Способы ввода пробы

1. Большинство количественных масс-спектрометрических анализов выполняется с помощью газохроматографического ввода летучих веществ. Возможности системы газовый хроматограф - масс-спектрометр ограничены исследованием соединений, которые могут быть переведены в паровую фазу без разложения (либо непосредственно анализируемые соединения, либо их производные). Совмещение масс-спектрометрической системы с газовым хроматографом обеспечивает однозначную идентификацию неизвестных соединений и гарантирует точный, воспроизводимый количественный анализ (пример - хроматомасс-спектрометр GCQ фирмы "Finnigan" [9], появившийся в 1995 году).

Смеси труднолетучих и термически нестойких соединений могут быть проанализированы в сочетании с методом ВЭЖХ, когда разделение происходит за счет распределения компонентов между жидким растворителем и неподвижной фазой. Предложены конструкции масс-спектрометров, специально разработанных для детектирования в методе ВЭЖХ [10] (пример - прибор LCQ фирмы "Finnigan").

По мере усложнения объектов исследования возрастает необходимость выйти за пределы аналитических возможностей одномерной масс-спектрометрии. Анализируемые компоненты могут элюиро-ваться одновременно с примесями, что приводит к трудностям идентификации. Матрица образца может давать сильный химический фон или недостаточную информацию для определения структуры соединения. Подобные проблемы могут быть решены путем использования двухмерной масс-спектрометрии - МС/МС. Метод МС/МС позволяет точно выбрать интересующие ионы, игнорируя все шумы и примеси. Выбранные ионы могут быть подвергнуты фрагментации и затем проанализированы; поскольку фрагментация протекает по предска­зуемым путям, идентификация становится однозначной. Упомянутый выше прибор представляет собой новый стандарт в ВЭЖХ/МС, соединяющий хорошо зарекомендовавшую себя аналитическую методику с инновационной технологией МС/МС или даже МСП.

2. Сочетание реакционной газовой хроматографии с масс -спектрометрией основано на химической модификации пробы непосредственно в процессе масс -спектрометрического эксперимента.

3. Умеренно летучие, термически стабильные и не требующие разделения соединения предварительно помещают в обогреваемый резервуар системы ввода. В нем вещество испаряется, и пары поступают в баллон объемом от 50 до 2000 см3. Натекание из баллона в источник происходит через фиксированное отверстие (капилляр или поры). Такая система ввода непригодна для анализа менее летучих или термически стабильных соединений, а также для образцов, количество которых ограничено.

4. Многие вещества имеют столь низкие давление паров или термическую стабильность, что для проведения анализа их следует вводить непосредственно в ионный источник. В этом случае образец наносится из раствора на наконечник штока, вводимого через вакуумный затвор и закрепленного напротив ионного источника для предотвращения потерь образца и обеспечения давления в источнике. Помимо того, что шток прямого ввода более удобен для нелетучих образцов, он требует значительно меньше вещества, чем ввод через баллон. Нагрев образца осуществляется устройством, вмонтированным в шток рядом с наконечником (в котором находится вещество) для быстрого нагрева и предотвращения термического разложения; чаще всего применяется программируемый обогрев, что делает возможным точный контроль скорости нагревания и температуры. Установка программируемого нагревателя также полезна для прямого ввода в ионный источник масс-спектрометра с одновременным пиролизом образцов типа полимеров, недостаточно летучих для проведения обычного анализа.

Применение лазерного испарения образца как способа вводам пробы в масс-спектрометр позволяет избежать стадий подготовки
пробы. Этот способ ввода был использован не только для проведения элементного анализа низкомолекулярных веществ [11] и полимерных материалов [12], но и для оценки термохимических параметров реакций, например образования оксидов некоторых металлов [13].

Способы ионизации вещества

Химическая ионизация. Химическая ионизация позволяет преодолевать многие ограничения обычного сочетания газовой хроматографии с масс-спектрометрией [14]. Метод дает возможность определять молекулярную массу молекул, требует относительно небольших количеств образца и реагентов, а также исключает дополнительные затраты труда и времени на проведение реакции, разделение и выделение продуктов [15]. Комплексное использование нескольких способов ионизации позволяет извлечь информацию о межмолекулярных и ионно-молекулярных взаимодействиях, способствует формированию представлений о механике образующихся ионов.

Исторически первым был создан ионный источник электронного удара, до сих пор он достаточно распространен для органической масс-спектрометрии. Практическими преимуществами его являются стабильность, простота управления и контроля интенсивности пучка, отсутствие проблем загрязнения и относительно высокая чувствительность. Отсутствие селективности в условиях электронного удара является дополнительным преимуществом, когда необходимо вести анализ широкого круга веществ. Некоторые группы изомерных соединений дают очень сходные спектры, но обычно масс-спектр электронного удара специфичен и характеристичен для химической структуры вещества. Более того, важнейшие справочники по масс-спектральным данным, доступные в настоящее время, состоят целиком из спектров электронного удара.


В настоящее время насчитывается до 20 способов ионизации образцов, наиболее распространены метод электронного удара и источник электронного удара пары образца вводятся в точке 4 при пониженном давлении и проходят через область, пересекаемую пучком электронов (см. рис. 6.1). Электроны, образующиеся при нагревании вольфрамового или рениевого катода 1, ускоряются напряжением 5-100 В в сторону плоскости А, проходят через щель в пластине А и пересекают область ионизации 4. Ток пучка ионизации может контролироваться по общей эмиссии катода или, с большей точностью, с помощью обратной связи с потоком, достигающим в режиме электронного удара пластины ловушки 6. Магнитное поле несколько сот гаусс поддерживается на всем протяжении электронного пучка для ограничения его в узкой спиральной траектории.

Молекулы газа, поступающие в область ионизации, взаимодействуют с электронами. В результате некоторые из этих молекул теряют собственный электрон, превращаясь в положительно заряженный ион, который впоследствии распадается на ионы тем или иным образом, причем ионизируется только одна из 10000 молекул, находящихся в ионном источнике. Полный ионный ток и вид фрагментации зависят от энергии электронов. Большинство существующих библиотек масс-спектров электронного удара основано на спектрах, полученных при энергиях электронов около 70 эВ.

Те ионы, которые образовались в области ионизации, выводятся через выходную щель 3 путем наложения небольшого потенциала на выталкивающую пластину 5. Период жизни молекул образца в источнике, несмотря на его относительную газонепроницаемость и постоянную откачку ионов, составляет всего доли секунды. Таким образом, в качестве детектора масс-спектрометр имеет очень быструю ответную реакцию, полностью совместимую с быстрыми изменениями концентрации веществ в высокоэффективной хроматографии.

Когда в ионном источнике масс-спектрометра образуется группа ионов с исходным отношением массы к заряд, то большая их часть либо достигает детектора и регистрируется в виде пика, либо распадается с образованием нового фрагмента еще до того, как покинет ионный источник. В последнем случае регистрируется отдельный пик . Однако некоторые из исходных ионов могут оказаться метастабильными (имеют среднее время жизни всего лишь -130-


порядка 1 мкс) и распасться, например, с образованием после выхода из ионного источника, но до того, как они попадут в детектор. Такой метастабильный переход приводит к образованию в масс-спектре метастабильного пика, обозначаемого т* и идентифицируемого по низкой интенсивности и диффузной форме, а также по тому признаку, что он обычно соответствует нецелочисленной молекулярной массе. Положение этого пика определяется соотношением т* = т22 / Ш}. Метастабильные пики приведены в литературе в виде номограмм и таблиц и оказывают значительную помощь при анализе спектра, поскольку возникают в результате вполне определенного мономолекулярного распада и, таким образом, дают представление о связи конкретных ионов (фрагментов) в молекуле.

Режим селективной ионизации - стандартная процедура в приборах сегодняшнего дня - представляет собой более совершенную версию селективного мониторинга ионов. Работая в этом режиме, можно достичь ультраследовых уровней чувствительности при анализе даже сложных матриц или в том случае, когда хроматографические пики не разделены.

Анализ образцов с использованием метода лазерной ионизации производится по следующей схеме [16]. Анализируемая проба вводится в атомизатор, где переводится в состояние атомного пара. Далее, определяемые атомы ионизируются с помощью лазерного излучения, а образующиеся ионы детектируются либо с помощью вторичного электронного умножителя (ВЭУ), либо путем регистрации изменения проводимости той среды, в которой происходит образование ионов (плазма, газоразрядная плазма, буферный газ).

Различают резонансно-ионизационную спектроскопию, в которой ступенчатое фотовозбуждение атомов и их ионизация осуществляются только за счет лазерного излучения (Resonance lonization Spectroscopy - RIS), и оптогальваническую спектроскопию - ионизация усиливается лазером и осуществляется^ том числе/И за счет процессов столкновения (Laser Enhanced Spectroscopy - LEI). В аналитической практике во втором случае применяют также название "лазерный атомно-ионизационный метод".

Метод ЛИС характеризуется чрезвычайно высокой чувствительностью, которая определяется большой вероятностью выхода


нов в процессе ионизации и их детектирования, и селективностью, обусловленной резонансными характеристиками ступенчатого фотовозбуждения атомов. Поскольку регистрируются лишь атомы или молекулы с одинаковыми энергетическими уровнями, то очевидно, что, чем больше ступеней используется в процессе возбуждения, тем ниже вероятность подобного совпадения и соответственно выше селективность. В npHHUHnej метод ЛИС позволяет регистрировать единичные атомы, находящиеся в зоне анализа. Лазерное излучение в области 220-900 нм позволяет определять до 80 % элементов периодической системы. Не доступными для регистрации остаются атомы, первый резонансный переход которых лежит в области длин волн не более 200 нм (Н, Не, С, N, О, F, Ne, Р, S, Cl, Ag, As, Se, Br, I и др.).6.1.3. Типы анализаторов масс

Существует несколько типов анализаторов масс, разделяющих ионы по величине отношения их массы к заряду: магнитные секторные анализаторы, квадрупольные фильтры масс, времяпролетные анализаторы, приборы ионно-циклотронного резонанса. В подавляющем большинстве приборов встречаются первые два вида анализаторов.ускоряются разностью потенциалов V (2000 - 8000 В) по направлению к щели источника, имеющей потенциал земли.

Для того чтобы ион достиг коллектора, он должен пройти по траектории с радиусом кривизны г через магнитное поле напряженностью В. Баланс между угловым моментом и центробежной силой, вызываемой магнитным полем, выражается уравнением

Комбинация этих соотношений приводит к основному уравнению масс-спектрометрии:

Таким образом, варьируя В или V, можно сделать так, чтобы коллектора достигали разделенные магнитным полем ионы с различным значением. Наиболее распространенная форма сканирования магнитного поля - экспоненциальная с движением вниз по шкале масс.

Магнитные секторные приборы дороже и сложнее в эксплуатации, чем квадрупольные, менее пригодны к МЗИ. Кроме того, их труднее состыковать со многими системами ввода, так как ионный источник функционирует под высоким напряжением, тогда как системы ввода, как правило, имеют потенциал земли. Тем не менее секторные приборы с двойной фокусировкой широко распространены из-за возможности их универсального использования: в отличие от квадрупольных анализаторов они способны анализировать метастабильные ионы, измерять точные массы ионов.

Квадрупольный фильтр масс (ионная ловушка) состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения, установленных симметрично относительно оси Z (рис. 6.3). Напряжение складывается из компоненты постоянного тока U и радиочастотной компоненты VoCoscot и прикладывается между соседними стержнями. Противоположные стержни электрически соединены. Ионы, вводимые в фильтр с небольшим ускоряющим напряжением (обычно 10-20 В), под действием этого электрического поля начинают колебаться вдоль осей X и У. Для масс типа mj, попадающих -133-


внутрь района стабильности, ион может следовать по колебательной траектории, ограниченной стержнями, тогда как для других масс типа т2 ионы теряются на стержнях. Таким образом осуществляется деление ионов по массам. Масс-спектр сканируется варьированием UvlVo при сохранении постоянной величины отношения U/Vq. Регистрируемая масса т0 пропорциональна V0, т.е. линейное увеличение V0 представляет собой легко калибруемую линейную шкалу масс.

Квадрупольные приборы пользуются заслуженной популярностью благодаря своей компактности и сравнительно низкой стоимости; работа на них не требует от оператора большого опыта. По сравнению с магнитными секторными приборами они имеют ряд преимуществ: простота управления с помощью компьютера; легкость сочетания с широким диапазоном систем ввода; возможность быстрого переключения в широком диапазоне масс без потери чувствительности.

• полное сканирование - получение полных масс-спектров с чувствительностью на порядок выше чувствительности традиционных анализаторов;• селективный мониторинг ионов, предназначенный для целевого многокомпонентного анализа;

• МС/МС с полным сканированием - дает полные масс-спектры дочерних ионов с чувствительностью на порядок выше традиционных;

• селективный мониторинг реакций для детектирования и количественного анализа известных компонентов, одного или более ионов;

• сканирование в узком диапазоне масс при высоком разрешении (режим Zoom 8сап)-позволяет однозначно определять изотопы многозарядных ионов, заряд ионов и автоматически устанавливать молекулярную массу.

Разработана [18] трехэлектродная квадрупольная ловушка, состоящая из двух полюсных и центрального кольцевого электрода, к которому приложено высокочастотное напряжение. Ионы создаются непосредственно в пространстве ловушки импульсами электронного пучка или вводятся извне и осциллируют в высокочастотном поле, пока, благодаря изменению амплитуды, траектория их не станет нестабильной.

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

Наиболее высокого разрешения по массе по сравнению с квадрупольными приборами можно достичь с помощью масс -спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) [19, 20, 21]. К достоинствам этого метода относятся высокая чувствительность (пределы обнаружения 10~12- 10"14 г), возможность определить все элементы в одном эксперименте, широкий линейный динамический диапазон, легко компенсируемые помехи [22], относительная простота интерпретации результатов. ИСП-МС пригоден для анализа следовых количеств примесей, это перспективный метод контроля объектов окружающей среды, высокочистых веществ, решения ряда аналитических задач [23].

Сдерживающим фактором широкого внедрения этой техники является сложность ее эксплуатации. Выпускаемые до настоящего времени ИСП -масс-спектрометры высокого разрешения с магнитными секторными анализаторами базируются на технологии, изначально не предусматривающей возможность работы с плазменным источни-ком при атмосферном давлении и под потенциалом земли. ELEMENT - первый специально разработанный фирмой "Finnigan МАТ" масс-спектрометр с ИСП высокого разрешения, предназначенный для решения как текущих, так и исследовательских задач [9]. Анализ твердых образцов может проводиться с применением альтернативного ионного источника тлеющего разряда.

Компанией "Thermo Jarrell Ash" разработано [24] семейство простых в эксплуатации ИСП-масс-спектрометров с уникальными характеристиками. Они используют усовершенствованную систему ввода образца в масс-анализатор, удобную в эксплуатации ионную оптику новой конструкции, квадрупольный анализатор масс с гиперболической конфигурацией поля. Программное обеспечение экспертного уровня подсказывает оператору необходимые действия на каждом этапе работы. Масс-спектрометр IonScan этой фирмы обеспечивает пределы обнаружения на уровне одной части на триллион для большинства элементов; это единственный масс-спектрометр ИСП, возможности которого могут быть расширены добавлением встраиваемого в прибор оптического блока.

Поскольку чувствительность ИСП-МС является функцией эффективности переноса ионов в масс-спектрометр, значительное повышение эффективности метода может быть достигнуто за счет оптимизации системы распыления пробы, которая должна обеспечивать высокую эффективность переноса, низкую нагрузку плазмы за счет растворителя, хорошие условия для промывания системы и стабильность [25]. Используются следующие способы ввода пробы:

• Традиционные методы непосредственного ввода с помощью зонда, а также импульсного впуска через капилляр растворенного вещества в виде аэрозоля [26].

• Электротермическое испарение, обеспечивающее проведение быстрого многоэлементного анализа с получением информации об изотопном составе всего из нескольких микролитров пробы [27, 28],

• Ввод пробы непосредственно в источник ионов и ее испарение с помощью высоковольтного искрового разряда. Этот способ разделяет операции возбуждения и ионизации и устраняет недостатки традиционного ввода пробы в плазму, требующего предварительного растворения пробы [29],

• Ультразвуковое распыление для анализа проб, содержащих высокое количество растворенных органических веществ. Такой анализ обычно представляет большие трудности для метода ИСП-МС, поскольку вызывает отложение углеродистых частиц на стенках сопла. При использовании ультразвука распылительная система может быть настроена так, что помехи от оксидов и двухзарядных ионов снижаются в 10 раз, благодаря чему можно разбавлять пробы с сохранением высокой чувствительности метода [30, 31].

• Анализ твердых материалов методом ИСП-МС сопряжен с рядом затруднений: необходимость предварительного растворения образца ухудшает пределы обнаружения в 500-1000 раз, приводит к загрязнению пробы, а следовательно, к увеличению поправки в контрольном опыте. По этим причинам при анализе твердых веществ методом ИСП-МС все чаще применяют системы пробоотбора, основанные на использовании лазера и тлеющего разряда. Достоинством лазерного отбора проб является повышение эффективности пробоотбора и чувствительности определения [32]. Недостатком этих систем является сложность их функционирования и зависимость получаемого результата от поверхностной структуры образца. Хорошо зарекомендовала себя система искрового пробоотбора [19].