Хромато-масс-спектрометрия и ее использование в идентификации загрязнителей природных сред

3

Хромато - масс - спектрометрия и ее использование в идентификации загрязнителей природных сред

Содержание

Введение

1. Теоретические основы метода масс-спектрометрии

1.1 Сочетание масс-спектрометрии с другими методами

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

1.3 Приборы с двойной фокусировкой

2. Хромато - масс - спектрометрия

3. Использование хромато - масс - спектрометрии в идентификации загрязнителей природных сред

4. Современное аппаратурное оформление

Литература

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:

системы введения вещества в прибор;

источника ионов, предназначенного для получения ионов из анализируемых веществ;

3) масс-анализатора, предназначенного для разделения ионов² 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. 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 1, где происходит ионизация. В источнике ионов в условиях глубокого вакуума (10-5-10-9 мм рт. ст.) электроны, эмитируемые раскаленным катодом 2, 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 ионизации3 (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 4, 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 7 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]

Применение масс - спектрометрии

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

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.

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 каечтве 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 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 (рис. 1). 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 истиный 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 таблице 1. 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 коце шкалы разрешения, показанной в таблице 1. 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 таблице 1 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.

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 вобору 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 энергием 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 90о комбинировался с магнитным с отклонением 60о, 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 геометрии анализаторов условия двойной фокусировки достигаются только в одной точке, там где помещена выходная щель. Разработаны некоторые специальные конфигурации, в которых гарантируется двойная фркусировка в во всей плоскости. Такие конфигурации используются для одновременного определения ионов на фотопластинах или в многоколлекторных приборах. Конфигурация с несколькими коллекторами Фарадея особенно выигрышна для высокопрецезионного 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 трапециидальную 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.

Применения

Доступность ИСП приборов с двойной фокусировкой не только упростила проведение исследований, требующих более высокой разделительной способности и чувствительности, но и вызвало использование новых применений. Наиболее существенные достижения это освобождение от ряда спектральных интерференций, улучшение пределов обнаружения и возможность проводить довольно точные изотопные измерения. В таблице 2 приводятся выборка некоторых применений в биологии, геологии, исследовании объектов окружающей среды, сверхчистых материалов и долгоживущих радиоизотопов.

Измерение изотопных отношений с помощью квадрупольных масс-спектрометров с индуктивно-связанной плазмой обычно характеризуется точностью 0.1 - 1% (Среднеквадратичная ошибка по 10 измерениям) для элементов, присутствующих в образце в достаточно высоких концентрациях. ИСП масс-спектрометры с двойной фокусировкой точность измерения изотопных отношений может быть улучшена до 0,05 - 0,2%. При использовании вместо одноколлекторной системы детектирования многоколлекторной, точность может быть значительно улучшена до уровня, сравнимого с термо-ионизационной масс-спектрометрией.

Великолепные характеристики ИСП масс-спектрометров с двойной фокусировкой были продемонстрированы в целом ряде работ. Например, измерение изотопного состава свинца при концентрации 426 ppm в стандртном стекле NIST 610 при шести независимых измерениях, выполнявшихся в течение шести дней. Каждое измерение базировалось на 12 точках абляции, каждая абляция занимала 5 секунд, во время которых 40 лазерных импульсов выжигали кратер 40 мкм диаметром и 60-80 мкм глубиной. Результаты находятся в хорошем согласии с данными, полученными термоионизационной масс-спектрометрией на том же материале. Учитывая простоту использования лазерной абляции в сочетании с ИСП/МС и малое время подготовки пробы по сравнению с необходимым в термоионизационной масс-спектрометрии, преимущества этого метода очевидны.

При анализе плазмы человеческой крови в дополнение к полиатомным интерференциям, о которых говорилось ранее, возникает еще множество молекулярных ионов, базирующихся на соединениях и элементах в больших концентрациях присутствующих в образце, таких как углерод, натрий, сера, фосфор, хлор и калий. В таблице 3 приведены некоторые из этих интерференций. При использовании адекватной подготовки пробы и методов калибровки многие, но далеко не все, интерференции могут быть либо обойдены, либо скорректированы.

При разрешении 3000 или более большинство элементов могут быть измерены совершенно свободно без спектрального перекрывания с интерферирующими сигналами. Рисунок 2 показывает фрагмент масс-спектра около массы 28 а.е.м. при снятии образца пятикратно разбавленной человеческой плазмы. Огромный пик СО+ четко отделен от анализируемого 28Si+, благодаря чему можно точно определить концентрацию кремния.

Применение ИСП/МС высокого разрешения увеличивает число элементов, которые могут быть надежно и достоверно измерены, что демонстрируется данными в таблице 3 для анализа стандартного материала второго поколения - плазмы крови. Использование ИСП/МС высокого разрешения помогает снизить расходы и уменьшить усилия, предпринимаемые для сертификации стандартных материалов. В противном случае, требуется проводить чрезвычайно сложные и трудоемкие операции с использованием комплиментарных спектроскопических методик или нейтронно-активационного анализа. При комбинировании с методом изотопного разбавления ИСП/МС высокого разрешения может дать столь высокие точности характеризации эталонных стандартных образцов, которые недоступны никаким другим аналитическим методам и их комбинациям.

Шапка антарктического льда рассматривается как один из лучших архивных и детально сохраненных источников информации об изменениях химического состава атмосферы и, следовательно, может дать черейзвычайно ценные сведения для исследований, связанных с окружающей средой. Однако, измерение сверхследовых концентраций в льде и снеге оказалось предельно трудной задачей. Используемые для этих целей аналитические методы должны иметь очень низкие пределы обнаружения, не использовать концентрирования, характеризоваться очень малым расходом образца и давать возможность проводить многоэлементный анализ

ИСП масс-спектрометрия с двойной фокусировкой отвечает всем этим требованиям и была использована для определения элементного состава на сверхследовом уровне в образцах антарктического льда. На рис. 3 показаны концентрации кадмия, свинца и урана в снеге, взятом на глубине 10 м от поверхности. Этот слой представляет собой отложения 1968 года. Поскольку при столь низких концентрациях очень трудно избежать внесения загрязнений, образцы цилиндрической формы подразделялись на концентрические зоны. Рисунок 3 показывает существенное загрязнение внешнего кольца, главным образом, за счет пробоотборного устройства. Хотя очевидно, что внешнее загрязнение мигрировало в толщу в сторону центра цилиндра, оно не достигло центральной зоны.

Точное многоэлементное определение концентраций на уровнях фемтограмм на грамм являлось беспрецендентным до появления ИСП масс-спектрометров высокого разрешения второго поколения. Простота и высокая эффективность анализа на ИСП масс-спектрометре с двойной фокусировкой открывает новые возможности реконструирования истории депозитов взвешенных воздушных частиц в Антарктике, давая импульс исследованиям в области экологии и процессов транспорта в атмосфере, что чрезвычайно важно для климатических исследований. [9-16]

2. Хромато-масс-спектрометрия

Хромато-масс-спектрометрия - метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществв объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов - хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго - идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Известны 2 варианта хромато-масс-спектрометрия, представляющие собой комбинацию масс-спектрометрии либо с газо-жидкостной хроматографией (ГЖХ), либо с высокоэффективной жидкостной хроматографией.

Первые исследования аналитических возможностей хромато-масс-спектрометрии были проведены в 1950-х гг., первые промышленные приборы, объединяющие газо-жидкостной хроматограф и
масс-спектрометр, появились в 60-х гг. Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10^-5 - 10^-6 Па), тогда как давление в хроматографической колонке 10⁵ Па. Для понижения давления используют сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим - с ионным источником масс-спектрометра. Мол. сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основная часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.
Принцип действия сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану. В промышленности чаще всего применяют эжекторные сепараторы, работающие по первому принципу. Одностадийные сепараторы этого типа содержат две форсунки с отверстиями небольшого диаметра, которые установлены точно напротив друг друга. В объеме между форсунками создается давление 1,33 Па. Газовый поток из хроматографической колонки через первую форсунку со сверхзвуковой скоростью попадает в область вакуума, где молекулы распространяются со скоростями, обратно пропорциональными их массе. В результате более легкие и быстрые молекулы газа-носителя откачиваются насосом, а более медленные молекулы органического веществава попадают в отверстие второй форсунки, а затем в ионный источник масс-спектрометра. Некоторые приборы снабжены двухстадийным сепаратором, снабженным еще одним подобным блоком форсунок. В объеме между ними создается высокий вакуум. Чем легче молекулы газа-носителя, тем эффективнее они удаляются из газового потока и тем выше обогащение органическим веществом.

Наиболее удобный для хромато-масс-спектрометрии газ-носитель - гелий. Эффективность работы сепаратора, т.е. отношение кол-ва органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его количеству, поступающему в масс-спектрометр, в значительной степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20-30 мл/мин удаляется до 9 (3% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого вещества. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматографической колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнительное количество газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в сепаратор, достигла 20-30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.

В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографические колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого вещества.

Анализируемое вещество (обычно в растворе) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в сепаратор. В сепараторе газ-носитель в основном удаляется и обогащенный органическим веществом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально количеству поступающего вещества. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Таким образом, масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества.

Важное условие работы прибора - быстрая запись масс-спектра, который должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографического пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость регистрации масс-спектра (скорость сканирования) определяется масс-анализатором. Наименьшее время сканирования полного масс-спектра (несколько миллисекунд) обеспечивает квадрупольный анализатор. В современных масс-спектрометрах, снабженных ЭВМ, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количественные характеристики которых накапливаются в памяти ЭВМ. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Так как эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации вещества в ионном источнике, то ее используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс - время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.

Как описано выше, могут быть проанализированы смеси веществ, достаточно хорошо разделяемые на подходящих колонках хромато-масс-спектрометрии. Иногда удается исследовать и неразрешенные хроматографические пики. Исследуемые вещества должны быть термически стабильны, хроматографически подвижны в интервале рабочей температуры колонки, легко переводиться в паровую фазу при температуре испарителя. Если вещества не удовлетворяют этим требованиям, их можно химически модифицировать, например силилированием, алкилированием или ацилированием гидрокси-, карбокси-, меркапто-, аминогрупп.
Чувствительность хромато-масс-спектрометрии (обычно 10^-6-10^-9 г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительна (10^-12-10^-15 г) разновидность хромато-масс-спектрометрии-м - массфрагментография, называемая также селективным ионным или многоионным детектированием. Суть ее состоит в том, что запись хроматограмм осуществляется не по полному ионному току, а по наиболее характерным для данного вещества ионам. Этот вид хромато-масс-спектрометрии используют для поиска, идентификации и количественного анализа вещества с известным масс-спектром в составе сложной смеси, например при количественном определении следов веществ в больших объемах биол. жидкостей (медицина, фармакология, токсикология, допинг-контроль, биохимия). Осуществляют масс-фрагментографию на хромато-масс-спектрометрах с использованием специального устройства - многоионного детектора либо с помощью ЭВМ, которая может строить хроматограммы по одному или нескольким ионам. Такая хроматограмма, в отличие от обычной, содержит пики лишь тех компонентов, в масс-спектрах которых есть такие ионы. Анализ проводят с применением внутреннего стандарта, в качестве которого часто используют аналог искомого вещества, меченный стабильными изотопами (²Н, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸O).

Другой вариант хромато-масс-спектрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом ГЖхромато-масс-спектрометрия Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять растворитель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в несколько мкм, в результате чего образуются капли, которые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть растворителя испаряется, а оставшаяся вместе с веществом попадает в ионный источник и ионизируется химически.

В ряде промышленных приборов реализован принцип ленточного транспортера. Элюат из колонки попадает на движущуюся ленту, которая проходит через обогреваемую ИК излучением камеру, где испаряется растворитель. Затем лента с веществом проходит через область, обогреваемую другим нагревателем, где испаряется анализируемое вещество, после чего оно поступает в ионный источник и ионизируется. Более эффективный способ сочетания высокоэффективного газо-жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150 °С, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в растворе, участвуют в ионоооразовании. Образовавшиеся капли несут положительный, или отрицательный заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрического поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных ионов или кластеров (молекула вещества + катион буфера).

Метод хромато-масс-спектрометрии используют при структурно-аналитических исследованиях в органической химии, нефтехимии, биохимии, медицине, фармакологии, для охраны окружающей среды и др. [16]

3. Использование хромато - масс - спектрометрии в идентификации загрязнителей природных сред

Возможности хромато-масс-спектрометрии по идентификации сточных вод и отходов накопителей промпредприятий были проверены на объектах г. Днепропетровска. С разной степенью вероятности в воде накопителя завода «Днепрпластмасс» идентифицировано 98 индивидуальных органических веществ, в воде накопителя ОАО «Днепрококс» - 71, в воде накопителя ОАО «Лакокрасочный завод» - 29. Перечень найденных веществ специфичен и отражает технологию производства.

Хромато-масс-спектрометрический анализ трех проб дренажных вод, отобранных в тоннеле метрополитена через 100 м, показал, что содержание органических веществ в них существенно различается. В одной пробе идентифицировано с вероятностью более 80% 30 индивидуальных веществ, в другой - одно, в третьей - три, что дало возможность говорить об отсутствии органической составляющей в дренажных водах на определенном участке метрополитена.

Определение летучих органических соединений в водных пробах выполняли методом парофазного статического анализа (headspase) на хромато-масс-спектрометре Agilent 6890/5973N GC-MS SYSTEM. 10 мл пробы помещали во флакон вместимостью 22 мл, содержащий 5 г безводного сульфата натрия, и герметично закрывали. Затем флаконы помещали в каретку парофазного пробоотборника и выполняли пробоподготовку при следующих параметрах: температура термостата пробоотборника 80 єС, температура крана-дозатора - 90 єС, температура интерфейса пробоотборника - газовый хроматограф - 110 єС, время выдержки образца - 20 мин при интенсивном встряхивании, объем дозирования паровой фазы - 1 мл. Газохроматографический анализ выполняли на капиллярной колонке HP-5 в режиме программирования температуры, ввод пробы с делением потока в соотношении 1:80. Диапазон сканирования масс-спектрометрического детектора 45-270 а.е.м.

Анализ химического загрязнения окружающей среды методами хромато-масс-спектрометрии

Гузняева М.Ю., Туров Ю.П.

В последнее время органические вещества признаны определяющими весь ход гидрогеохимических процессов и техногенеза окружающей среды в целом. Основную часть общего органического загрязнения окружающей среды составляют загрязняющие вещества нефтяного происхождения - сырая нефть, разнообразные продукты ее переработки и отходы после неполного их использования. Вследствие шипрокой вариабельности состава нефтей, многочисленности источников поступления органических загрязняющих веществ в окружающую среду аналитическим методом для корректного количественного их определения в компонентах окружающей среды и установления источников загрязнения является хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС).

В докладе приведены результаты ГХ-МС анализов при исследовании состава и поведения органических загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды - природных водах, донных отложениях и почвах юга Западной Сибири на территориях районов с максимальной техногенной нагрузкой. В результате проведенных работ установлено, что на территории работ основным фактором, определяющим распространение органических загрязняющих веществ, является атмосферный перенос. Показана однородность компонентного состава полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в донных осадках бассейна р. Томь, что свидетельствует о дальнем транспорте загрязняющих веществ на взвешенных частицах. Возможности ГХ-МС по определению изомерного состава ПАУ и использование для оценки химического загрязнения природной среды «бензпиренового эквивалента» (В.А. Коптюг, А.Г. Аншиц, А.Р. Суздорф и др., Химия в интересах устойчивого развития, 1997) показали сверхнормативные уровни загрязнения этими токсичными веществами водных объектов на территории Кемеровской и Томской областей.

По результатам ГХ-МС анализов сформирована региональная база данных по органическим примесям, содержащая сведения о более чем 500 химических соединений, идентифицированных методом хромато-масс-спектрометрии в природных водах, почвах, грунтах и донных отложениях.

Анализ воздуха рабочей зоны шпалопропиточных заводов методами ВЭЖХ и хромато-масс спектрометрии

Маковская Т.И._, Кузьменко Л.П, Баженов Б.А., Аброськина З.В._, Дьячкова С.Г.

В настоящее время для пропитки шпал и брусьев на шпалопропиточных заводах нашей страны применяют каменноугольное масло, нефтяной антисептик ЖТК, а также их смеси. При пропитке древесины и хранении готовой продукции происходит загрязнение окружающей среды токсичными и канцерогенными ароматическими углеводородами. Поэтому анализ воздуха рабочей зоны шпалопропиточных заводов (ШПЗ), несомненно, является важной производственной и экологической задачей.