Масс-спектрометрия

3.1. Физические принципы, лежащие в основе анализа химических веществ, методом масс-спектроскопии. Исторические этапы развития МС в приложении к анализу органических соединений. Общие отличия масс-спектроскопии от других видов спектроскопических исследований. Определение масс-спектроскопии как физического метода исследования.

Масс-спектрометрия - это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду. Приборы, которые используются в этом методе, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы имеют дело с материальным веществом, которое как известно, состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов. Масс-спектрометры устанавливают что это за молекулы (то есть, какие атомы их составляют, какова их молеклярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (то есть их изотопный состав). 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. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее соотношение 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). Следовательно, 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.

Говоря о достоинствах масс-спектромстрии, следует прежде всего отмстить чувствительность, экспрсссность, информативность и надежность метода. Для получения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном масс-спектрометре достаточно 10^-9-10^-10 г вещества. При необходимости простого детектирования конкретного соединения в смеси порог обнаружения может быть легко снижен до 10^-12-10^-14 г. Использование современного оборудования и современных методов ионизации позволяет в некоторых случаях увеличить чувствительность метода еще на несколько порядков.

История масс-спектрометрии насчитывает около 100 лет. Годом рождения масс-спектрометрии можно считать 1901 г., когда немецкий физик В. Кауфман создал первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных лучей», или 1913 г., когда сэр Дж. Томсон впервые спектрально «увидел» изотопы неона, или 1918 г., когда А. Демпстер сконструировал первый магнитный масс-спектрометр с источником для электронной и термической ионизации. На протяжении следующих 50 лет «масс-спектральная наука» оставалась прерогативой исключительно физиков и физикохимиков. В 1950-е годы впервые были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр. Органическая масс-спектрометрия характеризуется полувековой историей. После второй мировой войны возникло понимание, что метод можно использовать не только в качестве прецезионного физико-математического инструмента, но и в качестве удобного способа идентификации достаточно сложных соединений по набору характеристических фрагментных ионов.

Масс-спектрометрия является физико-химическим метолом анализа, заключающимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре. Масса самого тяжелого иона в спектре равна молекулярной массе анализируемого соединения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1).

В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов (точнее величина отношении массы иона к его заряду), а но оси ординат — их интенсивности, т. с. относительное количество ионов данного вида. Принято выражать интенсивность в процентах к полному ионному току (суммарной интенсивности всех ионов в спектре) или к интенсивности максимального иона (рис. 1). В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: углеродные единицы (у. е.), атомные единицы массы (а. с. м.), дальтоны (Да).