Масс-спектрометрия (mass spectrometry) является одним из самых точных способов анализа различных веществ. Он позволяет определить не только состав материала, но и количественный показатель каждого элемента.

Суть спектрометрического анализа состоит в разделении атомов и молекул образца на ионы и измерения их массы и количества. Этот процесс происходит в специальном вакуумном приборе – масс-спектрометре.

Спектрометр

Масс-спектрометрия: методы ионизации

Первоначальным и важным этапом проведения спектрометрического анализа является превращение нейтральных молекул пробного образца в заряженные частицы – ионы. В зависимости от вида материала используются разные виды ионизации, поскольку не все вещества одинаково реагируют на определенное воздействие.

Существует много методов ионизации, самыми распространенными из них являются:

  1. Электронная ионизация (электронный удар).
  2. Химическая ионизация.
  3. Ионизация электрическим полем.
  4. Бомбардировка быстрыми атомами.
  5. Лазерная десорбция.
  6. Распыление в электрическом поле.

Кроме этого, применяются методы термоспрея, полевая и плазменная десорбция, ионизация в индуктивно-связанной плазме и прочие.

Электронная ионизация

Самым известным и популярным методом разделения атомов является электронная ионизация. Она подходит для многих газообразных веществ, хорошо изучена, высокочувствительная и очень результативна для определения строения атомов. Суть метода состоит во взаимодействии молекул пробного газа с электронами в высоком вакууме (около 10-5 мм.рт.ст.) под действием электрического поля. В результате образуются ионы, которые затем изучаются.

Ионизаторы

Ограничения электронного удара в том, что ионизировать возможно только летучие и термоустойчивые образцы с высокой интенсивностью спектра, а это всего 20% органических веществ.

Полученные результаты в виде масс-спектров возможно анализировать на компьютере, сравнивая их с известными данными в электронном виде. В специальных каталогах находятся около 70000 масс-спектров органических соединений.

Химическая ионизация

Химическая ионизация, в отличие от электронной, позволяет вычислить молекулярную массу составляющих элементов, но во многих случаях не удается узнать их строение. Спектрометрический метод анализа с помощью химической ионизации несколько мягче электронного удара, поэтому количество анализируемых соединений намного шире, так как распознает элементы с нестойкими молекулами и низкой интенсивностью спектра.

Суть метода состоит в химическом взаимодействии пробы с газом-реагентом при более низком вакууме (менее 1 мм.рт.ст.), в результате чего образуются более стабильные заряженные частицы. Реагентом чаще всего бывает метан.

Недостаток метода:

  • ионизации подвергаются соединения только в газовой фазе;
  • чувствительность во многом зависит от условий процесса: давления, времени воздействия, типа вещества.

Ионизация электрическим полем и полевая десорбция

Ионизация электрическим полем имеет общий принцип воздействия с методом полевой десорбции. Основной элемент, с помощью которого работает такой спектрометр – тонкая вольфрамовая проволочка с напылением пиролитического углерода. Покрытие имеет структуру микроскопических иголок, между которыми создается напряженность электрического поля, что способствует ионизации.

Разница методов состоит в возможностях анализировать пробы различных фазовых состояний: ионизация электрическим полем работает с газами, а полевая десорбция может разделять молекулы жидких и твердых веществ.

Преимущества метода:

  • возможность изучить материалы в жидкой и твердой фазе;
  • спектрометры позволяют проводить анализ органических, металлоорганических и полимерных материалов с небольшой молекулярной массой.

Недостатки метода:

  • сложность изготовления эмиттера;
  • длительность процесса.

Трудность полевой десорбции заключается в точности нанесения пробного вещества на очень мелкий эмиттер, количество пробы не должно превышать 10-5 г.

Быстрая бомбардировка атомами

Достаточно быстрый и эффективный метод быстрой бомбардировки атомами аргона или ксенона. В результате их взаимодействия с образцом создается высокотемпературная плазма, где и происходит ионизация. Особенность метода в том, что проба исследуемого вещества должна быть в растворенном виде. Бомбардирующие атомы не способны проникать вглубь пробы, поэтому требуется, чтобы образец обладал хорошей диффузией, где концентрация вещества будет постоянной.

Преимущество метода:

  • скорость процесса;
  • можно ионизировать термически нестабильные соединения, поскольку не применяются повышенные температуры.

Недостатком можно назвать необходимость растворять анализируемый материал.

Лазерная десорбция

Спектрометр с лазерной десорбцией использует для ионизации специальное вещество – матрицу, которое смешивается с образцом и поглощает лазерное излучение

Преимущества лазерной десорбции:

  • можно исследовать соединения, имеющие крупные молекулы;
  • анализируются даже загрязненные вещества.

Недостаток анализа в длительной подготовке и тщательном подборе матрицы для каждого элемента.

Ионизаторы

Распыление в электрическом поле

Очень чувствительным методом анализа является электрораспыление. Материал поступает в ионизатор вместе с полярным растворителем, который способствует распаду молекул на ионы под действием высокого напряжения.

Преимущества электрораспыления:

  • ионизируются пробы, которые не переводятся в газообразное состояние;
  • можно изучать крупные молекулы;
  • хорошая управляемость процессом за счет изменения напряжения электрического тока.

Недостаток метода заключается в сложности конструкции спектрометра и невозможности анализа неполярных и загрязненных примесями элементов.

Преимущества масс-спектрометрии

Все используемые спектрометрические методы анализа имеют свои особенности и каждый из них применяется в разных целях. Для изотопного и молекулярного анализа неорганических соединений применяется спектрометр с электронной ионизацией. Химическая спектроскопия используется для анализа органики. Вещества с крупными молекулами исследуются электроспреем, лазерным излучением или бомбардировкой пучком ионов.

Достоинства масс-спектрометрического анализа:

  • необходимо минимальное количество образца;
  • широкий диапазон возможностей в зависимости от метода ионизации.

Благодаря возможностям масс-спектрометрии метод широко используется и продолжает развиваться, что позволяет достигать все больших и более точных результатов.