У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

тема напуска обеспечивает испарение вещества и вводит его в массспектрометр

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2016-03-30

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 8.6.2025

Масс-спектрометрия

Метод основан на изучении распределения по массам ионов, образующихся при ионизации исследуемого вещества. Процесс получения масс-спектра включает несколько этапов, каждому из которых соответствует свой функциональный узел.

  1.  Ввод пробы (на схеме – vapor)
  2.  Ионизация (electron beam)
  3.  Ускорение ионов (potential difference)
  4.  Масс-анализ
  5.  Регистрация (photographic plate)

Система напуска обеспечивает испарение вещества и вводит его в масс-спектрометр. Как правило, для измерений достаточно 1-100 мкг вещества, но в принципе, масс-спектрометрический анализ позволяет определять до 10-9 г вещества, что делает масс-спектрометрию одним из наиболее чувствительных методов анализа.

В случае органических соединений ионизация осуществляется методом электронного удара, т.е. пары вещества пересекают электронный пучок с энергией электронов порядка 70 эВ, в результате чего образуются исключительно катионы. Ионизированные частицы разгоняются между решетками, к которым приложено напряжение 2-3 кэВ. При этом они получают дополнительную энергию в форме кинетической энергии .

Далее частицы попадают в масс-анализатор, где начинают двигаться по искривленной траектории под действием внешнего магнитного поля  (направление указано стрелками на схеме). При этом на частицы действуют две силы (F1 – отклонения и F2 – центробежная):

В зависимости от напряжения на детектор приходят частицы с различным отношением массы к заряду. Получаем линейчатый спектр, известный под именем «масс-спектр».

Масс-спектрометры характеризуются по крайней мере двумя параметрами: 1) массовой областью (как правило, она меньше 1000 атомных единиц); 2) точностью (как правило, четыре знака после запятой для массовых чисел меньше 100).

Измерения проводятся в вакууме (10-7 мм рт. ст.). Сложный спектр формируется в результате образования разнообразных заряженных осколков.

Наряду с рассматриваемой схемой масс-спектрометра с отклонением в магнитном поле на практике используются и другие, в частности, квадрупольные масс-спектрометры. Разделение ионов здесь осуществляется в электрическом поле сложной формы. Также используются времяпролетные масс-спектрометры, в случае которых напряжение на сетки подается короткими импульсами, ионы приобретают одинаковую энергию и, пройдя расстояние около 2 м, приходят к детектору в разные моменты времени. Оба эти масс-спектрометра имеют меньшее разрешение, но удобны для некоторых практических измерений.

Принципы формирования масс-спектра

Результатом электронного удара является формирование молекулярных ионов. Возможен отрыв одного электрона, отрыв нескольких электронов и захват электрона с образованием аниона. Вероятность каждого из этих процессов определяется энергией электронов. Последний процесс возможен только для низкоэнергетических электронов (около 0,1 В). Отрыв нескольких электронов возможен только в случае использования высокоэнергетических электронов. При использовании электронов с энергией 70 эВ единственным процессом в системе будет являться генерация однозарядных катионов. Если энергия электронов сопоставима или превышает энергию разрыва связи (7-15 эВ), то мы будем наблюдать следующую зависимость выхода молекулярных ионов от энергии электронов.

В итоге получаем ион с заведомо избыточной энергией, которая преобразуется в колебательную, результатом чего является фрагментация молекулярных ионов с выделением незаряженных фрагментов и стабильных молекул. Характер фрагментации индивидуален для каждой молекулы и определяется особенностями её строения. При этом наличие ароматических групп и двойных связей стабилизирует молекулярный ион, а наличие разветвления приводит к увеличению эффективности фрагментации в силу высокой стабильности образующегося третичного карбониевого иона. В целом, можно лишь на основании имеющегося опыта установить ряд относительной стабильности молекулярных ионов для различных органических соединений.

ароматические > неразветвленные УВ > кетоны > амины > эфиры

Некоторые фрагменты не являются собственно частями молекулы, а являются продуктом перегруппировки, протекающей как внутримолекулярная реакция. Примером является перегруппировка МакЛафферти.

В целом, тенденция к выделению молекул, способных унести с собой избыточную энергию, является чрезвычайно ярко выраженной. Такие группы, как С2Н4, СО, Н2О, HCN, CS2, НГал отщепляются довольно часто. Порой такое отщепление провоцирует скелетные перегруппировки.

Таким образом, если речь идёт о фрагментации, её не надо понимать как массовый разрыв химических связей и их рекомбинация с образованием новых соединений. Во всех случаях это вполне определенные реакции, аналогичные химическим. Механизм этих реакций был установлен для целого ряда химических соединений в рамках специфического раздела химии высоких энергий, в данном случае, процессов, индуцированных электронным ударом.

В большинстве случаев просто рассматривают масс-спектр как индивидуальный отпечаток пальца, поскольку эти масс-спектры индивидуальны даже для изомеров и совпадают только в случае стереоизомеров.

Таким образом, структура масс-спектра определяется прежде всего ходом процессов фрагментации. Ещё одним фактором, ответственным за формирование тонкой структуры масс-спектра является изотопный состав исследуемого вещества. Так, если принять во внимание, что, например, бром представлен двумя изотопами: бром-79 (сод. 50,54%) и бром-81 (сод. 49,46%), то реально некий фрагмент RBr+ распадется на дублет. Ежели фрагмент дважды бромирован, то получится триплет со средним пиком удвоенной интенсивностью, поскольку с удвоенной вероятностью будет формироваться смешанный по изотопу фрагмент. Отметим, что такая правильно симметричная картинка масс-спектра является результатом эквивалентности распространения легкого и тяжелого изотопов в природе. В случае других элементов с различным распространением в природе, интенсивность пиков изменится сообразно этой распространенности.

Углерод в составе органических соединений также представлен в виде двух изотопов, причем содержание тяжелого углерода-13 составляет 1,1%.

Пример: неопентан

В продуктах фрагментации будет полностью отсутствовать пик исходного молекулярного иона, поскольку он распадается на 100%.

Пример: п-хлоранилин

Фрагментация протекает по двум основным механизмам.

В масс-спектре будут иметься яркие проявления изотопного состава, т.к. хлор в природе представлен двумя изотопами. Пик в 7% указывает на наличие тяжелого изотопа углерода-13.

Задачи, решаемые при помощи масс-спектрометрии:

  1.  определение молекулярной массы

Молекулярные ионы очень ярко проявляются прежде всего в соединениях, в которых есть ароматические фрагменты. Если в исследуемом соединении эффективность фрагментации велика и выход молекулярного иона небольшой, то можно понизить энергию электронного пучка для того, чтобы подавить фрагментацию. Строго молекулярные пики давало бы использование электронов очень низкой энергии, в котором идет процесс образования анионов вместо образования катионов.

  1.  идентификация химического соединения

Масс-спектрометрия используется в комбинации с другими методами, особенно если природа исследуемого соединения неизвестна. Масс-спектры являются очень индивидуальными и различаются даже для изомеров. Одинаковые масс-спектры наблюдаются для стереоизомеров. Иногда масс-спектры используются как «отпечатки пальцев» (англ. fingerprint).

  1.  установление механизмов химических реакций

Основной подход – отслеживание включения изотопных меток во фрагменты исследуемых молекул

Использование масс-спектрометрии позволило также установить механизм реакций фрагментации в условиях электронного удара.

Дейтерируем исходное соединение в α-положение: масс-спектр продукта сдвинется.

При дейтерировании в β-положение спектр продукта никак не изменится:

Дейтерирование в γ-положение также сдвинет спектра продукта:

4) Масс-спектрометрия является эффективным средством исследования кинетики химических реакций, особенно в тех случаях, где образуется малое количество веществ.

5) Масс-спектрометрия в силу чувствительности позволяет получить информацию о состоянии газообразных продуктов над твердой фазой.

6) Масс-спектрометрия позволяет определить потенциалы ионизации, исходя из потенциалов появления ионов.

7) Так как вклад процессов фрагментации молекул различных веществ в смеси в итоговый масс-спектр аддитивен, то масс-спектрометрия может быть использована для определения состава паров органических веществ.

До недавнего времени именно масс-спектрометрия обслуживала многие химические производства (крекинг и проч.)

Хромато-масс-спектрометрия

Комбинация газового хроматографа и масс-спектрометра, выполняющего роль высокоэффективного детектора продуктов разделения газовой смеси.

Информация о природе исследуемых веществ получается из двух источников:

  1.  времена удерживания для данных компонентов смеси на данной хроматографической колонке
  2.  из масс-спектров, полученных для химических веществ, разделенных на хроматографической колонке

В случае хромато-масс-спектрометров реализуются идеальные условия для функционирования масс-спектрометра, т.к. компоненты смеси разделяются на индивидуальные вещества, которые последовательно поступают на детектор. О выходе нового вещества можно судить по ионному току, причем интегрирование ионного тока по времени дает относительное количество вещества, а масс-спектр указывает на его природу.

Существует обширная база данных, поставляемая с масс-спектрометрами, причем она может быть расширена с учетом потребностей исследователя. Высокая чувствительность масс-спектрометра обеспечивает и высокую чувствительность хромато-масс-спектрометрических исследований: 100 пг по стеарату натрия.

Лазерная масс-спектрометрия (LMS)

Поверхность облучается импульсами лазерного излучения. Если сообщенная энергия превышает возможности образца по теплоотводности, то происходит поверхностная сублимация с образованием кратеров глубиной несколько мкм с размерами пятен в 10-100 мкм. Особенностью данной модификации является факт образования большого количества многозарядных ионов и отсутствие кластеров. Чувствительность метода высокая: 10-3 – 10-7 ат. %. Количественные измерения требуют использования стандартов, иногда роль стандарта может выполнять один из элементов образца.

Искровой метод масс-спектрометрии

К поверхности образца подводят зонд и пропускают разряд напряжением 100 кВ, испаряя вещество на площадке 100 мкм. Если образец не является проводящим, то его запрессовывают в фольгу и выполняют измерения. Метод традиционно используется для оценки качества образцов стали, а также в геологических исследованиях. Вместе со вторично-ионной масс-спектрометрией LMS и искровой метод приспособлены для исследования твердотельных образцов.

- 5 -

1 – газ-носитель

2 – ввод пробы

3 – хроматограф.  

     колонка

4 – масс-спектр-р

4

3

2

He

1

65

92 100

127

7%

32%

  М+   100%

С4Н9+

57                       m/z

100                     I/I0∙100%

С3Н5+

41

41,5

С2Н5+

29

38,5

С2Н3+

27

15,7

С5Н12+

потенциал

возникновения

50

70

Ee, эВ

выход М+




1. ТЕМА 3. Психофизика и измерение ощущений 12 часов [0
2. Философские проблемы истины
3. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ ІМЕНІ ІВАНА КОЖЕДУБА ШОСТКИНСЬКОГО ІНСТИТУТУ СУМСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
4. по теме Растворы1
5. хореографическое искусство муниципального образовательного учреждения дополнительного образовани
6. Правовые основы применения сотрудниками милиции физической силы, специальных средств и огнестрельного оружия и меры безопасности
7. слышащие студенты в своей учебе пользуются в основном зрением и слухом.
8. Знание ~ сила отражающего практическую направленность науки; прогностическая функция 3
9. длительное кровотечение из носа
10. . Теоретические основы игровых технологий во внеурочной деятельности