Глава 4. Масс-спектрометрический метод анализа

Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул изучающего вещества и последующим разделении образующихся ионов в пространстве и времени. Образовавшиеся в ре- зультате ионизации ионы формируются в электростатическом поле в пучок. Этот пучок разделяется каким-либо способом на отдельные лучи, ионы в которых различаются по величине их массовых чисел (отноше- ния массы (m) к заряду иона (z) – m/z). Относительные количества ионов в этих лучах регистрируются. Одно из преимуществ метода заключается в том, что для анализа достаточно очень малых количеств вещества, а основной недостаток – метод является разрушающим (исследуется не само вещество, а продукты его превращения). Структура вещества или состав пробы восстанавливаются по результатам этих превращений, что сходно со схемами обычного химического анализа.

Метод масс-спектрометрии удобен для оценки чистоты образца, определения молекулярной массы, элементного состава и получения сведений об основных особенностях структуры молекулы данного ве- щества (для анализа достаточно 10

-6 –10

-12 г вещества, для детектирова-

ния известного соединения – 10 -12

–10 -14

г). Предел абсолютной чувстви- тельности масс-спектрометрии достигает 10

5 атомов. Ограничения ме-

тода заключаются в необходимости обязательного испарения хотя бы части пробы (если проба не газообразная) в вакууме с последующей или одновременной ее ионизацией.

Спектр применения масс-спектрометрии широк. Без масс- спектрометрии немыслимо существование ядерной энергетики, с еѐ по- мощью определяется степень обогащения расщепляющихся материалов и их чистота. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов при- меняется для медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter. Масс-спектрометрия используется: для определения нали- чия допинга в крови спортсменов; для оптимизации процессов перера- ботки нефти и поиска новых нефтяных полей; для контроля окружаю- щей среды над незаконным распространением наркотических и психо- тропных средств; для криминалистического и клинического анализа токсичных препаратов, анализа взрывчатых веществ. Масс- спектрометрия применяется в фармацевтике, парфюмерии, пищевой промышленности, производстве полимеров и пластиков, геохимии, гео- логии, гидрологии, металлургии и т. д.

153

Первые масс-спектры были получены в Великобритании Дж.Дж. Томсоном (1910), а затем Ф.У. Астоном (1919). Они привели к откры- тию стабильных изотопов.

4.1. Принцип действия масс-спектрометра

Существуют различные способы ионизации атомов и молекул (таб. 4.1).

Таблица 4.1 Способы ионизации атомов и молекул

Способы ионизации Аналитическое использование

1. Электронный удар Изотопный анализ, молекулярный ана- лиз неорганических газов.

2. Химическая ионизация Анализ органических соединений. 3. Искровой разряд. Лазерное излучение. Бомбардировка пучком ионов

Электронный анализ твердых неоргани- ческих веществ.

Ионизованные молекулы и атомы разделяют по их массам в масс- спектрометре. Скелетная схема масс-спектрометра представлена на ри- сунке 4.1.

Рис. 4.1. Скелетная схема масс-спектрометра: 1 – система подготовки и вве- дения исследуемого вещества; 2 – ионный источник; 3 – масс-анализатор; 4 – при- емник ионов; 5 – усилитель; 6 – регистрирующее устройство; 7 – ЭВМ; 8 – систе- ма электрического питания; 9 – откачные устройства. Пунктиром обведена ваку-

умируемая часть прибора

154

К основным характеристикам масс-спектрометров относят: массовая область – диапазон массовых чисел однозарядных

ионов, которые могут быть зарегистрированы на данном приборе (ниж- няя граница составляет обычно 1–2 а.е.м., верхняя граница для прибо- ров среднего класса – 500 а.е.м, для специальных исследований – более 2000 а.е.м);

разрешающая способность – возможность раздельной реги- страции близких по массам ионов. Масс-спектр должен иметь разре- шенные линии (узкие пики прямоугольной формы). Реально же, в ре- зультате различного рода искажений ионного пучка, а также инерцион- ности регистрирующей аппаратуры, в масс-спектре наблюдаются заост- ренные пики, которые отличаются друг от друга шириной по основанию и глубиной провала между пиками. Чем больше глубина провала, тем больше разрешающая способность прибора. В зависимости от глубины ложбины между двумя соседними пиками принято говорить о разреше- нии на уровне 10 % от высоты пиков для магнитных приборов и 50 % – для квадрупольных. Разрешение масс-спектрометра – это возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов с масса- ми m и (m+ m);

чувствительность – минимальное количество анализируемого вещества, при котором показания прибора превышают уровень шумов не менее, чем в два раза. Чувствительность может определяться мини- мальной относительной концентрацией вещества в пробе (до 10

-7 %),

минимальным парциальным давлением (до 10 -14

Па), или минимальным абсолютным количеством введенной пробы (до 10

-12 г и менее);

скорость сканирования. Масс-анализатор пропускает ионы с определенным соотношением массы и заряда в определенное время. Для проведения анализа необходимо сканировать все ионы, и чем больше скорость сканирования, тем лучше. От скорости зависит точ- ность и время анализа.