ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ, метод
анализа смесей гл. обр. орг. в-в и определения следовых кол-в в-в в объеме
жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоят. методов - хроматографии
и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение
смеси на компоненты, с помощью второго - идентификацию и определение строения
в-ва, количеств. анализ. Известны 2 варианта хромато-масс-спетрометрии, представляющие собой
комбинацию масс-спектрометрии либо с газо-жидкостной хроматографией (ГЖХ),
либо с высокоэффективной жидкостной хроматографией.
Первые исследования аналит. возможностей
хромато-масс-спетрометрии были проведены в 1950-х гг., первые пром. 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
в-во 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 хроматофафич.
колонке 105 Па. Для понижения давления используют мол. сепаратор,
к-рый одним концом соединен с выходом хроматофафич. колонки, а другим -
с ионным источником масс-спектрометра. Мол. сепаратор удаляет из газового
потока, выходящего из колонки, осн. часть газа-носителя, а орг. в-во пропускает
в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего
давления в масс-спектрометре.
Принцип действия мол. сепараторов основан
либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого в-ва,
либо на их разл. проницаемости через полупроницаемую мембрану. В пром-сти
чаще всего применяют эжекторные сепараторы, работающие по первому принципу.
Одностадийные сепараторы этого типа содержат две форсунки с отверстиями
небольшого диаметра, к-рые установлены точно напротив друг друга. В объеме
между форсунками создается давление 1,33 Па. Газовый поток из хроматофафич.
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 орг. в-ва попадают в отверстие второй
форсунки, а затем в ионный источник масс-спектрометра. Нек-рые приборы
снабжены двухстадийным мол. 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 орг. в-вом.
Наиб. удобный для хромато-масс-спетрометрии газ-носитель
- гелий. Эффективность работы сепаратора, т. е. отношение кол-ва орг. в-ва
в газовом потоке, выходящем из колонки, к его кол-ву, поступающему в масс-спектрометр,
в значит. 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 в-ва. Такой расход
газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной
хроматофафич. колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому
на ее выходе в газовый поток добавляют дополнит, кол-во газа-носителя,
чтобы скорость потока, поступающего в мол. сепаратор, достигла 20-30 мл/мин.
Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность мол. 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. Хроматографич. колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные
стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр
анализируемого в-ва.
Анализируемое в-во (обычно в р-ре) вводится
в испарительхроматографа, 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 мол. сепаратор. В сепараторе газ-носитель в осн. удаляется и обогащенный
орг. в-вом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра,
где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально
кол-ву поступающего в-ва. С помощью установленного в масс-спектрометре
датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы.
Т. обр. масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор
к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке,
обычно на вершине хроматографич. пика, м. б. зарегистрирован масс-спектр,
позволяющий установить строение в-ва.
Важное условие работы прибора - быстрая
запись масс-спектра, к-рый должен регистрироваться за время, гораздо меньшее,
чем время выхода хроматографич. пика. Медленная запись масс-спектра может
исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость регистрации массспектра
(скорость сканирования) определяется масс-анализатором. Наименьшее время
сканирования полного масс-спектра (неск. миллисекунд) обеспечивает квадрупольный
анализатор. В совр. масс-спектрометрах, снабженных ЭВМ, построение хроматограмм
и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки
времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры,
количеств. характеристики к-рых накапливаются в памяти ЭВМ. Для каждого
сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов.
Т. к. эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации
в-ва 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, м. б. проанализированы
смеси в-в, достаточно хорошо разделяемые на подходящих колонках. Иногда
удается исследовать и неразрешенные хроматографич. пики. Исследуемые в-ва
должны быть термически стабильны, хроматографически подвижны в интервале
рабочих т-р колонки, легко переводиться в паровую фазу при т-ре испарителя.
Если в-ва не удовлетворяют этим требованиям, их можно химически модифицировать,
напр. силилированием, алкилированием или ацилированием гидрокси-, карбокси-,
меркапто-, аминогрупп.
Чувствительность хромато-масс-спетрометрии (обычно 10-6-10-9
г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительна
(10-12-10-15 г) разновидность хромато-масс-спетрометрии - массфрагментография,
наз. также селективным ионным или многоионным детектированием. Суть ее
состоит в том, что запись хроматограмм осуществляется не по полному ионному
току, а по наиб. характерным для данного в-ва ионам. Этот вид хромато-масс-спетрометрии
используют для поиска, идентификации и количеств. анализа в-ва с известным
масс-спектром в составе сложной смеси, напр. при количеств. определении
следов в-в в больших объемах биол. жидкостей (медицина, фармакология, токсикология,
допинг-контроль, биохимия). Осуществляют масс-фрагментографию на хромато-масс-спектрометрах
с использованием спец. устройства - многоионного детектора либо с помощью
ЭВМ, к-рая может строить хроматограммы по одному или неск. ионам. Такая
хроматограмма, в отличие от обычной, содержит пики лишь тех компонентов,
в масс-спектрах к-рых есть такие ионы. Анализ проводят с применением внутр.
стандарта, в качестве к-рого часто используют аналог искомого в-ва, меченный
стабильными изотопами (2Н, 13С, 15N,
18O).
Другой вариант хромато-масс-спетрометрии заключается в
сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.
Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных в-в, не поддающихся
анализу методом ГЖХ. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра
необходимо удалять р-ритель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5
мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в неск.
мкм, в результате чего образуются капли, к-рые далее попадают в обогреваемую
зону, где большая часть р-рителя испаряется, а оставшаяся вместе с в-вом
попадает в ионный источник и ионизируется химически.
В ряде пром. приборов реализован принцип
ленточного транспортера. Элюат из колонки попадает на движущуюся ленту,
к-рая проходит через обогреваемую ИК излучением камеру, где испаряется
р-ритель. Затем лента с в-вом проходит через область, обогреваемую др.
нагревателем, где испаряется анализируемое в-во, 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 р-ре, участвуют в ионоооразовании. Образовавшиеся капли несут положит,
или отрицат. заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий
градиент электрич. поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает.
При этом происходит десорбция из капель протонированных мол. ионов или
кластеров (молекула в-ва + катион буфера).
Метод хромато-масс-спетрометрии используют при структурно-аналит.
исследованиях в орг. химии, нефтехимии, биохимии, медицине, фармакологии,
для охраны окружающей среды и др.
Лит.: Хмельницкий Р. А., Бродский
Е. С, Хромато-масс-спектрометрия, М., 1984; Заикин В. Г, Микая А.И., Химические
методы в масс-спектрометрииорганических соединений, М., 1987; Карасек
Ф., Клемент Р., Введение в хромато-масс-спектрометрию, пер. с англ., М.,
1993.