Мас-спектрометрія

Мас-спектрометрія (англ. mass spectrometry; рос. масс-спектрометрия, нім. Massenspektrometrie) — метод визначення хімічного, фазового складу і молекулярної структури речовини, що базується на реєстрації спектра мас йонів, утворених внаслідок іонізації атомів і (або) молекул проби. Маса іона визначається за його відхиленням у магнітному полі.

Схематична будова мас-спектрометра
Мас-спектрометр SIMS, модель IMS 3f
Мас-спектрометр Orbitrap

Загальний опис

Іонізацію здійснюють пучком електронів або йонів, лазерним випромінюванням тощо. Рідини перед іонізацією часто випаровують. Мас-спектроскопія належить до найінформативніших методів і відрізняється високими аналітичними характеристиками, дозволяє провести аналіз твердих, рідких і газоподібних речовин. Число хімічних елементів, що одночасно визначаються у природних об'єктах — до 40; одночасно з елементним складом (з точністю до 1% при наявності стандартних зразків і до 30% при безеталонному аналізі) визначається ізотопний склад (з точністю до 10−1−10−2%) речовини. Межі виявлення: відносна 10−4−10−8 %, абсолютна 10−10−10−19 г.

Закінчення «-метрія» у назві методу з'явилося після повсюдного переходу від детектування заряджених частинок за допомогою фотопластинок до електричних вимірів іонних струмів.

Особливо широке застосування мас-спектрометрія знаходить в аналізі органічних речовин, оскільки забезпечує впевнену ідентифікацію як щодо простих, так і складних молекул. Єдина загальна вимога — щоб молекула піддавалася іонізації. Однак до теперішнього часу придумано стільки способів іонізації компонентів проби, що мас-спектрометрію можна вважати практично всеосяжним методом.

Майже всі мас-спектрометри — це вакуумні прилади, оскільки іони дуже нестабільні в присутності сторонніх молекул.

Мас-спектр — це залежність інтенсивності іонного струму (кількості речовини) від відношення маси до заряду (природи речовини). Оскільки маса будь-якої молекули складається з мас атомів, що входять до її складу, мас-спектр завжди дискретний, хоча при низькій роздільності мас-спектрометра піки різних мас можуть перекриватися або навіть зливатися. Природа аналізованої речовини, особливості методу іонізації і вторинні процеси в мас-спектрометрі можуть впливати на мас-спектр (див. метастабільні іони, градієнт прискорювальної напруги за місцями утворення іонів, непружне розсіювання). Так, іони з однаковими відношеннями маси до заряду можуть виявитися в різних частинах спектра і навіть зробити частину його неперервним.

Більшість невеликих молекул при іонізації набуває тільки одного додатного або від'ємного заряду. Що більша молекула, то більша ймовірність того, що під час іонізації вона перетвориться на багатозарядний іон. Тому особливо сильно цей ефект проявляється стосовно вкрай великих молекул, наприклад, білків, нуклеїнових кислот і полімерів. За деяких видів іонізації (наприклад, електронному ударі) молекула може розпадатися на декілька характерних частин, що дає додаткові можливості ідентифікації і дослідження структури невідомих речовин.

Точне визначення маси аналізованої молекули дозволяє визначити її елементний склад (див.: елементний аналіз). Мас-спектрометрія також дозволяє отримати важливу інформацію про ізотопний склад аналізованих молекул (див.: ізотопний аналіз).

Історія мас-спектрометрії
  • 1918 рік — Артур Демпстер будує перший мас-спектрограф.
  • 1932 рік — Кеннет Бейнбридж будує мас-спектрометр з роздільною здатністю 600 і чутливістю 1 частина на 10 тис.
  • 1936 рік — Артур Демпстер, Кеннет Бейнбрідж і Йозеф Маттаух конструюють мас-спектрограф з подвійною фокусуванням[1]. Демпстер розробляє іскровий джерело іонізації.
  • 1940 рік — Альфред Нір за допомогою препаративної мас-спектрометрії виділяє уран-235.
  • 1942 рік — Лоуренс запускає «калутрон» — промислову установку з розділення ізотопів урану, засновану на магнітно-секторному мас-спектрометрі.
  • 1946 рік — Вільям Стівенс (англ.  William E. Stephens) пропонує концепцію часопролітного мас-спектрометра.
  • 1948 рік — Камероном (англ.  A. E. Cameron) і Еггерсом (D. F. Eggers Jr) створено перший мас-спектрометр з часпролітним мас-аналізатором.
  • 1952 рік — В. Л. Тальрозе і А. К. Любимова вперше спостерігають сигнал метонію CH5+ в іонному джерелі електронного удару при підвищеному тиску метану в іонізаційній камері (в 1966 році Мансон і Філд застосують це відкриття для аналітичних цілей та створять іонне джерело з хімічною іонізацією).[2]
  • 1972 рік — Каратаєв і Мамирін винаходять час-пролітний мас-аналізатор з фокусуванням, який значно поліпшує роздільність аналізатора.
  • 1974 рік — Перший рідинний хромато-мас-спектрометр створений Арпіно, Болдуїном і МакЛафферті.
  • 1981 рік — Барбер, Бордолі, Седжвік і Тайлор створюють іонізатор з бомбардуванням швидкими атомами (FAB).
  • 1982 рік — Перший мас-спектр цілого білка (інсулін) за допомогою бомбардування швидкими атомами.
  • 1983 рік — Бланкі та Бестал винаходять термоспрей.
  • 1984 рік — Л. М. Галльа потім Фенн публікують роботи за методом іонізації електроспреєм.[3]
  • 1987 рік — Карас, Бахман, Бар і Хілленкамп винаходять іонізацію лазерною десорбцією за сприяння матриці (MALDI).
  • 1999 рік — Олександр Макаров винаходить електростатичну іонну пастку «Орбитреп».

Види мас-спектрометрії

У геології, геохімії, космохімії використовують три основні напрямки мас-спектрометрії: ізотопний, молекулярний і елементний аналізи.

Ізотопний аналіз (вимірювання поширеності ізотопів різних елементів в земних і космічних об'єктах та їх варіацій) дозволяє:

  • отримувати інформацію про первинний ізотопний склад елементів, пов'язаний з процесами, що відбувалися під час формування Сонячної системи або в період, що передував (процеси нуклеосинтезу);
  • встановлювати розповсюдженість радіогенних ізотопів;
  • визначати абсолютний вік порід, мінералів і рудних тіл;
  • вимірювати варіації розповсюдженості стабільних ізотопів в земній корі, її надрах і космічних об'єктах;
  • вивчати роль біосфери в процесах формування родовищ горючих корисних копалин (вугілля, нафти і газу).

Молекулярний аналіз (аналіз складних сумішей органічних сполук і визначення їх структури) використовується для визначення складу органічних сполук у ґрунтах, реєстрації органічного забруднення вод, для вивчення складу нафт і їх фракцій з метою оптимізації процесів їх переробки, а також у протеоміці для визначення протеому.

Метод час-пролітної МАЛДІ (час-пролітної матрично-активованої лазерної десорбції/іонізації) (з англ. MALDI-ToF - Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization time of flight)[4], використовується для дослідження протеїнів, пептидів, нуклеотидів та ін. та одержання так званих "фінгерпринтів" (відбитків пальців) мас спектрів зі співвідношенням маси до заряду m/z . Метод базується на бомбардуванні лазерним випромінюванням в імпульсоному режимі суміші матриця-досліджувана речовина на сталевій підложці у вакуумі.

Елементний аналіз дозволяє визначати склад домішок порід, мінералів і рудних утворень і дослідити розподіл елементів в мікрооб'ємах природних об'єктів, пов'язаний з магматичними і осадовими процесами.

Принцип роботи і будова мас-спектрометра

Джерела іонів

Перше, що треба зробити для того, щоб отримати мас-спектр, — перетворити нейтральні молекули й атоми, що складають будь-яку органічну чи неорганічну речовину, на заряджені частинки — іони. Цей процес називається іонізацією і по-різному здійснюється для органічних і неорганічних речовин. Другою необхідною умовою є переведення іонів у газову фазу у вакуумній частині мас-спектрометра. Глибокий вакуум забезпечує безперешкодний рух іонів всередині мас-спектрометра, а за його відсутності іони розсіюються і рекомбінують (перетворюються знову на незаряджені частинки).

Умовно способи іонізації органічних речовин можна класифікувати за фазами, в яких перебувають речовини перед іонізацією.

Газова фаза
Рідка фаза
  • термоспрей
  • іонізація при атмосферному тиску(AP)
    • електроспрей (APESI)
    • хімічна іонізація при атмосферному тиску (APCI)
    • фотоіонізація при атмосферному тиску (APPI)
Тверда фаза
  • пряма лазерна десорбція - мас-спектрометрія (LDMS)
  • матрично-активована лазерна десорбція/іонізація (MALDI)
  • мас-спектрометрія вторинних іонів (SIMS)
  • бомбардування швидкими атомами (FAB)
  • десорбція в електричному полі (FD)
  • плазмова десорбція (PD)

У неорганічної хімії для аналізу елементного складу застосовуються жорсткі методи іонізації, оскільки енергії зв'язку атомів у твердому тілі значно більше і значно жорсткіші методи необхідно використовувати для того, щоб розірвати ці зв'язки і отримати іони.

Історично перші методи іонізації були розроблені для газової фази. На жаль, дуже багато органічних речовин неможливо випарувати, тобто перевести в газову фазу, без розкладання. А це означає, що їх не можна іонізувати електронним ударом. Але серед таких речовин майже все, що становить живу тканину (білки, ДНК тощо), фізіологічно активні речовини, полімери, тобто все те, що сьогодні являє особливий інтерес. Мас-спектрометрія не стояла на місці і в останні роки[коли?] були розроблені спеціальні методи іонізації таких органічних сполук. Сьогодні використовуються, в основному, два з них — іонізація при атмосферному тиску і її підвиди — електроспрей, хімічна іонізація при атмосферному тиску і фотоіонізація при атмосферному тиску, а також іонізація лазерною десорбцією за сприяння матриці.

Мас-аналізатори

Отримані при іонізації іони за допомогою електричного поля переносяться в мас-аналізатор. Там починається другий етап мас-спектрометричного аналізу — сортування іонів за масами (точніше за відношенням маси до заряду, або m/z). Існують такі типи мас-аналізаторів:

безперервні мас-аналізатори
  • Магнітний і/або електростатичний секторний мас-спектрометр (англ.  Sector instrument)
  • квадрупольний мас-аналізатор (англ.  Quadrupole mass analyzer)
імпульсні мас-аналізатори
  • Час-пролітний мас-аналізатор (англ.  Time-of-flight mass spectrometry)
  • Іонна пастка (англ.  Ion trap)
  • Квадрупольна лінійна пастка (англ.  Quadrupole ion trap)
  • Мас-аналізатор іонно-циклотронного резонансу з Фур'є-перетворенням (англ.  Fourier transform ion cyclotron resonance)
  • Орбітреп (англ.  Orbitrap)

Різниця між безперервними й імпульсними мас-аналізаторами полягає в тому, що в перших іони надходять безперервним потоком, а в других — порціями, через певні інтервали часу.

Мас-спектрометр може мати два мас-аналізатори. Такий мас-спектрометр називають тандемним. Тандемні мас спектрометри застосовуються, як правило, разом з «м'якими» методами іонізації, за яких не відбувається фрагментація іонів аналізованих молекул (молекулярних іонів). Таким чином, перший мас-аналізатор аналізує молекулярні іони. Залишаючи перший мас-аналізатор, молекулярні іони фрагментуються під дією зіткнень з молекулами інертного газу або випромінювання лазера, після чого їх фрагменти аналізуються у другому мас-аналізаторі. Найбільш поширеними конфігураціями тандемних мас спектрометрів є квадруполь-квадрупольна і квадруполь-час-пролітна.

Детектори

Отже, останнім елементом описуваного нами спрощеного мас-спектрометра, є детектор заряджених частинок. Перші мас-спектрометри використовували в якості детектора фотопластинку. Зараз використовуються динодні вторинноелектронні помножувачі, в яких іон, потрапляючи на перший динод, вибиває з нього пучок електронів, які, у свою чергу, потрапляючи на наступний динод, вибивають з нього ще більшу кількість електронів і т. д. Інший варіант — фотопомножувачі, що реєструють світіння, яке виникає під час бомбардування іонами люмінофору. Крім того, використовуються мікроканальні помножувачі, системи типу діодних матриць і колектори, що збирають всі іони, які потрапили в дану точку простору (колектори Фарадея).

Хромато-мас-спектрометрія

Мас-спектрометри використовуються для аналізу органічних і неорганічних сполук.

Органічні зразки в більшості випадків являють собою складні суміші індивідуальних речовин. Наприклад, показано, що запах смаженої курки становлять 400 компонентів (тобто, 400 індивідуальних органічних сполук). Завдання аналітики полягає в тому, щоб визначити скільки компонентів складають органічну речовину, дізнатися які це компоненти (ідентифікувати) і дізнатися скільки кожного з'єднання міститься в суміші. Для цього ідеальним є поєднання хроматографії з мас-спектрометрією. Газова хроматографія дуже добре підходить для поєднання з іонним джерелом мас-спектрометра з іонізацією електронним ударом або хімічною іонізацією, оскільки в колонці хроматографа сполуки вже знаходяться в газовій фазі. Прилади, в яких мас-спектрометричний детектор скомбінований з газовим хроматографом, називаються хромато-мас-спектрометрами («Хромасс»).

Багато органічних сполук неможливо розділити на компоненти за допомогою газової хроматографії, але можливо за допомогою рідинної хроматографії. Для поєднання рідинної хроматографії з мас-спектрометрією сьогодні використовують джерела іонізації в електроспреї і хімічної іонізації при атмосферному тиску, а комбінацію рідинних хроматографів з мас-спектрометрами називають РХ/МС (англ.  LC/MS). Найпотужніші системи для органічного аналізу, затребувані сучасною протеомікою, будуються на основі надпровідного магніту і працюють за принципом іонно-циклотронного резонансу. Вони також носять назву FT/MS, оскільки в них використовується перетворення Фур'є сигналу.

Характеристики мас-спектрометрів і мас-спектрометричних детекторів

Найважливішими технічними характеристиками мас-спектрометрів є чутливість, динамічний діапазон, роздільність, швидкість сканування.

Найважливіша характеристика при аналізі органічних сполук — це чутливість. Для того щоб досягти якомога більшої чутливості при поліпшенні відношення сигналу до шуму, вдаються до детектування за окремими вибраними іонами. Виграш у чутливості та селективності при цьому колосальний, але при використанні приладів низької роздільності доводиться приносити в жертву інший важливий параметр — достовірність. Адже якщо записано тільки один пік з усього характеристичного мас-спектру, знадобиться ще багато попрацювати, щоб довести, що цей пік відповідає саме тому компоненту, який вас цікавить. Як вирішити цю проблему? Використовувати високу роздільність на приладах з подвійним фокусуванням, де можна досягти високого рівня достовірності не жертвуючи чутливістю. Або використовувати тандемну мас-спектрометрію, коли кожен пік, відповідний материнському іону, можна підтвердити мас-спектром дочірніх іонів. Отже, найкращим за чутливістю є органічний хромато-мас-спектрометр високої роздільної здатності з подвійним фокусуванням.

За характеристикою поєднання чутливості з достовірністю визначення компонентів слідом за приладами високої роздільності йдуть іонні пастки. Класичні квадрупольні прилади нового покоління мають поліпшені характеристики завдяки ряду інновацій, застосованих у них, наприклад, використання викривленого квадрупольного префільтру, що запобігає попаданню нейтральних частинок на детектор і, отже, знижує шум.

Застосування мас-спектрометрії

Розробка нових лікарських засобів для порятунку людини від раніше невиліковних хвороб і контроль виробництва ліків, генна інженерія і біохімія, протеоміка. Без мас-спектрометрії немислимий контроль над незаконним розповсюдженням наркотичних та психотропних засобів, криміналістичний і клінічний аналіз токсичних препаратів, аналіз вибухових речовин.

З'ясування джерела походження дуже важливе для вирішення цілого ряду питань: наприклад, визначення походження вибухових речовин допомагає знайти терористів, наркотиків — боротися з їх поширенням і перекривати шляхи їх трафіку. Економічна безпека країни більш надійна, якщо митні служби можуть не тільки підтверджувати аналізами в сумнівних випадках країну походження товару, але і його відповідність заявленому виду і якості. Аналіз нафти і нафтопродуктів потрібен не тільки для оптимізації процесів переробки нафти або геологам для пошуку нових нафтових полів, але й для того, щоб визначити винних у розливах нафтових плям в океані або на землі.

В епоху «хімізації сільського господарства» досить важливим стало питання про присутність слідових кількостей застосовуваних хімічних засобів (наприклад, пестицидів) у харчових продуктах. В мізерних кількостях ці речовини можуть завдати непоправної шкоди здоров'ю людини.

Цілий ряд техногенних (тобто таких, що виникли внаслідок індустріальної діяльності людини) речовин є супертоксикантами (мають отруйну, канцерогенну або шкідливу для здоров'я людини дію в гранично низьких концентраціях). Прикладом є добре відомі діоксини.

Існування ядерної енергетики немислиме без мас-спектрометрії. З її допомогою визначається ступінь збагачення розщеплюваних матеріалів і їх чистота.

Звичайно, і медицина не обходиться без мас-спектрометрії. Ізотопна мас-спектрометрія вуглецевих атомів застосовується для прямої медичної діагностики інфікованості людини Helicobacter pylori і є найнадійнішим з усіх методів діагностики. Також мас-спектрометрію застосовують для визначення наявності допінгу в крові спортсменів.

Див. також

Примітки
  1. Arthur Jeffrey Dempster (American physicist) в онлайн-версії «Encyclopædia Britannica». (англ.)
  2. Talrose V. L., Ljubimova A. K. Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502-504.
  3. Історія створення методу ЭРИАД
  4. Maldi. The Scientist Magazine® (англ.). Процитовано 12 січня 2019.

Посилання

Джерела
  • Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
  • Мас-спектрометрія : підручник / О. В. Іщенко, С. В. Гайдай, О. А. Бєда. – Київ : Київський ун-т, 2018. – 244 с. – ISBN 966-933-003-1.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.