Масс-спектрометрия – это способ химического анализа и идентификации веществ путем составления графика зависимости интенсивности от отношения массы к заряду, то есть распределения ионов по массе в образце.
Масс-спектр обычно представляется в виде вертикальной гистограммы, в которой каждая полоса представляет ион с определенным отношением массы к заряду (m/z). Ее длина указывает объем иона в образце. Самый распространенный ион имеет 100 единиц объема и называется базовым пиком. Большинство ионов в масс-спектрометре, имеют один заряд, поэтому величина m/z эквивалентна их массе.
Современные масс-спектрометры – это приборы, позволяющие установить ионы, которые различаются лишь на одну единицу атомной массы и тем самым дают совершенно точные значения молекулярной массы соединения. Ион с максимальной массой в спектре считается «молекулярным ионом», а ионы с меньшей массой – его фрагментами. Например, несмотря на то, что молекулы CO2 и C3H8 очень схожи по размеру, их можно легко идентифицировать по индивидуальным масс-спектрам. Однако, даже для таких простых соединений редко удается объяснить происхождение всех фрагментарных ионов.
Масс-спектрометр
Поскольку ионы крайне химически активны и нестабильны, создание и манипуляции с ними должны осуществляться в вакууме. Нормальное атмосферное давление составляет около 760 торр (мм ртутного столба), в то время как на ионы можно воздействовать при давлении 10-5 -10-8 торр. Обычно ионизация достигается воздействием пучка электронов высокой энергии, а их разделение – ускорением и фокусировкой в пучке, который затем изгибается под действием магнитного поля. Затем ионы регистрируются электронным способом, а полученная информация хранится и анализируется компьютером.
Спектрометр состоит из ионизатора вещества, ускорителя ионов, источника мощного магнитного поля и набора детекторов потока ионов. Источник ионов бомбардирует молекулы образца электронами, исходящими из нагретой нити накала.
Газы и летучие жидкости просачиваются в него из резервуара, нелетучие твердые вещества и жидкости могут вводиться непосредственно. Катионы, полученные в результате электронной бомбардировки, отталкиваются от заряженной пластины, ускоряются и направляются к электродам с щелями, через которые ионы проходят в виде пучка. Некоторые из этих ионов распадаются на более мелкие катионы и нейтральные фрагменты. Перпендикулярное магнитное поле отклоняет пучок ионов по дуге, радиус которой пропорционален массе каждого иона. Более легкие ионы отклоняются сильнее, чем более тяжелые. Изменяя силу магнитного поля, ионы различной массы могут постепенно фокусироваться на детекторе, закрепленном на конце изогнутой трубки, которая находится в вакууме.
Когда электрон высокой энергии сталкивается с молекулой, он может ионизировать ее, выбивая один из электронов. В результате возникает ион. Остаточная энергия столкновения может привести к его распаду на нейтральные части и более мелкие фрагменты. Молекулярный ион является радикальным катионом, но ионы фрагментов могут быть либо радикальными катионами, либо карбокациями – в зависимости от природы нейтрального фрагмента.
Масс-спектрометрия высокого разрешения
Точные масс-спектрометры могут определять значения m/z с точностью до четырех знаков после запятой, с их помощью можно различать вещества с одинаковой номинальной массой. Таким образом, масс-спектрометрия позволяет определить не только конкретное значение молекулярной массы, но и молекулярную формулу неизвестного соединения.
Существуют таблицы точных значений массы для любой молекулы, а также калькулятор, доступный онлайн. Заданная номинальная масса может соответствовать нескольким молекулярным формулам, для точного определения вещества можно воспользоваться таблицами, или специальным софтом для расчета всех возможных комбинаций H, C, N и O.
Результатом масс-спектрометрического анализа становится масс-спектр – график ионного сигнала в зависимости от отношения массы к заряду, который помогает определять элементную или изотопную сигнатуру образца, массы частиц и молекул, химическую природу, а также структуру молекул и других химических соединений. Значение этого метода анализа для медицины трудно переоценить.
