Том 1 (1109661), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Фарадеевские детекторы отличаются хорошей воспроизводимостью. Однако их чувствительность мала, а время отклика велико. Последнее обстоятельство не позволяет их использовать в сочетании с хроматографией. д.д.и -И д . д: д дд д д .. З~Д7) Масс-спектры для различных источников ионизации Характер молекулярных масс-спектров сильно зависит от природы используемого источника ионизации. Самым ранним способом ионизации служила ионизация электронным ударом. Как уже упоминалосач ионизация в этом случае осуществляется в газовой фазе под действием электронов высокой энергии. Этот метод имеет ряд недостатков, однако вплоть до настоящего времени он остается преобладающим — — во многом из-за того, что большинство имеющихся библиотек масс-спектров составлены именно применительно к ионизации электронным ударом.
Основные типы источников ионизации приведены в табл.3.29. Как правило, в серийных приборах предусмотрена возможность использования нескольких различных источников. Все ионизаторы можно разделить на два больших класса. Первый из них составляют источники ионизации, предназначенные для работы в газовой фазе. В этих случаях обычно используют непрямой способ ввода пробы с помощью внешнего устройства напуска. Иногда испарение пробы осуществляют и непосредственно в ионизаторе с помощью нагревательного элемента. Второй класс — ионизаторы, использующие явление десорбции пробы. Этим методом можно изучать в том числе и нелетучие или термически нестабильные вещества.
Непосредственно к твердой или жидкой пробе подводится энергия в количестве, достаточном для ионизации и испарения его молекул. Ввод пробы осуществляют только прямым способом. Газофазные источники ионизации Применение предварительного испарения пробы позволяет изучать лишь молекулы с молекулярными массами менее 1000, которые переходят в газовую фазу при температурах не выше 500'С. Среди способов ионизапии, перечисленных в табл. 3.29, мы рассмотрим здесь ионизацию электронным ударом, химическую ионизацию и палеву|о ионизацию. Ионизация электронным ударом Источником высокоэнергетических электронов служит раскаленная вольфрамовая или рениевая проволока. Энергия образующихся электронов составляет около 70эВ. Коэффициент полезного действия такого ионизатора невелик: ионизируется лишь приблизительно од.на миллионная часть молекул пробы.
В результате ионизации пер- (318 Г 1 Сь р д ~ — ~ А'+В ~ — ЬА+В А» + В ФА +В» (3.109) Точка символизирует неспаренный электрон. Обычно масс-спектрометр способен регистрировать лишь положительно заряженные ионы. Отрицательные ионы (и тем более нейтральные радикалы и молекулы) не регистрируются. В ходе ионизации в результате различных столкновений могут образовываться и частицы с массами более высокими, чем у исходной молекулы (М). Очень часто в результате протонирования образуются значительные количества частицы с массой М + 1 (уравнение (3.113)). На рис.
3.115 приведен масс- спектр нитробензола. В нем присутствует пик молекулярного иона М+ с массой 123. Как очень часто бывает, он не является самым интенсивным. Самый интен- <м-но,у м' 77 123 а ЬО 40 Ф 20 сивный пик (называемый базовым) с т/з = 77 соответствует фрагменту, образовавшемуся в результате отщепления нитро- Лс '00 120 группы. В масс-спектрах интенсивность пиков обычно нормирурис 3 115 ьласс-спектр тробен- ют, пРинимаЯ интенсивность базола при ионизации электронным зового пика за 100%.
ударом. Как видно из рис. 3.115, в спектре присутствуют и пики с массо- воначально образуется радикал-катион, имеющий почти такую же массу, что и исходная молекула (см. табл. 3.29). Ввиду того, что масса электрона значительно меньше массы молекулы, энергия наступательного движения последней в результате соударения и ионизации возрастает незначительно. В то же время кинетической энергии электрона вполне достаточно для того, чтобы резко увеличить потенциальную энергию образующегося иона— в первую очередь его колебательную и врата»аельную составляющие (см. раздел 3.3.1). В результате ион обычно претерпевает распад, фрагментацию. Образующиеся дочерние ионы, как правило, обладают меньшими массами, чем исходная молекула.
Основные пути фрагментации ионизированной молекулы АВ изображены ниже. выми числами более высокими, чем у исходной молекулы. В данном случае это пики изотопно замещенных молекул. Так, пик с т7л = 124 соответствует молекулярному иону, содержащему изотоп 1зс. В табл.3.30 приведены относительные содержания изотопов различных элементов. Фтор, фосфор и иод состоят из одного- единственного элемента. Величины относительных интенсивностей изотопных пиков позволяют сделать важные выводы об элементном составе молекулы и часто — определить ее брутто-формулу. Таблица 3.30. Массы и относительная распространенность изотопов некоторых элементов.
Изотоп Масса Относительная распространенность, % Н 1, 0078 Н 2, 0141 гзВ 10, 0129 ггВ 11, 0093 ~~С 12, 0000 гзС 13 0034 1474 14 0031 ~~Х 15д 0001 '~0 15, 9949 ~а О 17, 9992 ~~8! 27, 9769 ~~Я! 28, 9765 з~8! 29 9738 ~~Я 31,9721 ~~8 32 9715 ~~Я 33, 9679 ззС! 34, 9689 згС! 36 9659 гзВг 78, 9183 з'Вг 80, 9163 100 О, 015 24,668 100 100 1,12 100 О, 366 100 О, 240 100 5, 110 3, 385 100 О, 789 4, 433 100 32, 399 100 97, 940 Ионизация электронным ударом относится к жестким способам ионизации. Она особенно удобна для идентификации веществ, поскольку при этом возникает множество осколочных фрагментов, а масс-спектр богат пиками и однозначно характеризует молекулу, служит как бы ее «отпечатками пальцев».
Однако сложность спектров может быть столь велика, что идентифицировать отдельные фрагменты не удается. Кроме того, при интенсивной фрагментации дЛ. дд ьс- д р: д д ~ м,м З~Д9)" ~~ 320 Г 3. Сю р тю ы~ ~~д может вообще не наблюдаться молекулярный пик — важнейший ис- точник информации о составе молекулы. Химическая ионизация СН4+е -+ СН4 +2е (3.110) В небольших количествах образуются также ионы СНз~ и СН+.
Затем в результате вторичных процессов могут образоваться и другие крайне реакционноспособные частицы, например, СН~ или С2Н": СН4 + СН4 + СН5 + СНз (3.111) СН4+ СН~ — ~ С2Н5 + Н2. (3.112) Последующая ионизация молекул исследуемого вещества ХН может происходить за счет переноса протона СН5+ + ХН ~ ХНг~ + СН4 (3.113) или гидрид-иона: СзН~~ + ХН вЂ” > Х + С2Нс. (3.114) В первом случае в масс-спектре наблюдается пик (М+1)+, во втором — (М вЂ” 1)+. Очень часто к молекуле исследуемого вещества присоединяется ион Сз Н5~, в результате чего наблюдается пик (М+29) (квазимолекулярный пик) . На рис. 3.116 приведены два масс-спектра глюкозы, полученные в жестких (электронный удар) и мягких (химическая ионизация) условиях.
Более мягкий способ ионизации основан на взаимодействии молекул пробы с ионами газа-реагента. Этот способ называется яимииеской ионизацией. По степени распространенности он занимает второе место. В методе химической ионизации пары анализируемой пробы смешивают с избытком (100-10000-кратным) гзза-реагента — обычно метана, а также аммиака, 1'10 или изобутана. Газ-реагент ионизируют с помощью злектронного удара.
Обычно процесс проводят так, чтобы образовывались положительно заряженные ионы. Для определения веществ с высоким сродством к электрону можно использовать и отрицательные ионы. Ввиду того, что газ-реагент находится в большом избытке, непосредственной ионизации молекул пробы обычно не наблюдается. При использовании метана в результате ионизации первоначально образуются главным образом ионы СН4 по реакции Р.Р.
Л - р р 7 д а р ю 32Д) Й Х 77 о в за, С1 102 аа па 1х Оо 170 100 о 30 70 70 ОО 110 130 150 170 100 до Рис. 3.116. Сравнение масс-спектров глюкозы, полученных методами злектронного удара (слева) и химической ионизации (справа; газреагент — аммиак). При электронном ударе наблюдается очень сильная фрагментация. Наибольшее наблюдаемое значение М равно 112 (пик СлН~1е). Базовый пик находится при М=73. При химической ионизации спектр очень беден пиками. Самый интенсивный пик (М=198) является квази.иолекуллрныла. Он возник в результате присоединения иона ЫН4 к молекуле глюкозы. Истинный молекулярный пик находится при М=180.
Сн; ОН Н Н Н ОН глюкоза Полевая ионизация В этом методе ионизация происходит под действием электростатического поля высокой напряженности (10 -10 В/см). При этом наблюдается отрыв электрона от молекулы пробы вследствие квантовомеханического туннельного эффекта. Ионизация происходит на так называемом змиттере, которым служит вольфрамовая проволока, покрытая пиролитическим углеродом. Частицы углерода образуют на поверхности проволоки микроскопические острия, увеличивающие локальную напряженность поля и тем самым способствующие ионизации.
Полевая ионизация относится к мягким способам ионизации. При ее использовании количество фрагментов невелико, а спектр достаточно прост и содержит молекулярный пик. Десорбционные методы ионизации незаменимы при исследовании биоореанических веществ с молярными массами порядка 10000. В этих методах ионизации подвергается непосредственно твердая или жидкая проба без ее предварительного испарения. Масс-спектры крайне просты и в предельном случае вообще состоят только из мо- 1! — ЗЭ46 100~- Ил ' д х 001 Х о 9* х $ 40- 20- о- Десорбционные методы ионизации (ззз г -з.
с. ро - ° ° з Попевая десорбция Как и в методе полевой ионизации, пробу ионизируют на эмиттере под действием высокого напряжения. Для облегчения десорбции змиттер нагревают электрическим током. Масс-спектр в этом случае еще проще, чем при полевой ионизации. На рис. 3.117 показаны масс-спектры глюкозы, полученные методами полевой ионизации и полевой десорбции. зоо, глюке и о ео й Цбаов и о о $Цго о л л~~ (мчу ов (м о ои ео глюкоза, го о ао Ф и о по зю ю ю ю но зю 1ео зю зео ю зо ео по зю зло Рис.
3.117. Сравнение масс-спектров глюкозы, полученных методами полевой ионизации и полевой десорбции. Бомбардировка быстрыми атомами В этом методе для ионизации используют высокоэнергетические. нейтральные. атомы, например, Хе или Аг. Пробу, находящуюся в конденсированном агрегатном состоянии, помещают в ионизатор непосредственно или в виде раствора,например, в глицерине. Бомбардировка пробы приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных ионов, которые в результате процесса десорбции отрываются от поверхности. Ввиду высокой скорости процессов ионизации и десорбции фрагментация молекул незначительна. При использовании растворов в глицерине растворитель принимает на себя значительную долю энергии, вследствие чего вероятность фрагментации становится еще меньше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
