Масс-спектрометрия

ВВЕДЕНИЕ

Масс-спектрометрия является одним из наиболее бурно развивающихся, эффективных экспрессных методов анализа и установления строения как индивидуальных органических соединений, синтетических, природных, так и их смесей. Благодаря своей исключительно высокой чувствительности, информативности, надежности метода и возможности использования в комбинации с газовой и жидкостной высокоэффективной хроматографией этот метод широко применяется в органической, полимерной, медицинской химии, в нефтехимии, фармакологии, токсикологии, охране окружающей среды, судебно-медицинской экспертизе и в контроле производства. Одним из способов установления строения исследуемого соединения этим методом является автоматическое сравнение зарегистрированного спектра с банком спектров, введенных в память компьютера.
Для получения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном масс-спектрометре достаточно 10-9-1010 г вещества. Для получения обычного спектра электронного удара индивидуального соединения необходимо затратить всего 1-2 мин, а время анализа сложной смеси органических соединений в режиме хроматомасс спектрометрии определяется исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При этом следует учесть, что в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью современного масс-спектрометра, остаются о временах удерживания, площадях пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, т.е., вводя в прибор 1 мкл сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно получить информацию о ее качественном и количественном составе. Ни один другой метод не сочетает в себе такой экспрессности и информативности. Надежность масс-спектрометрического анализа также очень высока, поскольку масс-спектр является реальной характеристикой конкретного вещества, отражающей его структурные особенности.
Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных проблем: идентификация веществ и изучение фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе в ионном источнике. С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионно-циклотронного резонанса, систем протока после разряда возможности классического метода значительно увеличилось. Соединение масс-спектрометра с жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые ионизации, в частности «электроспрей» и МЛДИ, появившиеся к концу XX века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганическими молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы дальтон. Признанием важности масс-спектрометрии для развития современной науки стало присуждение в 2002 г. Нобелевской премии создателям методов электроспрея и МЛДИ Джону Фенну и Коичи Танаке.
Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и биоорганической химии для установления структур соединений хроматомасс-спектрометрия стала сегодня основным методом качественного и количественного определения органических загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая экология немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических исследованиях и при проведении допинг-контроля на спортивных соревнованиях.
Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космохимических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии и медицины, при идентификации микроорганизмов и т.д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими физико-химическими методами, поскольку оперирует с простейшими характеристиками вещества: массой молекулы и ее основных фрагментов, а также с отношением количеств этих фрагментов. Масса самого тяжелого иона в спектре равна молекулярной массе анализируемого соединения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1).
В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов (точнее величина отношении массы иона к его заряду), по оси ординат – их интенсивности, т.е относительное количество ионов данного вида. В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: углеродные единицы (у.е.), атомные единицы масс (а.е.м.), дальтоны (Да).Первичным результатом взаимодействия пучка ионизирующих электронов с молекулой, протекающего за 10-15 – 10-17 с, является ионизация, т.е. удаление электрона с молекулярной орбитали и образование нечетно-электронного ион-радикала М+•.
Для того чтобы избежать нежелательных химических реакций в результате взаимодействия молекул и ионов, в источнике масс-спектрометра, как правило, поддерживается высокий вакуум (10-5 – 10-6 мм рт. ст.). 
Рис. 2. Блок-схема масс-спектрометра

1. СИСТЕМА ВВОДА ОБРАЗЦА
1.1 Прямой ввод
Прямой ввод вещества в область ионизации. Твердый образец помещается в специальную микрокапсулу (стекло, кварц, керамика, металл), которая штоком вводится непосредственно в ионный источник, т.е. испарение осуществляется прямо в источнике ионов в условиях глубокого вакуума. При необходимости образец может быть нагрет с помощью программируемой печки до температуры 400-500оС и выше.

Рис. 1.1 Система прямого ввода
Программируемый нагрев образца в вакууме позволяет решить одновременно три задачи: 1) перевести в газовую фазу широкий круг органических соединений; 2) подобрать оптимальную температуру съемки; 3) анализировать смеси соединений с разной степенью летучести. Важной характеристикой прямого ввода является существенное уменьшение количества образца. В данном случае следует опасаться ввести слишком много вещества. Считается, что твердый образец в капилляре на конце штока должен быть едва различим глазом. Избыточное количество образца может привести к искажению масс-спектра из-за протекания ионно-молекулярный реакций и вызвать быстрое загрязнение источника ионов.

1.2 Мембранный метод (Membrane Inlet Mass Spectroscopy, MIMS)
Мембрана изготавливается из органического материала и пропускает в источник масс-спектрометра соединения, растворимые или адсорбируемые материалом мембраны и обладающие высоким коэффициентом диффузии в нем. Анализируемое соединения должно быть достаточно летучим, чтобы испаряться на вакуумированной стороне мембраны. Мембраны могут быть размещены: вне источника ионов (1.2), в другом – капиллярная мембрана вводится непосредственно в источник (1.3). достоинством такого ввода является селективность в пропускании веществ разной природы. Поскольку мембрана не пропускает воду, неорганические газы и соли.

Рис 1.2. Размещение мембраны вне источника Рис 1.3. Размещение мембраны внутри источника ионов ионов1.3 Хроматомасс-спектрометрия, ГХ-МС (GC-MS)
Жидкостная хроматография – масс-спектрометрия, ЖХ-МС (LC-MS)
Высокоэффективная жидкостная хроматография – масс- спектрометрия, ВЖХ (HPLC-MS)
На сегодняшний день хроматомасс-спектрометрия является наиболее широко используемой, также метод высокоэффективная жидкостная хроматография – масс-спектрометрия используются все шире и занимают лидирующее положение.
Метод предназначен для анализа органических соединений и заключается в их разделении на колонке хроматографе с последовательным выходом компонентов из колонки в ионной источник масс-спектрометра, где происходит их ионизация.
Рис 1.4 Принципиальная схема ГХ-МС
Хроматомасс-спектрометрия, метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществ в объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов – хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго – идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Чувствительность хроматомасс-спектрометрии (обычно 10-6-10-9г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра.
Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10-5 - 10-6 Па), тогда как давление в хроматографической колонке 105 Па. Для понижения давления используют молекулярный сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим – с ионным источником масс-спектрометра. Молекулярный сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основная часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.
Принцип действия молекулярных сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану.
Наиболее удобный для хроматомасс-спектрометрии газ-носитель – He. Эффективность работы сепаратора, то есть отношение количества органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его количеству, поступающему в масс-спектрометр, в значительной степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20-30 мл/мин удаляется до 9 (3% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого вещества. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматографической колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнительное количество газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в молекулярный сепаратор, достигла 20-30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность молекулярного сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.
В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографические колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого вещества.
Анализируемое вещество (обычно в растворе) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в молекулярный сепаратор. В сепараторе газ-носитель в основном удаляется и обогащенный органическим веществом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально количеству поступающего вещества. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Таким образом масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества.
Важное условие работы прибора – быстрая запись масс-спектра, который должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографического пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость сканирования масс-спектра определяется масс-анализатором. В современных масс-спектрометрах, снабженных компьютером, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количественные характеристики которых накапливаются в памяти компьютера. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Т. к. эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации вещества в ионном источнике, т. е. используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.
Другой вариант хроматомасс-спектрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.
Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом ГЖХ. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять растворитель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в несколько мкм, в результате чего образуются капли, которые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть растворителя испаряется, а оставшаяся вместе с веществом попадает в ионный источник и ионизируется химически. Эффективный способ сочетания высокоэффективного газо жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150°С, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в растворе, участвуют в ионо-образовании. Образовавшиеся капли несут положительный или отрицательный заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрического поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных молекулярных ионов или кластеров (молекула вещества + катион буфера).
1.4 Сверхкритическая флюидная хроматография – масс-спектрометрия, СФХ-МС (SFC-MS)
В сверхкритической флюидной хроматографии используемое в качестве подвижной фазы вещество можно представить как очень плотный газ. Используемый CO2 в таком состоянии имеет свойства промежуточные между жидкостью и газом, т.е. это плотный газ с высокой сольватирующей способностью. Растворение образца в таком материале переводит в газовую фазу, протекающий при достаточно низкой температуре. Важно, что метод позволяет анализировать более тяжелые и более термолабильные соединения по сравнению с ГХ-МС. Также, метод широко используется для анализа пестицидов, силиконов, неионогенных ПАВ, природных соединений и т.д. тот факт, что в сверхкритическом состоянии вещество, используемое в качестве подвижной фазы, является отличным растворителем и очень эффективно экстрагирует органические соединения разных классов из образцов пищи, полимерных материалов, объектов окружающей среды и т.д.
десорбционный ионизация молекулярный анализатор
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА МАСС-СПЕКТРО- МЕТРИЧЕСКОГО РАСПАДА
Электронная ионизация, ЭИ (EI).
Среди различных методов ионизации особое положение занимает электронная ионизация. Исторически первый метод ионизации органических соединений. Он же остается и наиболее распространенным на сегодняшний день. Основными достоинствами метода являются надежность и универсальность. Кроме того, в существующих компьютерных библиотеках используются именно спектры электронной ионизации. Теория масс-спектрометрического распада и подходы к интерпретации спектров базируются в основном на первоначальном образовании молекулярного катион-радикала в результате электронной ионизации.
Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут покинуть молекулу. Пучок электронов генерируется катодом и ускоряется потенциалом 12-70 эВ по направлению к аноду. Вещество в газовой фазе взаимодействует с электронами и ионизируется. Формально можно представить процесс ионизации уравнением:
М + ē = М+• + 2ē

Рис. 1.5. Принципиальная схема электронной ионизации

Рис. 1.6 Принципиальная схема масс-спектрометрии
Важным параметром является энергия электронов. Ионный ток достигает максимума при энергиях электронов около 50 эВ. Стандартные масс-спектры ЭИ принято снимать при 70 эВ.

Рис. 1.7 Зависимость величины ионного тока от энергии ионизирующих электронов
Использование 70 эВ помимо высокой эффективности ионизация объясняется и большой стабильностью спектра. Чем меньше угол наклона кривой эффективности ионизации в какой-либо точке, тем выше стабильность масс-спектра, поэтому высокоэнергетическая часть кривой предпочтительна. В масс-спектрометрии под энергией ионизации подразумевается первый потенциал ионизации, т.е. энергия высшей занятой молекулярной орбитали. Величина ЭИ для большинства органических соединений лежит в диапазоне 6-12 эВ. Если энергия электронов, эмитируемых катодом, ниже ЭИ, ионизация образца невозможна, и масс-спектр не будет получен. В процессе ионизации молекулярный ион получает избыточную внутреннюю энергию в диапазоне 0-20 эВ. Эта избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям, причем превышение энергии какой-либо связи, ведет к ее разрыву с отщеплением нейтрального фрагмента и образованием осколочного иона. Чем выше энергия ионизирующих электронов, тем большее число направлений распада М+• реализуется.

Рис. 1.8. Масс-спектр электронной ионизации этилприоната при 70, 20 и 14 эВ.
На рис. 1.7. видно, что при уменьшении энергии ионизирующих электронов уменьшается число и интенсивность пиков в спектре, хотя доля молекулярного иона возрастает. Важный вывод: если пик молекулярного ион отсутствует в масс-спектре, полученном при энергии ионизирующих электронов 70 эВ, его не будет и при меньшей энергии электронов. В этом случае можно говорить о нестабильности молекулярного иона данного соединения.
Условия высокого вакуума при использовании электронной ионизации препятствуют столкновению частиц, и судьба образовавшегося иона зависит 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 какого-либо перегруппировочных ионов, третья – в виде осколочных ионов и т.д. 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.
3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАСС-СПЕКТРОВ
3.1 Молекулярный ион
Информация, которую можно извлечь, анализируя область молекулярного иона, поистине огромна. Соотношение изотопных пиков позволяет установить примерный элементный состав, а измерение точной масс М+• с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения – точный элементный состав соединения. Относительная интенсивность пика М+• позволяет сделать определенные предположение 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. Например, ряд интенсивностей пика молекулярного иона углеводородов с 10-ю атомами С в молекуле: декан 1,0%; децен-1 1,1%; бутилциклогексан 4,2%; декадиен-4,6 4,7%; 2,6-диметилоктатриен-2,4,6 7,5%; бутилбензол 10,2%; 1-фенилбутен-2 11,0%; 1-метил-1Н-инден 19,9%; нафталин 58,7%.
К сожалению, многие соединения по ЭИ не дают пика молекулярного, он не стабилен. В связи с этим необходимо научиться правильно определить пик М+• в спектре. Ион должен удовлетворять четырем необходимым условиям:
иметь самую большую массу в спектре;
быть нечетноэлектронным;
быть способным образовать важнейшие ионы с большой массой за счет выброса реальных нейтральных частиц;
включать все элементы, наличие которых в образце можно увидеть по фрагментным ионам.
Количество электронов в ионе можно проверить, рассчитав степень его ненасыщенности
где R – степень ненасыщенности (число ратных связей и циклов в ионе), x,y, и z – индексы в брутто-формуле иона CxHyNzOn. Если в состав входят другие элементы, индексы x,y,n,z будут суммами атомов соответствующих валентностей (для C и Si 4 – x, N и P 3 – z, O и S 2 – n, H и Hal 1 – y). Альтернативным вариантом расчета может служить способ замены гетероатомов углеводородными фрагментами. Все одновалентные элементы (за исключением Н) заменяются группами СН3, двухвалентные – СН2, трехвалентные – СН, четырехвалентные – С. Полученная формула сравнивается с формулой алкана с такими же содержанием атомов С. Разность между числом атомов Н в алкане (2n+2) и образца, деленная на 2, дает величину R.
3.2 Определение элементного состава ионов на основании изотопных пиков
Большинство химических элементов имеет несколько стабильных изотопов, элементные состав ионов можно с определенной степенью надежности установить по обычным спектрам. Проявление присутствии изотопов можно продемонстрировать спектрами сероуглерода (рис. 1.9, а), этилхлорида (рис. 1.9, б), этилбромида (рис. 1.9, в).
Вывод о том, что ионы с массами 76 (рис. 1.9, а), 64 (рис. 1.9, б) и 108 (рис. 1.9, в) связаны с потерией 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 (37Cl) и брома (81Br) соответственно.

Самое важное для Br и Cl:
Br: 50% 79Br 50% 81Br 1:1
Cl: 75% 35Cl 25% 37Cl 3:1

Рис. 1.9 Масс-спектры сероуглерода (а), этилхлорида (б) и этилбромида (в)
Определение элементного состава соединения следует начинать с пика М+2. Если интенсивность пика М+2 составляет менее 3% от интенсивности пика М, соединение не содержит атомов хлора, брома, серы и кремния.

Таблица 1
Природная распространенность изотопов химических элементов

3.3 Фрагментные ионы
Когда получена исчерпывающая информация о молекулярном ионе, следует перейти к рассмотрению фрагментных ионов. Все важнейшие фрагментные ионы можно разделить на три вида:
Наиболее тяжелые ионы, образующиеся из М+• в результате выброса простейших частиц;
Ионы, характеризующиеся наиболее интенсивными пиками в спектре;
Характерные серии ионов, различающихся на гомологическую разность, т.е. на 14 а.е.м.
Гомологические серии ионов с низкой массой несут информацию о наличии гетероатомов, степени ненасыщенности, и, в конечном итоге, принадлежности соединения к тому или иному классу.
Таблица 2 Гомологические серии ионов некоторых классов органических соединений

3.4 Схема фрагментации

Рис. 2.0 Схема фрагментации вещества
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 (рис. 2.0).
Последовательность действий для интерпретации масс-спектра (по мак-Лафферти):
Изучить всю имеющуюся информацию о веществе (спектральную, химическую). Отметить все параметры съемки масс-спектра. Проверить значения m/z;
Используя изотопные пики, вывести элементный состав всех фрагментов, для которых это возможно; подсчитать их степень ненасыщенности;
Провести тест на молекулярный ион.
Отметить все важнейшие нечетноэлектронные ионы, обусловленные перегруппировочными процессами;
Изучить общий вид спектра (стабильность молекулярного иона и т.д.);
Приписать возможные структуры сериям ионов с низкой массой, важнейшим первичным нейтральным фрагментам, а также вторичным важнейшим характеристическим ионам;
Постулировать структуру молекулы.
4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИОНИЗАЦИИ ОБРАЗЦА
4.1 Химическая ионизация, ХИ (CI)
Химическая ионизация применяется к образцам аналогично электронной ионизации и в основном используется для увеличения количества молекулярного иона. В химической ионизации используется ионно-молекулярная реакция в газовой фазе для получения ионов из аналита. Процесс начинается тогда, когда газ-реагент, такие как метан, изобутан, или аммиак ионизируется электронным ударом. Высокое давление газа-реагента приводит к ионно-молекулярному реакцию между реагентом газа-иона и нейтральным газа-реагента. Некоторые из этих продуктов ионно-молекулярных реакций могут вступать в реакцию с молекулами анализируемого вещества для получения аналит-ионов.
Метан:
CH4 + ē CH4+• + 2ē CH3+ + H•
CH4+• + CH 4 CH5+ +CH3•
CH4+• + CH4 C2H5+ + H2 + H•
Изо-бутан:
i-C4H10 + ē i-C4H10+• + 2ē
i-C4H10+• + i-C4H10 i-C4H9+ + C4H9 +H2
Аммиак:
NH3 + ē NH3+• + 2ē
NH3+• + NH3 NH4+ + NH2•
NH4+• + NH3 N2H7+
Возможным механизмом ионизации в химической ионизации происходит следующим образом:
Реагент (R) + ē → R+• + 2ē
R+• + RH → RH+ + R
RH+ + аналит (A) → AH+ + R
В отличие от ЭИ, аналит больше всего, обеспечивает молекулярный ион с понижением фрагментации. Тем не менее, подобно ЭИ, образцы должны быть термически стабильны, который происходит испарение в источнике химической ионизации путем нагрева.
Масс-спектрометрия с химической ионизацией с момента своего введения, стал широко используемым методом. Один из его главных достоинств является его способность так называемым «мягкая» ионизация, позволяющий во многих случаях дать информацию о молекулярной массе, когда масс-спектрометрии с электронной ионизацией не может. Но, в большинстве случаев масс-спектрометрия с химической ионизацией связано с тем, что характеристики масс-спектра в значительной степени зависит от природы газа-реагента используемая для ионизации образца. Как следствие, можно контролировать структурную информацию наблюдая и варьируя природу используемого газа-реагента.
4.2 Электроспрей (ESI)
Поток из жидкостного хроматографа направляется в иглу диаметром 0,1 мм, на которую подается высокое напряжение порядка 6 кВ. на выходе из иглы в источнике ионов образуется аэрозоль из заряженных частиц капель с высоким поверхностным зарядом. Эти капли движутся к противоэлектроду. По мере движения к выходному отверстию первого сепаратора капли уменьшается в размере за счет испарения растворителя. Достигая критического размера, при котором силы поверхностного натяжения далее не могут противостоять силам кулоновского отталкивания, капля «взрывается» с образованием более мелких капелек. В газовой фазе оказываются несольватированные молекулы анализируемого вещества, которые проходят через сепаратор и оказывается в анализаторе.

Рис. 2.1 Принципиальная схема метода электроспрейВ последних модификациях масс-спектрометров используется Z-форма движения пучка ионов. Такой вариант благодаря дополнительным линзам позволил направить в анализатор лишь заряженные частицы, а не весь поток раствора образца. Это улучшило качество спектров и значительно снизило загрязнение приборов.
Помимо высочайшей чувствительности и возможности работы с термолабильными и нелетучими соединениями электроспрей предоставил возможность анализировать высокомолекулярные соединения с молекулярными массами до миллиона Да и выше.
4.3 Вторичноионная масс-спектрометрия, ВИМС (SIMS)
Это одна из наиболее развитых из масс-спектрометрических методов поверхности. Она включает в себя бомбардировку поверхности с пучками (разогнанными) ионов, образующихся в ионной пушке .Ионы, генерируемых из поверхностного слоя, втягивается в спектрометр для масс-анализа.
ОбразецИсточник ионовМасс-спектроскопияДетекторБазаданныхArXeN2Cs+TOFQuadrupoleMagnetic-sectorMicro-channel PlateElectron MultiplierFaraday cup PEMPC’s
Рис. 2.2 Блок-схема ВИМС
Вторичные частицы несут отрицательный, положительный и нейтральный заряды, и они имеют кинетическую энергию в диапазоне от нуля до нескольких сотен эВ. Первичного пучка: Cs+, O2+, O, Ar+ и Ga+ с глубиной от 1 до 10 нм и от 1 до 30 кэВ.

Рис. 2.3. Распыление ионными пучками

Рис. 2.4 Отрицательный масс-спектр полифениленсульфида
Рис. 2.5 Положительный масс-спектр полиэтилен
4.4. Матричная лазерная десорбционная ионизация, МЛДИ (MALDI)
Метод заключается в переводе молекул образца в газовую фазу при его облучении короткими лазерными импульсами. Является на сегодняшний день важнейшим методом анализа высокомолекулярных органических соединений. Матрица выбирается таким образом, чтобы ее молекулы активно поглощали фотоны, эмитируемые УФ- или ИК-лазером. Над поверхностью образца создается плотная высокотемпературная плазма, в которой наряду с молекулами и ионами матрицы оказываются и молекулы анализируемого соединения. Ионизация последних путем поглощения энергии фотонов или в результате ионно-молекулярных реакций приводит к образованию положительных и отрицательных ионов, которые вытягиваются высоким потенциалом из области ионизации и направляются в анализатор.метод характеризуется интенсивными пиками молекулярных ионов разного типа и низкой фрагментацией. Наиболее термолабильные, труднолетучие, высокомолекулярные соединения стали доступны масс-спектрометрическому анализу. К настоящему времени методом МЛДИ успешно анализируются полипептиды, белки, нуклеотиды, синтетические полимеры, гуминовые кислоты, фуллерены, органические комплексные соединения и т.д.

Рис. 2.6. Взаимодействия лазерного импульса с образцом МЛДИ:
а – до лазерного импульса; б – после лазерного импульса
Короткий световой импульс лазера поглощается молекулами матрицы и разрушает ее кристаллическую структуру. Часть молекул отрывается от поверхности и образует высокотемпературный суперплотный газ, в котором помимо молекул, ионов и ассоциатов матрицы присутствуют молекулы анализируемого соединения.
5. КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОРКвадрупольный анализатор состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения. Использование сочетании компонента радиочастотной и постоянного тока для работы в качестве масс-фильтра. Ионы, вводимые в анализатор небольшим ускоряющим напряжением, под действием электрического поля колеблются относительно осей x и y. Т.к. каждый ион имеет свою собственную частоту, зависящую от массы, через квадруполь пролетают лишь те частицы, частота которых находится в резонансе с радиочастотой квадруполя.

Рис. 2.7. Квадрупольный анализатор
Этот ион переходит по квадрупольной поле, имеет стабильную радиочастотную траекторию.


Этот ион не имеет стабильную траекторию и выбрасывается из квадруполья6. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОРЭтот тип анализатора масс основан на простейшем принципе: скорость разогнанных ионов обратно пропорциональна их массам.
eV=mv2/2 или m=2eV/v2
Измеряется время, которое частицы достигают детектора на известном расстоянии. Это зависеть от соотношения массы к заряду частицы (более тяжелые частицы достигают при низких скоростях). Время достижения ионом детектора можно рассчитать по формуле:

t – время полета
m/z – отношения массы к заряду
k – константа, зависящая от инструментальных параметров и характеристик.
2181860630555
Рис. 2.8 Схема времяпролетного масс-спектрометра
Важным достоинством времяпролетного анализатора является значительно более высокая чувствительность. Все ионы, образовавшиеся в результате импульса ионизации или оказавшиеся в зоне действия импульса ортогонального ускорения, достигают детектора. Следующий импульс можно осуществить, как только самый тяжелый ион достигнет детектора. В реальной ситуации, например в экспериментах с ортогональным ускорением, детектируется один из семи ионов массы, образовавшихся в источнике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Масс-спектрометрия становится важным методом анализа биологических и небиологических макромолекул. Она является одним из самых чувствительных и точных методов, способным определять всего лишь сотни молекул, уступая в этом только радиационным методам анализа. Разрешение некоторых методов достигает 30000, что означает точность порядка десятков ppm. Такая точность даёт возможность изотопного анализа макромолекул, таких, как белки, а также определения дефекта массы и расчёта брутто-формулы лёгких молекул и даже белков только по данным определения молекулярной массы и изотопного распределения.
Фрагментарная информация, особенно при использовании тандемной масс-спектрометрии даёт возможность определять структуру молекулы, а также, в ограниченных масштабах, механизмы газофазных реакций и реакционные центры исследуемых молекул.
Вместе с тем, масс-спектрометрия является одним из самых дорогих методов анализа, наряду с ЯМР-спектрометрией, уступая в этом только рентгеноструктурному анализу. Это обусловлено, главным образом, необходимостью организации высокого вакуума внутри прибора и связанных с этим трудностей при выборе оборудования.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Лебедьев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: 2003г.
Robert M. Silverstein, Francis X. Webster. Spectrometric identification of Organic Compounds
Dole M, Mack LL, Hines RL, Mobley RC, Ferguson LD, Alice MB. Molecular beams of macroions. Journal of Chemical Physics. 1968, 49:5, 2240.
Whitehouse CM, Dreyer RN, Yanashita M, Fenn JB. Electrospray interface for liquid chromatographs and mass spectrometers. Anal. Chem. 1985, 57, 675-679.
Tanaka K, Waki H, Ido Y, Akita S, Yoshida Y, Yoshida T. Protein and polymer analysis up to m/z 100,000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988, 2, 151.
Karas M & Hillenkamp F. Laser desorption ionization of proteins with molecular mass exceeding 10,000 Daltons. Anal. Chem. 1988, 60, 2299.
Bruins AP. Mechanistic aspects of electrospray ionization. J. Chromatogr. A, 1998, 795, 345-357.