Основой масс-спектрометрии является разделение ионов по величинам m/z(отношение массы к заряду) и измерение количества (интенсивностей) ионов каждого типа, метод позволяет определять молекулярную массу и молекулярную формулу практически любого вещества, расходуя (микро- или нанограммы) количество образца (метод разрушающего контроля). Кроме того, осколочные ионы несут полезную информацию о структуре изучаемого вещества. При ионизации молекулы образуется молекулярный ион М+, внутренняя энергия которого может быть достаточной для распада с выбросом нейтральной частицы m0 и образованием осколочного иона (фрагмента) А+: М ® М+· ® А+ + m0.
Если осколочный ион А+ обладает достаточной внутренней энергией, то может происходить его дальнейший распад с образованием новых фрагментов. Масс-спектр обычно представляют либо в нормализованной форме (в процентах от максимального, основного пика), либо в процентах от общего ионного тока в виде таблиц и графически.
Иногда распад осколочных ионов может происходить намного быстрее, чем их образование. Такие ионы будут иметь низкую интенсивность, но они важны для установления путей фрагментации В масс-спектрометрии наблюдаются однозарядные положительные ионы, иногда образуются с двумя, тремя зарядами(в масс-спектрах ароматических соединений:
Масса двухзарядного иона в спектре равна m/2.
Кроме обычных узких пиков ионов, в масс-спектре часто наблюдаются уширенные пики низкой интенсивности. Такие ионы широко используются для установления путей фрагментации. Если ион с массой m1 распадается с образованием иона с массой m2, то в спектре будет наблюдаться метастабильный ион m*= m2 2/ m1.
В атомной шкале масса 12С принята равной 12,0000, но другие элементы имеют нецелочисленные массы, например, масса1Н равна 1,0078. Поэтому массы большинства ионов имеют нецелочисленные значения, хотя и близки к ним. Разрешающая сила масс-спектрометра есть мера его способности разделять два иона с какой-либо определенной разницей масс. При низком разрешении масс-спектр состоит из ряда пиков с целочисленными значениями m/z. При сравнительно высоком разрешении пики могут быть расщеплены благодаря наличию ионов различного элементного состава. Многие элементы имеют некоторое естественное содержание нескольких изотопов, и поскольку на масс-спектрометре измеряют отношение массы к заряду, эти изотопы проявляются в масс-спектре. Наиболее распространенный изотоп углерода – 12С, но природный углерод содержит также изотопы13С и14С. Природное содержание14С настолько мало, что этот изотоп практически незаметен в масс-спектре, естественное содержание изотопа13С составляет 1,08%. Поэтому, например, в масс-спектре наряду с пиком молекулярного иона сm/z16, соответствующим12СН4, имеется изотопный пик иона сm/z17, соответствующим13СН4, соотношение интенсивностей пиков этих ионов составляет 99:1. С ростом числа атомов углерода в молекуле возрастает вероятность включения хотя бы одного атома13С. Соединение с двадцатью атомами углерода будет давать молекулярный ион М+и изотопный пик иона с массой, большей на единицу М+1, причем интенсивность последнего по отношению к М+должна быть около 20+1,08=21,6%. С дальнейшим увеличением числа углеродных атомов возрастает вероятность включения двух атомов13С в одну молекулу, и тогда становятся более заметными ионы М+2+.
Распространенных изотоповэлементов, встречающихся в органической масс-спектрометрии
Элемент Изотоп (% естественного содержания)
Водород 1Н (99,99) Фосфор 31P (100,0)
Углерод 12С (98,9) 13C (1,1) Сера 32S (95,0) 33S (0,7) 34S (4,2)
Азот 14N (99,6) 15N (0,4) Хлор 35Cl (75,5) 37Cl (24,5)
Кислород 16O (99,8) 18O (0,2) Бром 79Br (50,5) 81Br (49,5)
Фтор 19F (100,0) Иод 127I (100,0)Элемент
Кремний 28Si (92,2) 29Si (4,7) 30Si (3,1)
Если в ионе имеется два или более различных изотопсодержащих элемента, расчет относительной интенсивности ведется следующим образом: для иона, содержащего два атома хлора и два атома брома, относительное содержание составит:
для Cl2 (a + b)n = (3 + 1)2 = 9: 6: 1
для Br2 (a + b)n = (1 + 1)2 = 1: 2: 1.
Если пик молекулярного иона имеет низкую интенсивность то подтвердить правильность можно с помощью методов мягкой ионизации (химической ионизации и т.д.), позволяющих обнаружить более интенсивные квазимолекулярные ионы, чаще всего М + Н2+.
Следует определить молекулярную формулу исследуемого вещества. Это можно сделать с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения путем точного определения массы молекулярного иона, изучения относительных интенсивностей в кластере пиков молекулярного иона и сравнения их со справочными данными, использования результатов других методов анализа. Молекулярный ион с четным значением m/zне содержит атомов азота или содержит их четное число. Напротив, молекулярный ион с нечетным значениемm/zсодержит нечетное число атомов азота. Молекула с четным числом атомов азота и фосфора или галогена содержит четное число атомов водорода. При нечетном числе атомов указанных элементов число атомов водорода также будет нечетным.
Интенсивность пика молекулярного иона и общая картина осколочных ионов в масс-спектре иногда помогают отнести исследуемое соединение к определенному классу. Спектр, содержащий много пиков осколочных ионов, интенсивность которых увеличивается в направлении уменьшения значений m/z, как правило, указывает на алифатический характер соединения, тогда как спектр с небольшим числом пиков, содержащий интенсивный пик молекулярного иона и пики двухзарядных ионов, обычно соответствует ароматической структуре.
На следующей стадии расшифровки масс-спектра следует выделить главные осколочные ионы и попытаться установить основные направления распада ионов. Предполагаемый путь фрагментации лучше всего проверить путем поиска соответствующих метастабильных ионов.
Нужно всегда иметь в виду возможность присутствия примесей. Наиболее распространенными загрязнениями являются фталатные пластификаторы (m/z149, 167, 279) и силиконовая смазка (m/z133, 207, 281, 355, 429). Поскольку наблюдаемый масс-спектр зависит от парциального давления компонентов смеси в ионном источнике, то в нем может доминировать даже минорный (имеющийся в очень малом количестве), но более летучий компонент. При расшифровке состава осколочных ионов следует учитывать, что некоторые фрагментарные ионы могут возникать из перегруппированных предшествующих ионов.