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.
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:
- Электронная ионизация (электронный удар).
- Химическая ионизация.
- Ионизация электрическим полем.
- Бомбардировка быстрыми атомами.
- Лазерная десорбция.
- 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.
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.
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.