Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы. Один из мощнейших способов качественной идентификации веществ, допускающий также и количественное определение. Можно сказать, что масс-спектрометрия — это «взвешивание» молекул, находящихся в пробе.^[1] [2]

История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов Дж. Дж. Томсона в начале XX века. Окончание «-метрия» в названии метода появилось после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.

Особенно широкое применение масс-спектрометрия находит в анализе органических веществ, поскольку обеспечивает уверенную идентификацию как относительно простых, так и сложных молекул. Единственное общее требование — чтобы молекула поддавалась ионизации. Однако к настоящему времени придумано столько способов ионизации компонентов пробы, что масс-спектрометрию можно считать практически всеохватным методом.

Почти все масс-спектрометры — это вакуумные приборы, поскольку ионы очень нестабильны в присутствии посторонних молекул. Однако существуют некоторые приборы, которые можно условно отнести к масс-спектрометрам, но в которых используется не вакуум, а поток особого чистого газа.^[3]

Масс-спектр — это зависимость интенсивности ионного тока (количества вещества) от отношения массы к заряду (природы вещества). Поскольку масса любой молекулы складывается из масс составляющих её атомов, масс-спектр всегда дискретен, хотя при низком разрешении масс-спектрометра пики разных масс могут перекрываться или даже сливаться. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации и вторичные процессы в масс-спектрометре могут влиять на масс-спектр (см. метастабильные ионы, градиент ускоряющего напряжения по местам образования ионов, неупругое рассеивание). Так, ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным.

Большинство небольших молекул при ионизации приобретает только один положительный или отрицательный заряд. Чем больше молекула, тем больше вероятность того, что во время ионизации она превратится в многозарядный ион. Поэтому особенно сильно данный эффект проявляется в отношении крайне больших молекул, например, белков, нуклеиновых кислот и полимеров. При некоторых видах ионизации (например, электронный удар) молекула может распадаться на несколько характерных частей, что даёт дополнительные возможности идентификации и исследования структуры неизвестных веществ.

Точное определение массы анализируемой молекулы позволяет определить её элементный состав (см.: элементный анализ). Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул (см.: изотопный анализ).

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация, МАЛДИ — (от англ. MALDI, Matrix Assisted Laser Desorbtion/Ionization) — десорбционный метод«мягкой» ионизации, обусловленной воздействием импульсами лазерного излучения на матрицу с анализируемым веществом. Матрица представляет собой материал, свойства которого обуславливают понижение деструктивных свойств лазерного излучения и ионизацию анализируемого вещества. МАЛДИ масс-спектрометрия находит свое широкое применение для анализа нелетучих высокомолекулярных соединений (пептиды, белки, углеводы, олигонуклеотиды и др.)

Впервые возможность применения матрицы для подавления фрагментации при анализе нелетучих органических соединений на примере белков и пептидов была продемонстрирована в 1987 году группой ученых в Германии (M. Karas and F. Hillenkamp)^[1]. За открытие метода МАЛДИ японский инженер Коити Танака известной японской приборостроительной корпорации Shimadzu получил в 2002 году Нобелевскую премию.

Обычно используется в сочетании с времяпролетным масс-анализатором. Таким образом, верхний рубеж определяемых масс ограничивается пропускаемой способностью анализатора (около 1MDa). Чувствительность метода: << 1 фемтомоль.

Содержание

  [убрать] 

• 1 Матрица

• 2 Механизм ионизации

• 3 Применение

• 4 См. также

• 5 Ссылки

Матрица[править | править исходный текст]

Считается, что вещество, используемое в качестве матрицы, должно отвечать следующим основным требованиям:

1) обладать высоким коэффициентом экстинкции при длине волны лазерного излучения;

2) иметь способность к ионизации нейтральных молекул анализируемого вещества путем переноса заряда или заряженной частицы;

3) обладать хорошей растворимостью в растворителях, применяемых в процессе пробоподготовки;

4) быть химически инертным по отношению к анализируемому веществу;

5) иметь низкую летучесть и термическую устойчивость.

Стоит указать на селективность в выборе матричных соединений по отношению к классу анализируемых соединений. Во многом это определяется различной природой механизмов образования ионов анализируемого вещества. Как правило, доминирующим процессом в их образовании являются процессы вторичной ионизации, а именно ион-молекулярные взаимодействия между матричными ионами и молекулами анализируемого вещества. Иными словами, вторичная ионизация может происходить за счет таких процессов, как перенос протона (Н⁺), заряженной частицы в виде электрона (e⁻), металл-катионов (Na⁺, Ag⁺ и др.).

Например, существует широко распространенная группа кислотных матриц для анализа белков и пептидов: 2,5-дигидроксибензойная кислота, различные производные коричной (β-фенилакриловой) кислот и т. д. Пептиды и белки, как правило, обладают высокими значениями сродства к протону от 900 кДж/моль и более. Эти значения превышают величины сродства к протону матричных соединений (870–910 кДж/моль), в результате чего реакция переноса протона является экзотермической:

А + МН⁺ → М + АН⁺, где А – молекула анализируемого вещества, М – матричная молекула.

Другой путь образования ионов происходит путем переноса электрона (процесс перезарядки), конечным результатом которого является образование молекулярного радикал-катиона:

А + М^+• → А^+• + М.

Это наиболее эффективный способ образования положительных ионов для неполярных соединений с низкими значениями энергии ионизации.

Примеры МАЛДИ матриц
Название	Английское название (аббревиатура)	Растворители для матрицы	Типы исследуемых веществ
2,5-Дигидроксибензойная кислота	2,5-Dihydroxybenzoic Acid(DHB)	Вода, этанол, метанол, ацетон, ацетонитрил, хлороформ, тетрагидрофуран	Пептиды, олигонулеотиды, полисахариды, синтетические полимеры
2-(4-Гидроксифенилазо)-бензойная кислота	2-(4-Hydroxyphenyazo)-benzoic acid (HABA)	Диоксан, ацетон, тетрагидрофуран, диметилформамид	Пептиды, белки, синтетические полимеры
α-циано-4-гидроксикоричная кислота	α-Cyano-4-hydroxycinnamic acid	Ацетон, водн. ацетонитрил, ТГФ, ДМФА, этанол	Пептиды, синтетические полимеры
Синапиновая кислота	Sinapic Aсid	ТГФ, ДМФА	Пептиды, белки, липиды
Феруловая кислота	Ferulic Aсid	ТГФ, ДМФА	Пептиды, белки
1,8,9-Антрацентриол	1,8,9-anthracentriol(Dithranol)	ТГФ, ДМФА, толуол, хлороформ, хлорбензол	Синтетические полимеры, липиды

Механизм ионизации[править | править исходный текст]

Схематическое представление механизма МАЛДИ

• При облучении лазером с длительностью импульса несколько наносекунд и высокими величинами интенсивности излучения (10⁶ — 10⁷ Вт/см²) из образца, представляющего собой твердый раствор или смесь анализируемого вещества и матрицы, происходит выброс материала в виде микрочастиц. Такие частицы могут достигать размеров несколько сотен микрометров. Над поверхностью образца возникает область высокого локального давления — так называемый факел (от англ. англ. plume — факел, шлейф, султан), который преимущественно состоит из нейтральных частиц. Вместе с тем, в нем присутствуют и заряженные частицы, доля которых по разным оценкам составляет 10⁻⁵—10⁻³ от полного числа всех частиц. На начальном этапе образования факела его плотность близка к плотности вещества в конденсированном состоянии.

• C расширением факела (в первые наносекунды) происходит распад конгломератов вплоть до образования отдельных молекул или их фрагментов, а также заряженных (преимущественно матричных) частиц. Ионизацию молекул, происходящую непосредственно при выбросе материала из конденсированного состояния, принято рассматривать как первичную.

• В расширяющемся факеле происходят непрерывные соударения между частицами, в том числе возможны ион-молекулярные реакции между матричными заряженными частицами и молекулами анализируемого вещества, которые приводят к ионизации последнего. Такого рода ионизацию относят к вторичной.

Применение[править | править исходный текст]

Диапазон применения МАЛДИ достаточно широк и охватывает многие классы химических соединений:

1. Биоорганические соединения (пептиды, белки, олигонуклеотиды, олигосахариды и т. п.);

2. синтетические полимеры;

3. органические комплексные соединения;

4. высокомолекулярные материалы;

5. синтетические дендримеры;

6. фуллерены и др.

См. также