Том 1 (1109661), страница 51
Текст из файла (страница 51)
(306 Г хс р ю д Внерезонансная развязка В этом методе применяют дополнительное облучение образца в обла- сти низких частот (1000 — 2000 Гц). При этом константы спин-спино- вого взаимодействия уменьшаются (рис. 3.109), и в спектре наблю- даются лишь наиболее сильные взаимодействия. с сн сн, сн, о исходный спектр С С Сн Снз Снз 1 ппзрокополосная развязка от ядер Н с сн сн, сн, внерезонансная развязка Рис. 3.109. Различные методы развязки от протонов в спектроскопии .ЯМР С в случае прямых взаимодействий спинов С и Н. Внерезонансная развязка бывает очень полезна при исследовании сложных спектров, особенно высоких порядков.
В исходном виде такие спектры ввиду наличия множества налагающихся друг на друга мультиплетов часто практически не поддаются интерпретации. Ядерный эффект Оверхаузера При использовании широкополосной (а частично -- и внерезонансной) развязки интенсивности сигналов ядер ~~С возрастают по сравнению с теоретическими (т.е. рассчитанными из отношений засс ленностей уровней по уравнению (3.93)).
Это явление называется ядерным эффектом Оверхаузера. Оно обусловлено непосредственным магнитным взаимодействием ядер протонов и соседних ядер 1~С. Результатом является увеличение заселенности нижних энергетических уровней ядер (вплоть до трехкратного). Возрастание интенсивностей сигналов вследствие ядерного эффекта Оверхаузера позволяет соответственно сократить время регистрации спектров. Однако при этом нарушается пропорциональная зависимость между площадью пика и числом ядер, что препятствует количественному анализу. т.т. с„„е„...
ао„„,к„„„к „„,,(ямя~ аоф Установление структуры В спектроскопии ЯМР ~~С величины химических сдвигов используются для установления структуры органических и биоорганических молекул точно таким же способом, как и в спектроскопии ЯМР Н.
При зтом информацию о спин-спиновых взаимодействиях используют редко. Типичные диапазоны химических сдвигов в спектроскопии ЯМР на ядрах (зС приведены на рис. 3.110. кетоны акьдетнды «исакии сложныетфи тиокетоны атометнны тетикьтрематичеекв ал коны ароматичес нитрилы алкины С (четаертичн С (третичн С [вторичнь С (лервичнь растворится ЭЭО 220 ИО (70 56 ИО НО 60 30 $0 26 Ю Рис. 3.110. Химические сдвиги ядер ' С в органических соединениях (со- гласно Фриболину) . Методы интерпретации спектров с точки зрения химического окружения ядер в спектроскопии ЯМР ~~С и Н весьма схожи.
Однако в данном случае взаимодействия не ограничиваются ближайшим окружением, а влияния заместителей на величины химических сдвигов иногда прослеживаются вплоть до пятого по счету атома углерода. Двумерная спектроскопия Я(-"(Р Под двумерной спектроскопией ЯМР понимают метод исследования, результатом которого являются зависимости интенсивностей сигналов ЯМР от двух частотных переменных. Графически двумерные спектры ЯМР представляют в виде трехмерных диаграмм. (308 Г 9.С р..
д Если, например, на одной оси откладывать величины химических сдвигов, а на другой — значения констант спин-спинового взаимодействия, то получится двумерный 1-спектпр ЯМР. Спектры, в которых по обеим осям отложены величины химических сдвигов, называются двумерными 6-спектрами или корреляционными спектрами (СОзу). Спектры коррелированных химических сдвигов протонов называют Н,Н-СОЯУ-спектрами. Возможно получение и корреляционных гетероядерных (например, Н и ~~С) спектров.
В основе всех этих современных разновидностей ЯМР-спектроскопии лежит импульсный метод, при котором спад свободной индукции (см. выше, об импульсных методах в целом) измеряют лишь после подачи серии дополнительных импульсов. Методы двумерной спектроскопии позволяют идентифицировать сигналы в значительно более сложных спектрах, чем традиционные одномерные методы ЯМР.
Спектроскопия яМР других ядер Методом ЯМР можно изучать любые ядра, спин которых отличен от нуля (табл. 3.26). Всего известно около 200 ядер, обладающих магнитным моментом. Для исследования структуры наряду с ядрами Н и ~~С чаще всего используют ядра мВ, 19Р и ~~Р. 3.5. Масс-спектрометрия: идентификация молекулы по ее осколкам Метод масс-спектрометрии основан на превращении определяемых компонентов в ионизированные частицы и их разделении в газовой фазе в соответствии с их массовыми числами — отношениями массы (гп) к заряду (г).
Строго говоря, масс-спектрометрию не следовало бы относить к спектроскопическим методам, поскольку в ее основе не лежат процессы взаимодействия вещества с электромагнитным излучением. Масс-спектр характеризует результат разделения ионов в электрическом или магнитном поле, поэтому масс-спектрометрию можно было бы отнести к методам разделения. Однако по традиции ее относят к спектроскопическим методам, с которыми она действительно имеет много общего.
Значение метода масс-спектрометрии определяется характером решаемых с его помощью задач: — установление структуры органических соединений, включая определение молярной массы; — качественный и количественный анализ сложных смесей органических и неорганических соединений с высокой чувствительностью и разрешающей способностью; — определение изотопного состава; — исследование состава и структуры поверхностей. Масс-спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала детектора (относительной меры количества данного иона) от отношения массы иона к его заряду (т/я), Устройство масс-спектрометра Масс-спектрометры относятся к весьма сложным аналитическим приборам.
Это выражается в том числе и в их стоимости: цена одного масс-спектрометра может значительно превышать 100000 евро. Главными узлами масс-спектрометра являкутся сисуиема напуска, источник иониэации (ионизатор) с ускорителем ионов, масс-аналиэашор (устройство для разделения ионов) и детектор в сочетании с регисуприрууощим устройством (рис. 3.111). Чтобы по возможности исключить соударение ионов с другими атомами и молекулами, анализ производят в вакууме. В ионизаторе давление составляет 10 з — 10 4Па, а в масс-анализаторе — 10 а — 10 8 Па. ускоритель ионов проев Гс о~~ 1 1о ° система нвпускв строаство лля рвткслсния нов источник ионитвлии масс-спектр Рис. 3.111. Схема устройства масс-анализатора. Система напуска Количество вводимой пробы не должно превышать нескольких ми- кромолей, чтобы не нарушить вакуум внутри прибора.
Существуют прямой и непрямой способы ввода пробы. тли — в к с л р к мк .* коме) (310 Г д.С д. а ..*. д При непрямом способе пробу вводят в масс-спектрометр в газообразном состоянии. При исследовании жидких или твердых образцов их необходимо предварительно перевести в пар путем нагревания до температур порядка 500'С в условиях вакуума ( 10 4 Па). Пробу испаряют в специальной камере, из которой пары в виде молекулярного пучка поступают через отверстие в ионизатор.
Прямой ввод пробы используют тогда, когда проба труднолетуча. Б этих случаях образец непосредственно вводят в ионизатор с помощью штанги через систему шлюзовых камер. При таком способе ввода потери вещества значительно меньше, чем при непрямом вводе, поэтому для анализа бывает достаточно нескольких нано- граммов образца.
Еще один способ ввода пробы состоит в том, что анализируемое вещество поступает в масс-спектрометр в ходе хроматографического разделения. Сочетание масс-спектрометрии с громашографией уже давно используют в газовой хроматографии, а в последнее время -- и в жидкостной. Этот метод анализа (хромато-массспектрометрия) подробно рассматривается в разделе 5.5. Источники ионизации Перед разделением анализируемые вещества необходимо перевести из нейтральных молекул или атомов в ионное состояние. Для ионизации используют потоки быстрых частиц — электронов, ионов, атомов, фотонов — а также тепловую или электрическую энергию.
На выходе из ионизатора проба находится главным образом в форме положительно заряженных ионов. Их затем ускоряют с помощью специального устройства. В табл. 3.29 приведены наиболее распространенные способы ионизации в масс-спектрометрии. Форма получаемого масс-спектра сильно зависит от применяемого способа ионизации. Поэтому более подробно особенности отдельных источников ионизации будут рассмотрены дальше, в разделах, посвященных обработке и интерпретации масс-спектров.
Масс-анализаторы Масс-анаяизапгор представляет собой устройство для разделения ионов и играет ту же роль, что дифракционная решетка в оптической спектроскопии. Но, в отличие от оптической спектроскопии, где происходит разделение фотонов по их энергиям или длинам волн, в масс-спектрометрии разделяют ионы в соответствии с ве- личинами отношений массы к заряду. Задача состоит в том, чтобы, во-первых, добиться как можно более полного разделения и тем самым достичь высокого разрешения, а, во-вторых, обеспечить достаточно большое количество разделяемых ионов и тем самым— высокие значения ионных токов.
Эти задачи в известной мере противоречат друг другу, поэтому на практике стремятся достичь некоего компромисса. лаблица 3.29. Способы ионнзации в масс-спектрометрии. Символ М означает нейтральную молекулу или атом. Название Сокращение Источник ионн- Процесс зации М + е -э М+' + 2е ионизация алек- Е1 электроны тронным ударом химическая М+ СН~ -+ МН++ СНд М вЂ” ~М+'+е гзз-реагент ионизация полевая иониза- Р1/г'П электрическое поле ция, полевая де- сорбция М + Х -+ (М+Н)+ бомбардировка ГАВ быстрыми ато- мами ускоренные ато- мы М + /и — ~ М~ь'+ е М -+ М+' + е УФ-излучение высоковольтная искра Р1 ЯЯМЯ фотоионизация искровая иони- зация тепловая энер- М вЂ” ~ М ' + е гия 1СР/МЯ ионизация в индуктивно связанной плазме М + Аг" -+М+' + Аг 31МЯ ионизация вторичными ионами ионы Разрешающую способность масс-спектрометрического анализа можно, в соответствии с уравнением (1.17), охарактеризовать как (3.103) Для примера будем считать два соседних пика разрешенными, если положение максимума одного из них совпадает с точкой, где высота другого составляет 10% от максимальной.
В этом случае величина разрешения гь, равная 5000, означает возможность раздельной регистрации пиков ионов с массами 500, 0 и 500, 1 либо 50, 00 и 50, 01. Серийно выпускаемые приборы характеризуются разрешением в пределах от 500 до 500000. Требуемое разрешение определяется д.д. М . р д : ,д . д а т ° Э Н)) ~312 Г д. С д ю д Секторный магнитный анализатор Классическим способом разделения ионов в статических условиях является использование секторного магнитного анализатора. С его помощью пучок ионов отклоняют в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита на определенный угол, например, 60', 90', 120' или 180'. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
