Современные масс-спектрометры

Министерство сельского хозяйства РФ

ФГБОУ ВПО РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева

Институт природообустройства имени А.Н. Костякова

 

 

 

 

 

Кафедра общей и инженерной экологии

 

 

Курсовая работа на тему:

«Современные масс-спектрометры»

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 412 группы :

Гладков Е.О.

Проверил:

Мартынов Д.Ю.

 

Москва 2014

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия — это физический метод, основанный на измерении массы заряженных частиц материи, используется для анализа вещества в течение почти 100 лет начиная с основополагающих опытов Томсона в 1912 году. 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 непосредственно детектирует сами частицы вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее отношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр — это просто рассортировка заряженных частиц по отношениям массы к заряду. Так как большинство небольших органических молекул при ионизации приобретает только один заряд, то для упрощения говорят о разделении веществ по массе. Важным исключением из этого правила являются белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры, которые способны приобретать множественные заряды. Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав . Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул). В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом, можно получать данные о структуре вещества.

 

 

 

 

 

 

История масс-спектрометрии

1912 — Томсон создает  первый масс-спектрометр и получает  масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого  газа и фосгена.

1913 — С помощью своего  масс-спектрометра Томсон открывает  изотопы неона: неон-20 и неон-22.

1923 — Астон изменяет  с помощью масс-спектрометра дефект  массы.

1934 — Конрад применяет  масс-спектрометрию для анализа  органических молекул.

1940 — Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235

1948 — Камероном и Эггером создан первый масс-спектрометр с время-пролетным масс-анализатором.

1953 — Пауль патентует  квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку.

1956 — МакЛаферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр

1966 — Мансон и Филд открывают химическую ионизацию

1972 — Каратаев и Мамырин изобретают время-пролетный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора.

1974 — Первый жидкостный  хромато-масс-спектрометр создан  Арпино, Болдуином и МакЛаферти

1981 — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB)

1982 — Первый масс-спектр  целого белка (инсулин) с помощью  бомбардировки быстрыми атомами (FAB)

1983 — Бланки и Бестал изобретают термоспрей.

1984 — Л.Н. Галль, а затем Фенн изобретают электроспрей. [1]

1987 — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

1999 — Александр Макаров  изобретает электростатическую  ионную ловушку.

 

Принцип работы и устройство масс-спектрометра

Источники ионов

Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Вторым необходимым условием является перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы). Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.

Газовая фаза:

• электронная ионизация
• химическая ионизация

Жидкая фаза:

• термоспрей
• ионизация при атмосферном давлении
• электроспрей (ESI)
• химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
• фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

 

 

 

Твердая фаза:

• ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI)
• бомбардировка быстрыми атомами (FAB)

В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жесткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше и значительно более жесткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы.

ионизация в индуктивно-связанной плазме

термоионизация или поверхностная ионизация

ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация (см. искровой разряд)

ионизация в процессе лазерной абляции

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. 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, то есть все то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются, в основном, два из них — ионизация при атмосферном давлении и её подвиды — электроспрей (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI), а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

 

 

 

 

 

Масс-анализаторы

Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс- спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:

непрерывные масс-анализаторы:

Магнитный масс-анализатор

Масс-анализатор со скрещенными магнитным и электростатическим полями

Квадрупольный масс-анализатор

импульсные масс-анализаторы:

Время-пролетный масс-анализатор

Ионная ловушка

Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием

Разница между непрерывными и пульсовыми масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоков, а во вторые — порциями, через определенные интервалы времени. Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс спектрометры применяются, как правило, вместе с 'мягкими' методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространенными конфигурациями тандемных масс спектрометров являются квадруполь--квадрупольная и квадруполь--время-пролетная.

 

Детекторы

Итак, последним элементом описываемого нами упрощенного масс-спектрометра, является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются диодные 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 ещё большее количество электронов и т. д. Другой вариант — фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея). Заинтересованный читатель может обратиться к подробностям детектирования ионов в специальной литературе, мы же не будем останавливаться на этом более подробно

Хромато-масс-спектрометрия

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений . Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами ("Хромасс"). Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС или LC/MS по-английски. Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

 

Характеристики масс-спектрометров и масс-спектрометрических детекторов

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, Динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования. Важнейшая характеристика при анализе органических соединений — это чувствительность. Для того, чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр — достоверность. Ведь если Вы записывали только один пик из всего характеристического масс-спектра, Вам понадобится ещё много поработать, чтобы доказать, что этот пик соответствует именно тому компоненту, который Вас интересует. Как же разрешить эту проблему? Использовать высокое разрешение на приборах с двойной фокусировкой, где можно добиться высокого уровня достоверности не жертвуя чувствительностью. Или использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному иону можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Итак, абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой. По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например, использованию искривленного квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.

В настоящее время в России особое внимание уделяется контролю качества продукции в ядернотопливном цикле. Ранее для элементного и изотопного анализа образцов использовались зарубежные масс-спектрометры. В настоящее время разработана линейка отечественных масс-спектрометров МТИ-350, производство которых налажено в стране. Линейка включает автоматизированный масс-спектрометр МТИ-350Г для изотопного анализа гексафторида урана; термоионизационный масс-спектрометр МТИ-350Т для изотопного анализа урана, плутония и смешанного металлоксидного (МОКС) топлива; масс-спектрометр МТИ-350ГС для контроля производства гексафторида урана; масс-спектрометр МТХ-350ГП для детектирования содержания примесей в гексафториде урана. В статье рассматриваются методы работы, аналитические характеристики, а также удобства и преимущества перечисленных выше масс-спектрометров.