Хромато-масс-спектрометры: принцип действия

Хромато-масс-спектрометрия — это гибридный метод анализа, сочетает хроматографию и масс-спектрометрию. При этом хроматографию необходимо разделять на жидкостную (ВЭЖХ) и газовую (ГХ) т.к. возможны оба варианта. Данное сочетание усиливает возможности обоих методов в результате химик получает уникальный аналитический комплекс. Хроматография получает высокочувствительный детектор, универсальный и селективный одновременно, с уникальной способностью по идентификации компонентов. Возможности МСД для качественного анализа в хроматографии превосходят возможности любых других детекторов. Детектор МСД позволяет идентифицировать соединения не только по временам удерживания, но и сравнивая масс-спектр пика (определяемого вещества) с библиотечным. Библиотеки насчитывают сотни тысяч различных соединений, а программное обеспечение проводит поиск в считанные секунды. Масс-спектрометр благодаря хроматографу сканирует индивидуальные соединения таким образом аналитик работает с чистыми масс-спектрами. Без хроматографии даже при сканировании чистых веществ спектр включает все спектры примесей входящих в исследуемое вещество соединений.

Схема хромато-масс-спектрометра.

Любой хромато-масс-спектрометр можно разделить на следующие блоки:

• Хроматограф. Разделение введенной смеси веществ на индивидуальные компоненты.
• Ионный источник превращает определяемые вещества и заряженные ионы.
• Разделение ионов в соответствии их массой посредством электрических или магнитных полей.
• Детектирование ионов
• Обработка полученных данных
• Достаточно высокий вакуум поддерживается в масс-анализаторе и детекторе, в некоторых системах и в ионном источнике.

Масс-спектрометры, применяемые в ГХ и ВЭЖХ отличаются конструктивно. В первую очередь по принципу ионизации. Разберем основные варианты.

Ионизация в ГХ/МС.

Наиболее старый и наиболее широко применяемый в современной масс-спектрометрии метод ионизации молекул – это электронный удар или электронная ионизация (ЭИ или EI). Именно этот вариант является наиболее распространенным в работе ГХ/МС. Суть электронной ионизации: определяемые вещества в газообразном состоянии из хроматографической колонки поступают в камеру источника ионов, где подвергаются бомбардировке электронами, испускаемыми катодом (филаментом). Катод (филамент) — это металлическая спираль (проволока) из тугоплавкого металла. Излучение электронов происходит при нагреве катода до высоких температур за счет пропускания через него электрического тока, внешне можно сравнить с лампой накаливания. За счет термоэлектронной эмиссии нагретая проволока испускает электроны. Два магнита, расположенные выше и ниже источника ионов, образуют магнитное поле. Под действием магнитного поля электроны движутся по спирали, таким образом, увеличивается длина траектории движения и соответственно увеличивается эффективность ионизации нейтральных молекул. Электроны, испускаемые катодом в ионизационную камеру, ускоряются под действием электрического поля между катодом и ионизационной камерой. Катод поддерживается при отрицательном потенциале относительно ионизационной камеры, величина потенциала регулируется, но обычно равна минус 70 В, что соответствует энергии электронов 70 эВ.

От энергии электронов зависит механизм ионизации молекул. Чем выше энергия, тем сильнее разбивается молекула на более мелкие осколки. 70 эВ – это стандарт, именно с этой энергией ионизации снято большинство масс-спектров входящих в стандартные библиотеки. Мы так подробно остановились на электронной ионизации, потому что это основной вариант для ГХ/МС.

Второй возможный, но менее распространенный вариант ионизации — это химическая ионизация (ХИ или CI). При этом способе источник ионов заполняется каким-либо газом (обычно метан или изобутан, очень редко аммиак и другие газы), который ионизуется все тем же электронным ударом, а в результате большой популяции молекул в источнике начинают происходить ионно-молекулярные реакции, ведущие к образованию ионов-реагентов, которые, в свою очередь взаимодействуют с молекулами интересующего нас вещества, ведя к их ионизации. Такая ионизация 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.

Итак, для ГХ/МС характерны следующие 2 типа ионизации:

• Электронная ионизация (EI)
• Химическая ионизация (CI)

Ионизация в ВЭЖХ/МС

Очень многие органические вещества невозможно испарить без разложения, а это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Все это очень характерно для соединений, которые анализируются методами ВЭЖХ, поэтому здесь применяют другие подходы для ионизации.

• ионизация в электроспрее (ESI)
• химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
• фотоионизаця при атмосферном давлении (APPI)
• ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI)

В первом случае (электроспрей) жидкость (интересующие нас соединения с растворителем) вырывается под давлением вместе с коаксиально подаваемым разогретым газом (азотом) из узкого капилляра (иглы, которая находится под повышенным потенциалом – 5-10 кВ) с огромной скоростью и прямо в этой струе мелкодисперсного тумана с оболочек молекул срываются электроны, превращая их в ионы. Большая часть растворителя при движении этой струи переходит в газовую фазу и не попадает в отверстие входного конуса источника ионов API. В режиме химической ионизации при атмосферном давлении потенциал прикладывается не к игле, через которую поступает жидкость, а к электроду в области распыления, что приводит к образованию коронного разряда. В этом случае фрагментация значительно меньше, чем в предыдущем – ESI. В методе MALDI лазерный луч вырывает ионы с поверхности мишени, на которую нанесен образец со специально подобранной матрицей.

Способы разделения ионов в МСД

После того как проведена ионизация образца, необходимо разделить образовавшиеся ионы. Для той цели используется несколько типов анализаторов которые можно разделить на 2 типа: непрерывные и пульсовые.

Непрерывные масс-анализаторы:

• Магнитные. Разделение ионов происходит за счет использования однородного секторного поперечного магнитного поля. Такие спектрометры отличаются высоким разрешением, чувствительностью и широким диапазоном детектируемых масс. Однако они имеют большие габариты и высокую стоимость.
• Квадрупольные. Ионный пучок проходит между четырьмя параллельно и симметрично расположенными электродами, на которые попарно подается определённая комбинация постоянного и высокочастотного напряжения. Под действием небольшого ускоряющего напряжения (7 – 15 В), приложенного к стержням, ионы из источника ионов влетают вдоль общей оси стержней и под действием комбинации постоянного и высокочастотного (радиочастотного) поля, создаваемого стержнями, начинают колебаться в поперечном направлении. При этом амплитуда колебаний ионов возрастает без изменения их направления движения. Ионы, чьи амплитуды колебаний достигают высоких значений, нейтрализуются при столкновении со стержнями, а системы детектирования достигнут только те ионы, чьи значения m/z будут отвечать определенному соотношению значений постоянного и высокочастотного напряжений, приложенных к стержням. Путем изменения значений величин постоянного и высокочастотного напряжений во времени в масс-фильтре создаются условия для прохождения к системе детектирования ионов с определенным диапазоном масс. Таким образом, осуществляется сканирование и получается масс-спектр в определенном диапазоне масс.  Приборы имеют компактные размеры, высокую чувствительность и быстродействие. Верхний предел пропускания отношений m/z как правило не превышает 1200 а.е.м. Квадрупольные хромато-масс-спектрометры являются наиболее доступными по цене.

Пульсовые масс-анализаторы:

• Времяпролетный. В основе работы прибора положена зависимость скорости движения заряженных частиц от их массы. Движение ионов в устройстве происходит в бесполевом пространстве. К достоинствам относится практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое время регистрации масс-спектра. Часто используются для исследования проб, которые трудно перевести в газовую фазу.
• Ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. Здесь ион движется под действием сразу двух полей: сильного постоянного магнитного и переменного электрического. Под действием магнитного поля ион движется по окружности с циклической частотой определяемой массой иона и магнитной индукцией. Зашумленные сигналы для сохранения полезной информации подвергаются математическому преобразованию Фурье. Такие приборы обеспечивают высокое разрешение и широкий диапазон измеряемых масс. Для их работы требуется создание сильного магнитного поля.
• Ионная ловушка. В спектрометре предусмотрена две пары электродов: кольцевые и концевые. Для сбора и удержания ионов в полости ловушки используется комбинация постоянного и высокочастотного напряжения. Резонансная радиочастота обеспечивает доступ заряженных частиц на детектор в соответствии с величиной m/z. Ионизации пробы осуществляется с использованием электронного или химического способа. Благодаря селективной регистрации ионов чувствительность прибора значительно повышается.

Вакуумная система

Масс-спектрометр требует создания в нем очень чистого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10^-7 – 10^-10 мм.рт.ст. Для создания такого вакуума применяются, как правило системы состоящие из двух насосов: форвакуумного (например, пластинчато-роторного) и высоковакуумного (например, диффузионного или турбомолекулярного). Высокий вакуум необходим для создания пространства без молекул с которыми бы могли сталкиваться анализируемые ионы и нейтрализоваться, не долетая до детектора. Во всех масс-спектрометрах вакуумируется масс-анализатор и система детектирования. В МСД для газовой хроматографии вакуумируется еще и система ионизации. В ВЭЖХ вакуумирование системы ионизации зависит от типа ионизации.

Система детектирования.

Третья обязательная деталь масс-спектрометра – регистрирующее устройство, с помощью которого можно определить количество ионов с данным m/z. Первые масс-спектрографы использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т.д. Другой вариант – фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея). В современном приборе регистрирующее устройство непосредственно связано с компьютером, который производит обработку результатов и управляет экспериментом.

---

Хромато-масс-спектрометр – это сложный инструмент с широкими возможностями. Компания Хроматограф.ру предлагает газовые хромато-масс-спектрометры Кристалл 5000 под задачи Заказчика. Комплектация подбирается строго под нужды Заказчика. Наши специалисты помогут подобрать нужный Вам хромато-масс-спектрометр. Кроме этого, сервисные инженеры Хроматограф.ру выполняют техническое обслуживание, запуск, ремонт хроматографов c масс-детекторами Agilent 5977B.