Гібридні методи. Газова хромато-мас-спектрометрія

 
   
Рис. 5 - Визначення часу утримування по хроматографічному піку

 

 

 Для більшої  надійності правильність ідентифікації перевіряють за допомогою чистої  індивідуальної сполуки. Робиться це таким чином. Досліджувану суміш розбивають на декілька зразків і в кожен зразок вводять точно, чітко визначену кількість індивідуальної сполуки, присутність якої передбачається в цій суміші. Якщо ідентифікація за часом утримування проведена правильно, то висота відповідного піка на хроматограмі після введення індивідуальної сполуки повинна збільшитися. Однак цей метод не можна назвати однозначним, тому що серед величезної кількості органічних сполук є безліч речовин з однаковими термінами утримування[2].

 

 

4. Поняття про мас-спектроскопічний  метод  аналізу

 

Мас-спектроскопія – метод  дослідження речовини шляхом визначення мас іонів цієї речовини (частіше відношення  мас іонів до їхніх зарядів) і їхніх кількостей. Сукупність значень мас й їхніх відносних вмістів (концентрацій )  називається мас-спектром.  На рис. 6  приведено  вигляд  мас-спектру  метилсаліцилату.

Рис. 6– Мас-спектр метилсаліцилату

У мас-спектроскопії використається поділ у вакуумі йонів різних мас під впливом електричних і магнітних полів.  Тому досліджувана речовина насамперед піддається  процесу  йонізації.  Процес  йонізації виключається при вивченні йонної структури  вже йонізованих газів, наприклад в електричному розряді або в йоносферах  планет. У випадку рідких і твердих речовин їх або попередньо випаровують, а потім йонізують, або ж застосовують  поверхневу  йонізацію. Частіше за негативні досліджуються позитивні  йони,  тому  що  існуючі методи  йонізації  дозволяють одержувати їх простішими шляхами й у більших кількостях. Однак у ряді випадків досліджують і негативні йони.

Перші мас-спектри були отримані у Великобританії Дж. Дж. Томсоном  (1910), а потім Ф. Астоном (1919). Вони привели до відкриття стабільних ізотопів.  Спочатку мас-спектроскопію  застосовували  переважно для визначення ізотопного  складу елементів і точного виміру  їх атомних мас. Мас-спектрометрія  і  дотепер є одним з основних методів, за допомогою яких одержують дані про маси ядер й атомні маси елементів. Варіації ізотопного складу елементів можуть бути визначені з відносною погрішністю ±10^-2 %, а маси ядер – з  відносною погрішністю ±10^-5 % для легких і  ±10^-4 % для важких елементів.  Висока точність і чутливість мас-спектрометрії як методу ізотопного аналізу привели до її застосування  й  в  інших областях, де істотним  є  знання ізотопного складу елементів, насамперед у ядерній техніці. У геології й геохімії мас-спектральне визначення ізотопного складу ряду елементів (Плюмбуму, Аргону й інших) лежить в основі методів визначення віку гірських порід і рудних утворень. Мас-спектрометрія широко  використовується в хімії для елементного й молекулярного структурного аналізу.  Мас-спектральний аналіз елементної сполуки речовини особливо точний, коли ця речовина випаровується у вигляді вихідних не розкладених молекул і помітна частка цих молекул не розпадається в йонному джерелі спектрометра. Тоді, застосовуючи мас-спектрометри з високою роздільною здатністю, у молекулі органічної речовини можна, наприклад, однозначно визначити число атомів С, Н, О та інших по масі молекулярного йона. Для аналізу елементної сполуки важко летучих  речовин застосовують йонізацію методом вакуумної іскри.  Якісний молекулярний мас-спектральний аналіз сумішей заснований на тому, що мас-спектри молекул різної будови різні, а кількісний – на  тому, що йонні струми від компонентів суміші пропорційні вмістам цих компонентів.

Точність кількісного молекулярного  аналізу в найкращому разі досягає  точності ізотопного аналізу, однак  часто кількісний молекулярний аналіз затруднений через рівність  мас  різних йонів, що утворяться при йонізації різних речовин. Для подолання цих труднощів у мас-спектрометрах використають «м'які» способи йонізації, що дають мало осколкових йонів, або ж комбінують  мас-спектрометрію  із  іншими методами аналізу, особливо часто з газовою хроматографією.

Молекулярний структурний  мас-спектральний аналіз заснований на тому, що при йонізації речовини деяка частина  молекул перетворюється на  йони, не руйнуючись, а деяка частина  при цьому розпадається на осколки - фрагменти. Вимір мас і відносного вмісту молекулярних і осколкових йонів (молекулярного мас-спектра) надає інформацію не тільки про молекулярну масу, але й про структуру молекули.

У фізико-хімічних дослідженнях мас-спектрометрію застосовують при  дослідженнях процесів йонізації, вивченні фізичної й хімічної кінетики; для визначення потенціалів йонізації, теплоти  випаровування,  енергій зв'язку атомів у молекулах. За допомогою  неї  проведені виміри  складу  атмосфери  Землі (можливі аналогічні виміри складу атмосфер  і  інших планет). Її  починають застосовуватися як експресний метод газового аналізу в медицині.  Висока абсолютна чутливість мас-спектрометрії  дозволяє використати її  для аналізу дуже невеликої кількості речовини ( 10^-12 г. ).

 

 

5. Устаткування для  мас-спектроскопії

 

Мас-спектрометрію (МС) можна розглядати як сукупність двох окремих процесів: йонізації поділу йонів за масами і реєстрації утворюваних йонів. Численні методи йонізації можна поєднати з різними способами поділу йонів в залежності від поставлених завдань. На рис.7 пояснюється принцип дії магнітного мас-спектрометра.

 

 
                         
Рис. 7 - Принципова схема магнітного мас-спектрометра 
 

При бомбардуванні електронами  молекул в газоподібному стані  зв'язки в молекулах розриваються і утворюються йони. Вид і кількість виникаючих фрагментів характерні для даної молекули. При накладенні магнітного поля, позитивно заряджені частинки прискорюються і рухаються по зогнутим кривим, радіус кривизни яких пропорційний кореню квадратному з маси йона. При деякому постійному магнітному полі потік йонів, містить йони з ідентичним відношенням маса / заряд, потрапляє на колектор. Тут при розряді йонів виникає струм, пропорційний відповідній кількості йонів з відповідною масою. Зміною магнітного поля поступово переводять на колектор потоки йонів з іншим відношенням маса / заряд. Струм колектора записується і дає мас-спектрограм. Мас-спектр може служити для ідентифікації молекули.

У квадрупольному мас-спектрометрі (рис. 8) поділ по масі досягається іншим чином. Між чотирма паралельними стрижнями створюється високочастотне електричне поле.

 
   
Рис. 8 - Схема пристрою квадрупольного мас-спектрометра.  

 

Коли пучок йонів потрапляє в це поле, тільки йони з певним відношенням маса / заряд мають стабільну траєкторію і потрапляють на детектор (колектор). Детектування пучків з різним відношенням маса / заряд (розгортку мас-спектра) проводять варіюванням параметрів електричного поля. 

Можна уявити собі, з якими  труднощами доведеться зіткнутися при спробі розшифрувати мас-спектр зразка, що складається з декількох речовин з великими молекулярними масами. У той же час, якщо підключити до мас-спектрометру газовий хроматограф, то інтерпретувати спектри стане значно легше, так як перед бомбардуванням суміш буде поділена на індивідуальні компоненти.

 

 

6. Газова хромато-мас-спектрометрія

 

Вже давно мас-спектрометр  розглядають як відмінний детектор для газової хроматографії. Як газовий хроматограф, так і мас-спектрометр являють собою в принципі відносно нескладні прилади, а напівочікувані за допомогою кожного з них аналітичні дані прості для усвідомлення та використання.

Коли ці два прилади з'єднують в єдину газову хромато-мас-спектрометричну систему, можливості такої системи не рівні просто сумі можливостей кожного приладу; аналітичні можливості збільшуються експоненціально.

 Для того, щоб реалізувати  весь потенціал, ув'язнений у  величезній кількості даних, генеруючи експортувати хромато-мас-спектрометром, необхідний спеціалізований комп’ютер. З підключенням комп'ютера до приладу стають можливими багато операцій з даними, що збільшують їх аналітичну цінність. Отримані за допомогою мас-спектрометричного детектора спектри, дають таку інформацію про якісний склад проби, яку не можуть дати інші газо-хроматографічні детектори.

 
   
Рис. 9 - Принципова схема магнітного мас-спектрометра в комбінації з  газовим хроматографом

Мас-спектрометричний детектор має більшу чутливість, крім того, він  руйнує пробу, дає інформацію про  масу і розрізняє швидше гомологи, ніж ізомери. Принципова схема мас-спектрометра в комбінації з газовим хроматографом представлена ​​на рис. 9.  

Першим кроком при газовому хромато-мас-спектрометричному аналізі є зазвичай сканування по всьому діапазону мас (рис. 10). Ідентифікацію проводять за допомогою бібліотеки спектрів, найчастіше закладеної в пам'ять ЕОМ (електронна обчислювальна машина), яка одночасно і управляє роботою детектора. Вивчення характеристичних піків і молекулярних іонів відіграє важливу роль при ідентифікації сполуки.

 
  
Рис. 10 - Мас-спектр повного сканування

 

В певному діапазоні  виміряні всі відносини маса / заряд.

Наступним кроком є ​​якісний  аналіз, для чого використовують метод реєстрації окремих йонів. Для цього застосовують фільтр, щоб досліджувати тільки декілька видів йонів і тим самим підвищити чутливість.

Рис. 11 - Хроматограма за всіма йонами

Нарешті, підсумовують усі осцилограми по окремим йонам і наносять на діаграму з єдиним масштабом часу (рис. 11), щоб отримати хроматограму за всіма йонам в пробі.

       Подальший розвиток методів газової хромато-мас-спектрометрії (ГХ – МС) і широке застосування комп'ютерної техніки привело до того, що мас-спектрометрія стала доступною не лише фахівцям, але активно використовується як стандартний метод детектування в газовій хроматографії. Комп'ютер керує системою в цілому, записує дані, накопичує масові спектри. Нагромадження великої кількості мас-спектрів за секунду вимагає великого об'єму пам'яті і високої швидкодії машини. Приклад застосування хромато-мас-спектрометрії для розділення суміші лікарських речовин наведено на рис. 12.

 
 Рис.12 - Хромато-мас-спектрометр для розділення суміші лікарських         речовин

 
 Рис. 13 - Порівняння спектру речовини з часом утримування морфіну і із       спектром морфіну

 

Порівняння спектру  речовини з часом утримування  морфіну (рис. 12) і порівняння із спектром морфіну, закладеним в банк даних (рис. 13).

У наші дні мас-спектрометри випускають тільки в комплекті з комп’ютером. Велику допомогу при ідентифікації надає банк мас-спектральних даних, який замовник отримує разом з приладом. В мас-спектрометричних аналізах нові результати неперервно вводяться в пам'ять комп'ютера, поповнюючи банк даних. При необхідності скористатися банком аналітик посилає в ЕОМ запит, і комп'ютер сам знаходить в пам'яті спектр, який краще за інших відповідає зареєстрованому в даний момент спектру. Обидва спектри з'являються на екрані, і тепер залишається тільки зіставити дві спектральні картини. Порівняння спектрів, тобто своєрідне впізнання по «відбиткам пальців», значно простіше для ідентифікації невідомих речовин, ніж реконструкція молекул за окремими фрагментами. Єдина необхідна умова для такої ідентифікація - наявність у банку даних спектра тієї самої речовини, що надійшла для аналізу. Хромато-мас-спектрометрія знайшла широке застосування в різних областях хімії, медицини, фармацевтичного виробництва, екологічного моніторингу та технологічного контролю в промисловості[3].

 

 

7. Використання газової хромато-мас-спектрометрії

7.1 Газова хромато-мас-спектрометрія в аналізі нафти та нафтопродуктів

 

До складу фракцій  нафти і нафтопродуктів можуть входити  тисячі компонентів. До найпростіших фракцій - природний газ, який складається в основному з метану. У залежності від джерела видобутку природний газ може також містити Карбон(IV), гідроген сульфур. Інші фракції з більш високими температурами кипіння це - лігроїн, середні дистиляти, масла й осад. Ці фракції можуть бути в подальшому очищені для отримання бензину, дизельного та авіаційного палива, мастил, асфальту. Деякі з цих фракцій переводять в основні розчинники, олефіни і ароматичні сполуки.

ГХ-МС використовують для  аналізу фракцій від природного газу до газойлів з температурами кипіння до 650 ° C. У зв'язку з надзвичайною складністю молекулярного розподілення в середніх дистилятах і газойль рідинно-хроматографічне розділення по полярності молекул полегшує наступний ГХ-МС аналіз. Нелеткі фракції можна аналізувати з використанням піролізу зразка при температурах більше 450 ° C, зазвичай 600-800 ° C, перед ГХ-МС аналізом.

ГХ-МС інтенсивно використовується в органічній геохімії нафти. Екстракти з геологічних зразків (нафта, вугілля, сланець) являють собою складні суміші органічних сполук. Деякі з них є біомаркерами, які можуть дати інформацію про походження нафти і вугілля та умовах відкладення порід. Біомаркери - це вуглеводні, що зберегли вуглецевий скелет знаходячись на великій глибині стародавніх організмів, що зазнали фізико-хімічні перетворення. Біомаркерами є ізопреноїди, тритерпани, стерани, порфірини. Вугілля і сланці містять нерозчинні і нелеткі макромолекулярні компоненти - кероген. Це основний попередник нафти і газу . Для його аналізу запропонована техніка миттєвого піролізу в поєднанні з ГХ-МС.

ГХ-МС використовується при рутинних аналізах бензину і  інших палив з метою визначити  компонентний склад - парафіни, ізопарафіни, олефіни, нафталіни і ароматику[4].

 

7.2 Використання методу газової хромато-мас-спектрометрії для аналізу  забруднень навколишнього середовища

 

В даний час найбільша  увага в питаннях дослідження забруднення навколишнього середовища приділяється аналізу природних і стічних вод.    ГХ-МС з он-лайн твердофазною екстракцією дозволяє достовірно визначити слідові кількості відомих сполук і орієнтовно ідентифікувати невідомі сполуки.

Системи (ГХ-йонна пастка) забезпечують високу чутливість і підвищену селективність в режимі МС-МС(детектування дочерних йонів). Так, ГХ-ІЛ в поєднанні з он-лайн твердофазною екстракцією була оптимізована для визначення слідових кількостей полярних і неполярних пестицидів. Чудові тандемні мас-спектри були отримані при концентраціях речовин у воді 0.1 нг / л.