Хромато – масс – спектрометрия и ее использование в идентификации загрязнителей природных сред для рационального использования материа

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Казанский национальный исследовательский технологический  университет»

(ФГБОУ ВПО КНИТУ)

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО Аналитической  химии физико – химическим методом анализа

По теме:

«Хромато – масс – спектрометрия и ее использование в идентификации загрязнителей природных сред для рационального использования материальных и энергетических ресурсов»

Разработал: студент гр. 61911

Хисамеев И. В.

Проверила: Николаевна Н.Г.  

Казань 2012

Введение

В наши дни проблема охраны окружающей среды у всех на устах. Ключевое слово в этой проблеме –  «экология». Повышенное внимание к  экологии является следствием резко возросшей человеческой деятельности, которая в свою очередь, обусловлена быстрым ростом народонаселения планеты.

Учитывая важность экологических  проблем, для их решения привлекаются современные методы аналитической  химии: газовая хроматография и  масс – спектрометрия, Электроаналитические, радиохимические, флуоресцентные методы, атомно-эмиссионная и атомно-абсорбционная  спектрометрия. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК.

Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных  объектов окружающей среды – хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, ионная и хромато – масс – спектроскопия. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и масс – спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс – спектрометр. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины и другие токсичные вещества.

Данная курсовая работа посвящена  методам хромато – масс – спектроскопии  и ее использовании в идентификации  загрязнителей природных сред.

1. Теоретические  основы метода масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия представляет собой метод исследования веществ, основанный на определении массы (точнее, величины т/г) и относительного количества ионов, образованных из молекул, подвергнутых ионизации. Приборы, позволяющие получить масс-спектры, называются масс-спектрометрами.

Каждый масс-спектрометр  независимо от деталей конструкции  состоит из следующих основных элементов:

1. системы введения вещества в прибор;
2. источника ионов, предназначенного для получения ионов из анализируемых веществ;

3) масс-анализатора, предназначенного  для разделения ионов по массам (вернее, по отношению массы к заряду – т/г);

4) детектора и регистрирующего  устройства, предназначенного для  регистрации количества образующихся ионов различной массы;

5) вакуумной системы, обеспечивающей  необходимый вакуум в приборе.

Схематическое изображение  устройства масс-спектрометра приведено  на рис. 1.

Рисунок 1. - Схематическое изображение устройства масс-спектрометра.

1-резервуар; 2-ионизационная  камера; 3-впуск образца; 4-электронная  пушка; 5-отрицательно заряженные  пластины; 6-магнитное поле; 7-частицы  с меньшей массой; 8- частицы с  большей массой; 9-к вакуумному  насосу; 10-усилитель; 11-самописец.

 Прежде всего, исследуемое  вещество надо ионизировать. Наиболее  распространенным методом ионизации в органической масс-спектрометрии является бомбардировка вещества электронами в газовой фазе. Система введения вещества в прибор необходима для перевода исследуемого соединения в газовую фазу и непрерывной подачи его с постоянной скоростью (так называемое мономолекулярное натекание) в источник ионов, где происходит ионизация. В источнике ионов в условиях глубокого вакуума (10–5–10–9 мм рт. ст.) электроны, эмитируемые раскаленным катодом, получают за счет ускорения между заряженными пластинами определенную энергию (обычно 70 эВ). Проходя через разреженный газ, эти электроны сталкиваются с молекулами исследуемого вещества. Как только энергия электронов окажется несколько выше потенциала ионизации (9–12 эВ), становится возможным процесс ионизации.

Например, при этой энергии  процесс взаимодействия электрона  с молекулой метана можно изобразить так:

СН₄ + е^- → СН₄ + 2е^-

Ион СН₄ масса которого с точностью до одного электрона

равна молекулярной массе  метана, называется молекулярным ионом (М ⁺) [1–5].

При энергиях бомбардирующих электронов порядка 30–100Эв происходит не только ионизация, но и разрыв химических связей в бомбардируемой молекуле с образованием положительно заряженных ионов и нейтральных осколков.

Совокупность всех процессов, приводящих к образованию ионов  различного вида, называется диссоциативной ионизацией.

Таким образом, в результате диссоциативной ионизации в источнике  ионов образуются положительные  ионы с разной массой. Все эти  ионы выталкиваются электрическим полем из камеры, формируются в пучок и, ускоряясь разностью потенциалов в 2–4кВ, вылетают в масс-анализатор, в котором тем или иным способом делятся на группы или пучки ионов так, что в каждой из круп содержатся только ионы одной и той же массы. 

Изменяя напряженность магнитного поля H при постоянном ускоряющем напряжении U, можно последовательно подавать на коллектор регистрирующего устройства ионы с той или иной массой. Таким образом, осуществляется развертка спектра [4].

1.1 Сочетание масс-спектрометрии с другими методами

Большие принципиальные возможности  масс-спектрометрии появляются при  сочетании её с другими методами. Сочетание методов значительно  расширяет возможности каждого из них, позволяя получать больше информации об объекте исследования:

• Оказалось полезным двукратное, трехкратное, четырехкратное и т.д. разделение по массам в тандемных масс-спектрометрах. В таком приборе имеет место «очищение» масс-спектра благодаря дискриминации различных помех (от рассеяния ионов на остаточных газах, на стенках камеры и различных эффектов столкновения и перезарядки).

• Весьма эффективными, как  для хроматографии, так и для  масс-спектрометрии, оказались хромато-масс-спектрометры – одни из наиболее распространенных современных аналитических приборов. В них различные типы газовых, жидкостных или ионных хроматографов (электрофореза) обеспечивают предварительное  разделение вещества, а индикацию  разделенных веществ и измерение их содержаний осуществляет масс-спектрометр. Поэтому масс-спектрометры в хромато-масс-спектрометрах большей частью имеют дело не со смесью соединений, а с индивидуальными соединениями, на короткое время поступающими в источник ионов.

• Очень полезной оказалась  возможность практически одновременного (или попеременного) наблюдения массовых пиков с помощью масс-спектрометра и электромагнитного излучения  – эмиссионным спектрометром. В  таких «комплексных» приборах регистрируется электромагнитное излучение из масс-спектрометрических источников ионов с газовым разрядом (с индуктивно-связанной плазмой, тлеющим разрядом, искровым, дуговым, коронным).

• Весьма плодотворным, но далеко не в полной мере реализованным, оказалось совместное применение лазеров и масс-спектрометрии, которое может идти по двум – трем направлениям: применение лазеров в масс-спектрометрии, применение масс-спектрометрии для диагностики и изучения работы лазеров, масс-спектрометрический контроль работы установок по лазерному разделению изотопов.

• Некоторые методы физико-химического  анализа применяют одинаковые узлы или схожи по ряду моментов действия. Например, источники с индуктивно связанной плазмой используются и в масс-спектрометрии, и в оптической эмиссионной спектроскопии, а «электронный зонд», дающий локальное рентгеновское излучение элементов в рентгено-флуоресцентном анализе, идейно и частично конструктивно схож с «ионным зондом» вторичной ионной масс-спектрометрии.

• В современных аналитических  средствах весьма высок уровень  интеграции различных элементов, блоков, устройств (система подачи проб, различные  стабилизаторы напряжений и токов, операционные усилители, средства вычислительной техники и программного обеспечения, стандартные образцы) [6–9].

Таблица 1- Применение масс – спектрометрии

1.2 Масс-спектрометры  с двойной фокусировкой в масс-спектрометрии  с индуктивно-связанной плазмой

Масс-спектрометрия с  индуктивно-связанной плазмой (ICP/MS, ИСП/МС) развилась в один из наиболее успешных методов в атомной спектроскопии  благодаря высокой чувствительности и возможности выполнения многоэлементного анализа. Тем не менее, с самых первых дней существования ИСП/МС Ахиллесовой пятой этого метода было большое количество спектроскопических и не спектроскопических интерференций, которые лимитировали его аналитические достоинства.

Рассматривались многие методики понижения влияния этих интерференций, однако, ни одна из них не была способна решить проблему целиком. Все эти  методики были ограничены воздействием на некоторые специфические интерференции или были приложимы только к ограниченному выбору элементов. Единственным общим методом преодоления ограничений, вызванных спектроскопическими интерференциями, является масс-спектрометрия высокого разрешения, которая с необходимостью требует использования приборов с двойной фокусировкой, комбинирующих магнитный и электростатический анализаторы. Этим определяется их основное отличие от приборов низкого разрешения, которые обходятся более дешевым и простым квадрупольным анализатором.

Хотя ИСП/МС приборы высокого разрешения появились на рынке аналитического оборудования с 1988 года, они не были широко приняты из-за их высокой стоимости. Относительно недавно цены на это оборудование значительно снизились с появлением приборов второго поколения. Великолепные характеристики этих приборов придали значительный импульс развитию аналитических приложений масс-спектрометрии высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой.

Спектроскопические  интерференции

С момента начала использования  индуктивно-связанной плазмы для  элементного анализа, этот метод ионизации развился в самый успешный из всех используемых. В начале, он использовался как метод возбуждения в сочетании с эмиссионной спектроскопией. В последние 15 лет он широко используется в качестве источника ионов для масс-спектрометрии. Определенные технические проблемы, связанные с отбором ионов из плазмы, были успешно решены и комбинация источника с индуктивно-связанной плазмой и масс-спектрометра начала широко распространяться.

В индуктивно-связанной плазме ионы генерируются при атмосферном  давлении, в то время как масс-спектрометр работает при давлении меньше чем 10^-5 мБар. Между ИСП и МС используется интерфейс в виде «узкого горла», с помощью которого вытягиваются ионы из плазмы и осуществляется перепад давлений. В начале развития ИСП/МС в качестве интерфейса просто использовалось вытянутое носиком отверстие диаметром всего 50–70 мкм, охлаждаемое водой. Проблема, связанная с такой конструкцией заключалась в том, что холодные пограничные слои впереди конуса способствовали генерации большого количества посторонних ионов. Эту проблему удалось преодолеть путем увеличения диаметра входного отверстия до 1 мм, что отодвигало пограничные слои и ионы напрямую входили в масс-спектрометр из плазмы. Эта методика известна как непрерывный отбор образца и, следовательно, конус называется конус образца.

Поскольку поток газа через  этот конус образца намного больше, чем было ранее при использовании  отверстий с меньшим диаметром, давление следует понижать путем  использования дифференциальной вакуумной  откачки в две или более  стадий. По этой причине на пути потока газа был установлен второй конус и пространство между этим конусом и конусом образца откачивается форвакуумным насосом с высокой скоростью откачки. Поскольку существует большой перепад давлений между источником индуктивно-связанной плазмы и первой стадией откачки, ионы засасываются в пространство интерфейса и ускоряются до сверхзвуковых скоростей.

Для того чтобы избежать турбуленции на втором конусе, он выполняется  с острыми краями для «срезания» (скимирования) ионов из сверхзвукового пучка и, следовательно, этот конус  получил название «скимерный». Конструкция, состоящая из конуса образца и скимерного конуса с диаметрами около 1 мм получила название «интерфейс. Создание интерфейса означало прорыв в ИСП/МС технологии, обеспечивший более эффективную экстракцию ионов, улучшив пропускание ионов, а, следовательно, чувствительность метода, и снизив спектральные интерференции более чем на порядок по величине. Тем не менее, спектральные интерференции все еще оставались одним из главных ограничений метода элементного анализа.

Спектроскопические интерференции  вызываются атомными или молекулярными ионами, имеющими такую же номинальную массу, что и изотоп анализируемого элемента. Результирующий интерферирующий сигнал может исказить или полностью перекрыть истинный аналитический сигнал, таким образом, точность определения, равно как и предел обнаружения элемента, значительно ухудшается. Источников, из которых происходят интерференции, множество. До сих пор не существует общепринятой модели для объяснения всех факторов, вносящих свой вклад в интерференции, но тот факт, что интерфейс играет большую роль в появлении молекулярных интерференций, признается практически всеми.

Спектроскопические интерференции  могут быть подразделены на изобарные  атомные ионы, многозарядные ионы, наложения больших сигналов и  полиатомные ионы различного происхождения. Изобарные наложения существуют вследствие того, что изотопы различных элементов совпадают по их номинальной массе. Для каждого элемента, за исключением индия, может быть найден по крайней мере один изотоп, свободный от изобарного наложения, но беда в том, что эти изотопы не являются наиболее интенсивными. Многозарядные ионы располагаются в масс-спектре в соответствии с значением m/z. Вклад в масс-спектр дают, главным образом, двухзарядные ионы основных компонентов матрицы и многозарядные ионы, образующиеся в процессах перезарядки с участием аргона. Сигналы соседних ионов с очень большой интенсивностью, например, происходящих от элементов матрицы, вносят значительные искажения в аналитический сигнал за счет наложения хвостов на соседние пики тогда, когда изотопическая чувствительность недостаточна. Полиатомные ионы могут состоять из атомов аргона и его примесей плюс компоненты растворителя и матрицы.

Из всех этих различных  групп спектроскопических интерференций  полиатомные ионы создают наиболее серьезные проблемы. Интерференции полиатомных ионов может вызываться самим анализируемым образцом. Например, оксиды могут остаться неразрушенными после прохождения через горячую зону плазмы вследствие того, что энергии разрыва их связей очень велики. Они могут быть внесены как примеси в процессах химической подготовки пробы или из газа плазмы и воздуха, захватываемого плазмой. В принципе, спектроскопические интерференции этого типа могут быть отделены от анализируемого изотопа при использовании масс-спектрометрии высокого разрешения.

Разрешение

Типичные примеры спектроскопических интерференций приведены в табл.2. Один из наиболее дискутируемых примеров спектральной интерференции это ⁵⁶Fe и ⁴⁰Ar¹⁶O⁺. Последний ион происходит вследствие взаимодействия аргона с кислородом, содержащемся в растворителе. В этом примере в качестве альтернативы для измерения железа можно воспользоваться изотопами ⁵⁴Fe, ⁵⁷Fe и ⁵⁸Fe, но на ⁵⁸Fe накладывается изобарная интерференция от изотопа ⁵⁸Ni. В тоже время существуют другие интерференции, такие как ⁴⁰Ar¹⁴N+ или ⁴⁰Ar¹⁶O¹H⁺, что оставляет лучший альтернативный выбор за ⁵⁷Fe. Однако, его природная распространенность всего 2.2% и предел обнаружения для данного элемента по этому изотопу при использовании прибора низкого разрешения очень плох. При этом, разрешение менее чем 2500 достаточно для того, чтобы отделить спектральные интерференции от анализируемого изотопа на массе m/z 56.

Еще более проблематичным является анализ ⁷⁵As в том случае, когда хлор присутствует в анализируемом образце. Мышьяк является моноизотопным элементом, никакого альтернативного изотопа нельзя выбрать для проведения измерений, а необходимое для отстройки от интерференции разрешение должно быть увеличено до 7800, что реально лежит на верхнем конце шкалы разрешения, показанной в табл.2. Однако, разрешение 3000 оказывается достаточным для того, чтобы освободиться от 90% случаев интерференций, вызванных полиатомными ионами. Коммерческие приборы высокого разрешения имеет максимальное разрешение в диапазоне от 7500 до 12,000, так что от большинства интерференций, приведенных в табл.2. можно освободиться.

Тем не менее, высокое масс-спектральное разрешения не панацея от всех типов спектроскопических интерференций. Большинство изобарных интерференций не может быть разрешено с использованием коммерчески доступных приборов. Например, ⁵⁸Fe, ⁵⁸Ni и некоторые полиатомные соединения с аргоном, оксиды и гидриды требуют разрешения, которое лежит на самом пределе технически осуществимого сегодня или такого, которое вообще не может быть получено.

Таблица 2 - Масс-спектральное разрешение, необходимое для разделения типичных интерференций

Таблица 2 – окончание

1.3 Приборы с  двойной фокусировкой

Высокое масс-спектральное разрешение обычно достигается на приборах с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Эти приборы имеет даже более древнюю традицию в масс-спектрометрии чем квадрупольные, но технически они являются более изощренными и, следовательно, стоят дороже. Сердцем прибора с двойной фокусировкой является магнит. Если ионы, имеющие одинаковую энергию, но различающиеся по массам, входят в магнитное поле перпендикулярно его направлению, они пролетают через это поле круговым траекториям под действием силы Лоренца. Радиусы их траекторий зависят от массы иона, что ведет к дисперсии по массам.

Если пучок ионов проходит через щель с определенным углом, то фокус этого пучка лежит позади магнитного поля. Разделение по массам может быть реализовано путем помещения щели позади магнитного поля в точке фокуса, что приведет к четко определенным радиусам и выбору специфической массы. Уменьшение ширины щели может быть использовано для увеличения масс-спектрального разрешения, но только в том случае, если ионы являются моноэнергетичными, поскольку любое распределение по энергиям будет ухудшать разрешение. С этой точки зрения индуктивно-связанная плазма не является идеальным методом ионизации. Распределение ионов по энергиям является слишком широким для того, чтобы быть приемлемым для работы магнитного масс-спектрометра в режиме высокого разрешения.

Для того, чтобы достичь  высокого разрешения используется дисперсия  энергии электрического поля, в точности компенсирующая дисперсию энергии магнита так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и электростатический анализаторы обладают свойством углового фокусирования и их комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам и по энергиям. По этой причине масс-спектрометры с такими анализаторами называют приборами с двойной фокусировкой.

Возможны различные типы геометрии при комбинировании электрического и магнитного анализаторов. Последовательность магнитного и электростатического анализаторов может быть взаимно-противоположной. Традиционно, электростатический анализатор помещался перед магнитом. Электростатический анализатор с отклонением 90^о комбинировался с магнитным с отклонением 60^о, что широко известно как геометрия Нира-Джонсона. В современных приборах используется так называемая «обратная геометрия» Нира-Джонсона с электростатическим анализатором позади магнитного, что рассматривается более выигрышным, поскольку большой ионный ток из источника сначала понижается магнитным анализатором и только потом выбранные им ионы подвергаются последовательному анализу по энергиям. Эта конфигурация помогает улучшать изотопическую чувствительность и снижать шумы.

При обычной геометрии  анализаторов условия двойной фокусировки  достигаются только в одной точке, там, где помещена выходная щель. Разработаны некоторые специальные конфигурации, в которых гарантируется двойная фокусировка во всей плоскости. Такие конфигурации используются для одновременного определения ионов на фотопластинках или в многоколлекторных приборах. Конфигурация с несколькими коллекторами Фарадея особенно выигрышна для высокопрецизионного анализа изотопных отношений, поскольку все изотопы элемента могут быть измерены одновременно. Следовательно, точность измерения не лимитируется флуктуациями в источнике, зависящими от времени. Точные изотопные измерения на приборах с двойной фокусировкой имеют ряд важнейших приложений, например, для датирования геологических образцов или измерений изотопного состава на ядерных станциях и т.д.

Схема масс-спектрометра высокого разрешения с ионизацией в индуктивно-связанной  плазме показана на рис. 1. Источник ионов, интерфейс для их отбора, система линз ионной оптики необходимы в этом приборе так же как и в стандартном квадрупольном приборе низкого разрешения. Основное отличие лежит в необходимости применения ускоряющего напряжения до 8000 В. специальная система линз формирует пучок ионов и фокусирует его в масс-анализатор.

Результирующая искривленная геометрия прибора с двойной  фокусировкой обеспечивает ряд преимуществ  по сравнению с прямой геометрией квадруполей, поскольку гарантирует высокую трансмиссию и низкий уровень шумов. В случае квадрупольных масс-спектрометров приходится применять системы линз для введения потенциала смещения и устройства для остановки фотонов, что неизбежно приводит к потерям ионов при трансмиссии. По этой причине максимальные чувствительности, достижимые на приборах низкого разрешения составляют 10⁹ отсчетов в секунду на 1 мкг/мл, а шум 0.1 отсчетов в секунду. Понижение шумов и улучшение чувствительности может улучшить величины пределов обнаружения на порядки, даже тогда, когда прибор работает в режиме низкого разрешения.

Следует упомянуть о некоторых  особенностях приборов с двойной  фокусировкой. Прежде всего, форма пиков выглядит иначе. Квадруполи работают с постоянной шириной пиков и, следовательно, с линейным возрастанием разрешения по диапазону масс. В приборах с двойной фокусировкой для постоянного разрешения должна поддерживаться постоянная величина фиксированной щели и, следовательно, абсолютная ширина пика возрастает с ростом массы. При нормальных установках разрешения пики имеют трапецеидальную форму с узкой плоской вершиной на низких массах и более широкой на высоких. Скорость сканирования, с которой масс-спектрометр записывает сигнал, ниже, даже в современных приборах с ламинированными магнитами, поскольку требуется больше времени для достижения условий стабильного магнитного поля. Это лимитирует число изотопов, которые могут быть измерены при исследованиях с применением специальных систем ввода пробы, таких как лазерная абляция.

Естественно, важным достижением  масс-спектрометров с двойной  фокусировкой является высокой масс-спектральное разрешение. Увеличение разрешения ведет к уменьшению ширины пика. Интерферирующие молекулы могут быть отделены от анализируемого изотопа без принесения в жертву чувствительности. Необходимо отметить, что увеличение разрешения от 400 до 4000 ведет к уменьшению чувствительности приблизительно на порядок. Но даже в этом случае, пределы обнаружения лучше чем для квадрупольных масс-спектрометров на порядки по величине.