МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Масс-спектрометрический метод анализа

probably isn't worth solving”

Fred McLafferty

«Если те не можешь решить проблему с помощью масс-спектрометрии, то, возможно, её вообще не стоит решать»

струк-туры вещества, а также содержания изотопов конкретного химического элемента, на

основе разделения ионизированных частиц исследуемого вещества (атомов и ионов) с помощью магнитного или электрического полей по величине отношения массы иона к его заряду (m/z).
Благодаря разделению (сортировке) ионов по величине m/z, можно составить спектр масс атомов и молекул, входящих в состав изучаемого вещества, а также изотопов конкретного химического элемента.

при ионизации изучаемого вещества (ось Y), от величины m/z для

каждой из этих частиц (ось X).

электрического полей на движение ионов оста-
точного газа, которые образуются на

катоде рентге-
новской трубки. Оказалось, что ионы движутся по па-
раболическим траекториям, кривизна которых про-
порциональна отношению их массы к заряду (m/z).

по физике за "Выдающиеся заслуги в теорети-ческом и экспериментальном изучении

электропрово-димости газов". 
В 1912 г. Дж. Томсон создал первый масс-спектро-метр и получил масс-спектры молекул O2, N2 и ряда других хим. элементов. Период с 1930-х по начало 1970-х годов особо отме-чен выдающимися достижениями в области развития и совершенствования метода масс-спектрометрии.
Например, в 1950-е годы были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти и Рихаге). Получилсь гибридная установка хромато-масс-спектрометр, что значительно расширило возможности метода.

квадрупольный масс-анализатор (Нобе-левская премия по физике 1989 г.).
В

1985 г. К. Танака изобрел метод мягкой лазерной десорбции (Нобелевская премия по химии 2002 г.). Это далеко не полный перечень нобелев-ских лауреатов, работавших в области масс-спектрометрии.
Масс-спектромерический метод продолжа-ет совершенствоваться.

молекулы в ионы: М+ или М-).
3. Формирование потока ионов и

придание им скорости и определенного направление движения в вакууме с помощью электрического поля высо-кой напряженности.
4. Разделение ионного потока по массам составляю-щих его ионов (точнее по величине m/z), в магнит-ном или электрическом полях (определяется кон-струкцией анализатора).
5. Детектирование массы ионов и составление масс-спектра.

Пять этапов реализации масс-спектрометрии

mV
R =

zB

При одинаковой
величине заряда
иона, труднее
«развернуть» ион,
у которого больше
масса (большая
инерция) – траек-
тория его полёта
будет более
пологой.

анализа
ионов по
массе (m/z)
Детектор

образца
компьютер
ВАКУУМ, ~10-6 Торр
В конструкции всех первых масс-спектрометров

и в
большинстве конструкций современных приборов,
ваккум необходим для:
продления «жизни» ионов, полученных из изучаемого
вещества
избежать образования новых соединений между ио-
нами и молекулами воздуха

(в том числе - фракций на выходе из колонки газо-
жидкостного

хроматографа), либо введение пробы,
предварительно размещенной на специальной под-
ложке. Вакуум сохраняется благодаря использова-нию вакуумного клапана.
Б. Устройство ионизации:
1. Электронная ионизация: ионизация паров вещества потоком е-, разогнанных в электрическом поле до энергии 70 эв. е- передает часть своей энергии нейтральной молекуле, что приводит к отрыву от нее одного или нескольких е- с образованием иона M+. В зависимости от энергии ионизирующих е- - м.б. раз-рыв связей в ионизируемой молекуле и её фрагмен-тация.

Карас и Хилленкамп, 1988]. Исследуемое вещество
сначала вводят в матрицу

- перемешивают с веще-
ством с меньшим М.В. и высокой способностью по-
глощать лазерное излучение (коричная кислота) и наносят на подложку. Подложка с матрицей помеща-ется в ионный источник, где в качестве ионизатора выступает короткий импульс (0.1 нс - 1 мкс) лазерного излучения. Луч вызывает испарение вещества матри-цы, молекулы которой захватывают за собой молеку-лы исследуемого вещества. В процессе испарения часть молекул изучаемого вещества ионизируется и далее увлекается электрическим полем в сторону анализатора.

матрицу

относи-тельно новый метод ионизации. Вещество на иони-зацию поступает в растворе

полярного растворителя (вода, метанол и т.д.). Капля раствора подается в специальный металлический капилляр, к которому приложено высокое (несколько кВ) напряжение. Капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (N2). Объем капли уменьшается, ее поверхностный заряд растет – и капля «взрывается» на более мелкие капли, заряженные положительно.

снижение давления с при-мерно атмосферного до глубокого вакуума. Ионизи-рованные частицы,

состоящие из молекул исследу-емого вещества, поступают на устройство анализа-тора массы.

распространёнными способами ионизаций для биомолекулярной масс-спектрометрии: позволяют анализировать широкий диапазон

масс и обладают высокой чувствительностью.

основа –изменение траектории полёта заряженной частицы под действием магнитного поля.
Схема

масс-спектрометра с магнитным анализатором

Германия). Анализатор представляет собой систему из четырех стержней –
- электродов.

На пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами.








Такая конструкция позволила создать очень компакт-ный масс-спектрометр.

полей ионы с конкретной массой (m/z) испыты-вают стабильные колебания и

могут пройти через квадрупольный «фильтр» (между электродами вдоль осевой линии) только при определенных значениях постоянного и переменного напряжения на электро-дах. Только эти ионы могут далее попасть на детек-тор. Ионы с другими массами при этом движутся слишком далеко от главной оси системы, выбывают из потока и не доходят до детектора.
Меняя напряжения на стержнях можно по очереди пропускать через такой «фильтр» ионы с разными значениями m/z, то есть, производить развертку масс-спектра.

1946 году (Уильям Стефенс, США). Принцип работы: ионы с большой

массой труднее разогнать из-за их большой инерции. Эти ионы, после разгона электрическим полем, двигаются дальше уже в бесполевом отсеке. Они движутся медленнее и прилетают к детектору позже легких ионов.
Если принять, что все ионы заряжены одинаково, то время в пути - прямо пропорционально квадратному корню из массы иона. Иными словами, сначала к де-тектору прилетят легкие ионы, затем те, что тяжелее.
Время-пролетный масс-спектрометр несколько ус-тупает по чувствительности магнитному, но обладает огромным быстродействием, поскольку спектр ионов в широком диапазоне их масс регистрируется за один проход.

> V1
Схема время-пролетного анализатора
(Time Of Flight, TOF)

Дрейф ионов с

разными скоростями

определенными зна-чениями m/z, регистрировали с помощью фотоплас-тинки (чем интенсивнее поток

конкретной группы ионов, тем сильнее засвечивалась зона на пластике).
В настоящее время используется электронный умно-житель (ЭУ).

Схема действия
электронного
умножителя (ЭУ)

Разделенные с помощью
анализатора потоки ионов фокусируются
на вход ЭУ с помощью электрического поля.

их частей в одном агрегате друг за другом, на одной

оси, по одной линии.

Одним из недостатков прямого ввода образца в камеру масс-спектрометра для испарения является потенциально возможное искажение будущего масс-спектра за счет примесей, изначально присутствую-щих в образце. Возникают дополнительные пики, затрудняющие интерпретацию масс-спектра.
Одним из вариантов решения всех этих проблем стало использование тандемной масс-пектрометрии. Эта техника применяется со всеми описанными выше анализаторами и используется для анализа самых
разных классов соединений.

Образовавшиеся ионы по очереди проходят через первый анализатор. При этом,

в анализаторе увеличивают внутреннюю энергию полученных ионов (спец. методом), что вызывает фрагмента-цию ионов.
Ионы с повышенной энергией направляют во второй анализатор и получают масс-спектр индиви-дуального соединения.

иона и
его фрагментация

(Голке, Маклаферти и Рихаге). Получилась гибридная установка, сочетающая физи-ко-химическй метод,

предназначенный для разделе-ния и анализа смесей (газовая хроматография) с масс-спектрометрией. Сначала на газовом хромато-графе разделяют компоненты изучаемой смеси. Затем каждый компонент (находится в форме паров) по отдельности направляют на вход масс-спектро-метра.

Газовый
хроматограф

Устройство сбора фракций

Масс-
спектрометр

Масс-
спектр

Схема установки для хромато-масс-спектрометрии

анаболи-ческих стероидов, анальгетиков, диуретиков, био-стимуляторов, кортикостероидов и др.
Современные

масс-спектрометры довольно компактны и способны обнаружить в крови или моче спортсмена миллиардную долю этих запре-щенных МОК препаратов или продуктов их распада в организме.
Хромато-масс-спектрометрия применяется для контроля загрязения окружающей среды опасными для здоровья человека веществами-ксенобиотика-ми (экологический мониторинг). На таможнях – спо-соб обнаружения следов наркотиков. При нефтераз-ведке - контроль состава нефти данного месторож-дения.

Разрешение масс-спектро-метра (R) – возможность получать на данном приборе

раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m + Δm).
В зависимости от глубины ложбины между двумя сосед-ними пиками принято гово-рить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50% - для квадрупольных.

1. Разрешающая способность (разрешение).

каждого типа иона. Пример: прибор с точностью 0,01% даёт информацию

о 1000 Да пептиде с точностью ±0,1 Да, а для 10000 Да белка - ±1,0 Да. Точность в большой степени зависит от разрешаюшей способности (раз-решения) прибора.

3. Диапазон масс. Это диапазон значений m/z, кото-рый способен определить анализатор масс.
Пример: квадрупольные анализаторы обычно определяют m/z до 3000. Анализатор магнитного сектора обычно определяет m/z до 10000, а время-пролётные анализаторы способны охватить практи-чески неограниченный диапазон масс ионов.

.

число
молекулы вещества (её молекулярную массу).

2. Масс-спектрометрия высокого разрешения

позволяет не только с высокой точностью определить молекулярную массу, но и по дан-ным соответствующих таблиц можно получить брутто-формулу вещества.

3. На основе полученного масс-спектра изучаемого вещества возможно провести его идентифика-цию с помощью библиотеки масс-спектральных данных, а также по характеру фрагментации изучаемой молекулы предположить её строение.

исследуемой смеси и индивидуально охарак-теризовать каждое из соединений.

нефтехимии, физике, геологии, биологии, медицине, в производстве полимеров, в производ-стве

 полупроводниковых  и сверхчистых материа-лов, в ядерной технике, в с. х-ве и ветеринарии, в пищ. пром-сти, при анализе продуктов загрязнения окружающей среды и мн. др.
Большие успехи достигнуты при анализе биологически важных молекул; показана возможность структурного анализа полисахаридов с мол. м. до 15000, белков с мол. м. до 45000 и т.д.
Хромато-масс-спектрометрия нашла широкое при-менение в различных областях химии, медицины, фармацевтического производства, экологического мониторинга и технологического контроля в промыш-ленности.