Материал: А27103 Василинец И. М., Колодязная В.С. Методы исследования

13. Масс-спектРометрия

Масс-спектрометрия является широко распространенным методом исследования, нашедшим применение в физике, химии, биологии, геологии и различных отраслях техники. Этот метод с успехом применяется при количественном анализе многокомпонентных смесей газов и органических веществ, при изучении механизма и скорости некоторых химических реакций, энергии разрыва химических связей, при изучении свободных радикалов и для контроля производственных процессов с использованием вакуумной технологии, при испытаниях на герметичность систем и отыскании течей в линиях газопроводов.

С применением масс-спектрометрических приборов стало возможным применение этого метода в химии пищевых продуктов. При анализе сложных смесей, какими являются пищевые продукты, наиболее перспективным является сочетание методов хроматографии, в частности газожидкостной хроматографии, обеспечивающих разделение смеси на компоненты, с экспрессным методом масс-спектрометрии, обеспечивающим идентификацию компонентов и их количественный анализ.

Основным достоинством метода является быстрота проведения анализа. Вместе с этим следует указать на значительную сложность аппаратуры и трудности ее эксплуатации, что требует специальной квалификации экспериментатора.

В основе метода масс-спектрометрии лежит свойство заряженных частиц менять свое направление или скорость при движении в электрическом либо магнитном поле в зависимости от величины отношения массы частицы m к ее заряду е. Масс-спектрометр, позволяющий разделять положительно заряженные частицы по массе, состоит из следующих основных узлов:

– устройства для ввода пробы;

– ионизационной камеры для получения заряженных ионов;

– устройства для формирования ионного пучка и ускорения ионов;

– анализатора, осуществляющего разделение ионного пучка на компоненты с определенным отношением m /е;

– усилительно-регистрирующего устройства для измерения интенсивности ионного потока и регистрации спектра.

Для газообразных образцов устройство для ввода проб более или менее простое. Для твердых образцов конструкция устройства достаточно сложна, в нем предусмотрена система вакуумных шлюзов, через которые проходит твердый образец в испаритель. Абсолютное давление в испарителе должно быть в пределах 1,3(10^–2…10^–3) Па или 10^–4…10^–5 мм рт. ст. Кроме того, предусмотрена система подачи парообразной пробы в ионизационную камеру низкого давления, где остаточное давление составляет ≈ 1,3  10^–4 Па (10^–6 мм рт. ст.).

Ионизация пробы осуществляется различными методами, выбор которых определяется свойствами анализируемого образца. Для этой цели могут быть использованы: газовый разряд; высокочастотная искра в вакууме; бомбардировка молекул электронами, имеющими энергию в пределах 50…100 эВ, пиролиз (термическое разложение). Наиболее распространен способ ионизации молекул при столкновении с электронами.

Формирование ионного пучка и ускорение ионов производятся системами электрических линз с потенциалом в несколько киловольт (ионная пушка). В этом блоке происходит удаление из ионного пучка нейтральных и отрицательно заряженных частиц.

При анализе частиц с большой молекулярной массой чаще всего используют два типа анализаторов, в которых разделение положительно заряженных ионов происходит или по направлению их пути в магнитном поле (спектрометры с электромагнитной фокусировкой), или по времени полета.

В спектрометрах первого типа ионы разной массы m и заряда е имеют после выхода из ионной пушки скорость , определяемую уравнением

, (13.1)

где V – разность потенциалов ускоряющего электрического поля.

Попадая в магнитное поле перпендикулярно его направлению, ионы продолжают движение по круговым траекториям, радиус кривизны которых

, (13.2)

где Н – напряженность магнитного поля.

Из приведенных уравнений следует, что через щель в коллектор при заданных значениях V и Н попадают ионы, обладающие определенной величиной отношения m /е. Изменением силы электрических линз, потенциала ускоряющего электрического поля V или напряженности магнитного поля Н можно по одной и той же траектории направить в коллектор через его щель пучок ионов любой массы. Сигнал, получаемый коллектором, усиливается и приводит в действие регистрирующий механизм. Интенсивность ионного потока обычно меняется от 5·10^–10 А до минимально доступной для измерения величины. Поэтому к измерительным усилительным устройствам предъявляются особые требования в отношении чувстви-тельности, точности, стабильности.

Регистрация спектра производится ленточным самописцем или осциллографом. Масс-спектр представляет собой совокупность линий различной интенсивности, соответствующих потоку ионов с определенным значением массового числа (отношения m/е).

Второй тип масс-спектрометра позволяет производить разделение ионов на основании их скоростей без применения магнитного поля. Ионный пучок под действием ускоряющего потенциала, приложенного в виде импульса с амплитудой ≈ 100 В, длительностью 1 мкс и частотой в несколько килогерц к фокусирующей сетке, попадает в поле ионной ускоряющей сетки. В результате этого все ионы получают одинаковую энергию, но их скорости пропорциональны . За ускоряющей сеткой находится участок пути, свободный от полей. Ионы с одним и тем же m/e проходят этот участок («мертвую» зону) с постоянной скоростью, полученной после их выхода из зоны ускорения, последовательно попадают в магнитный электронный умножитель и регистрируются электронно-лучевым осциллографом. Время прохождения через «мертвую» зону

, (13.3)

где k – постоянная, зависящая от длины «мертвой» зоны и параметров ионной пушки.

Процесс образования заряженных ионов при столкновении больших органических молекул с электронами очень сложен и во многих случаях труднообъясним. Поэтому в настоящее время еще нельзя сделать теоретических расчетов истинного распределения интенсивности в масс-спектре, можно лишь произвести корреляцию получаемого распределения с известным или предполагаемым строением молекулы.

При ионизирующем действии электронов на молекулу происходит удаление одного из электронов, по схеме М + е → М⁺ + 2е. Молекулярный ион М⁺ имеет большое значение в аналитической работе, так как его массовое число характеризует молекулярную массу вещества. Интенсивность линий молекулярных ионов зависит от скорости их диссоциации на осколочные ионы, которая определяется избытком энергии, полученной ионом при его образовании. Выход молекулярных ионов может быть резко увеличен по отношению к выходу осколочных ионов при снижении энергии электронов до энергии, близкой к потенциалу ионизации молекул. Время жизни молекулярного иона, или его стабильность, падает, как правило, при переходе к высшим членам гомологического ряда. С уменьшением интенсивности линий молекулярных ионов растет выход осколочных ионов и интенсивность соответствующих им линий.

Значительно усложняют идентификацию масс-спектров молекулярные перегруппировки, возникающие в процессе образования ионов. Поэтому в спектрах почти всех молекул имеются линии не только фрагментов, образующихся при простом разрыве связей, но и ионов, возникающих в результате таких перегруппировок. Число возможных направлений в реакциях этого типа очень велико и обусловлено особенностями строения молекул.

Кроме внутримолекулярных перегруппировок, возможны и межмолекулярные процессы, при которых осколочные ионы присоединяются к нейтральной молекуле. Поэтому перед анализом производят градуировку прибора по чистым веществам. В дальнейшем при проведении текущих анализов условия, при которых произведена градуировка, должны строго воспроизводиться. Основным требованием, предъявляемым к прибору, является стабильность его характеристик, в частности температуры измерения и чувствительности. Обычно градуировка прибора проверяется по стандартному веществу, спектр которого снимается ежедневно.

Расчет состава смеси по данным градуировки прибора и спектру смеси является наиболее трудоемкой частью работы. Тем не менее при анализе многокомпонентных смесей, например углеводородов, метод анализа по спектрам массы предпочтителен методу разгонки.

Для решения вопроса о формуле иона или направлении и механизме реакции часто прибегают к введению в молекулу изотопов. При этом метят участвующий в реакции атом. В качестве метки используют дейтерий, О¹⁸, О¹³, N¹⁶ и другие стабильные изотопы. Примером может служить изучение реакции гидролиза сложных эфиров.

14. Спектроскопия электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса

Практические методы спектроскопии в микроволновой и радиочастотной областях спектра, разработанные в последнее время, стали одним из наиболее мощных средств изучения строения материи. Область сверхвысоких частот включает ту часть электромагнитного спектра, которая лежит между далекой инфракрасной областью и обычным радиочастотным диапазоном: 1 мм …1 м (3·10⁶…30 МГц). Эта область частот связана с изменением магнитного поля электронов и ядер молекулы. В первом случае это явление носит название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), во втором – ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Заряженные электроны и некоторые ядра, составляющие молекулу, находятся в непрерывном вращательном движении вокруг своей оси, интенсивность которого характеризуется величиной собственного механического момента количества движения (спина). Движущаяся заряженная частица, обладающая спином, создает собственное магнитное поле, которое определяется величиной магнитного момента μ.

Сущность магнитного резонанса состоит во взаимодействии энергии собственного магнитного поля частицы с энергией внешнего высокочастотного электромагнитного поля. Это взаимодействие можно представить следующим образом: заряженная частица (электрон, ядро), обладающая спином, а следовательно, и магнитным моментом, находясь в постоянном магнитном поле напряженности Н₀, будет вращаться вокруг направления вектора напряженности с определенной частотой ν₀ (рис.14.1).

Рис. 14.1. Элементарный магнитный резонанс

Если такую систему поместить в переменное электромагнитное поле так, чтобы магнитная составляющая этого поля была перпендикулярна , то при определенной частоте переменного электромагнитного поля, совпадающей с ν₀, будет происходить переориентация вектора магнитного момента частицы вследствие поглощения энергии поля частицей при возникновении резонанса. Таким образом, возникновение магнитного резонанса возможно при:

, (14.1)

где γ – гиромагнитное отношение, характеризующее связь между механическим и магнитным моментами заряженной частицы.

Численно

g, (14.2)

где с – скорость света; е – заряд частицы; m – масса частицы; g – константа, характеризующая квантовое состояние частицы.

Из уравнения (14.2) видно, что резонанс можно получить двумя способами: либо меняя частоту ν₀ при постоянном , либо варьируя при фиксированном ν_0. На практике обычно пользуются вторым способом.

Выбор напряженности постоянного магнитного поля и частоты переменного магнитного поля определяется значениями магнитного момента частицы μ, который, в свою очередь, зависит от массы частицы. Поэтому спектры ЭПР наблюдаются при Н₀ ≈ 3000 Э и ν₀ ≈ 10⁴ МГц; спектры ЯМР (протона) – при Н₀ ≈ 10000…14000 Э и ν₀ ≈ 10…100 МГц.

Магнитный спектрометр состоит из следующих основных частей:

– генератора электромагнитных колебаний со стабилизатором частоты и блоком питания, а также блоком контроля частоты и мощности;

– стеклянной ячейки цилиндрической формы для образца, помещенной между полюсами магнита;

– детектирующего (приемного) устройства;

– усилительного и регистрирующего устройств (осциллографа, самописца);

– источника постоянного магнитного поля;

– устройства для измерения напряженности постоянного магнитного поля.

Ячейка с веществом помещается между полюсами постоянного магнита таким образом, чтобы действующие на вещество статистическое и электромагнитное поля были взаимно перпендикулярны. Для образца выбирают такое место в резонаторе, где радиочастотное магнитное поле – максимальное, а электрическое – минимальное.

В процессе измерений частота генератора, возбуждающего электромагнитные колебания в резонаторе, остается постоянной, а осциллограф или самописец регистрирует развертку сигнала магнитного резонанса в зависимости от напряженности постоянного магнитного поля. Выбор таких условий эксперимента вызван тем, что изучение изменения энергии магнитного поля частицы от частоты электромагнитных колебаний при постоянной напряженности статического магнитного поля (первый способ) вызвало бы трудности, связанные с необходимостью сохранения мощности генератора при изменении генерируемой частоты.

Существует два типа магнитных спектрометров, в которых резонансное поглощение изучается по изменению мощности, проходящей через ячейку с веществом и отраженной от нее.