Атомно-силовая микроскопия

АСМ или AFM (Atomic Force Microscopy)

Для получения изображения поверхности с разрешением вплоть до атомарного используется резкая зависимость силы взаимодействия твердых тел в зависимости от расстояния между ними.

Первый член описывает отталкивание электронных облаков, а второй – несколько более дальнодействующую силу притяжения. Как правило, при получении изображений ориентируются прежде всего на величины отталкивания, а логика получения изображений та же, что и в случае сканирующей туннельной микроскопии.

Зонд подводится так близко к поверхности образца, чтобы начали действовать атомные силы притяжения и отталкивания, после чего зонд начинает перемещаться вдоль поверхности, а его положение вдоль оси z поддерживается на таком уровне, чтобы значение атомных сил оставалось неизменным. Траектория движения зонда повторяет рельеф поверхности.

Устройство атомно-силового микроскопа

Пьезопривод 1 обеспечивает движение зонда вблизи образца. Кантиле́вер 2 – кремниевая пластинка, полученная с помощью микроэлектронных технологий, на конце которой выращена пирамидка 3, выполняющая роль зонда. На обратную сторону кантилевер напылено зеркало, от которого отражается свет лазера 4 и регистрируется многосекторным детектором 5, который позволяет следить за трехмерным перемещением кантилевера вблизи образца 6. Как правило, кантилевер совершает принудительные колебания с амплитудой порядка 2 нм, а наличие атомно-силового взаимодействия с поверхностью сказывается на частоте колебаний, что и регистрируется детектором. Сигнал с детектора усиливается усилителем 7 и подается на управляющее устройство 8, которое, в свою очередь, подает на привод напряжение, обеспечивающее сканирование поверхности вдоль координат x, y и перемещение зонда вдоль координаты z таким образом, чтобы сила взаимодействия поддерживалась на постоянном уровне. Полученная совокупность профилей поверхности дает её трехмерное изображение с разрешением в пределе 1,5-2 Å. Измерения могут выполняться как на воздухе, так и в водной среде. При этом следует иметь в виду, что из-за конденсации влаги между пирамидкой и образцом присутствует мениск, который перемещается зондом по поверхности образца, т.е. на самом деле, все измерения методом АСМ выполняются в водной среде.

Поскольку атомные силы можно рассматривать в качестве источника трения, то регистрируя деформации кантилевера, можно получить информацию о силе трения. Иногда такие изображения, полученные в режиме Friction имеют больший контраст, чем обычные силовые изображения.

Изображения, полученные методом АСМ в целом идентичны геометрическому рельефу, однако, если на поверхности есть участки, сильно отличающиеся по характеру функциональных групп, это может приводить к искажению изображения.

С другой стороны, если на поверхности пирамидки имеются специально созданные функциональные группы, то это позволяет находить комплементарные им группировки на поверхности образца. В частности, таким образом были измерены взаимодействия с учасстием антител.

Метод атомно-силовой микроскопии позволяет исследовать и сложные молекулы в водной среде. В частности, есть наборы изображений, позволяющие проследить напрямую за репликацией ДНК.

Масс-спектрометрия

Метод основан на изучении распределения по массам ионов, образующихся при ионизации исследуемого вещества. Процесс получения масс-спектра включает несколько этапов, каждому из которых соответствует свой функциональный узел.

1. Ввод пробы (на схеме – vapor)

2. Ионизация (electron beam)

3. Ускорение ионов (potential difference)

4. Масс-анализ

5. Регистрация (photographic plate)

Система напуска обеспечивает испарение вещества и вводит его в масс-спектрометр. Как правило, для измерений достаточно 1-100 мкг вещества, но в принципе, масс-спектрометрический анализ позволяет определять до 10^-9 г вещества, что делает масс-спектрометрию одним из наиболее чувствительных методов анализа.

В случае органических соединений ионизация осуществляется методом электронного удара, т.е. пары вещества пересекают электронный пучок с энергией электронов порядка 70 эВ, в результате чего образуются исключительно катионы. Ионизированные частицы разгоняются между решетками, к которым приложено напряжение 2-3 кэВ. При этом они получают дополнительную энергию в форме кинетической энергии .

Далее частицы попадают в масс-анализатор, где начинают двигаться по искривленной траектории под действием внешнего магнитного поля (направление указано стрелками на схеме). При этом на частицы действуют две силы (F₁ – отклонения и F₂ – центробежная):

В зависимости от напряжения на детектор приходят частицы с различным отношением массы к заряду. Получаем линейчатый спектр, известный под именем «масс-спектр».

Масс-спектрометры характеризуются по крайней мере двумя параметрами: 1) массовой областью (как правило, она меньше 1000 атомных единиц); 2) точностью (как правило, четыре знака после запятой для массовых чисел меньше 100).

Измерения проводятся в вакууме (10^-7 мм рт. ст.). Сложный спектр формируется в результате образования разнообразных заряженных осколков.

Наряду с рассматриваемой схемой масс-спектрометра с отклонением в магнитном поле на практике используются и другие, в частности, квадрупольные масс-спектрометры. Разделение ионов здесь осуществляется в электрическом поле сложной формы. Также используются времяпролетные масс-спектрометры, в случае которых напряжение на сетки подается короткими импульсами, ионы приобретают одинаковую энергию и, пройдя расстояние около 2 м, приходят к детектору в разные моменты времени. Оба эти масс-спектрометра имеют меньшее разрешение, но удобны для некоторых практических измерений.

Принципы формирования масс-спектра

Результатом электронного удара является формирование молекулярных ионов. Возможен отрыв одного электрона, отрыв нескольких электронов и захват электрона с образованием аниона. Вероятность каждого из этих процессов определяется энергией электронов. Последний процесс возможен только для низкоэнергетических электронов (около 0,1 В). Отрыв нескольких электронов возможен только в случае использования высокоэнергетических электронов. При использовании электронов с энергией 70 эВ единственным процессом в системе будет являться генерация однозарядных катионов. Если энергия электронов сопоставима или превышает энергию разрыва связи (7-15 эВ), то мы будем наблюдать следующую зависимость выхода молекулярных ионов от энергии электронов.

В итоге получаем ион с заведомо избыточной энергией, которая преобразуется в колебательную, результатом чего является фрагментация молекулярных ионов с выделением незаряженных фрагментов и стабильных молекул. Характер фрагментации индивидуален для каждой молекулы и определяется особенностями её строения. При этом наличие ароматических групп и двойных связей стабилизирует молекулярный ион, а наличие разветвления приводит к увеличению эффективности фрагментации в силу высокой стабильности образующегося третичного карбониевого иона. В целом, можно лишь на основании имеющегося опыта установить ряд относительной стабильности молекулярных ионов для различных органических соединений.

ароматические > неразветвленные УВ > кетоны > амины > эфиры

Некоторые фрагменты не являются собственно частями молекулы, а являются продуктом перегруппировки, протекающей как внутримолекулярная реакция. Примером является перегруппировка МакЛафферти.

В целом, тенденция к выделению молекул, способных унести с собой избыточную энергию, является чрезвычайно ярко выраженной. Такие группы, как С₂Н₄, СО, Н₂О, HCN, CS₂, НГал отщепляются довольно часто. Порой такое отщепление провоцирует скелетные перегруппировки.

Таким образом, если речь идёт о фрагментации, её не надо понимать как массовый разрыв химических связей и их рекомбинация с образованием новых соединений. Во всех случаях это вполне определенные реакции, аналогичные химическим. Механизм этих реакций был установлен для целого ряда химических соединений в рамках специфического раздела химии высоких энергий, в данном случае, процессов, индуцированных электронным ударом.

В большинстве случаев просто рассматривают масс-спектр как индивидуальный отпечаток пальца, поскольку эти масс-спектры индивидуальны даже для изомеров и совпадают только в случае стереоизомеров.

Таким образом, структура масс-спектра определяется прежде всего ходом процессов фрагментации. Ещё одним фактором, ответственным за формирование тонкой структуры масс-спектра является изотопный состав исследуемого вещества. Так, если принять во внимание, что, например, бром представлен двумя изотопами: бром-79 (сод. 50,54%) и бром-81 (сод. 49,46%), то реально некий фрагмент RBr⁺ распадется на дублет. Ежели фрагмент дважды бромирован, то получится триплет со средним пиком удвоенной интенсивностью, поскольку с удвоенной вероятностью будет формироваться смешанный по изотопу фрагмент. Отметим, что такая правильно симметричная картинка масс-спектра является результатом эквивалентности распространения легкого и тяжелого изотопов в природе. В случае других элементов с различным распространением в природе, интенсивность пиков изменится сообразно этой распространенности.

Углерод в составе органических соединений также представлен в виде двух изотопов, причем содержание тяжелого углерода-13 составляет 1,1%.

Пример: неопентан

В продуктах фрагментации будет полностью отсутствовать пик исходного молекулярного иона, поскольку он распадается на 100%.

Пример: п -хлоранилин

Фрагментация протекает по двум основным механизмам.

В масс-спектре будут иметься яркие проявления изотопного состава, т.к. хлор в природе представлен двумя изотопами. Пик в 7% указывает на наличие тяжелого изотопа углерода-13.

Задачи, решаемые при помощи масс-спектрометрии:

1) определение молекулярной массы

Молекулярные ионы очень ярко проявляются прежде всего в соединениях, в которых есть ароматические фрагменты. Если в исследуемом соединении эффективность фрагментации велика и выход молекулярного иона небольшой, то можно понизить энергию электронного пучка для того, чтобы подавить фрагментацию. Строго молекулярные пики давало бы использование электронов очень низкой энергии, в котором идет процесс образования анионов вместо образования катионов.

2) идентификация химического соединения

Масс-спектрометрия используется в комбинации с другими методами, особенно если природа исследуемого соединения неизвестна. Масс-спектры являются очень индивидуальными и различаются даже для изомеров. Одинаковые масс-спектры наблюдаются для стереоизомеров. Иногда масс-спектры используются как «отпечатки пальцев» (англ. fingerprint).

3) установление механизмов химических реакций

Основной подход – отслеживание включения изотопных меток во фрагменты исследуемых молекул

Использование масс-спектрометрии позволило также установить механизм реакций фрагментации в условиях электронного удара.

Дейтерируем исходное соединение в α-положение: масс-спектр продукта сдвинется.

При дейтерировании в β-положение спектр продукта никак не изменится:

Дейтерирование в γ-положение также сдвинет спектра продукта:

4) Масс-спектрометрия является эффективным средством исследования кинетики химических реакций, особенно в тех случаях, где образуется малое количество веществ.

5) Масс-спектрометрия в силу чувствительности позволяет получить информацию о состоянии газообразных продуктов над твердой фазой.

6) Масс-спектрометрия позволяет определить потенциалы ионизации, исходя из потенциалов появления ионов.

7) Так как вклад процессов фрагментации молекул различных веществ в смеси в итоговый масс-спектр аддитивен, то масс-спектрометрия может быть использована для определения состава паров органических веществ.

До недавнего времени именно масс-спектрометрия обслуживала многие химические производства (крекинг и проч.)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: