Глава 4 структурная масс-спектрометрия

4.1. Природа и получение масс-спектров

Данный метод принципиально отличается от рассмотренных выше спектроскопических методов, в основе которых лежит поглощение электромагнитных колебаний. Структурная масс-спектрометрия основана на разрушении органической молекулы под действием электронного удара и регистрации массы образующихся осколков.

Допустим, что через пары вещества проходит, поток электронов, энергию которых можно постепенно увеличивать. Если эта энергия достигнет определенного уровня, то при столкновении электрона с молекулой может произойти отрыв («выбивание») из нее электрона с образованием молекулярного иона М^+∙.

ABCD + e^-  ABCD^{ ∙} + 2e^-

молекула молекулярный ион

Наименьшая энергия бомбардирующих (ионизующих) электронов, при которой возможно образование из данной молекулы иона, называется энергией (или, менее удачно, «потенциалом») ионизации вещества (Uе). Энергия ионизации является мерой прочности с какой молекула удерживает наименее сильно связанный с ней электрон, следовательно, чем прочнее связь электронов с молекулой вещества, тем выше энергия ионизации. Как правило, для органических молекул энергия ионизации составляет 9—12 эВ (для циклогексана 10 эВ, для бензола 9 эВ).

Если энергия ионизующих электронов значительно превышает энергию ионизации, образующийся молекулярный ион получает избыточную энергию, которой может оказаться достаточно для разрыва в нем связей. В результате такого разрыва происходит распад молекулярного иона на частицы меньшей массы (фрагменты). Такой процесс называется фрагментацией. В практике масс-спектрометрии используются электроны с энергией 30— 100 эВ, что намного превышает энергию ионизации и обеспечивает фрагментацию молекулярного иона.

Реальная структура ионов, образующихся под электронным ударом, в подавляющем большинстве случаев не установлена. Для изображения строения фрагментов обычно используются стандартные структурные символы органической химии. Несмотря на условность такого изображения и, в основном, эмпирический характер закономерностей фрагментации, измерение массы образующихся осколков и их относительного количества позволяет получить ценную информацию о строении органических соединений.

Для получения масс-спектра пары вещества небольшими количествами с помощью специальной системы напуска вводятся в ионизационную камеру, где поддерживается глубокий вакуум (остаточное давление около 10^-6 мм рт. ст.). Молекулы вещества бомбардируются потоком электронов, излучаемых раскаленным катодом. Разность потенциалов между катодом и анодом ускоряет электроны до определенного уровня энергии (например, до 30± 2 эВ). Образующиеся ионы выталкиваются из ионизационной камеры небольшой разностью потенциалов. Получаемый поток ионов ускоряется, фокусируется сильным электрическим полем и попадает в магнитное поле. В результате бомбардировки молекул вещества электронами образуются частицы, имеющие положительный или отрицательный заряд, а также нейтральные частицы. При прохождении потока частиц через магнитное поле нейтральные частицы не изменяют направления, а положительные и отрицательные отклоняются в разные стороны. Величины отклонения ионов пропорциональны заряду и обратно пропорциональны их массе, иными словами, обратно пропорциональны массе, приходящейся на единицу заряда (m/z). В обычной масс-спектрометрии принято регистрировать только частицы, имеющие положительный заряд. Учитывая, что заряд частицы, как правило, равен единице, величина m/z эквивалентна массе нона.

Если на выходе ионов из магнитного поля установить регистрирующее устройство, то частицы, различающиеся значениями m/z, будут давать раздельные сигналы. Интенсивность сигналов будет пропорциональна количеству частиц с данным значением m/z. Анализ ионов по величине m/z обычно производится при изменении напряженности магнитного поля; ионы постепенно фокусируются в щель коллектора, где регистрирующее устройство производит запись образующихся электрических импульсов.

Запись спектра может быть произведена с помощью зеркального гальванометра на фотобумаге. Обычно запись производится при различной чувствительности гальванометра. Характерный вид получаемого при фотозаписи масс-спектра приводится на рисунке 4.1.

Интенсивность сигналов определяется как их высота, выраженная в мм. Высота пика с максимальной интенсивностью принимается за 100 %, интенсивность остальных пиков пересчитывается пропорционально и выражается в процентах. Для пиков малой величины определяют относительную интенсивность путем пересчета по шкале большей чувствительности. Как правило, пики, интенсивность которых менее 3% (реже - 1 %), не принимаются во внимание.

Рисунок 4.1 – Масс-спектр этанола в фотозаписи (100°С, 30 эВ).

Масс-спектр принято изображать в виде набора отрезков прямых длина которых пропорциональна интенсивности пиков, выраженной в процентах, как это представлено на рисунке 4.2.

В современных приборах обработка интенсивности электрических импульсов, соответствующих пикам с различающимися значениями m/z, производится с помощью компьютера, который выдает результаты измерений в виде двух отпечатанных колонок цифр: m/z и относительной интенсивности (интенсивность максимального пика принимается за 1000). Для этанола, например, масс-спектр которого представлен на рисинке 4.1 и 4.2, прибор с регистрирующим устройством такого типа выдаст следующую запись:

m/z 15 28 31 45 46