Лекция 18 Основы масс-спектрометрии
1 Общие понятия о масс-спектрометрии
2. Устройство и принципы работы узлов масс спектрометра
– Ионизатор
– Масс-анализаторы
– Детекторы
3. Типы масс-спектрометров
4. Характеристики масс-спектрометров
5. Применение масс-спектрометрии
1 Общие понятия о масс-спектрометрии
Масс-спектрометрию описывали как мельчайшие весы в мире, не из-за размера масс-спектрометра, а из-за того, что он взвешивает – молекулы. За последнее время масс-спектрометрия претерпела потрясающий технологический подъём, позволяющий применять её для белков, пептидов, углеводов, ДНК, лекарств и многих других биологически активных молекул. Благодаря таким способам ионизации, как ионизация электроспрея (ESI) или лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI), масс-спектрометрия стала незаменимым инструментом для биохимических исследований.
В основе масс-спектрометрии лежат физические методы измерения отношения массы заряженных частиц материи (ионов) к их заряду – m/z . В масс-спектрометрии устанавливают как качественный состав исследуемого вещества (природу составляющих его атомов, структуру фрагментов молекул и молекул целиком) так и количественный состав. В отличие от других физико-химических методов, масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Для измерения соотношения m/z частиц, составляющих вещество, используются законы движения заряженных частиц в магнитном или электрическом поле.
Для этого молекулы или атомы ионизируются. Ионы генерируются при потере или получении заряда нейтральными частицами. После образования ионы электростатически направляются в анализатор массы, где они разделяются соответственно своему m/z и, наконец, детектируются. Результатом ионизации молекул, разделения ионов и детектирования ионов является спектр, по которому можно определить молекулярную массу и даже некоторую информацию о строении вещества. Масс-спектрометр выполняет функцию призмы в оптических методах.
Масс-спектр представляет собой диаграмму, где сигналы рассортированных частиц с одинаковым отношением m/z занимают определенную область. Приборы, используемые в этом методе, называются масс-спектрометрами.
Масс-спектрометр состоит из четырех основных узлов.
Узел ввода пробы – ионизатор – масс-анализатор – детектор.
Начиная от ионного источника и до детектора масс-спектрометр представляет собой вакуумный прибор. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы просто рассеиваются и рекомбинируют (превращаются обратно в незаряженные частицы).
Краткая история масс-спектрометрии
Основы масс-спектрометрии заложены Дж. Дж. Томсоном. Исследования, приведшие к открытию электрона в 1897 году, также привели к созданию первого масс-спектрометра (1912), построенного ученым 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, форма и положение которых зависит от m/z
Период с 1930-ых по начало 1970-ых годов отмечен выдающимися достижениями в области 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. Этот анализатор способен разделять ионы с помощью осцилирующего электрического поля. Другой инновационной разработкой Пола было создание квадрупольной ионной ловушки, специально предназначенной для захвата и измерения масс ионов. За свои инновационные работы Вольфганг Пол получил в 1989 году Нобелевскую премию по физике. В 1950-е годы впервые были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти и Рихаге). Затем появились новые методы ионизации – бомбардировка быстрыми атомами (Барбер), химическая ионизация (Тальрозе, Филд, Мансон), полевая десорбция/ионизация (Беки), лазерная десорбция/ионизация, с помощью матрицы – 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).