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.

Spektrometria mas

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.

Metody jonizacji badanych substancji

Bombardowanie elektronami

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

27,9949, 28,0061 i 28,0313,

∆𝑚

𝑚1

ℎ

𝐻=0.1

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