МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Масс-спектрометрия-это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду и определения количества ионов с определенным отношением массы к заряду. Томсон (J.J. Thomson) Создает первый прототип масс-спектрометра и измеряет масс-спектры компонент воздуха – С помощью своего масс-спектрометра Томсон открывает изотопы неона: неон-20 и 22. 1

2 Масс-спектрометрия - через образование ионов, разделение их по массам и детектирование позволяет получать богатейшую информацию об окружающем нас мире. В настоящее время она является одним из самых мощных универсальных физико-химических методов исследования вещества. По широте и комплексности подхода, чувствительности и точности измерений она успешно дополняет, конкурирует, а зачастую и превосходит другие методы физико-химического анализа. За время её использования она оснастилась богатым арсеналом инструментального и технологического оборудования, современными средствами автоматизации, методического и метрологического обеспечения. Сегодня масс-спектрометрия представляет собой современную фундаментальную и прикладную физико-химическую науку. В её задачу входит получение и накопление знаний о составе, структуре, физико- химических свойствах вещества, и о происходящих с ним процессах. Именно эти знания позволили обеспечить и осуществить многие открытия и достижения XX века. Наиболее яркими, из которых, является обеспечение освоения ядерной энергии, развития микроэлектроники, достижения в области физики, химии, биологии, фармакологии и т.д. и т.п. Сегодня, пожалуй, не найдешь области знаний, где бы не использовалась масс-спектрометрия или результаты ее исследований.

Типы масс–анализаторов Разделение заряженных частиц по отношению массы к заряду, (m/z) происходит с помощью электрических и магнитных полей в «масс- анализаторах» 1. Магнитный масс-анализатор 2. Времяпролетный масс-анализатор 3. Квадрупольный масс-анализатор 4. Радиочастотный масс-анализатор 5. Магниторезонансный масс- анализатор 6.Масс-анализатор ионно- циклотронного резонанса с Фурье преобразованием 7. Орбитальная ионная ловушка постоянное магнитное поле бес полевое пространство комбинация постоянного и высокочастотного электрического поля высокочастотное электрическое поле однородное магнитное поле и переменное электрическое однородное магнитное поле и переменное электрическое симметричное статическое электрическое поле высокочастотное электрическое поле 3

Типы масс–спектрометров Например, по типу масс-анализаторов: 1. Магнитные масс-спектрометры 2. Время пролетные масс-спектрометры 3. Квадрупольный масс-спектрометры 4. Радиочастотный масс-спектрометры 5. Магниторезонансный масс-спектрометры 6. Масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса 7. Орбитронные масс-спектрометры и т.д. Классификация масс-спектрометров может быть поведена по типу: масс-анализаторов по способу образования ионов (методу ионизации) по разрешающей способности по назначению и т.д. 4

По способу образования ионов (методу ионизации) 1. Масс-спектрометры с ионизацией электронами 2. Масс-спектрометры с ионизацией фотонами 3. Масс-спектрометры с поверхностной ионизацией 4. Масс-спектрометры с химической ионизацией 5. Масс-спектрометры с экстракцией ионов из растворов при атмосферном давлении (ЭИР АД) 6. Масс-спектрометры с ионизацией электро спреем (ESI) 7. Масс-спектрометры с ионизацией лазерной десорбцией (MALDI). 8. Масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой (ИСП) и др. По назначению 1.Масс-спектрометры для изотопного анализа 2.Масс-спектрометры для анализа органических соединений 3.Масс-спектрометры для космических исследований 4.Масс-спектрометры для решения технологических задач (течеискатели) 5.Масс-спектрометры для космических исследований Масс- спектрометры для решения задач протеомики и др. 5

Комбинированные приборы – Это комбинация масс-спектрометров с другими приборами В настоящее время широкое распространение получило сочетание: хроматография + масс-спектрометрия (газовые и жидкостные хромато масс-спектрометры) капиллярный электрофорез + масс-спектрометрия пиролиз + масс-спектрометрия спектрометрия ионной спектрометрия ионной подвижности + масс-спектрометрия мембранный ввод + масс-спектрометрия и др. Новый класс масс-спектрометров Гибридные масс-спектрометры, которые включают в себя два и более масс-спектрометра, один из которых, может работать как независимый прибор. Современные приборы способны реализовать режимы вплоть до МС 12. Гибридные приборы широко используются в протеомике. 6

На основе углеродной нанотрубки создан новый тип масс- спектрометра 7 Ученым из Калифорнийского университета и национальной лаборатории Беркли на основе углеродной нанотрубки удалось создать компактный масс- спектрометр с атомной чувствительностью, который работает при комнатной температуре.

Традиционно измерение массы атомов или молекул производят с помощью масс-спектрометра.масс-спектрометра Главный недостаток этого прибора необходимость превращения объекты взвешивания в ионы (обычно с этой целью используют электроспрей и ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы, МАЛДИ). электроспрейионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы Несколько лет назад было предложено использовать в качестве атомных весов нано механические резонаторы. Суть этого способа, не требующего ионизации частиц, состоит в следующем. У каждого резонатора существует своя частота, определяемая его массой. Когда резонатор начинает адсорбировать атомы или молекулы, то изменение его массы вызывает изменение этой частоты. В общем случае соотношение между изменением массы резонатора и сдвигом его частоты определяется геометрией резонатора и расположением адсорбированных частиц. Если резонатор по форме представляет собой консольную балку, а поглощаемая масса Δm при этом распределяется вдоль него равномерно, то сдвиг частоты Δf можно рассчитать по формуле: 8

Из приведенной выше формулы нетрудно понять, что чувствительность резонатора будет высокой, если его масса маленькая, а частота большая. Углеродные нанотрубки идеально подходят для этой цели, обладая меньшими размерами и плотностью, а значит, и массой (равной по порядку величины 10 –21 кг) по сравнению с традиционными нанорезонаторами (10 –17 кг), изготовленными методом электронно-лучевой литографии.Углеродные нанотрубки электронно-лучевой литографии Именно такой сенсор массы на основе углеродной нанотрубки с двойными стенками и предложили ученые из Калифорнийского технологического института в своей работе An atomic-resolution nanomechanical mass sensor (многослойную нанотрубку такого типа из вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок называют «русская матрешка»).An atomic-resolution nanomechanical mass sensor 9 где f 0 и m 0 начальные частота и масса наноустройства соответственно.

Углеродная нанотрубка закреплена одним концом на электроде и находится в вакуумированной камере (10 –10 мм рт. ст.) (рис. 1b). С вольфрамовой нити, расположенной на расстоянии d CNT = 50,2 см от нанотрубки, испаряются атомы золота, массу которых следует определить. Заслонка регулирует количество попадающих в резонатор атомов золота. Находящиеся на расстоянии d QCM = 12,8 см перпендикулярно направлению испарения взвешиваемых частиц, кварцевые микровесы (QCM, Quartz crystal microbalance) выполняют функцию калибровочного устройства для нанотрубки, контролируя равномерность испарения атомов золота.кварцевые микровесы Quartz 10 Рис. 2. Участок схемы, с помощью которой по величине тока автоэлектронной эмиссии детектируют частоту механических колебаний нанотрубки.

С помощью кварцевых микровесов при закрытой заслонке убеждались в постоянстве массового потока атомов золота, испаряющихся с вольфрамовой нити. После этого открывали заслонку, позволяя небольшому количеству атомов достичь углеродной нанотрубки. Далее заслонка закрывалась. Через некоторое время эксперимент повторялся вновь. Результаты опыта представлены на рисунке. 11

Рис. 3. a изменение частоты резонатора) со временем. Серые полосы соответствуют моментам времени, когда затвор не пропускает атомы золота в резонатор, белые полосы отвечают времени, когда затвор открыт, и атомы золота достигают поверхности нанотрубки. График во вставке на рисунке а демонстрирует зависимость скорости сдвига частоты резонатора от массового потока, фиксируемого с помощью кварцевых микровесов. b график, подтверждающий с помощью кварцевых микровесов постоянство скорости испарения атомов золота с вольфрамовой нити. 12

Из рисунка видно, что частота резонатора уменьшилась. Для детектирования механических колебаний резонатора ученые использовали уникальную особенность углеродных нанотрубок, заключающуюся в зависимости между ее механическими колебаниями и током автоэлектронной эмиссии (рис. 2). Как показали измерения,автоэлектронной эмиссии до открытия заслонки частота резонатора составила 328,5 МГц. Из соотношения между частотой резонатора и его массой получаем, что поглощение одного цептограмма массы (1 цептограмм (сг) = 10 –24 кг) соответствует уменьшению частоты резонатора на Δf = 0,104 МГц (то есть чувствительность резонатора равна 0,104 МГц/сг). По резонансному сдвигу частоты исследователи определили (предполагая массу атома золота известной - 0,327 сг), что во время первого открытия заслонки углеродная нанотрубка «вобрала» в себя 51 атом золота (рис. 3a). Что самое поразительное и важное в этих экспериментах, так это то, что все данные получены и измерены при комнатной температуре! Никакого охлаждения до низких температур не происходило. 13

ПРИМЕНЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ 14 Химический и структурный анализ Изотопный анализ Элементный анализ Хромато-масс- спектрометры. ГХ/МС и ЖХ/МС системы Масс-спектрометры для анализа стабильных изотопов в газовой фазе Термоиониза- ционные масс- спектрометры Масс-спектрометры с ионизацией в индуктивно-связанной плазме и тлеющем разряде Биохимия Протеомика Клиническая химия Косметика Допинги, наркотики Контроль окружающей среды Пищевые продукты Сельское хозяйство Криминалистика Органическая химия Парфюмерия и ароматизаторы Нефти Биохимия Протеомика Клиническая химия Косметика Допинги, наркотики Контроль окружающей среды Пищевые продукты Сельское хозяйство Криминалистика Органическая химия Парфюмерия и ароматизаторы Нефти Нефтехимия Фармацевтика Полимеры Токсикология Нефтехимия Фармацевтика Полимеры Токсикология Сельское хозяйство Климат хозяйство Климат Клиническая Клиническая химия Протеомика метаболомика Медицинская диагностикаметаболомика Медицинская диагностика Пищевые продукты Ароматические Пищевые продукты Ароматические вещества вещества Алкогольные напитки Алкогольные напитки Допинг контроль Допинг контроль Геология Гидрология Петрография и минералогия Нефть Криминалистика Геология Гидрология Петрография и минералогия Нефть Криминалистика Геохронология Ядерная энергетика Контроль окружающей среды Геохронология Ядерная энергетика Контроль окружающей среды Археология Косметика Экология Общая химия Металлургия Ядерная энергетика Геохимия Продукты питания Медицина и токсикология Фармацевтика Полупроводниковая промышленность Криминалистикаи токсикология Фармацевтика Полупроводниковая промышленность Криминалистика Нефти и Нефти и нефтепродукты

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МАСС- СПЕКТРОМЕТРИЯ Историческая справка Н.И. Ионов. Ионизация молекул KI, NaI и CsI электронами. // Доклады Академии наук СССР, 1948, т. 59, 3, с Первая работа, в которой был проведен масс-спектрометрический анализ высокотемпературных паров иодидов натрия, калия и хлорида цезия, истекающих из замкнутого объема с небольшим отверстием. После серии публикаций Chupka, W. A., Inghram M.G и Honig, R. E. ( ) в литературу вошел термин высокотемпературная масс- спектрометрия (ВТМС). Под ВТМС понимают комбинацию эффузионного метода измерения давления с масс-спектрометрическим анализом молекулярного пучка, истекающего из ячейки Кнудсена

25 Образец Газ Ионы Расшифровка Состав Расшифровка Состав pipi IiIi Kop(Т)Kop(Т) Термодинамика Ii(t)Ii(t) Кинетика Ii(Е)Ii(Е) Мионика Энергетика Структура

1 Molecular sublimation mode EXPERIMENTAL SETTING Cell (φ= ± 3 kV) Ionic sublimation mode Extraction electric field E = 10 4 Vm -1 Recorder 15 16

17 Нагревание вещества сопровождается процессом его сублимации (переход в газовую фазу) в виде простых или ассоциированных атомов и молекул Простые ионы, в свою очередь, могут взаимодействовать в поверхностном слое с молекулами конденсированной фазы, образуя ионные ассоциаты: Масс–спектрометрический метод позволяет изучать как процессы (1), так и процессы (2) и (3). Нейтральные компоненты пара исследуют методом ионизации электронами, а ионные компоненты – с использованием метода термоионной эмиссии. A кр A AB кр AB AnAn (AB) n A кр AB кр (1) либо при температурах, достаточных для ионизации вещества на нагретой поверхности, реализуется второй процесс – ионная сублимация (термоионная эмиссия) A кр AB кр A±A± A + + В (2) A ± + nАВ кр A ± (АВ) n (3)(3)

18 Метод ионизации электронами (ИЭ) Метод ИЭ получил наибольшее распространение в ВТМС в виду его простоты. При столкновении электронов с атомами (молекулами) пара происходят: (а) упругие столкновения (если энергия мала), т.е. без обмена энергиями между сталкивающимися частицами (б) неупругие столкновения т.е. с изменением внутренней энергии взаимодействующих частиц. Возможны следующие процессы: (1)прямая ионизация с образованием атомарных ионов A + е A +(*) + 2 е(4) (2) Оже – процесс A + е (A*) i (A + ) i + 2e... A n + + (n + 1)е(5) (3) возбуждение с последующей автоионизацией A + e A ( ** ) + e A +( * ) + 2e(6) (4) многократная ионизация A + e A n +( * ) + (n + 1)e(7) (5) прямая ионизация с образованием молекулярных ионов AB + e (AB*) + e AB +( * ) + 2e(8) (6)диссоциативная ионизация AB + e (AB*) + e A +( * ) + B (*) + 2e(9)

(7) образование ионной пары AB + e (AB*) + A+ + B– + e (10) (8) диссоциативный захват AB + e (AB – ) A –(*) + B (*) (11) Замечание. Для большинства соединений вероятность ионизации молекул с образованием положительных ионов, как правило, на несколько порядков выше вероятности процессов с образованием отрицательных ионов и ионных пар. Анализ процессов ионизации удобно вести в рамках концепции кривых потенциальной энергии и принципа Франка–Кондона (переход осуществляется настолько быстро, так что межъядерное расстояние за время перехода не изменяется, т.е. переходы являются вертикальными). 19

20 АE(A + /AB) = I 0 (A) + D(AB) (12) АE(A + /AB) = АE(AB + ) + D(AB + ) (13) АE(A + /AB) = IE(A) + D(AB) + Е к (14) АE(A + /AB) = АE(AB + ) + D(AB + ) + Е к (15) АE(AB+) + D(AB+) = I 0 (A) + D(AB) (16) AB AB + AB АE(AB + )=D(AB + )+I 0 (A)+D(AB)+E возб +E к (17)

Cлучаи с образованием иона в основном и в возбужденном состоянии по масс–спектру не различимы. Если кинетическая энергия ионов может быть измерена в масс–спектрометрическом эксперименте, то об Е возб определенного сказать ничего нельзя. Поэтому уравнение (17) следует переписать в виде неравенства: АE(А+/AB) D(AB) + I 0 (A) + E к (18) Выражение (18) часто используют в масс–спектрометрии для расчетов величин энергий диссоциации молекул и энергий ионизации атомов и молекул. Величины АE можно получить из экспериментальных зависимостей интенсивностей ионных токов от энергии ионизирующих электронов, т.н. кривых эффективности ионизации (КЭИ). 2121

Определение молекулярного состава пара 22 Для определения качественного состава пара необходимо: идентифицировать химические формулы ионов в масс-спектре (по измеренным массовым числам, по распределениям изотопных соотношений в пиках, по составу конденсированной фазы (если известен)) провести соотнесение ионов их молекулярным предшественникам, т.е. провести расшифровку масс–спектра, или другими словами количественно разделить измеренные интенсивности ионных токов на составляющие, обязанные своим происхождением различным молекулам. Для расшифровки масс–спектра могут быть использованы различные способы: а) снижение энергии ионизирующих электронов б) изменение соотношения нейтральных частиц в молекулярном пучке (например, изменением активности компонентов в конденсированной фазе) в) изменение соотношений компонентов пара в ячейке Кнудсена (измерение с насыщенным и не насыщенным паром, использование двойных эффузионных ячеек) г) анализ углового распределения ионов в) анализ форм КЭИ и энергий появления ионов д) анализ температурных зависимостей ионных токов е) независимость констант газофазных реакций от состава конденсированной фазы и др.

23 Определение парциальных давлений компонентов пара Ионный ток (I) связан с концентрацией частиц n в области ионизации соотношением: I = σi е nl,(19) где – сечение ионизации, i е – ток ионизирующих электронов, l – длина пути электронов, на котором происходит ионизация. Величина n связана с концентрацией молекул внутри эффузионной ячейки (n ) соотношением: n = n s/4pL2,(20) где L – расстояние от эффузионного отверстия до области ионизации, s – площадь эффузионного отверстия. С учетом того, что не все образующиеся в области ионизации ионы регистрируются (достигает коллектора только некоторая их часть a), а также, принимая во внимание общеизвестное соотношение, p = n kT, (21) где k – константа Больцмана, окончательно получаем (22) где K – константа чувствительности прибора, которая не зависит от сорта молекул и определяется только геометрией прибора и его режимом работы.

24 где j – полное сечение ионизации молекул j, I ij – суммарный ионный ток всех сортов i–х ионов из j–молекул, a i – природная распространенность i–го изотопа, i – коэффициент ионно–электронной эмиссии i–го иона (принимают ~ 1/ M, где M – относительная молекулярная масса иона). Сечения ионизации молекулы обычно рассчитываются по правилу аддитивности на основе сечений ионизации атомов mol = 0,75 j. В том случае, когда в газовой фазе образуется несколько молекулярных форм, и имеют место процессы диссоциативной ионизации и наложения масс–спектров индивидуальных молекул, вводят индексы для обозначения вида молекулы (j) и вида иона (i). Уравнение (22) записывается в виде: (23)

25 Метод термической ионизации Воспользуемся известным выражением для скорости эффузии вещества (24) где dm – масса эффундирующего вещества за время dt, s – площадь эффузионного отверстия, М– относительная молекулярная масса, R – универсальная газовая постоянная, Т – термодинамическая температура. C другой стороны, скорость эффузии вещества в виде ионов связана с ионным током соотношением: (25) где N A – постоянная Авогадро, е – элементарный заряд. Из (24) и (25) находим: (26)

26 В формулу (26) необходимо ввести еще множитель – коэффициент потерь, представляющий собой отношение измеряемого ионного тока на коллекторе к ионному току на выходе из ячейки (при работе с ВЭУ измеряемый ионный ток необходимо скорректировать, введя поправку на коэффициент ионно– электронной эмиссии ). Обозначив ион =(27) получаем p i = ион I i T 1/2 M 1/2 (28) С учетом изотопного соотношения уравнение (28) принимает вид (29) ион – константа, характеризующая чувствительность прибора в режиме ТЭ, которая не зависит от сорта ионов и определяется только геометрией и режимом работы прибора. Она может быть определена, например, по известным значениям констант равновесия реакций гетеролитической диссоциации, например соединения АВ, т.е. p(A + ) p(B –) = K (p ) 2 = const.

25