» » Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

06.08.2016

Исследования в области масс-спектрометрии были начаты известным физиком Джоном Томсоном в 1908 г., а уже через десять лет развитие этого метода достигло такого уровня, что с его помощью были открыты два изотопа неона с массами 20 и 22. Это привело к полному пересмотру концепций химических атомных масс и создало основу для возникновения новой, атомной эры. В 1940 г, американский физик Альфред Нир с помощью масс-спектрометрии впервые выделил уран-235. «Двери» для создания ядерного оружия были открыты настежь... Для анализа низко кипящих нефтяных фракций масс-спектрометрия впервые была использована в 1940 г., а уже в 1959 г., после разработки масс-спектрометров высокого разрешения, удалось использовать масс-спектрометрию для исследований средних и тяжелых нефтяных фракций. В чем же суть этого метода? Масс-спектрометрию можно рассматривать как совокупность двух различных процессов: ионизации (превращения нейтрального атома или молекулы в заряженную частицу) и разделения ионов по отношению их массы к заряду (m/z).
На рис. 6.7 приведена принципиальная схема масс-спектрометра, заимствованная нами из методического руководства В.Ж. Мадирбаева и О.И. Мешкова.
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

На рис. 6.7 показаны основные элементы масс-спектрометра: источник ионов, масс-анализатор и приемник ионов. Особое значение в приборе имеет вакуумная система с устройством для подготовки и ввода исследуемого вещества и электронные блоки. Принцип действия прибора очень простой. Прежде чем получить масс-спектр, необходимо перевести нейтральные молекулы и атомы исследуемого вещества, в заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Как правило, в масс-спектрометрах применяют метод ионизации, основанный на бомбардировке исследуемого образца потоками электронов, которые образуются в результате термоэлектронной эмиссии катода, изготовленного из вольфрамовой проволоки и нагретого до высокой температуры.
В ионном источнике из атомов и молекул исследуемого вещества создаются ионы. В ионном источнике формируется ионный пучок, который поступает в камеру, где разделяется на составляющие, различающиеся по величине отношения массы к заряду (m/z). Из масс-анализатора ионы попадают в приемник и улавливаются коллектором. Далее происходит регистрация ионных токов, которые обрабатываются ЭВМ и сопоставляются с встроенной в нее библиотекой, содержащей тысячи масс-спектральных данных эталонных соединений. Все процессы в ионном источнике, масс-анализаторе и приемнике ионов происходят в условиях высокого вакуума. Это необходимо по ряду причин. Во-первых, вакуум необходим для сохранения катода, который в присутствии воздуха мог бы сгореть. Во-вторых, вакуум нужен для более полного испарения исследуемого образца, так как у многих жидких и твердых органических веществ даже при температуре 200-300 °C при атмосферном давлении незначительное давление пара. Наконец, вакуум необходим для предотвращения протекания ионно-молекулярных реакции, происходящих при столкновении образовавшихся ионов с молекулами атмосферных газов, тормозящих свободный пробег образовавшихся ионов.
В настоящее время при изучении молекулярного состава нефтей широко используются хроматографические методы (о них мы достаточно подробно говорили выше), масс-спектрометрические методы и совмещенные -хромато-масс-спектрометрические методы.
Хроматографический метод позволяет определять индивидуальные углеводороды в низкокипящих фракциях нефтей, а также алканы нормального строения и изостроения в средних нефтяных фракциях.
Во втором случае - определять высокомолекулярные углеводороды, которые невозможно определить хроматографическими методами. Принципиальная совместимость газожидкостной хроматографии и масс-спектрометрии обусловлена тем, что анализируемое вещество в этих приборах находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы и пределы обнаружения веществ достаточно близки. В этом способе масс-спектрометр, по сути, является высокоэффективным детектором газожидкостного (или газового) хроматографа. Первые исследования аналитических возможностей хромато-масс-спектрометрии были произведены в конце 50-х годов прошлого века, а первые промышленные приборы, объединяющие эти два метода, появились уже в начале 60-х годов. Большинство моделей хромато-масс-спектрометров позволяют записывать хроматограмму по суммарному сигналу всех ионов (или, как это обычно называют, по полному ионному току (TIC)), образующихся в ионном источнике. Компьютерная обработка сигналов позволяет получить на каждый записанный пик индивидуальный масс-спектр, а также масс-фрагментограммы по отдельным наиболее интенсивным ионам, что позволяет более детально, чем хроматографическим методом, изучить состав анализируемой смеси. Проиллюстрируем некоторые возможности хромато-масс-спектрометрии.
В качестве примера приведем сенсационное открытие, сделанное совсем недавно в Институте нефтегазовой геологии и геофизике CO РАН в 2009 г.
В.А. Каширцеву с группой исследователей удалось обнаружить новый гомологический ряд молекул-биометок (2,7-диметилалканов) в органическом веществе вендских отложений Бирюсинского Присаянья. Авторы исследовали с помощью хромато-масс-спектрометрии фракцию насыщенных углеводородов хлороформенных битумоидов, содержащихся в органическом веществе аргиллитов марнинской свиты. Общий анализ образцов показал, что содержание органического углерода в аргиллитах составляет 0,61-0,67 %. В групповом составе до 65,89 % содержатся асфальтово-смо-листовые компоненты. По данным хроматографического анализа во фракции насыщенных углеводородов идентифицированы алканы нормального строения C14-C36 с максимумом распределения на С25Н52, а также изопренаны С23—С25, среди которых в наибольших концентрациях присутствуют пристан и фитан. Отношение пристана к фитану составляет около единицы.
Хромато-масс-спектрометрические анализы показали, что в образцах битумоидов содержатся углеводороды, пока не описанные в геохимической литературе - гомологический ряд 2,7-диметилалканов строения C18-C36. Эти углеводороды проявились на масс-хроматограммах по общему ионному току.
Результаты анализов приведены на рис. 6.8 и 6.9.
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

Очевидно, как отмечают авторы, изучение еще не известных реликтовых молекул нефтей и органического вещества пород - одна из интереснейших теоретических проблем молекулярной геохимии, решение которых имеет не только практическое значение, но и с точки зрения познания эволюции биологического мира на Земле на молекулярном уровне.
Такие открытия, безусловно, не были бы возможны без применения самых современных методов аналитических исследований.
И последний пример результатов хромато-масс-спектрометрического анализа, который мы приведем в этом разделе, посвящен составу органической массы бурого угля. Проба для анализа была получена при соотношении в пасте уголь/тетралин 1:3. Фракция угольного дистиллята 180-240 °C.
Этот пример представляет особый интерес по двум причинам. Первая заключается в том, что показывает нам, насколько велики аналитические возможности хромато-масс-спектрометрических исследований, так как они позволяют без предварительного разделения определять и идентифицировать метановые, сложно построенные нафтеновые, ароматические и гибридные углеводороды.
Во-вторых, мы видим, что уже практически на первых этапах преобразования органического вещества идет интенсивное образование индивидуальных углеводородов и их соединений, в том числе и при образовании каустобиолитов угольного ряда.
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

А теперь приведем еще один методологический прием обобщения результатов хроматографических и масс-спектрометрических исследований: построение, так называемых «звездных» диаграмм. Этот метод был предложен X. Халперном в 1995 г. Диаграммы помогают сопоставить составы различных нефтей и органического вещества пород (OB), то есть проводить корреляцию «нефть-нефть», а также «нефть-ОВ» и «ОВ-ОВ».
Суть построения сводится к следующему. Сначала необходимо хорошо продумать какой результат вы хотите получить, используя те или иные геохимические показатели для сравнения объектов исследований. Иными словами, надо продумать, по каким параметрам будет проведено сравнение. Например, вы будете сравнивать различные нефти по четырем выбранным вами параметрам. Для того чтобы облегчить работу, мы составили основу для построения диаграмм по 4, 8 и 12 параметрам (рис. 6.11).
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

Теперь надо изучить, в каких пределах меняются выбранные показатели и на каждую ось (1, 2, 3 и т.д.) нанести соответствующий масштаб (можно логарифмический), в котором происходят изменения выбранного вами параметра. Потом соединить линией точки на ближайших осях и звездная диаграмма готова. Теперь изучайте и делайте выводы.
На рис. 6.12 приведены звездные диаграммы, опубликованные М.В. Дахновой, ВНИГНИ. Диаграммы построены не по конкретным геохимическим параметрам, а на их осях нанесены величины отношения высот двух выбранных пиков на хроматограммах (рисунок под литером А) сравниваемых нефтей. Этим примером М.В. Дахнова доказала возможность немедленного использования для корреляции продуктивных пластов хроматографических анализов без идентификации индивидуальных углеводородов.
Это очень эффективный экспресс-метод, так как, буквально сразу, не расшифровывая хроматограмму, можно получить информацию о том, близки ли нефти по составу или имеются в них какие либо отличия (рисунок под литером Б), а затем в случае небходимости провести углубленные исследования.
А теперь приведем пример сравнения соотношений терпанов в органическом веществе пород семилукского горизонта (доманиковая толща) и нефти северо-востока Татарстана (рис. 6.13). Эти исследования были опубликованы Г.Н. Гордадзе.
Масс-спектрометрия и хромато-масс-спектрометрия

Как видите, изучив эту диаграмму, можно с уверенностью сказать, что по соотношениям терпанов образцы органического вещества имеют большое сходство между собой и нефтью.
Завершая рассказ о масс-спектрометрических исследованиях, еще раз отметим, что масс-спектрометрия в широком понимании - это методика получения и интерпретации масс-спектров, которые образуют сами масс-спектрометры. В этом заключается принципиальное отличие масс-спектрометрических методов от других физико-химических методов исследований, например, оптических, радиометрических и рентгенометрических, которые провоцируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами исследуемого вещества в различных диапазонах спектра электромагнитного излучения.