Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия (МС) — аналитический метод, основанный на измерении массы ионов и их относительного содержания в газовой фазе. Основная задача метода — определение молекулярной массы, структурного строения и изотопного состава органических соединений.

Процесс масс-спектрометрического анализа включает три ключевых стадии:

  1. Ионизация молекул: органические вещества преобразуются в ионы. Для органических соединений широко применяются методы электронной (EI), химической (CI) и электроспрей (ESI) ионизации.

    • Электронная ионизация (EI) характеризуется жестким воздействием электронного пучка на молекулы, что приводит к обширной фрагментации. Используется для низкомолекулярных соединений.
    • Химическая ионизация (CI) мягче, сопровождается переносом протона или иона, что позволяет фиксировать молекулы без разрушения основной структуры.
    • Электроспрей (ESI) применяется для полярных и биологических молекул высокой молекулярной массы.

  2. Масс-анализ: ионы сортируются по отношению массы к заряду (m/z). В качестве масс-анализаторов используются:

    • Магнитные и электрические поля (магнитные секторные спектрометры) — обеспечивают высокое разрешение.
    • Время пролета (TOF) — измеряет скорость движения ионов через поле без столкновений, подходит для быстрого анализа.
    • Ионная ловушка и квадрупольные фильтры — позволяют избирательно удерживать ионы определенной m/z, что важно для мультиступенчатых экспериментов (MS/MS).

  3. Детекция и интерпретация: детекторы регистрируют количество ионов с определённой m/z, формируя масс-спектр. Основные параметры: интенсивность пиков (отражает количество ионов) и их положение (m/z).

Особенности масс-спектров органических соединений

Масс-спектр органического соединения состоит из молекулярного и фрагментного пиков.

  • Молекулярный пик (M⁺) соответствует молекуле в виде катиона. Его точное положение позволяет определить молекулярную массу вещества. Для соединений с галогенами характерны особенности изотопного распределения (например, хлор и бром дают характерные M+2 пики).
  • Фрагментные пики возникают вследствие распада молекулы на более мелкие ионы. Правильная интерпретация этих фрагментов позволяет выявить структурные элементы молекулы. Например, для алканов типична потеря радикала H, для спиртов — потеря воды (18 Da), для кетонов — α-расщепление.

Интенсивность пиков отражает стабильность ионов. Более устойчивые катионы дают более высокие пики, менее устойчивые могут проявляться слабо или отсутствовать.

Масс-спектрометрический анализ функциональных групп

Масс-спектрометрия позволяет выявлять функциональные группы по характерным фрагментациям:

  • Алканы и циклоалканы — цепная или циклическая фрагментация с потерей метильной группы (CH₃, 15 Da) или этильной (C₂H₅, 29 Da).
  • Спирты — потеря молекулы воды, образование акцепторных ионов через α-расщепление.
  • Кетоны и альдегиды — α-расщепление, McLafferty-перенос водорода, характерные для карбонильных соединений.
  • Эфиры — расщепление по связи C–O, образование R⁺ и R’O⁺ ионов.
  • Ароматические соединения — устойчивые бензильные и фенильные катионы, потеря заместителей, характерные для изотопных распределений.

Методы повышения точности и разрешения

Для структурного анализа органических соединений применяются сочетания масс-спектрометрии с другими методами:

  • GC-MS (газовая хроматография — масс-спектрометрия) — обеспечивает разделение сложных смесей перед анализом.
  • LC-MS (жидкостная хроматография — масс-спектрометрия) — используется для полярных и термолабильных соединений.
  • MS/MS (тандемная масс-спектрометрия) — последовательная фрагментация выбранных ионов, позволяет реконструировать сложные структуры и идентифицировать изомерные соединения.

Изотопный анализ

Масс-спектрометрия позволяет определять содержание стабильных изотопов (¹³C, ²H, ¹⁵N, ³⁷Cl) и использовать их для изучения происхождения соединений, кинетических эффектов и биохимических процессов. Изотопные пики обладают характерными отношениями интенсивностей, что позволяет точно определить элементный состав.

Практическое значение

Масс-спектрометрия является ключевым методом органического анализа благодаря:

  • высокой чувствительности (пределы обнаружения до пикограмм),
  • возможности точного определения молекулярной массы,
  • способности выявлять структурные особенности, функциональные группы и изотопное распределение,
  • применимости к сложным смесям и биомолекулам.

Применение охватывает органический синтез, фармацевтику, биохимию, экологический мониторинг и криминалистику, где важна идентификация и количественный анализ органических веществ.

Масс-спектрометрия интегрирована в современные аналитические лаборатории как основной инструмент подтверждения структуры и чистоты органических соединений, обеспечивая точность и глубину анализа, недоступную большинству других методов.

Оглавление