Хромато-масс-спектрометрия. Аналитические возможности

1. КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ИДЕНТИФИКАЦИИ» Часть 2. Хромато-масс-спектрометрия. Аналитические возможности

Составил
к.х.н. Редькин Н.А.

2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Масс-спектрометрия (масс-спектральный анализ,
масс-спектрометрический анализ) - метод
исследования вещества путём определения отношения
массы к заряду и количества заряженных частиц,
образующихся при том или ином процессе воздействия
на вещество (ионизации).
Хромато- масс-спектрометрия – метод качественного
и количественного анализа смесей органических и не
органических соединений, сочетающий
хроматографическое разделение смесей на отдельные
компоненты с их последующим массспектрометрическим детектированием
2

3. ВИДЫ ХРОМАТОГРАФИИ, СОЧЕТАЮЩИЕСЯ С МС

1. Газовая хроматография (ГХ-МС, GC-MS)
2. Жидкостная хроматография (ЖХ-МС ,LC-MS)
3. Тонкослойная хроматография
(ТСХ-МС, TLC-MS)
4. Ионная хроматография (IC-ICP-MS)
3

4. УСТРОЙСТВО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

4

5. СИСТЕМА ВВОДА ПРОБЫ

Прямой ввод пробы
Термодесорбция
Мембранный ввод
Термораспыление или термоспрей
Хромато-масс-спектрометрия
5

6. ПРЯМОЙ ВВОД

6

7. МЕМБРАННЫЙ ВВОД

7

8. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИОНИЗАЦИИ ОБРАЗЦА

Электронная ионизация
Химическая ионизация
Ионизация фотонами
Десорбционная химическая ионизация
Полевая ионизация
Лазерная ионизация
Бомбардировка быстрыми атомами
Химическая ионизация при атмосферном
давлении
Электрораспыление, электроспрей
8

9. ВИДЫ ИОНОВ

Молекулярный ион (M+•) имеет массовое
число (m/z), равное молекулярной массе
анализируемого соединения
Фрагментные ионы (осколочные ионы)
образуются из молекулярного при гомо- или
гетеролитическом разрыве связей
Метастабильные ионы – ионы, образованные
при распаде молекулярного или фрагментных
ионов вне ионизационной камеры
9

10. РАЗДЕЛЕНИЕ ИОНОВ

Магнитный секторный масс-спектрометр
двойной фокусировки
Квадрупольный масс-анализатор
Ионная ловушка
Времяпролетный масс-спектрометр
10

11. РАЗДЕЛЕНИЕ ИОНОВ

Магнитный секторный масс-спектрометр
двойной фокусировки
11

12. РАЗДЕЛЕНИЕ ИОНОВ

Квадрупольный масс-анализатор
12

13. РАЗДЕЛЕНИЕ ИОНОВ

Линейный времяпролетный
масс-спектрометр
13

14. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ИОНОВ

Электронный умножитель
Фотоумножитель
Решеточный детектор
14

15. МАСС-СПЕКТРЫ

#63: 1,2-Butadiene
m/z abund. m/z abund. m/z
24.00
54 39.00 4338 51.00
25.00
323 40.00
119 52.00
26.00 1692 41.00
9 53.00
27.00 6183 43.00
3 54.00
28.00 3002 44.00
74 55.00
29.00
56 45.00
3
30.00
1 46.00
13
34.00
6 47.00
17
36.00
106 48.00
190
37.00
571 49.00
843
38.00
763 50.00 2489
Низкого разрешения m/z (CO, C2H4, N2) = 28
Высокого разрешения
m/z (CO) = 27,994915
m/z (C2H4) = 28,031300
m/z (N2) = 28,006148
15
abund.
2337
1183
4151
9999
409

16. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАСС-СПЕКТРОВ

Библиотечный поиск
Интерпретация на основании общих
закономерностей фрагментации соединений
1. Определение молекулярного иона
2. Определение элементного состава каждого
иона
3. Построение схемы фрагментации
16

17. ПРАВИЛА РАСПАДА

Азотное правило
«Четно-электронное» правило
Правило Стивенсона-Одье
Правило выброса максимального алкильного
радикала
Затрудненный разрыв связей в
α-положении к кратной связи
17

18. АЛКАНЫ

18

19. ФРАГМЕНТАЦИЯ АЛКАНОВ

Интенсивность сигнала молекулярного
иона падает с ростом цепи
Гомологическая алкановая серия ионов
(m/z 29, 43, 57, 71…)
Низкая интенсивность алкеновой серии
ионов (m/z 27, 41, 55, 69…)
Чем стабильнее образующийся катион,
тем выше его интенсивность в массспектре
19

20. АЛКЕНЫ

20

21. ФРАГМЕНТАЦИЯ АЛКЕНОВ И ДИЕНОВ

Молекулярный ион интенсивнее, чем у
алканов
Высокая интенсивность алкеновой серии
ионов (m/z 27, 41, 55, 69…)
Низкая интенсивность алкановой серии
ионов (m/z 29, 43, 57, 71…)
Установить положение кратной связи по
масс-спектру сложно (обычно используют
дериватизацию)
21

22. АЛКИНЫ

22

23. ФРАГМЕНТАЦИЯ АЛКИНОВ

Чем ближе тройная связь к центру молекулы,
тем выше интенсивность молекулярного иона
Алкиновая серия ионов (m/z 27, 41, 55, 69…)
Активно протекают внутримолекулярные
перегруппировочные процессы с
образованием шестичленных циклов
23

24. МАСС-СПЕКТРЫ БУТАНА, БУТЕНА-1, БУТИНА-1

бутан
бутен-1
бутин-1
24

25. АРЕНЫ

25

26. ФРАГМЕНТАЦИЯ АРЕНОВ

Высокая интенсивность молекулярных ионов
Бензильный разрыв
Перегруппировки Мак-Лафферти
26

27. СПИРТЫ

27

28. ФРАГМЕНТАЦИЯ СПИРТОВ

Наряду с молекулярным ионом могут
образовываться ионы [M + H]+
Наличие ионов [M-2H]+•, [M-H2O]+•,
[M-H2-H2O]+
Наличие ионов спиртовой серии
(m/z 31, 45, 59, 73…)
28

29. ФЕНОЛЫ

29

30. ФРАГМЕНТАЦИЯ ФЕНОЛОВ

Высокая интенсивность молекулярного иона
Бензильный распад
Фенольный распад
30

31. АМИНЫ

31

32. ФРАГМЕНТАЦИЯ АМИНОВ

Низкая интенсивность молекулярного иона
Азотное правило
32

33. ГАЛОГЕНОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Графический вид
кластеров ионов с
различным
содержанием
атомов хлора и
брома
33

34. ГАЛОГЕНОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

34

35. ГАЛОГЕНОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Наличие четкой изотопной картины
Интенсивность молекулярного иона
возрастает с уменьшением
электроотрицательности атома галогена
Фрагментные ионы [M-Hal]+•, [M-HHal]+
35

36. КАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

36

37. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

37

38. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ

1. Поиск по базам спектров
2. Построение структуры на основе общих
закономерностей фрагментации
3. Использование структурно-специфических
методов ионизации
38

39. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МАСССПЕКТРОМЕТРИЯ
Кривая полного
ионного тока
двухкомпонентного
образца (а),
испаряемого из
штока прямого
ввода, и массспектры
компонентов (б и в)
39

40. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ

40

41. СУЩНОСТЬ МЕТОДА ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

СУЩНОСТЬ МЕТОДА ХРОМАТОМАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
41

42. ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

ХРОМАТО-МАСССПЕКТРОМЕТРИЯ
42

43. МАСС-ХРОМАТОГРАММЫ ПО ОТДЕЛЬНЫМ ИОНАМ

Хроматограммы
по полному
ионному току
(а) и току
отдельных
ионов (б и в)
43

44. МАСС-ХРОМАТОГРАММЫ ПО ОТДЕЛЬНЫМ ИОНАМ

44

45. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАСС-ХРОМАТОГРАММ

До обработки
6-7 пиков
После
обработки 21
пик
45

46. ОГРАНИЧЕНИЯ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

ОГРАНИЧЕНИЯ ХРОМАТОМАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
1. У масс-спектров, записанных на
восходящей или нисходящей сторонах
хроматографического пика будет
дискриминированы низкие или высокие
массы.
2. Если скорость сканирования массспектров мала, то может фиксироваться
только часть хроматографического пика
3. Иногда необходима дераватизация
компонентов пробы
46

47. МАСС-СПЕКТРЫ ИЗ ХРОМАТОГРАММ

47

48. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ СКАНИРОВАНИЯ

Вид и площадь пика в зависимости от скорости
сканирования. Аналоговый сигнал (а), за время
выхода пика регистрируется 13 (б), 7 (в) и 3 (г)
спектра
48

49. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПЛОЩАДЬ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПИКА

Сечение ионизации (кол-во ионов,
образующихся из молекул)
Дискриминация по массе (интенсивность
пика иона зависит от его заряда и массы)
Доля характеристического иона в
полном ионном токе
49

50. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Метод внешнего стандарта
M k S
Mst
k
Sst
Метод внутреннего стандарта
S
M
Sst M
st
x
M
RF
RF
S
Sx M
st
st
Метод изотопного разбавления
Метод добавок
S A
M
S1 S
50

51. МАСС-ФРАГМЕНТОГРАФИЯ

Увеличение числа сканирований для
данного иона
Увеличение точности определения
Устранение влияния мешающих
компонентов и компонентов матрицы
51