Масс-спектрометрия

1. Масс-спектрометрия

2.

2
Масс-спектрометрия
метод основан на ионизации атомов
и молекул вещества и последующем
разделении образующихся ионов в
соответствии с их массовым числом
m/z - отношением массы иона к его
заряду - в электрическом или
магнитном поле.

3.

3
МС позволяет определить:
1. Молекулярную массу вещества.
2. Молекулярную формулу вещества.
3. Строение вещества.

4.

4
Масс-спектр уксусной кислоты
100
H3C C O
43
I,%
O
H3C C
OH
60
C O
CH3
15
50
28
m/z
10
20
30
40
50
60
1. Молекулярная масса – 60.
2. Молекулярная формула – С2Н4О2.
3. Строение вещества – СН3СООН.

5.

5
Масс-спектр уксусной кислоты
Основной ион
Фрагментные ионы
H3C C O
43
I,%
100
O
H3 C C
OH
60
C O
CH3
15
50
Молекулярный ион
28
m/z
10
20
30
40
50
60

6.

6
Типы ионов в масс-спектрах
1.Молекулярный ион – молекула с положительным
зарядом (катион-радикал), полученным за счёт отрыва
одного электрона от нейтральной молекулы.
2.Основной ион – ион, интенсивность которого в
масс-спектре максимальна.
3.Фрагментный ион – ион, образующийся при распаде
молекулярного иона с разрывом связей и миграцией
атомов.

7. Масс-спектрометрия – совокупность трёх отдельных процессов:

7
Масс-спектрометрия – совокупность трёх
отдельных процессов:
1. Ионизация молекулы.
2. Разделение ионов по массам.
3. Детектирование ионов.

8. Типы ионизации

8
Типы
1.
ионизации
Электронный удар (ЭУ).
e
e
ABC
молекула
органического
вещества
A+ + BC
-e
ABC
катион-радикал молекулярный ион
.
.
AB+ + C
распадные
частицы:
катионы и
радикалы
.
AB + C+
Распад (фрагментация)

9.

9
Достоинства метода
• дает богатые фрагментами масс-спектры,
которые однозначно характеризуют
структуру молекулы
• высокочувствительный метод анализа,
позволяет анализировать пикомольные
количества вещества (моль 10−12)
• Существуют "библиотеки" масс-спектров,
содержащие спектры более 70000
органических соединений, по которым
можно проводить их идентификацию с
применением ЭВМ

10.

10
Недостатки метода:
• Молекулярные ионы образуются лишь у 20%
органических соединений
• Определение легколетучих термически
стабильных соединений;
• Ионы с большими значениями m/z, дающие
информацию о молекулярной массе и
наличии функциональных групп
обеспечивают небольшой вклад в значения
полного ионного тока

11. Типы ионизации

11
Типы
ионизации
2. Химическая ионизация.
Органическое вещество ионизируется газом реагентом:
метаном, аммиаком, изобутаном
Определяемые молекулы АВ ионизируются
непосредственно ионами реагентного газа за счет
ряда реакций:
CH5+ + АВ → АH2+ + CH4
Далее протонированная молекула образца
выталкивается электрическим полем в сторону
масс-анализатора

12.

12
Достоинства:
1. Мягкий метод ионизации, молекуле образца
передается около 5 эВ избыточной энергии,
что препятствует процессам распада и
позволяет подвергать анализу нестойкие
молекулы
2. Интенсивный пик молекулярного иона, что
позволяет определить молекулярную массу

13.

13
Недостатки:
1. Отсутствие распада, очень простые массспектры, что не позволяет судить о
структуре вещества и сравнить спектр с
базами масс-спектральных данных
2. Анализ только газовых веществ.

14.

14
Типы
ионизации
3. Бомбардировка ускоренными атомами.
Ионизация ионами инертных газов: аргона, ксенона.
• пробу помещают в ионизатор непосредственно или
предварительно,
растворяют
в
подходящей
нелетучей матрице (обычно, в глицерине)
• облучение
потоком
нейтральных
высокоэнергетических атомов, например, Аг или
Хе
• образование положительных и отрицательных
ионов,
которые
в
результате
десорбции
отрываются от поверхности

15. Типы ионизации

15
Типы
ионизации
4. Электроспрей ионизация (ESI).
2002 г. Дж. Фенн – Нобелевская премия.
Анализ полимеров белков, пептидов, нуклеиновых кислот.

16. Достоинства:

16
Достоинства:
• Метод позволяет работать с веществами, которые
нельзя перевести в газовую фазу
• Удобен для сочетания масс-спектрометра с
жидкостным хроматографом
• Возможность анализа крупных молекул
• Мягкое (низкоэнергетическое) ионизационное
воздействие

17. Недостатки:

17
Недостатки:
• Вещество должно быть растворимо в
полярных растворителях
• масс-спектр
малоинформативен,
как
правило,
присутствуют
лишь
пики
комплексов
молекулярного
иона
с
катионом (H+ , Na+ , K+), многозарядных
ионов таких комплексов

18.

18
Типы ионизации
5. Матричная лазерная десорбционная
ионизация МЛДИ (MALDI).
2002 г. К. Танаке – Нобелевская премия.
Анализ полимерных молекул: полипептидов, белков,
нуклеотидов, полисахаридов, гуминовых веществ,
лигнинов, синтетических полимеров.

19. Взаимодействие лазерного импульса с образцом МЛДИ

19
Взаимодействие лазерного импульса с
образцом МЛДИ
лазерный
импульс (337нм,
3.68эВ, 0.1нс)

20.

20
Достоинства:
1. Возможность анализа крупных молекул.
2. Мягкая ионизация образца.
3. Возможность анализа загрязненных примесями
образцов
Недостатки:
1. Малоинформативный масс-спектр – присутствуют
лишь пики молекулярного иона и его
«мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких
молекул образца с зарядом +1
2. Долгая подготовка пробы и необходимость
подбора условий под образец - подбирать вещество
для матрицы

21. Типы ионизации

21
Типы
ионизации
6. Полевая ионизация
• Ионизация происходит под действием
электрического поля высокой напряженности (до
108 В/см).
• Происходит на эмиттере – вольфрамовой проволоке,
покрытой пиролитическим углеродом. Частицы
углерода увеличивают локальную напряженность
поля и способствуют ионизации .
• Метод относится к мягким способам ионизации.
• Количество образующихся фрагментов невелико.
• Спектр достаточно простой и содержит
молекулярный пик.
• Требуют предварительного испарения пробы
(~500 °С).

22. Способы ввода пробы:

22
Способы ввода пробы:
• Непрямой способ - пробу вводят в ионизатор в
газообразном состоянии. Жидкие и твердые
пробы испаряют(~500 °С) в вакуумной камере
• Прямой способ - используется для
труднолетучих проб. Образец непосредственно
вводят в ионизатор с помощью штанги через
систему шлюзовых камер.
• Анализируемое вещество поступает в массспектрометр в ходе хроматографического
разделения.

23.

23
Масс-спектрометрия
под действием
электронного удара

24.

24

25.

25
Движение заряженной частицы в магнитном
поле
2 2
m Br
z
2V
m – масса иона;
z – заряд иона;
B– напряжённость магнитного поля;
V – ускоряющее напряжение;
r – радиус кривизны движения иона.

26.

26
В масс-спектрометрии регистрируются только
заряженные частицы: катион-радикалы АВС+. и
катионы А+,
АВ+, С+.
Незаряженные радикальные частицы ВС. , С. ,
АВ. не регистрируются.

27. Масс - анализатор

27
Масс - анализатор
Масс –анализатор – устройство для разделения
ионов в соответствии с отношением m/z
Основные типы масс-анализаторов:
1. магнитные
2. квадрупольные
3. времяпролетные

28. Магнитный масс - анализатор

28
Магнитный масс - анализатор
Изменение траектории заряженной частицы под действием
магнитного поля.
r
1
H
2U0m / z
траектория заряженных частиц в магнитном поле
искривляется, причем радиус кривизны
зависит от их массы и заряда
31

29.

29
Достоинства:
высокое разрешение,
чувствительность,
большой диапазон детектируемых масс
Основной недостаток – большой размер
приборов и высокая стоимость

30. Электрический (электростатический) МА

30
Электрический (электростатический) МА

31. Квадрупольный анализатор

31
Квадрупольный анализатор

32.

32

33.

33
Действие времяпролетных масс-анализаторов основано
на зависимости скорости движения ионов от их массы.
Особенность: ионы движутся в бесполевом пространстве
После ускорителя все ионы обладают одинаковой
кинетической энергией E = mv2/2 , следовательно, чем
больше их масса, тем меньше скорость, тем больше время
пролета иона через анализатор
Метод применим для
определения массы больших
молекул (десятки и сотни
тысяч атомных единиц)

34. ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

34
ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТО-МАСССПЕКТРОМЕТРИЯ
• Сочетание ВЭЖХ и МС.
• Анализ смесей труднолетучих, полярных
веществ, не поддающихся анализу методом
газожидкостной хроматографии.

35.

35

36. Детекторы ионов

36
Детекторы ионов
Сначала использовалась фотопластинка.
В настоящее время применяют динодные
вторично-электронные
умножители, в которых ион, попадая на первый
динод выбивает из него пучок электронов,
которые в свою очередь, попадая на следующий
динод, выбивают из него ещё большее
количество электронов и т. д.
микроканальные умножители, системы типа
диодных матриц и коллекторы, собирающие
все ионы, попавшие в данную точку
пространства (коллекторы Фарадея)

37.

37
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
62
метод анализа, и используемый образец нельзя
восстановить для дальнейшего анализа или синтеза

38. Области применения МС

38
Области применения МС
Ядерная энергетика
Археология
Нефтехимия
Геохимия (изотопная геохронология)
Агрохимия
Химическая промышленность
Анализ полупроводниковых материалов, особо чистых
металлов, тонких пленок и порошков (например,
оксидов U и РЗЭ)
Фармацевтика - для контроля качества производимых
лекарств и выявления фальсификатов
Медицинская диагностика
Биохимия – идентификация белков, исследование
метаболизма лекарственных средств

39.

39
Масс-спектрометрическая
характеристика различных классов
органических соединений

40.

40
Алканы
Обычно дают малоинтенсивные пики М+.
В масс-спектрах характерно присутствие
гомологичных ионов [CnH2n+1]+.
Самые интенсивные пики m/z 43 [C3H7]+
и m/z 57 [C4H9]+.

41. Циклоалканы

41
Циклоалканы
Характерно наличие интенсивных пиков М+.
Обычный путь фрагментации – выброс
молекулы алкена.
выброс этилена
M = 28
циклогексан
M+ = 84
ион с m/z = 56

42.

42
Алкены и алкины
Пики М+ обычно более интенсивны, чем у алканов.
В масс-спектрах характерно присутствие
гомологичных ионов [CnH2n-1]+ и [CnH2n-3]+.
Распад молекул сопровождается
перегруппировками с миграцией
кратной связи.

43.

43
Спирты
Молекулярные ионы М+ образуются при потере
электрона от неподелённой электронной пары
атома кислорода.
Основные пути распада:
- элиминирование молекулы Н2О;
- разрыв α-β связи.

44.

44
Масс-спектр бутанола-1
100
[+CH2OH]
31
I,%
56 = 74 -18 = M+- H2O
[C3H5]+
41 [C3H7]+
43
50
M+
OH
74
m/z
10
20
30
40
50
60
70

45. Простые эфиры

45
Простые
эфиры
Характерен разрыв α-β связи:
O
бутилэтиловый
эфир M+ = 102
O
ион с m/z = 59
пропильный
радикал С3Н7 M = 43

46.

46
Альдегиды и кетоны
Характерен разрыв α-β связи с образованием
ацильных катионов:
R C O
R'
R' C O
R
O
R
C
R'

47.

47
Для альдегидов и кетонов характерна
перегруппировка Мак-Лафферти:
H
O
масса 14n
M+
OH
m/z = (M+ - 14n)

48.

48
Масс-спектр пентанона-2
продукт
перегруппировки
Мак-Лафферти
OH
58 = 86 -28 = M+ - H2C=CH2
100
I,%
H3C C O
43
O
71 = 86 -15 = M+ -CH3
50
O
86
58
71
M+
m/z
40
50
60
70
80

49.

49
Карбоновые кислоты и их производные
Основные пути распада молекулярных ионов:
путь а: Х = OH, NH2;
путь б: Х = OR, NHR, NR2, Hal.
X C O
R
O
C
R
X
R C O
X
Для карбоновых кислот и их производных
характерна перегруппировка Мак-Лафферти.

50. Ароматические соединения

50
Ароматические соединения
Характерно образование стабильных
высоко интенсивных молекулярных ионов М+.
В масс-спектрах производных бензола содержатся
характеристичные пики с m/z 78-76, 65-63, 52-50, 39-37.
Характер масс-спектрометрического распада
аренов определяется заместителями в
ароматическом кольце.