Մասս-սպեկտրաչափություն

Մասս-սպեկտրաչափությունը (ռուս.՝ масс-спектроскопия), խոր վակուումում բարձր էներգիայով (E > 70 էՎ) էլեկտրոնային փնջի ռմբակոծումով (կամ այլ եղանակներով) չեզոք մոլեկուլներից անկայուն իոնների ստացման և դրանց հետագա փլուզման հետևանքով առաջացած բեկորների զանգվածների ու քանակի ուսումնասիրությամբ նյութի կառույցի բացահայտումն է (հիմնադիրը՝ Ջ. Թոմսոն, 1913 թ.): Օրգանական նյութերի իոնացումը պայմանականորեն կարելի է դասակարգել ըստ ֆազերի, որտեղ նյութերը գտնվում են նախքան իոնանացումը։ Օրինակ, գազ-ֆազում իոնացումն իրականացնում են էլեկտրոնային (EI), քիմիական (CI, առավել մեղմ պրոցես է), էլեկտրոնային զավթման (EC) եղանակներով, կամ էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ (FI): Բազմաթիվ կարևոր կենսաակտիվ օրգանական միացություններ՝ սպիտակուցներ, ԴՆԹ, պոլիմերներ... գազային վիճակի վերածելիս քայքայվում են, որի պատճառով մշակված են հատուկ եղանակներ և պայմաններ նաև հեղուկ և պինդ միջավայրում մոլեկուլների իոնացման համար [քիմիական (APCI) և ֆոտոիոնացումներ (APPI) մթնոլորտային ճնշման տակ, լազերային դեսորբում (MALDI), դաշտային իոնացում (մինչև 108 Վ/սմ լարվածության էլեկտրական դաշտում), էլեկտրափոշիացում (электроспрей), արագ ատոմներով (մոտ 8 կէՎ էներգիայով արգոն կամ քսենոն) ռմբակոծում...], որոնք ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները։

Գործընթացի փուլեր 
 օրգանական  կամ անօրգանական մոլեկուլների իոնացումը  մեթոդի կարևորագույն փուլն է։ Անօրգանական  միացությունների իոնացման համար կիրառվում  են ավելի խիստ եղանակներ, քանի որ պինդ  նյութի մեջ ատոմների միջև կապի էներգիան  շատ ավելի մեծ է,
 մոլեկուլային իոնի բեկորացումը  (ֆրագմենտացում),
 մագնիսական դաշտում զանգվածից կախված  լիցքավորված բեկորների բաժանումը  ըստ կինետիկական տվյալների,
 դրական  լիցքավորված բեկորների գրանցումը  (դետեկտում)։ Օրգանական միացության մասս-սպեկտրային հետազոտությունների թիրախը հիմնականում դրական իոններն են։ Խորը վակուումում (> 10-5 - 10-6 Պա), ինչն ապահովում է մասս-սպեկտրաչափում իոնների անարգել տեղաշարժմանը (հակառակ դեպքում իոնները, ռադիկալները կարող են վերախմբավորվել վերածվելով չեզոք մասնիկների) կամ հատուկ մաքուր գազի հոսքի տակ նյութի մոլեկուլների իոնացումը տեղի է ունենում էլեկտրոնային փնջի հետ բախման հետևանքով, որի էներգիան եթե գերազանցում է հետազոտվող մոլեկուլի իոնացման պոտենցիալը, ապա մոլեկուլը կորցնում է էլեկտրոն և վերածվում է համապատասխան կատիոն-ռադիկալի (M+.)՝ մոլեկուլային իոնի (էլեկտրոնների ցածր էներգիայի դեպքում մոլեկուլը որսում է էլեկտրոնը, վերածվելով բացասական լիցքով իոնի՝ M-): Վերջինը բավարար ներքին էներգիայի դեպքում մասամբ փլուզվում է՝ վերածվելով չեզոք մասնիկների և բեկորային իոնի կամ ռադիկալի (BC., C., AB.), որոնցից դետեկտորի վրա գրառվում են միայն դրական լիցքավորված մասնիկները՝ կատիոն-ռադիկալները, կատիոնները (I, ABC+., A+, AB+, C+, II, III): Մյուսները (չեզոք, բացասական լիցքավորված մասնիկներ, ռադիկալներ...) հեռանում են վակուում-պոմպի միջոցով։

Հնարավոր բեկորներ 
Երևույթը հատկապես նկատելի է մեծ մոլեկուլների դեպքում (կենսանյութեր, պոլիմերներ)։ Իոնացման ընթացքում մոլեկուլը կարող է տրոհվել մի քանի բնորոշ բեկորների, ինչը լրացուցիչ տեղեկություններ է տալիս մոլեկուլի կառույցի և տարրային բաղադրության մասին։ Այսպիսով, մասս-սպեկտրներում դետեկտորի կողմից գրառվող իոններն են՝ մոլեկուլային իոնը (կատիոն-ռադիկալ, M+.)՝ հիմնական իոնը, որը դուրս է գալիս վերջում, ֆրագմենտային իոնները, որոնք ստացվում են մոլեկուլային իոնի քիմիական կապերի քայքայման և ատոմների գաղթման հետևանքով, վերախմբավորված, մետաստաբիլ, ինչպես նաև բազմալիցքային իոնները։ Փորձի պայմաններում վերջինների առաջացման հավանականությունը փոքր է։

Մասս-սպեկտրում գրանցվող իոնները 
1.մոլեկուլային իոնն առաջանում է հենց սկզբից՝ տարբեր մեթոդներով իոնացման դեպքում, որի զանգվածը սպեկտրում ամենամեծն է (զանգված/լիցք) և հավասար է փորձարկվող մոլեկուլի մոլային զանգվածին (լիցքը սովորաբար = ±1), ունի մեկ չզույգված էլեկտրոն և կայունանալու նպատակով կարող է իրենից իրական ռեալ մասնիկների հեռացումով առաջացնել կարևոր բեկորային իոններ, որոնց օգնությամբ կարելի է բացահայտել բոլոր տարրերը։ Մոլեկուլային իոնը կայունացնելու համար անհրաժեշտ է՝
 իոնացումը կատարել ավելի մեղմ պայմաններում  (Ee = 20-25 էՎ),
 մոլեկուլ ներմուծել ցածր իոնացման պոտենցիալ  էներգիայով խմբեր կամ փոխարինել  անկայունացնող խմբերը,
 իջեցնել նմուշի ջերմաստիճանը և հետևաբար նվազեցնել մոլեկուլային իոնի ներքին էներգիան, ինչն առավել արդյունավետ է ալիֆատիկ ածխաջրածինների դեպքում։
2. Ֆրագմենտային (բեկորային) իոններ: Մոլեկուլների իոնացման համար հաղորդվում է մեծ էներգիա (մինչև 70 էՎ, իսկ քիմիական կապերի էներգիան մոտավորապես 10-20 էՎ կարգի է), ինչի շնորհիվ մոլեկուլի քիմիական կապերը քայքայվում են, ընդ որում բեկորացումը (ֆրագմենտացիա) ընթանում է տարբեր ուղղություններով, պայմանավորված ելանյութ մոլեկուլի կառուցվածքով։ Ֆրագմենտացման պրոցեսները հնարավորություն են տալիս իրականացնել կառուցվածքային մասս-սպեկտրային հետազոտություններ։ Օրգանական քիմիայի հիմնական դասերից մի քանիսի բեկորացումը (տես նաև աղյ.)
 չճյուղավորված շղթաներով ածխաջրածինների մոլեկուլային  իոնի ինտենսիվությունն առավելագույնն  է և նվազում է ճյուղավորմանը զուգընթաց,
 կրկնակի  կապերը, հատկապես արոմատիկ և հետերոցիկլիկ  խմբերը կայունացնում են մոլեկուլային  իոնը,
 չհագեցած ցիկլերը ենթարկվում են  ռետրոդիենային (լատ. retro - ետ) տրոհման  (a), ալկիլ խմբերով տեղակալված արոմատիկ  ցիկլերը կարող են վերախմբավորվել  տրոպիլիում իոնի (b): Կետոնների  դեպքում՝ RR'―C=O  R'–C≡O+ և R–C≡O+ և այլն։  Ֆրագմենտացման սխեմաները, որոնք կառուցվում  են բարձր զգայունությամբ սարքերում,  ցույց են տալիս մոլեկուլային իոնի տրոհման  հիմնական բնորոշ ուղղությունները, ինչպես  նաև առաջացած իոնների փոխադարձ կապը և  համեմատական քանակները, ելնելով  մասս-սպեկտրային ելուստների  ինտենսիվությունից, ինչը հաշվում են %  -ով, ելնելով բոլոր ելուստների գումարային  ինտենսիվություններից, համաձայն դիագրամի։

3.Վերախմբավորված իոններ առաջանում են առաջնային մոլեկուլի երկրաչափական վերախմբավորման արդյունքում և հատկապես տարածված է Մակ-Լաֆերտի վերախմբավորումը (c), ինչը տեղի է ունենում չհագեցած C=X (X = O, N, C, S) կապեր պարունակող միացություններում՝ կրկնակի կապի նկատմամբ γ-ածխածնի մոտ ջրածնի ատոմի առկայության դեպքում։ Մոլեկուլային իոնում (կատիոն-ռադիկալ) տեղի է ունենում γ-ածխածնի ատոմից 6-անդամանի ցիկլի անցումային վիճակի վրայով H-ի ատոմի միգրացիան (գաղթումը)։ Ռեակցիան բնորոշ է ալդեհիդներին, էսթերներին, ալկեններին, ամիդներին, նիտրիլներին, օքսիմներին և այլն։ Վերախմբավորման ընթացքը ապացուցվում է դեյտերիում-նշանակիր միացությունների ուսումնասիրմամբ և անցումային վիճակի մետաստաբիլ ելուստի (պիկ) առկայությամբ:4. Մետաստաբիլ իոնների կյանքի տևողությունը 10-6 - 10-5 վրկ է, այսինքն ավելի կարճ է մասս-անալիզատորով դրա անցնելու ժամանակից։ Տրոհվելով վերածվում են իոնի և չեզոք մասնիկի և տալիս են որոշակի տեղեկություններ մոլեկուլի կառույցի մասին։
Բեկորացման պրոցեսը կշարունակվի քանի դեռ ստացված իոնների ներքին էներգիան բավարարում է դրանց հետագա փլուզման համար և կարող է ընթանալ մի քանի ուղղությամբ (ֆրագմենտացման ուղղություններ, Фрагментации реакции, Мак-Лафферти перег.): Ֆրագմենտացման ռեակցիաների միավորումը անվանում են ֆրագմենտացման սխեմա, ինչը բնորոշ է միայն տվյալ մոլեկուլին։ Ֆրագմենտացման սխեմաների համընկնումը մոլեկուլների նույնականության ապացույցն է։ Իոնի զանգվածի հարաբերությունը տվյալ իոնի տարրական լիցքի մեծությանը (զ/լ), որը սովորաբար ±1, է, կոչվում է զանգվածային թիվ (զ.թ.): Մագնիսական դաշտում իոն-բեկորների շարժման արագությունը հակադարձ համեմատական է դրանց զանգվածային թվին (նկ. 1, Ար – արագացուցիչ, Ց – ցանց, նկ. 2), այսինքն լիցքավորված բեկորների զանգվածները որոշում են ըստ մագնիսական ու էլեկտրական դաշտերում դրանց կինետիկական հատկությունների, հետևաբար ամենավերջում դետեկտորի վրա հայտնվում է մոլեկուլային իոնի ելուստը (пик):

Բեկորների վերծանում 
Այս եղանակը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ որոշել նյութի մոլեկուլային զանգվածը և լիցքավորված բեկորների զանգվածների ու ելուստների ուժգնության (ինտենսիվության) տվյալների հետ միասին կարևոր տեղեկություններ ստանալ նյութի քիմիական կառուցվածքի մասին։ Գոյություն ունեն կանոններ, որոնց օգնությամբ մասս-սպեկտրներից կարելի է կորզել բազմաթիվ տեղեկություններ՝
 Մոլեկուլային ելուստի (пик) ինտենսիվությունը  (IM+ -ի մեծությունը) պայմանավորված  է մոլեկուլային իոնի (M+)  կայունությամբ։ Լիցքի կայունությունը  ապահովող կառուցվածքային բեկորներն են  արոմատիկ օղակները, π-համակարգերը։
 Չհագեցվածության կանոնը։  Մոլեկուլում օղակների և կրկնակի կապերի  թիվը (X) որոշվում է հետևյալ բանաձևով  (a), որտեղ C -ն, H-ը, N-ը ածխածնի, ջրածնի  (կամ այլ միավալենտ տարրի) և ազոտի ատոմների  թիվն է և այլն։

Այսպես՝

 Ազոտային կանոնը։ Հիմնականում օրգանոգեն ատոմներից (C, H,  S, N, Si...) բաղկացած օրգանական միացությունների  մոլեկուլային զանգվածները արտահայտվում  են զույգ թվերով, եթե դրանք ազոտ չեն  պարունակում, կամ եթե մոլեկուլում ազոտի  ատոմները զույգ են, հակառակ դեպքում  ազոտի ատոմները կենտ են։ Այս կանոնը չի  գործում անօրգանական նյութերի դեպքում։  Օրինակ, ազոտի օքսիդների՝ NO և NO2  մոլեկուլներում ազոտը 1-ն է, սակայն  մոլային զանգվածները 30 և 46 են։ Առավել  տարածված չեզոք օրգանական մոլեկուլներում  տարրերը, որոնց ատոմական զանգվածը զույգ  թիվ է, առաջացնում են զույգ թվով կովալենտ  կապեր, իսկ ազոտն առաջացնում է 3 կամ 5 հատ։
Ցանկացած մոլեկուլի զանգվածը դրա բաղադրության մեջ մտնող ատոմների զանգվածների գումարն է, հետևաբար բեկորները ունեն ընդհատ (դիսկրետ) արժեքներ, չնայած ցածր զգայունության մասս-սպեկտրաչափերում տարբեր զանգվածներ կարող են միմյանց վերածածկել կամ ձուլվել։ Միայն բարձր բաժանող ունակությամբ սարքերով իոնի ճշգրիտ զանգվածը կարելի է որոշել ստորակետից հետո մինչև 4-6 նիշի ճշտությամբ։ Օրինակ, СО –ի, (СН2=СН2)-ի և N2 –ի մոլեկուլային զանգվածների М = 28, այն դեպքում, երբ մասս-սպեկտրով որոշված ճշգրիտ զանգվածները միմյանցից տարբերվում են և համապատասխանաբար կազմում են МСО = 27,994915, М(СН2=СН2) = 28,03300, МN2 = 28, 006148, տարբերությունն ակնհայտ է։

Գոյություն ունեն մասս-սպեկտրային “գրադարաններ”, որոնք պարունակում են ավելի քան 70000 օրգանական միացությունների սպեկտրներ և կիրառվում են դրանց իդենտիֆիկացման համար (ԷՀՄ)։

Մասս-լուսապատկերման կարևոր առավելությունը լայն տեղեկատվությունն ու բարձր զգայունությունն է։ Սպեկտրների ստացման համար բավական են նույնիսկ նանոգրամներ (1 նգ = 10−9 գրամ), ինչը թույլ է տալիս եղանակը կիրառել կենսաբանական միջավայրում գտնվող նյութերի վերծանման համար։

Մասս-սպեկտրաչափությունը կիրառվում է նաև դեղերի դիզայնի, մետաբոլիզմի, բնապահպանության, գեո- և կոսմոքիմիական հիմնահարցերի, կոմբինատորային քիմիայի, իմունոլոգիական և բժշկական խնդիրների լուծման, մանրէների իդենտիֆիկացման... համար։

Մեթոդն առավել արդյունավետ է դառնում գազային (ГХ-МС) և հեղուկ (ЖХ-МС) քրոմատագրության հետ զուգակցելիս (Хромато-масс-спектрометрия կամ “Хромасс”) և կիրառվում է բազմաթիվ բնագավառներում on-line ռեժիմով ստանդարտային անալիզի համար։

Աղյ. Օրգանական միացությունների տարբեր դասերի ֆրագմենտային իոնները

Դիագրամի վրա աբսցիսների առանցքի վրա տեղադրվում են իոնի զանգվածի ու լիցքի հարաբերությունը (զ/լ) իսկ օրդինատների առանցքի վրա՝ ելուստների ինտենսիվությունը, ինչը բնութագրում է տվյալ տեսակի իոնների հարաբերական քանակությունը և արտահայտվում է % -ով՝ մասս-սպեկտրի բոլոր իոնների գումարային ինտենսիվության նկատմամբ։

 Խցիկում (1) փորձանմուշը վերածում են գազի և իոնացնում, իոնները արագացվում են էլեկտրական դաշտի օգնությամբ (2) և նեղ անցքի (3) միջով թափանցում են անալիզատոր (5), որտեղ ստեղծված  լայնակի համասեռ մագնիսական դաշտում իոնները տարբեր շառավիղներով կորաձև շարժվելով ընկնում են բացասական լիցքավորված էկրանի վրա (4), որտեղ և գրառվում են։ Հետագծի շառավիղը  կախված է իոնների զանգված - լիցք հարաբերությունից և դրանք էկրանին հայտնվում են տարբեր հեռավորությունների վրա։

Գրականություն 
 Ռուդոլֆ Համազասպի Հակոբյան, Քիմիայի և դեղագիտության համառոտ հանրագիտարան , Երևան, 2016,
 А. А. Нефедов, Интерпретация масс-спектров, Лаб. Физич. Исслед. НИОХ СО РАН,
 Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: Бином, 2003, 493 с.
 Тахистов В.В., Пономарёв Д.А. Органическая масс- спектрометрия. СПб.: ВВМ, 2005, 346 с.

Անալիտիկ քիմիա
Մասս-սպեկտրաչափություն