6.4.3. Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрический метод основан на ионизации атомов и молекул вещества и разделении смеси образовавшихся ионов в соответствии с их массовым числом – отношением массы иона (m) к его заряду (z). Масс-спектр смеси ионов представляет собой совокупность сигналов (линий) с разными значениями m/z (рис. 6.31). Интенсивности сигналов различны, поскольку они пропорциональны содержанию соответствующих ионов в разделяемой смеси. При неизменных условиях ионизации состав смеси ионов определяется составом исходной пробы. Поэтому положение линий в масс-спектре и их относительная интенсивность позволяют проводить качественный анализ пробы, а по абсолютной интенсивности некоторых линий можно определять содержания компонентов пробы.

Рис. 6.31. Эталонный масс-спектр и структурная формула 3,5-дихлорфенола

Первый масс-спектрометр был создан в 1919 г. английским физиком Ф.Астоном под руководством Дж. Томсона¹. Метод сразу же позволил обнаружить изотопы элементов и исследовать относительную распространенность разных изотопов. Так, в масс-спектре атомарного хлора наблюдали две линии – с массовыми числами 35 и 37, принадлежащие двум однозарядным ионам. Интенсивность первой линии была значительно выше, в соответствии с относительной распространенностью изотопов Cl³⁵ и Cl³⁷. Вид масс-спектра хорошо согласуется с усредненной величиной атомной массы хлора – 35,475. Сегодня масс-спектрометрия является основным методом изотопного анализа. Этот метод весьма важен для атомной энергетики, где при подготовке и переработке ядерного «топлива» надо контролировать разделение изотопов урана. Интересным применением масс-спектрометрии стало определение возраста археологических находок (геохронология). Например, после того, как дерево срубили, соотношение изотопов С¹² и С¹³, характерное для живых организмов, постепенно меняется. Определив с помощью масс-спектрометра соотношение этих изотопов в некотором изделии из дерева, можно рассчитать, сколько лет прошло после гибели дерева, а следовательно, время изготовления исследуемого предмета. Сходный метод позволяет определять возраст горных пород, в этом случае изучают соотношения других изотопов.

Масс-спектрометрия оказалась очень чувствительным методом количественного элементного анализа. Некоторые варианты этого метода, например искровая масс-спектрометрия, позволяют определять до 10^–12 г элемента, анализировать состав поверхностного слоя твердых материалов, проводить локальный анализ таких материалов. Другие варианты метода позволяют контролировать элементный анализ объектов окружающей среды или изучать состав атмосферы других планет.

Следует помнить, что масс-спектрометры являются весьма сложными и дорогостоящими аналитическими приборами, работать на таких приборах могут только высококвалифицированные специалисты. Масс-спектрометрию применяют в тех случаях, когда аналитическую задачу нельзя решить более простыми средствами (например, с помощью фотометрического или потенциометрического анализа).

Как же работает масс-спектрометр? Основными узлами этого прибора являются: насосы, обеспечивающие глубокий вакуум; блок ввода пробы (система напуска), система ионизации, разделительное устройство (масс-анализа­тор) и детектор (устройство для записи масс-спектров). В современных приборах есть и компьютерная система обработки полученных спектров, включающая необходимую базу данных. Система напуска дозирует количество вводимой пробы таким образом, чтобы не нарушить вакуум внутри прибора. Проба вводится в газообразном состоянии. В случае, если анализируемая проба – жидкость или твердое вещество, ее испаряют. Для ионизации используют один из нескольких возможных способов – электронный удар, искровой разряд, лазерное излучение, химическую ионизацию, бомбардировку потоком быстрых атомов и другие. Образующиеся ионы выводятся из зоны ионизации, ускоряются, фокусируются в пучок и в таком виде попадают в масс-анализатор, где происходит их разделение в мощном электромагнитном поле. Ионы с различными массовыми числами движутся в этом поле по разным траекториям и раздельно попадают на детектор, который преобразует ионные токи в электрические сигналы. Многократно усиленные сигналы измеряются и сохраняются в памяти компьютера.

Еще в 30-е гг. XX века масс-спектрометрический метод стали применять для молекулярного анализа органических веществ. Было установлено, что в масс-спектре индивидуального органического соединения обычно можно найти интенсивную линию, соответствующую однозарядному молекулярному иону. Например, в спектре метана – линию с массовым числом 16, этанола – 46, любого дихлорфенола – 162. По линии молекулярного иона можно определить молярную массу неизвестного соединения и установить его брутто-формулу. Проверяя наличие линии молекулярного иона, можно судить о присутствии некоторого соединения в сложной смеси.

Важным открытием стало то, что в неизменных условиях ионизации молекула органического вещества дает один и тот же набор осколочных ионов, один и тот же масс-спектр. Причем разные изомеры одного и того же вещества дают разные масс-спектры.

Масс-спектрометрия органических веществ является по своей сути не чисто физическим, а физико-химическим методом анализа, так как важнейшую роль при формировании масс-спектра играют химические реакции фрагментации (деструкции молекул в ходе их ионизации и последующей перегруппировки осколков). Правда, правила фрагментации молекул при электронном ударе и других способах ионизации еще не до конца изучены. Рассчитать масс-спектр соединения по структуре молекулы или, наоборот, установить структуру молекулы по ее масс-спектру (с учетом условий ионизации) можно далеко не всегда. Однако любое известное вещество можно идентифицировать по его масс-спектру, используя компьютерные базы данных. Такие базы данных содержат сотни тысяч эталонных масс-спектров разных веществ, снятых в одних и тех же условиях, т. е. с применением стандартного режима ионизации.

Метод масс-спектрометрии стали использовать в 60-е гг. и для анализа сложных смесей, например нефтепродуктов. Такую смесь сначала хроматографируют, а потом снимают масс-спектры каждого компонента в момент его выхода из хроматографической колонки. Конструктивно этот вариант анализа можно реализовать в рамках единого прибора (хромато-масс-спектрометра). В конце XX века масс-спектрометрию удалось использовать и для исследования состава биополимеров, например, белков и ДНК. Именно таким способом в 2000 г. была установлена тонкая структура (последовательность разных нуклеотидов) одного из генов человека.