khimie.ru

Применение масс-спектрометра основано на том, что молекулы исследуемого вещества бомбардируют пучком электронов, а затем разделяют образующиеся при этом «осколки» (фрагменты) в соответствии с их массами. По полученным данным можно сделать выводы о природе исследуемой молекулы. Решение такой задачи чем-то напоминает головоломку при составлении картинок из деталей самой различной формы в детской игре «Мозаика».

Схема установки, состоящей из газового хроматографа и масс-спектрометра, приведена на рис. 1. Молекулы исследуемого образца расщепляются на отдельные фрагменты под действием высокоэнергетического электронного излучения или искрового источника. В процессе бомбардировки электронами связи между отдельными атомами молекулы разрываются и возникают короткоживущие заряженные частицы — радикалы или ионы. Современные масс-спектрометры приспособлены для анализа положительно заряженных фрагментов.

  Рис. 1. Принципиальная схема масс-спектометра в комбинации

с газовым хроматографом

После бомбардировки эти фрагменты выходят из камеры источника в виде пучка и на входе в анализатор они ускоряются под действием электромагнитного поля. Поток частиц изгибается и при этом расширяется, так как частицы в зависимости от их массы и заряда движутся по расходящимся траекториям. Ионы, перемещающиеся с наибольшей скоростью, оказываются на траекториях с большими радиусами, а ионы, которые движутся с минимальной скоростью, попадают на ближайшие траектории. Таким образом, самый короткий путь проходят наиболее тяжелые однозарядные ионы. Регистрируя количество различных ионов, поступающих в коллектор, можно получить масс-спектр анализируемого вещества. Положение отдельных пиков в масс-спектре зависит не от массы фрагмента, а от отношения массы к заряду (рис. 2). В приведенной ниже таблице показано, какие ионы могут образоваться при распаде только одного органического вещества.

 Рис. 2. Масс-спектр химического соединения простого строения

Тем, кто слегка разбирается в химии, приведенные в таблице формулы покажутся не совсем обычными, поскольку они совсем не похожи на формулы тех ионов, которые обычно возникают при распаде органических соединений. Здесь надо иметь в виду, что под действием высокоэнергетического облучения разрыв связей может произойти во многих местах молекулы и результатом станет образование всевозможных ионов и ион-радикалов.

По схеме, показанной на рис. 1, можно проследить, каким образом при бомбардировке всего лишь одного довольно простого соединения может возникнуть множество различных ионов. Можно представить себе, с какими трудностями придется столкнуться при попытке расшифровать масс-спектр образца, состоящего из нескольких веществ с большими молекулярными массами. В то же время, если подключить к масс-спектрометру газовый хроматограф, то интерпретировать спектры станет значительно легче, так как перед бомбардировкой смесь будет разделена на индивидуальные компоненты. В наши дни масс-спектрометры выпускают только в комплекте с компьютером. Большую помощь при идентификации оказывает банк масс-спектральных данных, который заказчик получает вместе с прибором. По мере выполнения масс-спектрометрических анализов новые результаты непрерывно вводятся в память компьютера, пополняя банк данных. При необходимости воспользоваться банком аналитик посылает в ЭВМ запрос, и компьютер сам находит в памяти спектр, который лучше других соответствует регистрируемому в данный момент спектру. Оба спектра появляются на экране, и теперь остается только сопоставить две спектральные картины. Сравнение спектров, то есть своеобразное опознание по «отпечаткам пальцев», значительно проще для идентификации неизвестных веществ, чем реконструкция молекул по отдельным фрагментам. Единственное необходимое условие для такой идентификации — наличие в банке данных спектра того самого вещества, которое поступило для анализа.