Масс-спектрометрия

Чтобы измерить массу тела его взвешивают. Специальными весами можно измерить массы до нанограммов (10^-9 грамма). Веса отдельных молекул на много порядков величины меньше - 10^-23 - 10^-18 г. Для взвешивания молекул используется масс-спектромерия.

Масс-спектрометрия как анали-тический метод применяется в: биохимии, общей и органической химии, медицине и токсикологии, фармацевтике, контроле окружающей среды, крими-налистике, допинговом контроле, конт-роле наркотических средств, геохимии, геологии, археологии, ядерной промыш-ленности и т.д.

Масс-спектрометрия в современном понимании этого слова - это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду и определения количества ионов с определенным отношением массы к заряду.

Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр - это просто рассортировка заряженных частиц по их массам (точнее отношениям массы к заряду).

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 имеет дело с самими частицами вещества.

Macс-спектральные приборы.

Для разделения ионов исследуемого вещества по величинам m/z, измерения этих величин и токов разделенных ионов используют масс-спектральные приборы или масс-спектрометрические детекторы.

Приборы, в которых регистрация осуществляется электрическими мето-дами, называются масс-спектрометрами.

Приборы с регистрацией ионов на фотопластинках – масс-спектрографами.

Хромато-масс-спектрометрия

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений.

Органические вещества в большин-стве случаев представляют собой много-компонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы состав-ляют 400 компонентов (то есть, 400 индиви-дуальных 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 ионии-зацией электронным ударом или химии-ческой ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хромато-графом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»).

Скелетная схема масс-спектрометра

1 – система подготовки и введения исследуемого вещества; 2 – ионный источник; 3 – масс-анализатор; 4 – приемник ионов; 5 – усилитель; 6 – регистрирующее устройство; 7 – ЭВМ; 8 – система электрического питания; 9 – откачные устройства. Пунктиром обведена вакуумируемая часть прибора

Образовавшиеся при ионизации по-ложительно заряженные ионы проходят через ускоряющие пластины, разность потенциалов между которыми несколько тысяч вольт и приобретают энергию eV, а их скорость возрастает до V.

Энергия eV=F будет равна кине-тической энергии ионов mv²/2, покида-ющих ионный источник со скоростью V, тогда eV=F=mv²/2, …(1)

После ускорения в электрическом поле ионы под прямым углом пересекают магнитное поле напряжен-ностью H, подвергаясь действию силы F=Hev , направленной перпендикулярно движению иона. Поэтому траекторией движения ионов будет окружность радиуса r. Приравнивая F получаем Hev =mv²/r. Тогда V=r He/m

Подставляя это выражение в (1) получаем eV=mr²H²e²/2m², радиус окружности r= 1/H √ 2Vm/e …(2) или m/e = r²Н²/2V

Принципы разделения ионов

mv²/2 = eV

F = evB

mv²/r = evB

r = mv/eB

r =1/B√2Vm/e

m/e = r²B²/2V

B – магнитная индукция (Н-напряжен-ность магнитного поля)

V – ускоряющее напряжение

m – масса ионов

е – заряд ионов

v – скорость ионов

F –сила, направленная перпендикулярно движению ионов,r-траектория движения иона по окружности радиуса r

М асс-спектр тириевого свинца (δm50% – ширина пика на полувысоте; δm10% – ширина пика на уровне 1/10 от максимальной интенсивности)

разрешающая способность масс-спектрометра

Характеристики масс-спектрометра

Важнейшими техническими характери-стиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапа-зон, разрешение, скорость сканирования

1. Фокусировка пучка ионов по направлению – формирование изобра-жения источника и уменьшение расходи-мости потока ионов в магнитном поле.

2. Разрешающая сила R – возможность разделить два соседних пика – для ионов с наибольшей массой m и массой m+Δm. R<2000 – низкое разрешение, R>10000 – высокое разрешение.

3. Чувствительность – минимальное оп-ределяемое давление паров изучаемого вещества (10^-14Па) или минимальная масса этого вещества (до 10^-7%).

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.