49390

Масс-спектрометрия и ее использование

Курсовая

Физика

История массспектрометрии ведётся с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX века. Существенное отличие массспектрометрии от других аналитических физикохимических методов состоит в том что оптические рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами а массспектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества. Массспектрометрия в широком смысле это наука получения и интерпретации массспектров которые в свою...

Русский

2014-01-15

3.71 MB

40 чел.

Введение

Масс-спектрометрия  -  метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX века. Окончание «-метрия» термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.                 Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества.       Масс-спектрометрия в широком смысле — это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получаются при помощи масс-спектрометров.         Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключающимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре. 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), а по оси ординат - их интенсивность, то есть относительное количество ионов данного вида. Принято выражать интенсивность в процентах к полному ионному току (суммарной интенсивности всех ионов в спектре) или к интенсивности максимального иона (рис. 1). В качестве единицы размерности массы в масс-спектро-метрии используются термины: углеродные единицы (у. е.), атомные единицы массы (а. е. м.), дальтоны (Да).

Рис. 1. Масс-спектр соединения с брутто-формулой С2Н4О2

в графическом виде

Масс-спектр, как и любой спектр, в узком смысле — это зависимость интенсивности ионного тока (количества) от отношения массы к заряду (качества). Ввиду квантования массы и заряда типичный масс-спектр является дискретным. Обычно (в рутинных анализах) так оно и есть, но не всегда. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации и вторичные процессы в масс-спектрометре могут оставлять свой след в масс-спектре (см. метастабильные ионы, градиент ускоряющего напряжения по местам образования ионов, неупругое рассеивание). Так ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным. Поэтому масс-спектр в широком смысле — это нечто большее, несущее специфическую информацию, и делающее процесс его интерпретации более сложным и увлекательным.

1. Основные сведения о масс-спектрометрическом методе анализа

1.1. Система ввода образца

 Для получения масс-спектра прежде всего необходимо ввести образец в источник ионов, затем перевести его молекулы в заряженную форму (положительные или отрицательные ионы), разделить эти ионы по массам и зарегистрировать их массы и количество. В современных приборах управление всеми операциями, а также обработку результатов осуществляет компьютер, являющийся неотъемлемой частью масс-спектрометра. На выходе можно получить спектр в любом виде, провести вычитание или усреднение спектров, провести сравнение с библиотекой масс-спектров. Принципиальная блок-схема масс-спектрометра представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема масс-спектрометра

результате взаимодействия молекул и ионов, в источнике масс-спектрометра, как правило, поддерживается высокий вакуум 10-5-10-6 мм рт. ст.

Баллон напуска. Одной из первых систем ввода, служил баллон напуска (рис. 3). Анализируемое вещество находилось в газообразном состоянии (давление около 10-2 мм рт. ст.) в баллоне объемом 50-2000 см3, внутренняя поверхность которого была остеклена для предотвращения нежелательных химических реакций на стенках сосуда. В поздних вариантах предусматривалась система нагрева пробы в баллоне.

Рис. 3. Схема баллона напуска

Этот резервуар соединялся с источником ионов отверстием очень небольшого диаметра, через которое осуществлялось молекулярное натекание образца в масс-спектрометр. Альтернативными вариантами соединительного отверстия служили капилляры или пористые диафрагмы. Очевидным недостатком данного ввода является необходимость переводить вещество в газовую фазу в условиях неглубокого вакуума, что для многих образцов весьма проблематично. Конструкции стыковки баллонов напуска с ионными источниками подробно описаны в фундаментальном труде Джона Бейнона.

 Прямой ввод. Развитие техники позволило в 60-х годах XX века перейти на более совершенную систему ввода, которая является общепринятой и широко распространенной в настоящее время - это прямой ввод вещества в область ионизации. Твердый образец помещается в специальную микрокапсулу (стекло, кварц, керамика, металл), которая штоком вводится непосредственно в ионный источник, то есть испарение осуществляется прямо в источнике ионов в условиях глубокого вакуума. При необходимости образец может быть нагрет с помощью программируемой печки до температуры 400-500°С, а в некоторых случаях, как, например, в условиях десорбционной химической ионизации, - выше 1000°С. Понятно, что в этих условиях количество соединений, доступных масс-спектрометрическому анализу, значительно возрастает. Полное испарение введенного образца позволяет измерить количество соединения, то есть прямой ввод позволяет наряду с качественным, проводить и количественный анализ веществ. Принципиальная схема прямого ввода представлена на рис. 4.

Рис. 4. Система прямого ввода

Мембранный ввод. Достаточно перспективным является мембранный ввод пробы. 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 соединение должно быть достаточно летучим, чтобы испаряться на вакуумированной стороне мембраны. В одном из приводимых ниже вариантов мембрана размещается вне источника ионов (рис. 5), в другом - капиллярная мембрана вводится непосредственно в источник (рис. 5). Достоинством такого ввода является селективность в пропускании веществ разной природы. Поскольку мембрана не пропускает воду, неорганические газы и соли, она может использоваться для эффективного мониторинга загрязнения воздуха или воды органическими соединениями, а также для контроля биохимических процессов. Предел обнаружения в воде для широкого круга органических соединений с молекулярной массой < 300 Да может достигать нанограммов в литре.

Рис. 5. Мембранный ввод пробы

 Ленточный транспортер. Принципиальная схема устройства представлена на рис. 6. Его основной конструкционной деталью является тонкая полиимидная кольцевая лента. Элюат из колонки хроматографа попадает на ленту, движущуюся по направлению к источнику ионов. На пути следования он проходит вдоль инфракрасных испарителей, которые переводят в газовую фазу значительную долю подвижной фазы. Далее лента проходит вакуумный замок, и в условиях вакуума остатки растворителя откачиваются насосами. В месте перегиба ленты, в ионном источнике, находится импульсный нагреватель, который переводит в газовую фазу молекулы образца, подвергающиеся электронному удару или химической ионизации. Двигаясь в обратном направлении, лента очищается от избытка нанесенного образца благодаря дополнительным испарителям, а иногда и растворителям, и возвращается за новой порцией элюата в исходном (теоретически чистом) виде.

Рис. 6. Схема ленточного транспортера

 Прямой ввод жидкости. Для реализации прямого ввода жидкости на выходе из хроматографической колонки устанавливается диафрагма с отверстием 2-5 мкм (рис. 7). Возникающая струя мелких капель движется с большой скоростью к источнику ионов. На пути следования капли проходят через камеру испарения, где бóльшая часть растворителя переходит в газовую фазу. Оказываясь в источнике масс-спектрометра, молекулы анализируемого вещества подвергаются химической ионизации, тогда как молекулы растворителя играют роль газа-реагента.

Рис. 7. Схема прямого ввода пробы

Поток частиц. В этом варианте интерфейса поток из колонки хроматографа направляется через капилляр в стеклянный распылитель, где элюат превращается в облако мелких капель, разорванных концентрическим потоком гелия. Это облако перемещается внутри стеклянной испарительной камеры, стенки которой подогреваются, а давление поддерживается на уровне чуть ниже атмосферного. При этом происходит частичное испарение растворителя, и размер капель уменьшается. Испарительная камера заканчивается узким отверстием, за которым следует сепаратор молекулярного пучка с вакуумной откачкой (рис. 8). Вылетая из испарительной камеры, частицы приобретают высокую скорость благодаря сужению потока. Поскольку более тяжелые молекулы анализируемого вещества менее подвержены диффузии, чем атомы гелия или молекулы растворителя, именно они и проходят в узкое входное отверстие сепаратора, а из него - в масс- спектрометр.

Рис. 8. Принципиальная схема интерфейса с потоком частиц

1.2. Механизмы и способы ионизации

Ионизация — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул.      Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии. Ионизация является обязательным условием для масс-спектрометрических исследований. Она проходит по одному из нескольких механизмов.       Протонирование – механизм ионизации, при котором к молекуле присоединяется протон, сообщая ей заряд 1+ на каждый присоединённый протон. Положительные заряды обычно локализуются на основных частях молекулы, таких, как амины, с образованием стабильных катионов. Пептиды часто ионизируются при помощи протонирования. Протонирование осуществляется при MALDI, ESI и APCI.     Депротонирование – механизм ионизации, при котором отрицательный заряд 1- получается при отрыве протона от молекулы. Такой механизм ионизации обычно осуществляется при MALDI, ESI и APCI и очень полезен для определения кислотных образцов, включая фенолы, карбоновые кислоты и сульфоновые кислоты.        Катионизация – механизм ионизации, в котором заряженный комплекс образуется при координационном присоединении положительно заряженного иона к нейтральной молекуле. В принципе, пртонирование тоже подпадает под это определение, поэтому катионизацией считается присоединение иона, отличного от протона, например щелочного металла или аммония. Кроме того, катионизация применима к молекулам, которые неспособны к протонированию. Связь катионов, в отличие от протонов, с молекулой менее ковалентна, поэтому заряд остаётся локализован на катионе. Это минимизирует размывание заряда и фрагментацию молекулы. Катионизация также может быть произведена при MALDI, ESI и APCI. Углеводы – лучшие вещества для такого механизма ионизации, с Na+ как обычным присоединённым катионом.

Прямой перенос заряженной молекулы в газовую фазу - перенос соединений, уже заряженных в растворе, легко достигается при использовании десорбции или выбрасыванием заряженных частиц из конденсированной фазы в газовую. Обычно это осуществляется с использованием MALDI или ESI.        Отрыв электрона - как видно из названия механизма, отрыв электрона придаёт молекуле 1+ положительный заряд при выбивании электрона, так что при этом часто образуются катион-радикалы. Наблюдаемый, в основном, при электронной ионизации, отрыв электрона обычно применяется для относительно неполярных соединений с низкой молекулярной массой. Захват электрона - при захвате электрона, отрицательный заряд 1- сообщается молекуле при присоединении электрона. Этот механизм ионизации в первую очередь наблюдается для молекул с большим сродством к электрону, таких как галогенсодержащие соединения.

Существует несколько способов ионизации образца:

Электронный удар. Исторически это первый метод ионизации органических соединений. Он же - и наиболее распространенный на сегодняшний день. Основными достоинствами метода являются надежность и универсальность. Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут покинуть молекулу. Пучок электронов генерируется катодом (проволока или пластина из рения или вольфрама) и ускоряется потенциалом 12-70 В по направлению к аноду (рис. 9). Вещество в газовой фазе (давление 10-5-10-6 мм рт. ст.)  взаимодействует с электронами и ионизируется. Формально можно представить процесс ионизации уравнением: М + е=М+*·+2е.

Рис. 9. Принципиальная схема источника электронного удара

Ионизация фотонами. Устранить разброс ионизирующих частиц по энергиям позволяет метод фотоионизации. Получить монохромати-ческий пучок фотонов значительно проще, чем пучок электронов. Энергия фотонов обратно пропорциональна длине их волны. Другим достоинством ионизации фотонами является полная передача энергии при взаимодействии излучения с молекулой вещества. Метод чрезвычайно полезен для установления энергетических характеристик (потенциалы ионизации и появления) молекул, радикалов, ионов. Самостоятельный физико-химический метод - ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия - основан на ионизации вещества фотонами.          Химическая ионизация. В 1966 г. Мансон и Филд описали новую технику получения масс-спектра - химическую ионизацию (ХИ). Это «мягкий» метод ионизации. Избыточная энергия молекулярных ионов в этом случае не превышает 5 эВ. Как следствие, фрагментация оказывается весьма незначительной. Иногда спектр представляет собой только пик молекулярного иона. Таким образом, основное достоинство метода заключается в его способности предоставлять информацию о молекулярной массе анализируемых соединений в тех случаях, когда ЭУ не в состоянии этого сделать.        Электрораспыление, электроспрей. Метод позволил говорить не только об органической масс-спектрометрии, но и о биоорганической, и даже биологической масс-спектрометрии. Впервые электрораспыление для ввода жидкой пробы в масс-спектрометр было предложено Джоном Фенном и др. на основе более ранних работ Доуля. Поток из жидкостного хроматографа (рис. 10) направляется в иглу диаметром 0,1 мм, на которую подается высокое напряжение порядка 6 кВ.

Рис. 10. Принципиальная схема метода электрораспыления

         Химическая ионизация отрицательных ионов. В стандартных условиях химической ионизации в ионизационной камере присутствуют низкоэнергетичные тепловые электроны, а из молекулы газа-реагента помимо положительных ионов образуются отрицательные ионы. Молекулы образца могут захватывать электроны с образованием анион-радикалов или вступать во взаимодействие с ионами-реагентами. В последнем случае протекают ионно-молекулярные реакции нескольких типов.

  1.  Депротонирование: А-+ВНАН + В-
  2.  Перезарядка: В+А-*В-*
  3.  Нуклеофильное присоединение: В + А-АВ-
  4.  Нуклеофильное замещение: АВ + С-ВС + А-.

         Бомбардировка быстрыми атомами. Принципиальная схема ионизации бомбардировкой быстрыми атомами представлена на рис. 11. Пучок ускоренных атомов (обычно инертные газы) направляется на раствор вещества, нанесенный на металлическую подложку, расположенную на конце штока прямого ввода.

Рис. 11. Принципиальная схема ионизации бомбардировкой

быстрыми атомами

1.3. Разделение и регистрация ионов

После того как проведена ионизация образца, необходимо разделить ионы, образовавшиеся в источнике в результате самых разнообразных процессов. Для этой цели используются несколько типов анализаторов.

Магнитный секторный масс-спектрометр. Принципиальная схема его устройства представлена на рис. 12.

Рис. 12. Принципиальная схема масс-спектрометра с магнитным анализатором

Ион, образовавшийся в источнике, выводится оттуда, благодаря системе электродов, и ускоряется потенциалом 2-8 кВ по направлению к анализатору. Кинетическая энергия иона на входе в магнитный анализатор выражается уравнением

zeV = mν2/2,     (1)

где m - масса иона; е - единичный заряд; z - число таких зарядов у иона; ν - скорость иона.

Попадая в магнитное поле напряженностью В перпендикулярно магнитным силовым линиям, этот ион будет двигаться по окружности R, причем сила Лоренца уравновешивается центробежной силой

Bzeν = mν2/R.     (2)

Комбинация уравнений (1) и (2) приводит к основному уравнению разделения ионов в магнитном анализаторе

       m/ze = B2R2/2V.      (3)

Для получения масс-спектра можно сканировать напряженность магнитного поля либо ускоряющее напряжение. Однако изменение величины ускоряющего напряжения всего в два раза вызывает некоторую дефокусировку ионного пучка и потерю чувствительности. При этом изменяется и разрешающая способность. Поэтому масс-спектры принято получать сканированием напряженности магнитного поля. Поскольку секторный магнит является анализатором моментов, а не масс, ионы с одной массой, но различной кинетической энергией, не собираются в точечном фокусе однофокусного магнитного прибора. Разброс кинетической энергии ионов лимитирует достижимое разрешение. Для преодоления этого недостатка на пути следования ионов ставят дополнительный электростатический сектор (рис. 13).

Рис. 13. Принципиальная схема магнитного секторного прибора двойной фокусировки прямой геометрии (БП - бесполевое пространство)

2. Квадрупольный анализатор. Квадрупольный анализатор, часто называемый квадрупольным фильтром масс, состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения (рис. 14).

Рис. 14. Квадрупольный анализатор

Ионная ловушка была впервые описана одновременно с квадрупольным анализатором, однако первый прибор появился на рынке только в 1983 г. Тем не менее, к настоящему времени ионная ловушка превратилась из простого детектора к газовому хроматографу в высокоэффективный хроматомасс-спектрометр с диапазоном регистрируе-мых масс в десятки тысяч дальтон, разрешающей способностью до 25000, возможностью работы в режиме тандемной масс-спектрометрии с регистрацией до 10 поколений фрагментных ионов и высочайшей чувствительностью.   Времяпролетный анализатор. Этот тип анализатора масс основан на простейшем принципе: скорость разогнанных ионов обратно пропорциональна их массам

m = 2eV/υ2 ,     (4)

где V - ускоряющее напряжение.

                        

2. Физические основы масс-спектрометрического распада

2.1. Процессы образования и распада молекулярных ионов

Существует ряд более или менее строгих подходов к описанию процессов образования и распада молекулярных ионов. К сожалению, на сегодняшний день ни один из них не может надежно предсказать массовые числа и интенсивности пиков всех ионов в спектре даже достаточно простых органических соединений. Во избежание чрезмерного углубления в физику и математику в данном разделе будут отражены лишь основные подходы, преимущества и недостатки существующих теорий. Практически любой процесс генерирования заряженной частицы сопряжен с передачей ей дополнительной внутренней энергии. В частности, в случае наиболее распространенного (и наиболее жесткого) метода ионизации, каким является электронный удар, образующиеся молекулярные ионы могут иметь избыточную энергию в диапазоне 0 - 20 эВ. Учитывая, что                 1 эВ = 96,48 кДж, наиболее «горячие» ионы имеют энергию порядка
2000 кДж, то есть значительно выше энергии реакционных частиц, образующихся в растворах.

Распределение образовавшихся молекулярных ионов по энергиям (рис. 15) можно представить в виде вероятностной функции Р(Е). Эта кривая в определенной мере напоминает фотоэлектронный спектр данной молекулы. В растворах в результате столкновений происходит усреднение энергии частиц. В ионизационной камере масс-спектрометра все определяется методом ионизации. В случае, например, химической ионизации достаточно высокое давление в источнике ионов приводит к многочисленным столкновениям ионов, радикалов и молекул, то есть можно говорить об определенном усреднении их внутренней энергии. Напротив, условия высокого вакуума при использовании электронного удара препятствуют столкновениям частиц, и судьба образовавшегося иона зависит исключительно от той внутренней энергии, которую он приобрел в результате ионизации. Именно эта энергия определяет то, что одна часть ионов достигнет детектора без фрагментации, другая - в виде каких-либо перегруппировочных ионов, третья - в виде каких-либо осколочных ионов, четвертая - в виде фрагментных ионов второго поколения и т.д. Следует подчеркнуть, что, поскольку речь идет о мономолекулярных реакциях изолированных частиц, живущих очень короткое время, набор и количество продуктов реакции определяются, прежде всего, кинетическими, а не термодинамическими факторами. Здесь имеет смысл напомнить, что молекулярный ион образуется в результате ионизации молекулы (потери электрона). Его величина m/z соответствует молекулярной массе соединения. Фрагментные ионы образуются при распаде молекулярного. Осколочные ионы образуются в результате простых разрывов связей. Перегруппировочные ионы наряду с разрывами связей требуют образования новых связей между атомами (группами), не связанными напрямую в исходной молекуле.

Рис. 15. Функции Р(Е) и к(Е) молекулярного иона органического соединения ABXY. Диаграмма Вархафтига

В 1952 г. практически одновременно возникли две теории, направленные на интерпретацию мономолекулярных реакций в газовой фазе в условиях глубокого вакуума. Розеншток предложил физическое описание процессов в источнике масс-спектрометра. Эта теория была названа «квазиравновесной» (КРТ), поскольку постулировала, что за 10-12 с избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям в молекуле, точнее, по всем энергетическим состояниям молекулярного иона, то есть «квазиравновесие» между всеми этими состояниями достигается до того, как начнется распад. Вероятности путей фрагментации определяются только энергией и структурой каждого конкретного иона, а не методом ионизации, механизмом образования или структурой предшественника (для осколочных ионов). Исключения связаны, как правило, с простейшими молекулами, случаями далеко отстоящих друг от друга возбужденных электронных состояний и быстрыми (к>1011) процессами распада. Близкая КРТ теория, описывающая процессы в нейтральных молекулах, была названа по фамилиям ее авторов Раиса, Рампсберга, Касселя и Маркуса - РРКМ.

Обе теории базируются на определенных допущениях:

1. Вращательные, колебательные, электронные и поступательные движения частиц независимы друг от друга.

2. Движения ядер могут быть описаны уравнениями классической механики, хотя и с учетом квантово-химических коррекций.

3. Все микросостояния частиц равновероятны, то есть энергия равновероятно распределяется по всем степеням свободы иона.

4. Существует энергетическая граничная поверхность, разделяющая родительские и дочерние ионы. Эта поверхность может пересекаться только в одном направлении, то есть для любого родительского иона достижение этого переходного состояния означает необратимый распад с образованием продуктов.

Основная задача теорий - расчет скоростей распада частиц с разрывом любой химической связи в зависимости от избытка внутренней энергии. Рассмотрим несколько подробнее ионизацию под электронным ударом. Сам процесс потери электрона нейтральной молекулой протекает за 10-16 с. По принципу Франка-Кондона, расстояния между ядрами при этом не изменяются. Колебания ядер могут начаться через 10-12-10-13 с. После ионизации молекулярные ионы могут оказаться на любых уровнях всех возбужденных (вращательных, колебательных, электронных) состояний. Важно, что ион в возбужденном электронном состоянии живет не более 10-8 с. За это время в результате излучательных или безызлучательных процессов ион переходит в основное электронное состояние либо распадается. Поскольку время присутствия ионов в источнике электронного удара составляет 10-6 с, около 99% времени ион находится там в основном электронном состоянии. Когда, представляя схему фрагментации, указывают заряд иона на конкретном атоме, это не означает, что в результате ионизации электрон удален именно из этого места. Речь идет об изображении иона в основном электронном состоянии. Вероятность какой-либо трансформации (изомеризация, распад) молекулярного иона в зависимости от его внутренней энергии (рис. 15,  нижняя часть) связана с константой скорости к(Е) конкретной реакции. Молекулярные ионы, энергия которых ниже критической энергии (Eq) для самой низкоэнергетической реакции распада, регистрируются в виде М+* Предположим, что молекулярный ион соединения ABXY может распадаться или с разрывом центральной связи В-X, или претерпевать перегруппировку с образованием химической связи между ранее несвязанными А и Y

AY+* + В = X←ABXY+*AB++XY*.

Если Е(М+*) < Е0Y+*), ион стабилен и регистрируется как М+* Обозначим как E½Y+*) такую энергию, при которой ровно половина М+* распадается с образованием АY+*, а половина остается в виде М+*. Аналогично E½(AB+) соответствует энергии, при которой половина М+* распадается с образованием AY+*, а половина с образованием АВ+, то есть для представленного на рис. 84 случая все молекулярные ионы с энергией выше E½(AB+) будут распадаться с образованием АВ+, так как в этой точке скорость образования АВ+ становится выше скорости образования АY+. Формально площади под кривыми на рис. 84 с обозначениями М+*, АY+, АВ+ соответствуют долям тока этих ионов в полном ионном токе. Однако необходимо подчеркнуть, что эти доли являются начальными. Для вычисления реальной интенсивности соответствующих пиков в масс-спектре необходимо учитывать вторичные процессы распада этих первичных ионов. При изменении распределения внутренней энергии М+* (функция Р(Е)) вид масс-спектра может существенно меняться. Некоторые реакции частично или полностью подавляются более эффективными для данной энергии. Изменением распределения Р(Е) объясняется, в частности, изменение спектра электронного удара при снижении энергии ионизирующих электронов.

Один из вариантов записи масс-спектрометрической информации в графическом виде представлен на рис. 16. Пусть молекулярный ион ABXY+* распадается с простым разрывом связи (ион АВ+) или с перегруппировкой (ион AY+*). Изменение спектра с изменением внутренней энергии М+* наглядно демонстрирует рис. 16. Вертикальное сечение позволяет получить масс-спектр при конкретном значении энергии М+*. Как видно из рис. 85, реакция с низшей E0 далеко не всегда приводит к наиболее интенсивному фрагментному иону. Для рассматриваемой молекулы ABXY реакция образования иона AY+* имеет предпочтительную энтальпию, в то время как энтропийный фактор благоприятствует возникновению тона АВ+. Действительно, в первом случае рвутся две связи (АВ и XY) и образуются две связи (AY и ВХ), то есть энергетические затраты невелики. Во втором случае происходит разрыв одной связи (ВХ), но новых связей не образуется. Однако стерические требования в первом случае значительно строже. Ион АВ+ может образоваться, как только связь ВХ будет обладать достаточной для разрыва связи колебательной энергией, а для возникновения иона AY+* необходим подход А с искажением валентных углов к Y на достаточное для образования связи расстояние, что реализуется лишь для небольшой части многочисленных конформаций М+*, имеющих достаточную для такого процесса энергию.

Рис. 16. Зависимость интенсивности пиков ионов в спектре от внутренней энергии М+*. Диаграмма Вархафтига

Этот простой пример демонстрирует конкуренцию различных направлений распада и объясняет сложность масс-спектров в случае многоатомных молекул. Изменение потенциальной энергии вдоль координаты реакции для простого разрыва связи и перегруппировки представлено на рис. 86. Для реакции простого разрыва связей (рис. 17, слева) обратный процесс практически всегда не требует энергии или протекает с минимальной энергией активации Еr, а для перегруппировок (рис. 17, справа) обратный процесс может иметь значительную энергию активации. Ранее были введены определения энергии ионизации (ЭИ) молекулы и энергии появления (ЭП) иона. Если для определения ЭП(AY+*) фиксировать появление в спектре пика иона AY+*, будет измерена не E0(AY+*), а E½Y+*). Разность E½ - E0 называется кинетическим сдвигом. Обычно он невелик (0,01-0,1 эВ), но может достигать величин до 2 эВ. Для случая АВ+ измерение E0(АВ+) еще больше усложнено, поскольку дополнительно к кинетическому сдвигу возникает так называемый «конкурентный сдвиг»; при E < E½Y+) М+* будет предпочтительно распадаться с образованием АY+*. Масс-спектрометрическое измерение ЭИ, ЭП и сродства к электрону в сочетании с известными термохимическими характеристиками нейтральных частиц позволяет вычислить теплоту образования ионов и энергии связей. Масс-спектрометрически можно изучать нестабильные радикалы и получать информацию об энергиях связей, недостижимую при использовании других методов. Измерение ЭП фрагментных ионов является важным методом установления их структур. Пусть необходимо установить структуру иона АВ+, образующегося при распаде ABXY+*. Если ионы такого же состава были изучены ранее (например, при их образовании из ABCD+*, AB2Y+* и т.д.) и для них были установлены структура и теплота образования, необходимо измерить ЭП иона АВ+, образующегося из ABXY+*, и рассчитать теплоту его образования по уравнению

ΔH(AB+)= ЭП + ΔH(ABXY) - ΔH(XY*).    (6)

Рис. 17. Изменение потенциальной энергии вдоль координаты реакции для простого разрыва связи (слева) и перегруппировки (справа).

Диаграмма Вархафтига

Совпадение полученной величины ΔH(АВ+) с аналогичной величиной для иона АВ+ известной структуры, образующегося в другом процессе, является весомым свидетельством в пользу их одинаковой структуры. Понятно, что если ΔH(АВ+) значительно отличается от ΔН всех изученных ранее ионов АВ+, можно утверждать, что исследуемый ион обладает другой структурой. Развитие компьютерных расчетов с помощью эмпирических методов или аb initio позволило проверять приписываемые ионам структуру при сравнении экспериментальных и расчетных величин теплоты их образования.

Кинетический сдвиг при определении ЭП обусловлен тем, что осколочный ион появляется в масс-спектре только из тех М+*, энергия которых достаточна для протекания соответствующей реакции с константой скорости не ниже 106. Однако существует возможность регистрировать процессы с константой скорости 105. Дело в том, что ион покидает источник электронного удара за 10-6 с, но достигает детектора за 10-5 с, то есть, обладая достаточной энергией, он может распасться по пути следования. Рассмотрим, как будет регистрироваться этот ион, называемый «метастабильным», в магнитном секторном приборе. Пусть ион m1+ покидает ионный источник, ускоряется напряжением V и распадается с образованием иона m2+ и нейтральной частицы m20 в бесполевом пространстве между источником и магнитным анализатором:

m1+m2++m30.      (6)

Пусть νn скорость иона с массой mn. Тогда в бесполевом пространстве правомерны уравнения сохранения энергии и момента количества движения:

m1υ12= m2υ22+ m3υ32;     (7)

m1υ1= m2υ2+ m3υ3.     (8)

Так как m1=m2+m3, оба уравнения могут быть справедливы только в случае υ1= υ2+ υ3, то есть в первом приближении можно считать, что продукты распада движутся в том же направлении и с теми же скоростями, что и родительский ион. Магнитный сектор масс-спектрометра является анализатором моментов. Поэтому метастабильный ион с реальной массой m2 и скоростью υ1 будет регистрироваться вместе со стабильным ионом m*, обладающим скоростью υ*. Необходимо лишь, чтобы их моменты количества движения

            (9)

Данное уравнение справедливо для любого стабильного иона:

    (10)

Исходя из уравнений (55) и (56), получаем уравнение для расчета регистрируемой массы метастабильного иона:

           (11)

Таким образом, метастабильный ион, образующийся в первом бесполевом пространстве однофокусного магнитного масс-спектрометра, будет регистрироваться в спектре с кажущейся массой, рассчитываемой по уравнению (57). Метастабильные ионы проявляются в виде слабых уширенных пиков. Низкая интенсивность обусловлена незначительной долей молекулярных ионов, энергия которых благоприятствует их распаду вне источника. Даже наиболее низкоэнергетический процесс (перегруппировка с образованием AY+*) приводит к слабому пику метастабильного иона. Для более высокоэнергетических реакций образование стабильного иона в результате менее энергоемкого процесса выгоднее образования альтернативных метастабильных ионов. Пики последних могут вообще не наблюдаться в спектре. Уширение пика метастабильного иона связано с высвобождением части внутренней энергии при распаде. Эта энергия переходит в кинетическую, причем направление приращения может быть от полностью совпадающего до прямо противоположного относительно скорости движения распадающе-гося иона. Регистрация в спектре метастабильного иона очень полезна, поскольку позволяет доказать протекание конкретной реакции, связываю-щей родительский и дочерний ионы. Схемы масс-спектрометрической фрагментации считаются надежно установленными, если они подтвержде-ны пиками метастабильных ионов. В то же время пики метастабильных ионов ухудшают разрешение в спектре. В зависимости от количества энергии, выделяющейся при фрагментации в бесполевом пространстве, форма пиков метастабильных ионов может быть разной. К сожалению, эти пики исчезают из спектра в результате его компьютерной обработки. Так как электростатический анализатор пропускает ионы в зависимости от их энергии, метастабильные ионы, обладающие меньшей энергией по сравнению со стабильными, через него не проходят. Тем не менее, пики метастабильных ионов проявляются в масс-спектре, полученном на двухфокусном приборе прямой геометрии, если фрагментация идет во втором бесполевом пространстве после прохождения электростатического анализатора. Многие масс-спектрометры позволяют работать в режиме получения спектров исключительно метастабильных ионов с дефокусиров-кой стабильных. В данном случае речь идет о варианте тандемной масс-спектрометрии, но без активации соударением. Так можно получать все виды спектров (родительских ионов, дочерних ионов, выбросов идентич-ных нейтральных частиц). Такие спектры позволяют устанавливать направления фрагментации, решать структурные задачи. Однако интенсив-ность сигналов и даже наличие или отсутствие пиков конкретных ионов в спектрах зависит от энергии родительских ионов. Поэтому в отличие от спектров активации соударением различия в спектрах дочерних ионов двух родительских ионов не обязательно свидетельствуют об их разной структуре. Примером использования метастабильных ионов может служить масс-спектрометрическое исследование N-фенил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазола. Ионы [M-N2]+* триазолов обычно циклизуются в азирины (рис. 18). Однако спектр метастабильных дочерних ионов свидетельствует о том, что одним из направлений распада [M-N2]+* N-фенил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазола является отщепление радикала NCO*. Такой процесс невозможен для азирина и заставляет предположить более сложную трансформацию иона [M-N2]+*, например образование оксоиндола при взаимодействии радикального центра с бензольным ядром (рис. 18).

Рис. 18. Схема распада N-фенил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазола

2.2. Полуколичественная теория масс-спектрометрического распада

Строгая математизированная теория (КРТ или РРКМ) не применима к реальным органическим молекулам, поскольку за исключением простейших молекул все другие случаи требуют слишком большого времени даже с использованием современной компьютерной базы. Кроме того, значительные ошибки могут быть вызваны незнанием реальных структур ни родительских ионов, ни дочерних ионов, ни переходного состояния. Распределение энергии по связям также не очевидно. Фактически, самым большим успехом этих строгих физических теорий можно считать расчеты спектров легких алканов (пропан, бутан), то есть простейших молекул с одним типом химических связей. Возможно, в будущем с созданием следующих поколений компьютеров эти проблемы удастся преодолеть. Существует упрощенный подход в рамках полуколичественной КРТ для описания процессов фрагментации более сложных молекул. Для расчета констант скоростей реакций распада используется уравнение

    (12)

где k - константа скорости; ν - частотный фактор; E - избыток внутренней энергии; E0 - критическая энергии конкретной реакции; N - число осцилляторов. Частотный фактор ν обратно пропорционален мере стерических затруднений в активированном комплексе (переходном состоянии) и фактически является численной характеристикой изменения энтропии в процессе; для простого разрыва связи он принимается равным ее колебательной частоте (ИК-спектроскопия). Для перегруппировочного процесса требуется конкретное расположение атомов в пространстве, что приводит к уменьшению величины v. Число осцилляторов в молекуле, содержащей n атомов, рассчитывается по формуле N = 3n-6. Однако на практике оказывается, что не все осцилляторы равноценны и величина k завышается. Поэтому число осцилляторов обычно уменьшают в три раза. При использовании этой упрощенной теории для расчета интенсивностей фрагментных ионов в спектре нельзя забывать про вторичные процессы распада этих ионов при наличии у них достаточной внутренней энергии. Интенсивность пика иона в спектре зависит и от скорости его образования, и от скорости его распада.

3.Обработка результатов исследования

3.1. Интерпретация масс-спектров

С чего начинать процесс расшифровки масс-спектров? Во-первых, желательно иметь исчерпывающую информацию об истории появления данного образца. Здесь важны многие данные (метод синтеза и выделения, природа исходных реагентов и растворителей, наличие примесей и т.д.). Во-вторых, имеет смысл прежде всего свериться с компьютерными библиотеками спектров. В идеале задача может быть решена уже на этой стадии. В любом случае полученная при сравнении нового спектра со спектрами известных соединений информация может помочь отнести образец к конкретному классу соединений, сделать выводы о наличии каких-либо функциональных групп. Если библиотека спектров не предоставляет однозначного ответа, следует обратить внимание на общий вид спектра: отметить параметры съемки, обратить внимание на наиболее интенсивные пики, на характерные группы пиков. Если, например, спектр характеризуется большим числом фрагментов, пики которых имеют все большую интенсивность при движении вниз по шкале масс образец, скорее всего, является алифатическим соединением. Напротив, редкие интенсивные пики характерны для ароматических структур. Однако начинать основную работу со спектром следует с установления пика молекулярного иона.

 Молекулярный ион. Информация, которую можно извлечь, анализируя область молекулярного иона, поистине огромна. Масса М+* - это молекулярная масса анализируемого соединения. Соотношение изотопных пиков  позволяет установить примерный элементный состав, а измерение точной массы М+* с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения - точный элементный состав соединения. Относительная интенсивность пика М+* позволяет сделать определенные предположения о его структуре, принадлежности анализируемого соединения к тому или иному классу. Например, для углеводородов относительная интенсивность М+* в полном ионном токе увеличивается по мере увеличения степени ненасыщенности соединения. Ион должен удовлетворять четырем необходимым, но не достаточным условиям, для того, чтобы считать пик молекулярным:

1) иметь самую большую массу в спектре;

2) быть нечетноэлектронным;

3) быть способным образовать важнейшие ионы с большой массой за счет выброса реальных нейтральных частиц;

4) включать все элементы, наличие которых в образце можно увидеть по фрагментным ионам.

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, ион не молекулярный; если выполняются все четыре условия, ион может быть молекулярным.

Рассмотрим подробнее представленные условия. Первое положение очевидно, поскольку масса целой молекулы заведомо больше массы любого ее фрагмента. Количество электронов в ионе можно проверить, рассчитав степень его ненасыщенности

R = x-½y+½z+l,     (13)

где R - степень ненасыщенности (число кратных связей и циклов в ионе); х, у и z - индексы в брутто-формуле иона CxHyNzOn. Понятно, что степень ненасыщенности можно определить только после установления элементного состава иона. Если в состав входят другие элементы, индексы х, у, будут суммами атомов соответствующих валентностей (для С и Si х-4, N и P 3-z, O и S 2–n, Н и Hal 1-y). Необходимо отметить, что если перечисленные элементы присутствуют в других степенях окисления, формула 13 может привести к неправильному результату. Если R - целое число, - ион нечетноэлектронный и, следовательно, может быть молекулярным; если R - дробь, ион четноэлектронный и молекулярным быть не может.

Третье необходимое условие позволяет проверить правильность выбора М+*на основании первичных фрагментных ионов. Обычно М+* легко отщепляет молекулы СО, СO2, Н2O, С2Н4, HHal; радикалы Alk*, H*, Hal*, ОН* и т.д. Следует помнить, что потери из М+* от 5 до 14 или от 21 до 25 а. е. м., приводящие к возникновению интенсивных пиков ионов, крайне маловероятны. Если в спектре такие пики все же присутствуют, пик М+*, по-видимому, выбран неверно или в образце имеются примеси. Например, если в масс-спектре чистого соединения самый тяжелый ион имеет массу 120, а следующий за ним 112, ион 120 не молекулярный, а фрагментный, то есть в данном случае М+* нестабилен и не регистрируется в спектре.

Четвертое условие также достаточно очевидно. Проиллюстрировать его можно следующим примером. Если где-нибудь в средней части спектра чистого соединения (например, в области m/z 100-200) отчетливо проявляются пики с изотопным соотношением, характерным для брома, хлора и т.д., а кандидат в М+* в области m/z 300-400 явно не содержит таких атомов, это не молекулярный ион.

 Определение элементного состава ионов на основании изотопных пиков. Как уже отмечалось выше, масс-спектрометрия высокого разрешения способна определить точный элементный состав ионов. Однако благодаря тому, что большинство химических элементов имеет несколько стабильных изотопов, элементный состав ионов можно с определенной степенью надежности установить по обычным (низкого разрешения) спектрам. Проявление присутствия изотопов можно наглядно продемонстрировать спектрами сероуглерода, этил-хлорида и этилбромида (рис. 19).

Вывод о том, что ионы с массами 76, 64 и 108 связаны с потерей двух атомов водорода из молекулярного иона, неверен. На самом деле именно эти три иона являются молекулярными, а более тяжелые (+2 Да) ионы обусловлены более тяжелыми природными изотопами атомов серы 34S, хлора 37Сl и брома 81Вг, соответственно. Определение элементного состава соединения следует начинать с пика М+2. Необходимо учитывать, что в присутствие в молекуле нескольких атомов (А+2)-элементов в спектре могут появиться интенсивные пики М+4, М+6 и т.д. Существует простое правило для проверки наличия в составе основных (М+2)-элементов. Если интенсивность пика М+2 составляет менее 3% от интенсивности пика М, соединение не содержит атомов хлора, брома, серы и кремния. Хлор, бром, сера и кремний легко детектируются масс-спектрометрически благодаря характерной для каждого элемента мультиплетности сигнала. Приближенно можно считать, что в случае хлора отношение интенсивностей пиков А и А+2 составляет 3:1, а в случае брома 1:1. Наличие двух и более атомов (А+2)-элемента в составе иона вновь дает уникальное соотношение изотопных пиков в мультиплете, благодаря которому природа и количество (А+2)-элементов может быть легко установлены. Ион, содержащий n атомов (А+2)-элемента, будет характеризоваться n + 1 пиками, отстоящими друг от друга на 2 а. е. м. Интенсивность этих пиков можно рассчитать по формуле биноминального, где a и b - природное соотношение изотопов соответствующего элемента (для Cl 1 и 0,325; для Вr 1 и 0,98; для S 1 и 0,044), а n - число таких атомов в ионе. Например, если ион содержит 4 атома хлора, интенсивность пика А+4 (третьего в мультиплете) по отношению к А составит 4.3.12.0,3252/2 = = 0,635, то есть 63,5%. Для упрощения вычислений удобно пользоваться округленными значениями распространенности изотопов в природе (для О 3:1, для Вr 1:1, для S 25:1). Например, для соединения с тремя атомами хлора будут наблюдаться 4 пика ионов: М, М+2, М+4 и М+6 с относительными интенсивностями (3+1)3 = 27+27 + 9 + 1.

Рис. 19. Масс-спектры сероуглерода (а), этилхлорида (б) и этилбромида (в)

Если в ионе имеется два разных (А+2)-элемента, расчет интенсивностей сигналов в мультиплете осуществляется с помощью матричного перемножения. Например, для дибромдихлорбензола С6Н2Cl2Вr2 в мультиплете (без учета изотопов углерода) будет 5 сигналов, отстоящих друг от друга на 2 а. е. м. Расчет интенсивностей внутри этого мультиплета можно провести следующим образом: два атома хлора (3+1)3 дадут триплет с соотношением 9:6:1; два атома брома (1+1)2 дадут триплет с соотношением 1:2:1.

 Азотное правило. Для большинства элементов, входящих в состав органических соединений, имеется случайное, но очень удобное для масс-спектрометристов, соответствие между валентностью и массой наиболее распространенного изотопа: либо оба числа четные, либо - нечетные. Важнейшим исключением является азот. Так появилось азотное правило, кажущееся, на первый взгляд, весьма странным: если соединение содержит четное число атомов азота или азота в составе нет, его молекулярная масса четная; если число атомов азота нечетное, молекулярная масса тоже нечетная. Правило применимо не только к молекуле и молекулярному иону, но и к фрагментным ионам. В этом случае оно формулируется следующим образом: нечетноэлектронный ион имеет четную массу, если содержит четное число атомов азота; четноэлектронный ион имеет четную массу, если содержит нечетное число атомов азота. Азот является (А+1)-элементом, причем природная распространенность изотопа 15N составляет примерно 0,4% от 14N. Поскольку помимо азота только углерод вносит значимый вклад в интенсивность пика А+1, пользуясь различиями в интенсивностях изотопов 13С и 15C и азотным правилом, можно оценить число атомов азота в молекуле. Для расчета интенсивностей изотопных пиков, обусловленных присутствием в молекуле атомов азота, можно использовать формулы, аналогичные представленным для случая углерода. В общем виде интенсивность пика А+m (в % к пику А) для соединения содержащего n атомов азота, определяется по формуле

I(%) = 100Cmn(0,037)m .     (14)

Когда установлена природа и количество (А+2) и (А+1)-элементов в молекуле, несложно сделать аналогичные заключения и о моноизотопных элементах. Эти элементы имеют специфические массы, поэтому их определение обычно не вызывает затруднений. Следует помнить, что установление элементного состава по изотопным пикам может оказаться проблематичным, если, например, в образце были примеси с массами ионов в области кластера молекулярного иона исследуемого соединения. Для веществ с основными функциями (например, аминов) даже в спектрах ЭУ зачастую присутствует пик иона [М+Н]+, искажающий изотопную картину. Необходимо также учитывать, что интенсивности пиков в реальных условиях подвержены незначительным колебаниям от спектра к спектру. Для установления точного соотношения изотопных пиков лучше всего записать несколько спектров и усреднить результаты.

 Определение содержания изотопа 13С в природных образцах. Круговорот углерода в природе осуществляется с участием углеродсодержащих соединений атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы. Существует определенная разница в содержании изотопа углерода 13С между соединениями. Для оценки отклонения содержания изотопа 13С от среднего значения используется шкала δ‰. Отклонение рассчитывается по уравнению

  (15)

где индексы о и s означают соотношение изотопов углерода в образце и в стандарте. В качестве нулевой точки был выбран карбонатный материал литосферы. Наиболее близкую к этому значению величину (1,95‰) имеет стандартный образец NBS-19. Существует ряд других стандартных образцов. Например, NBS-22 нефть-(29,74‰), NBS-18 карбонат кальция-(5,01‰). Обычно величины δ13С для растений лежат в диапазоне (-15‰) - (-30‰), для нефти - (-20‰)-(-36‰). Наиболее обеднен изотопом 13С атмосферный метан: δ13С≈47‰. Для точного определения δ13С образец сжигают до СО2 и замеряют интенсивности пиков ионов с m/z 44, 45, 46, после чего проводят корректировку для устранения вклада изотопа 17О. При использовании магнитного анализатора и трех детекторов для каждой массы (44, 45, 46) можно получить результаты с относительным стандартным отклонением до 0,001%. Точность измерения и использование шкалы δ13C позволяют получать достаточно интересные результаты. В частности, анализ останков дает возможность различить древних европейцев и американцев. Дело в том, что в Европе основным пищевым продуктом была пшеница, а в Америке - кукуруза. Различие в изотопном составе этих растений составляет несколько единиц по шкале δ13С.

Расчет изотопной чистоты соединений. Масс-спектрометрия предоставляет отличную возможность оценить число тяжелых изотопов в молекуле. Химик сталкивается с такой задачей довольно часто, например, изучая механизмы реакций. Обычно, синтезируют образцы, обогащенные изотопами 2Н, 13С, 14С, 15N, 18O, хотя используют изотопы и других элементов. Определять содержание меченых молекул в образце лучше всего по спектрам электронного удара, поскольку в этом случае не идут ионно-молекулярные реакции. Для расчетов можно использовать наиболее интенсивные пики в спектре, обусловленные ионами с максимальными величинами m/z. Оптимальным кандидатом является молекулярный ион. Однако если в спектре немеченого соединения присутствуют значимые пики ионов [М+Н]+ или [М-Н]+, расчет будет затруднен. Иногда это препятствие можно обойти. Для устранения пиков ионов [М+Н]+ необходимо постараться записать спектр с минимально возможным напуском образца. Для учета вклада ионов [М-Н]+ необходимо знать, из какого положения молекулы отщепляется атом водорода и может ли в этом положении оказаться атом дейтерия. При проблематичном ответе на эти вопросы можно попытаться поработать с ионом точно известного состава, например [М-СН3]+, [М-СО]+, [М-Cl]+, при этом важно, чтобы рядом с выбранным ионом не было иона другого состава с массой на 1-2 Да легче или тяжелее.

Фрагментные ионы. Когда получена исчерпывающая информация о молекулярном ионе, следует перейти к рассмотрению фрагментных ионов. Как уже отмечалось выше, фрагментные ионы можно разделять на перегруппировочные и осколочные, однако для интерпретации масс-спектра полезно пользоваться также другой классификацией. Все важнейшие фрагментные ионы можно разделить на три вида:

1. Наиболее тяжелые ионы, образующиеся из М+* в результате выброса простейших частиц, то есть без существенной перестройки структуры исходной молекулы.

2. Ионы, характеризующиеся наиболее интенсивными пиками в спектре.

3. Характерные серии ионов, различающихся на гомологическую разность, то есть на 14 а. е. м.

Необходимо учитывать, что интенсивности пиков фрагментных ионов первого и третьего типов могут быть незначительными. Очень важно научиться не пропускать их.

Гомологические серии ионов. Если индивидуальные пики ионов с большими массами важны для установления начальных характеристичес-ких путей фрагментации лабильных групп, то гомологические серии ионов с низкой массой несут информацию о наличии гетероатомов, степени ненасыщенности и в конечном итоге принадлежности соединения к тому или иному классу. Для таких ионов (как правило, четноэлектронных) значительно проще установить элементный состав, чем для более тяжелых, для которых могут существовать сотни изобарных составов. Следует подчеркнуть, что в спектре, например, алифатического спирта наблюдаются и алкановая (29, 43, 57...), и алкеновая (27, 41, 55), и спиртовая (31, 45, 59...) серии. Алкановая серия присутствует в масс-спектре любого соединения, содержащего алкильную группу. В случае изобарных серий (например, алканы и кетоны) следует обращать внимание на интенсивность изотопных пиков. Так, для изобарных ионов с массой 43 (составы СН3СО и С3Н7) интенсивность изотопного пика с массой 44 составит 2,2% и 3,3%, соответственно. Еще проще обстоит дело с (А+2)-элементами: в спектре проявляются две серии характеристических ионов за счет изотопов А и А+2. Если степень ненасыщенности молекулы или количество функциональных групп в ней велики, значимые серии ионов с низкой массой, отстоящих друг от друга на СН2-группу, в спектре отсутствуют. Хорошим примером могут служить алкилбензолы. В области низких масс гомологическая серия отсутствует, хотя характеристические ионы имеются. Ароматическая серия все же наблюдается, хотя она сдвинута в область более высоких масс. Если алкильная группа связана с заместителем с высокой ЭИ, в спектре возникает (иногда достаточно интенсивная) серия нечетноэлектронных ионов общей формулы СnH2n+.

 Выбросы простейших нейтральных частиц. Самые простые, но важные заключения можно сделать на основании выбросов нейтральных фрагментов из М+*. В результате этих процессов возникают ионы с большой массой: [М-1]+, [М-15]+, [М-18]+*, [М-20]+* и т.д. Например, интенсивный сигнал иона [М-Н]+ означает не только наличие лабильного атома водорода, но и отсутствие других лабильных групп в этом положении. В области высоких масс важны практически все пики, даже если их интенсивность ниже 1%. Эти ионы очень важны и для подтверждения правильного определения молекулярного иона.

Наиболее интенсивные пики в спектре. Извлечение информации из наиболее интенсивных в спектре пиков иногда оказывается достаточно сложным делом. Регистрация пика иона с конкретной целочисленной величиной m/z не дает однозначного определения его состава. Даже использование масс-спектрометрии высокого разрешения для определения элементного состава иона не является методом установления его структуры, поскольку он может образоваться прямо из М+* с минимальным искажением исходной структуры или в результате ряда перегруппировочных процессов. Например, интенсивный пик иона с m/z 30 не дает права однозначно приписать вещество к первичным аминам, так как этот ион легко образуется и из вторичных, и из третичных аминов при достаточной длине их алкильных радикалов. Однако если незначительные по интенсивности пики можно проигнорировать без особого ущерба для результата процесса интерпретации, состав ионов, характеризующихся максимальными пиками, желательно установить однозначно. Они, как правило, приводятся в схеме фрагментации, отражающей основные направления распада анализируемого соединения. Эти ионы могут характеризоваться большой массой и теоретически иметь много возможных изобарных составов. Поэтому для установления их состава может понадобиться масс-спектрометрия высокого разрешения, а также получение спектров родительских и дочерних ионов.

 Использование для интерпретации дополнительной масс-спектральной информации. Зачастую оказывается, что обычного спектра электронного удара недостаточно для установления структуры вещества. В этом случае необходимо использовать другие возможности масс-спектрометрии. Например, отсутствие пика молекулярного иона в спектре электронного удара может потребовать получение. Не следует также слепо использовать таблицы, приводимые в масс-спектрометрической литературе, связывающие величину m/z регистрируемого пика со структурным фрагментом молекулы. Такие таблицы могут быть полезными, но пользоваться ими надо с осторожностью. Например, регистрация иона С2Н3О+ часто интерпретируется в таблицах как ацетильный фрагмент (СН3СО), при этом вещество относится к метилкетонам. Однако фрагментный ион СН3СО+ возникает в процессе фрагментации (перегруппировка Мак-Лафферти) многих кетонов с достаточной длиной алкильной цепи. Тем не менее некоторые специфические ионы, характеризующиеся интенсивными пиками в спектрах, сразу наводят на мысль об определенной структуре: m/z 77 -фенил, m/z 91 - тропилий бензил, m/z 30 - аминогруппа CH2NH2, m/z 105 -бензоил PhCO. Доминирующий в спектре пик иона с m/z 149 практически наверняка означает принадлежность исследуемого соединения к диалкилфталатам. Кстати, эти соединения, широко используемые во всем мире в качестве пластификаторов при производстве пластмасс, оказались достаточно стабильными и в настоящее время являются приоритетными загрязняющими веществами в окружающей среде. Фталаты, таким образом, очень часто оказываются примесями, порой весьма неожиданными, в самых различных образцах. Работая в режиме хроматомасс-спектрометрии, оператор часто сталкивается с хромато-графическими пиками, характеризующимися спектрами, в которых доминируют пики ионов с массами 73, 147, 207, 281, 355 и т.д. Этот набор обусловлен выбросами фрагментов наиболее распространенных полидиметил-силиконовых фаз хроматографической колонки в источник масс-спектрометра. После извлечения всей возможной информации из масс-спектра надо попытаться скомпоновать наиболее вероятную структуру. Если есть основания заранее предполагать какую-либо структуру, необходимо попытаться нарисовать теоретически возможные пути ее распада и сопоставить с полученным спектром.

 Библиотеки масс-спектров. В настоящее время издано большое число атласов масс-спектров (в подавляющем большинстве спектры электронного удара), однако значительно удобнее пользоваться компьютерными библиотеками. На сегодняшний день существуют две основные коммерческие библиотеки масс-спектров: Wiley и NIST. Библиотеки содержат именно спектры электронного удара, поскольку максимальное число образцов анализировалось и анализируется в настоящее время именно этим методом. Интенсивная фрагментация позволяет проводить более надежное сравнение спектров, тогда как спектры химической ионизации или полевой ионизации характеризуются всего лишь несколькими пиками. Еще одним достоинством электронного удара являются стандартные условия регистрации спектра. Проблема пиков примесей в спектре соединения, снятого с помощью прямого ввода, может быть преодолена с помощью хроматомасс-спектрометрии. Достаточно очевидна важность масс-спектрометрии высокого разрешения, поскольку информация о точном элементном составе молекулярного и фрагментных ионов имеет первостепенное значение. Менее ясна, на первый взгляд, необходимость использования спектров метастабильных ионов и спектров активации соударением. Эти две техники позволяют, прежде всего, получить чистый спектр вещества, лишенный накладок со стороны различных примесей. Кроме того, они дают возможность точно установить направления распада, связывая конкретные родительские и дочерние ионы. Эти виды спектров могут предоставить определенную информацию и о структуре ионов. Например, тот факт, что в спектрах сульфонов имеются пики ионов с массами [90+R]+ и [104+R]+, образующихся непосредственно из молекулярного иона, однозначно свидетельствует о его трансформации до распада с образованием новой С-С связи между атомами углерода малого цикла и второго ароматического ядра. В этом случае циклопропановая группа, обладающая наименьшей ЭИ, и, следовательно, несущая в электронно-невозбужденном состоянии заряд и неспаренный электрон, атакует по нуклеофильному или радикальному механизму второе ароматическое ядро. Иногда никакие варианты съемки масс-спектра не позволяют однозначно установить структуру интересующего иона. В этом случае реальную помощь могут принести масс-спектры изотопных аналогов анализируемого соединения. Этот подход успешно используется и в других физико-химических методах, а также в классической органической химии. В качестве примера использования изотопных аналогов для решения масс-спектрометрических вопросов можно привести следующий эксперимент. Ионы [M-N2]+ диазокетонов распадаются по ряду направлений, которые требуют их предварительной изомеризации в другие структуры, прежде всего, пирановую или кетеновую. Для выбора одной из двух альтернативных структур пришлось синтезировать дейтерированный аналог (три атома водорода метильного радикала сложноэфирной группы были заменены на атомы дейтерия). Дело в том, что одним из путей распада иона [M-N2]+ является выброс метильной группы. Поскольку в составе диазокетонов радикалы R также представляли собой метальные группы, необходимо было установить, какая именно группа отщепляется из [M-N2]+. Спектр дейтерированного аналога показал, что элиминируется именно метильная группа сложноэфирной функции. На этом основании предпочтение было отдано пирановой структуре. Алкильная группа не может отщепиться из того положения в кетеновой структуре, тогда как для гетероциклической структуры такой процесс, напротив, весьма благоприятен.

Схема фрагментации. Заканчивается процедура работы со спектрами составлением схемы фрагментации. Эта схема должна отражать основные характеристические направления распада молекулярного иона, а также состав фрагментных ионов, по возможности, их структуру, взаимосвязь этих ионов друг с другом, а иногда интенсивности их пиков. Невозможно разместить на схеме все ионы, пики которых наблюдаются в спектре. Многие из них не несут никакой принципиальной химической информации, а в многообразии представленных реакций можно потерять действительно важные характеристики данного соединения. Нет смысла приводить также тривиальные фрагменты. Например, в спектре любого сложного ароматического соединения будут присутствовать пики с m/z 77 или 76, обусловленные бензольным ядром. Пики этих ионов могут иметь высокую интенсивность, однако они (ионы) не раскрывают своеобразия исходной молекулы и могут образоваться практически из любого фрагмента с большей массой. Поэтому необходимо включать в схему важные для групповой или индивидуальной характеристики фрагментные ионы. Очень важно не забыть ионы, пики которых наиболее интенсивны в спектре, однако важную информацию могут нести первичные осколочные и перегруппировочные ионы, пики которых имеют низкую интенсивность. Для того чтобы схема была достоверной, элементные составы всех представленных ионов должны быть однозначно доказаны, а все направления фрагментации подтверждены спектрами метастабильных ионов или активации соударением. Иногда это отмечается непосредственно на схеме звездочкой над стрелкой, связывающей два иона. Изображение на схеме структур ионов в большинстве случаев не совсем корректно. Обычно пользуются принципом наименьших структурных изменений и стараются, насколько это возможно, сохранить структуру исходной молекулы, последовательно отрывая от нее конкретные фрагменты.  Более корректно ограничиться брутто-формулой. Иногда авторы в своем исследовании пытаются установить именно структуры ионов, которые, кстати, могут существенно отличаться от структуры исходной молекулы. В этом случае приведенные структуры обсуждаются в тексте особо, приводятся аргументы и, возможно, результаты дополнительных экспериментов, на основании которых сделан выбор в пользу приводимой структуры. Если речь идет о схеме фрагментации индивидуального соединения, удобно прямо на схеме рядом со значением m/z привести интенсивность пика иона в процентах от максимального пика в спектре или от полного ионного тока. Однако часто схема фрагментации отражает характерные направления распада для группы родственных соединений. В этом случае оптимальным вариантом является буквенная маркировка иона на схеме непосредственно под брутто-формулой или структурой иона, а количественные результаты (относительные интенсивности характеристических фрагментных ионов) приводятся в таблице, которая сопровождает схему. Для обозначения фрагментных ионов используют прописные (А, В, С...) или строчные (a, b, с...) латинские буквы.

3.2. Типы масс-спектрометрических приборов и метрологические выкладки

Магнитный масс-спектрометр. Является основным масс-спектрометрическим прибором, принцип работы которого остается неизменным. Ионный пучок, сфокусированный и ускоренный электрическим полем в ИИ, попадает в постоянное магнитное поле, линии  которого перпендикулярны направлению движения ионов.    Рассмотрим движение положительных ионов H2O+, O2+, CO2+. Ион, имеющий большую массу (CO2+), имеет более пологую траекторию R2, а меньшую (H2O+) – сильнее отклоняется силой Лоренса (окружность с радиусом R1).           Рассмотрим движение однозарядного (е) положительного иона массой m. В ускоряющем электрическом поле от приобретаем энергию

                              .                            (16)

Так как , то на ион действует сила Лоренца

(, т.к. ), которая сообщает иону центростремительное ускорение. Согласно второму закону Ньютона

,                           

, откуда

, (из , )

,

,  .               (17)

Если, не меняя положение коллектора, плавно менять ускоряющее электростатическое напряжение U или магнитную развертку B (чаще меняют), то можно выводить на щель коллектора все составляющие ионного пучка , , … При электрометрическом способе записи ионных токов с синхронной разверткой модуля вектора В получают систему пиков характеризующих ионы по массе.

Обычно результаты эксперимента представляют в виде графика зависимости , где максимальное значение I принято за 100%.

Например, масс-спектр серебра.

Масс-спектр паров NaF:

Na+ – 100% – 23

F+ – 1% – 19

NaF+ – 5% – 42

Na2F+ – 30% – 65.

Однако, при ионизации электронами ~ 100 эВ наряду с молекулярными ионами появляются осколочные ионы (в результате диссоциативной ионизации), что приводит к перекрыванию масс-спектров и появлению диффузионных пиков – которые не соответствуют определенному иону и должны расшифровываться.

Расчет диффузионных пиков. Пусть молекулярный ион AB+(m), ускоренный электрическим полем   в   ИИ,   перед   анализатором   распадается   на   А+   (m1)   и В (m2=m-m1).

.      (18)

Пренебрегая выделяющейся при распаде энергией можем записать (скорость осколков при этом будет одинакова)

 (19)

При этом радиус траектории ионов АВ+ запишется

,    (20)

а для осколков ионов, т.к. их скорость равна тоже

  

из второго закона Ньютона

, (21)

где  - эффективная масса нормального (диффузионного) иона.

Характеристики масс-спектрометров:

Фокусировка по направлению – уменьшение расходимости ионного пучка магнитным полем в области регистрации ионных токов. Является важной характеристикой для увеличения разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометра. Пусть угол расхождения пучка 2α , т.е. .

Ошибка фокусировки – длина отрезка АВ.

, (22)

т.к. А ~ α2 и α мало, то для 2 (2 = 0,035 рад)  .

Разрешающая сила – способность масс – спектрометра разделить пики ионов с массами m и m + Δm .

Способность разделить определяется тем, что в минимуме между пиками ионный ток не превышает 10% от полного. Критерий Релея для двух спектральных линий.         Разрешающая сила характеризуется минимальной разностью Δm при которой пики m и m + Δm разделены и определяется выражением

,   (23)

R – радиус траектории входа и выхода, S1, S2 – ширина соответствующих щелей на входе и выходе анализирующей части масс-спектра, δ – уширение ионного пучка из-за неоднородности  и нестабильности U.

Пример:  значит разделит массы 230 и 231. Низкое разрешение ≤ 2000, высокое  ≥ 10000.

Уменьшение влияния магнитного поля на ионы в ИИ и в коллекторе добиваются а масс-спектрометрах секторального типа (полюса магнита в виде сектора). (Рис первый на стр 21)

Основной недостаток, уменьшающий разрешение в магнитных масс-спектрах, это разброс ионов по энергиям.

Для исправления этого недостатка пользуются двойной фокусировкой. При этом разрешение возрастает до 30000 (а то и до 106).

Чувствительность – определяется минимальной массой (или минимальным давлением паров ~ 10-6 Па) вещества, которое регистрируется масс-спектрометром.

Для получения масс-спектра достаточно несколько нанограммов (1нг = 10-12кг) вещества и давления 10-14 Па.

Недостатки магнитных масс-спектрометров: громоздкость, большая масса, большое время изменения ограничения по массе.

Динамические масс-спектрометры:

Времяпролетный

ИИ дает короткие импульсы ионов, которые ускоряются импульсным электрическим полем 0,01 мс.

Каждый ион приобретает одинаковую энергию

.    (25)

Если до датчика расстояние L, то время пролета иона

   (26)

зависит от массы.

Синхронизируя импульсы ИИ и срабатывание датчика (детектора), можно измерять время пролета разных ионов и определять их массы. Используя осциллограф вместо датчика, можно измерять ионные токи, т.е. количество ионов.

Период следования импульсов ИИ много больше, чем время пролета самого тяжелого иона. Rмс ~ несколько 1000. Весь спектр за 10-3 с. Массы неограниченны.

Квадрупольный масс-спектрометр.

На электроды оси X подается напряжение – (U + U0 cos ωt), по Y   –  + (U + U0 cos ωt) (Рис.3 на стр 22)

Точность установки электродов до 1 мкм. Длина квадруполя 0,2 – 1 м. Задавая ω и напряжения U и U0 можно использовать квадруполь как фильтр масс – ионы, у которых амплитуда колебаний неограниченно возрастает, осаждаются на электродах, а другие доходят до детектора.

Спектрометр ион-циклотронного резонанса:

При попадании иона в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции  от движется по окружности с периодом

.    (27)

Из второго закона Ньютона

  (28)

период обращения частота обращения , т.е. T и ω0 не зависят от кинетической энергии частицы (eU), а зависят от m и B.

Если ион вылетает из ИИ под углом к магнитному полю, а не вдоль силовых линий, то время, за которое ион проходит какое-то расстояние возрастает, например, с 1 мс до 5 – 10 мс.  

Если приложить переменное электрическое поле перпендкулярно силовым линиям магнитного поля, то на частотах ω = ω0 будет возникать резонансное поглощение энергии вследствие циклотронного эффекта раскручивания траектории иона.

Определяется функция зависимости поглощения энергии от m. Для такого спектрометра не требуется низкое давление, так как от изменения скорости при сталкивании частиц ω0 не изменяется. Отрицательные ионы тоже регистрируются (только вращаются они в другую сторону).

Заключение

Разработка новых лекарственных средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ.        Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков — бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая безопасность страны более надёжна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному виду и качеству. А анализ нефти и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле.     В эпоху «химизации сельского хозяйства» весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека.   Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для здоровья человека действие в предельно низких концентрациях). Примером является хорошо известный диоксин.   Существование ядерной энергетики немыслимо без масс-спектрометрии. С её помощью определяется степень обогащения расщепляющихся материалов и их чистота.     Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия, биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Список литературы

Неволин В. К. Основы туннельно-зондовой технологии / В. К. Неволин, – М.: Наука, 1996, – 91 с.

Кулаков Ю. А. Электронная микроскопия / Ю. А. Кулаков, – М.: Знание, 1981, – 64 с.

Володин А.П. Сканирующая микроскопия / А. П. Володин, – М.: Наука, 1998, – 114 с.

Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров / Под редакцией И. В. Яминского, – М.: Научный мир, 1997, – 86 с.

Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В. Миронов, – М.: Техносфера, 2004, – 143 с.

Рыков С. А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов / С. А. Рыков, – СПБ: Наука, 2001, – 53 с.

Быков В. А., Лазарев М. И. Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности / В. А. Быков, М. И. Лазарев // Электроника: наука, технология, бизнес, – 1997, – №5, – с. 7 – 14.

8.Кузько А.Е. Лекции по ФМИвХ// ЮЗГУ – 2012 – с. 14 – 19.

PAGE   \* MERGEFORMAT 4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45684. Понятие и основные хар-ки МК 62.5 KB
  В понимании МК наблюдается тенденция сведения её к СМИ или СМК это обусловлено законом РФ О СМИ. В законе эти средства названы СМИ на практике чаще используется термин СМК. Под этот тип подпадают все СМК работающие без обратной связи с аудиторией. При линейной коммуникации активность участников различна: коммуникатор проявляет свою активность через СМК а реципиент пассивно воспринимает информацию.
45685. Аудитории коммуникации: история, типология, основные подходы 40.5 KB
  А. современного медиа-рынка – совокупность корыстно действ.потребителей, которые платят своим селективным вниманием за тот/иной инф.продукт. Массовая аудитория (с возник. TV, PR). Характеризуется Блумер: рассредоточенность; члены не обязаны знать др.друга; строение меняется всё t; члены лишены чувства общей идентичности; из-за своих размеров и разнородностей не м.дествовать сама...
45687. Коммуникационный менеджмент. Задачи и функции коммуникационного менеджмента 33 KB
  Цель – достижение нового кач-ва развития орг-ции. Дб. Согласованный режим ком-ций, орг.как единая ресурсная система. Задача – согласование всех ком.потоков и направление ресурсного потока на достижение орг. Предмет – внутр.и внеш.ком-ции. Объект – орг-ция. Орг. – это группа людей, деят. кот.сознательно координируется и согласуется для достижения целей
45688. Модели межличностной коммуникации в организации. Критерии эффективности 34 KB
  Дисциплина и уважение Справедливое вознаграждение труда Корпоративность Подчиненность личных интересов общественным Разделение труда Полномочия и ответственность за принятие решений Единое направление деятельности Стабильность персонала Цель – рациональное взаимодействие сотрудников и инфраструктуры. Цель коммуникационного менеджмента – сплочение коллектива развитие личностных и профессиональных качеств сотрудников. Вовлечение сотрудников в формирование стратегических планов создание команд на основе мониторинга поддержка и защита...
45689. Норма современного русского языка. Толковые словари 43.5 KB
  Норма современного русского языка. Литературный язык – форма общенародного языка понимаемая говорящими как образцовая. Возникает как необходимость существования единого общеупотребительного общераспространенного языка на территории единого государства. Сейчас выделяют 8 сфер бытования языка: мертвый язык памятников письменности устный язык диалектов русский язык употребляемый в грамотной речи язык русского зарубежья неисконно русская речь повседневный русский язык и просторечия научнотехнический и профессиональный...
45690. Словари современного русского языка 34.5 KB
  Словари современного русского языка По функциям и цели создания толковые словари разделяются на дескриптивные и нормативные. Дескриптивные словари предназначены для полного описания лексики определенной сферы и фиксации всех имеющихся там употреблений. Дескриптивными по определению являются словари сленгов и жаргонов диалектные словари. По характеру толковые словари разделяются на общие и частные.