3.1.2.1 Применение метода хромато-масс-спектрометрии при проведении обзорного и целевого анализа

Хромато-масс-спектрометрия (ХМС) является информативным аналитическим методом при решении многих экологоаналитических задач, особенно, таких как инвентаризация сточных вод, проведение обзорного анализа природных и сточных вод.

Хромато-масс-спектрометрия – сочетание масс-спектрометрии с хроматографией, при этом с помощью хроматографа происходит разделение смеси на отдельные компоненты, а с помощью масс-спектрометра – идентификация веществ и определение их структуры.

Методом ХМС можно анализировать пробы сложного состава – природные и сточные воды, почву и донные отложения, отходы, атмосферный воздух и промышленные выбросы, биологические среды, продукты питания и другие объекты после соответствующей пробоподготовки.

Возможности ХМС достаточно широки – это анализ проб в различных агрегатных состояниях, определение низких концентраций, а главное – идентификация и установление состава неизвестных соединений, в том числе находящихся в смеси. Именно это делает ХМС незаменимым методом анализа при решении экологических проблем, связанных с анализом объектов окружающей среды или поиском источников их загрязнения.

Принцип работы хромато-масс-спектрометра

Основными блоками любого хромато-масс-спектрометра являются хроматограф, в котором анализируемые смеси веществ проходят по хроматографической колонке и разделяются на отдельные компоненты, и масс-спектрометр, выполняющий функцию детектора. Поскольку сопряжение хроматографа и масс-спектрометра – это не просто объединение двух разных приборов, а появление нового прибора со своими особенностями, своими методическими приемами, то оптимальный режим всей системы – это режим их совместной работы, который может отличаться от оптимального режима для каждого из приборов в отдельности.

В хромато-масс-спектрометрии в сочетании с газовой хроматографией используется, как правило, серийный газовый хроматограф, так как условия хроматографического разделения, применяемые в ГХ-МС, чаще всего не отличаются от условий в обычной хроматографии.

Основной принцип масс-спектрометрии заключается в ионизации молекул вещества и последующем разделении образующихся ионов по величине отношения массы к заряду.

Компоненты смеси после прохождения их через аналитическую колонку хроматографа попадают в камеру ионизации масс-спектрометра. Здесь в результате того или иного способа ионизации нейтральные молекулы органических соединений превращаются в заряженные ионы, которые далее распадаются на более мелкие осколки. Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются электрическим полем и одновременно фокусируются в пучок. Поток ускоренных ионов поступает в масс-анализатор, где ионы разделяются по массе. Разделенные пучки ионов попадают в детектор, где ионный ток преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем и обрабатывается ЭВМ. Таким образом, получается масс-спектр, который представляет собой набор пиков разной интенсивности.

Наиболее распространенные виды ионизации – это электронный удар и химическая ионизация.

При ионизации электронным ударом происходит бомбардировка молекулы вещества пучком электронов, выделяемых нагретым катодом. Электроны с катода бомбардируют молекулы, выбивают из них электроны, превращая в положительно заряженный ион (называемый молекулярным ионом). Эти электроны передают молекуле достаточно большую энергию, в результате этого происходит ее распад на фрагменты (фрагментарные ионы).

Масс-спектры электронного удара достаточно информативны, поскольку при данном виде ионизации образуется много различных фрагментов молекул, вследствие чего такие масс-спектры характеризуются большим набором пиков. Характер фрагментации зависит от энергии бомбардирующих электронов, поэтому при одном и том же значении энергии ионизации для любого соединения будет получаться воспроизводимый масс-спектр. Ионизацию проводят в основном при энергии электронов 70 эВ, при этом же значении энергии получены масс-спектры соединений, на основе которых созданы библиотеки и атласы масс-спектров.

При химической ионизации электронами бомбардируют не само вещество, а газ-реагент, который ионизируется, а затем реагирует с молекулой определяемого вещества и ионизирует ее.

На рис. 5 приведен масс-спектр бутана.

Рис.5. Масс-спектр бутана:

а – молекулярный ион, б – характеристичный ион, в – фрагментарные ионы

Пики на масс-спектре соответствуют массам фрагментов молекулы бутана, которые образуются при ее ионизации. Молекулярная масса бутана – 58 а.е.м., отношение молекулярной массы к заряду образовавшейся положительной частицы m/z=58. Эта частица является молекулярным ионом М⁺ (рис.7а) Образовавшийся молекулярный ион, находящийся в возбужденном состоянии, теряет метальную группу -СН₃. На рисунке пик m/z=43. Этот самый интенсивный пик – С₃Н₇⁺ называется основным или характеристическим ионом (б) масс-спектра. Следующей будет отщепляться группа -СН₂-, образуя так называемый фрагментарный ион СН₃-СН₂ – m/z=29 (в).

Механизмы и правила фрагментации молекул достаточно изучены, поэтому ин­терпретация масс-спектров позволяет достоверно идентифицировать вещества.

Каждое вещество имеет свой индивидуальный масс-спектр, отражающий его состав, у каждого вещества свои молекулярный, характеристичный и фрагментарные ионы. Известное вещество при этом легко может быть идентифицировано простым сравнением с ранее опубликованным масс-спектром. Для неизвестного вещества состав можно установить по фрагментам его масс-спектра, сравнивая с библиотечными данными.

Итогом хромато-масс-спектрометрического анализа являются:

• хроматограмма пробы исследуемого объекта, на которой каждый полученный сигнал (хроматографический пик) соответствует конкретному соединению;

• масс-спектр, зарегистрированный для каждого хроматографического пика (соединения). Масс-спектр – это совокупность токов ионов данного соединения, разделенных друг от друга.

Количественную оценку вещества в пробе проводят по хроматограмме. Для этого хроматограмму реконструируют по иону, характеристичному для данного соединения и измеряют площадь пика на полученной масс-хроматограмме. Идентификацию веществ в пробе проводят по масс-спектрам.

На рис. 6 приведены хроматограмма пробы сточной воды (А) и масс-хроматограмма, реконструированная по заданному иону с m/z=94, характеристичному для вещества 1 (Б).

1 А

Б

Рис. 6. Хроматограмма пробы (А) и масс-хроматограмма, реконструированная по иону с m/z94, характеристичному для соединения 1 (Б)