Масс-спектрометрия презентация

метод основан на ионизации атомов и молекул вещества и последующем разделении образующихся ионов в соответствии с их массовым числом m/z - отношением массы иона к его заряду - в электрическом или магнитном поле.
Масс-спектрометрия

1. Молекулярную массу вещества.
2. Молекулярную формулу вещества.
3. Строение вещества.
МС позволяет определить:

Масс-спектр уксусной кислоты
m/z
I,%
50
10
20 30 40 50 60
100
28
60
3
O
H C C OH
H3C C O
43
CH3 15
C O
1. Молекулярная масса – 60.
Молекулярная формула – С2Н4О2.
Строение вещества – СН3СООН.

Масс-спектр уксусной кислоты
m/z
I,%
50
20 30 40
10
50 60
100
28
60
3
O
H C C OH
H3C C O
43
CH3 15
C O
Молекулярный ион
Основной ион
Фрагментные ионы

Типы ионов в масс-спектрах
Молекулярный ион – молекула с положительным зарядом (катион-радикал), полученным за счёт отрыва одного электрона от нейтральной молекулы.
Основной ион – ион, интенсивность которого в масс-спектре максимальна.
Фрагментный ион – ион, образующийся при распаде молекулярного иона с разрывом связей и миграцией атомов.

Масс-спектрометрия – совокупность трёх отдельных процессов:
Ионизация молекулы.
Разделение ионов по массам.
Детектирование ионов.

Типы ионизации
1. Электронный удар (ЭУ).
катион-радикал - молекулярный ион
ABC
ABC
-e
молекула органического вещества
e
e
A+
.
+ BC
AB+ + C
.
.
AB + C
+
распадные частицы: катионы и радикалы
Распад (фрагментация)

Достоинства метода
дает богатые фрагментами масс-спектры, которые однозначно характеризуют структуру молекулы
высокочувствительный метод анализа, позволяет анализировать пикомольные количества вещества (моль 10−12)
Существуют "библиотеки" масс-спектров, содержащие спектры более 70000 органических соединений, по которым можно проводить их идентификацию с применением ЭВМ

Недостатки метода:
Молекулярные ионы образуются лишь у 20% органических соединений
Определение легколетучих термически стабильных соединений;
Ионы с большими значениями m/z, дающие информацию о молекулярной массе и наличии функциональных групп обеспечивают небольшой вклад в значения полного ионного тока

Типы ионизации
2. Химическая ионизация.
Органическое вещество ионизируется газом реагентом: метаном, аммиаком, изобутаном
Определяемые молекулы АВ ионизируются непосредственно ионами реагентного газа за счет ряда реакций:
CH5+ + АВ → АH2+ + CH4
Далее протонированная молекула образца выталкивается электрическим полем в сторону масс-анализатора

Достоинства:
Мягкий метод ионизации, молекуле образца передается около 5 эВ избыточной энергии, что препятствует процессам распада и позволяет подвергать анализу нестойкие молекулы
2. Интенсивный пик молекулярного иона, что позволяет определить молекулярную массу

Недостатки:
Отсутствие распада, очень простые масс-спектры, что не позволяет судить о структуре вещества и сравнить спектр с базами масс-спектральных данных
2. Анализ только газовых веществ.

Типы ионизации
3. Бомбардировка ускоренными атомами.
Ионизация ионами инертных газов: аргона, ксенона.
пробу помещают в ионизатор непосредственно или предварительно, растворяют в подходящей нелетучей матрице (обычно, в глицерине)
облучение потоком нейтральных высокоэнергетических атомов, например, Аг или Хе
образование положительных и отрицательных ионов, которые в результате десорбции отрываются от поверхности

Типы ионизации
4. Электроспрей ионизация (ESI).
2002 г. Дж. Фенн – Нобелевская премия.
Анализ полимеров белков, пептидов, нуклеиновых кислот.

Достоинства:
Метод позволяет работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу
Удобен для сочетания масс-спектрометра с жидкостным хроматографом
Возможность анализа крупных молекул
Мягкое (низкоэнергетическое) ионизационное воздействие

Недостатки:
Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях
масс-спектр малоинформативен, как правило, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+ , Na+ , K+), многозарядных ионов таких комплексов

Типы ионизации
5. Матричная лазерная десорбционная ионизация МЛДИ (MALDI).
2002 г. К. Танаке – Нобелевская премия.
Анализ полимерных молекул: полипептидов, белков, нуклеотидов, полисахаридов, гуминовых веществ, лигнинов, синтетических полимеров.

Взаимодействие лазерного импульса с образцом МЛДИ
лазерный импульс (337нм, 3.68эВ, 0.1нс)

Достоинства:
1. Возможность анализа крупных молекул.
2. Мягкая ионизация образца.
3. Возможность анализа загрязненных примесями образцов
Недостатки:
1. Малоинформативный масс-спектр – присутствуют лишь пики молекулярного иона и его «мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1
2. Долгая подготовка пробы и необходимость подбора условий под образец - подбирать вещество для матрицы

Типы ионизации
6. Полевая ионизация
Ионизация происходит под действием электрического поля высокой напряженности (до 108 В/см).
Происходит на эмиттере – вольфрамовой проволоке, покрытой пиролитическим углеродом. Частицы углерода увеличивают локальную напряженность поля и способствуют ионизации .
Метод относится к мягким способам ионизации.
Количество образующихся фрагментов невелико.
Спектр достаточно простой и содержит молекулярный пик.
Требуют предварительного испарения пробы
(~500 °С).

Способы ввода пробы:
Непрямой способ - пробу вводят в ионизатор в газообразном состоянии. Жидкие и твердые пробы испаряют(~500 °С) в вакуумной камере
Прямой способ - используется для труднолетучих проб. Образец непосредственно вводят в ионизатор с помощью штанги через систему шлюзовых камер.
Анализируемое вещество поступает в масс-спектрометр в ходе хроматографического разделения.

Масс-спектрометрия
под действием
электронного удара

Движение заряженной частицы в магнитном поле
2 2
m = B r
z 2V
m – масса иона;
z – заряд иона;
B– напряжённость магнитного поля;
V – ускоряющее напряжение;
r – радиус кривизны движения иона.

В масс-спектрометрии регистрируются только заряженные частицы: катион-радикалы АВС+. и катионы А+, АВ+, С+.
Незаряженные радикальные частицы ВС. , С. , АВ. не регистрируются.

Масс –анализатор – устройство для разделения ионов в соответствии с отношением m/z
Основные типы масс-анализаторов:
1. магнитные
2. квадрупольные
3. времяпролетные
Масс - анализатор

Изменение траектории заряженной частицы под действием магнитного поля.
r = 1 2U m / z H 0
траектория заряженных частиц в магнитном поле искривляется, причем радиус кривизны
31 зависит от их массы и заряда
Магнитный масс - анализатор

Достоинства:
высокое разрешение,
чувствительность,
большой диапазон детектируемых масс
Основной недостаток – большой размер приборов и высокая стоимость

Электрический (электростатический) МА

Квадрупольный анализатор

Действие времяпролетных масс-анализаторов основано на зависимости скорости движения ионов от их массы.
Особенность: ионы движутся в бесполевом пространстве
После ускорителя все ионы обладают одинаковой кинетической энергией E = mv2/2 , следовательно, чем больше их масса, тем меньше скорость, тем больше время пролета иона через анализатор
Метод применим для
определения массы больших молекул (десятки и сотни
тысяч атомных единиц)

Сочетание ВЭЖХ и МС.
Анализ смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом газожидкостной хроматографии.
ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Сначала использовалась фотопластинка.
В настоящее время применяют динодные вторично-электронные
умножители, в которых ион, попадая на первый динод выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него ещё большее количество электронов и т. д.
микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку
пространства (коллекторы Фарадея)
Детекторы ионов

Для МС характерны
Использование небольших навесок ( 1 мг и меньше)
Высокая чувствительность
все элементы периодической системы определяют с чувствительностью 10-12 г
при использовании лазерных источников ионизации
достигается чувствительность 10-19 г
Универсальность – возможность анализа широкого круга объектов от элементов до сложных белковых молекул
Высокая специфичность и селективность
Недостаток масс-спектрометрии: это деструктивный метод анализа, и используемый образец нельзя
восстановить для дальнейшего анализа или синтеза
62

Области применения МС
Ядерная энергетика
Археология
Нефтехимия
Геохимия (изотопная геохронология)
Агрохимия
Химическая промышленность
Анализ полупроводниковых материалов, особо чистых металлов, тонких пленок и порошков (например,
оксидов U и РЗЭ)
Фармацевтика - для контроля качества производимых
лекарств и выявления фальсификатов
Медицинская диагностика
Биохимия – идентификация белков, исследование метаболизма лекарственных средств

Масс-спектрометрическая
характеристика различных классов
органических соединений

Алканы
Обычно дают малоинтенсивные пики М+.
В масс-спектрах характерно присутствие гомологичных ионов [CnH2n+1]+.
Самые интенсивные пики m/z 43 [C3H7]+ и m/z 57 [C4H9]+.

Циклоалканы
ион с m/z = 56
циклогексан M+ = 84
Характерно наличие интенсивных пиков М+.
Обычный путь фрагментации – выброс молекулы алкена.
выброс этилена M = 28

Алкены и алкины
Пики М+ обычно более интенсивны, чем у алканов.
В масс-спектрах характерно присутствие гомологичных ионов [CnH2n-1]+ и [CnH2n-3]+.
Распад молекул сопровождается перегруппировками с миграцией кратной связи.

Спирты
Молекулярные ионы М+ образуются при потере электрона от неподелённой электронной пары атома кислорода.
Основные пути распада:
элиминирование молекулы Н2О;
разрыв α- β связи.

Масс-спектр бутанола-1
I,%
50
20 30 40
10
50 60
100
43
2
56 = 74 -18 = M+- H O
74
m/z
M +
70
31
OH
[C3H5]+
41 [C3H7]+
[+CH2OH]

Простые эфиры
Характерен разрыв α- β связи:
бутилэтиловый эфир M+ = 102
O
α
β
O
α
ион с m/z = 59
β
пропильный радикал С3Н7 M = 43

Альдегиды и кетоны
O
αC
β
R'
β
R
R C O
R'
R' C O
R
Характерен разрыв α- β связи с образованием ацильных катионов:

Для альдегидов и кетонов характерна перегруппировка Мак-Лафферти:
O
γ H
β
масса 14n
γ
α OH
m/z = (M+ - 14n)
β α
M+

Масс-спектр пентанона-2
58
продукт перегруппировки Мак-Лафферти
I,%
50
40
50 60
100
86
M +
m/z
70
80
71
O
O
71 = 86 -15 = M+ - CH3
58 = 86 -28 = M+ - H2C=CH2
OH
H3C C O
43

Карбоновые кислоты и их производные
Основные пути распада молекулярных ионов: путь а: Х = OH, NH2;
путь б: Х = OR, NHR, NR2, Hal.
R
X
O
C
X C O
R C O
X
R
путь а
путь б
Для карбоновых кислот и их производных характерна перегруппировка Мак-Лафферти.