УФ спектроскопия (1100-200 нм) – метод анализа, при котором исследуется зависимость интенсивности поглощения электромагнитного излучения, прошедшего через анализируемое вещество, от длины волны (в ультрафиолетовой и видимой областях). При поглощении света молекулой в видимой и ультрафиолетовой областях изменяется энергия определенных электронов, что приводит к их переходу на более высокий энергетический уровень.
Область применения:
— Идентификация вещества по известному спектру.
— Установление строения вещества (прежде всего, применяется для ненасыщенных алифатических и ароматических соединений, а также для соединений, содержащих карбонильные группы).
— Оценка степени чистоты вещества.
— Определение концентраций веществ в многокомпонентных смесях (запись дифференциальной спектральной кривой второго порядка).
Глоссарий
Спектроскопия комбинационного рассеяния света
Спектроскопия комбинационного рассеяния света или Рамановская спектроскопия (на английском Raman spectroscopy). При воздействии на молекулы электромагнитного излучения часть поглощенного света рассеивается веществом беспорядочно по отношению к направлению входящего луча. Если падающий луч является монохроматическим, то большая часть рассеянного света (упругое Рэлеевское рассеяние) характеризуется частотой падающего света, а небольшая часть излучения — частотами, отличными от первоначальной (Раман-эффект).
КР спектроскопия используется не только как отдельный метод, но и в сочетании с ИК спектроскопией для получения наиболее полного представления о природе образца. Колебательная спектроскопия дает ключевую информацию о структуре молекул. Например, положение и интенсивность полос в спектре может использоваться для изучения молекулярной структуры или химической идентификации образца.
Область применения
— Исследование строения вещества.
— Обнаружение слабополярных и неполярных групп.
— Идентификация изомеров.
— Исследование полимеров: длины цепи и стереорегулярности.
— Применение лазерной техники существенно упрощает и сокращает время анализа. Следует подчеркнуть, что при регистрации КР спектров не требуется какой-либо особой пробоподготовки, как, например, для ИК-спектроскопии, что позволяет снимать спектры с неустойчивых на воздухе веществ, водных растворов и т.д.
Инфракрасная спектроскопия
ИК спектроскопия используется в различных областях науки как мощный и универсальный физический метод исследования строения вещества и механизмов физико-химических процессов.
Инфракрасная спектроскопия с Фурье преобразованием (на английском FTIR) идентифицирует химические связи в молекуле путем образования инфракрасного спектра поглощения. Качественную оценку спектра проводят по положению полос поглощения, а количественную — по их интенсивности. В спектре различают две основные области: область функциональных групп (4000-1500 см-1) и область «отпечатков пальцев» (1500-625 см-1). Спектр в области «отпечатков пальцев» характеризует индивидуальные особенности структуры молекулы и применяется для идентификации веществ.
В ИК спектроскопии используют различные методики подготовки образцов для анализа, выбор которых в первую очередь зависит от агрегатного состояния и растворимости пробы. Необходимое для анализа количество вещества зависит от способа подготовки образца и составляет в среднем от 2 мг до 1 мкг. Концентрацию вещества в пробе выбирают таким образом, чтобы наиболее интенсивная полоса поглощения составляла 90% по шкале поглощения или 10% по шкале пропускания.
Вольтамперометрия
Вольтамперометрия — совокупность электрохимических методов исследования и анализа, основанных на изучении зависимости силы тока в электролитической ячейке от потенциала погруженного в анализируемый раствор индикаторного электрода, на котором реагирует исследуемое электрохимически активное вещество. В ячейку помещают помимо ндикаторного вспомогательный электрод. Разность потенциалов индикаторного и вспомогательного электродов Е описывается уравнением Е=U-IR, где U — поляризующее напряжение, R — сопротивление раствора. В анализируемый раствор вводят в большой концентрации индифферентный электролит (фон), чтобы, во-первых, уменьшить величину R и, во-вторых, исключить миграционный ток, вызываемый действием электрического поля на электроактивные вещества (устаревшее — деполяризаторы). При низких концентрациях этих веществ омическое падение напряжения IR в растворе очень мало. Для полной компенсации омического падения напряжения применяют потенциостатирование и трехэлектродные ячейки, содержащие дополнительно электрод сравнения. В этих условиях E≈U.
Циклическая вольтамперометрия (вольтамперометрия с относительно быстрой треугольной разверткой потенциала) позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов путем наблюдения одновременно вольтамперограмм с анодной и катодной разверткой потенциала, отражающих, в частности, и электрохимические реакции продуктов электролиза.
Концентрация исследуемого электрохимически активного соединения составляет 0,01 — 0,001 М.
Вольтамперометрию применяют: для исследования кинетики и механизма электродных процессов, включая стадию переноса электрона, предшествующие и последующие химические реакции, адсорбцию исходных продуктов и продуктов электрохимических реакций и т. п.; для изучения строения двойного электрического слоя, равновесия комплексообразования в растворе; для выбора условий препаративного электрохимического окисления или восстановления.
Матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация
Метод МАЛДИ заключается в облучении короткими лазерными импульсами образца, представляющего собой твердый раствор анализируемого соединения в органической матрице. Над поверхностью образца создается плотная высокотемпературная плазма, в которой наряду с молекулами и ионами матрицы оказываются и молекулы анализируемого соединения. Ионизация последних путем поглощения энергии фотонов или в результате ионно-молекулярных реакций приводит к образованию положительных ([M+H]+, [M+Na]+) и отрицательных ([M-H]—) ионов, которые вытягиваются высоким потенциалом из области ионизации и направляются в анализатор. Метод характеризуется интенсивными пиками молекулярных ионов разного типа и низкой фрагментацией. К настоящему времени методом МАЛДИ успешно анализируются полипептиды, белки, нуклеотиды, полисахариды, синтетические полимеры, гуминовые кислоты, фуллерены, органические комплексные соединения и т. д. Данным методом доступны для анализа термолабильные, труднолетучие, высокомолекулярные соединения.
Оборудование: масс-спектрометр тандемный Ultraflex III TOF/TOF «Bruker», Германия
Химическая ионизация при атмосферном давлении
Поток из колонки жидкостного хроматографа направляется в распылитель, где он превращается в мелкодисперсный аэрозоль, смешиваясь с большим количеством нагретого газа (обычно азот или воздух). Капельки аэрозоля в окружении газового потока перемещаются в область испарения, где в газовую фазу переходит большая часть молекул растворителя. Далее на пути потока следует область ионизации. Так как в источнике поддерживается атмосферное давление, ионизация осуществляется за счет коронного разряда. Поскольку количество молекул растворителя существенно превышает количество молекул анализируемого вещества, создаются условия химической ионизации. На выходе из источника ионов расположен ряд последовательных сепараторов с узкими входными отверстиями. Здесь происходит откачка легких молекул для снижения избыточного давления. В результате в анализатор, работающий в условиях глубокого вакуума, поступают в основном ионы анализируемого вещества.
Оборудование: масс-спектрометр AmaZon X «Bruker», Германия
Ионизация электрораспылением
Ионизация электрораспылением относится к «мягким» методам ионизации не разрушающим (как правило) молекулу аналита. Поток из жидкостного хроматографа направляется в иглу диаметром 0,1 мм, на которую подается высокое напряжение порядка 6 кВ. На выходе из иглы в источнике ионов образуется аэрозоль из заряженных капель с высоким поверхностным зарядом. Эти капли движутся к противоэлектроду, имеющему потенциал Земли. В этом же направлении уменьшается и давление, хотя в целом в этой части ионного источника (до противоэлектрода) давление поддерживается на уровне атмосферного. По мере движения к входному отверстию первого сепаратора капли уменьшаются в размере за счет испарения растворителя. Достигая критического размера, при котором силы поверхностного натяжения далее не могут противостоять силам кулоновского отталкивания (предел Релея), капля «взрывается» с образованием более мелких капелек. Этот процесс повторяется. В итоге возникают микрокапли, содержащие всего одну заряженную частицу, которая может оказаться в газовой фазе после испарения остаточных молекул растворителя. Альтернативный механизм предусматривает выброс заряженной молекулы с поверхности одноименно заряженной капли. В обоих случаях в газовой фазе оказываются несольватированные молекулы анализируемого вещества, которые проходят через сепаратор и оказываются в анализаторе.
Особенностью ИЭР является образование многозарядных ионов, что позволяет получать масс-спектры больших молекул.
В качестве подвижной фазы нами обычно используются смеси MeOH/H2O и ACN/H2O. Образцы могут быть проанализированы как в положительном, так и в отрицательном режиме регистрации ионов.
Оборудование: масс-спектрометр AmaZon X «Bruker», Германия
Химическая ионизация
Химическая ионизация (ХИ) является «мягким» методом ионизации, применение которого полезно в тех случаях, когда при ЭИ не наблюдается молекулярного иона. При ХИ молекулы исследуемого вещества в паровой фазе не подвергаются бомбардировке электронами с высокой энергией. Газ-реагент (обычно метан или изобутан) вводится в источник и ионизируется. Молекулы исследуемого вещества сталкиваются с ионизированными молекулами газа-реагента (CH5+, C4H9+ и т.д.) при относительно высоком давлении в камере химической ионизации и подвергаются вторичной ионизации путем переноса протона с образованием ионов [M+1]+, электрофильного присоединения с образованием [M+15]+, [M+29]+, [M+41]+. Фрагментация при ХИ оказывается незначительной, так как избыточная энергия, которая переносится на молекулы образца во время ионизации, мала.
ХИ обычно используется для получения интенсивных пиков молекулярных ионов, протонированных или катионированных молекул.
Оборудование:
– хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой DFS «ThermoFisherScientific», США
Электронная ионизация
Электронная ионизация (ЭИ) является классическим методом ионизации в масс-спектрометрии. Молекула вещества пробы в газовой фазе подвергается бомбардировке пучком электронов с высокой энергией (70эВ). Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут покинуть молекулу, образуя катион-радикал, называемый молекулярным ионом.
Эффективность ионизации очень низка. Фактически ионизируется примерно одна из десяти тысяч молекул образца. Вероятность ионизации меняется от вещества к веществу. В процессе ионизации молекулярный ион получает избыточную внутреннюю энергию в диапазоне 0-20 эВ. Эта избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям, причем превышение энергии какой-либо связи, ведет к ее разрыву с отщеплением нейтральной радикальной частицы и образованием четноэлектронного осколочного (фрагментного) иона. Именно поэтому масс-спектры ЭИ имеют сложный вид. В то же время наличие сигналов осколочных ионов дает информацию о структуре молекулы. Этот метод дает возможность идентификации соединений путем сравнения полученного масс-спектра со спектрами из базы данных. Поскольку давление в источнике ионов в условиях ЭИ – 10-5–10-6 мм.рт.ст., а образец можно нагревать до нескольких сотен градусов, в газовую фазу переходят многие органические соединения. Тем не менее, для анализа термолабильных, высокомолекулярных, труднолетучих соединений метод не пригоден.
Анализируемые образцы могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии. Возможен как прямой ввод образца, так и с помощью газового хроматографа.
Оборудование:
– хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой DFS «ThermoFisherScientific», США