Масс-спектрометрический метод анализа химсостава

Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС или LC/MS по-английски. Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

2.8 Характеристики масс-спектрометров и масс- спектрометрических детекторов

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, разрешение, скорость сканирования.

Для того, чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр — достоверность. Ведь если Вы записывали только один пик из всего характеристического масс-спектра, Вам понадобится ещё много поработать, чтобы доказать, что этот пик соответствует именно тому компоненту, который Вас интересует. Как же разрешить эту проблему? Использовать высокое разрешение на приборах с двойной фокусировкой, где можно добиться высокого уровня достоверности не жертвуя чувствительностью. Или использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному иону можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Итак, абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.

По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например, использованию искривленного квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.

Разрешающая способность масс-спектрометра характеризует возможность раздельной регистрации ионов, близких по массам, и определяется величиной

Rk = M/D M,     (1.1)

где D M — минимальная разность масс однозарядных ионов, регистрируемых прибором раздельно, вблизи массы М.

Величина Rk рассчитывается (рисунок 1.1) по формуле

,                    (1.2)

где M1 и M2 — массы соседних ионов в а.е.м.;

l — расстояние между пиками M1 и M2 ;

a и b — ширины пиков на высоте kh (k определяется долей высоты пика: при уровне 10% k = 0,1; при уровне 50% k = 0,5); h1 и h2 — высоты пиков (интенсивность линий).

В соответствии с величиной R10% масс-спектрометры условно подразделяют по разрешающей способности:

R10% £ 100 — низкая, 100 < R10% < 1000 — средняя и R10% ³ 1000 — высокая.

Во многих типах масс-спектрометра разрешение ухудшается по мере увеличения массы ионов. Поэтому показателем качества прибора служит «единичное разрешение» — наибольшая величина массы иона, при которой достигается разделение двух пиков одинаковой высоты.

Если этому критерию, например, удовлетворяют массы от 1000 до 1001, то говорят, что такой прибор имеет разрешение 1000. «Единичное разрешение» магнитного масс-спектрометра может достигать 6000, а спектрометра с двойной фокусировкой — 80000 и более.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1- Определение разрешающей способности

                                 масс-спектрометра

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ИСТОЧНИКИ ИОНОВ

 

В зависимости от свойств анализируемых веществ и характера решаемой задачи ионы атомов и молекул могут быть получены несколькими способами, в том числе: электронным ударом, бомбардировкой поверхности пробы пучком электронов, ионов или нейтральных атомов, испарением с накаленных металлических поверхностей, фотоионизацией, в газовом разряде, в вакуумном высоковольтном разряде, плазменными методами. Многие из этих способов оформлены в виде конструкций, дающих возможность ионизировать вещества в газовой, жидкой и твердой фазах, обеспечивать более или менее одинаковую ионизацию всех компонентов смеси или селективное усиление ионизации веществ определенной структуры, получать положительные и отрицательные ионы. Разнообразие способов ионизации является одной из сильных сторон масс-спектрометрии, что дает возможность в зависимости от задач исследования и природы веществ менять вид воздействия на молекулы.

От источника ионов в значительной степени зависят такие важные характеристики масс-спектрометра, как чувствительность, пределы обнаружения и определения, правильность анализа и селективность. Чувствительность обусловлена эффективностью ионизации, «светосилой» прибора и определяется как отношение количества ионов данного типа, достигнувших детектора, к массе молекул этого же типа, помещенных в источник ионов. Наименьшая масса вещества в пробе, при которой наблюдается над фоном аналитический сигнал на выходе прибора, принимается как предел обнаружения. Эта характеристика приводится при оценке возможностей различных типов спектрометров, а также при сравнении методов анализа. Минимальное содержание анализируемого компонента в пробе, которое может быть измерено с заданной погрешностью, характеризует предел определения для данного прибора. Предел определения зависит не только от предела обнаружения, но и от стабильности основных функциональных узлов масс-спектрометра. Такая характеристика, как селективность, зависит от используемого способа ионизации, поскольку эффективность ионизации одних молекул может быть значительно больше, чем других. Селективность определяет величину коэффициента относительной чувствительности (КОЧ).

При проведении элементного анализа различных веществ важнейшим требованием является высокая правильность полученных результатов, которая зависит от дискриминации конкретного метода или прибора и от стабильности КОЧ. Правильность определения оценивается отклонением результата измерений от надежно установленного действительного содержания вещества в пробе и проверяется анализом стандартных образцов, состав которых измерен различными методами.  

 

3.1 Источники с электронным ударом (ЭУ)

 

Одним из первых и наиболее распространенным вплоть до настоящего времени способов ионизации является ионизация электронным ударом (ЭУ). Источник ионов с ЭУ обычно имеет камеру ионизации, в которую вводят поток паров анализируемого вещества (рисунок 3.1.). Перпендикулярно этому потоку камеру пересекает пучок ускоренных до заданной энергии электронов, эмитируемых нагретым рениевым или вольфрамовым катодом. Этот пучок электронов бомбардирует молекулы анализируемого вещества. Если энергия электронов больше потенциала ионизации молекулы, то с определенной вероятностью неупругие соударения приводят к образованию ионов в результате «выбивания» из молекулы одного из электронов:                                М + е– ® М+ + 2е–. Ионизация ЭУ имеет много достоинств: это, прежде всего, простота устройства источника ионов, хорошая воспроизводимость масс-спектров и высокая чувствительность. Абсолютная эффективность ионизации составляет 0,01–1% количества молекул, введенных в источник, а тепловой разброс ионов по энергиям находится в пределах 3–5 эВ, что позволяет достичь высокого разрешения (8000 и более) без применения масс-анализаторов с двойной фокусировкой. Вероятность ионизации ЭУ зависит от потенциала ионизации атомов и молекул (таблица 3.1; А.1) и сечения ионизации (таблица 3.2).

Среди всех элементов наибольшими потенциалами ионизации обладают благородные газы He (24,56 эВ), Ne (21,559 эВ) и Ar (15,755 эВ), а наименьшими — такие элементы, как Cs (3,893 эВ), К (4,339 эВ), Ва (5,20 эВ) и Na (5,138 эВ).

Сечение ионизации зависит от энергии бомбардирующих электронов. Начиная от порога ионизации, сечение быстро растет и достигает максимальной величины в области энергий Ее = 50–150 эВ. Из благородных газов наименьшее сечение ионизации имеет Не (0,102× 10–16 см2) и наибольшее — Хе (6,42× 10–16 см2), а из других элементов большие сечения имеют металлы Cs (11,64× 10–16 см2), Ba (11,94× 10–16 см2), La (11,96× 10–16 см2), Се (11,70× 10–16 см2). Из этих примеров видно, что при одинаковой концентрации в парах такие элементы, как Cs, Ba, La и Ce, будут образовывать большее количество ионов, и их пики на масс-спектрограммах будут выше. Следовательно, для выполнения количественного анализа необходимо проводить калибровку прибора. Кроме того, сравнение масс-спектров, полученных разными авторами, возможно, только если использована одна и та же энергия ионизирующих электронов.

 

 

 

 

 

 

 

1 — трубка напуска анализируемого газа;  
    2 — ионизационная камера;                       3 — катоды;  
             4 — фокусирующий магнит;                      5 —ускоряющий электрод;  
             6 — отклоняющие пластины;                    7 — ионный пучок; 
             8 — вытягивающий электрод;                   9 — электронный пучок; 
             10 — диафрагма напуска

Рисунок 3.1- Схема ионного источника типа Нира 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.1 - Потенциалы ионизации элементов, эВ

Элемент	Состояние ионизации
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	2	3	4	5	6	7	8	9
H	13,595
He	24,580	54,493
Li	5,390	75,619	122,420
Be	9,320	18,206	153,850	217,66
B	8,296	25,149	37,920	259,298	340,13
C	11,264	24,376	47,854	64,476	391,986	489,84
N	14,54	29,605	47,426	77,450	97,863	551,925	666,8
О	13,614	35,164	54,934	77,394	113,873	138,080	739,133	871,1
F	17,42	34,98	62,646	87,23	114,214	157,117	185,139	953,60
Ne	21,559	41,07	63,43	97,16	126,4	157,91	207,3	239,0
Na	5,138	47,29	71,65	98,88	138,60	172,36	208,444	264,155
Mg	7,644	15,03	80,12	109,29	141,23	186,86	225,31	265,957
Al	5,984	18,823	28,44	119,96	153,77	190,42	241,93	285,13
Si	8,149	16,34	33,46	45,13	166,73	205,11	246,41	303,87
P	10,55	19,65	30,156	51,354	65,007	220,414	263,31	309,26
S	10,357	23,4	34,7	47,29	72,5	88,029	280,99	328,80
Cl	13,01	23,80	39,90	53,3	67,80	96,75	114,27	348,3
Ar	15,755	27,62	40,90	59,8	74,97	91,41	124,20	143,46
K	4,339	31,81	46,1	61,3	82,5	99,88	118,24	154,6
Ca	6,111	11,87	51,21	67,7	84,39	109	128	148,1
Sc	6,56	12,80	24,75	74,3	92,0	111,1	138	159,3
Ti	6,83	13,57	27,47	43,24	99,8	120	140,8	171
V	6,74	14,65	29,31	48	65,2	128,9	151	173,7
Cr	6,764	16,49	30,95	49,6	73,2	90,60	161,2	185
Mn	7,432	15,64	33,69	52	76,1	98	119,24	196,4
Fe	7,896	16,18	30,63	57,1	78	102	128	151,1
Co	7,86	17,05	33,5	53	83,5	106	132	161
Ni	7,633	18,15	35,2	56,0	78	110	136	166
Cu	7,723	20,29	37,0	58,9	82	106	140	169
Zn	9,391	17,96	39,7	62	86	112	142	177
Продолжение таблицы 3.1
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Ga	6,00	20,53	30,7	64,1	90	118	144	174
Ge	7,88	15,93	34,23	4,7	93,4	113	148	177
As	9,85	20,2	28,1	50,1	62,8	127,5	150	182
Sе	9,750	21,4	32,0	42,9	73,1	81,8	155	187
Br	11,84	21,6	35,9	50	60	87	104	193
Kr	13,996	24,58	37,0	52	66	80	110	127
Rb	4,176	27,4	39,3	52	71	86	102	134
Sr	5,692	11,03	43,0	57	72	93	109	126
Y	6,6	12,3	20,5	62	76,9	94	117	135
Zr	6,95	14,03	24,11	33,99	83	98,8	118	143
Nb	6,77	13,5	28,1	38,3	49,5	103	125	145
Mo	7,18	15,2	27,0	40,5	56	72	125	153
Tc	7,45	15	29	43	59	76	94	162
Ru	7,5	16,4	28,6	46,5	63	81	100	119
Rh	7,7	18,1	31,0	45,6	67	85	105	126
Pd	8,33	19,9	33,4	48,8	66	90	110	132
Ag	7,574	122,0	39,7	52	70	89	116	139
Cd	8,991	16,92	38,2	55	73	94	115	146
In	5,785	18,87	27,8	58	77	98	120	144
Sn	7,332	14,63	30,6	39,6	81,1	103	126	150
Sb	8,64	16,7	24,8	44,0	55,8	107,6	132	157
Te	9,01	18,8	30,6	37,9	60,3	72,3	137,1	164
I	10,44	19,5	31,4	41,7	52	77	90	169,9
Xe	12,127	21,2	32,1	45,5	57	68	96	110
Cs	3,893	23,5	35	45,5	62	74	86	117
Ba	5,210	10,01	35,7	48,8	62	80	93	106
La	5,61	11,43	19,2	52	66	80	100	114
Ce	6,9	12,3	20	33,5	70	85	100	122
Pr	5,76	10,55	20,96			89	106	122
Nd	6,3	10,72	20,51				110	128
Pm	5,554	10,90	22,0					135
Sm	5,7	11,4	24,0
Продолжение таблицы 3.1
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Eu	5,67	11,3	24,56
Gd	6,16	12,1	21,3
Tb	6,7	11,52	21,02
Dy	6,8	11,67	21,83
Ho	6,018	11,80	22,2
Er	6,101	11,93	22,4
Tm	6,184	12,05	23,9
Yb	6,26	12,11	25,61
Lu	5,425	13,9	23,7
Hf	6,65	14,9	21	31
Ta	7,89	16,2	22,3	33,1	43
W	7,98	17,7	24,1	35,4	48	61
Re	7,87	16,6	26,0	37,7	51	64	79
Os	8,7	17	25	40	54	68	89	99
Ir	9,2	17	27	39	57	72	88	104
Pt	8,96	18,56	28,5	41,1	55	75	92	109
Au	9,223	20,1	30,5	43,5	58	73	96	114
Hg	10,434	18,761	34,21	46,0	61	77	94	120
Tl	6,106	20,43	29,8	50,7	64	81	98	116
Pb	7,415	15,03	32,0	42,3	69,73	84	103	122
Bi	8,3	16,7	25,4	45,3	56,0	94,42	107	127
Po	8,4	18,2	28	38	61	73	112	132
At	9,5	18,2	30	41	51	78	91	138
Rn	10,745	19,9	29,8	43,8	55	67	97	111
Fr	4,0	21,5	32	43	59	71	84	117
Ra	5,277	10,15	34,3	46,4	58,5	76	89	103
Ac	5,17	11,5	18,9	49	62	76	95	109
Th	6,08	11,5	18,7	33,6	65	80	94	115
Pa	5,89	11,3	20,5	36,4		84	100	115
U	6,05	11,6	20,5	36,89			104	121

 

При ионизации ЭУ образовавшийся ион находится в возбужденном состоянии и может распадаться на различные фрагменты в зависимости от величины переданной электроном энергии, условий локализации заряда и наличия «слабых мест» в структуре молекулы (рисунок 3.2.). Из-за значительной фрагментации масс-спектры некоторых соединений не содержат пика молекулярного иона, что является одним из недостатков ионизации ЭУ. Уменьшение энергии ионизирующих электронов приводит к увеличению относительной интенсивности пиков молекулярных ионов и к уменьшению, а иногда и полному исчезновению пиков осколочных ионов. При этих условиях получаются малолинейчатые спектры, которые используют для выявления пиков молекулярных ионов. Однако при уменьшении энергии бомбардирующих электронов резко снижается эффективность ионизации, и поэтому на практике приходится искать компромисс между требованием уменьшения пиков осколочных ионов и необходимостью сохранения чувствительности прибора.

Таблица 3.2- Максимальные сечения ионизации (Q) химических

                                элементов, 10–16 см2

Элемент	Q	Элемент	Q	Элемент	Q	Элемент	Q
1	2	3	4	5	6	7	8
Н	0,234	Fe	4,71	Sb	6,94	Os	7,11
Не	0,102	Co	4,28	Те	7,31	Ir	7,10
Li	3,50	Ni	3,99	I	6,92	Pt	7,17
Be	1,92	Сu	4,06	Xe	6,42	Au	6,46
В	2,11	Zn	3,17	Cs	11,46	Hg	5,34
С	1,73	Ga	5,12	Ba	11,94	Tl	7,11
N	1,38	Ge	5,20	La	11,96	Pb	7,34
O	1,31	As	4,87	Ce	11,70	Bi	8,40
F	1,02	Se	5,16	Pr	10,91	Po	8,39
Ne	0,820	Br	4,60	Nd	10,68	At	8,36
Na	4,27	Кr	4,12	Pm	10,43	Rn	7,94
Mg	3,44	Rb	8,93	Sm	10,23	Fr	12,04
Al	5,43	Sr	8,88	Eu	9,86	Ra	12,15
Продолжение таблицы 3.2
1	2	3	4	5	6	7	8
Si	4,94	Y	8,64	Gd	9,53	Ac	12,90
P	4,20	Zr	7,90	Tb	9,50	Th	12,91
S	4,10	Nb	8,29	Dy	8,82	Pa	12,01
Cl	3,38	Mo	7,39	Ho	8,62	U	11,62
Ar	2,83	Tc	6,31	Er	8,39	Np	11,24
К	7,67	Ru	7,20	Tm	8,43	Pu	10,00
Са	7,05	Rh	6,61	Yb	7,80	Am	9,72
Sc	6,56	Pd	6,55	Lu	8,43	Cm	10,19
Ti	5,97	Ag	5,44	Hf	7,76	Bk	9,88
V	5,58	Cd	4,57	Та	7,41	Cf	8,47
Cr	5,45	In	6,74	W	7,07
Mn	4,56	Sn	7,01	Re	7,25