Методы масс-спектрометрии

1.

Методы масс-спектрометрии
Ввод образца
Ионизация
Разделение
образующихся ионов
Регистрация ионов
Обработка полученных данных и
вывод итогового спектра

2.

3.

Масс-спектр толуола

4.

Ионизация атомов и молекул
Большая часть исследований ведется с пучками положительных ионов.
Образование положительных ионов является результатом взаимодействия молекулы,
атома или радикала в газовой фазе (М) с электроном, фотоном, ионом или быстрой
молекулой (Х), а также с макроскопическим телом, обладающим электрическим полем с
высоким градиентом.
M(EM)
nM
X(Ex)
nX
Mq+(E1) + q·e- (E2)
n1
n2
Где nM, nX , n1, n2 – число частиц в единице объема; EM ,Ex, E1, E2 – энергии
соответствующих частиц; q – степень ионизации в большинстве равная 1, поэтому n1= n2

5.

Способы ионизации
1. Электронный удар (IE)
Электронная ионизация – ионизация паров вещества потоком электронов,
разогнанных в электрическом поле.
При этом электрон, пролетая рядом или через молекулу ионизируемого вещества, не
захватывается ею, а передает часть своей энергии, что приводит к «возбуждению»
молекулы,
отрыву
от
нее
одного
или
нескольких
электронов
с
образованием
положительного иона M+, а также в зависимости от энергии ионизирующих электронов, к
разрыву связей в ионизируемой молекуле – к ее фрагментации

6.

Эффективность ионизации зависит от энергии ионизирующих электронов, максимум
эффективности достигается при энергии ~70эВ
Зависимость величины ионного тока от
энергии ионизирующих электронов

7.

Для того чтобы ионизировать органическое вещество, его нужно сначала из
конденсированной фазы (жидкость, твердое тело) перевести в газовую фазу.
• Газообразные и легколетучие вещества поступают в источник из системы
напуска.
• Труднолетучие и термически неустойчивые вещества испаряют непосредственно
в источнике и в виде молекулярного пучка направляют в ионизационную камеру.
Принципиальная схема ионного источника
1 – напускной канал; 2 – ионизационная камера;
3 – электронная пушка; 4 – вытягивающая
линза; 5 – фокусирующая линза; 6 – ионный
пучок

8.

• Электроны, сталкиваясь с молекулами, вырывают из электронных оболочек электроны и
превращают молекулы в ионы. Молекулы распадаются на заряженные фрагменты по
определенному для каждого соединения механизму.
• Положительные ионы, образовавшиеся в ионизационной камере, вытягиваются и
ускоряются электрическим полем электродов, находящихся под напряжением 1-3 кВ.
Давление в камере ~10-3Па.
Принципиальная схема ионного источника
1 – напускной канал; 2 – ионизационная камера;
3 – электронная пушка; 4 – вытягивающая
линза; 5 – фокусирующая линза; 6 – ионный
пучок

9.

Достоинства:
• Наиболее распространенный и простой в реализации метод ионизации
• Богатый фрагментами масс-спектр соединений, что позволяет проводить структурные
исследования
• Наличие больших баз данных масс-спектров, позволяющих быстро производить
идентификацию соединений
Недостатки:
• Не всегда можно получить молекулярный ион
• Большая фрагментация образа, иногда трудно по фрагментации проследить направление
превращения иона
• Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу

10.

2. Химическая ионизация (CI)
• Источник ионов при повышенном давлении заполняется каким-либо газом (обычно
метан или изобутан, очень редко аммиак и др.),
• Газ-реагент ионизируют с помощью электронного удара, для образования положительно
заряженных ионов
• Избыток газа-реагента предохраняет молекулы пробы от ионизации
• Последующая ионизация молекул пробы происходит за счет переноса протона или
гидрид-иона

11.

N
ee
e- e- e e- +e
Образец
+
Газ-реагент
e- +
- e
e
Выталкивающий
электрод
S
Нить накала
+ +
+ +
+
Ускоряющие
пластины
+
+ В масс-анализатор
Фокусирующие
линзы
Схема источника ионов с CI

12.

Достоинства:
• Мягкий метод ионизации, молекуле образца передается около 5 эВ избыточной энергии,
что препятствует процессам фрагментации и позволяет подвергать анализу нестойкие
молекулы.
• Интенсивный пик молекулярного иона.
Недостатки:
• Отсутствие фрагментации, что не позволяет судить о структуре вещества и сравнить
спектр с базами масс-спектральных данных.
• Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу.

13.

3. Ионизация электрораспылением (ESI)
• Вещество на ионизацию поступает в
растворе
полярного
растворителя
(вода, ацетонитрил, метанол и т.д.)
• Небольшая капля раствора подается в
металлический
специальный
капилляр-«небьюлайзер»
(«распылитель»),
к
которому
одновременно
приложено
высокое
(несколько
кВ)
электрическое
напряжение, в результате чего капля с
раствором образца, срываясь с конца
капилляра,
заряд
имеет
положительный

14.

• Продвигаясь
поле,
в
капля
действием
электрическом
испаряется
нагретого
под
потока
инертного газа – азота
• Объем капли уменьшается, заряд
ее поверхностный растет и капля
«взрывается»
капель,
на
ряд
мелких
заряженных
положительно, и продолжающих
испарять молекулы растворителя
под действием нагретого сухого
инертного газа

15.

• Далее, через узкие отверстия сепараторов, где происходит постепенное снижение
давления с примерно атмосферного до глубокого вакуума, ионизированные частицы,
состоящие из молекул исследуемого вещества и катиона (H+, Na+, K+), попадают в
ионную оптику

16.

Достоинства:
• Метод позволяет работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу
• Удобен для сочетания масс-спектрометра с жидкостным хроматографом
• Возможность анализа крупных (до нескольких миллионов а.е.м.) молекул
Недостатки:
• Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях
• Масс-спектр малоинформативен, как правило, присутствуют лишь пики комплексов
молекулярного иона с катионом (Н+ , Na+ , K + ), многозарядных ионов таких
комплексов

17.

4. Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)
Фотоионизация
ионизация
–
это
монохроматическими
пучками фотонов с разбросом по
энергии 0.01-0.02 эВ. Пучки могут
быть получены излучением молекул
инертных
газов
в
газоразрядных
трубках либо при помощи лазеров.
Энергии самих фотонов лежат в
диапазоне 10-40 эВ, что позволяет
ионизировать любые органические
соединения.

18.

Достоинства:
• Полная передача энергии фотона молекуле вещества
• Удобен для установления энергетических характеристик молекул радикалов, ионов
Недостатки:
• Незначительная фрагментация молекулярных ионов
• Зависимость фрагментации от энергии фотонов
• Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу

19.

5. Лазерная десорбция (MALDI)
Матричная лазерная десорбция - метод, при котором исследуемое вещество
помещают в «матрицу» - перемешивают с веществом, имеющим меньший молекулярный
вес и обладающим высокой способностью поглощать лазерное излучение.
Матрицы (органические растворители):
• коричная кислота (С6Н5CH=CHCOOH),
• 3-гидроксипиколиновая кислота,
• 6,7-гидроксикумарин и т.д.
• Перемешивание происходит при помощи растворения вещества образца и вещества
матрицы в одном растворителе и последующем испарении растворителя на специальной
подложке

20.

• Далее смесь на подложке помещают в прибор
и
облучают
короткими
лазерными
импульсами
• Вещество матрицы испаряется и захватывает
с собой молекулы исследуемого вещества,
которые
частично
ионизируются
и
увлекаются электрическим полем в массанализатор

21.

Достоинства:
• Возможность анализа крупных молекул (массой до 100 000 а.е.м. и выше)
• Мягкая ионизация образца
• Возможность анализа загрязненных примесями образцов
Недостатки:
• Малоинформативный масс-спектр - присутствуют лишь пики молекулярного иона и его
«мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1
• Долгая пробоподготовка и необходимость подбора условий под образец - подбирать
вещество для матрицы

22.

Второй этап масс-спектрометрического анализа – сортировка
ионов по массам
Масс-анализатор - устройство для разделения ионов в соответствии с
отношением m/z
Основные типы масс-анализаторов:
• Магнитные
• Квадрупольные
• Времяпролетные
• «Ионная ловушка»

23.

В магнитном масс-анализаторе для разделения ионов используют однородное
магнитное поле. Согласно физическим законам траектория заряженных частиц в магнитном
поле искривляется, а радиус кривизны зависит от массы частиц.
z – заряд иона,
m – масса иона,
U0 – ускоряющий потенциал,
Н – напряженность магнитного поля

24.

Достоинства:
• Рекордная чувствительность
• Однозначность идентификации
• Большой рабочий диапазон масс
• Широкий линейный диапазон
Недостатки:
• Приборы большие как по размерам, так и по стоимости
• Там, где нельзя без них обойтись, им нет альтернативы

25.

В
квадрупольном
масс-анализаторе
ионный пучок направляют в пространство
между
четырьмя
параллельными
электродами
Это стержни из нержавеющей стали, одна
пара
по
диагонали
противоположных
стержней заряжена положительно, другая -
отрицательно
Одновременно
на
электроды
наложено
высокочастотное переменное напряжение
Под
действием
электрических
полей
заряженные частицы колеблются и при
фиксированном
значении
частоты
и
амплитуды переменного поля только ионы с
определенным значением m/z проходят
через квадруполь.

26.

Достоинства:
•время регистрации спектра до
0,1 с, что очень важно в
сочетании
прибора
с
хроматографией
•высокая чувствительность
•небольшие размеры
•невысокая цена
•удобство в эксплуатации
Недостатки:
•Верхний предел пропускания
находится между m/z 1000 и
2000

27.

• Действие времяпролетных массанализаторов (TOF) основано на
зависимости
скорости
ионов
их
массы.
ионы
движутся в
от
особенность:
движения
бесполевом пространстве
• После
ускорителя
все
Их
ионы
обладают одинаковой кинетической
энергией eV = mv2/2 , следовательно
– чем больше их масса, тем меньше
скорость, тем больше время пролета
иона через анализатор
L – длина детектора, U - ускоряющий потенциал

28.

Достоинства:
• Простота
• Относительно небольшая стоимости
• Надежность в эксплуатации
• Время пролета составляет несколько микросекунд
• Метод применим для определения массы больших молекул (десятки и сотни тысяч
атомных единиц)
• Популярны при исследовании соединений, непереводимых в газовую фазу

29.

Разновидность квадрупольного масс-анализатора - трехмерная ионная ловушка
Два концевых (полюсных) гиперболических по форме электрода заземлены, между
ними располагается электрод кольцевой формы, на который подается импульсное
напряжение мегагерцового диапазона.

30.

• Эта система электродов создает
поле, позволяющее удерживать
ионы достаточно долгое время
• Для
ионизации
образца
используется электронная или
химическая
ионизация
в
импульсном режиме (0,1 - 10
мс)
• Селективная регистрация ионов
позволяет
существенно
повысить
чувствительность
измерений

31.

Третий этап – детектирование ионов.
Конечный блок масс-спектрометра отвечает за
детектирование ионов.
Токи ионов с одной величиной m/z в конкретном
эксперименте очень малы (10–9—10—17 А) для прямого
измерения. Поэтому детектированию предшествует
процедура усиления сигнала. Умножители генерируют
вторичные токи, более мощные в 104—108 раз. Когда
ион проходит анализатор и попадает в детектор, он
инициирует эмиссию вторичных частиц, например
фотонов или электронов. Детекторы конвертируют
энергию входящих частиц в ток, который измеряется
соответствующими устройствами.

32.

Электронные умножители с дискретными и с распределёнными динодами

33.

34.

Ионно-фотонный детектор (IPD)
В ионно-фотонном детекторе трубка фотоумножителя покрыта слоем
сцинтилляционного соединения, такого как родамин Б или CsI. Когда ионы проходят
через масс-анализатор спектрометра, они ударяются о соединение сцинтиллятора и
вызывают испускание фотонов. Затем эти фотоны регистрируются фотоумножителем.
Между ионным пучком и сцинтиллятором также можно использовать конверсионный
динод, такой как микроканальная пластина, для увеличения сигнала. МКП при ударе
иона высвобождает электроны, которые затем ударяются о сцинтиллятор.
Схема ионно-фотонного детектора с
конверсионным динодом.

35.

Микроканальная пластина — часть, деталь электровакуумных приборов, предназначена
для усиления первичного потока электронов, имеющего некоторое пространственное
распределение интенсивности. Принцип усиления основан на явлении вторичной электронной
эмиссии при взаимодействии электронов возникающей электронной лавины с внутренними
стенками каналов МКП. По принципу действия близок к фотоэлектронным умножителям, но
так как усиление фототока происходит во многих микроскопических каналах, обеспечивает
пространственное разрешение распределения в потоке первичных электронов.

36.

Усиление потока электронов в МКП основано на принципе лавинного умножения электронов
вторичной эмиссии внутри каналов. Влетающий в канал электрон (или иная заряженная частица)
вблизи входа в канал сталкивается со стенкой, выбивая при этом один или несколько электронов.
Вылетающие при этом вторичные электроны имеют определённое энергетическое и
пространственное распределение. В пространстве вторичные электроны распределены по
закону косинуса, энергетическое распределение имеет максимумом при энергиях 1—3 эВ.
Вторичные электроны ускоряются электрическим полем вдоль канала до энергии достаточной для
выбивания очередных вторичных электронов и соударяются со стенкой, так как выбитые
электроны имеют также перпендикулярную к оси канала составляющую скорости и при
соударениях выбивают новые вторичные электроны.
Этот процесс повторяется многократно, и по
каналу, умножаясь, быстро продвигается
электронная лавина, которая через время
порядка 10−9 с выходит из канала. Число
выходящих из канала электронов, порождённых
одним первичным электроном,
называют коэффициентом усиления канала.

37.

Чаша Фарадея — устройство для определения полного
электрического заряда и интенсивности пучка частиц.
Когда пучок ионов попадает на металлический цилиндр, он
получает небольшой суммарный заряд, в то время как ионы
нейтрализуются. Чаша Фарадея по существу является частью
цепи, в которой ионы являются носителями заряда в вакууме, а
металлический цилиндр – часть разрядного устройства, где
носителями заряда уже являются электроны. Измеряя
электрический ток в металлической части цепи, можно
определить количество зарядов, переносимых ионами в
вакуумной части цепи. Для непрерывного пучка ионов (каждый с
одним зарядом) общее число ионов, попадающих на чашку в
единицу времени, равно:
N / t = I / e,
где N — число ионов, наблюдаемых за время t (в секундах), I —
измеренный ток (в амперах), e — заряд элементарного элемента
(около 1,60 × 10–19 Кл).

38.

Общая характеристика масс-спектрометрии
Аналитические возможности метода:
• Позволяет определять массы ядер и атомов и оценивать распространенность изотопов в
природе
• По соотношению масс изотопов материнского и дочернего излучений определяют
возраст горных пород, археологических и др. объектов
МС применяют:
• для элементного анализа твердых неорганических веществ и материалов
• для идентификации и установления структуры органических соединений, включая
определение молярной массы
• для исследования состава и структуры поверхностей твердых тел (локальный,
послойный и фазовый анализ)

39.

Для МС характерны:
• Использование небольших навесок ( 1 мг и меньше)
• Высокая чувствительность: все элементы периодической системы определяют с
чувствительностью 10-12 г; при использовании лазерных источников ионизации
достигается чувствительность 10-19 г
• Универсальность - возможность анализа широкого круга объектов от элементов до
сложных белковых молекул
• Высокая специфичность и селективность
Недостаток масс-спектрометрии:
• это деструктивный метод анализа, и используемый образец нельзя восстановить для
дальнейшего анализа или синтеза