Первый прибор масс-спектрограф был сконструирован Томсоном в 1912 году. Масс-спектрометрия основана на определении массового состава газовой среды, полученной при ионизации исходного вещества. Объектами могут служить все вещества независимо от их химической природы, при этом требуется небольшое его количество. Масс-спектрометрию используют для определения относительной молекулярной массы веществ, которую зачастую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).

Рассмотрим принцип действия масс-спектрометра. Образец вводится в ионизационную камеру, где молекулы превращаются в ионы. Отрицательные оседают на положительно заряженных стенках и разряжаются. Положительные ускоряются под действием большой разности потенциалов и попадают в вакуумный объем, имеющий вид полуокружности. Приложив внешнее магнитное поле, ионы начинают двигаться по определенной траектории и попадают на детектор. Регистрация спектра заключается в определении отношения массы иона к его заряду для всех положительно заряженных фрагментов, образующихся при ионизации. Схема вышеозначенного устройства показана на рис. 1.

Ниже представлено уравнение, которое отражает физический принцип работы масс-спектрометра, то есть условий регистрации для различных значений отношения массы иона к его заряду:

где m/e – отношение массы иона к его заряду, H – напряженность магнитного поля, V – разность потенциалов, r – радиус кривизны вакуумной камеры.

Выполнение уравнения возможно достичь только при плавном непрерывном изменении по параметрам r, V и H. Радиус кривизны вакуумной камеры r, а в конечном счете и траектория движения ионов, остаются постоянными (r=const). Кроме того, на практике проще менять напряженность электрического поля, чем магнитную индукцию. Тогда при постоянных значениях r, H отношение m/e обратно пропорционально V:

С помощью метода масс-спектрометрии можно решать следующие задачи: определение изотопного состава, определение примесей в чистых веществах, идентификация химических соединений, определение потенциалов ионизации и энергий диссоциации, определение давления паров мало летучих веществ и теплот их испарения и сублимации, качественный и количественный анализ. Помимо этого, масс-спектрометры используют и в космических условиях (изучение космического пространства, химического состава космической пыли, собственной атмосферы космических аппаратов). Современные масс-спектрометрические методы очень хорошо подходят для анализа природных соединений, поскольку дают возможность получать информацию о точных молекулярных массах, структуре, то есть каким образом отдельные структурные фрагменты соединены друг с другом в составе молекулы, и количественном содержании. Кроме того, по данным масс-спектра можно сделать вывод относительно размера и структуры углеродных заместителей, что трудно установить другими методами.