УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДАМИ ГАЗОВОЙ ЭЛЕКТРОНОГРАФИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА КОМПОНЕНТ ВЕЩЕСТВА, РАЗДЕЛЁННОГО ГАЗОВЫМ ХРОМАТОГРАФОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области исследования и анализа материалов, а именно к устройству для определения структуры свободной молекулы методами газовой электронографии (ее пространственной конфигурации, межъядерных расстояний, валентных углов, амплитуд колебаний) и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (элементный анализ, наличия определенных групп атомов, их числа, состава и типа связи) для чистых веществ, полученных разделением анализируемого материала методом газовой хроматографии.
Из уровня техники известно устройство, объединяющее газовую хроматографию (ГХ) и газовую электронографию (ГЭ) [Ewbank J.D. et al. Real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1984, V. 55, N. 10, pp. 1598-1603; Ewbank J.D. et. al. Improvements in real-time data acquisition for gas electron diffraction / Review Scientific Instruments, 1986, V. 57, N. 5, pp. 967-972].
В качестве недостатков такого устройства следует отметить невозможность получения спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исследуемых образцов, которые особенно важны для исследования структур многоатомных органических молекул, так как величину расстояния между ядрами водорода в молекуле практически невозможно определить методом ГЭ [Вилков Л.В., Мастрюков B.C., Садова Н.И. Определение геометрического строения свободных молекул. - Л.: Химия, 1978. - 224 с., с. 32], а ЯМР как раз дает связанную с этим информацию. Ядра атомов водорода (протоны) дают характерные резонансные пики ЯМР, величина площади которых прямо пропорциональна их числу, а величина химического сдвига этого сигнала помогает определить элементный и структурный состав групп, входящих в молекулу. [Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. - М.: Высшая школа, 1989. - 288 с., форзацы].
С другой стороны, данные, полученные методом ГЭ в сочетании с предварительным разделением анализируемого газа методом ГХ, дают важную информацию для метода ЯМР по пространственной структуре свободной молекулы, наличии и числе определенных групп атомов в ней, а длины связей позволяют определить тип связи (двойные, тройные). Это помогает интерпретации ЯМР спектра, при которой используют импульсную методику с преобразования Фурье. Учет результатов метода ГЭ делает результаты метода ЯМР более надежными и обоснованными, то есть эти методы взаимно дополняют друг друга.
Результаты ЯМР анализа особенно важны для ГЭ при определении пространственной конфигурации многоатомной молекулы, когда близкие по величине межъядерные расстояния попадают в один пик на кривой радиального распределения, а межъядерные расстояния (между атомами водорода) вообще отсутствуют на кривой радиального распределения. В этом случае информация, полученная от метода ЯМР, существенно помогает расшифровке электронограммы, результаты которой являются основными для устройства, предлагаемого в настоящей полезной модели.
Вариант ЯМР импульсного Фурье спектрометра с введением в него ионов вместо нейтральных молекул равносилен использованию масс-спектрометра с разрешающей способностью наивысшей в современной масс-спектрометрии. В литературе [Лебедев А.Т. Масс-спектрометрш в органической химии. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 493 с., с. 129] такой прибор называют масс-спектрометром ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС-ИЦРФП), хотя его правильнее называть ЯМР спектрометром с Фурье преобразованием, но анализирующим ионы.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении точности и достоверности всех параметров свободных молекул вещества, определяемых методом ГЭ (то есть данных о пространственной конфигурации свободных молекул, межъядерных расстояний в каждой молекуле, величине валентных углов и амплитуд колебаний атомов в молекуле анализируемого вещества).
Указанный технический результат достигается устройством для электронографического исследования молекул в газовой фазе, включающим последовательно соединенные блоки газового хроматографа, молекулярного сепаратора, газового электронографа, ионного источника и спектрометра ядерного магнитного резонанса, при этом каждый из указанных блоков соединен с компьютером, который с помощью общей компьютерной программы управляет работой каждого блока.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.
-5
Исследуемый образец 1 вместе с газом носителем 2 поступают в газовый хроматограф (ГХ) 3, где анализируемый образец разделяется на компоненты, из которых он может состоять (примеси, изомеры, конформеры, ротамеры, нестабильные молекулы). В качестве газа-носителя следует использовать гелий, который не дает вклада в электронограмму и не реагирует с компонентами образца. Из газового хроматографа 3 газ поступает в молекулярный сепаратор 4, который отделяет большую часть гелия от образца. Разделенные компоненты газа-образца поступают в систему напуска газового электронографа 5, а затем в камеру газового электроногорафа 51, где они взаимодействуют с электронным лучом и результат регистрируется детектором газового электронографа 52. Анализируемый газ выходит из сопла системы напуска газового электронографа 5 диаметром около 0,2 мм при давлении порядка 1÷0,1 мм Hg, которое регулируется вентилем системы напуска газового электронографа 5. Далее газ поступает в ионный источник 6, где он ионизируется одним из способов ионизации, в зависимости от образца, целей и эффективности последующего ЯМР анализа. «Мягкие» методы ионизации (электроспрей, химическая, полевая и др.) позволяют избежать фрагментации молекул и получать молекулярные ионы, а «жесткие» методы (электронная ионизация) дают фрагментацию молекул, которая может помочь в определении структуры молекулы. Давление в ионном источнике (порядка 10 мм Hg) может регулироваться вентилем в системе напуска газового электронографа 5 и вентилем на входе в блок ионного источника 6. Ионы из блока 6 системой электростатических линз направляются в ЯМР анализатор 7, который установлен в сильном однородном магнитном поле и снабжен возбуждающими и детектирующими электродами. Все блоки соединены с компьютером 8, который управляет работой каждого блока, а затем обрабатывает результаты по общей компьютерной программе. Для обеспечения рабочего вакуума во всех блоках они соединены между собой герметично (исключая компьютер) через вакуумные прокладки, имеют общую систему откачки форвакуумными и высоковакуумными насосами, систему трубопроводов с вентилями, позволяющую получать в каждом блоке нужное давление и измерять его с нужной точностью.