Масс-спектроскопия презентация

Тема: Масс-спектроскопия План Сущность и особенности масс-спектроскопического метода Краткая история открытия масс-спектроскопов Виды масс-спектрометров и их технические характеристики: чувствительность, динамический диапазон, разрешение и скорость Принцип работы масс-спектроскопов Области применения масс-спектроскопии

1. Сущность и особенности масс-спектроскопического метода Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключающимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектрометрия в широком смысле – это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получают при помощи масс-спектрометров. Масс-спектр - это просто рассортировка заряженных частиц по их массам (точнее отношениям массы к заряду Масс-спектрометрия - это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества.

3.Краткая история открытия масс-спектрометрии Cовременный масс-спектрометр был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в Кэвендишевской лаборатории Кембриджского университета. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике за "Выдающиеся заслуги в теоретическом и экспериментальном изучении электропроводимости газов". (Все лауреаты, получившие Нобелевские премии за работы в области масс-спектрометрии представлены на странице http://ionsource.com/links/ms_links.htm#History).

Период с 1930-ых по начало 1970-ых годов отмечен выдающимися достижениями в области масс-спектрометрии исследователями: -Френсис Астон и Артур Демпстера; - Альфред Нир; -Уильям Стивенс; -В 1950-е годы впервые были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти и Рихаге). Затем появились новые методы ионизации - бомбардировка быстрыми атомами (Барбер), химическая ионизация (Тальрозе, Филд, Мансон) и др.

3.Масс-спектрометры и их важнейшие технические характеристики Приборы, которые используются в масс-спектроскопии, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Масс-спектрометр – это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, и необходимый для получения масс-спектра. Впервые масс-спектрометр создал Томсон в 1912г.

Для определения органических веществ используют: -Хроматогазспектрометры-скомбинированные приборы масс-спектроскопии с газовым хроматографом; -Жидкостнохроматоспектрометры; Для анализа элементного состава самыми привлекательными являются индуктивно-связанные с плазмой масс-спектрометры; Для определения изотопного состава используют специальные масс-спектрометры. Для анализа ионов по массам используют разные типы масс-анализаторов: -непрерывные масс-анализаторы и импульсные. Разница между непрерывным и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые- порциями, через определенные интервалы времени

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются : чувствительность, динамический диапазон, разрешение и скорость. Характеристики масс-спектрометров Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются скорость сканирования, разрешение, чувствительность, динамический диапазон. Скорость сканирования Скорость сканирования масс-спектрометра характеризует его способность анализировать все ионы исследуемого образца по отношению их массы к заряду за определенный промежуток времени. Скорость сканирования стремятся сделать как можно больше, чтобы увеличить производительность масс-спектрометра. Например, квадрупольный масс-спектрометр способен регистрировать до 10 000 масс-спектров в секунду, а времяпролетный спектрометр – до 40 000 масс-спектров в секунду. Разрешение по массам Разрешающая способность определяет возможность анализатора разделять ионы с близкими друг другу массами. Способность масс-спектрометра разделять ионы описывается величиной R, которая называется разрешающей способностью (или разрешением). Она определяется как: R = m/dm, где m – масса иона, dm – разность масс между двумя разрешенными массами (пиками на спектре). Область значений R обычно находится в интервале между 100 и 500 000. Динамический диапазон Эта характеристика отражает линейность масс-спектрометра – способность его одинаково точно анализировать как малые, так и большие концентрации анализируемого вещества. Современные масс-спектрометры характеризуются динамическим диапазоном до 10 порядков. Чувствительность Чувствительность это величина, показывающая какое количество вещества нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы его можно было детектировать. Это одна из важнейших характеристик масс-спектрометров. У современных масс-спектрометрах чувствительность находится на уровне единиц фемтограмм.

Принцип работы масс-спектрометра Принцип работы масс-спектрометра: - получить масс-спектр (превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество в заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ; - перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеиваются и рекомбинируют (превращаются обратно в незаряженные частицы; - сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду) посредством электрического или магнитного поля; - детектор (обнаружение) заряженных частиц (качественно и количественно), измеряя электрический ток, образуемый направленно движущими ионами Масс-спектрометры устанавливают что это за молекулы (то есть, какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (то есть их изотопный состав).

Ионизация Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией: газовая, жидкая и твердая. Методы ионизации: - ионизация при атмосферном давлении; - химическая ионизация при атмосферном давлении; - фотоионизация при атмосферном давлении; - ионизация лазерной десорбцией при содействиии матрицы(MALDI).

В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. И мы сегодня умеем практически все из них превращать в ионы. Для того, чтобы ионизовать органическое вещество его нужно сначала из конденсированной фазы (жидкость, твердое тело) перевести каким-нибудь образом в газовую фазу, например, нагреть (этого, конечно, не нужно делать с газами). Затем, их нужно ввести в так называемый источник ионов, где они подвергаются бомбардировке пучком электронов, который можно получить нагревая, например, металлическую ленточку (катод). Можно поместить вещество в конденсированной фазе в источник ионов и там его испарить.

Электроны - отрицательно заряженные частицы - сталкиваясь с молекулами вырывают из электронных оболочек электроны и превращают молекулы в ионы. При этом молекулы часто разваливаются на заряженные фрагменты по определенному для каждого соединения механизму. Электроны - отрицательно заряженные частицы - сталкиваясь с молекулами вырывают из электронных оболочек электроны и превращают молекулы в ионы. При этом молекулы часто разваливаются на заряженные фрагменты по определенному для каждого соединения механизму. Именно в результате этого процесса в конечном итоге получится масс-спектр. Все это должно происходить в вакууме, иначе электроны слишком быстро зарядят молекулы, составляющие компоненты воздуха, а ионы, образовавшиеся из того соединения, которое нас интересует, слишком быстро вновь превратятся в нейтральные молекулы.

К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти всё, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть всё то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений.

Для анализа элементного состава самыми привлекательными являются индуктивно-связанные с плазмой масс-спектрометры; Для определения изотопного состава используют специальные масс-спектрометры. Для анализа ионов по массам используют разные типы масс-анализаторов: -непрерывные масс-анализаторы и импульсные. Разница между непрерывным и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые- порциями, через определенные интервалы времени В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жёсткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы.

Такая ионизация в газовой фазе является "мягкой", то есть образовавшиеся ионы не разваливаются на мелкие фрагменты, а скорее остаются крупными кусками либо чуть меньше, чем исходная молекула, либо даже большее ее за счет присоединения других ионов. Этот метод дает меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить ее молекулярную массу. Это касается, в основном, положительно заряженных ионов. Большим преимуществом химической ионизации с образованием отрицательных ионов является значительное улучшение чувствительности и селективности в отношении избранных соединений (соединений с большим сродством к электрону, например, содержащих атомы галогенов). Предел обнаружения таких соединений может быть снижен до трех порядков. Такая ионизация в газовой фазе является "мягкой", то есть образовавшиеся ионы не разваливаются на мелкие фрагменты, а скорее остаются крупными кусками либо чуть меньше, чем исходная молекула, либо даже большее ее за счет присоединения других ионов. Этот метод дает меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить ее молекулярную массу. Это касается, в основном, положительно заряженных ионов. Большим преимуществом химической ионизации с образованием отрицательных ионов является значительное улучшение чувствительности и селективности в отношении избранных соединений (соединений с большим сродством к электрону, например, содержащих атомы галогенов). Предел обнаружения таких соединений может быть снижен до трех порядков.

Сортировка ионов Итак, мы получили ионы. Поскольку это заряженные частицы, мы можем с помощью электрического поля вытянуть их из той области, где они образовались. Теперь, начинается второй этап масс- спектрометрического анализа - сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z), собственно то, что дало имя этому методу. Это происходит в той части масс-спектрометра, которая называется "масс-анализатором". Существуют различные виды масс-анализаторов: магнитный, квадраупольный, ионная ловушка, линейная ионная ловушка, ионно-циклотронный резонанс, временно-пролетные и др.

6.Области применения масс-спектроскопии Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков - бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Анализ нефтей и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле. В эпоху "химизации сельского хозяйства" весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека. Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для здоровья человека действие в предельно низких концентрациях). Примером является хорошо известный диоксин.

Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter Pylori и является самым надежным из всех методов диагностики. Спектрофотометры являются основным аналитическим инструментом при разработке новых лекарственных средств. Без этого метода не может обходиться и контроль качества производимых лекарств и выявления такого распространенного явления как их фальсификация. Протеомика дала в руки медицины возможность сверхранней диагностики самых страшных заболеваний человечества - раковых опухолей и каридиологических дисфункций. Определение специфических белков, называемых биомаркерами, позволяет проводить раннюю диагностику в онкологии и кардиологии.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: биохимия, клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная промышленность и энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Контрольные вопросы 1.В чем сущность и особенности масс-спектроскопического метода? 2. Когда и кем был открыт первый масс-спектроскоп? 3. Когда и кем был впервые использован комбинированный прибор (газовый хроматограф и масс-спектрометр)? 4. Дайте краткую характеристику важнейшим техническим параметрам спектроскопов. 5. Каков принцип работы масс-спектроскопов? 6.Перечислите основные методы ионизации? 7. Каков принцип классификации ионизации? 8. Какие масс-анализаторы существуют для сортировки ионов? 9. Каково практическое применение масс-спектроскопического метода? Контрольная работа №1 Дайте краткую характеристику отдельным спектроскопическим методам исследования и проведите их сравнение. При выполнении данного контрольного задания необходимо использовать современную литературу, данные сайтов, предоставляющих достоверную научную информацию. При оформлении текста работы необходимо соблюдать правила цитирования, а также привести полный список источников информации. Соблюдайте общие правила оформления работы. Работа должна иметь индивидуальный характер, и должна быть сдана в электронном виде до установленного срока.