Масс-спектрометрические методы анализа (часть 1)

Сентябрь 14, 2022

Главная
Физика
Масс-спектрометрические методы анализа (часть 1)

Содержание

2. Масс-спектрометрия – метод исследования вещества путём определения масс ионов этого вещества (чаще отношений масс ионов к
3. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ Масс-спектральный анализ для определения характеристик веществ давно и успешно применяется в химическом анализе.
4. Лишь с 1960 г. началось реальное практическое внедрение масс-спектрометрии, вскоре ставшей стандартным методом современной аналитики. На
9. Основы метода Метод основан на переводе частиц исследуемого вещества в состояние ионизированного газа с последующим их
11. Состав масс-спектра Масс-спектр может включать пики нескольких типов ионов (продуктов ионизации): 1. Молекулярный ион 2. Перегруппировочные
12. I Система напуска пробы Важное условие напуска пробы – количество вводимой пробы не должно превышать нескольких
14. Теоретические основы метода Физический принцип масс-спектрального анализа основан на законе лоренцевой силы F, согласно которому заряженные
15. Кинетическая энергия заряженной частицы массы m, движущейся под действием разности потенциалов V со скорость v……………………………………………………… Величина
22. 2. Анализатор 3. Детектор/Регистрация 1. Введение пробы/ионизация Основные составляющие масс-спектрометра и способы их реализации
23. Динамические схемы масс-спектрометров Два основных типа динамических масс-спектрометров: - времяпролетный масс-спектрометр - квадрупольный масс-спектрометр.
25. Схема время пролетного масс-спектрометра Весь спектр можно получить за 10-3 с. Диапазон массовых чисел практически неограничен.
27. Квадруполь состоит из 4-х параллельных стержней Обычная длина от 5 до 200 см Обычный радиус от
28. КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
29. СТРУКТУРА КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС - СПЕКТРОМЕТРА
30. Единицы измерения атомных и молекулярных масс •Единицы массы: •а.е.м. (атомные)= у.е.(углеродные): 1/12 12C = Да (Дальтон)
31. Характеристики масс-спектрометра. Разрешающая способность. Разрешение масс-спектрометра (R) –это возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от
32. Разрешающая способность. Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к 400 а.е.м.
33. Установлено, что на разрешение в масс-спектрометрии влияют в основном следующие параметры: Пространственная расходимость пучка ионов Разброс
34. Разрешение масс-спектрометра • 12С=12.00000000 а.е.м. • 1H = 1.00782506 а.е.м. • 14N=14.00307407 а.е.м. • 16O=15.99491475 а.е.м.
35. Характеристики масс-спектрометра. Разрешающая способность. Масс-спектрометрия высокого разрешения (МСРВ,HRMS–High Resolution Mass-Spectrometry) позволяет разделить и точно измерить массовые
36. Разрешающая способность Например, для измеренной массы иона неизвестного состава 163.9497 возможны такие комбинации атомов: Выбор из
37. Масса и относительная распространенность изотопов некоторых элементов
38. Изотопное распределение
40. Скачать презентацию

Слайд 2

Масс-спектрометрия –
метод исследования вещества
путём определения масс ионов
этого вещества

(чаще отношений
масс ионов к их зарядам) и их
количеств
В.Л. Тальрозе.
Большая советская энциклопедия

Слайд 3

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
Масс-спектральный анализ для определения характеристик веществ давно и

успешно применяется в химическом анализе. Еще в 1910 году Томпсону удалось записать масс-спектр обоих изотопов неона (20Ne и 22Ne).
Ф.Астон из Кембриджа получил в 1922 г. Нобелевскую премию по химии за открытие с помощью масс-спектрографа ряда изотопов нерадиоактивных элементов.

1912 г. —Дж. Дж. Томсон
(Великобритания) создает первый
масс-спектрограф и получает
масс-спектры молекул O2, N2и др.

Джозеф Джон Томсон
(18.12.1856 –30.08.1940)

Некоторые из важнейших достижений:
Середина 1950-х годов - Вольфганг Пол разработал квадрупольный масс-анализатор(Нобелевская премия по физике 1989 г.)
1985 г.-КоитиТанакаизобрел метод мягкой лазерной десорбции (Нобелевская премия по химии 2002 г.)

Слайд 4

Лишь с 1960 г. началось реальное практическое внедрение масс-спектрометрии, вскоре ставшей

стандартным методом современной аналитики.
На данный момент масс-спектрометрия считается одним из наиболее эффективных способов абсолютного измерения атомной и молекулярной массы, она отличается высокой чувствительностью и большой информативностью спектров. Использование масс-спектрометрии весьма многообразно. Она находит применение не только в органической аналитике, но также и неорганической химии, в биологии, физике и других науках.
► Масс-спектрометрия подходит для проведения качественного и количественного анализа смесей, а также следового и изотопного анализов.
► С помощью масс-спектрометрии можно получить сведения об элементном составе, а следовательно и о структуре нового соединения.
► Можно доказать идентичность двух соединений.

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Слайд 9

Основы метода
Метод основан на переводе частиц исследуемого вещества в состояние ионизированного

газа с последующим их разделением и детектированием.
Стадии эксперимента:
Предподготовка пробы (например: хроматографическое
разделение)
2. Подготовка, ввод и ионизация пробы
3. Ускорение ионов
4. Разделение ионов
5. Детектирование ионов
6. Обработка сигналов

Слайд 10

Слайд 11

Состав масс-спектра
Масс-спектр может включать пики нескольких типов ионов (продуктов ионизации):
1. Молекулярный

ион
2. Перегруппировочные ионы
3. Фрагментные ионы
4. Многозарядные ионы
5. Метастабильные ионы

Слайд 12

I Система напуска пробы
Важное условие напуска пробы – количество вводимой пробы

не должно превышать нескольких микромолей, чтобы не нарушить вакуум внутри прибора.
Существуют прямой и непрямой способы ввода пробы:
при непрямом способе пробу вводят в масс-спектрометр
в газообразном состоянии ( жидкие и твердые образцы
необходимо предварительно перевести в пар путем нагревания
в специальной камере до температур порядка 5000С в
условиях вакуума ~10-4 Па)
прямой ввод используют тогда, когда проба труднолетуча,
образец вводят непосредственно в ионизатор с помощью штанги
через систему шлюзовых камер, это обеспечивает резкое
уменьшение потери вещества
существует способ ввода пробы непосредственно после
хроматографического разделения, такое сочетание
масс-спектрометрии с хроматографией называется
хромато-масс-спектрометрией

Слайд 13

Слайд 14

Теоретические основы метода
Физический принцип масс-спектрального анализа основан на законе лоренцевой силы

F, согласно которому заряженные частицы отклоняются под действием внешнего магнитного поля. Формула Лоренца:

► Заряд q, движущийся со скоростью v под действием электрического поля Е и магнитного поля с индукцией В будет испытывать силу, перпендикулярную его скорости.
► Таким образом, первым условием получения масс-спектра является ионизация анализируемых частиц (атомы, молекулы, молекулярные фрагменты).
► Заряженные частицы совершают в магнитно поле движение по круговым траекториям, радиусы которых пропорциональны корню квадратному от величины масс этих частиц.

Слайд 15

Кинетическая энергия заряженной частицы массы m, движущейся под действием разности потенциалов

V со скорость v………………………………………………………

Величина и направление силы Лоренца для заряженной частицы массы m, движущейся со скоростью v в магнитном поле В, приложенном перпендикулярно к направлению движения………………………………………

Величина силы Лоренца……………………………………

Величина центростремительной силы……………………

Основное уравнение описывающее траекторию движения заряженной частицы массой m в поле В под действием ускоряющего напряжения V…………….……………………

Вывод уравнения движения в масс-спектрометрии

Слайд 16

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

Слайд 20

Слайд 21

Слайд 22

2. Анализатор
3. Детектор/Регистрация
1. Введение пробы/ионизация
Основные составляющие масс-спектрометра и
способы их реализации

Слайд 23

Динамические схемы масс-спектрометров
Два основных типа динамических масс-спектрометров:
- времяпролетный масс-спектрометр
- квадрупольный

масс-спектрометр.

Слайд 24

Слайд 25

Схема время пролетного масс-спектрометра
Весь спектр можно получить за 10-3 с. Диапазон

массовых чисел практически неограничен.

Слайд 26

Слайд 27

Квадруполь состоит из 4-х параллельных стержней
Обычная длина от 5 до 200

см
Обычный радиус от 4 до 20 мм
Стержни диагонально связаны с постоянным и радиочастотным источниками питания

Принцип работы квадрупольного масс-спектрометра

Слайд 28

КВАДРУПОЛЬНЫЙ
МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Слайд 29

СТРУКТУРА КВАДРУПОЛЬНОГО
МАСС - СПЕКТРОМЕТРА

Слайд 30

Единицы измерения атомных и молекулярных масс
•Единицы массы:
•а.е.м. (атомные)= у.е.(углеродные):

1/12 12C = Да (Дальтон)
•1 Th = 1Da/z

Слайд 31

Характеристики масс-спектрометра. Разрешающая способность.
Разрешение масс-спектрометра (R)
–это возможность получать на
данном приборе

раздельный сигнал
от двух ионов, с массами m и (m+Δm):

Идеальная форма пика ионов – прямоугольная, реальная – гауссова. В зависимости от глубины ложбины между двумя соседними пиками принято говорить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50%-для квадрупольных.

Слайд 32

Разрешающая способность.
Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к

400 а.е.м.

Слайд 33

Установлено, что на разрешение в масс-спектрометрии влияют в основном следующие параметры:

Пространственная расходимость пучка ионов
Разброс по кинетической энергии ионов с одинаковым отношением массы к заряду
Радиус кривизны траектории движения ионов в магнитном поле
Ширина щелей ионного источника и коллектора

РАЗРЕШЕНИЕ В МАСС-СПЕКТРОМЕТРАХ

Слайд 34

Разрешение масс-спектрометра
• 12С=12.00000000 а.е.м.
• 1H = 1.00782506

а.е.м.
• 14N=14.00307407 а.е.м.
• 16O=15.99491475 а.е.м.
• Азот (N2), монооксид углерода (CO), этилен (C2H4):
• CO: 27.994915 а.е.м.
• N2: 28.006148 а.е.м.
• C2H4: 28.03300 а.е.м.
• R = 770 – CO и C2H4; R = 2500 – CO и N2

Слайд 35

Характеристики масс-спектрометра.
Разрешающая способность.
Масс-спектрометрия высокого разрешения (МСРВ,HRMS–High Resolution Mass-Spectrometry) позволяет разделить

и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих одной целочисленной массе.
Примером такого является мультиплет с целочисленной массой 28. Это может быть монооксид углерода CO, азот N2, этилен C2H4. Поскольку за стандарт принят основной изотоп углерода 12С (12.000000), массы всех остальных изотопов элементов нецелые числа: масса основного изотопа водорода 1Н 1.00782506, азота 14N 14.00307407, кислорода 16О 15.99491475 ит.д. Тогда массы СО-27.9949, N2-28.0061, C2H4-28.0313.

С ростом молекулярной массы резко возрастает число ионов с одинаковой целочисленной массой, что приводит к необходимости увеличения разрешения масс-спектрометров.

Слайд 36

Разрешающая способность
Например, для измеренной массы иона неизвестного состава 163.9497 возможны такие

комбинации атомов:

Выбор из нескольких брутто-формул может быть произведена на основании изотопных пиков, характеру фрагментации и априорной информации об образце.

Слайд 37

Масса и относительная распространенность изотопов некоторых элементов

Слайд 38

Масс-спектрометрические методы анализа (часть 1)

Содержание

Масс-спектрометрия – метод исследования веществапутём определения масс ионов этого вещества

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ Масс-спектральный анализ для определения характеристик веществ давно и

Лишь с 1960 г. началось реальное практическое внедрение масс-спектрометрии, вскоре ставшей

Основы методаМетод основан на переводе частиц исследуемого вещества в состояние ионизированного

Состав масс-спектраМасс-спектр может включать пики нескольких типов ионов (продуктов ионизации):1. Молекулярный

I Система напуска пробыВажное условие напуска пробы – количество вводимой пробы

Теоретические основы методаФизический принцип масс-спектрального анализа основан на законе лоренцевой силы

Кинетическая энергия заряженной частицы массы m, движущейся под действием разности потенциалов

2. Анализатор3. Детектор/Регистрация1. Введение пробы/ионизацияОсновные составляющие масс-спектрометра испособы их реализации

Динамические схемы масс-спектрометровДва основных типа динамических масс-спектрометров: - времяпролетный масс-спектрометр- квадрупольный

Схема время пролетного масс-спектрометраВесь спектр можно получить за 10-3 с. Диапазон

Квадруполь состоит из 4-х параллельных стержнейОбычная длина от 5 до 200

КВАДРУПОЛЬНЫЙМАСС-СПЕКТРОМЕТР

СТРУКТУРА КВАДРУПОЛЬНОГОМАСС - СПЕКТРОМЕТРА

Единицы измерения атомных и молекулярных масс •Единицы массы: •а.е.м. (атомные)= у.е.(углеродные):

Характеристики масс-спектрометра. Разрешающая способность.Разрешение масс-спектрометра (R)–это возможность получать на данном приборе

Разрешающая способность.Необходимые разрешающие способности для разделения пиков, имеющих массу, близкую к