МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Применение масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия (МС) - один из самых современных и универсальных методов анализа, который в последние годы, благодаря успехам в области аналитического приборостроения, вакуумной техники и компьютеризации, находит все более широкое применение для разнообразных задач в таких областях как биохимия,клиническая химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия,пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепераработка, контроль окружающей среды , производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, наркоконтроль, геохимия, геология, минералогия, геохронология, археология, энергетика, полупроводниковая промышленность, металлургия.

Масс-спектрометрия - это физический метод измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду.
Этот метод, сегодня рутинно используемый в тысячах лабораторий и предприятий мира, имеет в своей основе фундаментальные знания природы вещества и использует основополагающие физические принципы явлений.

Масс-спектрометры устанавливают что это за молекулы (то есть, какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (то есть их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр - это просто рассортировка заряженных частиц по их массам (точнее отношениям массы к заряду).

Cовременный масс-спектрометр базируется на основополагающей работе, сделанной сэром Дж. Дж. Томсоном в Кэвендишевской лаборатории Кембриджского университета. Исследования Томсона, приведшие к открытию электрона в 1897 году, также привели к созданию первого масс-спектрометра, построенного им для изучения влияния электрического и магнитного полей на ионы, генерируемые в остаточном газе на катоде рентгеновской трубки. Томсон обратил внимание, что эти ионы движутся по параболическим траекториям, пропорциональным отношениям их массы к заряду.
В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике за "Выдающиеся заслуги в теоретическом и экспериментальном изучении электропроводимости газов".

Период с 1930-ых по начало 1970-ых годов отмечен выдающимися достижениями в обсласти масс-спектрометрии. К концу Первой мировой войны работы Френсиса Астона и Артура Демпстера привели к значительному улучшению точности и воспроизводимости измерений на масс-спектрометрах. Позднее Альфред Нир воплотил эти достижения вместе со значительным продвижением в вакуумной технике и электронике в конструкцию масс-спектрометра, значительно сократив его размеры. Нир и Джонсон впервые построили масс-спектрометр с двойной фокусировкой. Еще раньше, в 1946 году, Уильям Стивенс предложил концепцию время-пролетных анализаторов, способных разделять ионы путем измерения скоростей их движения по прямому пути к коллектору. В середине 1950-ых годов Вольфганг Пол разработал квадрупольный масс-анализатор.

В 1950-е годы впервые были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр
Затем появились новые методы ионизации - бомбардировка быстрыми атомами (Барбер), химическая ионизация (Тальрозе, Филд, Мансон), полевая десорбция/ионизация (Беки), лазерная десорбция/ионизация, ассистируемая матрицей - MALDI (Танака, Карас, Хилленкампф) ионизация в электроспрее - ESI (Доул, Фенн), ионизация в инуктивно-связанной плазме (Фассел). Были разработаны новые приборы для новых применений - масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса (Хиппл) и, затем, с Фурье-преобразованием сигнала (Комиссаров, Маршалл), тройные квадрупольные тандемные масс-спектрометры (Йоуст, Энке).

Как получают ионы

Как разделяют ионы по массам

Используя закон сохранения энергии, получаем:

Зависимость ионного тока от отношения m/q называется масс-спектром

Квадрупольный масс-спектрометр

Как работают квадрупольные масс-спектрометры
Высокочастотное (несколько мегагерц) переменное и постоянное электрическое напряжение вида
подаваемое на систему четырех электродов, вынуждает ионы совершать колебательное движение в такт с частотой ω
этого поля. При определенных U0, V, ω
во входную щель масс-анализатора будут проходить ионы с определенной массой m, отвечающей условию:
где a – некоторая постоянная прибора. Все ионы с отличными массами будут двигаться с нарастающими амплитудами колебаний, что приводит к их нейтрализации на стенках электродов. Путем изменения амплитуды U0 или ω
масс-анализатор настраивают на регистрацию ионов требуемой массы.

Как работают времяпролетные масс-спектрометры
Еще один способ разделения по массам: создать кратковременный импульс постоянного электрического поля. Ионы приобретают скорость
И долетают до коллектора за время
где L – длина анализатора
Из-за различия в массах ионы приобретают различные скорости обратно пропорциональные

Детекторы
Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т.д.

Комбинация масс-спектрометрии с другими методами

Хромато-масс-спектрометрия
Уже давно масс-спектрометр рассматривают как отличный детектор для газовой хроматографии. Как газовый хроматограф, так и масс- спектрометр представляют собой в принципе относительно несложные приборы, а получаемые с помощью каждого из них аналитические данные просты для понимания и использования. Когда эти два прибора напрямую соединяют в единую хромато-масс-спектрометрическую систему, возможности такой системы не равны просто сумме возможностей каждого прибора; аналитические возможности увеличиваются экспоненциально. Для того, чтобы реализовать весь потенциал, заключенный в громадном количестве данных, генерируемых хромато-масс-спектрометром, необходим специализированный компьютер. С подключением компьютера к прибору становятся возможными многие операции с данными, увеличивающие их аналитическую ценность. Полученные с помощью масс-спектрометрического детектора спектры, дают такую информацию о качественном составе пробы, какую не могут дать иные газохроматографические детекторы.

Масс-спектрометры с индуктивно-связанной плазмой
С помощью этого прибора определяют из каких атомов составлено вещество
Индуктивно-связанная плазма (ИСП, ICP) образуется внутри горелки, в которой горит, обычно, аргон. Аргон, вообще говоря, инертный негорючий газ, поэтому, чтобы заставить его гореть, в него закачивают энергию, помещая горелку в индукционную катушку. Когда в плазму аргоновой горелки попадают атомы и молекулы, они моментально превращаются в ионы. Для того, чтобы ввести атомы и молекулы интересующего материала в плазму их обычно растворяют в воде и распыляют в плазму в виде мельчайшей взвеси.

Общий вид современного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой IRIS ICAP

К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить без разложения, то есть перевести в газовую фазу. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры. Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются, в основном, методы ионизации при атмосферном давлении - ионизация в электроспрее (ESI) а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI). Ионизация в электроспрее (ESI) - с огромной скоростью и прямо в этой струе мелкодисперсного тумана с оболочек молекул срываются электроны, превращая их в ионы. Жидкость (интересующие нас соединения с растворителем) вырывается под давлением вместе с коаксиально подаваемым розогретым газом (азотом) из узкого капилляра (на самом деле, иглы, которая находится под повышенным потенциалом - 5 - 10 кВ) Большая часть растворителя при движении этой струи переходит в газовую фазу и не попадает в отверстие входного конуса источника ионов.
В методе MALDI лазерный луч вырывает ионы с поверхности мишени, на которую нанесен образец со специально подобранной матрицей.
В режиме химической ионизации при атмосферном давлении потенциал прикладывается не к игле, через которую поступает жидкость, а к электроду в области распыления, что приводит к образованию коронного разряда. В этом случае фрагментация значительно меньше, чем в предыдущем - электроспрее (ESI).

Биомасс-спектрометр
MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Time-of-Flight) разработан, чтобы точно определять молекулярные массы молекул в пико молекулярных количествах.
Высокая чувствительность и точность и разрешение.

Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer