INSTRUMENTALNE METODE

Tema: Masena spektrometrija

UVOD

• Maseni spektrometar određuje odnos mase prema naelektrisanju ( naboju ) jona m/e.

• Prvi instrumenti konstruisani početkom ovog vijeka nazvani su maseni spektrografi iz razloga što je regostrovanje jona vršeno na fotografskim pločama.

• Kasnije je usavršen električni sistem detekcije jona i naziv instrumenta je modifikovan u masene spektrometre.

• Zajednicki naziv masena spektroskopija obuhvata oba tipa instrumenata I bilo bi ga ispravno upotrebljavati uvijek kada se govori o metodi kao takvoj.

• Međutim, kako je velika većina instrumenata sa električnim sistemom detekcije, izraz masena spektroskopija je skoro potisnut i upotrebljava se izraz masena spektroskopija, bez obzira o kom tipu instrumenta se radi.

• Istorijski posmatrano, prvi početci masene spektrometrije mogli bi se vezati za sam kraj 19 vijeka.

• Zbog ne savršenosti instrumenata i njihove visoke cijene, masena spektrometrija se relativno sporo razvijala u prvoj polovini ovo vijeka.

• Nagli, čak eksplozivni, razvoj nastao je poslije II Svijetskog rata, a naročito od 1960 godine na ovamo.

• Maseni spektrometri postali su sastavni dio mnogih laboratorija, a takođe su našli primjenu u industrijskim postrojenjima za praćenje i kontrolu proizvodnih procesa, naručito u petrohemijskoj industriji.

• Jedna od bitnih karakteristika masene spektroskopije jeste izvanredna osjetljivost, najčešće je za analizu dovoljan uzorak reda veličine 10-3 grama.

PRINCIP RADA I GLAVNI DIJELOVI MASENOG SPEKTROMETRA

• Osnovna funkcija masenog spektrometra sastoji se u obrazovanju pozitivno naelektrisanih gasovitih jona iz uzorka, njihovom razdvajanju prema masi (m/e odnosu ) i registrovanju vrsta i količine prisutnih jona.

• Za ostvarivanje ovakve funkcije koriste se sljedeći glavni dijelovi:

• sistem za unošenje uzoraka, • jonski izvor( često nazvan jonskom

komorom ),• magnetni analizator, • detektor i • pisač.

Ulaz

Jonizacija

Mas. analizator

Razvrstavnje masa (filtriranje)

Detektorjona

Detekcija

Jonski izvor

• čvrsti uzorci• tečnosti• Pare

Razvrstavanje jona po masi (m/z)

1330 1340 1350

100

75

50

25

0

Maseni spektar

• U sistemu za unosenje uzoraka vrsi se isparavanje uzorka kako bi se svi prisutni molekuli preveli u gasovito stanje.

• Gasoviti molekuli izlazu se elektronskom bombardovanju u jonskom izvoru I kao rezultat stvaraju se jednostruko ili visestruko naelektrisani pozitivni joni.

• U magnetnom analizatoru ovi joni se razdvajaju pod dejstvom promjenjivog magnetnog polja.

Sistem za unošenje uzoraka

• Prvi zadatak ovog sistema da omogući da se uzorak sa atmosferskog pritiska unese u instrument.

• U tom cilju, vakuum se prekida u jednom djelu sistema i uspostavalja atmosferski pritisak, uzorak se unese, a zatim se uključuju rotacione, a potom difuzione pumpe, kojima se ponovo uspostavlja vakuum.

• Uzorak za analizu može biti u čvrstom, tečnom ili gasovitom stanju; osnovni je uslov da bude dovoljno isparljiv kako bi se mogao prevesti u gasovitu fazu.

• Za veliki broj jedinjenja ovo ne predstavlja problem jer je tačka uključenja znatno snižena u uslovima visokog vakuuma, tako da se isparavanje vrši često čak i na sobnoj temperaturi.

• Ispareni uzorak uvodi se u rezrvoar, obično zapremine 1-2 litra, koji je pregradom od sinterovanog stakla povezan sa jonskom komorom.

• U slučaju veoma teško isparljivih supstanci, sistem za unošenje uzorka se može mimoići i uzorak ubacivati direktno u jonsku komoru pomoću tzv.direktne probe.

Jonski izvor

• Jonski izvor sastoji se iz komore na čijoj jednoj strain se nalazi usijano volframovo vlakno - katoda, a na suprotnoj, pozitivno naelektrisana ploča – anoda.

• Usijana katoda emituje elektrone koji bivaju privučeni od strane anode.

Visoki napon (~4 kV)

ulaz uzorka (niži napon)

Naelektrisane čestice

++

+++

+

++

+ +++

++

+ +++ +

++

+++

+++

++++

+

++

+

+

+

+++

+++

+++

MH+

MH3+

MH2+

Pritisak = 1 barPrečnik unutraš. cijevi. = 100 μm

Uzorak u rastvoru

N2

N2 gas

Djelimičvakuum

• U zavisnosti od naponske razlike između katode i anode, određena energija ovih elektrona; najčešće se u masenoj spektrometriji koriste elektroni energije 50-70 elektron – volti (eV).

• Na svom putu od katode ka anodi elektroni se sudaraju sa molekulima uzorka.

Magnetni analizator

• Skup jona obrazovanih u jonskom izvoru i ubrzanih dejstvom visokog napona nazivamo jonskim zrakom.

• Ulaskom u magnetni analizator koji se sastoji od elektromagneta čije je polje uspravno na pravac kretanja jonskog zraka, dolazi do povijanja putanje jonskog zraka.

• Svaki individualni jon opisuje lučnu putanju radiusa R, pa ako jačinu magnetnog polja označimo sa H, onda važi sljedeća jednakost: Hev=mv2/R.

• Izraz na lijevoj strani predstavlja centipentalnu silu, a na desnoj centrifugalnu silu; uravnoteženjem ovih dviju sila karakterisana je putanja jona kroz magnetni analizator.

Detektor

• Pošto je jedna jonska vrsta (masa) razdvojena od druge, potrebno je njeno prisustvo količinu registrovati, zašta se koristi detector.

• Pozitivni jon m+ sa visokim sadržajem energije udara o metalnu površinu katode C i prouzrokuje emitopvanje izvjesnog broja sekundarnih elektrona.

• Između katode I sljedeće katode D1 postoji naponska razlika pod dejstvom koje emiovani elektroni bivaju ubrzani i udaraju o površinu dinode.

• Process izbijanja novih elektrona se tako nastavlja kroz cijeli niz dinoda kojih može biti desetak i više.

Pisač

• Pisač služi da se na vizuelan i trajan način registruje električne signale detektora.

• Svaki primljeni električni implus sa detektora ubilježava se na papirnoj traci pisača u formi pika.

• Tako svakoj jonskoj vrsti odgovara po jedan pik, a skup svih ovih pikova sačinjava maseni spektar uzorka.

• Prednosti ovog tipa pisača leže u njegovoj jednostavnosti, pristupačnoj cjeni, kao činjenici da je trag koji pero ucrta trajne prirode.

• S druge strane, mehanički pisači imaju I niz nadostataka: ne mogu se registrovati istovremeno najmanji I najveći pikovi s obzirom da je skala ograničena širinom papirne trake na kojoj se ucrtavanj vrši.

• Galvanometarski pisači koji se često nazivaju I elektromagnetni oscilografima, znatno su složeniji i savršeniji.

• Jedan od važnih prednosti u galvanometarskih pisača jeste brzina sa kojom spektar može biti snimljen; najčešće je dovoljno nekoliko sekundi.

VRSTE JONA U MASENIM SPEKTRIMA

• Površnim posmatranjem jednog masenog spektra uočava se znatam broj pikova, za koje je već napomenuto da svaki odgovara različitoj jonskoj vrsti.

• Ova brojnost pikova rezultat je velikog viška unutrašnje energije koji se prilikom jonizacije saopštava molekulima uzorka I kao posljedica čega dolazi do fragmentacije, preuređenja jona, ili sličnih pojava.

• Vrste jona:

• Molekulski jon• Fragmentni joni• Preuredjeni joni• Metastabilni joni• Visestruko naelektrisani joni

Molekulski jon

• Njavažnija jonska vrsta u svakom masenom spektru jeste molekulski jon koji nastaje kada se molekulu uzorka ukloni jedan elektron.

• Obični se molekulski jos označava sa m+.

• Molekulski jon je najteži jon u masenom spektru ( ima najveću masu ) i često je izrazit i lako uočljiv na samom kraju masenog spektra.

Fragmentni joni

• Fragmentni joni nastaju u jonskom izvori kao rezultat kidanja veza u molekulskom jonu.

• Fragmentni jon dobijen na ovaj način može se I sam dalje raspasti na manje dijelove, pod uslovom da sadrži dovoljna višak unutrašnje energije, drugim riječima, da je i sam još uvijek u pobuđenom stanju.

• U nizu srodnih fregmentnih jona koji mogu biti obrazovani iz istog matičnih jona, veoma često je najstabilniji onaj sa najvećom masom.

• Fregmentni joni, paralelno sa molekulskim jonom, čine ključ za identifikaciju uzorka iz njegovog masenog spektra.

Preuređeni jon

• Preuređeni joni predstavljaju poseban slučaj fregmentnih jona.

• U masenim spektrima se sreću i joni čije prisustvo nije moguće objasniti prostim kidanjem hemijske veze; to su tzv. preuređeni joni, koji nastaju premještanjem jednog jona ili grupe atoma iz jednog položaja u matičnom jonu u drugi.

Metastabilni joni

• Jone m1+ koji na svom putu od jonskog izvora

ka detektoru dožive fregmentaciju nazivamo metastabilnim jonima.

• Dok stabilini joni daju pikove isključivo na cijelim masenim brojevima jer masa jona ne može biti decimalan broj, dotle metastabilni procesi daju, po pravilu, pikove na decimalnim masenim brojevim.

• Metastabilni joni od posebnog su značaja za tumačenje masenih spektara.

• Metastabilni pik povezuje matični I fregmentni jon, on nam govori o putevima fregmentacije, ukazuje na to šta je od čega nastalo.

Višestruko naelektrisani joni

• Višestruko naelektrisani joni najčešće se javljaju kod jedinjenja čiji su potencijali jonizacije najniži.

• Ovo u prvom redu važi za aromatična jedinjenja čiji je π – elektrone najlakše je izbiti, a takođe i za one klase organskih jedinjenja koje sadrže hetero atome kao što su N, O, S i sl., pošto ovi atomi imaju slobodne elektronske parove Iz kojih je eliminacija eletrona olakšana.

INTERPRETACIJA MASENOG SPEKTRA

• Maseni spektar ucrtava se na pisaču u vidu serije pikova u dvodimenzionalnog koordinatnom sistemu.

• Položaj pika na apscisnoj osi predstavlja masu jona, tačnije njegov odnos m/e.

• Ordinata, odnosno visina pika, predstavlja relativni intenzitet odgovarajuće jonske vrste.

• Znači, osnovna informacija koju dobijamo iz masenog spectra jeste odgovor na pitanje: koji su joni prisutni i u kojoj relativnoj koncentraciji.

Odbrojavanje pikova i prikazivanje spectra

• Pojedini maseni spektrometri opremljeni su tzv. obilježivačima mase.

• to su uređaji koji precizno mjere jačinu magnetnog polja i prema njoj određuje masu i ona koja je trenutno fokusirana na detektoru.

• Paralelno sa snimanjem masenog spectra vrši se I ubilježavanje masene skale na papirnoj traci pisačem, tako da na rezultirajućem spektru odmah možemo pročitati koji pik odgovara kojoj jonskoj masi.

• Najintenzivniji pik u masenom spektru naziva se osnovnim pikom.

• To često moze biti sam molekulski jon M+, ali, u zavisnosti od prirode jedinjenja, osnovni pik može biti od fragmentnih jona.

• Prikazivanje masenih spektara u literature najčešće se vrši na tri načina: fotografskom reprodukcijom spectra dobijenog na pisaču, grafički i tabelarno.

• Grafički prikaz I tabelarni prikaz znatno su pogodniji.

• Tabelarni prikaz se dobija na taj način što se intenzitet najvećeg pika u spektru, znači osnovnog pika, arbitarno uzima kao 100, a intenzitet svih ostalih pikova iskazuje se relativno prema njemu.

• Prednost tabelarnog načina jeste što za svaki pik imamo tačnu vrijednost njegovog relativnog intenziteta i što se istovremeno mogu prikazati I najmanji I najveći pikovi u spektru.

• Pikovi bliži molekulskom jonu od izuzetne su važnosti jer su obično karakteristični za dato jedinjenje I mogu prestavljati ključ za njegovu identifikaciju.

Fregmentacija

• Ako se ima u vidu ogroman višak energije koji se procesom jonizacije saopštava molekulu uzorka, onda bi njegovu fragmentaciju ispravnije bilo nazvati eksplozijom nego li raspadanjem.

• Ako su dva masena spectra identična, onda možemo biti sigurni da se u oba slučaja radi o istom jedinjenju( uz napomenu da se u nekim slučajevmia izomere teško razlikovati).

• Ovo nam govori da fragmentacija molekula nije haotičan process, već naprotiv da se odvija na sasvim određen, reproduktivan način.

• Ova pravila fragmentacije su emprijska i brojna i svaka klasa jedinjenja pokazuje u tom pogledu poneku osobenost.

PRIMJENA MASENE SPEKTROMETRIJE U ANALITICKOJ HEMIJI

• Maseni spektar jednog potpuno nepoznatog jedinjenja pruža nam više podataka u tom jedinjenju nego bilo koja druga pojedinačna analitička metoda.

• U osnovi, iz masenog spectra možemo dobiti tri vrste informacija:

- Koji joni su prisutni u uzorku ( uključujući tu i najvažniji – molekulski jon);

- U kojem međusobnom odnosu se nalaze koncentracije tih jona;

- Na koji način su nastali pojedini joni ( što saznajemo proučavanjem metastabilnih jona)

• Sve ove tri vrste informacija od bitnog su značaja za postizanje krajnjeg cilja: određivanje structure nepoznatog organskog jedinjenja.

• Zbog svoje izvanredne osjetljivosti masena spektrometrija je nezamjenjivakada se u pitanju veoma male količine uzorka ili pak kada se radi o sastojcima koji su u datom materijalu prisutni samo u tragovima.

• Metoda je brza, snimanje jednog masenog spectra obično traje nekoliko sekundi.

• Tačnost u određivanju mase je apsolutna I ne zavisi ni od kakvih kalibracionih krivih ili standardizacionih postupaka, jedino je potrebno definisati masenu skalu.

• Ako se za neki jon utvrdi da ima masu 102, na primjer onda to ne može biti masa 101, ni masa 103, već samo masa 102.

• Masena spektrometrija se primjenjuje jos kod:

• Izotopskih odredjivanja • Gasne analize• Analize neorganskih jedinjenja

Izotopska određivanja

• Činjenica je da je maseni spektrometar u svojoj osnovi za precizno određivanje mase čini ga upravo idealnom sredstvom za razlicita izotopska određivanja mase čini ga upravo idealnim sredstvom za različita iotopska određivanja.

• Izotopska proučavanja imaju veoma važnu primjenu kod određivanja structure organskih jedinjenja time što mogu da se razjasne fragmentacije.

Gasna analiza

• Maseni spektrometar je idealan instrument za identifikaciju gasova; već i najmanja količina nekog nepoznatog gasa dat će spektar koji će ukazivati na njegov identitet.

• Primjenljivost masene spektrometrije za gasne analize imala je snaznog odraza na njenu afirmaciju, naručito u industrijskoj primjeni, jer klasične metode nisu zadovoljavale.

Analiza neorganskih jedinjenja

• Postoje specijalni instrumenti I posebne tehnike jonizacije kada je rijec o analizi neorganskih jedinjenja.

• Najcesce se primjenjuju jonski izvori sa varnicenjem, pri cemu se koristi naponska razlika od oko 50 000 volti.

• Pod ovim uslovima dolazi do potpunog raspadanja uzorka, on otparava i jonizuje se u atomskom obliku, pa maseni spektar u takvim slucajevima odrazava individualne elemente od kojih se uzorak sastoji