Тысячи-1 / !_Мои 1000_! / Mass spectrometry. Part 1 / Part I (перев)

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия (МС) является аналитическим методом по измерению отношения массы к заряду заряженных частиц. Он используется для определения массы частиц, элементного состава образца или молекулы и для выяснения химического состава молекул, таких как пептиды и другие химические соединения. Принцип работы МС состоит в ионизации химических соединений для создания заряженных молекул или фрагментов молекулы и измерении отношения их массы к заряду. Типичные этапы процесса:

1).Образец помещается на устройство и подвергается испарению;

2) компоненты образца ионизируются одним из множества способов (например, воздействием на них электронного пучка), что приводит к образованию заряженных частиц (ионов);

3) Ионы разделяются в соответствии с соотношением их массы и заряда в анализаторе с помощью электромагнитных полей:

4) Ионы регистрируются, как правило, количественным методом:

5) Ионный сигнал преобразуется в спектры масс.

Устройства состоят из трёх модулей:

6) Ионный источник, который может преобразовывать молекулы газа образца в ионы (или, в случае электрической ионизации, перемещать ионы, которые существуют в растворе в газовой фазе);

7) масс-анализатор, который распределяет ионы по их массам при помощи электромагнитных полей;

8) детектор, который измеряет значение счётчика количества и таким образом предоставляет данные для расчёта распространенности каждого иона настоящее

Методика имеет качественное и количественное направления. К ним относятся идентификации неизвестных соединений, определение изотопного состава элементов в молекуле, и определение структуры соединения при наблюдении её фрагментации. Другие области применения включают измерения количества соединения в образце или изучение основ химии ионов и нейтральных частиц в вакууме. МС сейчас находит очень широкое применение в аналитических лабораториях, изучающих физические, химические и биологические свойства весьма разнообразных соединений.

История

Модель раннего масс-спектрометра.

В 1886 году Евгений Гольдштейн наблюдал лучи в газовых разрядах под низким давлением, которые двигались от анода по каналам в перфорированный катод противоположно направлению отрицательно заряженных катодных лучей (которые перемещаются от катода к аноду). Вильгельм Вин обнаружил, что сильные электрические или магнитные поля отклоняли канальные лучи, а в 1899 году сконструировал аппарат с параллельными электрическим и магнитным полями, разделявших положительные лучи в зависимости от отношения заряда к массе (Q/m). Вин обнаружил, что это отношение зависит от природы газа в разрядной трубке. Английский учёный Томсон позднее улучшил работу Вина за счёт снижения давления, чтобы создать масс-спектрограф.

О первом применении масс-спектрометрии для анализа аминокислот и пептидов было сообщено в 1958 году. Карл–Уве Андерссон подсвечивал основные фрагментные ионы, наблюдавшиеся при ионизации метиловых эфиров.

Некоторые из современных методов масс-спектрометрии были разработаны Артуром Демпстером и Астоном в 1918 и 1919 годах соответственно. В 1989 году половина Нобелевских премий по физике была присуждена Гансу Демельту и Вольфгангу Полу за развитие метода ионного захвата в 1950-х и 60-х. В 2002 году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Беннету Фенн за развитие ионизации электроспреем и Коити Танака за развитие мягкой лазерной десорбции и их применение для ионизации биологических макромолекул, в особенности белков.

Упрощённый пример

Схема простого масс-спектрометра с участком масс-анализатора. Он применяется для измерения соотно­шения изотопов двуокиси углерода.

Следующий пример описывает работу анализатора масс-спектрометра, который принадлежит к секторному типу. (Другие типы анализаторов рассматриваются ниже.) Рассмотрим образец хлорида натрия (поваренной соли). В источнике ионов, образец выпаривается и превращается в электрически заряженные ионы натрия Na+ и хлора Cl–. Атомы и ионы Na моноизотопны, с массой около 23 а.е.м.. Атомы и ионы хлора присутствуют в виде двух изотопов с массами около 35 и примерно 37 а.е.м. Анализаторская часть спектрометра содержит электрические и магнитные поля, которые влияют на ионы, перемещающиеся сквозь эти поля, посредством сил. Скорость заряженных частиц может быть увеличена или уменьшена во время прохождения через электрическое поле, а её направление может быть изменено магнитным полем. Величина отклонения траектории движущегося иона зависит от его отношения массы к заряду. Более лёгкие ионы отклоняются магнитной силой сильнее, чем тяжёлые ионы (по II закону движения Ньютона, F = mа). Потоки разделённых ионов проходят от анализатора к датчику, который регистрирует относительное содержание ионов каждого типа. Эта информация используется при определении химического состава элементов исходного образца и изотопного состава его образующих.

Получение ионов

Источник ионов является частью масс-спектрометра, который ионизирует материал при анализе. Эти ионы затем транспортируются магнитным и электрическим полями в масс-анализатор.

Методы ионизации были ключом к определению типов образцов, которые могут быть проанализированы методом МС. Электронная и химическая ионизация используются для газов и паров. В химических источниках ионизации, аналит ионизируется в результате химических реакций ион-молекула при столкновении в источнике. Два метода часто используются с жидкими и твёрдыми биологическими образцами: электроспрей и матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация.

Источники индуктивно связанной плазмы используются в основном для катионного анализа широкого спектра типов образцов. Плазма обычно вырабатывается из аргона, ввиду того, что первая энергия ионизации атомов аргона выше, чем у любых других элементов, исключая He, О, F и Ne, но ниже, чем вторая энергии ионизации из всех, кроме самых электроположительных металлов. Нагрев достигается за счёт радиочастотного тока, пропускаемого через катушку, окружающую плазму.

2