Spektrometria mas
Spektrometria mas Początek spektrometrii mas wiązany jest z nazwiskiem Thomsona, który w roku 1911 za pomocą odchylania wiązki jonów w polu magnetycznym wykrył trwałe izotopy neonu, oraz z nazwiskiem Astona, który na z budowanym przez siebie w 1919 roku spektrografie mas odkrył 213 naturalnych trwałych izotopów. Został za to uhonorowany w roku 1922 nagrodą Nobla. Stosowana początkowo głównie do analizy izotopów spektrometria mas rozwinęła się obecnie w jedną z głównych metod badania struktury i stanu energetycznego molekuł, przebiegu elementarnych procesów chemicznych szczególnie radiacyjno-chemicznych, oraz analizy składu mieszanin. Imponująco duża wykrywalność metody, w której w pewnych warunkach wystarczają iloś ci badanej substancji rzędu 10-12 g, sprzyja zastosowaniom w analityce kryminalistycznej.
Schemat ideowy spektrometru mas z podwójnym ogniskowaniem przedstawiono na rys. 1. Pierwsze ogniskowanie według energii jonów odbywa się w sektorze elektrycznym, drugie zaś według prędkości ruchu jonów odbywa się w sektorze magnetycznym. Badana substancja w postaci pary lub gazu wprowadzana jest do komory jonizacyjnej, w której jednym z rozlicznych sposobów np. przez bombardowanie wiązką elektronów, wybijane są z molekuł elektrony.
W większości molekuł wszystkie elektrony są sparowane, więc po wybiciu jednego elektronu powstały jon dodatni ma niesparowany elektron, jest więc jonorodnikiem. Do przedniej ścianki komory jonizacyjnej przyłożony jest ujemny potencjał elektryczny rzędu 100 V, zwany potencjałem wyciągającym, wyciąga bowiem utworzone jony w kierunku szczeliny przepuszczającej je na trakt wysokiej próżni rzędu 10-4 -10-6 Pa. W komorze jonizacyjnej utrzymuje się próżnię 10-3 -10-4 Pa. Do szczeliny przyłożony jest potencjał przyspieszający V o wartości kilku tysięcy woltów. Potencjał V nadaje jonom o ładunku ze (z jest wielokrotnością ładunku elementarnego e; przeważnie z = 1) energię kinetyczną zev i z tą energią rozpędzone jony trafiają do obszaru sektora elektrycznego. Zadaniem sektora elektrycznego jest zogniskowanie jonów według ich energii. Odbywa się to na zasadzie zrównoważenia elektrostatycznego przyciągania jonów i siły odśrodkowej na zakrzywionym torze ich ruchu. Jeśli indukcja pola wynosi D, to trzeba poprowadzić jony po takiej krzywiźnie o promieniu r, aby nie spadły one na którąś z elektrod. Wówczas elektrostatyczna siła zed zostanie zrównoważona przez siłę odśrodkową
Energia kinetyczna ruchu jonów wynosi Łącząc wzory otrzymamy Zatem tory jonów przyspieszonych przez potencjał V i przechodzących przez stałe jednorodne pole elektryczne D mają ten sam promień krzywizny r, niezależny od stosunku ich masy do ładunku. Następuje zogniskowanie wiązki jonów na szczelinie między sektorami. Wiązka trafia do sektora magnetycznego, w którym działa pole magnetyczne o indukcji B i liniach sił prostopadłych do kierunku ruchu jonów. Tory jonów ulegają zakrzywieniu zależnemu od równowagi między siłą magnetyczną Bzev (działającą na ładunek ze poruszający się z prędkością v) i siłą odśrodkową
ostatecznie Wzór powyższy jest podstawowym wzorem spektrometrii mas. Wynika z niego, że przy stałej indukcji B w sektorze magnetycznym i stałym potencjale przyspieszającym V, każdej wartości m/z jonu będzie odpowiadał inny promień krzywizny r w sektorze magnetycznym. Nastąpi rozdzielenie jonów według ich wartości m/z. Jony o różnych wartościach m/z trafią w różne miejsca ekranu kolektora. Ze względów technicznych lepiej jest spowodować, by w określonej kolejności jony trafiały w to samo miejsce - okienko detektora, którym jest zazwyczaj powielacz jonów. Osiąga się to przez sterowaną monotoniczną zmianę indukcji B pola magnetycznego, uzyskując przemiatanie polem (tzw. skanowanie). Można też stosować przemiatanie potencjałem przyspieszającym V przy stałym B, uzyskując podobny efekt. Mierząc prąd jonowy l w kolektorze, detektor wskazuje, ile jonów o określonym stosunku masy do ładunku m/z dociera do kolektora, rejestrując widmo. Widmo mas jest funkcją 1= f(m/z).
Piki podstawowe jonów o pojedynczym ładunku z = 1 są wąskie, a odpowiadające im wartości mas są zbliżone do liczb całkowitych. Z rzadka zdarzają się jony o podwójnym ładunku z = 2, które dają wąskie piki wyróżniające się połówkową wartością m/z. Jedne i drugie pochodzą od jonów tworzących się w komorze jonizacyjnej i docierających do kolektora w nie zmienionej postaci. W procesie jonizacji energia przekazana molekułom je t na ogół większa niż energia potrzebna do wybicia elektronu. W utworzonym jonie pozostaje nadmiar energii, który może spowodować dysocjację wzbudzonego jonu na fragmenty. Jeżeli taka fragmentacja następuje w komorze jonizacyjnej, to uformowany z rozpadającego się jonu jon fragrnentacyjny zostanie wyciągnięty z komory jonizacyjnej, przyspieszony i skierowany do kolektora, nie ulegając po drodze zmianom. W widmie otrzymamy obok piku podstawowego jonu molekularnego piki jonów fragrnentacyjnych o masach mniejszych niż masa molekuły, pochodzących z kaskadowego rozpadu jonów w komorze jonizacyjnej.
Często zdarza się jednak, że wzbudzony jon zostanie wyciągnięty z komory jonizacyjnej i rozpadnie się dopiero w czasie przelotu trwającego około 10-6 s w jakimś przypadkowym miejscu na drodze do kolektora. Wówczas w widmie pojawi się pik metastabilny odpowiadający ułamkowej masie m* i silnie rozmyty. Piki metastabilne spełniają bardzo ważną rolę - są podstawą do określania dróg fragmentacji.
Bombardowanie elektronami Metody jonizacji badanych substancji Elektrony emitowane przez żarzoną katodę są kierowane przez odpowiednie napięcie w poprzek komory jonizacyjnej. Pod działaniem tego napięcia V' uzyskują energię ev', która zwykle je t zawarta między 5 a 100 ev i może być regulowana w tym zakresie. Dzięki temu możemy określać dwa ważne parametry fizykochemiczne badanych substancji - energię jonizacji i energię pojawiania się jonów. Energia jonizacji (IP - ang. ionization potential) jest to najmniejsza energia wystarczająca do wybicia elektronu z molekuły. Energia pojawiania się jonu (AP - ang. appearance potential) jest to najmniej sza energia wystarczająca do pojawienia się jonu fragmentacyjnego z jonu powstałego uprzednio z molekuły w procesie jonizacji. Bombardowanie elektronami nadaje się do generacji widma mas substancji tylko w stanie pary lub gazu.
Jonizacja chemiczna Ten sposób jonizacji stosowany jest również tylko w fazie gazowej. Wprowadzono go, by uniknąć zbyt daleko posuniętej fragmentacji jonów molekularnych. Do jonizacji par substancji badanej wykorzystuje się tak zwane jony pierwotne powstające w czasie bombardowania elektronami molekuł dodanego gazu "reagującego", którym najczęściej jest metan, amoniak lub któryś z gazów szlachetnych. Powstałe w reakcjach jonowo- molekularnych jony gazu "reagującego" zderzają się z kolei z molekułami badanej substancji S, dając jony tej substancji:
Bombardowanie szybkimi atomami (FAB) Ta metoda jonizacji (ang.fast atom bombardment) polega na bombardowaniu substancji badanej, rozpuszczonej w cieczy o dużej lepkości, np. w glicerynie, przez strumień atomów o dużej energii rzędu 1-10 kev. Przeważnie używa się atomów argonu lub ksenonu. Duża lepkość matryc, osiągana w przypadku popularnych rozpuszczalników przez znaczne obniżenie temperatury, jest konieczna, by można było utrzymać w komorze jonizacyjnej wysoką próżnię. Wprowadzenie metody FAB stanowiło przełom w spektrometrii mas, umożliwiło bowiem badanie substancji nielotnych i niestabilnych termicznie, o dużej masie molowej rzędu 1000-10000, i otworzyło drogę do badania substancji biologicznie czynnych. Obecność w widmie pików jonów pochodzących z materiału matrycy (rozpuszczalnika) jest wykorzystywana do kalibracji widma.
Bombardowanie jonami Metoda jonizacji, która stanowi podstawę spektrometrii mas jonów wtórnych- ang. secondary ion mass spectrometry), jest szczególnie przydatna do określania struktury substancji pochodzenia biologicznego o masach molowych rzędu 10000. Początkowo była stosowana tylko do badania powierzchni metali i związków nieorganicznych. Jonizację molekuł uzyskuje się w próbce naniesionej na powierzchnię ciała stałego (np. na folię) przez skierowanie na nią strumienia jonów, najczęściej argonu lub ksenonu, o energii rzędu kev. Te pierwotne jony powodują powstawanie jonów wtórnych substancji badanej S, zarówno dodatnich jak i ujemnych jonów molekularnych S+ i S- przez wybicie lub przyłączenie elektronu, oraz pozornych jonów molekularnych przez przyłączenie lub oderwanie protonu (S + H)+ i (S - H)-. Oba rodzaje jonów wtórnych można łatwo zarejestrować. Fragmentacja jonów molekularnych lub pozornych jonów molekularnych zależy od podłoża, na które naniesiona jest substancja badana. Na przykład próbki osadzone na miedzi i srebrze dają mniej jonów fragmentacyjnych niż na innych metalach. Metody SIMS i FAB uzupełniają się wzajemnie pod względem analitycznym.
Wprowadzanie próbek do komory jonizacyjnej Piroliza GC/MS LC/MS MS/MS Wpływ obecności izotopów na widmo mas Z jednej strony izotopy komplikują widmo mas, ale z drugiej strony czynią spektrometrię mas nieocenioną metodą analizy składu izotopowego i zawdzięczamy jej w dużej mierze wykrywanie izotopów. Określenie zdolności rozdzielczej spektrometru m m1 h H =0.1 27,9949, 28,0061 i 28,0313,
W procesie fragmentacji łańcucha węglowodorowego faworyzowane jest rozrywanie wiązań C-C, a nie wiązań C-H. Dlatego we fragmentacji dominuje pojawianie się jonów o masach 29, 43, 57,..., które różnią się o 14 jednostek, czyli o masę grupy CH2 Jeśli łańcuchy węglowodorowe są rozgałęzione, to łatwiej następuje rozrywanie wiązań C-C w miejscach rozgałęzień. Dzięki temu na podstawie widma mas można rozróżniać izomery. Wiązania podwójne sprzyjają rozrywaniu wiązania C-C odległego od podwójnego o dwa wiązania. W aminach, alkoholach, eterach, w związkach halogenopochodnych jonizacja powoduje zwykle oderwanie elektronu niewiążącego z heteroatomu, co sprzyja rozerwaniu wiązania sąsiadującego z heteroatomem. W wielu przypadkach fragmentacja nie polega tylko na rozerwaniu wiązania, lecz po nim następuje przegrupowanie atomów, zmieniające w sposób zasadniczy strukturę powstającego fragmentu.
tetrahydronaftalen