Методы, используемые в лаборатории ФХА
1.1. Гравиметрический анализ
1.2. Титриметрический анализ
1.3. Автоматический CHN-элементный анализ
1.4. Метод рентгенофлуоресцентного анализа
2. Методы оптической спектроскопии
2.1. ИК спектроскопия с Фурье преобразованием
2.2. Спектроскопия комбинационного рассеяния света (Рамановская спектроскопия)
2.3. ИК микроскопия
2.4. УФ спектроскопия
3. Метод синхронного термического анализа
4.1. Электронная ионизация
4.2. Химическая ионизация
4.3. Ионизация электрораспылением
4.4. Химическая ионизация при атмосферном давлении
4.5. Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация
Элементный анализ является одной из важнейших задач любой научно-исследовательской лаборатории.
Элементный анализ — качественное обнаружение и количественное определение содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. При выборе метода и методики элементного анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой пробоподготовки и наличие необходимого оборудования.
1.1. Гравиметрический метод анализа (весовой) основан на законе сохранения массы вещества при химических превращениях и заключается в точном измерении массы определяемого компонента пробы, выделенного в виде соединения известного состава. В лаб. ФХА используется для определения содержания фосфора и металлов в органических и элементорганических веществах. Метод заключается в высокотемпературном сжигании образца при 900 °С в токе кислорода (пиролиз). Время анализа одного образца составляет 45-60 мин. При этом образуются нелетучие оксиды (P2O5, MexOy) которые прочно удерживаются кварцем. Далее на основе измерений массы образца до и после сожжения вычисляют процентное содержание элемента во взятом образце.
1.2. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема раствора, пошедшего на титрование пробы.
Определение количественного содержания галогенов по Шенигеру. Метод заключается в высокотемпературном (1200 °С) сжигании образца в атмосфере кислорода под действием катализатора (платина), образовании галогеноводородной кислоты в поглотительном растворе, измерении объема 0,01 н. раствора азотнокислой ртути, пошедшего на титрование анализируемого образца, и расчете процентного содержания галогена в образце. Время анализа составляет 60-90 мин. Возможно проведение анализа полимеров, порошкообразных, пастообразных, маслянистых и жидких образцов.
Определение количественного содержания серы заключается в термическом сжигании образца в токе кислорода, поглощении и доокислении газообразных продуктов серы в водном растворе перекиси водорода, измерении объема 0,01 н. раствора хлорида бария, пошедшего на титрование образца, и расчете процентного содержания серы в анализируемом образце. Время анализа одного образца составляет 45-60 мин. Возможно проведение анализа полимеров, порошкообразных, пастообразных, маслянистых и жидких образцов.
1.3. CHNS анализатор или анализатор горения служит для определения количественного содержания углерода, водорода, азота и серы в образце. Принцип работы анализатора основан на полном сгорании образца в вертикальном реакторе в зоне разложения при 1050 °С в присутствии кислорода до газообразных продуктов CO2, N2, H2O и SO2. Далее эти продукты разделяются с помощью хроматографической набивной колонки, улавливаются датчиками теплопроводности (катарометрами), рассчитывается концентрация каждого элемента. Анализаторы снабжены автоматическими держателями для образцов, которые позволяют сбрасывать образцы в зону разложения с определенным интервалом. Возможно проведение анализа полимеров, порошкообразных, пастообразных, маслянистых и жидких образцов.
Оборудование:
- CHNS/O – высокотемпературный одно-/двухреакторный анализатор (трубка окисления и трубка восстановления) EuroEA3028-HT-OM «Eurovector SpA», Италия, 2007 г.
- Элементный анализатор – высокотемпературный однореакторный анализатор CHN-3, «Химавтоматика» Россия, 1986 г.
1.4. Рентгенофлуоресцентный анализ – неразрушающий метод элементного анализа, позволяющий определить содержание широкого диапазона элементов (от натрия до урана по периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева). Метод основан на облучении образца мощным потоком излучения рентгеновской трубки. При этом возникает характеристическое для каждого атома флуоресцентное излучение, что позволяет проводить качественный анализ. Число фотонов рентгеновского излучения элемента пропорционально его концентрации, что обеспечивает возможность количественного анализа.
При облучении у атома удаляются электроны из внутренних оболочек. Электроны из внешних оболочек перескакивают на вакантные места, высвобождая избыточную энергию в виде кванта рентгеновского диапазона или передавая ее другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). По энергиям и количеству испущенных квантов судят о количественном и качественном составе анализируемого вещества.
Метод не требует сложной подготовки образцов и прост в выполнении. Возможно проведение анализа твердых, порошкообразных и жидких образцов.
Оборудование: энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный спектрометр настольного типа EDX-800HS «Shimadzu», Япония, 2011.
2. Методы оптической спектроскопии
2.1. 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.
Оборудование: ИК-Фурье-спектрометр Tensor 27 «Bruker», Германия
2.2. 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.
Оборудование: ИК-Фурье-спектрометр Vertex 70 c Раман-приставкой RAM II «Bruker», Германия
2.3. 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).
Оборудование: спектрофотометр Lambda 35 «PerkinElmer», США
2.4. ИК микроскопия. ИК-Фурье микроскопия объединяет в себе возможности микроскопического пространственного анализа с возможностями спектроскопического анализа химического состава. Получение спектральной информации с малой области исследуемого объекта достигается путем ограничения области, освещаемой ИК-лучом, с помощью непрозрачной апертуры заданного размера. В то же время информация с одной точки на поверхности не представляет интереса для изучения многокомпонентных полимерных систем. Тогда, последовательно перемещая образец шагами в соответствии с размером апертуры, можно получить спектральную информацию с области любого размера. Данная техника называется картированием. Полученная информация о распределении спектральных интенсивностей может быть соотнесена с распределением различных химических веществ по поверхности полимерного образца. Устройство ИК-микроскопа схоже с устройством оптического микроскопа, а пути видимого и ИК-излучения парфокальны и коллинеарны. Это означает, что образец, находящийся в оптическом фокусе, будет и в фокусе ИК-излучения. При необходимости в оптический путь микроскопа может быть установлен поляризатор.
Оборудование: Hyperion 2000 FT-IR Microscope «Bruker», Германия
3. Метод синхронного термического анализа
Методы термического анализа используются для систематического исследования физических и химических свойств при различных температурах: нагревании и охлаждении в различных газовых средах, при различных давлениях. Наиболее часто исследуемыми свойствами являются: изменение энтальпии (теплоты переходов и химических реакций) и удельной теплоемкости, потеря и увеличение массы образца, выделение газов.
Информация о зависимости свойств материалов от температуры, полученная с помощью методов термического анализа, позволяет проводить идентификацию образцов, определять их чистоту и состав, полиморфизм и изменения структуры, термическую стабильность и температурные ограничения применения, исследовать старение, устанавливать оптимальные условия технологических процессов.
Использование синхронного термического анализа позволяет комплексно охарактеризовать органические и неорганические образцы, а также объекты биологического происхождения.
Оборудование: сопряженная система Фурье-ИК спектрометра Tensor 27 с термоанализатором STA 449 F3 Jupiter «Netzsch», Германия.
Лаборатория выполняет анализы с использованием различных методов ионизации, таких как электронная ионизация (ЭИ, EI), химическая ионизация (ХИ, CI), ионизация электрораспылением (ИЭР, ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД, APCI), матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация (МАЛДИ, MALDI).
В методе масс-спектрометрии молекулы вещества подвергаются ионизации тем или иным способом, образовавшиеся ионы сортируются по величинам их отношения масса/заряд (m/z), затем регистрируется число ионов для каждого значения m/z в виде спектра.
4.1. 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
- квадрупольный хромато-масс-спектрометр Agilent 6890N/5973 «Agilent», США
- масс-спектрометр квадрупольный с газовым хроматографом GCMS-QP2010Ultra «Shimadzu», Япония
4.2. 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
- масс-спектрометр квадрупольный с газовым хроматографом GCMS-QP2010Ultra «Shimadzu», Япония
4.3. 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.
Рис. Принципиальная схема метода электрораспыления
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
4.4. 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
4.5. 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.
Рис. Схема ионизации молекул исследуемых соединений в условиях ионизации лазерной десорбцией при содействии матрицы
Оборудование: масс-спектрометр тандемный Ultraflex III TOF/TOF «Bruker», Германия
Рекомендуемая литература:
1. Сильверстейн Р., Вебстер Ф., Кимл Д. Спектрометрическая идентификация органических соединений. пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 557 с.
2. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопии в органической химии – М.: Высшая школа, 1971. – 264 с.
3. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия – М.: Высшая школа, 1987. – 367 с.
4. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. Основы. Техника. Аналитическое применение – М.: Мир, 1982. – 328 с.
5. Кэри П. Применение спектроскопии КР и РКР в биохимии – М.: Мир, 1985. – 272 с.
6. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических соединений – М.: Высшая школа, 1984. – 336 с.
7. Браун Д., Флойд А., Сейнзбери М. Спектроскопия органических веществ – М.: Мир, 1992. – 300 с.
8. Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия – М.: Изд-во МГУ, 1980 – 272 с.
9. Накамото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений – М.: Мир, 1991 – 536 с.
10. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. Издание второе, переработанное и дополненное – Москва: Техносфера, 2015. – 704 с.
11. Заикин В.Г., Варламов А.В., Микая А.И., Простаков Н.С. Основы масс-спектрометрии органических соединений – М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. – 286 с.
