А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии, страница 3

Принципиальная блок-схема масс-спектрометра представлена на рис. 2. Введение 11 43 100 1 Э' 80 8О 40 20 ае 60 ае ге тГа Рис. 1. Масс-спектр соединения с брутто-формулой СвНаОт в графическом и табличном виде Рис. 2. Блок-схема масс-спектрометра Для решения более сложных задач (например, анализ неразделенных смесей) схема процесса может быть значительно сложнее (гл. 7, тандемная масс-спектрометрия). Масс-спектрометрическая фрагментация органических соединений подчиняется определенным законам (гл.

2, 3), поэтому и при отсутствии спектра анализируемого соединения в компьютерных библиотеках можно установить его молекулярную массу, состав, наличие функциональных групп, а иногда и точную структуру по характеру распада (гл. 4). В распаде родственных соединений есть много об1цего (гл. 8).

Этот факт помогает правильной интерпретации спектров вручную, хотя требует определенной практики (гл. 10). Кроме того, масс-спектрометрия является наиболее чувствительным методом количественного анализа органических соединений (гл. 9). Глава 1 СИСТКМА ВВОДА ОБРАЗЦА Для того чтобы избежать нежелательных химических реакций в результате взаимодействия молекул и ионов, в источнике масс-спектрометра, как правило, поддерживается высокий вакуум (10 ~ — 10 а мм рт. ст.). Поэтому уже сам ввод образца является самостоятельной технической задачей. 1.1. Баллон напуска Одной из первых систем ввода, практически не используемой в настоящее время, служил баллон напуска (рис.

1.1). Анализируемое вещество находилось в газообразном состоянии (давление около 10 ~ мм рт. ст.) в баллоне объемом 50-2000 смз, внутренняя поверхность которого была остеклена для предотвращения нежелательных химических реакций на стенках сосуда. В поздних вариантах предусматривалась система нагрева пробы в баллоне. Этот резервуар соединялся с источником ионов отверстием очень небольшого диаметра, через которое осуществлялось молекулярное натекание образца в масс-спектрометр. Вход Рнс. 1.1.

Баллон напуска Альтернативными вариантами соединительного отверстия служили капилляры или пористые диафрагмы. Эти устройства позволяли получить стабильную концентрацию вещества в источнике и были необходимы на начальных этапах развития органической масс-спектрометрии, когда применялись малоэффективные вакуумные системы, а скорость развертки масс-спектра составляла минуты.

Очевидным недостатком данного ввода является необходимость переводить ве- 1.2. Прямой ввод 13 щество в газовую фазу в условиях неглубокого вакуума, что для многих образцов весьма проблематично. Конструкции стыковки баллонов напуска с ионными источниками подробно описаны в фундаментальном труде Джона Бейнона 12]. 1.2. Прямой ввод Развитие техники позволило в 60-х годах ХХ века перейти на более совершенную систему ввода, которая является общепринятой и широко распространенной в настоящее время.

Это — прямой ввод вещества в область ионизации. Твердый образец помещается в специальную микрокапсулу (стекло, кварц, керамика, металл), которая штоком вводится непосредственно в ионный источник, т. е. испарение осуществляется прямо в источнике ионов в условиях глубокого вакуума. При необходимости образец может быть натрет с помощью программируемой печки до температуры 400 — 500'С, а в некоторых случаях, как, например, в условиях десорбционной химической ионизации (разд. 5.3),— выше 1000'С. Понятно, что в этих условиях количество соединений, доступных масс-спектрометрическому анализу, значительно возрастает. Полное испарение введенного образца позволяет измерить количество соединения, т. е.

прямой ввод позволяет наряду с качественным проводить и количественный анализ веществ (гл. 9). Важно обращать внимание не только на температуру прямого ввода, но и на температуру источника ионов. Если вещество труднолетучее, а прямой ввод перегрет„оно может конденсироваться на стенках источника, что ведет к его быстрому загрязнению. Кроме того, последовательные процессы испарения и конденсации приводят к увеличению роли деструкции вещества и, соответственно, к искажению масс-спектра.

Процессы деструкции имеют место и в случае слишком высокой температуры источника. Принципиальная схема прямого ввода представлена на рис. 1.2. Программируемый нагрев образца в вакууме позволяет решить одновременно три задачи: во-первых, перевести в газовую фазу широкий круг органических С н 1Сапияяяр(ампуяа)с образном Вакуумный насос Шток Рис. 1.2. Система прямого ввода 14 Глава 1. Система ввода образца соединений; во-вторых, подобрать оптимальную температуру съемки, когда воспроизводится качественный масс-спектр; в-третьих, анализировать смеси соединений с разной степенью летучести. Такое фракционное испарение позволяет в некоторых случаях провести достаточно быстрый качественный и количественный анализ смеси без ее предварительного разделения. Важной характеристикой прямого ввода является существенное уменьшение количества образца, необходимого для получения масс-спектра.

В данном случае следует опасаться ввести слишком много вещества. Считается, что твердый образец в капилляре на конце штока должен быть едва различим глазом. Избыточное количество образца может привести к искажению масс-спектра из-за протекания ионно-молекулярных реакций и вызвать быстрое загрязнение источника ионов. Многие масс-спектрометристы предпочитают наносить вещество из раствора и вводят шток в источник после испарения растворителя. Еще один важный параметр съемки для наиболее распространенных спектров электронного удара связан с положением образца относительно пучка электронов.

Если образец расположен достаточно далеко, его молекулы достигают пучка электронов только после ряда последовательных столкновений со стенками источника. При этом возрастает роль процессов термодеструкции. Однако если поместить образец слишком близко к пучку электронов, наконечник штока может приобрести отрицательный заряд и начать отталкивать электроны, что приводит к расфокусировке пучка. Система прямого ввода применяется в основном в сочетании с методами электронного удара и химической ионизации, хотя его модификации используются в случае бомбардировки быстрыми атомами (разд.

5.10) и для некоторых других методов ионизации. 1.3. Мембранный ввод (Меп1Ьгапе 1п1е1 Мам Ярес1гоп1е1гу, М1МЯ) Достаточно перспективным является мембранный ввод пробы (371. Мембрана изготавливается из органического материала и пропускает в источник масс-спектрометра соединения, растворимые или адсорбируемые материалом мембраны и обладающие высоким коэффициентом диффузии в нем. Анализируемое соединение должно быть достаточно летучим, чтобы испаряться на вакуумированной стороне мембраны.

В одном из приводимых ниже вариантов мембрана размещается вне источника ионов [рис. 1.3) [38], в другом — капиллярная мембрана вводится непосредственно в источник (рис. 1.4) [39). Достоинством такого ввода является селективность в пропускании веществ разной природы. Поскольку мембрана не пропускает воду, неорганические газы и соли, она может использоваться для эффективного мониторинга загрязнения воздуха или воды органическими соединениями, а также для контроля био- 1А, хроматомасс-свектрометриа 15 Мембрана ]г ~7 мембрана Рис.

1.3. Размещение мембраны вне ис- точника ионов Рнс. 1.4. Размещение мембраны внутри источ- ника ионов химических процессов. Например, в работе [40) показано, что предел обнаружения в воде для широкого круга органических соединений с молекулярной массой (300 Да может достигать нанограммов в литре. В литературе описаны возможности непрерывного мониторинга органических соединений в сточных и природных водах [38), в воздухе [41], мониторинга биологических реакций [42]. 1.4.

Хроматомасе-спектрометрия, ГХ-МС (СС-МЯ) На сегодняшний день хроматомасс-спектрометрия [хромасс„ГХ-МС) является наиболее широко используемой разновидностью органической масс-спектрометрии, хотя, начиная с 90-х годов ХХ века, многочисленные варианты комбинированного метода высокоэффективная жидкостная хроматография — масс-спектрометрня [разд. 1.5) используются все шире и в ближайшее время, вероятно, займут лидирующее положение.

Стыковка газового хроматографа и масс-спектрометра была абсолютно логичной, поскольку оба метода использовались для анализа смесей органических соединений в газовой фазе и обладали приблизительно равной чувствительностью. Единственной проблемой для объединения двух методов в едином приборе являлось рабочее давление. Газовый хроматограф работает при атмосферном давлении, а масс-спектрометр — в условиях глубокого вакуума. Основные принципы стыковки были сформулированы и претворены в жизнь в 1957 году [43]. Первоначальные проблемы, связанные с недостаточной мощностью вакуумных систем и набивными колонками с рабочими потоками газа-носителя 30 мл/мин, решались установкой сепараторов различного типа [2].

Эти устройства размещались между выходным концом колонки хроматографа и ионным источником масс-спектрометра и предназначались для обогащения пробы анализируемым веществом за счет избирательной откачки значительно более легкого газа-носителя [водород, гелий). Появление более мощных вакуумных систем и капиллярных 16 Глава !. Система ввода образца колонок с меньшими потоками (0,5-2,0 мл/мин) значительно облегчило задачу, а замена металла или стекла, из которых изготавливались колонки, на плавленый кварц позволила ввести конец колонки непосредственно в ионный источник. Все это сделало метод ГХ-МС простым и эффективным.

Не стоит забывать, однако, что стыковка хроматографа и масс-спектрометра все-таки является компромиссом, поскольку давление в ионном источнике оказывается несколько выше идеального, а выходное отверстие хроматографической колонки функционирует в условиях вакуума, что несколько ухудшает разрешающую способность метода. Подробнее об этом можно прочитать в книге Чепмена 1341. Метод прежде всего предназначен для анализа смесей органических соединений и заключается в их разделении на колонке хроматографа с последовательным выходом компонентов из колонки в ионный источник масс-спектрометра, где происходит их ионизация.