Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) - метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество (см.: ионизация). 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-спектрометр - это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, и необходимый для получения масс-спектра.

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.

Ионы бывают однозарядные и многозарядные, причём как органические, так и неорганические. Большинство небольших молекул при ионизации приобретает только один положительный или отрицательный заряд. Атомы способны приобретать более одного положительного заряда и только один отрицательный. Белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды.

Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав (см.: элементный анализ). Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул (см.: изотопный анализ).

В органических веществах молекулы представляют собой определённые структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс-спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом, можно получать данные о структуре вещества.

Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, - превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы - ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Вторым необходимым условием является перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).

В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жёсткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы.

Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс- спектрометрического анализа - сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:

1)непрерывные масс-анализаторы

2)импульсные масс-анализаторы

Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые - порциями, через определённые интервалы времени.

Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс спектрометры применяются, как правило, вместе с «мягкими» методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространёнными конфигурациями тандемных масс спектрометров являются квадруполь-квадрупольная и квадруполь-времяпролётная.

Детекторы

Итак, последним элементом описываемого нами упрощённого масс-спектрометра, является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него ещё большее количество электронов и т. д. Другой вариант - фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).

Хромато-масс-спектрометрия

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений. Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»).

Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС (англ. LC/MS). Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр - прибор для разделения ионизированных частиц вещества (молекул, атомов) по их массам, основанный на воздействии магнитных и электрических полей на пучки ионов, летящих в вакууме. Регистрация ионов в данном устройстве осуществляется электрическими методами.

Принцип работы.

Нейтральный атом не подвержен действию электрического и магнитного поля. Однако, если отнять у него или добавить ему один и более электронов, то он превратится в ион, характер движения которого в этих полях будет определяться его массой и зарядом. Строго говоря, в масс-спектрометрах определяется не масса, а отношение массы к заряду. Если заряд известен, то однозначно определяется масса иона, а значит масса нейтрального атома и его ядра.

Этап 1: Ионизация

Образование положительно заряженного иона, путем выбивания одного или нескольких электронов из атома (масс-спектрометры всегда работают с положительными ионами).

Данный метод принципиально отличается от рассмотренных выше спектроскопических методов. Структурная масс-спектрометрия основана на разрушении органической молекулы в результате ионизации тем или иным способом.

Образующиеся ионы сортируются по величинам их отношения масса/заряд (m/z), затем регистрируется число ионов для каждого значения этого отношения в виде спектра. На рис. 5.1. представлена общая схема типичного масс-спектрометра.

Рис. 5.1. Блок-схема типичного масс-спектрометра

Для ведения пробы в масс-спектрометр обычно применяют какой-либо вид хроматографии, хотя во многих приборах есть возможность для прямого ввода образца в ионизационную камеру. Во всех масс-спектрометрах имеются устройства для ионизации пробы и разделения ионов по величине m/z. После разделения нужно детектировать ионы и измерять их количество. Типичный коллектор ионов состоит из коллимирующих щелей, которые направляют в коллектор в данный момент только ионы одного вида, где они детектируются, а сигнал детектирования усиливается электронным умножителем. Современные масс-спектрометры укомплектованы специализированным программным обеспечением: компьютеры контролируют накопление, хранение и визуализацию данных.

В настоящее время стала обычной практика объединения масс-спектрометра с газовым (ГХ-МС) или жидкостным (ЖХ-МС) хроматографом.

Все масс-спектрометры подразделяются на два класса: приборы низкого (единичного) и высокого разрешения (R). Спектрометры низкого разрешения – приборы, на которых можно разделить целые массы до m/z 3000 (R = 3000/(3000-2990) = 3000). На таком приборе соединения C 16 H 26 O 2 и С 15 Н 24 NO 2 неразличимы, поскольку прибор будет фиксировать и в первом и во втором случае массу 250.

Приборы высокого разрешения (R = 20000) смогут различить соединения C 16 H 26 O 2 (250.1933) и С 15 Н 24 NO 2 (250.1807), в этом случае R = 250.1933/(250.1933 – 250.1807) = 19857.

Таким образом, на приборах низкого разрешения можно устанавливать структурную формулу вещества, однако зачастую для этой цели дополнительно необходимо привлекать данные других методов анализа (ИК-, ЯМР-спектроскопия).

Приборы высокого разрешения могут измерять массу иона с точностью, достаточной для определения атомного состава, т.е. определять молекулярную формулу исследуемого вещества.

В последнее десятилетие происходило быстрое развитие и совершенствование масс-спектрометров. Не обсуждая их устройство, отметим, что они подразделяются по типам в зависимости от 1) способа ионизации, 2) метода разделения ионов. В общем, способ ионизации не зависит от метода разделения ионов и наоборот, хотя имеются исключения. Более полная информация по данным вопросам изложена в литературе [Сайнсб. Лебедев].

В данном пособии будут рассмотрены масс-спектры, полученные ионизацией электронным ударом.

5.2. Масс-спектры с ионизацией электронным ударом

Электронный удар (ЭУ, electron impact, EI) – наиболее распространенный метод ионизации в масс-спектрометрии. Преимуществом этого метода является возможность использования поисковых систем и баз данных (метод ЭУ был исторически первым методом ионизации, основные базы экспериментальных данных получены на приборах с ЭУ).

Молекула вещества пробы в газовой фазе подвергается бомбардировке электронов с высокой энергией (обычно 70 эВ) и выбрасывает электрон, образуя катион-радикал, называемый молекулярным ионом :

М + e → М + (молекулярный ион) + 2e

Наименьшая энергия бомбардирующих (ионизующих) электронов, при которой возможно образование из данной молекулы иона, называется энергией (или, менее удачно, «потенциалом») ионизации вещества (U e).

Энергия ионизации является мерой прочности, с какой молекула удерживает наименее сильно связанный с ней электрон.

Как правило, для органических молекул энергия ионизации составляет 9-12 эВ, поэтому бомбардировка электронами с энергией 50 эВ и выше сообщает избыточную внутреннюю энергию возникающему молекулярному иону. Эта энергия частично рассеивается за счет разрыва ковалентных связей.

В результате такого разрыва происходит распад молекулярного иона на частицы меньшей массы (фрагменты). Такой процесс называется фрагментацией .

Фрагментация происходит избирательно, является высоковоспроизводимой и характеристичной для данного соединения . Более того, процессы фрагментации предсказуемы, и именно они обуславливают широкие возможности масс-спектрометрии для структурного анализа. По-сути, структурный анализ методом масс-спектрометрии заключается в идентификации осколочных ионов и ретроспективном восстановлении структуры исходной молекулы, исходя из направлений фрагментации молекулярного иона. Так, например, метанол образует молекулярный ион по схеме:

О
дна точка – оставшийся нечетный электрон; когда заряд локализован на отдельном атоме, знак заряда указывается на этом атоме.

Многие из этих молекулярных ионов распадаются за время 10 -10 – 10 -3 с и дают ряд осколочных ионов (первичная фрагментация):

Если некоторые из молекулярных ионов имеют достаточно большое время жизни, то они достигают детектора и регистрируются в виде пика молекулярного иона. Поскольку заряд исходного иона равен единице, отношение m / z для этого пика дает молекулярную массу исследуемого вещества.

Таким образом, масс-спектр – это представление относительных концентраций положительно заряженных осколков (включая молекулярный ион) в зависимости от их масс .

В специальной литературе приводятся таблицы наиболее часто встречающихся фрагментных ионов, где указана структурная формула иона и его значение m/z [Преч, Гордон, Сильверстейн].

Высота наиболее интенсивного в спектре пика принимается за 100%, а интенсивности других пиков, включая пик молекулярного иона, выражаются в процентах от максимального пика.

В определенных случаях самым интенсивным может быть и пик молекулярного иона. В общем случае: интенсивность пика зависит от устойчивости образующегося иона .

В масс-спектрах часто присутствует серия пиков фрагментных ионов, различающихся на гомологическую разность (СН 2), т.е. 14 а.е.м. Гомологические серии ионов характерны для каждого класса органических веществ, а потому они несут важную информацию о структуре исследуемого вещества.

Навигация:

Масс-спектрометры используются с целью определения массовых долей в атомах (молекулах), в соответствии со способом передвижения ионов атомов в электрических и магнитных фонах.

Нейтральная часть не подвергается влиянию ни электрического, ни магнитного полей. Тем не менее, в случае если захватить у неё или добавить ей один и больше электронов, тогда она перевоплотится в ион, тип передвижения коего в данных фонах довольно предопределяется его весом и заряженностью. Более точно изъясняясь, в масс-спектрометрическом оборудовании обусловливается не количество массы, а ориентированность массовой части к заряду. В случае если резерв известный, тогда бесспорно обусловливается массовая ценность иона, а таким образом, множество переходных атомом и их ядер. Если рассмотреть составляющие масс-спектрометров более детально, то они могут весьма разниться между собой. В них возможно применение в равной мере, как статичных полей, так и меняющихся во временном диапазоне полей, магнитных либо электрических.

Оборудование масс-спектрометров имеет такие составные как:

• Гетерополярного излучателя, где переходные атомы реорганизуются в ионные составные (к примеру, пред влиянием СВЧ-полей или прогревом) и убыстряются электрическим полем;
• Обстоятельства постоянного электромагнитного поля;
• Приёмника ионов, раскрывающего месторасположение зон, в которых происходит формирование ионов, пересекших данные поля.

Масс-спектрометр

Хромато-масс-спектрометр

Концепция такого оборудования с комбинированным квадруполь-времяпролётным масс-спектрометром высокого разрешения с ионизацией при помощи электроспрея, предоставляет способ обнаруживать и предопределять как известные компоновки и их метаболиты, так и неизвестные компоновки в широком диапазоне масс с 15 вплоть до 41 000. Безусловно (лечебные препараты, наркотикосодержащие элементы, пестициды и др.), реализовывать совокупный анализ основных и следовых компонентов, определять настоящую изотопическую позицию с целью конкретного определения молекулярных формул. Изменяющийся промежуток при числовой оценке представляется больше четырёх порядков. Используется с целью числовой оценки синтезов. Приспособление обладает уникальными чертами: разрешающей перспективой более 41 000 FWHM, верностью определения молекулярной массы менее 0.8 ррm, высокой чувствительностью при максимальном разрешении. Высокая скорость определения данных – вплоть до 60 спектров в 1 секунду.

Хромато-масс-спектрометр

Научные сотрудники в процессе долгого времени разыскивали альтернативу магниту в свойстве масс-анализатора. В 1953 Вольфгангом Паулем, в будущем получившим Нобелевскую премию в сфере физики в 1989 г., было очерчено первое приспособление с квадрупольным анализатором. Развитие квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии. Магнитные масс-анализаторы требуют использования высоких напряжений (тыс. вольт), а квадрупольные - нет, и это упрощает их концепцию, минимальные размеры вакуумной части упрощают теорию образования вакуума. Масс-спектрометры стали меньше в размерах, сделались проще в эксплуатации и что наиболее существенно, значительно дешевле, чтобы открыть возможность использовать данный аналитический метод многочисленным пользователей. К минусам квадруполей относятся низкое разрешение и маленький верх максимальной детектируемой массы (м/z~4200). Тем не менее, современные масс-анализаторы предоставляют вероятность реализовывать детектирование ионов с соотношением м/z~350.

Принцип действия

Квадруполь представляет собой 4 синхронно и симметрично помещенных монополя (электроды абсолютного сечения). К электродам по парам в противоположной полярности подаётся предопределенное комбинирование постоянного и индуктивного напряжения.

Под влиянием небольшого убыстряющего напряжения (15-25 В), ионы вступают параллельно осям стержней электродов. Перед влиянием осцилирующего поля, предопределяемым электродами, они приступают перемещаться по осях х и у. При данном, отклонение колебаний возрастает без изменения ориентированности передвижения. Ионы, чьи амплитуды доходят высших значимостей, нейтрализуются при стычке с электродами. Крепкую амплитуду обретают только лишь эти ионы, чьи значения м/z будут давать ответ введенному соотношению U/V. Последнее предоставляет вероятность им свободно перемещаться в квадруполе и быть в конечном итоге детектируемыми. Аналогичным методом, масс-спектр закрепляется маршрутом взаимного изменения значимостей величин U и V.

Квадрупольный масс-спектрометр

Магнитный масс-спектрометр

В магнитных масс-спектрометрах с целью распределения ионов в масс-анализаторах, используют одинаковое магнитное поле. В этом случае перемещения форсирования ионов в электрической зоне и распределения их в магнитной, могут являться представлены количественно.

Магнитный масс-анализатор - устройство с целью пространственного и преходящего распределения ионов с различными значимостями отношения массы к заряду, применяющиеся с целью распределения магнитного поля.

Если заглянуть в историю развития такой аппаратуры, то начальным масс-анализатором был магнит. В согласовании с физическим законом, тенденция заряженных компонентов в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны пребывает в зависимости от массы компонентов.

Существуют различные геометрии магнитных масс-анализаторов, в каких измеряется либо радиус кривизны, либо магнитное поле. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение и могут использоваться с совершенно всеми видами ионизации. Несмотря на значительные плюсы теперешних перед прочими (высокое разрешение, большая надежность замеров и большой рабочий промежуток масс), они обладают 2-я основными изъянами - это оснащение велико, равно как в соответствии с размерами, так и согласно величине стоимости.

Магнитный масс-спектрометр

Это обычная разновидность масс-анализатора. Во времяпролетном масс-анализаторе ионы вылетают с источника и попадают в времяпролетную трубу, где не существует электрического поля (бесполевой момент). Пронесшись конкретный период, ионы закрепляются детектором ионов с прямой или почти прямой фиксирующей поверхностью. В 1955-1975 годах, в свойстве детектора ионов использовался второстепенный электрический умножитель, позже применялся составной детектор, использующий 2 или порой 3 постепенно пребывающих микроканальных пластинок.

Времяпролетный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы начисляются с источника ионов во времяпролетный компонент не беспрерывно, а порциями, при содействии установленных промежутков времени. Аналогичные масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбции, при содействии матрицы, подобным способом, равно как в данном методе ионизации, ионы помимо этого появляются не беспрерывно, а при каждом импульсе лазера.

Времяпролетный масс-спектрометр

Масс-спектрометры Agilent

Еще с незапамятных времен масс-спектрометр расценивают равно как превосходный детектор с целью газовой хроматографии. Полученные с помощью масс-спектрометрического детектора диапазоны, дают аналогичные данные о качественном составе контроля, которые не могут обеспечить прочие газохроматографические детекторы. Масс-спектрометрический детектор обладает большой восприимчивостью, кроме этого, он подавляет пробу, дает сведения о массе и распознаёт резче гомологи, чем изомеры.

Высоконадежные масс-спектрометры Agilent удовлетворяют максимально большим обстоятельствам и в высшей степени соответствуют решаемым задачам. В настоящий момент изготовители могут продемонстрировать линейки прецизионных современных масс-спектрометров для ГX и BЭЖX.

Масс-спектрометр Agilent

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Курсовая работа на тему
«Масс-спектрометрический метод анализа»

Выполнил: студент группы Х-202
Меньшенин А.Н.

Проверила: Данилина Е.И.

Челябинск
2007

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Основы масс-спектрометрии

Принципиальное устройство масс-спектрометра

Способы ввода образца

Механизмы ионизации

Протонирование

Депротонирование

Катионизация

Отрыв электрона

Захват электрона

Способы ионизации

Ионизация электроспрея (ESI)

1. Растворители для электроспрея

2. Устройство прибора ионизации электроспрея

Ионизация наноэлектроспрея (nanoESI)

Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)

Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

Лазерная десорбция/ионизация при помощи матрицы (MALDI)

3. Преимущества и недостатки метода лазерной десорбции/ионизации при помощи матрицы (MALDI).

Десорбция/ионизация на кремнии (DIOS)

Бомбардировка быстрыми атомами/ионами (FAB)

Электронная ионизация (EI)

Химическая ионизация (CI)

Сравнение основных характеристик способов ионизации

Анализаторы масс

Анализ масс

Краткий обзор принципов работы анализаторов

Рабочие характеристики анализаторов

4. Точность

5. Разрешение (разрешающая сила)

6. Диапазон масс

7. Тандемный анализ масс (MS/MS или MS n)

8. Скорость сканирования

Конкретные виды анализаторов

Квадрупольный анализатор

Квадрупольная ионная ловушка

Линейная ионная ловушка

9. Ограничения ионной ловушки

Двуфокусирующий магнитный сектор

Квадрупольная-времяпролётная тандемная масс-спектрометрия

10. MALDI и времяпролётный анализ

Квадрупольная времяпролётная масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием (FTMS)

Общее сравнение анализаторов масс, обычно используемых совместно с ES

Детекторы

Электронный умножитель

Цилиндр Фарадея

Фотоумножитель с преобразующим динодом

Матричный детектор

Зарядовый (индуктивный) детектор

Общее сравнение детекторов.

Вакуум масс-спектрометра

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Масс-спектрометрию описывали как мельчайшие весы в мире, не из-за размера масс-спектрометра, но из-за того, что он взвешивает – молекулы. За последнее время масс-спектрометрия претерпела потрясающий технологический подъём, позволяющий применять её для белков, пептидов, углеводов, ДНК, лекарств и многих других биологически активных молекул. Благодаря таким способам ионизации, как ионизация электроспрея (ESI) или лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI), масс-спектрометрия стала незаменимым инструментом для биохимических исследований.

Основы масс-спектрометрии

Масс-спектрометр определяет массу молекулы, измеряя отношение массы к заряду (m / z ) её иона. Ионы генерируются при потере или получении заряда нейтральными частицами. После образования ионы электростатически направляются в анализатор массы, где они разделяются соответственно своему m / z и, наконец, детектируются. Результатом ионизации молекул, разделения ионов и детектирования ионов является спектр, по которому можно определить молекулярную массу и даже некоторую информацию о строении вещества. Можно провести аналогию между масс-спектрометром и призмой, как показано на рис. 1.1 . В призме свет разделяется на компоненты по длинам волн, которые затем определяются оптическим рецептором. Точно так же, в масс-спектрометре сгенерированные ионы разделяются в анализаторе массы, подсчитываются и определяются в детекторе ионов (таких, как, например, электронный умножитель).

ции, анализатор массы и детектор ионов. Некоторые приборы комбинируют ввод образца и ионизацию, в других объединены анализатор массы и детектор. Однако все молекулы образца претерпевают одинаковые воздействия независимо от конфигурации прибора. Молекулы образца вводятся через систему впуска. Попав внутрь прибора, молекулы преобразуются в ионы в устройстве ионизации, а затем электростатически переносятся в анализатор массы. Ионы затем разделяются соответственно их m / z . Детектор преобразует энергию ионов в электрические сигналы, которые затем поступают в компьютер.

Способы ввода образца

Ввод образца был одной из первых проблем в масс-спектрометрии. Для проведения анализа масс образца, который первоначально находится при атмосферном давлении (760 Торр), он должен быть введён в прибор таким образом, чтобы вакуум внутри последнего остался практически неизменным (~10 -6 Торр). Основными методами ввода образца являются прямое введение

зонда или подложки, обычно используемое в MALDI-MS, или прямое вливание или впрыскивание в устройство ионизации, как в методе ESI-MS.

Прямое введение : использование прямого введения зонда/подложки (рис. 1.3 ) – очень простой способ доставки образца в прибор. Образец сначала размещается на зонде, а затем вводится в ионизационную зону масс-спектрометра, обычно через вакуумный клапан. Образец после подвергается необходимым процедурам десорбции, таким как лазерная десорбция или прямое нагревание, чтобы обеспечить испарение и ионизацию.

Прямое вливание или впрыскивание : простой капилляр или капиллярная колонка используется для помещения образца в газообразной форме или в растворе. Прямое вливание также удобно, потому что оно позволяет эффективно вводить малые количества вещества в масс-спектрометр без нарушения вакуума. Капиллярные колонки обычно используются для разграничения систем разделения и устройства ионизации масс-спектрометра. Эти системы, включая газовую хроматографию (ГХ) и жидкостную хроматографию (ЖХ), также служат для разделения различных компонентов раствора, важных для анализа масс. В газовой хроматографии разделение различных компонентов происходит в стеклянной капиллярной колонке. Как только пары образца покидают хроматограф, они направляются прямиком в масс-спектрометр.

В 1980-х годах невозможность совместного использования жидкостной хроматографии (ЖХ) с масс-спектрометрией была обусловлена, большей частью, неспособностью устройств ионизации справляться с непрерывным по-

током ЖХ. Однако, ионизация электроспрея (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) сейчас позволяют совмещать ЖХ и масс-спектрометрию в повседневных анализах.

Механизмы ионизации

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. Спектр отрицательных ионов сиаловой кислоты показан на рис 1.2 .

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. Также известно, что он часто приводит к образованию значительных количеств фрагментарных ионов.

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.

МАСС-СПЕКТРОМЕТР - прибор для разделения ио-низов. частиц (атомов, молекул, кластерных образований) по их массам (точнее, по отношению массы иона m к его заряду е )путём воздействия магн. и электрич. полей, а также для определения их масс и относит, содержания, т. е. спектра масс. M.-с. включает: систему подготовки и ввода вещества в прибор (рис. 1);

Рис. 1. Блок-схема масс-спектрометра (пунктиром обведена вакуумированная часть прибора).

источник ионов, где это вещество частично ионизуется и осуществляется формирование ионного пучка; масс-анализатор, в к-ром происходят разделение ионов по величинеи фокусировка ионов, вылетевших в разных направлениях в небольшом телесном угле; приёмник ионов (коллектор), где ионный ток измеряется или преобразуется в электрич. сигнал, к-рый далее усиливается и регистрируется выходным устройством. В регистрирующее устройство помимо информации о кол-ве ионов (ионный ток) поступает информация о массе ионов. M.-с. содержит также питающие и измерит, устройства, а также вакуумную систему, создающую, поддерживающую и контролирующую достаточно глубокий вакуум (10 -3 -10 -7 Па) в источнике ионов, камере масс-анализатора и приёмнике ионов. ЭВМ контролирует режим работы всего прибора, а также осуществляет сбор и обработку получаемых данных.

Основные параметры. Регистрируемый с помощью M.-с. масс-спектр представляет собой зависимость ионного тока / от массы т (точнее, от. Напр., в масс-спектре Hg каждый из пиков ионного тока соответствует однозарядным ионам изотопов ртути (рис. 2). Высота пика пропорциональна содержанию данного изотопа. Отношение массы иона к ширине пика (в а. е. м.) наз. разрешающей способностью (R )M.-с.: T. к. на разных уровнях интенсивности ионного тока различна, то Л также различна. В приведённом примере в области изотопа на уровне 10% относительно вершины пика R = 940, на полувысоте R = 1600. Для полной характеристики разрешающей способности прибора необходимо знать форму ионного пика, к-рая зависит от MH. факторов. Иногда разрешающей способностью наз. значение той наиб, массы, при к-рой два пика, отличающихся по массе на единицу, разрешаются до заданного уровня. Для тех M.-с., у к-рых R не зависит от отношенияоба приведённых определения совпадают. Считается, что M.-с. с имеет низкую разрешающую способность, с - среднюю, с - высокую, с R ~ 10 5 - очень высокую.

Если вещество вводится в ионный источник в виде газа, то чувствительностью M.-с. наз. отношение тока, создаваемого ионами данной массы заданного вещества, к парциальному давлению этого вещества в источнике. Эта величина в M.-с. разных типов лежит в диапазоне 10 -4 -10 -1 А/Па. Относит, чувствительностью называют мин. содержание вещества в смеси веществ, к-рое ещё может быть обнаружено с помощью M.-с. Для разных M.-с. и разл. веществ она лежит в диапазоне 10 -3 -10 -7 %. За абс. чувствительность иногда принимают мин. кол-во вещества (в г), к-рое необходимо ввести в M.-с. для обнаружения этого вещества. Она также зависит от типа M.-с. и может достигать 10 -15 г.

Рис. 2. Масс-спектр Hg;- ширина пика на полувысоте, - на уровне 10% от максимальной интенсивности.

Наряду с разрешающей способностью и чувствительностью важными характеристиками M.-с. являются диапазон масс и быстродействие. Диапазон масс у приборов для анализа органич. веществ превышает 10 4 а. е. м. (см. Mасс-спектроскопия ).Быстродействие, под к-рым принято подразумевать мин. время, необходимое для регистрации масс-спектра в пределах т. н. декады а. е. м. (1 - 10, 10 - 100 и т. д.) без потери информации, составляет 0,1-0,5 с для статич. приборов и 10 -3 с для время-нродётных (динамических; см. ниже).

Система ввода вещества. Ионный источник. Образец вводится в M.-с. с помощью т. н. молекулярных или вязкостных натекателей, устройств шлюзования с последующим вводом твёрдого или жидкого образца в источник ионов, ячейку Кнудсена и т. д.

Масс-анализаторы. По типу анализаторов различают статич. и динамич. M.-с. В статич. масс-анализа-торах для разделения ионов используются электрич. и магн. поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время пролёта иона через прибор. Ионы с разл. значениями движутся в анализаторе по разл. траекториям (см. Электронная и ионная оптика ).

В масс-спектрографах, отличающихся от M.-с. фотогр. регистрацией масс-спектра, пучки ионов с разными фокусируются в разных местах фотопластинки, расположенной в фокальной плоскости прибора, образуя после проявления следы в виде полосок (выходное отверстие ионного источника обычно имеет форму прямоугольника - щели). В статич. масс-спектрометре пучок ионов с заданнымфокусируется на щель приёмника ионов. При плавном изменении магн. или электрич. поля в приёмную щель последовательно попадают пучки ионов с разными При непрерывной записи ионного тока получается график с ионными пиками масс-спектра (рис. 2); фотопластинка, используемая в масс-спектрографе, после проявления фотометрируется.

Рис. 3. Схема статического масс-спектрометра с однородным магнитным полем; S 1 , S 2 - щели ионного источника и приёмника ионов; треугольник - область однородного магнитного поля H, перпендикулярного плоскости рисунка; тонкие сплошные линии - границы пучков ионов с разнымиr - радиус центральной траектории ионов.

В статич. M.-с. с однородным магн. полем H (рис. 3) ионы, образованные в источнике, выходят нз щели шириной S 1 в виде расходящегося пучка, к-рый в магн. поле разделяется на пучки ионов с разными . Пучок ионов с массой фокусируется на щель шириной S 2 приёмника ионов. Величина определяется выражением

где- масса иона в а. е. м.; е - его в единицах элементарного электрич. заряда; r - радиус центр, траектории в см; V - ускоряющий потенциал в В; H - напряжённость магн. поля в Э. Развёртка масс-спектра производится изменением H или V . Первый метод предпочтительнее, т. к. в этом случае по ходу развёртки не изменяются условия "вытягивания" ионов из источника.

Разрешающая способность статич. M.-с. определяется из соотношения

где- ширина пучка в месте, где он попадает в щель приёмника S 2 . Если бы фокусировка ионов была идеальной, то в случае(рис. 3) si была бы в точности равна S 1 . В действительностичто уменьшает разрешающую способность M.-с. Одна из причин уширения пучка - неизбежный разброс по кинетич. энергии у ионов, вылетающих из источника. Др. причины - рассеяние ионов из-за столкновений с молекулами остаточного газа, а также эл--статич. "расталкивание" ионов в пучке. Для ослабления влияния этих факторов применяют т. н. наклонное вхождение пучка в анализатор и криволинейные границы магн. поля. В нек-рых M.-с. используют неоднородные магн. поля, а также ионные призмы (см. Электронные призмы ).Для уменьшения рассеяния ионов стпемятся к созданию высокого (давлениеПа рт. ст.) на всём пути ионов от источника до коллектора. Для ослабления влияния разброса по энергии применяют M.-с. сдвойно и фокусировкой, в к-рых в щель.S 2 фокусируются ионы с одинаковыми вылетающие не только по разным направлениям, но и с разными энергиями. Для этого ионный пучок пропускают через магнитное и отклоняющее электрич. поля спец. формы (рис. 4).

Рис. 4. Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели источника ионов, проходит через электрическое поле E цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле Н , отклоняющее ионы ещё на 60°, и фокусируется в щель коллектора.

В динамич. масс-анализаторах для разделения ионов с разнымииспользуют, как правило, разные времена пролёта определ. расстояния, а также воздействие на ионы импульсных или радиочастотных электрич. полей с периодом, меньшим или равным времени пролёта ионов через анализатор. Наиб, применение нашли время-пролётные, радиочастотные, квадрупольные, магниторезонансиые M.-с. и M.-с. ионно-циклотрон-ного .

Во время-пролётном M.-с. (рис. 5) ионы, образованные в источнике, коротким электрич. импульсом "впрыскиваются" в виде ионного пакета через сетку 1 в анализатор 2 , представляющий собой эквипотенциальное пространство. В процессе дрейфа к коллектору 3 исходный пакет "расслаивается" на неск. пакетов, каждый из к-рых состоит из ионов с одинаковыми Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергии всех ионов одинаковы, а их скорости и, следовательно, времена пролёта t через анализатор длиной L обратно пропорциональны

Последовательность ионных пакетов, приходящих на коллектор, образует масс-спектр, к-рый регистрируется. Разрешающая способность R с таким анализатором пропорциональна L и невелика

Рис. 5. Схема время-пролётного масс-спектрометра. Пакет ионов с массами m 1 и m 2 (чёрные и белые кружки) движется в дрейфовом пространстве анализатора так, что тяжёлые ионы (m 1) отстают от лёгких.

Вариантом время-пролётного анализатора является т. н. масс-рефлектрон, позволяющий существенно увеличить разрешающую способность за счёт применения эл--статич. зеркала 3 (рис. 6). Ионы в пакете обладают тепловым распределением по энергии, соответствующим темп-ре исходного газа. Это приводит к уширению пиков на коллекторе. Эл--статич. зеркало 3 масс-рефлектрона компенсирует это уширение, увеличивая в каждом пакете время прихода на коллектор более медленных ионов и уменьшая- более быстрых. При тех же длинах дрейфа разрешающая способность (R )масс-рефлектрона в неск. раз лучше R обычного время-пролётного M.-с.

Рис. 7. Схема радиочастотного масс-анализатора. Ионы с определённой скоростью и, следовательно, определённой массой, ускоряясь внутри каскада ВЧ-полем, получают прирост кинетической энергии, достаточный для преодоления тормозящего поля и попадания на коллектор.

В радиочастотном масс-анализаторе (рис. 7) ионы приобретают в ионном источнике энергию eV и проходят через систему последовательно расположенных сеточных каскадов. Каждый каскад представляет собой три плоскопараллельныо сетки 1, 2, 3 , расположенные на равном расстоянии друг от друга. К ср. сетке относительно двух крайних приложено электрич. ВЧ-поле U ВЧ. При фиксированных частоте этого поля и энергии ионов eV только ионы с определённым имеют такую скорость v , что, двигаясь между сетками 1 и 2 в полупериоде, когда поле между ними ускоряет ионы, они пересекают сетку 2 в момент смены знака поля и проходят между сетками 2 и 3 также в ускоряющем поле. T. о., они получают макс, прирост энергии и попадают на коллектор. Ионы др. масс, проходя эти каскады, либо тормозятся полем, т. е. теряют энергию, либо получают недостаточный прирост энергии и отбрасываются в конце пути от коллектора высоким тормозящим полом U 3 . В результате на коллектор попадают только ионы с определ. значением Масса таких ионов определяется из соотношения

где a - постоянная прибора, s - расстояние между сетками.

Перестройка анализатора на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением либо нач. энергии ионов (V) , либо частоты w поля.

В квадрупольном масс-анализаторе (рис. 8) разделение ионов осуществляется в попе-

Рис. 8. Схема квадрупольного масс-анализатора.

речном электрич. поле с гишерболич. распределением потенциала. Поле создаётся квадрупольным конденсатором, между парами стержней к-рого приложены постоянное и ВЧ-напряжения. Пучок ионов вводится в вакуумную камеру анализатора вдоль оси квадру-нольного конденсатора через отверстие 1. При фикси-ров. значениях частоты и амплитудыперем. только у ионов с определ. значением амплитуда в направлении, поперечном оси анализатора, не превышает расстояния между стержнями. Такие ионы за счёт нач. скорости проходят через анализатор и, выходя из него через отверстие 2 , регистрируются, попадая на коллектор ионов. Сквозь квадруполь проходят ионы, масса к-рых удовлетворяет условию

где а - постоянная прибора. Амплитуда колебаний ионов др. масс нарастает по мере их движения в анализаторе так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Перестройка на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением амплитуды или частотыперем. напряжения. Разрешающая способность квадрупольных M.-с.

Рис. 9. Трёхмерная квадруполь-ная ионная ловушка: 1 - гиперболический электрод с отверстием для ввода ионизирующих электронов е; 2 - гиперболический электрод с сеткой; 3 - кольцевой гиперболический

электрод; 4 - коллектор ионов.

Вариантом квадрупольного анализатора служит т. н. трёхмерная квадрупольная л о в у ш-к а (рис. 9), представляющая собой два гиперболоида вращения, ограниченных по бокам кольцевым электродом 3 , также с гиперболич. сечением внутр. поверхности. Электроды 1 и 2 заземлены, на электрод 3 подаётся ВЧ-напряжение. В электроде 1 имеется отверстие для ввода ионизирующих электронов; электрод 2 выполнен в виде сетки, за к-рой расположен коллектор 4 . Ионы образуются внутри ловушки электронным ударом (импульсно включается ). После импульса прикладывается ВЧ-напряжение, изменением амплитуды к-рого осуществляют развёртку масс-спектра. Из-за ловушки ионы попадают как на верхний, так и на нижний электроды. В приведённой на рис. 9 конструкции регистрируется V 2 сигнала.

Трёхмерная ловушка объединяет в себе ионизатор и анализатор.

Рис. 10. Магниторезонансный масс-анализатор (магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка).

В магниторезонансном масс-анализаторе (рис. 10) используется постоянство времени облёта ионами массы m круговой траектории. Из ионного источника 1 близкие по массе ионы (область траекторий к-рых заштрихована), двигаясь в однородном магн. поле, попадают в модулятор 2 , где формируется тонкий пакет ионов, к-рые за счёт полученного в модуляторе ускорения начинают двигаться по окружности большего радиуса. Разделение по массам осуществляется в результате ускорения "резонансных" ионов, частота к-рыхравна частотеполя модулятора или (п - целое число). Такие

ионы в течение неск. оборотов ускоряются модулятором и, двигаясь по окружностям всё большего радиуса, попадают на коллектор 3 . Масса регистрируемого иона обратно пропорциональна Разрешающая способ-

ность

В M.-с. ионно-циклотронного резонанса (рис. 11) происходит резонансное поглощение ионами эл--магн. энергии при совпадении циклотронной частоты ионов с частотой перем. электрич. поля в анализаторе. Это позволяет идентифицировать ионы с данной величинойпо резонансному поглощению. Ионы движутся в однородном магн. поле H по спирали с циклотронной частотой орбитального движенияи попадают на коллектор.

Рис. 11 . Масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса.

Для улучшения характеристик применяют сверхпроводящие соленоиды, в к-рых поглощающая ячейка с источником ионов и коллектором находится в магн. поле напряжённостью до 10 5 Э. Разрешающая способность

Приисследованиях, в к-рых требуется сочетание-высокой разрешающей способности с большой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых масс и воспроизводимостью результатов измерений, применяют статич. масс-анализаторы. Динамич. M.-с. используются в след, случаях: время-пролётные - для регистрации процессов длительностью от 10 2 до 10 -3 с; радиочастотные (малые масса, размеры и потребляемая мощность) - в космич. исследованиях; квадру-польные (высокая чувствительность) - при работе с молекулярными пучками; магниторезонансные - для измерения очень больших изотопных отношений; M.-с. ионно-циклотронного резонанса - для изучения ион-

но-молекулярных реакций (подробнее см. в ст. Mace-спектроскопия ).

Регистрация ионных токов . Величины ионных токов 1 , создаваемых в M.-с., определяют требования к их усилению и регистрации. При ионизации электронным ударом (при энергии электронов 40-100 эВ и ширине щели источника Si в неск. десятков мкм) А. Чувствительность применяемых в M.-с. усилителейА при постоянной вре-

мени от 0,1 до 10 с. Дальнейшее повышение чувствительности или быстродействия M.-с. достигается применением вторично-электронных умножителей, повышающих чувствительность до А, а также систем, позволяющих регистрировать отд. ионы (см. Вторичная электронная эмиссия) .

Такая же чувствительность достигается в масс-спектрографах за счёт длит, экспозиции. Однако из-за малой точности измерения ионных токов и громоздкости устройств введения фотопластинок в вакуумную камеру анализатора фоторегистрация уступает место координатным детекторам частиц, особенно в тех случаях, когда необходимо одновременно регистрировать большой участок масс-спектра (из-за нестабильности источника ионов, напр, при элементном хим. анализе в случае ионизации вакуумной искрой).

Лит.: Mace-спектрометрический метод определения следов, пер. с англ., M., 1975; Сысоев А. А., Чупахин M. С., Введение в масс-спектрометрию, M., 1977; Кинетическая масс-спектрометрия и её аналитические применения. Сб. ст., под ред. В. Л. Тальрозе, M., 1979; Полякова А. А., Молекулярный масс-спектральный анализ органических соединений, M., 1983; Mace-спектрометрия и химическая кинетика. Сб. ст., под ред. В. Л. Тальрозе, M., 1985; Кельман В. M., Pодникова И. M., Секунова Л. M., Статические масс-спектрометры, А--А., 1985; Brunnee C., The ideal mass analyser: fact or fiction?, "Int. J. of Mass Spectrom. and Ion Processes", 1987, v. 76, № 2, p. 125. В. Л. Талърозе .