейчатый масс-спектр.
Рассмотрим несколько подробнее метод химической ионизации, который
с момента своего возникновения в 1966 г. сразу стал широко использоваться
при анализе сложных органических соединений, многокомпонентных систем ,
лекарственных препаратов различных фармакологических групп, как
синтетических, так и растительного происхождения, биологических образцов.
Метод требует применение газов-реактантов, из которых методом
электронного удара получают ионы-реагенты, которыми могут быть
молекулярные и фрагментарные ионы, а также продукты их ионномолекулярных реакций с молекулами газа-реактанта.
Например, если в качестве газа-реактанта мы возьмем метан CH4, то в
результате электронной бомбардировки его молекул при давлении 1 мм.рт.ст.
сначала образуются ионы по реакции ( 3)
e+
+
+
CH4
( CH4 , CH3 , CH2 ) ,
(3)
а затем образовавшиеся ионы вступают в ион-молекулярные реакции с
молекулами газа реактанта по уравнениям типа (4),давая различные ионы-
7
реагенты.
+
+
CH3 + CH4 = C2H5 + H2
(4)
+
Образовавшийся ион-реагент C2H5 реагирует с молекулами исследуемого образца ( М ) и ионизирует их в основном путем протонирования
+
+
M + C2H5 = MH +C2H4 , давая в масс-спектре пик с m/e= ( M+1).
Если,для примера,в качестве исследуемого вещества выбран пропан
C3H8 , то ион-молекулярная реакция
+
+
С3H8 +С2H5
C3H9 +C2H4
вызовет появление в регистрируемом масс-спектре лишь одного иона с
m/e= 45. Относительная простота масс-спектров ,полученных методом
химической ионизации и присутствие в масс-спектре квази-молекулярных
ионов с m/e лишь на единицу отличающихся от m/e для “настоящего “
молекулярного иона послужило причиной особенно широкого применения
этого метода ионизации для масс-спектрометрического анализа различных
органических и биологических объектов, лекарственных препаратов.
Таблица 1.
Анализ соединений различных классов методом ХИ с разными газамиреактантами.
Газ-реактант
Анализируемые
Газ-реактант
Анализируемые
соединения
соединения
метан
алкалоиды опия,
водород
ароматические
антибиотики,
соединения,караамины,аминокистиноиды,пептиды,
лоты,метаболиты
порфирины,cтехинина,барбитуроидные кетоны.
раты,липиды,
флавоноиды,
спирты,митоксигетероцикличесны,
кие соединения и
нитроалканы,
др.
стероиды и др.
инертные газы
декалины,тетраоксид азота
героин,морфин,
гидропираны,
тропан,желчные
производные дикислоты и их
пептидов и др.
производные,
стероиды(тестостерон,холестерин)
и др.
8
Оказалось ,что специальный подбор газов-реактантов является наиболее
плодотворным при получении информации о структуре и молекулярной
массе широкого круга соединений, поскольку характер масс-спектра ХИ
зависит от природы газа-реактанта.(табл.1).
Наряду с масс-спектрами положительных ионов в последние годы в методе
ХИ широко исследуются и масс-спектры отрицательных ионов. Оказалось, что
газ -реактант при взаимодействии с электронами наряду с образованием
положительных ионов газа-реактанта образуются и отрицательные ионы
газов-реактантов, применение которых в методе химической ионизации
позволило значительно расширить круг изучаемых веществ, поскольку
скорости образования отрицательных ионов cущественно выше, чем скорости
образования положительных, а значит, при химической ионизации
отрицательными ионами повышается и чувствительность.
Необходимым условием регистрации ионов и получения масс-спектра
является предварительное пространственное или временное разделение пучка
ионов на отдельные компоненты, отличающиеся по величине m/e (m – масса
иона, e- заряд иона).
Для магнитных статических масс-спектрометров, использующих
магнитное поле H радиуса r и ускоряющие ионы разность потенциалов V ,
было получено
следующее важное выражение :
m/e = H2 r2 / 2 V
(I)
Современные масс-спектрометры - это передовые научные и инженерные
разработки, высокотехнологические вакуумные системы, лучшие
конструкционные материалы, цифровая и аналоговая электроника,
современные компьютерная техника, сложное программное обеспечение.
2. Хромато-масс-спектрометрия.
Дальнейшее развитие метод масс-спектрометрии получил,
использовав хроматографический ввод вещества с помощью газового (ГХ)
или жидкостного (ЖХ) хроматографов. Особенно широко такие
исследования нащли свое применение в медико-биологических исследованиях
Хромато-масс-спектрометрия - метод анализа газовых смесей,
главным образом органических веществ, и определения следовых количеств
в объеме жидкости, широко используется при структурно- аналитических
исследованиях в органической химии, в медицине, в биохимии, в фармакологии,в исследованиях, связанных с сельским хозяйством и охраной
окружающей cреды. Без хромато-масс-спектрометрии сегодня уже немыслим
контроль за незаконным распространением наркотиков, криминалистический
и клинический анализ токсических препаратов, взрывчатых веществ.
Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов:
9
хроматография
(ГХ, ЖХ)
и
масс-спектрометрия .
идентификация и определение строения вещества, качественный и
количественный анализ.
разделение смесей
на компоненты
Принципиальная совместимость двух методов ( двух типов приборов)
обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемые вещества находятся в
газообразном состоянии, рабочие температурные интервалы перекрываются,
пределы обнаружения( чувствительность) близки. Различие
состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра должен поддерживаться высокий вакуум ( 10 -5 - 10-6 Па),тогда как давление газовой смеси на выходе из хроматографической колонки составляет  10 -5 Па. Для
понижения давления используют “молекулярные сепараторы” , которые
одним концом соединяются с выходом из хроматографической колонки,а
другим - с ионным источником масс-спектрометра ( рис. 4 ).
Принцип действия молекулярных сепараторов основан либо на различии в подвижностях молекул газа носителя и анализируемого вещества, выходящих из хроматографа, либо на их различной проницаемости через
полупроницаемую
мембрану. В серийных хромато-масс-спектральных
приборах(хромасах) чаще применяют струйные (эжекторные)
сепараторы,
работающие по первому принципу. Молекулярные сепараторы удаляют из
газового потока , выходящего из хроматографической колонки, основную
часть газа носителя, а исследуемое вещество пропускают в масс-спектрометр.
1
2
3
4
5
6
газовый
хроматограф
Интерфейс
(струйный
сепаратор,
капиллярная
колонка)
источник
ионов
МС
массанализатор
детектор
(детектиро
вание и
усиление
сигнала)
компьютер
(ионизация ЭУ, ХИ,
полевая иониз.)
ввод исследуемого вещества
(раствор)
9
хроматограмма
8
масс-фрагментограмма
7
масс-спектр
Рис.4. Принципиальная схема хромато-масс-спектрометра (ГХ-МС).
10
Кроме хромато-масс-спектрометрических систем, включающих газовые
хроматографы,в настоящее время очень широко используются системы с
жидкостными хроматографами ( ЖХ- МС), хотя практических трудностей
соединения жидкостного хроматографа и масс-спектрометра значительно
больше, чем в случае (ГХ- МС). Масс-спектрометр в приведенной схеме
можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу.
Анализируемое вещество (обычно в виде раствора) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары вещества в смеси с
газом носителем под давлением в несколько атмосфер поступают в
хроматографическую колонку (1).Здесь происходит разделение смеси, и
каждый компонент смеси в токе газа носителя по мере элюирования из
колонки поступает в молекулярный сепаратор(2).В сепараторе газ-носитель в
основном удаляется и газовый поток, обогащенный исследуемым веществом,
поступает в ионный источник (3) масс-спектрометра . Исследуемое вещество
должно быть термически
стабильным (до температуры  250 o С),
хроматографически подвижным и легко переходить в газовую фазу при
температуре испарителя. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее
точке(обычно на вершине хроматографического
пика)
может быть
зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества,
при этом масс-анализатор (4) должен обеспечивать регистрацию масс-спектра
за время гораздо меньшее, чем выход хроматографического пика. В
современных приборах, снабженных мощными компьютерами, построение
хроматограмм, построение и обработка масс-спектров производится
автоматически.
Чувствительность хромато-масс-спектрометрии (обычно 10-6 - 10-9 г.)
определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительной ( 10-12 -10-15 г.) является масс-фрагментография (разновидность
метода хромато-масс-спектрометрии), в которой запись хроматограмм
осуществляется не по полному ионному току, а по наиболее характерным для
данного вещества ионам. Этот метод хромато- масс- спектрометрии
используется для поиска, идентификации и количественного анализа вещества
с известным масс-спектром в составе сложной смеси, например, при
количественном определении следов такого вещества в больших объемах
биологических жидкостей (медицина, фармакология, токсикология, допингконтроль, биохимия ). Определение содержания холестерина в плазме
человеческой крови может служить примером таких исследований.
3. Тандемная масс-спектрометрия ТМС (системы МС-МС).
Несмотря на огромную информативность масс-спектрометрии, особенно
в сочетании с хроматографией, селективность этих методов нередко
оказывается недостаточной для определения структуры сложных органических
11
молекул и состава смесей с большим числом компонентов , имеющих близкие
характеристики. Информативность масс-спектральных
исследований значительно повышается при сочетании двух или нескольких
масс-спектрометров. В этом случае удается создавать двух стадийные массспектральные системы, в которых первая стадия используется для выбора
определенных ионов, которые образовались при ионизации, а вторая стадия –
для анализа характеристических ионов, которые удалось получить из
выделенных на первой стадии.
Чувствительность анализа при этом
сохраняются, а скорость анализа существенно увеличивается по сравнению с
обычный одностадийной масс-спектрометрией. В методе МС-МС значительно
улучшается характеристика сигнал/шум, появляется возможность менять
разрешение на различных стадиях . Тандемная масс-спектрометрия позволяет :
определять структуру больших органических молекул, анализировать сложные
смеси органических веществ, изучать химию ионов, проводить прямые
измерения времен жизни ионов. ТМС позволяет проводить анализ нескольких
сотен сотен соединений в микроколичествах биологического материала.
Сегодня в мировой практике здравоохранения ТМС широко используется для
проведения массового скрининга новорожденных на наследственные болезни
(НБО): в пятне высушенной крови возможно определение аминокислот и
ацилкарнитинов. Количественное определение этих веществ позволяет
исключить несколько десятков наследственных заболеваний, относящихся к
различным классам НВО.
Постоянно растет число работ, где система МС-МС используется
совместно с другими методами. Так, недавно опубликованы результаты
применения комплекса ЖХ -МС- МС для изучения фармокинетических
параметров (адсорбция/проницаемость, объем распространения в организме),
которые являются определяющими факторами при обнаружении следов
наркотиков.
4. Качественный и количественный анализ.
Масс-спектрометрия
традиционно
широко
применяется
для
качественного и количественного анализа сложных углеводородных смесей,
содержащих большое число близких по составу компонентов. Применение
оптических методов анализа сложных углеводородных смесей ( ИК и УФспектроскопия) обычно очень затруднено для смесей , имеющих в своем
составе более 5 компонент. Обычно в таких случаях прибегали к к
низкотемпературной перегонке смеси или к перегонке при высоком давлении.
Однако, путем дробной перегонки удается хорошо разделить смесь только при
достаточном различии температур кипения компонентов смеси. Ускорить
процесс разгонки нельзя , а для проведения полного химического анализа
могут потребоваться
многие часы.
12
Разработанные
масс-спектральные методики
и современная
компьютерная техника позволили в несколько раз сократить время анализа
практически без потерь в точности, что дает возможность использовать массспектрометры для непрерывного контроля качества продукции в нефтяной
и нефтегазовой отраслях промышленности.
Искровая масс-спектрометрия, масс-спектрометрия вторичных ионов и
особенно лазерная масс-спектрометрия успешно используются для
качественного и количественного анализа различных твердых образцов, что
сделало эти методы особенно востребованными как в микроэлектронной
промышленности , так и при особо точных анализах табачных изделий,
продовольственных товаров, образцов биологического происхождения
(образцы для таких исследований готовятся по специальным методикам). Эти
методы различаются не только способами
ионизации, аппаратурным
оформлением,но и и своими характеристиками (табл.2 ).
Табл.2
Сравнительные характеристики масс-спектрометримеских методов анализа
твердых образцов.
Тип
масс- Чувствительность
спектрометрии
Вид анализа
Возможно- - Условия
проведения
сти
количеств.
послойного
анализа
анализа
Искровая
Абсолютная
Элементный
чувствительность
на уровне 10-1110-12 г.
Затруднен, Необходимо
т.к. глубина предварит.
кратеров на определение
поверх.
КОЧ
электродов
много
меньше их
диаметра.
Лазерная
Позволяет
Обнаруживать
содержание
микропримесей
на уровне 10-19 г.
Элементный
Принцип.
возможен
с
разрешением
по глубине 
0,2 мк
Нет
Позволяет
регистрировать
до 10-4 монослоя
молекул
адсорбата на
поверхности
Элементный,
Но в массспектрах
оксидов
и
других
сложных соединений
Возможен
с разрешен.
по глубине
Необходимо
предварит.
определение
КОЧ
Вторичная
ионная массспектрометрия
 50 ангстрем
необходимости
Нахождения
КОЧ
13
обнаружены
более
сложные
ионы
(Ag2O+,Ag2+
и.т.д.)
Особое распространение лазернойй масс-спектрометрии связано с тем
обстоятельством, что в условиях воздействия лазерного луча на образец
происходит 100% ионизация и диссоциация всех соединений, а поэтому
исчезает необходимость предварительного определения КОЧ (коэффициент
относительной чувствительности ) при проведении количественных анализов.
5. Применение методов масс-спектрометрии в высокотемпературной
химии.
К настоящему времени хорошо известно, что в насыщенном паре над
конденсированной фазой разного состава: простые вещества, оксиды,
галогениды металлов ,бинарные и тройные системы ( например, пар над
твердыми Ag, S, LiF, Al F3 , CuCl, газовая фаза над системами LiF- Al F3 , NaFZr4, Bi-Sb-O и др.) наряду с простейшими газовыми молекулами, часто
присутствуют более сложные многоатомные ассоциаты, имеющие сложное
строение- Ag2, S8, (LiF)2 , (LiF)3, , (Al F3 ) 2 , (CuCl)6 , NaAlF4 , ( NaAlF4 )2 и др.
Сложный молекулярный состав пара позволяет
с использованием
статических методов определения давления пара определить лишь величину
общего давления пара над системой (без учета многообразия газовых
ассоциатов) , а с использованием эффузионных камер Кнудсена и уравнения
Клаузиуса-Клапейрона рассчитать лишь брутто характер процессов испарения.
Высокотемпературная масс-спектрометрия – это динамический метод ,
сочетающий масс-спектрометрический анализ газовой фазы с классическим
эффузионным методом Кнудсена. Метод позволяет одновременно определять
качественный состав газовой фазы, величины парциальных давлений всех
компонентов газовой фазы в зависимости от температуры и состава
конденсированной фазы. Кроме того достаточно легко определяются
термодинамические характеристики систем и реакций с участием газовой и
конденсированных фаз. В методе используются эффузионные камеры
Кнудсена различных типов.
Экспериментально измеряемая интенсивность ионного тока I связана с
равновесным парциальным давлением P , устанавливающемся в эффузионной
камере , соотношением:
Pj = к приб./σj * T ∑I ij = Kj T Ij
(II) ,
14
i
где: Pj - парциальное давление j молекул в эффузионной камере,
I ij - интенсивность i –х ионов , образовавшихся из j- х молекул ,
Т – температура эффузионной камеры (0К),
σj - сечение ионизации j- х молекулы,
к приб - коэффициент чувствительности прибора.
Из уравнения (II) видно, что для решения основных
задач
высокотемпературной масс-спектрометрии исследователю необходимо:
- произвести расшифровку экспериментального масс-спектра , т.е.
выделить из общей интенсивности ионного тока с определенным значением
(m/e) доли ионного тока, принадлежащие отдельным молекулам,
- определить коэффициенты чувствительности Kj ,
- решить задачу измерения и стабилизации температуры эффузионной
ячейки(камеры). Разработанные в рамках метода высокотемпературной массспектрометрии методики позволяют решать все указанные выше вопросы.
Например, проблему расшифровки масс-спектра можно решить применяя
зффузионные камеры разных типов и конструкций (простые, двойные,
сдвоенные и.т.д.), изготовленных из различных конструкционных материалов.
Рассмотрим
следующий
пример:
в
насыщенном
паре
над
конденсированной системой NaF-AlF3 при Т= 1100 К содержатся молекулы
NaF, Na2F2, NaAlF4 , которые при диссоциативной ионизации методом
электронного удара образуют осколочные ионы Na+ с m/e= 23 так, что
регистрируемая в масс-спектре интенсивность ионов Na+ является суммарной
величиной:
INa+ = INa+ (NaF) + INa+ (Na2F2
)
+ INa+( NaAlF4 )
.
Если произведена расшифровка экспериментального масс-спектра, то
можем записать:
PNaF = k Na+(NaF) I Na+(NaF) T
PNa2F2 = k(Na+ (Na2F2 ) I Na+(Na2F2) T
( III)
PNaAlF4 = k Na+( NaAlF4) I Na+( NaAlF4) T
Образование газовых молекул NaF и Na2F2 в эффузионной камере
вызвано протеканием гетерогенных реакций :
NaFТВ = NaFгаз
(i)
с
KP (i) = P NaFгаз
15
2 NaFТВ = Na2F2 ( газ) ( ii )
Выражения для KP (i)
следующем виде :
и KP (ii)
с
KP (ii) = P Na2F2
с учетом ( III) можем переписать в
KP (i) = k Na+(NaF) I Na+(NaF) T = const1 I Na+(NaF) T
(IV)
KP (ii) = k(Na+ (Na2F2 ) I Na+(Na2F2) T =const2 I Na+(Na2F2) T
Согласно уравнению изобары Вант-Гоффа
d lnKp/d(1/T) = - ∆ H реакц./R
(VI )
(V)
,
зная абсолютные величины KP (i) и KP (ii) при нескольких температурах ,
легко можно определить теплоты сублимации
NaFгаз и Na2F2 ( газ) по
реакциям (i) и (ii) .
Метод масс-спектрометрии позволяет проводить
определение теплот реакций без определения абсолютных величин их КP . Из
уравнений (IV) следует, что:
KP (i)  I Na+(NaF) T
KP (ii)  I Na+(Na2F2) T .
Построив графическую зависимость ln I Na+(NaF) T = f (1/T),
получим теплоту сублимации молекул NaF , а из зависимости ln I Na+(Na2F2) T
= f (1/T) – теплоту сублимации молекул Na2F2 (рис.5) . Комбинацией теплот
сублимации NaF и Na2F2 легко получить энтальпию диссоциации газовой
молекулы Na2F2 на газовые молекулы NaF . Таким же образом массспектрометрически
можно определить энтальпии (теплоты) различных
гетерогенных и гомогенных реакций зная только величины соответствующих
ионных токов при разных температурах, но без предварительного определения
абсолютных значений констант равновесия. Последнее обстоятельство
значительно облегчает получение термодинамических характеристик систем,
включающих конденсированную и газовую фазы.
16
Ln I (Na+) NaF
tg α = -- ∆ H/ R
α
1/ T
TT
Рис.5 Схема определения ∆ H сублимации молекул NaF.
6. Применение в органической химии.
Масс-спектрометрия уже давно широко используется в органической химии
для установления структур неизвестных соединений, используя найденные
экспериментально корреляции между молекулярными структурами и массспектрами.Теоретическое предсказание масс-спектров затруднено даже для
очень простых соединений.
Масс-спектрометрическое определение структур органических соединений
основано на предположении, что структура положительного молекулярного
иона не отличается от структуры нейтральной молекулы. Схема такого
определения: 1. Определение точной массы молекулярного иона или области
масс молекулярного иона (для этого необходимо иметь масс-спектрометры с
хорошим разрешением R ), что позволяет определить молекулярную формулу
исследуемого соединения. Если интенсивность молекулярных ионов крайне
мала обычно выполняют процедуру модификации масс-спектра (повторное
получение масс-спектра того же соединения с помощью другого способа
ионизации). 2. Анализ полученного масс-спектра с использованием ряда
эмпирических закономерностей образования масс-спектров, полученных для
различных классов соединений, что позволяет отнести исследуемое соединение
к тому или иному классу. 3. Выделение главных осколочных ионов, что ,после
17
установления молекулярной формулы , поможет
определить основные
направления фрагментации при ионизации. Больщую помощь на данном этапе
может оказать обнаружение
метастабильных, перегруппировочных и
многозарядных ионов. Определив точный молекулярный вес, класс
соединения, главные особенности его фрагментации, можно сделать
определенные структурные отнесения. На этом этапе очень важно логическое
использование имеющейся информации по ИК,УФ и ЯМР спектрам
исследуемого соединения, что ,во-первых, даст новую информацию (о
насыщенности молекул, о числе протонов и.т.д.) , а также помогает избежать
ошибочных выводов.
7. Изотопный анализ.
Известно, что большинство элементов имеют целый набор стабильных
изотопов (см.приложение 1).Поскольку массы изотопов отличаются, а в массспектре измеряются величины m/e , то естественно , что метод массспектрометрии стал самым удобным методом для определения изотопного
состава образцов. В свою очередь информация по изотопному составу
помогает идентифицировать органические соединения и позволяет дать ответы
на ряд вопросов, начиная от определения возраста горных пород до
обнаружения фальсификатов многих продуктов и установления места
происхождения товаров и сырья. Для проведения изотопного анализа обычно
используются специально сконструированные масс-спектрометры .
Масс-спектрометрическое изучение радиоактивных изотопов дает
возможность идентифицировать носителя определенного излучения по массе,
найти ядерные характеристики для отдельных изотопов (сечения реакций,
энергии реакций, а в отдельных случаях- период полураспада).
8. Примерный перечень вопросов для самоконтроля при
подготовке к контрольным работам по курсу “ Масс-спектрометрия и
резонансные методы” - часть I.
1. Какие методы ионизации используются в масс-спектрометрии ?
Почему используются разные методы?
2. Что такое масс-спектр? Какие типы ионов наблюдаются в массспектрах?
3. Что называется разрешающей силой масс-спектрометра R и как она
18
определяется ?
4. Что называется чувствительностью масс-спектрометра S , от каких
факторов она зависит ?
5. Назовите возможные области применения масс-спектрометрии ?
6. Приведите принципиальную схему масс-спектрометра.
7. Каковы на Ваш взгляд преимущества хромато-массспектрометрического метода по сравнению с классической
масс-
спектрометрией ?
8. Приведите принципиальную блок - схему хромато-масс-спектрометра.
9. Чем вызвана необходимость использования молекулярных сепараторов в
хромато- масс-спектрометрах?
10. Почему комбинация двух независимых методов “хроматографии“ и
“масс-спектрометрии “ , приведшая к созданию нового метода
“хромато-масс-спектрометрии “ , значительно облегчила проведение
биохимических и фармакологических исследований, допинг-контроля ?
11. Какова чувствительность хромато-масс-спектрометрии?
Приведите
примеры использования этого метода.
12. В каких методах ионизации и зачем используются реактант-газы ,
приведите примеры.
13. Почему в методе хромато-масс-спектрометрии применяются газыносители? Назовите какие.
14. К какой группе методов относится масс-спектрометрия?
15. В чем различие между “масс-спектром” и “масс-спектрометром”?
16. Какие из перечисленных методов ионизации, применяемых в массспектрометрии ( метод электронного удара, поверхностная ионизация,
химическая ионизация ,фото-ионизация ,ионизация лазером )
являются мягкими способами ионизации ?
17. В чем заключаются достоинства “тандемной масс-спектрометрии”?
18. Необходим ли подбор газов носителей и газов реактантов при
19
хромато-масс-спектральном анализе разных классов соединений ?
19. Для разделения ионов по отношению m/e в магнитных массспектрометрах применяют комбинацию электрического и поперечного
магнитного полей. Могут ли быть разделены ионы без магнитного поля ?
Как это осуществить?
20. Каким должно быть разрешение масс-спектрометра , чтобы в массспектре отдельно зарегистрировать ионы CO+ и N2+ ?
21. Почему при графической записи масс-спектра расстояние между
соседними пиками уменьшается по мере увеличения масс
регистрируемых ионов?
22. Если ускоряющий ионы потенциал V в масс-спектрометре снижается в
ходе эксперимента, а напряженность магнитного поля H остается
постоянной, то пик с большим или меньшим m/e будет зарегистрирован
в масс-спектре первым?
23. Ион (C4H9+) является метастабильным и, не доходя до коллектора
ионов, распадается на участке траектории между областью ионизации и
магнитным анализатором по уравнению:
(C4H9+)
(C3 H5+) + C H4 .
Ион с какой эффективной массой m* будет зарегистрирован в массспектре?
24. Возможно ли определение изменения энтропии и потенциала Гиббса
(∆ S и ∆ G ) различных реакций только из масс-спектральных данных ?
25. Каковым должно быть разрешение масс-спектрометра, чтобы в массспектре были отдельно зарегистрированы ионы
12
CH4+ и 13CH3+ , (13C 16O)+ и
(12C17O)+ ?
26. Если ускоряющий ионы потенциал V в масс-спектрометре повышается
в ходе эксперимента, а напряженность магнитного поля H остается
постоянной, то пик с большим или меньшим m/e будет зарегистрирован
в масс-спектре первым ?
20
9. Рекомендуемая литература:
Основная:
1. Л .В. Вилков, Ю.А. Пентин. Физические методы исследования в химии.
- М.: Мир -2003- 683 c.
2. Л.В.Вилков, Ю.А. Пентин. Физические методы исследования в химии.
- М.: Высшая школа -1987- 367 c.
3 В. Г.Заикин, А.В.Варламов, А.И.Микая, Н.С.Простаков. Основы массспектрометрии органических соединений- М: МАИК ”Наука “/
Интерпериодика -2001-287 с.
4. Е.Н.Колосов. Методические рекомендации по изучению курса “Физические
методы исследования“, часть I.- М., Изд-во РУДН - 1995- 40 с.
Дополнительная:
1. П.Б. Терентьев. Масс-спектрометрия в органической химии.- М.: Высшая
школа-1979-223 с.
2. Дж.Чепмен. Практическая органическая масс-спектрометрия. -M.: Мир1988-216 с.
3. Л.Н.Сидоров, М.В.Коробов, Л.В.Журавлева. Масс-спектрометрические
термодинамические исследования. М.: Изд-во МГУ-1985- 208с.
4. Л.Н.Горохов. Масс-спектрометрия в неорганической химии.-М.: Знание1984- 214 с.
21
10.ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1.
Стабильные изотопы некоторых элементов периодической системы.
Порядковый
Элемент
Масса
Природная
Точная
номер
в
изотопа
распространенность, масса,
периодической
%
а.е.м
системе
1
H
1
99,9850
1,00797
3
Li
6
7
7,42
92,58
6,015126
7,016005
6
C
12
13
98,893
1,107
12,00000
13,003354
7
N
14
15
99,6337
0,3663
14,003074
15,000108
8
O
16
17
18
99,7587
0,0374
0,2039
15,994915
16,999133
17,999160
9
F
19
100
18,998405
14
Si
28
29
30
92.21
4.70
3.09
27.976927
28.976491
29.973761
15
P
31
100
30.973763
16
S
32
33
34
36
95.0064
0.760
7.22
0.0136
31.972074
32.971460
33.967864
35.967091
17
Cl
35
37
75.529
24.471
34.468854
36.965896
19
K
39
93.1082
38.963714
22
40
41
0.0118
6.88
39.964008
40.961835
29
Cu
63
65
69.09
30.91
62.929594
64.927786
47
Ag
107
109
51.35
48.65
106.904970
108.904700
79
Au
197
100
96.966552
80
Hg
196
198
199
200
201
202
204
0.146
10.02
18.84
23.13
13.22
29.80
6.85
195.965822
197.966769
198.968456
199.968344
200/970315
201/970630
203.973482
23
Приложение 2. Таблица дуплетов масс.
Дуплет
7
Li -14 N++
12
CH2 – 14N
12
CH4 -16O
14
NH2- 16O
14
NH3 - 16OH
12
CH3 - 27Al
12
CH4 – 14N2
14
N2 - 12C16O
12 19
C F- 31P
16
O2 – 32S
12
C3H- 37Cl
12
C3H4 - 40Ar
12 16
C O2 - 12C32S
12
C3H8 - 14N16O
12
C4- 32S16O
12
C4H6 - 54Fe
12
C4H8 - 56Fe
12
C4H10 -58Ni
12
C3H4 - 64 Zn
12
C3H8 - 12C32S2
31
PH-32S
Разность масс ∆ М X 10 3
14,43
12,564
36,371
23,794
23,661
42,35
25,170
11,273
24,4
17,716
42,08
67,93
18,94
61,76
33,182
106,56
127,13
137,12
98,23
87,326
9,510
24
Приложение 3.
Некоторые универсальные
множители.
Элементарный заряд (e)
физические
постоянные
- 1.602∙10-19 Кл
Масс покоя электрона (m) -
9.11∙10-31 кг.
Постоянная Планка (h )
6.6256∙10-34 Дж∙ с
-
Постоянная Больцмана (k ) - 1.3805∙10-23 Дж/K
Число Авогадро (NA)
-
6.022∙1026 кмоль-1
О
1 см = 10 -8 А
1 кал.. = 4.184 Дж
1 л ∙ атм. = 101.325 Дж. = 24.2173 кал.
1 eB =1.6021 ∙ 10-12 эрг. = 96.485 кДж/моль
2/303 R = 19/148 Дж/моль
1 м-1 соответствует 0.11972 кДж/моль
и
переходные
25
Приложение 4. Этапы развития масс-спектрометрии.
Дата
1897 г.
Автор, событие
Дж.Дж.Томсоносновополагающие работы
по создание первого массспектрометра
1910 г.
Ф. Астон, А.Демпстерпервый масс-спектрограф
1918 г.
А.Демпстер – создание
первого магнитного массспектрометра
Альфред Нир- разработка
общепринятой
модели
ионног
источника
с
электронной
бомбардировкой.
У.Стивенс- предложена
концепция времяпролетных массспектрометров.
В.Пол- разработка квадрупольного массспектрометра
Соединены массспектрометр и
хроматограф, первые
промышленные приборы.
Соединены ЖХ и МС
М.Мансон, Ф.Филд- создан
метод
химической
ионизации (ХИ).
Разработаны
принципы
метода тандемной массспектрометрии.
1940-1947 гг.
1946 г.
Середина 1950 х гг.
Конец 1950 х гг..
1960
1966
1960 е
26