Масс-спектрометрия (идентификация молекулы по ее осколкам). Основные типы конструкции масс-спектрометров
Метод масс-спектрометрии основан на превращении определяемых компонентов в ионизированные частицы и их разделении в газовой фазе в соответствии с их массовыми числами - отношениями массы (m) к заряду (z).
Строго говоря, масс-спектрометрию не следовало бы относить к спектроскопическим методам, поскольку в ее основе не лежат процессы взаимодействия вещества с электромагнитным излучением. Масс-спектр характеризует результат разделения ионов в электрическом или магнитном поле, поэтому массспектрометрию можно было бы отнести к методам разделения. Однако по традиции ее относят к спектроскопическим методам, с которыми она действительно имеет много общего.
Значение метода масс-спектрометрии определяется характером решаемых с его помощью задач:
установление структуры органических соединений, включая определение молярной массы;
качественный и количественный анализ сложных смесей органических и неорганических соединений с высокой чувствительностью и разрешающей способностью;
определение изотопного состава;
исследование состава и структуры поверхностей.
Масс-спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала детектора (относительной меры количества данного иона) от отношения массы uoнa к его заряду (m/z).
Устройство масс-спектрометра
Масс-спектрометры относятся к весьма сложным аналитическим приборам. Это выражается, в том числе, и в их стоимости: цена одного масс-спектрометра может значительно превышать 100000 евро.
Г
лавными
узлами масс-спектрометра являются
система напуска, источник ионизации
(ионизатор) с ускорителем ионов,
масс-анализатор (устройство для разделения
ионов) и детектор в сочетании с
регистрирующим устройством (рис. 11.1.1).
Чтобы по возможности исключить соударение
ионов с другими атомами и молекулами,
анализ производят в вакууме. В иониэаторе
давление составляет 10-3
—10-4
Па, а в масс-анализаторе 10-3
– 10-8
Па.
Система напуска
Количество вводимой пробы не должно
превышать нескольких микромолей, чтобы не
нарушить вакуум внутри прибора. Существуют
прямой и непрямой способы ввода пробы.
П
Рис. 11.1.1. Общая схема устройства масс-спектрометра
ри непрямом способе пробу вводят в масс-спектрометр в газообразном состоянии. При исследовании жидких или твердых образцов их необходимо предварительно перевести в пар путем нагревания до температур порядка 500° С в условиях вакуума ( 10-4 Па). Пробу испаряют в специальной камере, из которой пары в виде молекулярного пучка поступают через отверстие в ионизатор.Прямой ввод пробы используют тогда, когда проба труднолетуча. В этих случаях образец непосредственно вводят в ионизатор с помощью штанги через систему шлюзовых камер. При таком способе ввода потери вещества значительно меньше, чем при непрямом вводе, поэтому для анализа бывает достаточно нескольких нанограммов образца.
Еще один способ ввода пробы состоит в том, что анализируемое вещество поступает в масс-спектрометр в ходе хроматографического разделения. Сочетание масс-спектрометрии с хроматографией уже давно используют в газовой хроматографии, а в последнее время - и в жидкостной. Этот метод анализа называется хромато-масс-спетрометрия.
Источники ионизации
Перед разделением анализируемые вещества необходимо перевести из нейтральных молекул или атомов в ионное состояние. Для ионизации используют потоки быстрых частиц электронов, ионов, атомов, фотонов — а также тепловую или электрическую энергию. На выходе из ионизатора проба находится главным образом в форме положительно заряженных ионов. Их затем ускоряют с помощью специального устройства.
В табл. 11.1.1 приведены наиболее распространенные способы ионизации в масс-спектрометрии. Форма получаемого масс-спектра сильно зависит от применяемого способа ионизации.
Некоторые типы масс-анализаторов
Секторный магнитный анализатор
Анализатор с двойной фокусировкой в геометрии Нира-Джонса
Анализатор с двойной фокусировкой в геометрии Маттауха-Герцога
Квадрупольные анализаторы
Времяпролетные анализаторы
Ионные ловушки или анализаторы с фурье-преобразованием