Методы определения состава газовой фазы: масс-спектрометрия

ВВЕДЕНИЕ
Масс-спектрометрия является мощным аналитическим методом, ис-пользуемым для количественной оценки известных материалов, выявления неизвестных соединений в образце, а также для выяснения структуры и химических свойств различных молекул. Полный процесс включает в себя преобразование образца в газообразные ионы, с или без фрагментации, которые затем характеризуются их массы для зарядки отношения (м/з) и относительного изобилия.
Этот метод в основном изучает влияние ионизирующего энергии на молекулы. Это зависит от химических реакций в газовой фазе, в которой молекулы образца потребляются во время формирования ионных и нейтральных видов.
1. Устройство и принцип работы масс-спектрометров
Масс-спектрометры состоят из четырех основных частей; система обработки для внедрения неизвестного образца в оборудование; ионный источник, в котором производится пучок частиц, характерный для образ-ца; анализатор, который отделяет частицы в зависимости от массы; и де-тектор, в котором собираются и характеризуются разделенные ионные компоненты.
Спектрометр требует столкновения свободный путь для ионов и, следовательно, работает в вакууме или в приближенных к вакууму усло-виях. Система взвеси образца предназначена для минимальной потери ва-куума. Источник ионов создает из образца фрагменты ионов. Существует два вида ионных источников; газо-фазных источников и источников излу-чения.
Газо-фазные источники: образец сначала нагревается до ионизации. Переход в газовую фазу компонентов происходит различными способами. Образец испаряется за пределами источника ионов. Примерами методов ионизации являются химическая ионизация, ионизация электронов и пр.

Масс-спектрометр определяет массу молекулы, измеряя отношение массы к заряду (m / z) ее иона. Ионы образуются, когда нейтральные ча-стицы теряют или набирают заряд. После образования ионы электроста-тически отправляются в масс-анализатор, где они разделяются в соответ-ствии с их m / z и, наконец, обнаруживаются. Результатом ионизации мо-лекул, разделения ионов и обнаружения ионов является спектр, который можно использовать для определения молекулярной массы и даже некото-рой информации о структуре вещества. Можно провести аналогию между масс-спектрометром и призмой, как показано на рис. 2. В призме свет де-лится на составляющие длины волны, которые затем обнаруживаются оп-тическим приемником. Аналогичным образом, в масс-спектрометре гене-рируемые ионы разделяются в масс-анализаторе, подсчитываются и опре-деляются в детекторе ионов (таком как электронный умножитель).

Принципиальное устройство масс-спектрометра

Большинство масс-спектрометров стандартно состоят из четырех ос-новных компонентов (рис. 3): системы ввода пробы, ионизационного устройства, масс-анализатора и ионного детектора. В некоторых приборах сочетаются инжекция пробы и ионизация, в других - масс-анализатор и де-тектор. Однако все молекулы в образце обрабатываются одинаково, неза-висимо от конфигурации прибора. Частицы пробы вводятся через впуск-ную систему. При входе в устройство молекулы преобразуются в ионы в устройстве ионизации, а затем электростатически переносятся на масс-анализатор. Затем ионы разделяются в соответствии с их m / z. Детектор преобразует энергию ионов в электрические сигналы, которые затем от-правляются на компьютер.


Способы ввода образца
Ввод образца был одной из первых проблем масс-спектрометрии. Для анализа массы образца, который изначально находится при атмо-сферном давлении (760 Торр), его необходимо ввести в прибор так, чтобы вакуум внутри последнего оставался практически неизменным (~ 10-6 Торр). Основными методами введения образца являются прямое введение зонда или субстрата, обычно используемое в MALDI-MS, или прямая ин-фузия или инъекция в устройство ионизации, как в методе ESI-MS [1].
Прямое введение: Использование прямого введения зонда / держате-ля (рис. 4) - очень простой способ доставки образца к прибору. Образец сначала помещается на зонд, а затем вводится в зону ионизации масс-спектрометра, обычно через вакуумный клапан. Затем образец подверга-ется необходимым процедурам десорбции, таким как лазерная десорбция или прямое нагрвание, чтобы обеспечить испарение и ионизацию.

Прямая инфузия или инъекция: прямая капиллярная или капилляр-ная колонка используется для переноса образца в газ или раствор. Прямая инфузия также удобна, поскольку позволяет эффективно вводить неболь-шие количества материала в масс-спектрометр без нарушения вакуума. Капиллярные колонки обычно используются, чтобы отличить системы разделения от устройства ионизации масс-спектрометра. Эти системы, включая газовую хроматографию (ГХ) и жидкостную хроматографию (ЖХ), также разделяют различные компоненты раствора, которые важны для масс-анализа. В газовой хроматографии разделение различных ком-понентов происходит в стеклянной капиллярной колонке. Как только пары образца покидают хроматограф, они направляются непосредственно в масс-спектрометр.

Прямой перенос заряженной молекулы в газовую фазу
Перенос соединений, уже загруженных в раствор, легко осуществля-ется путем десорбции или вытеснения заряженных частиц из конденсиро-ванной фазы в газовую фазу. Обычно это делается с помощью MALDI или ESI.
Отрыв электрона. Как следует из названия, расщепление электронов дает молекуле 1+ положительный заряд, когда электрон выбивается, по-этому часто образуются катионы свободных радикалов. Отрыв электронов в основном наблюдается во время электронной ионизации и обычно ис-пользуется для относительно неполярных низкомолекулярных соединений. Также известно, что это часто приводит к образованию большого количе-ства ионов-фрагментов.

Метод ионизации (ЭУ) подходит для нетермолабильных соединений. Молекулы образца в парообразном состоянии бомбардируются быстро движущимися электронами, обычно с энергией 70 эВ. Это приводит к об-разованию ионов. Один электрон с самой высокой орбитальной энергией смещается, и, как следствие, образуются молекулярные ионы. Некоторые из этих молекулярных ионов разлагаются, и образуются фрагментарные ионы. Фрагментация данного иона происходит из-за избытка энергии, не-обходимой для ионизации. Фрагмент ионов может быть нечетным элек-троном или четным электроном. Молекулярные ионы, образующиеся при ионизации электронным ударом, являются нечетными электронными ионами. Ионы нечетных электронных фрагментов образуются прямым расщеплением (например, прямым расщеплением связи С-С). Даже ионы электронных фрагментов часто образуются путем перегруппировки (например, перенос протонов). Образец может быть введен в источник ЭУ с помощью устройства газовой хроматографии, например, в случае сме-сей, или непосредственно с помощью устройства для зондирования твер-дых частиц. Количество, необходимое для эксперимента, обычно меньше микрограмма материала.
Масс-спектры ЭУ в большинстве случаев содержат интенсивные пики ионов фрагментов и гораздо менее интенсивные пики молекулярных ионов. Когда пик молекулярных ионов не наблюдается в масс-спектре, для получения информации о молекулярных ионах можно использовать хими-ческую ионизацию. Одним из полезных правил для определения того, яв-ляется ли ион молекулярным ионом, является правило азота.
Правило азота: Как указано выше, молекулярные ионы, образующи-еся при ионизации ЭУ, являются ионами нечетных электронов. Если их наблюдаемое отношение массы к заряду нечетно, исследуемая молекула содержит нечетное число атомов азота. Если отношение массы к заряду является четным числом, эта молекула не содержит атомов азота или даже атомов азота.

Химическая ионизация
Для химиков-органиков химическая ионизация (ХИ) является осо-бенно полезным методом, когда в массовом спектре ХИ не наблюдается молекулярного иона, а также в случае подтверждения отношения массы к заряду молекулярного иона. Метод химической ионизации использует практически то же устройство источника ионов, что и при электронном ударе, за исключением того, что CI использует плотный источник ионов и газ-реагент. Газообразный реагент (например, аммиак) сначала подверга-ется электронному воздействию. Ионы образца образуются в результате взаимодействия ионов газа реагента и молекул образца. Это явление назы-вается ионно-молекулярными реакциями. Молекулы газа-реагента присут-ствуют в соотношении около 100:1 по отношению к молекулам образца. В процессе КИ образуются положительные и отрицательные ионы. В зави-симости от настройки прибора (напряжения источника, детектора и т. Д.) регистрируются только положительные ионы или только отрицательные ионы.
В ХИ реакции молекул ионов происходят между ионизированными молекулами газа реагента (Г) и летучими нейтральными молекулами (M) для получения ионов. Часто наблюдаются псевдомолекулярные ионы MH+ (режим положительных ионов) или [M-H]-(режим отрицательных ионов). В отличие от молекулярных ионов, полученных методом ЭУ, обнаружение MH+ и [M-H]- происходит с высоким выходом и наблюдается меньшее ко-личество фрагментарных ионов.

2. Определение состава газовой фазы методом газовой хроматографии
Газовая хроматография - масс-спектрометрия является общей ком-бинацией для специфического обнаружения и идентификации химических веществ. Техника газовой хроматографии используется для первоначаль-ного разделения компонентов образца, которые затем вводятся в масс-спектрометр для сортировки в соответствии с их соотношением массы к заряду. Анализ широко используется в фармацевтической и пищевой про-мышленности, но также используется для обнаружения неизвестных об-разцов, например, экологического анализа, судебно-медицинской экспер-тизы, обнаружения пожаров и взрывчатых веществ.
Метод анализа смесей газов и летучих веществ. Разделение основано на различии адсорбции на поверхности твердого носителя (адсорбента). Адсорбция может быть вызвана неспецифическим (ориентационным, ин-дуктивным и дисперсионным) и специфическим (комплексообразование или образование водородной связи) взаимодействиями и зависит от при-роды адсорбента и сорбата.
В качестве адсорбентов используются пористые носители, которые являются химически, физически и термически стабильными; однородная поверхность, равномерное распределение пор по размеру и известная ад-сорбционная активность. Адсорбционная активность зависит от удельной поверхности (определяемой геометрической структурой носителя) и от удельной поверхностной энергии (определяемой химической структурой поверхности). Преимуществами адсорбентов как стационарных фаз явля-ются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фоново-го сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селектив-ность. Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические) и модифицированные.
Среди неорганических адсорбентов особое место занимают сорбенты на основе углеродных материалов. Это неполярные сорбенты, для кото-рых геометрические параметры поверхности играют особую роль в про-цессе разделения. Самая интересная особенность этих материалов - спо-собность разделять структурные изомеры.
Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе диоксида кремния. Сорбенты используются для отделения легких углево-дородов. Наиболее разнообразны полимерные сорбенты на основе пори-стых полимеров стирола, дивинилбензола и дивинилбензола. Их можно синтезировать с желаемыми свойствами и очень чистой поверхностью. Это гидрофобные сорбенты, которые слабо удерживают полярные молекулы, содержащие гидроксиаминовые группы. Основная область применения полимерных сорбентов - разделение полярных и химически активных га-зов, а также высокополярных органических соединений; определение воды в органических растворителях и летучих органических загрязнителей в воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Масс-спектрометрия становится важным методом анализа биологи-ческих и небиологических макромолекул. Это один из самых чувствитель-ных и точных методов, способный обнаруживать только сотни частиц, уступающий только методам радиационного анализа. Разрешение некото-рых методов достигает 30 000, что означает точность в несколько десятков ppm. Эта точность позволяет проводить изотопный анализ макромолекул, таких как белки, а также определять дефект массы и вычислять общую формулу легких молекул и даже белков, основываясь исключительно на данных молекулярной массы и распределения изотопов.