Лекция 2

Лекция 2

Метод масс-спектрометрии

Методы ионизации.

Представление масс-спектров

 

Методы ионизации

· Ионизация электронным ударом · Фотоионизация · Химическая ионизация

Рис. 9

Схема ионизации электронным ударом

 

Сечение ионизации характеризует вероятность ионизации молекул и зависит от типа молекул и энергии ионизирующих электронов. Форма кривых зависимости сечений ионизации от энергии электронов (кривые эффективности ионизации) имеет сходный вид для разных молекул (рис. 10). Эта функция близка к нулю в области начала ионизации, а затем проходит через максимум. Увеличение сечения ионизации с ростом энергии электронов объясняется увеличением вероятности неупругого рассеяния, но дальнейшее повышение энергии электронов уменьшает время взаимодействия их с электронами молекулы и, как следствие, снижает вероятность ионизации. Минимальная энергия электронов, при которой появляется ион, называется потенциалом появления иона и соответствует точке пересечения кривой с осью абсцисс. Максимум сечения ионизации для большинства молекул достигается при энергии электронов в области 70 эВ.

 

Рис. 10.

Зависимость сечения ионизации от ускоряющего потенциала

для ионизирующих электронов

 

Метод фотоионизации. Энергия ультрафиолетового излучения с длинами волн в интервале 80 ¸ 120 нм составляет 7 ¸ 15 эВ. При облучении молекул такими фотонами происходит «мягкая» ионизация молекул (рис. 11).

Рис. 11. Фотоионизация

 

Избыточная энергия, необходимая для диссоциации образовавшихся ионов в этом случае практически отсутствует. Поэтому в масс-спектрах (с фотоионизацией) содержится небольшое число линий. Метод отличается высокой монохроматичностью излучения, что повышает точность определения потенциалов появления ионов. Для получения монохроматического ионизирующего светового потока используют ультрафиолетовое излучение разряда в инертных газах и дифракционную решетку как монохроматор. Технические трудности реализации этого метода велики, и не удается создать достаточно интенсивное излучение. В результате, эффективность ионизации на 2-3 порядка ниже, чем при электронном ударе. Фотоионизация используется при изучении механизма распада молекулярных ионов.

Химическая ионизация. Этот вид ионизации осуществляется при столкновении иона газа-реактанта с исследуемой молекулой, когда может протекать реакция с образованием новой заряженной частицы. Для повышения эффективности таких ион-молекулярных реакций в ионизационной камере увеличивают давление до 10^-2 Па введением газа-реактанта (метан, пропан, изобутан, водород, аммиак). Анализируемую смесь вводят в количестве около 0,1%. В результате, при бомбардировке электронами ионизуются практически только молекулы газа-реактанта. Если в качестве такового используется метан, то образуются первичные реактантные ионы:

 

 

Далее с большой скоростью протекают ион-молекулярные реакции, и в плазме (смеси ионов, электронов, незаряженных частиц) быстро устанавливается равновесие с образованием вторичных ионов реактанта, которые для метана представляют собой ионы метония СН₅⁺ и этилкатионы С₂Н₅⁺ :

 

и

 

 

Из пропана получаются равновесные вторичные реактантные ионы С₂Н₅⁺ и С₃Н₇⁺, из изобутана - ионы С₃Н₇⁺ и С₄Н₉⁺. Все эти ионы являются сильными кислотами Льюиса. В ион-молекулярных реакциях с анализируемыми молекулами М они либо присоединяют протон к молекуле с образованием ионов (М+Н)⁺, либо отщепляют гидрид-ион с образованием ионов (М-Н)⁺ либо присоединяются к молекулам сами. Для метана эти процессы химической ионизации выглядят следующим образом:

 

 

Поскольку массы образовавшихся ионов отличаются от массы молекулярного иона на ±1 а.е.м., +15 а.е.м., +29 а.е.м., их называют квазимолекулярными ионами. Они обладают небольшой избыточной энергией, и поэтому масс-спектры веществ при химической ионизации содержат небольшое число осколочных ионов. Применение метода химической ионизации особенно эффективно при анализе лабильных природных соединений (углеводы, полисахариды, полипептиды и т.п.).

Близкий к химической ионизации способ - ионизация при атмосферном давлении. Суть такого способа заключается в следующем. Газ-носитель (чаще всего азот) образует плазму при атмосферном давлении в коронном разряде или с помощью радиоактивного излучения. Введенные в плазму следовые количества молекул образца вступают в ион-молекулярные реакции, совокупность которых определяет характер масс-спектра. По сравнению с химической ионизацией, частота столкновений выше на несколько порядков, что дает большую эффективность и селективность ионизации при атмосферном давлении.

Ионизация электрическим полем. Ионизация этим методом осуществляется на электродах-эмиттерах в виде острия иглы или тонкой проволоки (диаметром около 2 мкм), где при сравнительно невысоком потенциале (~5 кВ) можно достичь градиентов поля ~10⁷ ¸ 10⁸ В/см (рис.12.) Под действием сильного неоднородного поля происходит туннельный переход электрона от молекулы к аноду, а образующийся ион-радикал выталкивается этим полем.

При полевой ионизации паров вещества вблизи эмиттера (рис. 12, А) получаются довольно слабые ионные токи с преобладанием молекулярных ионов. Более эффективен метод полевой десорбции (рис. 12, Б), когда жидкие и твердые вещества наносятся на эмиттер и ионизируются при десорбции (без нагрева) под действием электрического поля.

Рис. 12. Ионизация в электрическом поле:

А – ионизация в парах; – ионизация методом полевой десорбции

Искровая и лазерная ионизация. В искровом источнике испарение и ионизация образца происходят за счет искрового разряда в вакууме между электродами с… Действие импульсного лазера на образец чрезвычайно похоже на действие… В настоящее время все большее распространение в масс-спектрометрии получает использование индуктивно-связанной плазмы.…

Методы регистрации ионных токов

Исторически первым способом регистрации ионных токов был фотографический. Фотопластинка устанавливается в фокальной плоскости, и все ионные пучки (весь масс-спектр) регистрируются одновременно. Точность измерения интенсивностей ионных пучков не очень высока.

Чаще в масс-спектрометрах используют электрические способы регистрации ионных токов. Для этих целей используют, например, цилиндр Фарадея, принцип действия которого показан на рис.13. Попадая на металлический коллектор ионы разряжаются, и заряды стекают на землю по высокоомному сопротивлению, создавая в нем ток. Этот ток усиливается электрометрическим усилителем.

 

Рис. 13. Принцип действия цилиндра Фарадея

 

Чувствительность этого устройства может достигать 10^-15 – 10^-16 А. Однако высокое входное сопротивление такого усилителя (около 10¹¹ Ом и более) даже при очень малой входной емкости коллектора (10^-11 Ф) делает его весьма инерционным (постоянная времени RC ~ 1с), и запись масс-спектра становится длительным процессом.

В современных масс-спектрометрах в качестве коллектора обычно используют катод вторично-электронного умножителя (рис. 14, А). Попадая на этот катод, каждый ион выбивает из него один-два и более электронов. Эти электроны ускоряются и, бомбардируя следующий электрод (динод) умножителя, выбивают из него следующий каскад электронов. При этом, каждый из падающих на динод электронов вновь выбьет более одного электрона. Многократное повторение этого процесса в умножителе дискретного динодного типа приводит, в конечном счете, к лавинообразному возрастанию эмиссии электронов, т.е. позволяет быстро усилить первоначальный ионный ток в 10⁶ – 10¹⁰ раз. Помимо дискретного существуют также умножители непрерывного динодного типа (см. рис. 14, Б).

После такого усиления входное сопротивление последующего электрометрического усилителя можно уменьшить до 10⁷ Ом, и постоянная времени регистрирующего устройства снижается до 10^-4 с. Предел детектирования уменьшается до 10^-18 А, а в режиме счета ионов - до 10^-22 А и менее.

A

Б

Рис. 14.

Принцип действия вторичного электронного умножителя:

А - дискретный и В – непрерывный

 

Масс-спектр в виде выходного сигнала с обычного электрометрического усилителя регистрируется самописцем, осциллографом или ЭВМ через АЦП (сигнал оцифровывается аналого-цифровым преобразователем и записывается в память ЭВМ.

Представление масс-спектров

Масс-спектр в графической форме (см. рис. 15) обычно представляют в координатах: по оси абсцисс - величина отношения m/e; по оси ординат -… 1. интенсивности всех линий спектра выражают в процентах от интенсивности… 2. интенсивности всех линий спектра выражают в процентах от интенсивности пика первичного молекулярного иона…

Рис. 15

Масс-спектр фенилаланина

 

Табличную форму используют для составления каталогов и атласов масс-спектров, сводных таблиц, для составления компьютерных библиотек масс-спектров, для количественных расчетов.

Калибровка шкалы массовых чисел

Типы ионов

  (9)