Масс - спектрометрия (Ефременков). Курсовая работа Массспектрометрия
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Брянский государственный технический университет Кафедра ЭРЭиЭС Курсовая работа «Масс-спектрометрия» Студент группы 10-МиТЭ: Ефременков Д.М. Преподаватель: Калинин К.Ю. Брянск 2014 СодержаниеВведение 3 1.Основные методы ионизации 4 1.1 Электронная ионизация 4 1.2 Химическая ионизация 6 1.5 Ионизация электрическим полем и полевая десорбция 9 1.6 Бомбардировка быстрыми атомами и масс-спектрометрия вторичных ионов с ионизацией в жидкой фазе 11 1.7 Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) 13 2. Разделение ионов в электрических и магнитных полях 14 2.1 Составляющие масс-спектрометров 15 Масс-спектрометрия высокого разрешения (HRMS – High Resolution Mass-Spectrometry) позволяет разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих одной целочисленной массе. 17 Таким образом, при разрешении 5000 возможно разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих целочисленной массе 28. 18 Измерение точной массы иона (4-6 знаков после запятой) однозначно определяет его элементный и изотопный состав. Измерения проводят при помощи реперов – стандартов известного состава, как правило, это перфторкеросин, перфтортрибутиламин и другие полностью фторированные соединения – в масс-спектрах таких стандартов регистрируются сигналы фрагментных ионов, равномерно перекрывающих весь диапазон масс от m/z 19 до M+ (примерно до 1500 Да). 18 3. Принципы работы различных масс-спектрометров 18 3.1 Магнитный секторный анализатор 18 3.2 Квадрупольный анализатор 21 3.3 Ионная ловушка 22 3.4 Времяпролетный анализатор 24 3.5 Ионный циклотронный резонанс с Фурье преобразованием или масс-спектрометрия с преобразованием Фурье 26 Заключение 29 Список литературы 30 ВведениеМасс-спектроскопия - (масс-спектрометрия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ) – метод исследования вещества путем определения массы m(чаще, отношения массы к заряду m/e) и относительного количества ионов, образующихся (или имеющихся) в веществе. Краткая история: Рисунок 1. Вальтер Кауфман 1901 г. – немецкий физик В. Кауфман (на рис. 1) создал первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных лучей» 
Рисунок 2. Артур Джеффри Демпстер 1985 г. – Коити Танака изобрел метод мягкой лазерной десорбции (Нобелевская премия по химии 2002 г.) Масс-спектрометрия позволяет определять:
Задачи, решаемые масс-спектрометрией:
Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключающимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре. В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: углеродные единицы (у. е.), атомные единицы массы (а. е. м.), дальтоны (Да).
Газовая фаза:
Жидкая фаза:
Твердая фаза:
1.1 Электронная ионизацияЯвляется одним из наиболее известных способов ионизации. Для ионизации вещества используется поток электронов с высокой энергией. На рисунке 3 приведена схема типичной установки, применяемой для этих целей.  Рисунок 3. Устройство прибора для электронной ионизации Источником электронов является нагретая металлическая проволока (катод). Электроны, покидающие поверхность катода, разгоняются электрическим полем по направлению к аноду. Путь электронов проходит через объем, занятый анализируемым веществом, предварительно переведенным в газообразное состояние (в ионизационной камере поддерживается разряжение 10–5 – 10–6 мм рт. ст.), с молекулами которого происходит взаимодействие, заключающееся в передаче энергии. Электрон, пролетая вблизи молекулы, вызывает возбуждение ее электронной оболочки. Результатом такого возбуждения является перемещение собственных электронов молекулы на более высоколежащие орбитали. Начиная с определенных значений энергии (энергия ионизации), возбуждение заканчивается потерей электрона и превращением молекулы в соответствующий катион-радикал, называемый молекулярным ионом. M + e → M +• + 2e Рисунок 4. Распределение энергии электронов Эффективность ионизации зависит от энергии ионизирующих электронов, максимум эффективности достигается при энергии примерно 70 эВ.  Преимущества: – Наиболее изученный метод ионизации; – Может использоваться для ионизации практически любых летучих соединений; – Высокая воспроизводимость спектров; – Фрагментация позволяет получить информацию о строении соединения; – Возможность идентификации соединений сравнением полученного масс-спектра со спектрами из базы данных. Недостатки: – Анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; – Отсутствие или низкая интенсивность в спектрах многих соединений сигнала молекулярного иона затрудняет идентификацию. 1.2 Химическая ионизацияХимическая ионизация – это ионизация образца пучком предварительно ионизированных молекул газа, например, метана или аммиака. Ионизация молекул газа происходит при помощи электронной ионизации при 150-200 эВ и дальнейшего химического превращения газа-ионизатора.    Сталкиваясь с молекулами образца, ионизированные молекулы газа передают свой заряд в виде протона:  Преимущества:_–_Позволяет_получить_информацию_о_молекулярной_массе_соединения;–_Масс-спектр_намного_проще,_чем_при_ионизации_электронами._Недостатки'> Преимущества: – Позволяет получить информацию о молекулярной массе соединения; – Масс-спектр намного проще, чем при ионизации электронами. Недостатки: – Как и в случае электронной ионизации, анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; – Поскольку осколочных ионов практически не образуется, метод в большинстве случаев не позволяет получить информацию о строении вещества; – Результат сильно зависит от типа газа-реагента, его давления, времени взаимодействия с веществом, поэтому очень трудно добиться воспроизводимых результатов.
Фотоионизация – это ионизация монохроматическими пучками фотонов с разбросом по энергии 0.01 – 0.02 эВ. Пучки могут быть получены излучением молекул инертных газов в газоразрядных трубках либо при помощи лазеров. Энергии самих фотонов лежат в диапазоне 10-40 эВ, что позволяет ионизировать любые органические соединения. Преимущества: – Полная передача энергии фотона молекуле вещества; – Удобен для установления энергетических характеристик молекул, радикалов, ионов. Недостатки: – Незначительная фрагментация молекулярных ионов; – Зависимость фрагментации от энергии фотонов; – Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу.
Электроспрей (электрораспыление) – это метод, в котором вещество на ионизацию поступает в растворе полярного растворителя (им может быть вода, ацетонитрил, метанол и т. д.), при этом в растворе присутствуют катионы водорода или щелочных металлов, натрия или калия. Небольшая капля раствора подается в металлический специальный капилляр-распылитель, к которому одновременно приложено высокое (несколько кВ) электрическое напряжение, в результате чего капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (чаще всего азота). Объем капли уменьшается, заряд ее поверхностный растет – и капля «взрывается» на ряд мелких капель, заряженных положительно, и продолжающих испарять молекулы растворителя под действием нагретого сухого инертного газа. Далее через узкие отверстия сепараторов, где происходит постепенное снижение давления с примерно атмосферного до глубокого вакуума, ионизированные частицы, состоящие из молекул исследуемого вещества и катиона (H+, Na+, K+), попадают в ионную оптику. Преимущества: – Возможность работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу; – Метод практически идеально подходит для стыковки масс-спектрометра и жидкостного хроматографа; – Возможность анализа крупных (до нескольких миллионов дальтон) молекул; – Мягкое ионизационное воздействие. Недостатки: – Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях; – Масс-спектр малоинформативен, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+, Na+, K+), многозарядных ионов таких комплексов. 1.5 Ионизация электрическим полем и полевая десорбцияОба метода относятся к «мягким» способам ионизации и имеют практически одинаковое аппаратное оформление и механизм воздействия на вещество. Ключевую роль играет проволочный эмиттер, поверхность которого покрыта микроиглами (рисунок 3).  Рисунок 3. Вид эмиттера под микроскопом Между эмиттером и ускоряющим катодом поддерживается разность потенциалов 8–10 кВ. Благодаря малому радиусу кривизны на концах игл создается высокая напряженность электрического поля. Молекулярные орбитали вещества под действием поля искривляются, и происходит туннелирование электронов из молекулы на эмиттер. Энергия, переносимая в результате этого процесса, составляет доли электрон-вольт, причем избыточная энергия молекулярного иона оказывается даже ниже, чем в условиях химической ионизации, поэтому в большинстве случаев пик молекулярного иона является единственным сигналом в спектре. Высокий положительный потенциал эмиттера выталкивает образовавшийся молекулярный ион по направлению к детектору. Различие между ионизацией электрическим полем и полевой десорбцией заключается в агрегатном состоянии анализируемых объектов. Ионизация электрическим полем применяется для получения масс-спектров газообразных соединений, эмиттер находится в заполненной газом-веществом камере. При ионизации десорбцией электрическим полем вещество непосредственно наносится на эмиттер, что позволяет анализировать жидкости и твердые вещества. На рисунке 4 приведена схема такой установки.  Рисунок 5. Схема установки для ионизации полевой десорбцией Преимущества: – Масс-спектр содержит зачастую только сигнал молекулярного иона; – Дает хорошие результаты при анализе органических соединений, полимеров с небольшой молекулярной массой и металлорганических соединений. Недостатки: – Хрупкость эмиттера и трудности его изготовления; – Газообразные вещества должны обладать достаточной летучестью; – Для десорбции полем из-за небольших размеров эмиттера необходимо строго контролировать количество наносимого вещества (не более 10–5 г); – Анализ требует продолжительного времени. 1.6 Бомбардировка быстрыми атомами и масс-спектрометрия вторичных ионов с ионизацией в жидкой фазеБомбардировка быстрыми атомами как способ ионизации была предложена в начале 1980-х годов, и ее внедрение позволило вывести масс-спектрометрию на новый уровень. Принципиальная схема такой ионизации приведена на рисунке 5.  Рисунок 6. Принципиальная схема ионизации бомбардировкой быстрыми атомами Пучок разогнанных атомов (чаще всего для этого используются атомы аргона и ксенона) направляется на раствор вещества, нанесенного на металлическую подложку. Взаимодействуя с раствором, атомы создают интенсивный локальный разогрев, молекулы, находящиеся на поверхности, испаряются, формируя над поверхностью образца область высокотемпературной плазмы, в которой протекает ионизация. Для получения пучка атомов используют два подхода. В первом случае вначале генерируют ионы соответствующего газа, которые ускоряют потенциалом 6–8 кВ. Разогнанные ионы направляются далее в область с нейтральным газом, где, сталкиваясь с нейтральными частицами, передают им свою кинетическую энергию. Ускоренные таким образом атомы направляются на поверхность образца. В другом методе разогнанные ионы перед бомбардировкой образца проходят через пучок электронов, движущихся в перпендикулярном направлении. Захватывая электроны, ионы превращаются в атомы. Особенность масс-спектрометрии вторичных ионов с ионизацией в жидкой фазе заключается в том, что вместо атомов образец бомбардируется разогнанными ионами, чаще всего Cs+. Использование растворов вместо индивидуальных веществ неслучайно. Разогнанные атомы (ионы) не способны глубоко проникать в образец, поэтому для получения качественного спектра необходимо обеспечивать постоянную концентрацию вещества на поверхности, что достигается лишь в растворе, где скорость диффузии значительно выше. Соединение, использующееся в качестве растворителя, должно отвечать ряду условий: а) иметь низкую летучесть; б) обладать низкой вязкостью, чтобы не препятствовать диффузии к поверхности; в) быть химически инертным; г) хорошо растворять анализируемое вещество; г) должно способствовать ионизации. Наиболее популярными матрицами являются глицерин и 3-нитробензиловый спирт. Естественно, что при бомбардировке ионизации подвергается не только анализируемое вещество, но и матрица. Ионы матрицы фрагментируются и перегруппировываются, создавая сильный фон в части спектра до 200 а.м, поэтому данные способы ионизации не рекомендуется применять для веществ с низкими молекулярными массами. Следует иметь в виду, что эти способы ионизации нельзя назвать «мягкими». Бомбардировка быстрыми атомами (ионами) приводит к передаче молекулам значительной энергии. В результате, наряду с пиками молекулярных ионов в спектрах некоторых соединений наблюдаются интенсивные пики осколочных ионов. Преимущества: – Быстрое получение масс-спектра; – Отсутствует необходимость в использовании высокой температуры, что позволяет анализировать термически лабильные соединения; – Дает хорошие результаты для широкого спектра образцов, в частности, позволяет получать масс-спектры ионных соединений. Недостатки: – Анализируемое вещество должно хорошо растворяться в матрице; – Высокий уровень шумов, что требует введения больших количеств образца; – В области низких масс доминируют ионы матрицы. 1.7 Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)Рисунок 7. Исследуемое вещество, помещенное в «матрицу» Матричная лазерная десорбция – это метод, при котором исследуемое вещество помещают в «матрицу» - перемешивают с веществом, имеющим меньший молекулярный вес и отличающимся высокой способностью поглощать лазерное излучение (например, коричная кислота, 3-гидроксипиколиновая кислота, 6,7-гидроксикумарин и т.д.). Далее подложка с матрицей помещается в ионный источник, где в качестве ионизатора выступает короткий импульс (0.1 нс…1 мкс) лазерного излучения. Луч, попадая на подложку с матрицей, вызывает испарение вещества матрицы, молекулы которой ухватывают за собой молекулы исследуемого вещества. В процессе  Рисунок 8. Захват молекул исследуемого вещества при испарении испарения часть молекул ионизируется и далее увлекается электрическим полем в сторону анализатора.  Преимущества: – Возможность анализ крупных молекул (массой до 100 000 дальтон и выше); – Мягкая ионизация образа; – Возможность анализа загрязненных примесями образцов. Недостатки: – Малоинформативный масс-спектр – присутствуют лишь пики молекулярного иона и его «мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1; – Долгая пробоподготовка и необходимость подбора условий под образец – подбирать вещество для матрицы. 2. Разделение ионов в электрических и магнитных поляхРазделение ионов в масс-спектрометрических устройствах основано на зависимости движения ионов в электрических и магнитных полях от их массы и скорости. Уравнение движения ионов в векторной форме для нерелятивистской заряженной частицы записывается следующим образом:  (2.1)где m - масса иона; q - заряд; с - скорость света в вакууме; v - скорость иона. В общем случае электрическое и магнитное поля являются функциями как координат, так и времени: Е = Е (х, у,. х, t), Н = Н(х, у, х, t). Движение ионов в электрическом и магнитном полях, как следует из (2.1), зависит от их массы и заряда, а точнее, от отношения М = m/q. Из уравнения (2.1) следует, что любое масс-спектрометрическое устройство разделяет ионы только в зависимости от этого отношения, которое для удобства называют массой иона. В масс-спектрометрии рассматривают два случая движения ионов в электрическом и магнитном полях. В первом случае электрическое и магнитное поля не зависят от времени: Е = Е (х, у, z), Н = Н (х, у, z). Все масс-спектрометры, в основе которых лежит разделение ионов в статических электрическом и магнитном полях, называются статическими. Во втором случае электрическое и магнитное поля или одно из них являются функциями также и времени Е = Е (х, у,. х, t), Н = Н(х, у, х, t). Масс-спектрометры, в которых разделение ионом происходит в переменных полях, называются динамическими. 2.1 Составляющие масс-спектрометровРазделительная способность электрических и магнитных полей реализуется в устройствах, называемых масс-спектрометрами и энергоспектрометрами, которые состоят из следующих основных элементов: Источник ионов, предназначенный для получения ионов из заданного вещества. Анализатор, в котором ионы разделяются в соответствии с отношением массы к кратности заряда М = m/q или энергии к кратности заряда W = Wп/q. Детектор, предназначенный для собирания ионов и получения на выходе сигнала, удобного для дальнейшей обработки. Регистрирующая система, служащая для усиления, записи и переработки информации. Вспомогательный элемент спектрометров - вакуумная система, которая обеспечивает необходимое разряжение для исключения столкновения ионов с молекулами воздуха. Кроме того, для введения исследуемых веществ в масс-спектрометрах применяют второй вспомогательный элемент - систему ввода. 2.2 Разрешающая способность Разрешение масс-спектрометра (R) – это возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m+∆m).  Рисунок 9. Пики ионов Идеальная форма пика ионов – прямоугольная, реальная – гауссова. В зависимости от глубины ложбины между двумя соседними пиками принято говорить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50% - для квадрупольных.   Таблица 1. Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к 400 а. е. м. Масс-спектрометрия высокого разрешения (HRMS – High Resolution Mass-Spectrometry) позволяет разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих одной целочисленной массе. Примером такого является мультиплет с целочисленной массой 28. Это может быть монооксид углерода CO, азот N2, этилен C2H4. Поскольку за стандарт принят основной изотоп углерода 12С (12.000000), массы всех остальных изотопов элементов не целые числа: масса основного изотопа водорода 1H – 1.00782506, азота 14N – 14.00307407, кислорода 16O – 15.99491475 и т.д. Тогда массы CO – 27.9949, N2 – 28.0061, C2H4 – 28.0313.  Рисунок 10. Зависимость формы пика ионов от разрешения масс-спектрометра Таким образом, при разрешении 5000 возможно разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих целочисленной массе 28.Измерение точной массы иона (4-6 знаков после запятой) однозначно определяет его элементный и изотопный состав. Измерения проводят при помощи реперов – стандартов известного состава, как правило, это перфторкеросин, перфтортрибутиламин и другие полностью фторированные соединения – в масс-спектрах таких стандартов регистрируются сигналы фрагментных ионов, равномерно перекрывающих весь диапазон масс от m/z 19 до M+ (примерно до 1500 Да).С ростом молекулярной массы резко возрастает число ионов с одинаковой целочисленной массой, что приводит к необходимости увеличения разрешения масс-спектрометров. 3. Принципы работы различных масс-спектрометров3.1 Магнитный секторный анализаторИсторически первый из предложенных типов анализаторов. Принцип его работы следующий. Вылетающие из источника ионов частицы попадают в магнитное поле анализатора, силовые линии которого направлены перпендикулярно движению. Под действием поля траектория движения частиц искривляется, и ион начинает двигаться по окружности, радиус которой пропорционален величие m/q. Ионы с меньшим значением m/qотклоняются сильнее, чем более тяжелые (рисунок 7).  Рисунок 11. Действие магнитного поля на траекторию движения ионов Магнитный секторный анализатор сам по себе используется достаточно редко. Причина состоит в том, что ионы, вылетающие из источника, имеют разную кинетическую энергию и, следовательно, скорость. Поэтому при прохождении анализатора ионы с одинаковым отношением m/q, но разной скоростью несколько отклоняются от средней траектории, что приводит к размытию сигнала и потере разрешающей способности. Для исправления этого недостатка используется система двойной фокусировки, где помимо магнитного анализатора на пути движения ионов помещают электростатический анализатор. В электрическом поле ионы также начинают двигаться по окружности, однако в этом случае траектория движения зависит от кинетической энергии частицы. Ионы с большей энергией отклоняются сильнее и проходят большее расстояние, с меньшей энергией меньшее. В результате достигается более точная фокусировка пучка и, как следствие, высокое разрешение. На рисунке 8 приведено устройство спектрометра с двойной фокусировкой.  Рисунок 11. Устройство масс-спектрометра с двойной фокусировкой В данном случае электростатический анализатор расположен до магнитного, в такой ситуации говорят о прямой геометрии прибора. Если первым располагается магнитный анализатор, то говорят об обратной геометрии. Для большинства масс-спектрометрических задач расположение анализаторов не принципиально. В процессе работы внутри прибора поддерживается разрежение, что ограничивает диапазон методов ионизации, с которыми может работать такой детектор. Использование двойной фокусировки позволяет существенно повысить разрешение прибора, в результате становится доступной съемка масс-спектров высокого разрешения. При такой съемке масса иона определяется с точностью до 4–6 знаков после запятой, что позволяет определять его элементный и изотопный состав. Преимущества: – Высокое разрешение, чувствительность. Недостатки: – Сложности при соединении с источниками ионизации, которые работают при более высоком давлении; – Большие размеры; – Высокая цена. 3.2 Квадрупольный анализаторПредложен в 1953 г. Вольфгангом Паулем, впоследствии получившем Нобелевскую премию по физике. Квадрупольный анализатор состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения, к которым попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного напряжений (рисунок 9).  Рисунок 13. Устройство квадрупольного анализатора Попав в анализатор, положительно заряженный ион будет двигаться к отрицательно заряженному стержню, однако, если до того как он достигнет стержень, полярность последнего изменится, ион изменит направление движения. В результате, под действием электрического поля ионы, вводимые в квадруполь, начинают колебаться относительно осей x и y. Так как каждый ион имеет свою собственную частоту колебаний, зависящую от массы, через анализатор проходят лишь те из них, частота которых находится в резонансе с частотой квадруполя, остальные оседают на поверхности стержней. Из-за этой особенности квадруполя его еще называют фильтром масс. Прошедшие анализатор ионы регистрируются детектором. Поскольку величина m/qзависит от радиочастотной составляющей, ее постепенное изменение позволяет просканировать всю рабочую область m/qи получить масс-спектр. Преимущества: – Компактный, недорогой, простой в изготовлении; – Быстрое сканирование (до 1000 m/qв секунду); – Хорошая воспроизводимость спектров. Недостатки: – Не подходит для импульсных ионизационных методов; – Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс. 3.3 Ионная ловушкаИонная ловушка была описана одновременно с квадрупольным анализатором, и ее работа построена на практически тех же принципах. В основе конструкции лежит система из трех электродов (рисунок 10).  Рисунок 14. Устройство ионной ловушки Два концевых электрода гиперболической формы имеют потенциал земли, между ними находится кольцевой электрод, на который подается радиочастотное напряжение. Пространство внутри ловушки заполнено инертным газом, чаще всего гелием. Попадая в ловушку, ионы начинают двигаться по замкнутым орбитам внутри кольцевого электрода и теоретически могут удерживаться внутри бесконечно долго. В реальности, из-за столкновений между собой или молекулами инертного газа их время жизни ограничено. Инертный газ находится в ячейке для того, чтобы в результате столкновений с ионами принимать их избыточную энергию и не давать им распадаться дальше или взаимодействовать с другими ионами. Как отмечалось, внутри ловушки ионы движутся по замкнутым орбитам, размеры которых зависят от ряда факторов, одним из которых является величина m/q. Если теперь подать дополнительный радиочастотный сигнал на концевые электроды, его поглощение будет повышать энергию ионов, увеличивая скорость и радиус их движения. Ионы, движение которых будет находиться в резонансе с внешним радиочастотным сигналом, получат максимальную энергию и смогут покинуть ловушку, попав в детектор. Поскольку условие резонанса зависит от величины m/q, постепенно изменяя частоту сигнала, из ловушки последовательно выводятся и регистрируются все ионы. Преимущества: – Высокая чувствительность; – Самый маленький и дешевый из всех применяемых анализаторов; – В отличие от ранее описанных анализаторов позволяет работать с импульсными методами ионизации. Недостатки: – Несмотря на предосторожности, в ионной ловушке все же протекают реакции между ионами, что приводит к искажению спектров и сложностям при компьютерной идентификации соединений по базам масс-спектров; – Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс. 3.4 Времяпролетный анализаторРабота этого типа анализаторов построена на простейшем принципе: скорость движения разогнанных ионов пропорциональна их массе. Если ионы движутся в полой трубе, то детектора они достигнут в порядке увеличения массы (рисунок 11).  Рисунок 15. Принцип работы времяпролетного анализатора Анализатор такого типа очень прост, а диапазон масс практически не лимитирован. Тем не менее, широкому внедрению времяпролетных анализаторов мешал ряд причин: низкая разрешающая способность и невозможность использования с непрерывными методами ионизации. Проблема низкого разрешения возникает из-за того, что ионы с одной и той же массой могут иметь разную скорость или разное положение в пространстве, ионы выходящие из источника находятся не на одной линии, а занимают конкретный объем. Это приводит к тому, что одни ионы запаздывают, другие – наоборот, убегают, в результате детектируемый сигнал размывается и теряется разрешение. Невозможность стыковки с непрерывными методами ионизации связана с тем, что ионы подаются в анализатор постоянно, то есть нельзя замерить время между вводом и достижением детектора, которое и позволяет определить отношение m/q. Тем не менее, для импульсных методов ионизации этот детектор практически незаменим: импульс лазера является сигналом для отсчета времени. Для устранения разброса ионов по скоростям необходима модификация конструкции прибора и введение дополнительных деталей – рефлектронов (ионных зеркал) (рисунок 15).  Рисунок 16. Схема времяпролетного масс-спектрометра с рефлектроном Принцип работы рефлектрона аналогичен принципу работы электростатического анализатора в магнитном секторном масс-спектрометре с двойной фокусировкой: ионы с большей скоростью проникают глубже внутрь рефлектрона. Первыми попадая внутрь, они последними покидают его и тем самым догоняют более медленные ионы. Использование такого принципа позволило существенно повысить разрешающую способность анализатора. Преимущества: – Простое устройство; – Теоретически неограниченный предел регистрируемых масс; – Высокая скорость записи спектров (может анализироваться до нескольких сотен спектров в секунду); – Высокая чувствительность и разрешающая способность. Недостатки: – Наиболее подходит для импульсных методов ионизации, работа с непрерывными методами ионизации требует использования более сложных схем; – Внутри анализатора необходимо поддерживать очень высокий вакуум. 3.5 Ионный циклотронный резонанс с Фурье преобразованием или масс-спектрометрия с преобразованием ФурьеФизические основы данного метода были разработаны в 30-х годах XX века, а первый масс-спектрометр был построен в 1973 г. Основным элементом анализатора является ячейка, размещенная в однородном магнитном поле. Ячейка может иметь разнообразные формы, простейшей является куб. Для создания магнитного поля используют сверхпроводящие магниты. Это связано с тем, что характеристики прибора зависят от напряженности поля, поэтому для получения наилучших результатов необходимо поле силой 3–9 Т. Ионы образца, генерированные любым из методов ионизации, направляются в ячейку анализатора перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. В результате ион начинает двигаться в ячейке по круговой орбите (рисунок 13а), частота движения пропорциональна величине m/q. Для детектирования ионов их облучают приложением к ячейке радиочастотного поля. Когда частота движения иона оказывается в резонансе с частотой возбуждающего импульса, радиус его движения начинает увеличиваться по спирали (рисунок 13б). Ионы с другими массами не изменяют характера движения. Если возбуждение продолжается в течение длительного времени, ион может достигнуть стенок ячейки. Если же вовремя прекратить облучение, ионы будут продолжать движение по орбите с большим радиусом (рисунок 13в). Для предотвращения столкновений между ионами или с нейтральными частицами внутри прибора поддерживается глубокий вакуум (10–10 мм рт. ст.).  Рисунок 17. Схема работы масс-спектрометра с преобразованием Фурье Для детектирования ионов в ячейке используется система из двух пластин, имеющих потенциал земли и соединенных между собой. Когда положительно заряженные ионы перемещаются от одной пластины к другой, их электрическое поле заставляет электроны перемещаться в том же направлении по внешней цепи между двумя электродами. Такое движение электронов называется наведенным током – это переменный ток с частотой, равной частоте движения ионов, а его амплитуда пропорциональна числу ионов данного вида в ячейке. Наведенный ток усиливается и регистрируется специальным устройством масс-спектрометра. В более раннем варианте линейно изменяли частоту внешнего радиочастотного поля, однако это требовало длительного времени и большого количества образца. Существенный прорыв был достигнут при внедрении масс-спектрометрии с преобразованием Фурье. В этом случае в ячейке возбуждаются сразу все ионы в результате приложения широкого радиочастотного импульса. Регистрируется комплексный сигнал, включающий в себя частоту и амплитуду наведенного тока каждого иона – временной сигнал (рисунок 14а).  Рисунок 18. Регистрируемый временной сигнал (а) и полученный после Фурье преобразования масс-спектр (б) Математические операции, основанные на преобразованиях Фурье, позволяют перейти от временного сигнала к масс-спектру в обычном виде (рисунок 14б). Преимущества: – Обеспечивает наивысшее среди других анализаторов разрешение; – Ионы внутри ячейки могут находиться достаточно продолжительное время. Недостатки: – Очень громоздкий и дорогой; – Использование сверхпроводящих магнитов требует криогенного охлаждения. ЗаключениеМасс-спектрометрия становится важным методом анализа биологических и небиологических макромолекул. Она является одним из самых чувствительных и точных методов, способным определять всего лишь сотни молекул, уступая в этом только радиационным методам анализа. Разрешение некоторых методов достигает 30000, что означает точность порядка десятков ppm. Получаемая информация даёт возможность определять структуру молекулы, а также, в ограниченных масштабах, механизмы газофазных реакций и реакционные центры исследуемых молекул. Вместе с тем, масс-спектрометрия является одним из самых дорогих методов анализа, уступая в этом только рентгеноструктурному анализу. Это обусловлено, главным образом, необходимостью организации высокого вакуума внутри прибора и связанных с этим трудностей при выборе оборудования. Список литературы
|
