Лекция 3 Метод масс-спектрометрии

Лекция 3

Метод масс-спектрометрии

Качественная и количественная масс-спектрометрометрия. Способы идентификации веществ

Масс-спектрометр дает информацию об отношении массы к заряду для рассматриваемых линий спектра, об относительном количестве ионов с определенной… В настоящее время известны масс-спектры десятков тысяч соединений известного… Если известно, к какому классу соединений относится анализируемое индивидуальное вещество, то для ряда случаев…

Идентификация ионов

Здесь имеет смысл особо подчеркнуть ту особенность масс-спектрометрии, что вид спектра определяется не только структурой анализируемого соединения,… Если при более «мягкой» ионизации соотношение интенсивностей пиков самых…

Рис. 16

Вид масс-спектра одного и того же соединения при различных способах ионизации. Первичный молекулярный ион имеет m/e = 247

 

Если соединение дает малоинтенсивный пик молекулярного иона, то иногда молекулярную массу его находят косвенно, записывая, например, масс-спектры не кислот, а их триметилсилильных производных, или - не спиртов, а их эфиров. Полезно также исследовать разности масс между пиками самых тяжелых ионов. Элиминирование из молекулярных ионов частиц с массами от 6 до 13 и от 21 до 24 а.е.м. практически никогда не реализуется. Поэтому наличие в масс-спектре наиболее тяжелых ионов с такими разностями массовых чисел говорит о том, что либо среди этих ионов нет молекулярного, либо анализируемая проба представляет собой смесь веществ. Иногда для проверки правильности отнесения данного тяжелого иона в спектре к молекулярному применяют метод эффузии, т.е. натекание анализируемого вещества в смеси со стандартным (с известной молекулярной массой) в ионизационную камеру в молекулярном режиме. Поскольку в этом случае скорости натекания обратно пропорциональны квадратному корню из молекулярных масс каждого из веществ, в принципе возможно определение искомой молекулярной массы.

В случаях, когда анализируемая смесь содержит вещества с близкими молекулярными массами, а прибор имеет невысокую разрешающую способность и регистрирует одиночный пик вместо дублета или триплета, затруднения решаются использованием масс-спектрометров высокого разрешения. Так, часто в исследованиях встречается пик с массовым числом 28. Это может быть СО⁺, N₂⁺ или С₂Н₄⁺ с т/е, соответственно, 27,9949; 28,0062 и 28,0313 а.е.м. Для разделения дублета N₂⁺ и С₂Н₄⁺ требуется разрешающая способность около 1200, но для разделения дублета N₂⁺ и СО⁺ необходимо разрешение выше 2500.

Информативна также сама относительная интенсивность молекулярного пика, обнаруживаемого в условиях электронного удара лишь у 90% соединений. О типе исследуемого соединения в известной мере можно судить по величине пика молекулярных ионов, отнесенной к полному ионному току (W_M). Одно из эмпирических правил, например, гласит, что соединения, содержащие кратные связи и циклы, почти всегда имеют в масс-спектрах пики молекулярных ионов. Другое правило - в одном гомологическом ряду W_m падает с ростом молекулярной массы. У ароматических соединений W_m больше, чем у сопряженных диенов; далее W_m уменьшаются в ряду: моноолефины > алициклические углеводороды > парафиновые углеводороды. У соединений, содержащих функциональные группы, величины W_m падают в ряду: карбонильные соединения > простые эфиры > карбоновые кислоты > спирты > амины. Внутри данного класса соединений также наблюдаются качественные закономерности, связывающие величину W_M со структурой изомера; например, W_M нормальных алканов гораздо больше W_m углеводородов с разветвленными углеродными цепями и т.д.

Полезно помнить также "азотное правило", которое гласит: органические соединения с нечетной молекулярной массой могут содержать только нечетное число атомов азота; соединения с четной молекулярной массой либо не содержат азот, либо содержат в молекуле четное число атомов азота. Правило основано на том, что среди органогенных элементов с нечетной валентностью только азот обладает наиболее распространенным изотопом с четной массой 14. Интенсивные пики ионов с массой на две единицы выше молекулярной обычно свидетельствуют о наличии хлора или брома в молекуле, а менее интенсивные - о присутствии серы.

Определение элементного состава методом измерения массы

При установленной молекулярной формуле (брутто-формуле), можно рассчитать число эквивалентов двойной связи в соединении. Для этого пользуются…   (12)

Идентификация соединений по их масс-спектрам

1. На рис. 17 представлен нормализованный масс-спектр соединения I. Основной (максимальный) пик в масс-спектре отвечает ионам с т/е 31, его… Рис. 17.

Рис. 18.

Нормализованный масс-спектр соединения II.

Соотношение интенсивностей пиков m/e 159 и 158 равно 6,2 : 92,5. Иными словами, относительная интенсивность изотопного пика 13С с т/е 159 составляет… 3. Небольшое число пиков осколочных ионов в масс-спектре (рис. 19 а) позволяет…

Количественный анализ

В количественной масс-спектрометрии разработан ряд методик анализа – это: · метод относительных коэффициентов чувствительности; · метод присадок;

Применение масс-спектрометрии в химии

Идентификация продуктов реакций. Возможность точного определения молекулярной массы и элементного состава исследуемых веществ методом… В ряде случаев, когда заранее известен исходный состав реагирующей смеси, не… Для исследования механизмов реакций важно то, что методом масс-спектрометрии возможно определять не только устойчивые…

Исследование больших молекул.

FAB и MALDI – новые методы ионизации.

Главная идея найденного здесь решения заключалась в использовании матрицы. Если большая нелетучая молекула изолирована от своего вещественного… Ионизация быстрыми атомами давно хорошо известна. Обычная схема эксперимента заключалась в том, что проводилась…

Рис. 20

Принцип метода матриксной лазерно-десорбционной ионизации (MALDI)

 

Использование приборов ион-циклотронного резонанса и их последней модификации, получившей название масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием (Furier Transform Mass Spectrometry, FTMS), позволило проводить измерения в диапазоне до 30 000 а.е.м. При этом сохраняется высокое разрешения на уровне 20000.

Конкуренцию MALDI методу составляет метод ионизации, получивший название "электрораспыление"(от англ. Electrospray Ionization, ESI - электрораспылительная ионизация). Принцип метода иллюстрирует рис. 21. Этот метод ионизации часто называют электродинамическим. Ионизация происходит при взаимодействии сильного электростатического поля с поверхностью жидкости на конце капиллярной трубки. В исследуемой жидкости должны быть ионы. Поэтому обычно добавляют небольшие количества солей или другие соединения, которые легко распадаются на ионы. Так, например, добавка амальгамы натрия к раствору смеси фуллеренов в органическом растворителе позволила зарегистрировать отрицательные ионы фуллеренов С₆₀ , С₇₀ и С_{70 + 2n} , где n принимает значения от 1 до 12.

Техника ионизации MALDI и ESI в сочетании с наиболее мощными современными массанализаторами позволяет успешно определять молекулярные веса таких молекул или их фрагментов, как t-RNA (транспортная рибонуклеиновая кислота) - диапазон масс 25 000 а.е.м., ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота - для последовательности в 100 нуклеотидов масса в диапазоне 31000 а.е.м.), белок альбумин - масса в районе 66000 а.е.м. При некотором снижении разрешающей способности достижимый диапазон масс составляет несколько сот тысяч атомных единиц.

Рис. 21

Схема ионизации электрораспылением

 

В заключение уместно привести цитату из пленарной лекции одной из конференций посвященных современным методам масс-спектрометрии, которая проходила в Будапеште: "ESI и MALDI позволяют получить спектры нескольких фемтомолей образца с молекулярной массой в несколько сот тысяч атомных единиц. Этот успех открывает перспективу для эффективного применения масс-спектрометрии в медицине, биологии и исследованиях окружающей среды".