Сколько стоит лабу построить? ч. 7⁠⁠

Приветствую!

В предыдущей части мы поговорили о ЯМР-спектроскопии, о том, как она работает и какую роль играет в работе химика-органика. Сегодня речь пойдет о других методах и приборах, помогающих химикам устанавливать строение молекул и материалов.

Я расскажу про молекулярную спектроскопию, а также некоторые методы элементного анализа. Это будет предпоследняя часть, посвященная оборудованию для синтетической лаборатории. Думал, будет последняя, но ещё методы анализа поверхности остались.

Итак, поехали!

1)Пожалуй, второй после ЯМР метод исследования строения и состава вещества - масс-спектрометрия. Принцип её таков - атомы или молекулы превращаются в заряженные частицы (ионизируются) и разгоняются в электрическом поле. Разогнанный пучок ионов далее подвергается действию магнитного поля, которое, как известно со времен Лоренца, отклоняет движущиеся заряженные частицы, причем так уж вышло, что при постоянной индукции поля угол отклонения зависит только от массы частицы, деленной на её заряд (m/z). А отсюда можно получить массу частицы (заряд однозначно определяется из величины изотопного сдвига). Если метод ионизации достаточно мягкий, и не разрывает молекулу на части, то из массы частицы можно получить молярную массу молекулы. А если использовать масс-спектрометрию высокого разрешения, то получится точная масса частицы, из которой можно однозначно вычислить брутто-формулу частицы, то есть её состав.

Есть также методы, подразумевающие фрагментацию молекул (например EI) и спектроскопия вторичных и даже третичных ионов. Во-первых эти методы дают абсолютно уникальные МС-паттерны веществ, что очень полезно при анализе смесей, а во-вторых, различные фрагментации, перегруппировки и вторичные ионы могут кое-что сказать о структуре знающему человеку.

Так выглядит типичный масс-спектр. Это спектр низкого разрешения, спектры высокого более информативны, но намного более "загруженные" и не такие наглядные.

Принципиально масс-спектрометр состоит из следующих частей:

-Ионизатор. Кэп сообщает, что ионизатор ионизирует. Способов ионизации - десятки под самые разные задачи. Наиболее популярными у органиков являются методы ESI и APPI, где раствор вещества с ионизирующей добавкой распыляется в высоком вакууме, и MALDI, в котором ионизация производится с помощью лазерных импульсов. Последнее время набирает популярность DART.

-Масс-анализатор. Он отвечает за "дифференциацию" частиц по величине m/z. В простейшем случае это просто катушка, наводящая постоянное магнитное поле. Сейчас такая схема почти не используется, анализаторы делают на основе времяпролетных камер TOF, квадрупольных систем или орбитальных анализаторов типа ORBITRAP или ион-циклотронного резонатора. Также применяют тандемные двойные и даже тройные анализаторы.

-Масс-детектор. Тут всё просто, если не залезать в ICR. Большинство детекторов работают либо как ФЭУ, либо детектируют ионный ток.

MALDI масс-спектрометры. Верхний похож на автомат с газировкой =) Нижний похож на пианино, но намного круче.

Популярная линейка времяпролетных и тандемных масс-спектрометров. Поддерживают несколько ионизаторов - ESI, APCI, APPI, сопрягаются с ВЭЖХ.

Для рутинных измерений пределом измеряемых масс считается 10 кДа для ESI/APPI и 20-30 кДа для MALDI. Однако в отдельных случаях поднимают молекулы массой в сотни тысяч дальтонов.

Плюсы метода:

-Высокая чувствительность. На масс-спектроскопию требуются даже не десятые - сотые доли миллиграмма. В таких количествах вещество даже глазами-то не увидишь. Мы кладем одну крупинку - этого всегда хватает.

-Высокое разрешение. HRMS по сути является методом элементного анализа отдельных молекул.

-Сейчас разработана целая куча методов ввода и ионизации пробы, позволяющих анализировать образцы любого вида - твердые, жидкие. Можно делать анализ прямо с пластины ТСХ. Можно подключить хроматограф.

-Экспрессность. В принципе, анализ идет 2-3 минуты.

Минусы:

-Низкая репрезентативность. Масс-спектрометрия может вытянуть какую-нибудь хорошо ионизирующуюся примесь, присутствующую на уровне миллионных долей, и в спектре она будет выглядеть основным компонентом

-Не всё и не всегда можно ионизировать. Тем более если доступен ограниченный набор методов ионизации.

-Структурной информации масс-спектр дает не очень много.

Стоимость приборов варьируется в широких пределах - от 1.5 млн.р. за спектрометр EI с квадрупольным детектором до 50-70 млн.р. за ион-циклотронный спектрометр (цена взята почти с потолка, если кто имеет инфу по ценам на ICR, поправьте). Наиболее ходовые ESI-TOF спектрометры, например те, что на картинке выше, идут от 5 до 10 млн.р, MALDI чуть подороже - от 10 до 15 млн.р.

2)Рентгеновская дифракция на монокристаллах. Часто называют рентгеноструктурным анализом или РСА. Метод заключается в том, что дифракционная картина, наблюдаемая при облучении монокристалла вещества рентгеновским излучением (по-старому лауэграмма), позволяет путем очень сильного колдунства определить координаты атомов (кроме атомов водорода) в ячейке кристалла.

Плюсы очевидны - на выходе ты получаешь набор координат атомов, то есть полную 3D модель молекулы. Почти полную, так как атомов водорода метод не видит. Их достраивают потом с помощью расчетов, но они не так и важны, главное - остов молекулы. Из этих данных можно извлечь массу полезной информации - длины связей, расстояния между атомами, межплоскостные расстояния, упаковку молекул в кристалле и т.д.

Когда речь идет об установлении структуры - против РСА не попрешь. Если данные ЯМР, МС и уж тем более ИК-спектроскопии являются, строго говоря, косвенными и допускают трактовку, то данные РСА, проведенного с кристалла надлежащего качества, оспорить уже не получится. Именно с помощью РСА были установлены структуры ДНК, его используют для изучения белков, рецепторов и других биологических объектов. Кроме того, как ни странно, метод довольно бюджетный. Прибор стоит сравнимо с масс-спектрометром и намного дешевле ЯМР, расходки тратится минимум. Плюс, ввиду простоты схемы прибор практически не устаревает морально, а простота конструкции обеспечивает надежность. Единственный, по сути, источник поломок - источник излучения.

Лауэграмма. Старая, записана на фотопластину. Сейчас получается примерно такое же, но на компьютере.

Минусы не так очевидны, но тем не менее существенны, и именно из-за них рентгеноструктурный анализ в настоящее время проигрывает ядерному магнитному резонансу.

-Самый главный минус - нужен кристалл. Далеко не все органические вещества стремятся образовывать кристалл. Многие из них существуют в виде масел, порошков, аморфных фаз. Причем, по закону подлости, чем сложнее структура вещества, тем сложнее из него вырастить кристалл. Причем кристалл нужен не абы какой - низкодеффектный, достаточно крупный (сотни микрон, причем по всем измерениям - пластинчатые и игольчатые кристаллы не подойдут). Есть РСА на синхротронном излучении, он позволяет провести структурный анализ значительно более мелких кристаллов, но синхротроны во всём мире по пальцам можно пересчитать. Существует больше десятка различных методов выращивания монокристаллов, и когда растят кристаллы сложных веществ на РСА, ставят одновременно по 10-20 образцов по разным методам, чтобы повысить вероятность успеха.

Вероятность, что вещество можно будет растворить в дейтерированном растворителе и сдать на ЯМР, намного, нет, НАМНОГО выше вероятности вырастить из него пригодный для РСА кристалл.

-Второй минус имеет схожую природу. Представьте себе такую ситуацию: химик Вася получил вещество. Насколько оно чистое? 90%? 95%? 98%? Вася не знает. И ставит Вася кристаллизацию. И вырастает у Васи кристалл, большой и красивый. Вася несет его на РСА, устанавливает структуру... А потом бац - и элементник-то не сходится. И ЯМР тоже другую структуру дает. А всё почему - потому, что примесь, зараза, оказалось очень хорошо кристаллизующейся. Вот это, примесный кристалл Вася-то и понес на РСА. Говоря языком химиков, репрезентативность хреновая оказалась.

-Третий минус - это минус, обусловленный человеческим фактором (сейчас будет минутка баттхерта). Не знаю, как и почему так сложилось, но в самых разных странах, институтах и научных группах специалисты по РСА обладают невероятно высоким ЧСВ. Даже не столько ЧСВ, это хрен бы с ним, сколько неуёмной публикационной жадностью. Где бы я ни работал, сколько бы ни общался с коллегами - везде одна и та же история: при публикации статьи рентгенщики требуют включения себя в список авторов за любое рутинное измерение. Доходило до смешного - у меня есть статья, в которой снят один-единственный абсолютно рядовой РСА, и для того, чтобы мне его сняли, мне пришлось включить в соавторы 3 (трех, Карл!) человек. В тот момент я находился на стажировке, был человеком полностью подневольным, я изложил начальнику ситуацию, он сказал, что придется их включить. Сейчас я бы в ответ на такой демарш предложил бы авторам идеи прогуляться на три буквы. Благо, специфика моей нынешней тематики практически исключает возможность использования РСА.

При этом я бы не сказал, что съемка и решение рутинных РСА отличается какой-то особенной трудоемкостью или сложностью. Съемка стандартного набора корреляционных ЯМР-спектров (COSY, NOESY, HMBC, HSQC) занимает куда больше времени, да и с точки зрения интеллектуальной нагрузки явно не проще. При этом я ни разу не видел, чтобы ЯМР-щики требовали включить их в авторы за рутинные спектры, пусть даже в статье их несколько сотен. Один из моих начальников, у которого я работал в Германии, даже купил за свои деньги подержанный дифрактометр и сам снимал РСА для своей научной группы, ибо условия, выдвигаемые местными рентгенщиками, были для него абсолютно неприемлемы. Есть такая народная примета - если видишь человека с явно неадекватным возрасту числом публикаций, причем по абсолютно разным темам - скорее всего перед тобой рентгенщик.

Монокристальный дифрактометр. Про него и говорить-то особо нечего.

Съемка РСА выглядит следующим образом - берем выращенные кристаллы (их всегда вырастает много) и идем под микроскоп. Визуально выбираем самый красивый - прозрачный, равномерно преломляющий, правильной формы. Вынимаем его в масло и переносим на холдер в капле масла или клея. Холдеры бывают разные, я работал с петельными холдерами. Далее монтируем холдер в прибор, устанавливаем с помощью камеры и лазерного прицела кристалл правильно, и делаем пробный скан - это три-пять минут. По этому скану видно, хороший кристалл или нет. Если хороший - термостатируем, запускаем запись дифрактограммы и идем пить чай - прибор всё сделает сам. Время записи варьируется от 20-30 минут до нескольких дней, однако на практике рентгенщики крайне редко соглашаются ставить кристалл больше, чем на ночь. Кристаллы органических веществ, ввиду большого количества водорода и конформационной подвижности молекул, обычно снимают при низких температурах. Чаще всего при 100К.

По окончании измерения прибор попытается решить дифрактограмму сам. С большой вероятностью у него это не получится или получится с плохой сходимостью, поэтому надо будет дорешать вручную. Ну, как вручную - в специальном софте ShelX или его немногочисленных аналогах. Иногда приходится делать более сложные телодвижения - оптимизировать структуры квантово-механическим расчетом, а потом коррелировать симулированную на основании этого дифрактограмму с экспериментальной. Но это приходится делать самому, рентгенщики скажут "кристалл не решается, давайте другой".

Отличия между разными моделями дифрактометров малы (рентгенщики, конечно, будут возражать, но по сравнению с бесконечным разнообразием, скажем, хроматографов или масс-спектрометров различия между дифрактометрами выглядят совершенно мизерными). Актуальных цен я не знаю, но полагаю, что речь идет о суммах в пределах 10 млн.р., если речь не идет о топовых приборах. Цен на синхротроны я не знаю, так как это уникальное оборудование и рынка этих приборов нет. Но суммы явно астрономические. Обычно если кому-то нужно сделать РСА на синхротроне, они просто едут туда, где он есть.

Ещё есть рентгенофазовый анализ, это дифракция рентгеновского излучения на поликристаллических порошках, но он дает совершенно другую инфу.

3)ИК-спектроскопия. Спектроскопия поглощения в области инфракрасного излучения. А также примкнувшая к ней спектроскопия комбинационного рассеяния ака Раман. Излучение ИК-диапазона - это в первую очередь тепловое излучение. Вы легко можете его почувствовать, скажем, сидя у камина - именно оно, а отнюдь не горячий воздух, является основным каналом переноса тепла в данном случае. Самая дефолтная для органиков ИК-спектроскопия производится в диапазоне 4000-400 см^-1. Исторически именно в таких извратных единицах, называемых волновыми числами, измеряется длина волны в ИК-спектроскопии.

Энергии фотонов, находящихся в диапазоне 4000-400 см-1 в основном соответствуют переходам между колебательными энергетическими уровнями молекулами. В переводе на человеческий язык - полосы поглощения в ИК-спектрах соответствуют в основном колебаниям длин химических связей и углов между ними. И всё бы было хорошо, но есть нюанс - связей в молекуле много, и все (почти) очень похожие. Поэтому область примерно от 1500 до 700 см-1 заполнена туевой хучей перекрывающихся полос и носит гордое название "область отпечатков пальцев". При желании там можно найти что угодно, даже парный носок. Область выше 2700 см-1 заполнена сигналами связей с атомами водорода, и тоже зачастую не особо информативна.

Самая мякотка начинается в области от 2500 до 1500 см-1. Там кучкуются сигналы функциональных групп - карбонильные, тиокарбонильные, иминные, нитрильные, нитро- и нитрозосоединения, всякие диазогруппы, различные цианиды-цианаты-изонитрилы, сульфоксиды. Поэтому главным образом ИК-спектроскопия используется именно для анализа функциональных групп. По идее, здесь ещё должны быть всякие двойные и тройные C-C связи, но из-за низкого их дипольного момента (обычно) они нифига не видны. Есть ещё область ниже 700 см-1, в которой видны различные полосы, характерные для комплексов переходных металлов, что тоже бывает полезно. Помимо диапазона 4000-400 см-1 есть приборы и под другие диапазоны ИК-области. Однако данные, получаемые из таких спектров, мало что дают в плане установления строения вещества.

Раман-спектроскопия выглядит немного по-другому: образец облучают видимым светом, который при рассеянии на веществе теряет немного энергии и возвращается обратно. Вот это самое "немного" и соответствует тем же энергиям, что и 4000-400 см-1 в ИК-спектроскопии, поэтому и валят Раман в одну кучу с ИК. Однако есть нюанс - в ИК чем больше дипольный момент колеблющейся связи, тем интенсивнее её поглощение. А в Рамане всё наоборот - чем меньше дипольный момент, тем интенсивнее поглощение (ах, простите, неупругое рассеяние). Поэтому эти методы неплохо дополняют друг друга. Плюс, в силу технических причин, Раман, а точнее, Рамановскую микроскопию, очень хорошо использовать для исследования поверхностей, но об этом в другой раз.

ИК-спектр диоктилфталата. Этот диоктилфталат повсюду - его используют как пластификатор во многих полимерах. В данном случае, по старой традиции, по оси ординат не поглощение, а пропускание.

ИК-спектры, аналогично ЯМР, сейчас снимают в импульсном режиме с последующим преобразованием Фурье. Раньше в ИК использовали солевую оптику - натурально, призмы и прочие элементы из здоровенных кристаллов солей, боящиеся влажности. Хранили их в специальных коробках с осушителями. Сейчас, к счастью, в серийных приборах от этого уже отказались. Образец можно снимать в газовой фазе растворе, в таблетке (берут вещество твердое или жидкое, растирают с ИК-прозрачным материалом таблетки, обычно это бромид калия, и формуют таблетку в прессе), в пленке. Но самый лучший и удобный вариант - НПВО или ATR - неполное внутреннее отражение. Для этого существует специальная приставка с призмой (обычно алмазной, так-то!), на призму просто капают или кладут кристаллик вещества и прижимают сверху. И всё, образец готов к съемке.

FTIR спектрометр. Как раз с ATR приставкой. Ручка - для прижимного устройства, под ним смонтирована алмазная призма.

Из плюсов метода - очень низкая цена анализа, особенно с ATR. Правда, приставка ATR стоит как пол-спектрометра, но оно того стоит. ATR дает и более важное преимущество - экспрессность, один анализ занимает минуту-две. Ну и прибор всеяден в плане агрегатного состояния образца - хоть жидкость, хоть порошок, хоть аморфная жвачка - снимет всё! Область отпечатков пальцев, кстати, не совсем бесполезна - это по сути довольно индивидуальная сигнатура вещества. Поэтому по ИК довольно удобно осуществлять контроль за содержанием и чистотой вещества, имея на руках известный спектр.

Минусы - спектр дает не так много структурной информации. Расшифровать строение сколько-нибудь сложной молекулы, имея на руках только ИК-спектр практически невозможно. ИК-спектроскопия скорее идет в дополнение к ЯМР и масс-спектрометрии, и служит для анализа функциональных групп, которые не всегда однозначно можно определить ЯМРом.

Стоимость самого прибора - 3-5 млн.

4)Напоследок расскажу про элементный анализ. Наиболее применимым для органических соединений является комбустионный C,H,N,(S, Hal) - анализ. Принцип работы прост как дрова - навеска вещества сжигается в кислороде в присутствии катализатора, в результате чего получаются газы - CO2 из углерода, H2O из водорода, N2 из азота, SO2 из серы и т.д. Дальше это всё поступает в газовый хроматограф, где с высокой точностью измеряются количества этих газов. Зная массу исходной навески и кол-ва газов, можно рассчитать содержание соответствующих элементов в навеске. Выдает просто цифири, например - С 37.42%, H 4.12%, N 6.11% ну и остальные...

Помимо этого метода есть ряд альтернативных деструктивных методов элементного анализа. Например, определение азота по Кьельдалю или Дюма, для определения галогенов тоже есть свои методы.

Современный CHN-анализатор. Так и не скажешь, что внутри происходит сжигание труповобразцов.

Помимо этого, есть ещё 1000 и 1 метод элементного анализа - ICP-MS, AES, AAS, XRF, XPS, EXFAS, Мёссбауэр и ещё 994 других, о которых я даже и не знаю. Они заточены под анализ ядер более тяжелых, чем водород, углерод, азот и кислород, составляющие большую часть органических соединений. Конечно, все эти элементы (кроме водорода) могут быть определены, скажем, тем же ICP или XRF, но точность будет на порядок, а то и на два ниже, чем у старого доброго CHN-анализатора.

Главное преимущество CHN метода состоит в том, что это валовый метод анализа. Это значит, что данные анализа абсолютно репрезентативны и отражают состав образца как единого целого, вне зависимости от того, какие вещества в него входят. В ЯМР не видно неорганики. В масс-спектре может быть не видно основной компонент или примесные пики по интенсивности могут быть на порядок больше основных. В ИК вообще может быть видно что угодно. А вот элементный анализ как штык - сколько атомов есть, столько и покажет.

Из минусов - метод капризный и довольно трудоемкий. К тому же, хоть сейчас и есть приборы, которым достаточно 0.5 мг на анализ, но рядовые приборы жрут по 5-10 мг, причем с концами - сжигают их. Если для середины прошлого века, когда получать меньше 100 мг вещества было моветоном, это и не было проблемой, то сейчас, когда 5 мг достаточно для всей спектроскопии, такие аппетиты неуместны. Кроме того, метод дает адекватную информацию только для очень чистых веществ. То есть 98% чистоты, которые считаются достаточными для применений, связанных с синтезом, дадут отвратительный элементник. И вот оно надо - тратить на доочистку под элементник больше времени, чем на синтез и спектроскопию, вместе взятые? Ну, и наконец, никакой информации о строении тут извлечь нельзя - только состав, только хардкор.

Стоит такой анализатор от 1-5 млн.р. в зависимости от бренда и опций.

Описанный выше набор приборов так или иначе необходим для полноценной работы органика-синтетика. Такие приборы редко покупают на группу, даже не столько в силу цены (ИК-спектрометр, скажем, или настольный ESI-MS, вполне доступен состоятельной научной группе), сколько из-за того, что одна группа вряд ли сможет предоставить приборам достаточную загрузку. Хотя, бывают и исключения - в одной из групп, где я работал, на 8 взрослых сотрудников был свой ИК, два масс-спектрометра, ESI/APPI и MALDI, и даже РСА. Но это скорее исключение из правил и заслуга завлаба, который умудрялся доставать эти приборы задешево абсолютно непостижимыми путями. В норме же такие приборы покупают на кафедру. Если покупают на институт, берут несколько приборов с различным оснащением.

Итак, сегодня мы разобрали приборы, необходимые для анализа строения органических веществ. Впереди у нас методы анализа поверхности и строения материалов. В этой теме я не так силен, поэтому рассказ будет довольно поверхностный.

На сегодня всё!

Баянометр выдаёт какую-то фигню. Абсолютно не понимаю, как он работает, толку с него ноль. Комменты для минусов внизу.