Мас спектральний аналіз. Що таке мас-спектрометрія і навіщо вона потрібна

ЧЕЛЯБІНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Хімічний факультет

Курсова робота на тему
«Мас-спектрометричний метод аналізу»

Виконав: студент гурту Х-202
Меньшенін О.М.

Перевірила: Даниліна Є.І.

Лінійна іонна пастка відрізняється від тривимірної (рис. 2.6) тим, що вона замикає іони вздовж осі квадрупольного аналізатора мас, використовуючи двовимірне (2D) радіочастотне (RF) поле з потенціалами, прикладеними до кінцевих електродів. Основна перевага лінійної пастки перед 3D – більший обсяг аналізатора, який сам собою значно збільшує динамічний діапазон і покращує діапазон кількісного аналізу.
Обмеження іонної пастки: сканування іона-попередника, «правило однієї третини» та динамічний діапазон.

Головними обмеженнями даних можливостей іонної пастки, які утримують її від того, щоб бути досконалим засобом для фармакокінетики та протеоміки, є наступні: 1) здатність давати високу чутливість одночасно для потрійного квадрупольного сканування іона-попередника, і для експериментів із середнім згасанням неможлива для іонних . 2) Верхня межа співвідношення між m/z попередника та найдрібнішого спійманого фрагмента становить приблизно 0.3 (також відомо як «правило однієї третини»). Ілюстрацією правила однієї третини є те, що фрагментарні іони від m/z 900 не будуть детектувати при m/z менше 300, накладаючи значні обмеження на чергове секвенування пептидів. 3) Динамічний діапазон іонних пасток обмежений тим, що при занадто великій кількості іонів усередині пастки просторові впливи зарядів обмежить представництво аналізатора. Щоб обійти це, автоматичні сканери швидко перераховують іони перед тим, як ті потраплять у пастку, тим самим обмежуючи кількість іонів, що увійшли. Але такий підхід становить проблему, якщо потрібний іон супроводжується великим тлом інших іонів.

Двофокусуючий магнітний сектор

Перші аналізатори мас поділяли іони з допомогою магнітного поля. У магнітному аналізі іони прискорюються в магнітному полі за допомогою електричного. Заряджені частинки, що рухаються в магнітному полі, рухатимуться по дузі, радіус якої залежить від швидкості іон, сили магнітного поля та m / zі вона. Мас-спектр виходить скануванням магнітного поля та спостереженням того, як іони потрапляють фіксований точковий детектор. Обмеженням магнітних аналізаторів є відносно мале дозвіл. Щоб поліпшити його, магнітні прилади модифіковані з додаванням електростатичного аналізатора, щоб сфокусувати іони. Такі пристрої називаються двосекторними. Електричний сектор служить як елемент фокусування кінетичної енергії, дозволяючи лише іонам із певною кінетичною енергією проходити через поле, незалежно від їх m / zвідносини. Тобто додавання електричного сектора дозволяє лише іонам з однаковою енергією досягати детектора, тим самим зменшуючи розкид кінетичної енергії, що, у свою чергу, збільшує роздільну здатність. Слід зазначити, що збільшення дозволу викликає відповідне зменшення чутливості. Такі двофокусуючі (рис. 2.7) аналізатори мас використовуються спільно з ESI, FAB і EI, проте вони нешироко використовуються зараз, в основному, через їх великі розміри та успішність прольотних, квадрупольних і FTMS аналізаторів з ESI і

Квадрупольна-часпролітна тандемна мас-спектрометрія

Лінійний часпролітний (TOF) аналізатор мас ( Рис. 2.7) є найпростішим аналізатором мас. Він пережив відродження з винаходом MALDI та його поточне застосування для електроспрею та навіть газової хроматографії з мас-спектрометрією електронною іонізацією (GC/MS). Часопролітний аналіз заснований на прискоренні групи іонів у напрямку детектора, при якому всім іонам повідомляється однакова енергія за допомогою прискорюючого потенціалу. Так як іони мають однакову енергію, але різну масу, легкі іони досягають детектора першими через їх більшу швидкість, в той час як важкі іони летять довше через їх більшу масу і, відповідно, більш низьку швидкість. Тому аналізатор був названий прольотним, тому що маса в ньому визначається за часом прибуття іонів. Маса, заряд та кінетична енергія – все це вносить свій скарб під час прибуття іона до детектора. Оскільки кінетична енергія (KE) іона дорівнює ½ mv 2 швидкість іона може бути представлена ​​як v = d/t = (2KE/m) ½ . Іони проходять відстань d за час t, а t залежить від m / z. У цьому рівнянні v = d/t = (2KE/m) ½ приймаючи z = 1. Іншим уявленням цього рівняння, більш чітко показує, як визначається маса, є m=2t 2 KE/d 2 , де KE= const .

Часпролітний рефлектрон ( Рис. 2.8) зараз широко використовується для ESI, MALDI, а останнім часом і для застосування електронної іонізації для ГХ/МС. Він комбінує часопролітну технологію та електростатичне дзеркало. Рефлектрон служить для збільшення часу (t), який потрібно іонам, щоб досягти детектора, при цьому зменшуючи розподіл кінетичної енергії, тим самим зменшуючи тимчасовий розподіл Δt. Так як роздільна здатність визначається як маса піку, поділена на його ширину або m/Δm (або t/Δt, так як m пропорційна t), збільшення t і зменшення Δt призводить до зростання дозволу. Тому TOF рефлектрон дає більш високу роздільну здатність порівняно з простим приладом TOF за допомогою збільшення довжини шляху та фокусування енергії за допомогою рефлектрону. Потрібно відзначити, що збільшена роздільна здатність (зазвичай вище 5000) і чутливість на TOF рефлектроні значно зменшується при високих масах (зазвичай при m / zпонад 5000).

Іншим типом тандемного аналізу мас, MS/MS, є також можливе комбінування MALDI та TOF рефлектрону. MS/MS здійснюється з особливості MALDI - фрагментації, яка відбувається після іонізації, або розпадом після джерела (PSD). Часопролітні прилади самі по собі не поділяють пост-іонізаційні фрагментарні іони від одного і того ж іона-прекурсора, тому що і прекурсор, і фрагментарні іони мають однакову швидкість і тому досягають детектора в один і той же час. Рефлектрон дає перевагу в тому, що фрагментарні іони мають різну кінетичну енергію і поділяються на підставі того, як глибоко іони проникають у поле рефлектрону, тим самим даючи спектр фрагментарних іонів (мал. 2.9 і 2.10 ).

Потрібно зауважити, що електроспрей також був адаптований під TOF рефлектронні аналізатори, в яких іони з безперервного джерела ESI-джерела накопичуються в гексаполярному (або октаполярному) іонопроводі, а потім виштовхуються в TOF аналізатор. Тим самим, необхідна електростатична імпульсність створює точку відліку, з якої можна починати вимірювання TOF.

MALDI та часпрольотний аналіз

На початкових етапах розвитку MALDI-TOF ці прилади мали відносно низьку роздільну здатність, яка серйозно обмежувала їх точність. Нововведенням, яке справило суттєвий ефект на збільшення роздільної сили MALDI часпрольотних приладів було відкладене вилучення (DE), як показано на Рис. 2.11. Теоретично, відкладене вилучення означає просто охолодження і фокусування іонів відразу після акту MALDI, але практично спочатку було проблемою включати і вимикати імпульси в 10000 вольт за наносекунди.

У традиційних приладах MALDI іони прискорюються з пристрою іонізації відразу після утворення. Однак, відкладене вилучення іонів дозволяє їм "охолонути" протягом ~150 наносекунд перед прискоренням в аналізатор. Цей період охолодження генерує набір іонів з набагато меншим розподілом кінетичної енергії, значно зменшуючи часовий розкид іонів, коли вони входять до TOF аналізатора. Загалом, це призводить до збільшення роздільної здатності та точності. Вигоди відкладеного вилучення значно скорочуються великих макромолекул, як-от білки (>30000 Так).

Квадрупольна часопролітна мас-спектрометрія

Квадрупольні пролітні аналізатори мас зазвичай поєднуються з пристроями іонізації електроспрею, а останнім часом успішно поєднуються з MALDI. ESIquad-TOF ( Рис. 2.12) комбінує стабільність квадрупольного аналізатора з високою ефективністю, чутливістю та точністю часопролітного рефлектронного аналізатора мас. Квадруполь може виступати як простий квадрупольний аналізатор, щоб сканувати певний діапазон m / z. Однак він може бути також використаний, щоб селективно виділити іон-прекурсор і направити його в осередок зіткнення. Фрагментарні іони, що виходять, потім аналізуються TOF рефлектронним аналізатором мас. Квадрупольний TOF використовує здатність квадруполя виділяти окремий іон і здатність TOF-MS здійснювати одночасне і точне вимірювання іонів по всьому діапазону мас протягом короткого періоду часу. Квадрупольні TOF аналізатори видають більшу чутливість та точність, ніж тандемні квадрупольні прилади при отриманні повних фрагментарних мас-спектрів.

Квадрупольний TOF прилад може використовувати квадрупольний або TOF аналізатор незалежно або спільно для тандемних MSекспериментів. TOF компонент приладу має більший m / zмежа, що перевищує 10000. Висока роздільна здатність (~10000) TOF також забезпечує хорошу точність вимірювання маси – близько 10 ppm. Через свою високу точність і чутливість, ESIquad-TOF мас-спектрометр впроваджуються у вирішення проблем протеоміки та фармакокінетики.

FTMS заснована на принципі спостереження за орбітальним рухом заряджених частинок у магнітному полі ( Рис. 2.13-14). Поки іони рухаються орбітами, імпульсний радіочастотний (RF) сигнал використовується їхнього збудження. Це збудження RF дозволяє іонам продукувати помітний екрануючий струм, вводячи їх в когерентний рух і збільшуючи радіус орбіти. Екрануючий струм, що генерується всіма іонами, може бути потім Фур'є-перетворений, щоб отримати складові частоти різних іонів, які співвідносяться з їх m / z. Так як частоти можуть бути визначені з високою точністю, відповідні їм m / zтакож можуть бути обчислені з високою точністю. Важливо відзначити, що сигнал генерується лише когерентним рухом іонів в умовах ультрависокого вакууму (10-11-10-9 Торр). Цей сигнал повинен бути виміряний за мінімальний час (зазвичай від 500 мс до 1 секунди), щоб забезпечити високу роздільну здатність. У міру збільшення тиску сигнал загасає швидше, внаслідок втрати когерентності руху через зіткнення (наприклад, менше ніж за 150 мс) і не дозволяє провести вимірювання з високою роздільною здатністю ( Рис. 2.14).

Крім високого дозволу, FTMS також має здатність забезпечувати експерименти з багаторазовими зіткненнями (MS n). FTMS здатна виключити всіх іонів, крім потрібного. Виділений іон потім піддається зіткненню з газом (або іншій формі збудження: лазерного опромінення або електронного захоплення) для фрагментації. Аналіз мас може бути проведений для фрагментів, щоб отримати спектр фрагментації. Висока роздільна здатність FTMS/MS також дає точні вимірювання мас фрагментів.

FTMS є досить новим методом для біомолекулярного аналізу, але безліч її переваг роблять її дедалі цікавішою. Зараз стає все більш звичайним поєднання ультрависокого дозволу (>10 5) FTMS з великою різноманітністю способів іонізації, включаючи MALDI, ESI, APCI та EI. Результатом високої роздільної здатності FTMS аналізатора є висока точність (часто порядку ppm) як показано для білка на Рис. 2.16де можна бачити окремі піки ізотопів. Фур'є перетворення сигналу ICR значно збільшує зручність ICR за рахунок одночасного вимірювання частот, що перекриваються, вироблених всередині осередку ICR. Індивідуальні частоти можуть бути легко і точно переведені в m / zіонів.

Загалом збільшення магнітного поля (B) надає сприятливий ефект на характеристики. Фур'є перетворення IRC сигналу, вимірюючи частоти, що перекриваються одночасно, дозволяє досягти високої роздільної здатності і великої точності визначення мас без відповідного зменшення чутливості. Це – чітка відмінність від двосекторними приладами, які схильні до втрат чутливості при найвищих роздільній здатності та точності. Високі можливості роздільної здатності FTMS прямо пов'язані з полем FTMS надпровідного магніту, так як збільшення дозволу прямо пропорційно полю. Іонна місткість, як і MS/MS експерименти з кінетичної швидкості збільшуються пропорційно квадрату величини поля, збільшуючи динамічний діапазон і фрагментарну інформацію. Однією з перешкод у збільшенні B є ефект магнітного дзеркала, коли перенесення іонів всередину магнітного поля стає все більш важким через магнітні силові лінії. Також виготовлення високопідлогових магнітів з великими отворами чудовою гомогенністю поля (для IRC) стає технічно все більш складним.

Магнітне поле впливає на FTMS обладнання наступними шляхами :

Так як частота іона = K * B * z / m, більше магнітне поле забезпечує більшу частоту для того ж m / zтому генерується більше опорних точок для більш точного визначення частоти, що ще більше збільшує точність ( Рис. 2.17).

Квадрупольна FTMS та квадрупольна іонна пастка FTMS аналізатори мас, які останнім часом стали використовуватися, зазвичай поєднуються з ESI пристроями. Квадрупольна FTMS поєднує стабільність квадрупольного аналізатора з високою точністю FTMS. Квадруполь може діяти як будь-який простий квадрупольний аналізатор для сканування за діапазоном m / z. Однак він також може бути використаний для селективного обирання іона-прекурсора та направлення цього іона в осередок зіткнень або на FTMS. Отримані прекурсор та фрагментарні іони можуть бути аналізовані за допомогою FTMS.

Проведення MS/MS експериментів поза магнітним полем надає деякі переваги, так як висока роздільна здатність у FTMS залежить від високого вакууму. MS/MS експерименти включають зіткнення при встановленому високому тиску (10 -6 - 10 -7 Торр), яке потім необхідно зменшити, щоб досягти високого дозволу (10 -10 - 10 -9 Торр). Проведення MS/MS експериментів поза осередком, тим самим, виявляється швидше, оскільки в IRC осередку може підтримуватися ультрависокий вакуум. Це робить нове гібридне компонування приладу оптимальним порівняно з комбінацією FTMS/MS з методами поділу, такими як РХ.

Таблиця 2.2. Загальне порівняння аналізаторів мас, які зазвичай використовуються спільно з ESI. Ці значення можуть змінюватись в залежності від виробника приладу.

Що відбувається із зразками крові, яку ви здаєте на клінічний аналіз? Скільки важить ваш гемоглобін? Яким чином вчені взагалі зважують молекули - найдрібніші частинки речовини, які неможливо побачити чи торкнутися? Про це в рамках рубрики «Просто про складне» T&P розповіла студентка 5-го курсу кафедри хімічної фізики ФМХФ, співробітниця лабораторії іонної та молекулярної фізики МФТІ Катерина Жданова.

Дуже часто методи досліджень цікавлять лише фахівців у конкретних галузях і залишаються в тіні фундаментальніших проблем, наприклад походження життя або принципів роботи людської свідомості. Проте для пошуку відповіді на «головне питання життя, Всесвіту та решти» спочатку необхідно навчитися відповідати на питання простіші. Наприклад, як зважити молекулу? Прості ваги тут навряд чи допоможуть: маса молекули метану - близько 10 ^ (-23) грам. Молекула гемоглобіну, великого та складного білка, важить у кілька разів більше – 10^(-20) грам. Зрозуміло, що потрібен якийсь інший підхід до проблеми, адже звичні вимірювальні прилади до неї не застосовні. Треба також розуміти, що, зважуючи в магазині яблука або стаючи на терези після тренувань, ми насправді вимірюємо силу, що діє на прилад - терези. Потім уже відбувається перерахунок у звичні нам одиниці – грами та кілограми.

Але як зважити молекулу? Тут природа залишила нам лазівку. Виявляється, заряджені частинки «відчують» присутність електричного та магнітного поля та змінюють траєкторію та характер свого руху. На заряджені частинки також діють сили, величину яких можна перерахувати щодо маси заряду. Цей метод сьогодні досить популярний і називається мас-спектрометрією. Першовідкривачем мас-спектрометрії вважається сер Дж. Дж. Томсон, нобелівський лауреат з фізики. Він звернув увагу на те, що заряджені частинки рухаються в магнітному полі параболічними траєкторіями, пропорційними відношенню їх маси до заряду.

Схема роботи мас-спектрометра складається з кількох етапів. Насамперед аналізована речовина має пройти іонізацію. Потім воно потрапляє в систему іонного транспорту, яка має доставити заряджені частки мас-аналізатор. У мас-аналізаторі відбувається поділ іонів залежно від ставлення маси до заряду. Насамкінець іони потрапляють на детектор, дані з якого аналізуються за допомогою спеціального програмного забезпечення. Отримана таким чином картинка є спектром, тобто розподілом частинок. Одна з осей цього графіка – відношення маси до заряду, друга – інтенсивність. Кожен із піків на такому графіку буде характерним для іонів конкретної речовини, тому потрапляння в прилад сторонніх речовин, наприклад, повітря може призвести до спотворень результатів. Щоб уникнути цього, застосовується вакуумна система.

Порівняно проста фізична концепція цього методу вимагає низки нетривіальних інженерних рішень. Як іонізувати молекули? Яким чином створювати електромагнітне поле? Атоми та молекули електрично нейтральні, тому для проведення мас-спектрометричних вимірювань необхідно їх іонізувати, тобто відірвати електрони із зовнішніх атомних орбіталей або додати протон. Важливу роль грає тип зразка, з яким має працювати. Для дослідження неорганічних речовин – металів, сплавів, гірських порід – необхідно використовувати одні методи, для органічних речовин підходять інші. Дуже багато органічних речовин (такі як ДНК або полімери) складно випарувати, тобто перевести в газ, без розкладання, а це означає, що дослідження живої тканини або біологічних зразків вимагають застосування спеціальних методів. Крім того, при іонізації молекули можуть розпадатися окремі фрагменти. Тож ми знову постаємо перед запитанням: що саме ми збираємося виміряти? Чи масу всієї молекули чи масу фрагментів? І те, й інше важливо. Більш того, вимірявши масу цілої молекули, дослідники часто спеціально дроблять її на шматки. Так, визначивши масу структурних елементів білка, ми разом з тим визначаємо і їх кількість, що дозволяє нам робити висновки про його хімічний склад та структуру.

Все це говорить про різноманітність існуючих мас-спектрометрів, кожен із яких застосовується для вирішення завдань у конкретній галузі. Цей метод практично незамінний у випадках, коли вченим необхідно визначити хімічний склад речовини. Фармацевти застосовують мас-спектрометричні експерименти при розробці ліків, дослідженнях фармакокінетики (тобто біохімічних процесів, що відбуваються в організмі при прийнятті ліків) та метаболізму. Вчені-біологи використовують мас-спектрометрію для аналізу білків, пептидів та нуклеїнових кислот. Крім того, якщо ми хочемо перевірити якість води або продуктів харчування, нам знову не обійтися без цього методу.

Окрема інноваційна сфера застосування мас-спектрометрії - медична діагностика. До розвитку багатьох захворювань наводять структурні зміни білків нашого організму: зазвичай вони класифікуються за утворенням характерного шматочка, пептиду-маркера. Якщо вчасно визначити таку мутацію, з'являється можливість лікувати хворобу на ранній стадії. Крім того, завдяки сучасним мас-спектрометрам стає можливим проводити дослідження такого роду в режимі реального часу – наприклад, у ході нейрохірургічної операції. Це дозволяє точно визначати межі між здоровою тканиною та пухлиною, що критично важливо для хірургів.

Здається сухою і вузькопрофільною, мас-спектрометрія при уважному ознайомленні виявляється напрочуд багатою областю, що поєднує широкий клас додатків з незвичайними інженерними рішеннями. Наука показує, що відповіді на менш фундаментальні питання часом не менш цікаві.

Хромато-мас-спектрометрія - аналітичний метод, заснований на поєднанні можливостей хроматографа та мас-спектрометра, що використовується для кількісного та якісного визначення окремих компонентів у складних сумішах. У цій статті будуть розглянуті основні питання щодо суті хромато-мас-спектрометрії та її особливостей:

Прилад, за допомогою якого проводиться дослідження, отримав назву хромато-мас-спектрометр або ХМС. Проходячи через хроматограф, проба поділяється на компоненти, а мас-спектрометр відповідає за їх ідентифікацію та аналіз. Залежно від особливостей досліджуваного складу та вимог до точності результату, використовується одна з двох методик: високоточна рідинна хроматографія, або газова хроматографія з мас-спектрометричним детектуванням ГХ-МС.

Досліджуваний склад вводиться у випарник хроматографа і моментально перетворюється на газоподібну форму, змішується з інертним газом-носієм і під тиском подається в колонку. Проходячи через хроматографічну колонку, проба поділяється на компоненти, які подаються до МС і пропускаються через спектрометричну складову пристрою.

Для отримання спектру молекули компонентів проби іонізуються, спеціальний датчик зчитує зміну іонного струму, на підставі чого записується хроматограма. Програмне забезпечення для обробки хроматограм дозволяє звірити отримані піки із зареєстрованими раніше, і тим самим, проводячи їх точне якісне та кількісне визначення. Одночасно з цим робиться знімок мас-спектру, що дає уявлення про будову компонентів, у тому числі не ідентифікованих раніше.

Хромато-мас-спектрометрія була розроблена у 50-х роках минулого століття, а перший прилад зібраний та протестований у 60-х роках.

Ефективність та результативність хромато-мас-спектрометрії задається чутливістю ХМС, які постійно вдосконалюються, що дозволяє розширювати застосування системи ГХ-МС.

Високу точність показує селективне детектування. Його суть зводиться до запису показань не по всьому об'єму іонного струму, що надходить, а по максимальним для передбачуваних молекул іонів. Це здешевлює метод і дозволяє виявляти мінімальний вміст заданої речовини у складах. Тому хромато-мас-спектрометрія активно застосовується в медицині та фармакології для пошуку конкретних маркерів: наприклад, гормонів чи наркотиків у біологічних рідинах.

Високу чутливість має хромато-мас-спектрометр з МСД ISQ. Особливості застосовуваного в ньому детектора полягають у:

• використання спеціальних матеріалів, що забезпечують високий іонний вихід у будь-яких робочих режимах;
• системі автоматичної обробки сигналу за допомогою можливостей;
• системі автоматичного налаштування МС;
• систему автоматичної діагностики МС;
• поєднанні високоякісних електродів з цифровою системою детектування, що дозволяє підвищити швидкість сканування;
• спеціальну систему придушення шумів від залишкового гелію.

Висока чутливість і широка сфера застосування хроматомас-спектрометра цілком виправдовує його ціну.

На якість результату впливає ще й швидкість запису мас-спектру, яка має бути значно вищою, ніж побудова хроматографічного піку. Якщо швидкість знижується, з'являються пікові накладення та спотворення результату аналізу.

Цей параметр залежить від встановленого мас-аналізатора. Оптимальною нині є квадрупольна система, що функціонує за наступним принципом. Потік проходить через чотири магніти, що утворюють високочастотне поле. Потрапляючи в нього, частинки з певним ставленням маси і заряду потрапляють в уловлювач, решта «відсіюється».

МС через рівні проміжки часу сканує спектри речовин, що аналізуються. Потім кожен статистичний знімок обробляється, і сумарна величина дає уявлення про сукупність спектрів у кожний час. На більшості сучасних МС (наприклад, на агрегатах з МСД ISQ, про які йшлося вище), встановлений саме цей тип аналізаторів.

Устаткування для мас-хроматографії відрізняється своїми параметрами та можливостями. Щоб підібрати техніку, що відповідає потребам сучасного користувача, необхідно враховувати такі параметри:

• джерело іонізації, що використовується (електронний удар, хімічна іонізація);
• чутливість найпоширеніших МС дозволяють досягти 10-9…10-12 г різних режимах сканування;
• можливість сканування: бажано, щоб хромато-мас-спектрометр підтримував селективний пошук за вказаними групами частинок (режим SIM), а також виконував повне сканування в заданому діапазоні (режим Full scan).

Велике значення для хромато-мас-спектрометрії набуває програмне забезпечення, що постачається в комплекті. Воно визначає можливість побудови хроматограми в режимі реального часу, контроль за стабільністю заданих параметрів, автоматичне отримання звітності у зручній для спеціаліста формі. Від ПЗ залежить, наскільки зручний у роботі хромато-мас-спектрометр. Додатково розробники пропонують набір бібліотек, у яких містяться спектри для різних промислових та наукових сфер: медицини та фармакології (гормони, наркотики, лікарські препарати), нафтовидобувної галузі (вуглеводні), екології (пестициди та інші органічні забруднювачі) та ін.

Підбираючи хромато-мас-спектрометр, необхідно враховувати усі специфікації. Тоді придбаний пристрій повністю відповідатиме потребам користувача.

Цей метод принципово відрізняється від розглянутих вище спектроскопічних методів. Структурна мас-спектрометрія заснована на руйнуванні органічної молекули внаслідок іонізації тим чи іншим способом.

Іони, що утворюються, сортуються за величинами їх відношення маса/заряд (m/z), потім реєструється число іонів для кожного значення цього відношення у вигляді спектра. На рис. 5.1. представлено загальну схему типового мас-спектрометра.

Рис. 5.1. Блок-схема типового мас-спектрометра

Для ведення проби мас-спектрометр зазвичай застосовують будь-який вид хроматографії, хоча в багатьох приладах є можливість для прямого введення зразка в іонізаційну камеру. У всіх мас-спектрометрах є пристрої для іонізації проби та поділу іонів за величиною m/z. Після поділу потрібно детектувати іони та вимірювати їх кількість. Типовий колектор іонів складається з щілин, що колімують, які направляють в колектор в даний момент тільки іони одного виду, де вони детектуються, а сигнал детектування посилюється електронним помножувачем. Сучасні мас-спектрометри укомплектовані спеціалізованим програмним забезпеченням: комп'ютери контролюють накопичення, зберігання та візуалізацію даних.

В даний час стала звичайною практика поєднання мас-спектрометра з газовим (ГХ-МС) або рідинним (РХ-МС) хроматографом.

Усі мас-спектрометри поділяються на два класи: прилади низького (одиничного) та високого дозволу (R). Спектрометри низької роздільної здатності – прилади, на яких можна розділити цілі маси до m/z 3000 (R = 3000/(3000-2990) = 3000). На такому приладі з'єднання C 16 H 26 O 2 і 15 Н 24 NO 2 невиразні, оскільки прилад фіксуватиме і в першому і в другому випадку масу 250.

Прилади високої роздільної здатності (R = 20000) зможуть розрізнити сполуки C 16 H 26 O 2 (250.1933) та С 15 Н 24 NO 2 (250.1807), у цьому випадку R = 250.1933/(250.1933 – 75).

Таким чином, на приладах низької роздільної здатності можна встановлювати структурну формулу речовини, проте найчастіше для цієї мети додатково необхідно залучати дані інших методів аналізу (ІЧ-, ЯМР-спектроскопія).

Прилади високої роздільної здатності можуть вимірювати масу іона з точністю, достатньої визначення атомного складу, тобто. визначати молекулярну формулу досліджуваної речовини.

В останнє десятиліття відбувався швидкий розвиток та вдосконалення мас-спектрометрів. Не обговорюючи їх пристрій, відзначимо, що вони поділяються за типами залежно від 1) способу іонізації; 2) методу поділу іонів. Загалом спосіб іонізації не залежить від методу поділу іонів і навпаки, хоча є винятки. Більш повну інформацію з цих питань викладено у літературі [Сайнсб. Лебедєв].

У цьому посібнику буде розглянуто мас-спектри, отримані іонізацією електронним ударом.

5.2. Мас-спектри з іонізацією електронним ударом

Електронний удар (ЕУ, electron impact, EI) – найпоширеніший метод іонізації в мас-спектрометрії. Перевагою цього є можливість використання пошукових систем та баз даних (метод ЕУ був історично першим методом іонізації, основні бази експериментальних даних отримані на приладах з ЭУ).

Молекула речовини проби в газовій фазі бомбардує електрони з високою енергією (зазвичай 70 еВ) і викидає електрон, утворюючи катіон-радикал, званий молекулярним іоном:

М + e → М + (молекулярний іон) + 2e

Найменша енергія електронів, що бомбардують (іонізують), при якій можливе утворення з даної молекули іона, називається енергією (або, менш вдало, «потенціалом») іонізації речовини (U e).

Енергія іонізації є мірою міцності, з якою молекула утримує найменш пов'язаний із нею електрон.

Як правило, для органічних молекул енергія іонізації становить 9-12 еВ, тому бомбардування електронами з енергією 50 еВ і вище повідомляє надлишкову внутрішню енергію молекулярному іону, що виникає. Ця енергія частково розсіюється з допомогою розриву ковалентних зв'язків.

Внаслідок такого розриву відбувається розпад молекулярного іона на частинки меншої маси (фрагменти). Такий процес називається фрагментацією.

Фрагментація відбувається вибірково, є високовідтворюваною і характерною для даної сполуки. Більше того, процеси фрагментації передбачувані, і саме вони зумовлюють широкі можливості мас-спектрометрії для структурного аналізу. По-суті, структурний аналіз методом мас-спектрометрії полягає в ідентифікації осколкових іонів та ретроспективне відновлення структури вихідної молекули, виходячи з напрямків фрагментації молекулярного іона. Так, наприклад, метанол утворює молекулярний іон за схемою:

Про
дна точка - непарний електрон, що залишився; коли заряд локалізований окремому атомі, знак заряду вказується цьому атомі.

Багато з цих молекулярних іонів розпадаються за час 10 -10 - 10 -3 с і дають ряд осколкових іонів (первинна фрагментація):

Якщо деякі молекулярних іонів мають досить великий час життя, то вони досягають детектора і реєструються у вигляді піку молекулярного іона. Оскільки заряд вихідного іона дорівнює одиниці, відношенняm/ zдля цього піку дає молекулярну масу досліджуваної речовини.

Таким чином, мас-спектр – це подання відносних концентрацій позитивно заряджених уламків (включаючи молекулярний іон) залежно від їх мас.

У спеціальній літературі наводяться таблиці найчастіше трапляються фрагментних іонів, де зазначена структурна формула іона та її значення m/z [Вище, Гордон, Сильверстейн].

Висота найбільш інтенсивного в спектрі піку приймається за 100%, а інтенсивності інших піків, включаючи пік молекулярного іона, виражаються у відсотках максимального піку.

У певних випадках найінтенсивнішим може бути пік молекулярного іона. У загальному випадку: інтенсивність піку залежить від стійкості утвореного іона.

У мас-спектрах часто є серія піків фрагментних іонів, що різняться на гомологічну різницю (СН 2), тобто. 14 а.о.м. Гомологічні серії іонів характерні кожного класу органічних речовин, тому вони несуть важливу інформацію про структуру досліджуваного речовини.

Мас-спектрометр – пристрій для встановлення мас атомів (молекул) згідно з характером переміщення їх іонів у гальванічному та магнітному фонах.

Навігація:

Нейтральна частка не піддається впливу гальванічного та магнітного поля. Тим не менш, якщо забрати в неї або додати їй один і більше електронів, в такому випадку вона перетвориться на іон, вид руху якого в цих полях досить визначається його вагою і зарядом. Безперечно кажучи, в мас-спектрометрах визначається не маса, а розташування маси до заряду. Якщо запас відомий, то обумовлюється масова значущість іона, а отже, маса проміжного атома і його ядра. Конструктивно, мас-спектрометри можуть відрізнятися друг від друга. Вони можуть застосовуватися як статичні поля, і змінюються у часі поля, магнітні чи гальванічні.

Мас-спектрометр складається з наступних ключових елементів:

• Гетерополярного джерела, де проміжні атоми перетворюються на іони (наприклад, перед впливом нагрівання або НВЧ-поля) і прискорюються гальванічним полем;
• Сфери постійних електро-і магнітних полів;
• Приймача іонів, що характеризує розташування областей, куди визначаються іони, що перетнули дані поля.

Мас-спектрометр

Хромато-мас-спектрометр

Концепція ХМС з комбінованим квадруполь-часопролітним мас-спектрометром високого дозволу з іонізацією електроспреєм, дає можливість помічати і визначати як ведені компонування та їх метаболіти, так і незнайомі компонування в розмашистому спектрі мас з 20 аж до 40 0 , пестициди та інших.), здійснювати спільне вивчення основних та слідових елементів, визначати справжнє ізотопічне ставлення із єдиною метою чіткого встановлення молекулярних формул. Змінний інтервал при чисельній оцінці є понад 4 порядки. Застосовується для чисельної оцінки синтезів. Пристрій має унікальні характеристики: роздільну здатність більше 35 000 FWHM, правильністю встановлення молекулярної маси менше 0.7 ррm, високою чутливістю при максимальному дозволі. Великий темп розпізнавання інформації – до 60 спектрів за одну секунду.

Хромато-мас-спектрометр

Науковці протягом тривалого часу розшукували альтернативу магніту у властивості мас-аналізатора. У 1953 Вольфгангом Паулем, який надалі отримав Нобелівську премію в галузі фізики в 1989 р., було окреслено перший пристрій з квадрупольним аналізатором. Формування квадрупольних мас-аналізаторів стало революцією у мас-спектрометрії. Магнітні мас-аналізатори вимагають використання високих напруг (тис. вольт), а квадрупольні - ні, і це полегшує їх систему, менші обсяги вакуумної частини полегшують концепцію формування вакууму. Мас-спектрометри стали меншими в обсягах, стали легшими в експлуатації і що найголовніше, набагато економічнішими, щоб розкрити ймовірність користуватися даним аналітичним способом численним тисячам користувачів. До мінусів квадруполів належать невисока роздільна здатність і невеликий верх найбільшої маси, що детектується (м/z~4100). Тим не менш, нинішні мас-аналізатори дають можливість здійснювати детектування іонів з відповідністю м/z~350.

Принцип дії

Квадруполь передбачає собою 4 одночасно і симетрично розміщені монополі (електроди досконалого перерізу). До електродів по двоє у зворотній полярності подається обумовлене поєднання безперервної та індукційної напруги.

Під впливом незначної прискорюючої напруги (15-25), іони входять синхронно осям стрижнів електродів. Перед впливом осцилюючого поля, що визначається електродами, вони починають рухатися вздовж осей х і у. У цьому амплітуда коливань збільшується без зміни спрямованості переміщення. Іони, чиї амплітуди доходять високих значимостей, нейтралізуються при зіткненні з електродами. Міцну амплітуду знаходять лише ці іони, чиї значення м/z будуть відповідати встановленому відповідності U/V. Останнє дає можливість їм безперешкодно пересуватися в квадрополі і перебувати в остаточному результаті детектованими. Подібним способом мас-діапазон фіксується маршрутом взаємної зміни значимостей величин U і V.

Квадрупольний мас-спектрометр

Магнітний мас-спектрометр

У магнітних мас-спектрометрах з метою розподілу іонів у мас-аналізаторах застосовують гомогенне магнітне поле. В даному випадку рухи форсування іонів у гальванічній ділянці та розподілу їх у магнітній, можуть бути зображені чисельно.

Магнітний мас-термоаналізатор - пристосування з метою просторового та тимчасового розподілу іонів з різними значущими взаємовідносинами маси до заряду, що застосовуються з метою розподілу магнітного поля.

Історично початковим мас-аналізатором був магніт. Відповідно до фізичного закону, лінія заряджених елементів у магнітному полі спотворюється, а радіус кривизни залежить від маси елементів.

Існують різні геометрії магнітних мас-аналізаторів, у яких вимірюється або радіус кривизни, або магнітне поле. Магнітні мас-спектрометри мають високу роздільну здатність і можуть використовуватися з усіма типами іонізації. Незважаючи на істотні достоїнства сучасних перед іншими (висока роздільна здатність, висока вірогідність вимірів і високий робочий інтервал мас), вони мають дві основні недоліки - це обладнання величезне, як за обсягами, так і за обсягом вартості.

Магнітний мас-спектрометр

Це найпростіший тип мас-аналізатора. Під час прогонового мас-аналізатора іони випадають з джерела і виявляються під час прогонової труби, де немає гальванічного поля (безпольовий період). Пронісшись певний проміжок d, іони фіксуються сенсором іонів з прямою або практично прямою фіксуючою поверхнею. У 1951-1971 роках, у якості сенсора іонів застосовувався другорядний електричний помножувач «жалюзного типу», пізніше використовувався складовий виявник, що застосовує 2 або рідко 3 послідовно перебувають мікроканальних пластин.

Часпролітний мас-термоаналізатор є пульсуючим мас-аналізатором, тобто іони зараховуються з джерела іонів під часпрогоновий елемент не завжди, а дозами, за допомогою певних інтервалів часу. Подібні мас-аналізатори сумісні з іонізацією лазерної десорбції, за сприяння матриці, таким чином, як у цьому способі іонізації, іони також виникають не завжди, а за будь-якого імпульсу лазера.

Часопролітний мас-спектрометр

Мас-спектрометри Agilent

Ще давно мас-спектрометр оцінюють як чудовий виявник для газової хроматографії. Придбані за допомогою мас-спектрометричного сенсора спектри надають подібні відомості про високоякісний склад перевірки, яку не можуть надати інші газохроматографічні сенсори. Мас-спектрометричний виявник має більшу чутливість, крім того, він знищує пробу, надає дані про масу і розпізнає швидше гомологи, ніж ізомери.

Високонадійні мас-спектрометри Agilent задовольняють найбільші умови і гранично відповідають вирішуваним завданням. У даний період виробники можуть уявити лінійки високоточних прогресивних мас-спектрометрів для ГХ і БЕЖХ.

Мас-спектрометр Agilent