МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Сущность метода может быть изложена в виде следующей схемы.

1. Превращение нейтральных частиц – атомов или молекул в заряженные частицы – ионы.

2. Разделение образовавшихся ионов в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля.

3. Измерение электрического тока, образуемого направленно движущимися ионами, по которому можно судить об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества, как на качественном, так и на количественном уровне.

Существует много способов сообщить заряд нейтральной частице. В зависимости от задач исследования, а также от устойчивости частицы используют тот или иной способ ионизации. Электронный удар является одним из наиболее распространенных и заключается в столкновении атомов и молекул с электронами, что приводит к образованию ионов с зарядами q_i.

Рассмотрим нейтральную молекулу типа АБ. При электронном ударе возможно протекание различных процессов:

АБ + e ® АБ ⁺ + 2e,

АБ + e ® А ⁺ + Б ^–,

АБ + e ® А⁺ + Б + 2e,

АБ + e ®АБ ^–,

АБ + e ®АБ ^{+ +} + 3e.

Разделение фактически осуществляется не по массе, а по отношению массы иона m к его заряду q (m/q). Существует много способов пространственного разделения ионов.

В некоторых случаях молекулы исследуемого вещества термически нестабильны. Это означает, что если нагревать твердый или жидкий образец для получения пара, то испарение будет сопровождаться термодеструкцией молекул, что приведет к искажению информации об изначальном составе образца. Кроме того, при электронном ударе не всегда образуется молекулярный ион, что значительно затрудняет определение брутто-формулы молекулы. Поэтому при исследовании органических и особенно биологических молекул иногда приходится использовать более мягкие, чем электронный удар, методы ионизации и/или отличные от нагрева методы получения свободных молекул исследуемого вещества, то есть перевода молекул в газовую фазу. Рассмотрим некоторые из них.

Метод лазерной десорбции заключается в том, что импульсный лазерный пучок облучает поверхность образца. При этом, избегая нагрева, удается заставить часть молекул перейти в газовую фазу. Включаемый с небольшой задержкой электронный луч ионизирует вырванные молекулы, и полученные ионы вытягиваются электрическим полем в масс-анализатор. Следует отметить, что, меняя интенсивность лазерного луча, можно тем самым варьировать глубину проникновения вглубь образца, особенно слоистого, а также изменять характер фрагментационных процессов.

В некоторых случаях, особенно при изучении полимерных и биологических молекул, приходится растворять вещество в относительно инертных растворителях, таких, как глицерин, тиоглицерин. Образуемая матрица бомбардируется потоком быстрых атомов инертного газа, что приводит к вырыванию из матрицы молекулярных и фрагментарных ионов исследуемого вещества, которые затем разделяются по массе. В этом состоит метод бомбардировки быстрыми атомами, объединяющий " мягкое" испарение и " мягкую" ионизацию.

Кроме перечисленных приемов известны также полевая десорбция и полевая ионизация, в которых используется электрическое поле высокой напряженности порядка 108 B/см, под действием которого исследуемое вещество в виде молекул или ионов отрывается от образца.

Еще одним мягким способом ионизации является так называемая химическая ионизация. Суть ее заключается в том, что с помощью обычного электронного удара ионизируют не исследуемый газ, а газ-реагент (метан, изобутан, аммиак). Образовавшиеся ионы-реагенты при столкновении с исследуемыми молекулами охотно их ионизируют. Последующие реакции между положительно заряженными ионами-реагентами ХН+ и молекулами М образца идут в основном по пути протонирования:

М + ХН⁺® МН⁺ + Х

При таком способе ионизации образующийся ион состава МН⁺ несет информацию о брутто-формуле исследуемой молекулы, ионизация которой другими способами приводит к образованию только осколочных ионов.

При достаточно высоких температурах может происходить термическая ионизация молекул, когда вещество переходит в газовую фазу частично в виде ионов, как положительных, так и отрицательных. Образование ионов в данном случае происходит за счет тепловой энергии, которой обладают молекулы при высоких температурах. Газовая фаза в этом случае представляет смесь нейтральных частиц (атомов и молекул) и заряженных (ионов), и в газовой фазе может устанавливаться ион-молекулярное равновесие. Изучение констант ион-молекулярного равновесия позволяет определять величины сродства к электрону и потенциалы ионизации молекул, энергии разрыва химических связей и энергии образования ионов. Следует отметить, однако, что концентрация ионов, образующихся при термической ионизации, на три-пять порядков ниже концентрации нейтральных частиц.

В магнитном масс-спектрометре ионы разделяются под действием магнитного поля с ионизацией посредством электронного удара. При этом прежде всего в масс-спектрометре необходимо создание высокого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10^-7-10^{-10 мм рт.ст. Нейтральные молекулы исследуемого газа поступают в область камеры ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими электронами. При этом часть молекул (около 0, 1%) превращается в ионы по схемам, приведенным выше. Электрическое поле, образованное ускоряющей разностью потенциалов U}_уск, сообщает ионам кинетическую энергию. Таким образом, изменяя либо U_уск, либо B (напряженность магнитного поля), можно заставлять двигаться по окружности радиуса Rд, на линии которой находится щель входа в детектор, ионы той или другой массы или величины заряда. Записывая зависимость ионного тока от m/q, получают набор пиков, называемый масс-спектром.

Еще один способ разделить ионы по массам – создать кратковременный импульс постоянного электрического поля. Приобретая скорость, ионы долетают до коллектора за время t. Таким образом, из-за различия в массах ионы приобретают различные скорости, обратно пропорциональные √ m. Образуется ионный " пакет", в голове которого летят легкие ионы, тогда как тяжелые его замыкают, и, следовательно, ионы достигают коллектора в разные моменты времени. В этом состоит принцип разделения ионов по массам во времяпролетном масс-спектрометре, главными преимуществами которого являются практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое время регистрации масс-спектра порядка 10^-3 с.

В масс-спектрометрах ион-циклотронного резонанса ион движется под действием сразу двух полей: сильного постоянного магнитного и переменного электрического. Под действием магнитного поля ион движется по окружности с циклической частотой ώ _B , определяемой массой иона и магнитной индукцией. Электрическое поле изменяется с циклической частотой ώ _Е по закону

E = E₀ сos ώ _Е t

При равенстве частот ώ _Е и ώ _B (последняя зависит от массы иона) наступает резонанс, проявляющийся в заметном поглощении энергии электрического поля. Такой масс-спектрометр чрезвычайно компактен (ячейка некоторых разновидностей не превышает размера кусочка сахара), имеет очень высокие чувствительность, разрешающую способность и диапазон масс. Интересно отметить, что ионы в ячейке могут удерживаться на своих круговых орбитах по нескольку десятков часов. Отрицательные ионы, которые также могут образовываться в процессе ионизации, вращаются в ячейке в противоположном направлении и также будут регистрироваться в масс-спектре при частоте электрического поля, соответствующей их массе.

С помощью масс-спектрометрии можно решать следующие задачи:

1. Определять изотопный состав элементов и массовых чисел новых элементов. Масс-спектрометрический метод позволяет также идентифицировать и определять изотопный состав ядер, образующихся в результате ядерных реакций и бомбардировки ядер быстрыми частицами в ускорителях.

2. Разделять изотопы. То обстоятельство, что в масс-анализаторе ионы разделяются в пространстве в зависимости от их массы m (при равном заряде q), используется для разделения изотопов одного и того же элемента по массе. Это позволяет производить обогащение вещества требуемым изотопом. Масс-сепараторы для обогащения изотопов в промышленном масштабе существовали уже в первой половине 50-х годов XX столетия.

3. Точно определять массу вещества и осуществлять идентификацию веществ. В этом случае существуют две тесно связанные проблемы, решаемые масс-спектрометрией. Прежде всего, в физике и химии как правило используются приближенные, то есть целочисленные, массы изотопов химических элементов – так называемые массовые числа. Но, как известно, на самом деле массы атомов относительно эталона, в качестве которого выбран изотоп углерода ₆С¹², являются не вполне целочисленными, что связано, прежде всего, с отличием массы протона от массы нейтрона, а также существованием так называемого дефекта массы ядра. Последний проявляется в несоответствии массы ядра сумме масс элементарных частиц нуклонов, из которых данное ядро образуется. Измеренные масс-спектрометрией точные значения масс изотопов используются для определения характеристик ядерных процессов – энергии распада ядер, сечения захвата.

Ионы, имеющие различную химическую формулу, могут тем не менее обладать одинаковой молекулярной массой. Например, ион CO⁺ совпадает по массе с ионом молекулы азота – 28 а.е.м. Поэтому при анализе атмосферного воздуха могут возникнуть некоторые трудности при идентификации. Решение проблемы в том, что их массы являются одинаковыми лишь приближенно. Точные же значения масс составляют 27, 994 а.е.м. для СО и 28, 006 для N₂. Чтобы почувствовать такие небольшие различия в массах порядка 0, 01 а.е.м., требуются масс-спектрометры с высокой разрешающей способностью, то есть способностью видеть пики с близкими значениями масс, не слившимися в один пик, а получающимися раздельно. Современные приборы позволяют различать ионы, массы которых отличаются на очень малую величину. Так, с помощью масс-спектрометра ион-циклотронного резонанса можно раздельно видеть пики ионов Cl⁺ и Cl^-, отличающихся всего на массу двух электронов.

4. Определять период полураспада изотопов и определять геологический возраст различных материалов. Изучая изменение относительной распространенности изотопов одного и того же элемента, наблюдающейся вследствие естественного радиоактивного распада, определяют важную временную характеристику процесса – период полураспада. При этом масс-спектрометрия позволяет также отслеживать пути распада.

Не менее, а в геологическом отношении даже более важное значение имеет обратное применение описанной выше возможности метода – определение геологического возраста путем расчета больших временных интервалов из измерений распространенности изотопов в образцах горных пород, предметов археологических раскопок и т.д.

5. Определение состава вещества – качественный и количественный анализ. Определение структуры молекулы и энергетических характеристик. Все большее применение находит масс-спектрометрия в химии, особенно органической, а также в биологии. Метод поставляет информацию о том, какое вещество или смесь каких веществ представляет собой исследуемый образец (качественный анализ) и какова концентрация веществ в смеси (количественный анализ). В ходе анализа иногда также представляется возможным выяснить, какие фрагменты и в какой последовательности образуют молекулу исследуемого вещества.

6. Масс-спектрометрические измерения позволяют также определять такие термодинамические характеристики, как константы равновесия, энтальпии и энтропии химических реакций, энтальпии образования газообразных веществ.

Одним из наиболее эффективных применений масс-спектрометрии в химическом анализе смесей явилась разработка метода, объединяющего два мощнейших аналитических инструмента – хроматографию и масс-спектрометрию, что привело к созданию хромато-масс-спектрометрии. В этом методе образец (исследуемая газовая смесь) смешивается с газом-носителем (обычно гелий) на входе в хроматограф. Смесь проходит через длинную капиллярную хроматографическую колонку. Скорость диффузии компонентов смеси сильно зависит от химической природы каждого из них, вследствие чего происходит разделение смеси. Образуемые на выходе хроматографа порции разделенных компонентов смеси поступают последовательно одна за другой в масс-спектрометр. Таким образом, получается набор масс-спектров, каждый из которых соответствует индивидуальному компоненту смеси. Использование вместо газового хроматографа жидкостного позволило изучать не только газовые, но и жидкие смеси. Метод жидкостной хромато-масс-спектрометрии широко используется для анализа нефти и других сложных органических смесей.

Масс-спектрометрия в настоящее время является одним из наиболее информативных, чувствительных и надежных аналитических методов. Совершенствование техники позволило создать приборы, способные исследовать молекулы с огромными массами порядка 100 000 а.е.м. и выше, что, несомненно, открывает широкие возможности для изучения таких сложных биологических молекул, как белки, а также длинноцепочечные органические полимеры. Масс-спектрометрия способна обнаруживать примеси на уровне 0, 0001% и ниже, что актуально при контроле синтеза высокочистых веществ, например в микроэлектронике. Компактность некоторых типов масс-спектрометров и вакуумные условия работы предопределили их широкое применение для анализа образцов в космическом пространстве.

4. РЕФРАКТОМЕТРИЯ – КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ