Масс-спектрометрия масс-спектроскопия масс-спектрография масс-спектральный анализ масс-спектрометрический анализ

Масс-спектрометрия масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ

В широком смысле ¡ Масс-спектрометрия - это наука получения и интерпретации массспектров, которые в свою очередь получаются при помощи массспектрометров

История масс-спектрометрии 1912 год — Томсон создает первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена. 1913 год — С помощью своего масс-спектрографа Томсон открывает изотопы неона: неон-20 и неон-22. 1923 год — Астон измеряет с помощью масс-спектрометра дефект массы. 1934 год — Конрад применяет масс-спектрометрию для анализа органических молекул. 1940 год — Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235. 1940 год — Нир создает первый надежный источник электронного удара, применив ионизационную камеру. 1948 год — Камероном и Эггером создан первый масс-спектрометр с время-пролётным массанализатором. 1952 год — Тальрозе и Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH 5+ в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией). [2] 1953 год — Пауль патентует квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку. 1956 год — Мак. Лаферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр. 1966 год — Мансон и Филд создают ионный источник с химической ионизацией. 1972 год — Каратаев и Мамырин изобретают время-пролётный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора. 1974 год — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и Мак. Лаферти 1981 год — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB). 1982 год — Первый масс-спектр целого белка (инсулин) с помощью бомбардировки быстрыми атомами (FAB). 1983 год — Бланки и Бестал изобретают термоспрей. 1984 год — Л. Н. Галль, а затем Фенн публикуют работы по методу электроспрей. 1987 год — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI). 1999 год — Александр Макаров изобретает электростатическую ионную ловушку.

¡ Существенное отличие массспектрометрии 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.

Как получить масс-спектр? ¡ ¡ Первое: 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. Второе: 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).

Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра Схема магнитного масс-спектрометра с однократной фокусировкой: I – резервуар с образцом, II – зона ионизации, III – зона ускорения, IV – анализатор, V – детектор. 1 – натекатель; 2 – накаливаемый катод; 3 – анод; 4 – пучок ионизирующих электронов; 5 – электроды; 6 – магнит; 7 щель коллектора; 8 – электрический датчик

Принципиальная схема разделения пучка ионов в магнитном поле: ИИ – ионный источник, Д – детектор ионов, s 1 и s 2 – входная и выходная щели, В – магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка, О 1, О, О 2 – центры и r 1, r, r 2 – радиусы окружностей, по которым двигаются ионы М 1+, М+ и М 2+.

Принципиальная схема магнитного массспектрометра 1 – молекулярный натекатель; 2 – пучок газа; 3 – выталкивающий электрод; 4 – нагреватель катода; 5 – нить катода; 6 – экран; 7 – область ионизации; 8 – электронный пучок; 9 – анод (ловушка электронов); 10 – термопара; 11 – щель, формирующая электронный пучок; 12 – первая щель ускорителя ионов; 13 – фокусирующая щель; 14 – вторая щель ускорителя ионов, 15 – ионнооптическая система; 16 – нерегистрируемые ионы; 17 – регистрируемые ионы; 18 – щель коллектора; 19 – коллиматор; 20 – коллекторрегистратор ионов; 21 – к предусилителю.

Состав масс-спектра Масс-спектр может состоять из нескольких типов ионов: 1. Молекулярный ион 2. Перегруппировочные ионы 3. Фрагментные ионы 4. Многозарядные ионы 5. Метастабильные ионы

Молекулярный ион первоначально образуется при электронной ионизации. Имеет массу, равную массе исследуемой молекулы (за вычетом массы одного электрона, что важно в масс-спектрометрии высокого разрешения). При этом из молекулы, как правило, находящейся в основном (невозбужденном) электронном состоянии, возникает ион, находящийся в возбужденном электронном состоянии:

Проблемы создания масс-спектрометра 1. Перевести вещество в газовую фазу. ¡ необходимо, чтобы веществу ничто не мешало, т. е. требуется вакуум. Вакуум облегчает переход соединения в газовую фазу. Вакуум понадобится и вдоль траектории вещества внутри прибора. В ряде случаев вещество необходимо нагреть. 2. Ионизировать вещество. ¡ надо отнять у вещества электрон. Или добавить. 3. Создать ионный пучок. ¡ надо придать скорость и направление движения образовавшимся ионам. При помощи электрического поля высокой напряженности. 4. Разделить ионный пучок по массам в магнитном поле. ¡ надо иметь магнит. 5. Детектировать массы. ¡ надо иметь фотопластинку или электрометр с электронным умножителем.

Способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией. Газовая фаза электронная ионизация (EI) химическая ионизация (CI) электронный захват (EC) ионизация в электрическом поле (FI) ¡ Жидкая фаза термоспрей ионизация при атмосферном давлении (AP) электроспрей (APESI) химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) ¡ Твёрдая фаза прямая лазерная десорбция - масс-спектрометрия (LDMS) матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) бомбардировка быстрыми атомами (FAB) десорбция в электрическом поле (FD) плазменная десорбция (PD) ¡

Химическая ионизация – второй по распространенности метод ионизации в настоящее время. Суть метода заключается в том, что ионизация образца происходит не пучком электронов, как в случае электронной ионизации, а пучком предварительно ионизированных молекул газа, например, метана или аммиака. Ионизация молекул газа происходит при помощи электронной ионизации при 150 -200 э. В и дальнейшего химического превращения газа-ионизатора. На примере метана: ¡ CH 4+ ¡ CH 4+ + CH 4 CH 5+ + CH 3 ¡ Сталкиваясь с молекулами образца, ионизированные молекулы газа передают свой заряд в виде протона: ¡ M + CH 5+ MH+ + CH 4 ¡ Далее протонированная молекула образца выталкивается электрическим полем в сторону масс-анализатора. Достоинства: ¡ 1. Мягкий метод ионизации, молекуле образца передается около 5 э. В избыточной энергии, что препятствует процессам фрагментации и позволяет подвергать анализу нестойкие молекулы. ¡ 2. Интенсивный пик молекулярного иона. Недостатки: ¡ 1. Отсутствие фрагментации, что не позволяет судить о структуре вещества и сравнить спектр с базами массспектральных данных. ¡ 2. Возможно провести анализ только тех соединений, которые можно перенести в газовую фазу (испарить).

2. Фотоионизация (Photoionization) Ионизация фотонами, точнее, монохроматическими пучками фотонов с разбросом по энергии 0. 01 -0. 02 э. В. Пучки могут быть получены излучением молекул инертных газов в газоразрядных трубках либо при помощи лазеров. Энергии самих фотонов лежат в диапазоне 10 -40 э. В, что позволяет ионизировать любые органические соединения. Достоинства: ¡ 1. Полная передача энергии фотона молекуле вещества. ¡ 2. Удобен для установления энергетических характеристик молекул, радикалов, ионов. Недостатки: ¡ 1. Незначительная фрагментация молекулярных ионов. ¡ 2. Зависимость фрагментации от энергии фотонов. ¡ 3. Необходимость перевода образца в газовую фазу (что возможно не для всех образцов).

Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Электроспрей (электрораспыление) – относительно новый метод ионизации: – вещество на ионизацию поступает в растворе полярного растворителя (вода, ацетонитрил, метанол и т. д. ), при этом в растворе присутствуют катионы водорода или щелочных металлов. Небольшая капля раствора подается в металлический специальный капилляр- «небьюлайзер» ( «распылитель» ), к которому одновременно приложено высокое (несколько к. В) электрическое напряжение, в результате чего капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (чаще всего азота). Объем капли уменьшается, заряд ее поверхностный растет – и капля «взрывается» на ряд мелких капель, заряженных положительно, и продолжающих испарять молекулы растворителя под действием нагретого сухого инертного газа.

3. Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Через узкие отверстия сепараторов, где происходит постепенное снижение давления с примерно атмосферного до глубокого вакуума, ионизированные частицы, состоящие из молекул исследуемого вещества и катиона (H+, Na+, K+), попадают в ионную оптику: Z-образная геометрия движения потока образца в источнике ионов, работающем по принципу электрораспыления.

Электроспрей (ESI, Electro Spray Ionization) Достоинства: ¡ 1. Возможность работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу ¡ 2. Метод практически идеально подходит для стыковки масс -спектрометра и жидкостного хроматографа ¡ 3. Возможность анализа крупных (до нескольих миллионов дальтон) молекул ¡ 4. Мягкое (низкоэнергетическое) ионизационное воздействие Недостатки: ¡ 1. Вещество должно быть растворимо с полярных растворителях ¡ 2. Масс-спектр малоинформативен, как правило, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+, Na+, K+), многозарядных ионов таких комплексов

Лазерная десорбция (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) Матричная лазерная десорбция – метод, при котором исследуемое вещество помещают в «матрицу» перемешивают с веществом, имеющим меньшую молекулярную массу и отличающимся высокой способностью поглощать лазерное излучение (например, коричная кислота, 3 гидроксипиколиновая кислота, 6, 7 гидроксикумарин и т. д. ). Перемешивание происходит при помощи растворения вещества-образца и вещества матрицы в одном растворителе и последующем испарении растворителя на специальной подложке. Далее подложка с матрицей помещается в ионный источник, где в качестве ионизатора выступает короткий импульс (0. 1 нс… 1 мкс) лазерного излучения. Луч, попадая на подложку с матрицей, вызывает испарение вещества матрицы, молекулы которой ухватывают за собой молекулы исследуемого вещества. В процессе испарения часть молекул ионизируется и далее увлекается электрическим полем в сторону анализатора.

Для анализа элементного состава неорганических веществ применяются жесткие методы ионизации (энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы). ¡ ¡ ионизация в индуктивно-связанной плазме (ICP) термоионизация или поверхностная ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация в процессе лазерной абляции

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. Очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. Их нельзя ионизовать электронным ударом. Среди таких веществ почти всё, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д. ), физиологически активные вещества, полимеры, то есть всё то, что сегодня представляет особый интерес. Сегодня используются, в основном: ¡ ионизация при атмосферном давлении ¡ электроспрей (ESI), ¡ имическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) ¡ фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) ¡ ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

Масс-анализаторы Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап массспектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). ¡ Существуют следующие типы масс-анализаторов: непрерывные масс-анализаторы Магнитный и электростатический секторный масс-анализатор (англ. Sector instrument) Квадрупольный масс-анализатор (англ. Quadrupole mass analyzer) импульсные масс-анализаторы Времяпролётный масс-анализатор (англ. Time-of-flight mass spectrometry) Ионная ловушка (англ. Ion trap) Квадрупольная линейная ловушка (англ. Quadrupole ion trap) Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (англ. Fourier transform ion cyclotron resonance) Орбитрэп (англ. Orbitrap) ¡ 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.

Электростатический анализатор по принципу действия аналогичен магнитному, только роль магнитного поля у него выполняет электрическое поле (ионы движутся между двумя противоположно заряженными электродами), которое также может отклонять ионы тем или иным образом, причем ионы с разными массами будут отклоняться на разные углы (иметь другие траектории движения). Попадая в такой анализатор, ион движется по круговой орбите с радиусом R таким образом, чтобы сила электрического поля уравновешивалась центробежной силой: Варьируя величину поля, возможно пропускать через анализатор ионы с разным значением масс, т. е. производить развертку масс-спектра. Как правило, этот вид анализатора применяется в дополнение к магнитному анализатору для обеспечения большего разрешения прибора (такие приборы называются «приборами с двойной фокусировкой» ) и для облегчения измерения точных масс, т. к. электрическое поле возможно варьировать более точно, чем магнитное.

Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой ионов (БП – бесполевое пространство)

Времяпролетный анализатор (TOF, Time Of Flight) V – ускоряющее напряжение. Если ионы движутся в полой трубе, то детектора они достигают в порядке увеличения своей массы. разделение ионов с массой М 1 и М 2 происходит на пути от ионного источника (ИИ) до детектора (Д)

Тандемный масс-анализатор Масс-спектрометр может иметь два массанализатора. 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). 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 ¡ ¡ Последним элементом упрощённого массспектрометра, 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).

Детектирование ионов – электронный умножитель Схема действия электронного умножителя (ЭУ): Электронный умножитель масс-спектрометра Thermo Electron DFS:

Важный параметр массспектрометрических приборов – РАЗРЕШЕНИЕ (разрешающая способность)

Разрешение масс-спектрометра (R) – это возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m+ m): Идеальная форма пика ионов – прямоугольная, реальная – гауссова. В зависимости от глубины ложбины между двумя соседними пиками принято говорить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50% - для квадрупольных.

Разрешение масс-спектрометра Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к 400 а. е. м. m 1 0. 5 0. 1 0. 05 0. 01 0. 007 ! R 400 800 4 000 8 000 40 000 60 000 Увеличивая разрешающую способность, ухудшается чувствительность !

Измерение точной массы образца (пик 222) с помощью реперов – пиков от перфторкеросина (219 и 231): расчетное m/z: 222. 1111 Экспериментальное: 222. 1113 Брутто-формула: C 10 H 14 N 4 O 2

Масс-спектрометр высокого разрешения Thermo Electron DFS с газовым хроматографом Thermo Electron Trace GC Ultra

Времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения Bruker micr. OTOFQ с жидкостным хроматографом Agilent 1100

Создание вакуума: 1. Используется тандем из создающих форвакуум (неглубокий вакуум, примерно 1 10 -2 мбар = 1 Па) механических электронасосов и устройств, создающих глубокий вакуум (1 107 мбар = 1 10 -5 Па – для сравнения – космический вакуум в 1000 км от Земли – 10 -8 Па) – диффузионных насосов, турбомолекулярных насосов, азотных ловушек, специальных веществ – сорбентов (геттеров). Рис. Форвакуумные насосы

Создание вакуума: Рис. Турбомолекулярные насосы Рис. Диффузионный насос

Ионизация электронным ударом – зависимость интенсивности пика молекулярного иона от величины энергии ионизации: Масс-спектр электронного удара этилпропионата CH 3 -CH 2 -C(=O)-O-CH 2 -CH 3 (молекулярная масса 102) при энергиях ионизирующих электронов 70, 20 и 14 э. В – чем меньше энергия ионизации, тем выше пик молекулярного иона

Определение элементного состава при помощи молекулярного иона при масс-спектре низкого разрешения: 1) Хлор, бром, сера и кремний легко детектируются благодаря характерной для каждого элемента мультиплетности сигнала, зависящей от природной распространенности изотопов соответствующих элементов, т. е. можно сразу сказать, какое количество атомов галогенов находится в соединении

Алгоритм действий при интерпретации масс-спектра (Мак. Лафферти) 1) изучить всю имеющуюся информацию о веществе (спектральную, химическую, историю появления данного образца). Отметить все параметры съемки масс-спектра. Проверить значения m/z. 2) используя изотопные пики, вывести элементный состав всех фрагментов, для которых это возможно, подсчитать их степень ненасыщенности. Как вариант – использовать масс-спектрометрию высокого разрешения для определения элементного состава фрагментов. 3) Провести тест на молекулярный ион (максимальное значение m/z, нечетно-электронность, выбросы нейтральных частиц) 4) Отметить важнейшие нечетно-электронные ионы, обусловленные перегруппировочными процессами. 5) Изучить общий вид спектра (стабильность молекулярного иона, лабильность связей и т. д. ) 6) Приписать возможные структуры сериям ионов с низкой массой, важнейшим первичным нейтральным фрагментам, а также вторичным (по спектрам метастабильных ионов и активации соударением), важнейшим характеристическим ионам. 7) Постулировать структуру молекулы (тест по реальному спектру идентифицированного вещества из базы данных, например, по спектрам близких структур, по спектру, предсказанному теоретически).

Важнейшим инструментом для быстрой расшифровки результатов массспектрометрического анализа являются Библиотеки массспектральных данных

Библиотеки масс-спектральных данных NIST 07, NIST 08 – библиотеки масс-спектральных данных, созданные и поддерживаемые Национальным институтом стандартизации и технологии США, около 300 000 масс-спектров. WILEY 07 – библиотека масс-спектральных данных, созданная профессором Мак-Лафферти, при участии Национального бюро стандартов США, около 450 000 масс-спектров, во многом пересекается с библиотеками NIST. Библиотеки, созданные и поддерживаемые в НИОХ СО РАН, по природным соединениям, веществам, часто используемым в синтезах химиками НИОХ СО РАН, продуктам и полупродуктам синтезов – суммарно до 10 000 масс-спектров. Содержат, помимо самих масс-спектров, информацию о методе записи хроматограммы, из которой взят масс-спектр, время удержания или индекс удержания. Литературный поиск при помощи РЖХ, каталогов CAS и Belstein – в редких случаях.

1. Масс-спектрометрия и хроматография: позволяют узнать массу молекулы, ее брутто-формулу, хроматография при этом помогает производить анализ смеси за счет разделения компонентов во времени попадания на детектирующий масс-спектрометр. При наличии баз данных позволяет легко идентифицировать компоненты смеси и сами соединения. Высокая чувствительность (в ряде случаев – нанограммы образца). Просты для понимания химиком.