Детектори в мас спектрометрії. Хроматографічні методи і їх використання в ідентифікації забруднювачів природних середовищ

Мас-спектрометрія - це спосіб вивчення речовин, обчисленням маси і числа іонів при іонізації речовини.

Навігація:

Устаткування, яким проводиться мас-спектрометрії, є мас-спектрометр. Він аналізує зразок і надає дані у вигляді графіків (мас-спектрів).

Таким шляхом можна досліджувати будь-який матеріал, який піддається іонізації.

Широке застосування мас-спектрометрії придбала в таких сферах, як:

• медицина і фармацевтика;
• генна інженерія і біохімія;
• хімічна промисловість;
• харчова промисловість;
• косметичні та парфумерні розробки;
• лабораторна діагностика для визначення речовин в криміналістиці, контролі на допінги, екології;
• виготовлення полімерних і пластикових матеріалів;
• напівпровідникова індустрія;
• ядерна енергетика;
• металургійне виробництво;
• нафтопереробна і нафтохімічна промисловість;
• біологія, геологія, гідрологія, мінералогія і інші галузі.

Шляхи дослідження мас-спектрометрією в різних сферах розрізняються залежно від того, які дані необхідно отримати в результаті.

Мас-спектрометрією можна отримати наступні дані:

• встановити структуру сполуки;
• дослідження речовини на компоненти;
• встановити вік геологічної породи з обстеження складу ізотопів;
• хромато-мас-спектральний аналіз для екологічної сфери;
• досліджувати іонізаційні процеси, іонні реакції;
• вимірювати потенціал і енергію молекул.

Перевагою методу мас-спектрометрії є те, що для дослідження вистачає зовсім невелика кількість речовини.

Недолік же полягає в руйнуванні матеріалу, яке досліджується, тобто аналізуються продукти перетворення.

Примітка. Мас-спектрометричний метод по суті не відноситься до спектрометричного методу, так як відсутня взаємодія зразка з електромагнітним випромінюванням. Але через графічного виду залежності сили іонного потоку від відносини маси до заряду, який схожий на спектр, цей метод і отримав свою назву.

Дуже доступно і детально мас-спектрометрії висвітлюється в навчальних посібниках, На кшталт Лебедєв А.Т. «Мас-спектрометрія в органічній хімії».

Метод мас-спектрометрії

Метод мас-спектрометрії полягає в послідовному виконанні наступних операцій:

1. Іонізація речовини, а саме позбавлення молекул хоча б одного іона. Маса його нижче маси молекули в багато разів, тому він ніяк не вплине на результат дослідження.
2. Розгін заряджених частинок в вакуумному середовищі в електричному полі з наступним переміщенням їх в магнітне поле.
3. Аналіз переміщення частинок в магнітному полі, а саме їх швидкість, викривлення траєкторії руху. Більше заряджені частинки швидше розганяються і краще реагують на магніт. Частинки з великою масою такі керовані через інерцію руху.

Примітка. Вакуум необхідний для вільного переміщення заряджених частинок і запобігаючи перетворення їх в тому в незаряджені.

Іонізація зразків може здійснюватися кількома шляхами і залежить від необхідної мети.

Існують такі методи іонізації в мас-спектрометрії:

1. Електронний удар - пристосований для ізотопного і молекулярного аналізу неорганічних матеріалів.
2. Хімічна іонізація - для вивчення органічних матеріалів.
3. Електроспрей.
4. Лазерне випромінювання.
5. Бомбардування пучком іонів.

Останні три методи використовуються для дослідження речовин з великими молекулами.

Крім того, спосіб іонізації розділяється ще на кілька видів за станом речовини перед дослідженням, а саме газ, рідина або тверда речовина.

Газове стан (фаза) зразка проводиться такими способами іонізації:

• електронна (ізотопна мас-спектрометрії);
• хімічна;
• електронне захоплення;
• іонізація в електричному полі.

Рідкий стан (фаза) зразка проводиться такими способами іонізації в мас-спектрометрії:

• термоспрей;
• на відкритому повітрі;
• електроспрей;
• хімічна на відкритому повітрі;
• фотоионизация.

Тверде стан (фаза) зразка проводиться такими способами іонізації:

• пряма лазерна десорбція;
• матрично-активована лазерна десорбція / іонізація (Малда мас-спектрометрії);
• мас-спектрометрії вторинних іонів (іонна мас-спектрометрія);
• бомбардування швидкими атомами;
• десорбція в електричному полі;
• плазмова десорбція;
• іонізація в індуктивно-плазмі (мас-спектрометрія з індуктивно-зв'язаною плазмою);
• термоіонізація (поверхнева іонізація);
• іонізація в тліючому розряді (іскрова іонізація);
• іонізація в процесі лазерної абляції.

Останні чотири варіанти є досить жорсткими, але без них неможливо отримати іони в пробах з дуже міцними зв'язками.

Мас-спектрометричний гелевий течеискатель

Дуже широко практикується метод мас-спектрометрії в гелієвих течошукачів, наприклад, ПТІ-10, ТІ1-50 і інші.

Досліджувані системи або ємності заповнюються гелієм і потім за допомогою мас-спектрометричного методу розшукуються місця, де через щілини просочується гелій.

Чутливість мас-спектрометричного методу дозволяє знаходити навіть дуже незначні течі інертного газу в дуже невеликій кількості, тому гелевий мас-спектрометричний течеискатель є одним з найточніших і використовуваних приладів в промисловості.

Метод хромато-мас-спектрометрії

Метод хромато-мас-спектрометрії - це тандемна мас-спектрометрії хроматографії і мас-спектрометрії, тобто поєднання цих двох методів.

Хроматографія займається розбиттям молекул на заряджені частинки, а мас-спектрометрії аналізує їх.

Існує два види хромато-мас-спектрометрії:

• газова;
• рідинна.

Визначення методом хромато-мас-спектрометрією складу органічних речовин, які найчастіше многокомпонетние, є, мабуть, єдиним доступним методом. Найкращим вважається сукупність газової хроматографії і іонного детектора мас-спектрометра.

Саме тому хромато-мас-спектрометрії отримала велике споживання в медичній практиці для діагностування та аналізу захворювань і їх збудників, в тому числі визначення мікробіоценозу різних органів будь-якого зосередження методом хромато-мас-спектрометрії або мас-спектрометрія мікробних маркерів біологічних матеріалів (крові, сечі і інше). Мікробіоценоз методом хромато-мас-спектрометрії надає можливість виявити безліч мікробів, які неможливо визначити іншими методами, навіть ті, які знаходяться в сплячому стані в захисних капсулах. А, отже, люди отримують можливість скористатися правильним і своєчасним лікуванням, що неможливо переоцінити.

Крім цього, хромато-мас-спектрометрії широко застосовується в фармацевтиці для створення нових ліків, хімічної промисловості, екологічній сфері для оцінки проб довкілля, Генної інженерії, технічному контролі різних областей промисловості, лабораторних обстеженнях на присутність в крові заборонених препаратів та інше.

газова хроматографія

Газова хроматографія мас-спектрометрії передбачає додавання інертного газу-носія (часто це гелій), який є рухомим елементом. Досліджувана речовина є нерухомим елементом.

Газова мас-спектрометрії дозволяє аналізувати гази, рідини і тверді речовини, у яких молекулярна маса нижче 400. Ще досліджувані речовини повинні володіти необхідними летючими, інертними і термостабільними властивостями.

Схема газового хроматографа запропонована на схемі нижче.

спектрометричний аналіз

Спектрометричний аналіз протікає в мас-аналізаторах і детекторах мас-спектрометрів.

Мас-аналізатори бувають безперервні і імпульсні. Різняться вони тим, що надходження в них іонів проводитися постійно (безперервно) або порціями, відповідно.

До безперервним аналізатора належать магнітний і квадрупольний, до імпульсних - іонна пастка, часопролітної мас-аналізатор і аналізатор іонно-циклотронного резонансу з Фур'є-перетворенням.

Основне завдання аналізатора - це перерозподіл іонів з різними параметрами руху.

Після цього іони потрапляють в детектор, який реєструє різні спектри іонів.

Найчастіше в якості детекторів використовується діодний вторинно електронний помножувач або фотоумножувач. Перший реєструє кількісні показники різних іонів пучками електронів, другий реєструє мерехтіння від бомбардування іонами люмінофора.

Існують також інші види детекторів, це мікроканальних множники, системи типу діодних матриць і колектори.

Що таке мас-спектрометр

Мас-спектрометром називається вакуумне обладнання, яке здатне аналізувати речовина за законами переміщення заряджених частинок в магнітному і електричному полі.

У спрощеному вигляді опис мас-спектрометра можна змалювати таку картину: основні компоненти приладу - це іонний джерело, мас-аналізатор і детектор.

Іонний джерело перетворює звичайні молекули пробного зразка в заряджені частинки і поміщає їх в електричне та магнітне поле для прискорення.

Мас-аналізатор ділить іони на групи по швидкості руху, а саме за часом переміщення на якусь відстань.

Детектор реєструє дані за відносною кількістю кожної групи.

Крім основних компонентів мас-спектрометр оснащується ще вакуумними установками з насосом і вентилятором для вироблення вакууму, манометром, системою для установки пробного зразка, електронною схемою, індикаторами, стабілізатором і іншим.

Залежно від іонізації речовини, мас-спектрометри бувають статичними і динамічними.

Також існують мас-спектрометри з двома мас-аналізаторами, тобто тандемні спектрометри. Вони використовуються в основному при м'яких способах іонізації.

Як відрізнити молекули різних з'єднань? Виявляється, найпростіше - зважуючи їх на спеціальних вагах, які називаються мас-спектрометр

Марина Чадеева

Спортивний світ чекає чергове потрясіння: в глибокій таємниці був розроблений новий стероїд, який робить з спортсмена надлюдини

Принцип роботи мас-спектрометрів Електростатичний і магнітний сектора в пристрої з подвійним фокусуванням. У щілини фокусуються іони, що вилітають з джерела не тільки в різних напрямках, але і з різними енергіями

Квадрупольний аналізатор. Іони з обраним відношенням маси (m) до заряду (z) проходять уздовж осі аналізатора і потрапляють в детектор, а іони з іншими відносинам m / z стикаються зі стрижнями або вилітають за межі робочого простору

Можливо, незабаром знайомі всім нам пропускні пристрої для перевірки пасажирів стануть набагато «розумніші». Уявіть, проходить людина близько детектора, легкий подих вітерця чіпає його одягу - і незабаром у служби безпеки вже є інформація про те, чи мав цей пасажир справа з якими-небудь небезпечними речовинами. Пробні зразки таких детекторів настільки чутливі, що здатні виявити сліди хімічної сполуки, навіть якщо від нього залишилося всього кілька молекул. А зроблені вони на основі мас-спектрометра - приладу, який вміє розрізняти молекули по масі і визначати процентний вміст кожного сорту молекул в зразку речовини.

По суті, мас-спектрометр - це прецизійні електромагнітні ваги, на яких можна «зважувати» атоми з точністю до 10-31 грама. Саме завдяки цьому винаходу в двадцятих роках минулого століття були вивчені ізотопи всіх відомих хімічних елементів, А коли цікавість вчених було в достатній мірі задоволено, настала черга прикладних задач. У сорокові роки в лабораторіях Окриджа мас-спектрометр застосовувався при поділі ізотопів урану для першої атомної бомби, І тоді ж з'явилися перші цивільні споживачі цих приладів - нафтові концерни. Вони використовували мас-спектрометри для кількісного аналізу суміші органічних газів.

Принцип дії

Сучасні мас-спектрометри безсумнівно точніше і досконаліше своїх попередників столітньої давності, але основний принцип їх роботи залишається незмінним, а конструкція, як і сто років тому, включає три основних елементи: іонізатор, аналізатор і детектор.

Спочатку молекули треба ионизовать, тобто позбавити їх хоча б одного електрона. Оскільки електрон в тисячі (а іноді і в десятки тисяч) разів легше молекули, іонізація практично не впливає на її масу. Після іонізатора частинки потрапляють в аналізатор, який являє собою вакуумну камеру з електричними і магнітними полями. Іони розганяють електричним полем, а потім направляють в магнітне поле, де траєкторія зарядженої частинки викривляється. Всі частинки рухаються в одному і тому ж полі, а між собою вони різняться електричним зарядом і масою. Чим більше заряд, тим сильніше можна розігнати іон і тим легше повернути його магнітом, але чим більше його маса, тим важче це зробити через інерцію. Яку енергію придбає частка, яка буде її швидкість і ступінь викривлення траєкторії, залежить від величини поля і відносини маси частинки до її заряду.

Якщо припустити, що при іонізації з кожної молекули вдалося зірвати тільки по одному електрону (як найчастіше і відбувається), все іони будуть однозарядними і характер їх руху буде залежати тільки від маси. Чим важче іон, тим важче його «повернути» і тим менше буде кривизна його траєкторії. Вийде, що частинки з різними масами будуть в буквальному сенсі розлітатися в різні боки.

на останньому етапі потрібно зареєструвати ці іони якимось детектором заряджених частинок, наприклад фотопластинкою або вторинно електронним помножувачем. поставивши в потрібному місці ряд детекторів, ми побачимо, що частинки з різною масою (але з однаковим зарядом) потраплять в різні детектори. Тепер побудуємо графік: по горизонталі відкладемо координату детектора, що зареєстрував іон, а по вертикалі - кількість цих іонів. У нас вийде мас-спектр - картинка, схожа на спектр випромінювання: чим більша різниця в масах, тим далі точки попадання відстоять один від одного, а чим більше в дане місце прилітає частинок, тим більше сигнал і вище відповідний пік.

Насправді в сучасних системах використовується тільки один детектор. На нього при конкретному значенні поля фокусуються іони певної маси. Поступово змінюючи величину поля, можна направляти в детектор по черзі різні іони і реєструвати їх. Комп'ютер обчислює за значеннями поля відповідні маси, порівнює з базою даних і будує мас-спектр.

До перших спроб

У ряді засновників мас-спектрометрії першим стоїть ім'я відкривача електрона сера Джозефа Джона Томсона. У той час, в кінці позаминулого століття, багато фізиків активно вивчали електричні розряди в газах. В першу чергу їх цікавили виникали при цьому заряджені частинки. Провівши низку дотепних дослідів, Томсон зміг визначити параметри негативно заряджених частинок (які ми тепер знаємо як електрони), а потім зайнявся позитивно зарядженими - іонами. Для вивчення іонів йому довелося зібрати окрему установку. Томсон розмістив катод з отворами в середині скляної трубки, за ним - магніт, а ще далі за трубкою - фотопластинку. Позитивно заряджені іони різних хімічних сполук, Які перебували в трубці, летіли до катода, через отвори потрапляли в магнітне поле і в підсумку залишали сліди в різних місцях фотопластинки. За координатами частинок на фотопластинці і відомим значенням поля Томсон обчислив відношення мас іонів до їх зарядів і зазначив на фотографіях траєкторії іонів водню, атомарного і молекулярного кисню, вуглекислого та чадного газу, ртуті та неону. Так почалася епоха мас-спектрометрії.

Зайва вага

Після Першої світової війни дослідження Томсона продовжив його асистент Френсіс Вільям Астон. Вдосконалений прилад, який Астон назвав мас-спектрографом, дозволяв не тільки побачити лінії, відповідні часткам з різними масами, але і володів достатньою точністю для визначення кількісних співвідношень між ними. Найбільше Астона і його співробітників вразило те, що атомні ваги всіх легких елементів, виражені в відносних одиницях, з дивовижною точністю відповідали цілим числам. Прийнявши масу атома кисню за 16 одиниць, для вуглецю отримали значення 12, для азоту - 14 і т. Д. Для важких елементів, з атомним вагою понад 30, це «правило цілого числа» починало злегка порушуватися, але найдивнішим виявилося значення атомної маси водню - 1, а 1,008. Причому точність мас-спектрографа була така, що цю, на перший погляд незначну, різницю можна було списати на помилку вимірювань. Першим, хто зрозумів важливість, а головне - сенс цієї аномалії, був сам Астон. На його думку, цей експериментальний факт підтверджував не що інше, як взаємний перехід маси і енергії, передбачений теорією відносності: коли кілька протонів (ядер водню) з'єднуються, утворюючи інший елемент, частина їх маси перетворюється на енергію, і в підсумку маса, наприклад, гелію виявляється дещо менше суми мас складових його частинок.

«Результати, отримані за допомогою мас-спектрографа, усунули будь-які сумніви в цьому питанні ... - сказав Астон в своїй Нобелівській лекції в 1922 році. - Ми можемо бути абсолютно впевнені в тому, що при перетворенні водню в гелій певна частина маси повинна зникнути ... Можливо, майбутні дослідники відкриють який-небудь спосіб звільнення цієї енергії, який дозволить її використовувати. Тоді людство отримає в своє розпорядження такі можливості, які перевершують будь-яку фантазію ». Астон підкріпив свої слова цифрами. За його розрахунками, зробленими на основі мас-спектрометричних вимірювань і теорії відносності, якщо весь водень, що міститься всього в 9 грамах води, перетворити в гелій, виділиться енергія в розмірі 200 000 кВт / год, чого за сучасними мірками досить для висвітлення звичайної міської квартири протягом кількох років. Тепер-то ми точно знаємо, що саме такі ядерні реакції - джерело сонячної енергії, але керувати нею люди вміють тільки в режимі термоядерної бомби, інакше кажучи, поки що зовсім не вміють.

Так експерименти з газорозрядними лампами дозволили фізикам зробити далекосяжні висновки про фундаментальні властивості матерії, а заодно створити чудовий прилад - мас-спектрометр.

Квадрупольні мас-спектрометри

З появою нових способів детектування разом з фотопластинками поступово пішло в минуле і придумане Астоном назва - мас-спектрограф. На зміну прийшли сучасні мас-спектрометри, які в більшості своїй зберегли в якості основного елемента магнітне поле. Мас-спектрометри з магнітом залишаються неперевершеними по чутливості, і, не дивлячись на величезні розміри і високі енерговитрати, їм немає альтернативи там, де потрібна висока точність. Пошуки більш компактного і економного рішення привели в середині 50-х років професора Вольфганга Пола і його співробітників з університету Бонна до створення мас-спектрометра без магнітного поля - квадрупольного аналізатора з перемінним електричним полем. Такий аналізатор складається з чотирьох стрижнів, на пари протилежних стрижнів подається радіочастотне змінну напругу і додатково - постійна напруга між парами. Залежно від величин напруги і частоти до детектора між стрижнями рухаються тільки іони з певним відношенням маси до заряду, а решта вилітають назовні. Конструкція виявилася дійсно компактною і дуже практичною.

Мініатюрний квадрупольний мас-спектрометр був виготовлений спеціально для забезпечення безпеки астронавтів міжнародної космічної станції, В тому числі і при роботі у відкритому космосі. Це пристрій розміром з коробку для взуття і вагою 2,3 кг може безперервно контролювати витоку аміаку, азоту, ракетного палива, кисню, води і різних інших речовин.

Хто швидше

Ще до квадруполя, в 1946 році, співробітник університету Пенсільванії Вільям Стефенс придумав інший спосіб сортування молекул по масі без магніту - часопролітної мас-спектрометр. У ньому залишився тільки невелику ділянку електричного поля для розгону іонів,

а основну частину займало бесполевое простір. Принцип дії цього приладу був чудово простий: важкі іони важче розігнати через їх інерції, а отже, вони, маючи меншу швидкість після розгону і рухаючись повільніше в дрейфовому просторі без поля, прилітають до детектора пізніше легких. Якщо вважати, що всі іони заряджені однаково, час у дорозі буде прямо пропорційно квадратному кореню з маси. Спочатку в детектор прилетять легкі іони, потім ті, що важчі, і в останню чергу - найважчі. Такий прилад виявився простіше (хоча і мав меншу точність, ніж магнітний) і дешевше, а до того ж мав величезний швидкодією, оскільки весь спектр іонів в широкому діапазоні мас реєструвався за один прохід і не потрібно було витрачати час на поступову зміну поля.

За допомогою часопролітної мас-спектрометра в 1985 році був відкритий цілий клас нових речовин - фулерени. На той час уже було відомо, що в парах вуглецю присутні кластери - молекули, що складаються з різного числа атомів вуглецю (до 24). Завдяки мас-спектрометрів вдалося розрізнити ці кластери і визначити їх маси. Коли від парів перейшли до вивчення вуглецевої плазми, що спрямовується в потік гелію, на мас-спектрах стали видні молекули з більшого числа атомів, в тому числі С60 і С70. А за певних режимах створення плазми пік, відповідний С60, став в кілька разів вище всіх інших, що свідчило про стійкість цього з'єднання. Так були виявлені незвичайні молекули в формі футбольного м'яча, що складаються з 60 атомів вуглецю, за що першовідкривачам фулеренів в 1996 році була присуджена Нобелівська премія з хімії.

делікатний підхід

Воістину безмежна сфера застосування мас-спектрометрії - аналіз складних органічних речовин, без якого немислима сучасна медицина і біологія. Однак це стало можливим тільки після появи нових методів іонізації. Адже для мас-спектрометричного аналізу потрібно отримати вільні іони, а значить, випарувати речовина. Більшість біологічних молекул не виносить такого насильства над собою і розпадається під дією високих температур, які супроводжують процес випаровування. Тому для них винайшли більш делікатні способи перетворення в вільні іони. Один з них - іонізація електророзпиленням. Розчин речовини під тиском надходить в металевий капіляр, на який подано високу напругу (3-4 кВ). З вузького носика капіляра видавлюються краплі, які, будучи сильно зарядженими, розпадаються, втрачаючи по дорозі молекули розчинника, а напруга підбирається таким чином, що в мас-спектрометр потрапляють в основному іони біомолекул. Другий метод, під назвою «матрично-активована лазерна десорбція / іонізація», ще більш хитрий. Досліджуваний зразок наноситься на матрицю з спеціально підібраного речовини, здатного ефективно поглинати лазерне випромінювання. За умов стрімкого нагріванні цього «бутерброда» лазерним імпульсом молекули зразка іонізуются, не встигаючи розпастися на частини.

Завдяки новим способам іонізації мас-спектрометрії біомолекул з використанням порівняно простих і дешевих квадрупольних і часопролітної мас-спектрометрів стала широко застосовуватися на практиці - при розробці нових лікарських препаратів, визначенні слідів психотропних і наркотичних речовин, дослідженнях ДНК, білків і інших субстанцій. Існують цілі банки даних, за допомогою яких можна ідентифікувати органічна речовина по його складовим, виявленим в мас-спектрометрі.

Дуже плідною виявилася поєднання мас-спектрометрії та іншого фізико-хімічного методу, призначеного для розділення і аналізу сумішей - хроматографії. Спочатку за допомогою хроматографа виділяють компоненти суміші і потім окремо направляють їх на вхід мас-спектрометра. Подібними пристроями оснащені лабораторії допінг-контролю. За допомогою хромато-мас-спектрометрів визначають зміст анаболічних стероїдів, анальгетиків, діуретиків, стимуляторів і кортикостероїдів. Як би не старався спортсмен, для якого медаль дорожче власного здоров'я, приховати вживання анаболіків, йому це не вдасться зробити - сучасний мас-спектрометр здатний знайти в крові або сечі навіть мільярдну частку цих заборонених препаратів. Правда, тут йде своєрідна боротьба: хтось синтезує нові засоби для допінгу, а хтось намагається їх знайти, і без такого інструменту, як мас-спектрометр, останніми, швидше за все, ця гонка була б програна.

На всі випадки життя

У наш час різні застосування мас-спектрометрії вийшли далеко за рамки унікальних проектів, а щоб описати численні конструкції мас-аналізаторів і способи іонізації, не вистачило б і цілого номера журналу. Портативні хромато-мас-спектрометри є на озброєнні американської армії в Іраку. Вони дозволяють виявити незначні сліди реагентів хімічної зброї та використовуються для попереднього аналізу навколишнього оточення. Високоточні прилади для мас-спектрального аналізу набувають митні служби - це спосіб ретельно контролювати склад нафтопродуктів і визначати походження нафти буквально з точністю до свердловини, оскільки ізотопний склад унікальний для кожного родовища.

Сучасний мас-спектрометр може займати експериментальний зал або поміщатися в невеликій коробці на столі, містити надпровідний магніт або обходитися зовсім без магнітного поля. Чутливість цих приладів вражає уяву. Досить міліграма органічного забруднювача на тонну води, щоб мас-спектрометр засумнівався в її якості, а неорганічної домішки - і того менше. Парадоксально, але висока чутливість може сама стати джерелом проблем: наприклад, при перевірці пасажирів незначні сліди наркотиків, які випадково потрапили на грошові купюри, можуть бути виявлені на руках абсолютно добропорядного громадянина! Втім, це завдання вже іншого сорту, і, маючи в своєму розпорядженні такий чудовий інструмент, як мас-спектрометр, людина напевно зможе її вирішити.

Хромато-мас-спектрометрії - аналітичний метод, заснований на поєднанні можливостей хроматографа і мас-спектрометра, що використовується для кількісного та якісного визначення окремих компонентів в складних сумішах. У цій статті будуть розглянуті основні питання, що стосуються суті хромато-мас-спектрометрії та її особливостей:

Прилад, за допомогою якого проводиться дослідження, отримав назву хромато-мас-спектрометра або ХМС. Проходячи через хроматограф, проба поділяється на компоненти, а мас-спектрометр відповідає за їх ідентифікацію та аналіз. Залежно від особливостей досліджуваного складу і вимог до точності результату, використовується одна з двох методик: або високоточна рідинна хроматографія, або газова хроматографія з мас-спектрометричним детектуванням ГХ-МС.

Досліджуваний склад вводиться у випарник хроматографа і моментально перетворюється на газоподібну форму, змішується з інертним газом-носієм і під тиском подається в колонку. Проходячи через хроматографічну колонку, проба поділяється на компоненти, які подаються в МС і пропускаються через спектрометричну складову пристрою.

Для отримання спектру, молекули компонентів проби ионизируются, спеціальний датчик зчитує зміна іонного струму, на підставі чого записується хроматограмма. Програмне забезпечення для обробки хроматограм дозволяє звірити отримані піки з зареєстрованими раніше, і тим самим, проводячи їх точне якісне і кількісне визначення. Одночасно з цим робиться знімок мас-спектра, що дає уявлення про будову компонентів, в тому числі і не ідентифікованих раніше.

Хромато-мас-спектрометрії була розроблена в 50-х роках минулого століття, а перший прилад зібраний і протестований в 60-х роках.

Ефективність і результативність хромато-мас-спектрометрії задається чутливістю ХМС, які постійно вдосконалюються, що дозволяє розширювати застосування системи ГХ-МС.

Високу точність показує селективне детектування. Його суть зводиться до запису свідчень не по всьому об'єму надходить іонного струму, а за максимальними для передбачуваних молекул іонів. Це здешевлює метод і дозволяє виявляти мінімальний вміст заданого речовини в будь-яких складах. Тому хромато-мас-спектрометрії активно застосовується в медицині і фармакології для пошуку конкретних маркерів: наприклад, гормонів або наркотиків в біологічних рідинах.

Високою чутливістю володіє хромато-мас-спектрометр з МСД ISQ. Особливості застосовуваного в ньому детектора полягають в:

• використанні спеціальних матеріалів, що забезпечують високий іонний вихід в будь-яких робочих режимах;
• системі автоматичної обробки сигналу за допомогою можливостей ПО;
• системі автоматичної настройки МС;
• системі автоматичної діагностики МС;
• поєднанні високоякісних електродів з цифровою системою детектування, що дозволяє підвищити швидкість сканування;
• спеціальній системі придушення шумів від залишкового гелію.

Висока чутливість і широка сфера застосування хроматомасс-спектрометра, цілком виправдовує його ціну.

На якість результату впливає ще й швидкість запису мас-спектра, яка повинна бути значно вище, ніж побудова хроматографічного піку. Якщо швидкість знижується, з'являються пікові накладення і спотворення результату аналізу.

Цей параметр залежить від встановленого мас-аналізатора. Оптимальною в даний час є квадрупольний система, що функціонує за наступним принципом. Потік проходить через чотири магніти, які створюють високочастотне поле. Потрапляючи в нього, частинки з певним відношенням маси і заряду потрапляють в уловлювач, всі інші «відсіюються».

МС через рівні проміжки часу сканує спектри аналізованих речовин. Потім кожен статистичний знімок обробляється, і сумарна величина дає уявлення про сукупності спектрів в кожен момент часу. На більшості сучасних МС (наприклад, на агрегатах з МСД ISQ, про які розповідалося вище), встановлений саме цей тип аналізаторів.

Устаткування для мас-хроматографії відрізняється своїми параметрами і можливостями. Щоб підібрати техніку, що відповідає потребам сучасного користувача, необхідно враховувати наступні параметри:

• використовуваний джерело іонізації (електронний удар, хімічна іонізація);
• чутливість найбільш поширених МС дозволяють досягти 10-9 ... 10-12 г на різних режимах сканування;
• можливість сканування: бажано, щоб хромато-мас-спектрометр підтримував селективний пошук по зазначеним групам частинок (режим SIM), а також виконував повне сканування в заданому діапазоні (режим Full scan).

Велике значення для хромато-мас-спектрометрії набуває програмне забезпечення, що постачається в комплекті. Воно визначає можливість побудови хроматограми в режимі реального часу, контроль над стабільністю заданих параметрів, автоматичне отримання звітності в зручній для фахівця формі. Від ПО залежить, наскільки зручний в роботі хромато-мас-спектрометр. Додатково розробники пропонують набір бібліотек, в яких містяться спектри для різних промислових і наукових сфер: Медицини і фармакології (гормони, наркотики, лікарські препарати), нафтовидобувної галузі (вуглеводні), екології (пестициди та інші органічні забруднювачі) і ін.

Підбираючи хромато-мас-спектрометр, необхідно враховувати всі специфікації. Тоді свій виріб буде повністю відповідати потребам користувача.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАГАЛЬНА фармакопейних статей

Мас-спектрометріяОФС.1.2.1.1.0008.15

вводиться вперше

Метод мас-спектрометрії - метод якісного і кількісного аналізу лікарських засобів, заснований на прямому вимірюванні відносин маси до числа елементарних позитивних або негативних зарядів іонів ( m/ z) В газовій фазі, отриманих з випробуваного речовини. Заряд може бути обумовлений приєднанням або втратою електрона, протона, катіона або аніона в залежності від умов іонізації і складу зразка. Дане відношення виражається в атомних одиницях маси (а.е.м.) або в Дальтона (Так). Іони, що утворилися в іонному джерелі приладу, прискорюються і перед попаданням в детектор поділяються за допомогою мас-аналізатора. Ці процеси відбуваються в камері, в якій насосна система підтримує вакуум від 10 -3 до 10 -6 Па. Сигнал, який відповідає іону, представлений декількома піками, відповідними статистичному розподілу різних ізотопів цього іона. Такий сигнал називається ізотопним профілем (Для невеликих молекул), а окремий пік, який представляє найбільш поширений ізотоп для атома, - моноізотопному піком. Результуючий мас-спектр є графіком залежності кількості різних іонів від відносини m / z. При аналізі складних молекул виникає необхідність в двох і більш послідовних мас-аналізаторах для розшифровки молекулярної структури. У приладі МС / МС (MS n) ( тандемний мас-спектрометр) Мас-аналізатори вибудовують послідовно один за одним. З іонів, розділених в першому мас-аналізаторі, відбирають неідентифіковані за своєю будовою частки ( батьківські іони) І розбивають їх на більш дрібні фрагменти зіткненням з атомами інертного газу ( дисоціація, активована зіткненням, - CID) або лазерним випромінюванням. Цей процес реалізується перед другим мас-аналізатором, за допомогою якого аналізують продукти розпаду ( дочірні іони).

Мас-спектрометричний аналіз дає важливу якісну і кількісну (з використанням зовнішнього або внутрішнього стандартів) інформацію (визначення молекулярних мас, структури фрагментів визначаються молекул) з межею виявлення від пікомоль [пмоль (10 -12)] до фемтомоль [фмоль (10 -15) ].

Різновиди методу відрізняються способом введення зразка в прилад, механізмом утворення іонів (типом іонного джерела) І способом поділу іонів по відношенню маси до заряду (типом мас-аналізатора).

Технічні характеристики мас-спектрометрів

Найважливішими технічними характеристиками мас-спектрометрів є швидкість сканування, чутливість, динамічний діапазон, дозвіл.

швидкість сканування

Мас-аналізатор пропускає іони з певним співвідношенням маси і заряду ( m/ z) В певний час (крім многоколлекторних приладів, іонно-циклотронного резонансу, орбітальної пастки іонів). Для того щоб проаналізувати всі іони по відношенню m/ z, Мас-аналізатор повинен сканувати всі значення, потрібні для пропускання до детектора всіх цікавлять іонів. Швидкість розгортання поля називається швидкістю сканування, яка повинна бути максимальна (відповідно, час сканування має бути якомога менше), оскільки мас-спектрометр повинен зареєструвати сигнал за час виходу хроматографічного піку, яке може становити кілька секунд. При цьому чим більше мас-спектрів буде виміряна за час виходу хроматографічного піку, тим точніше буде описаний хроматографический пік, і тим менше буде вірогідність пропустити його максимальне значення.

Найповільнішим мас-аналізатором є магніт, мінімальний час сканування якого, без особливої \u200b\u200bвтрати чутливості, складає долі секунди. Квадрупольний мас-аналізатор може розгортати спектр за десяті частки секунди, іонна пастка і лінійна іонна пастка - швидше, а мас-спектрометр іонно-циклотронного резонансу - повільніше.

Будь-яке сканування у всіх перерахованих типах мас-аналізаторів є компромісним - зі збільшенням швидкості сканування знижується чутливість, тому що менше часу витрачається на запис сигналу на кожне масове число. Для типових методів аналізу швидкості сканування квадрупольного аналізатора або іонної пастки виявляється досить для отримання задовільних результатів. У той же час для високопродуктивного аналізу складних молекулярних систем бажано використовувати часопролітної мас-спектрометр, який здатний записувати мас-спектри зі швидкістю 40000 спектрів в секунду.

Розширення

Дозвіл або роздільна здатність мас-спектрометра визначається як можливість мас-аналізатора розділяти іони з близькими масами. Дуже важливо визначити маси іонів максимально точно, це дозволяє обчислити атомний склад іона або ідентифікувати молекулу шляхом порівняння з базою даних, скоротивши число можливих кандидатів з тисяч і сотень до одиниць або одного єдиного. Для магнітних мас-аналізаторів, в яких відстань між піками мас-спектра не залежить від мас іонів, дозвіл є величину рівну M / ΔM. Ця величина, як правило, визначається по 10% -й висоті піку. Таким чином здатність 1000 означає, що піки з масами 100,0 а.е.м. і 100,1 а.е.м. відокремлюються одна від одної, тобто не накладаються аж до 10% висоти.

Для аналізаторів, в яких відстань між піками змінюється в робочому діапазоні мас (чим більше маса, Тим менше відстань), таких як квадрупольні аналізатори, іонні пастки, часопролітної аналізатори, дозвіл (M / ΔM) має інший зміст: воно характеризує конкретну масу. Тому ці мас-аналізатори характеризують по ширині піків - величиною, що залишається постійною у всьому діапазоні мас. Ширина піків вимірюється на рівні 50% їх висоти. Для таких приладів ширина піку на напіввисоті, рівна 1, є непоганим показником і означає, що такий мас-аналізатор здатний розрізнити номінальні маси, що відрізняються на атомну одиницю маси практично в усьому його робочому діапазоні.

Номінальною масою або масовим числом називають найближче до точної маси іона ціле число в шкалі атомних одиниць маси. Наприклад, маса іона водню Н + дорівнює 1,00787 а.е.м., а його масове число дорівнює 1. Мас-аналізатори, які вимірюють номінальні маси, називають аналізаторами низького дозволу. Мас-спектрометри з подвійним фокусуванням (магнітної і електростатичної), іонно-циклотронного резонансу відносяться до приладів середнього або з високою роздільною здатністю. Типовим дозволом для магнітного спектрометра є величина, що перевищує 60000, а робота на рівні дозволу 10000 - 20000 є рутинною. На мас-спектрометрі іонно-циклотронного резонансу при аналізі зразка з масою близько 500 а.е.м. можна легко досягти дозволу 500000, що дозволяє проводити вимірювання мас іонів з точністю до четвертого - п'ятого знака після коми. Дозволи в кілька тисяч можна домогтися при використанні часопролітної мас-аналізаторів; проте, досліджуючи зразки з великою молекулярною масою, для яких цей тип приладів має перевагу перед іншими аналізаторами, цього дозволу вистачає лише для того, щоб виміряти масу іона з точністю ± десятки а.е.м.

Дозвіл мас-аналізатора тісно пов'язане з іншою важливою характеристикою - точністю вимірювання маси іона. Наприклад, маси молекулярних іонів азоту (N 2 +) і вуглецю монооксиду (СО +) складають 28,00615 і 27,99491 а.е.м. відповідно, обидва іона характеризуються масовим числом 28. Ці іони будуть реєструватися мас-спектрометром порізно при вирішенні 2500, а виміряний точне значення маси покаже, який з цих газів реєструється. Вимірювання точної маси є на приладах з подвійною фокусуванням, на часопролітної мас-спектрометрах (в низькомолекулярні діапазоні) і на мас-спектрометрах іонно-циклотронного резонансу.

динамічний діапазон

Динамічний діапазон - співвідношення максимального і мінімального детектіруемих сигналів. При аналізі суміші, що містить 99,99% одного з'єднання або будь-якого елементу і 0,01% будь-якої домішки, діапазон лінійності повинен бути четвертого порядку. Мас-спектрометри для аналізу органічних сполук характеризуються динамічним діапазоном в 5 - 6 порядків, а мас-спектрометри для елементного аналізу - 9 - 12 порядків.

чутливість

Чутливість є однією з найважливіших характеристик аналітичних приладів. Зазвичай розглядають пов'язаний з чутливістю параметр - мінімальне визначається кількість речовини або поріг виявлення. Типова величина порога виявлення хорошого хроматомасс-спектрометра, використовуваного для аналізу органічних сполук, становить 1 ∙ 10 -12 г при введенні 1 мікролітра розчину.

межі виявлення неорганічних речовин методом ICP / MS (ІСП / МС - мас-спектрометрія з індуктивно-зв'язаною плазмою) складають 1 ∙ 10 -15 (одна частка на квадрильйон).

Область застосування методу

Встановлення дійсності лікарських речовин

Фрагментований мас-спектр є «відбитком пальців» хімічної будови. Тому ідентичність мас-спектрів однозначно свідчить про ідентичність молекул, особливо в поєднанні з використанням бібліотек мас-спектрів і хроматографічних даних. Мас-спектр з високою роздільною здатністю дозволяє визначати атомний склад молекули (брутто-формулу) за точною масі.

Кількісне визначення фармацевтичних субстанцій і домішок в лікарських формах

Кількісний аналіз проводиться з використанням стандартних зразків в комбінації з традиційними хроматографічних методиками, причому не потрібно точного відтворення умов хроматографування, оскільки пік на хроматограмі ідентифікують по мас-спектру, а інтегрування по площах піків обраних іонів або піків обраних реакцій освіти конкретного іона, як правило, дозволяє кількісно визначати компонент при неповному розділенні піків на хроматограмі.

Ідентифікація домішок і встановлення невідомої структури

Мас-спектр дозволяє визначити молекулярну масу сполуки по молекулярному іону, а в багатьох випадках з'ясувати, з яких фрагментів складається молекула, що в поєднанні із застосуванням бібліотек спектрів і даними спектроскопії ЯМР дає можливість однозначно встановити хімічну структуру.

Кількісне визначення слідів речовин в фармакокінетиці і метаболоміке

Вибірковість в режимах SIM (моніторинг обраних іонів) і SRM (моніторинг обраних реакцій) поряд з дуже високою чутливістю дозволяє використовувати комбінацію ВЕРХ і мас-спектрометрії для визначення аналізованих речовин на тлі таких складних багатокомпонентних сумішей, як біологічні рідини або рослинні екстракти.

Кількісне визначення більш 70 елементів з межами вимірювання від 10 до 0,1 ррt ( parts per trillion ) Методом мас-спектрометрії з індуктивно зв'язаною плазмою.

устаткування

Мас-спектрометр складається з наступних блоків, що мають кілька різновидів: системи введення зразка, іонного джерела, мас-аналізатора, детектора і системи обробки даних.

Система введення зразка

Першою стадією аналізу є введення зразка випробуваного речовини в прилад без істотного порушення вакууму.

Найбільш застосовні системи введення, що дозволяють аналізувати компоненти суміші, що розділяються за допомогою відповідного приладу, з'єднаного з мас-спектрометром.

Газова хроматографія / мас-спектрометрії (ГХ / МС) ( GC / MS ).

При використанні відповідних капілярних колонок можливо безпосереднє введення кінця колонки в іонний джерело приладу без застосування сепаратора.

Застосовується для аналізу хімічних сполук, що мають температуру кипіння приблизно до 400 ºС.

Рідинна хроматографія / мас-спектрометрії (ЖХ / МС) (LC / MS).

Така комбінація приладів особливо ефективна при аналізі нелетких полярних з'єднань або термолабільних речовин. У зв'язку з труднощами одержання іонів у газовій фазі при цьому методі потрібно застосування спеціальних інтерфейсів: електроспрей (ESI), термоспрей (TSI), хімічна іонізація при атмосферному тиску (APCI), фотоионизация при атмосферному тиску (APPI) і ін., Які представляють собою самостійні методи іонізації і будуть розглянуті нижче.

Надкритична флюидная хроматографія / мас-спектрометрії

Цей метод введення зразка полягає в тому, що рухома фаза, зазвичай складається з знаходиться в сверхкритическом стані вуглецю діоксиду, переходить в газоподібний стан після проходження через нагріту заслінку, що знаходиться між колонкою і іонним джерелом.

Капілярний електрофорез / мас-спектрометрії ( CE / MS )

Елюент вводиться в іонне джерело, в деяких випадках після додавання додаткового розчинника, при цьому швидкість потоку може досягати декількох мілілітрів в хвилину. Обмеженнями даного методу є малі кількості введеного зразка і необхідність використовувати леткі буферні розчини.

Пристрої для прямого введення зразка

Зразок вводиться в прилад через вакуумний шлюз за допомогою клапана, штанги, транспортера або Автосамплер, випаровується термічно або в процесі десорбції з поверхні безпосередньо в іонному джерелі. При такому способі введення необхідно використовувати чисті зразки або мати на увазі, що отриманий мас-спектр може являти собою спектр суміші декількох з'єднань.

іонний джерело

Електронна іонізація ( EI )

Зразок випробуваного речовини, що знаходиться в газоподібному стані, іонізують потоком електронів, енергія яких (зазвичай 70 еВ) більше енергії іонізації зразка. При цьому, крім молекулярного іона М +, утворюються осколкові іони меншої маси, характерні для даної молекулярної структури. Головним обмеженням даного способу є необхідність випаровування зразка, що унеможливлює дослідження полярних, термолабільних або високомолекулярних сполук. Електронна іонізація може бути використана в газовій хроматографії в поєднанні з мас-спектрометрією і лише в окремих випадках - в рідинної хроматографії.

Хімічна іонізація ( CI )

При цьому способі іонізації використовується газ-реагент (метан, ізобутан, аміак, азоту монооксид, азоту діоксид або кисень). В спектрі присутні іони типу (М + Н) +, (М-Н) -, а також іонні комплекси, утворені аналітом з використовуваним газом-реагентом. Фрагментація при хімічної іонізації проявляється в меншій мірі, ніж при іонізації електронним ударом.

Для термолабільних речовин використовують різновид даного методу іонізації, при якій зразок, нанесений на дріт, дуже швидко випаровується внаслідок ефекту Джоуля - Томсона (десорбціонную хімічна іонізація).

Бомбардування швидкими атомами ( FAB ) Або іонізація бомбардуванням швидкими іонами (вторинно-іонна мас-спектрометрія - SIMS).

Зразок, розчинений у в'язкій матриці (гліцерин або м-нітробензіловий спирт), наносять на металеву поверхню, іонізують потоком нейтральних атомів (аргон або ксенон) або володіють велику кінетичну енергію іонами цезію. Спостерігаються іони (М + Н) + і (М-Н) - типів або іонні комплекси, утворені середовищем (матрицею) і зразком. Даний тип іонізації добре підходить для полярних, термолабільних сполук, дозволяючи отримувати спектри молекул з масою до 10000 Так. Важливо, щоб зразок був рівномірно розподілений в матриці, в іншому випадку якість спектра сильно погіршується, а спроби кількісного аналізу сумішей приводять до непередбачуваних результатів. Відомий проточний варіант FAB, який може бути використаний для рідинної хроматографії, проте швидкість потоку рухомої фази повинна бути дуже низькою (менше 10 мкл / хв).

Польова десорбція і польова іонізація

Зразок випаровують близько вольфрамового дротяного емітера, покритого Мікроголки (Польова іонізація) або поміщають на цей дріт (Польова десорбція).

Електричне поле (напруга близько 10 кВ), утворене емітером, іонізує зразок. Енергія, що переноситься при даних способах іонізації, становить всього частки еВ, тобто надлишкова енергія молекулярного іона значно нижче, ніж при інших способах іонізації. Крім того, інші електрони іонізуючого молекули не порушуються, і М + виявляється в основному (не збудженому) електронному стані, І спектр найчастіше представляє собою єдиний пік, що належить молекулярному іону.

Матрична лазерна десорбціонную іонізація (MALDI)

Зразок, змішаний з відповідною середовищем (матрицею) і поміщений на металеву підкладку, іонізують короткими лазерними імпульсами з довжиною хвилі від УФ до ІЧ-діапазону (тривалість імпульсів може становити від пікосекунди до декількох наносекунд). В якості матриці зазвичай використовуються УФ-поглинаючі органічні сполуки (2,5-дігідроксібензойная, сінаповую кислоти, 2,6-дігідроксіацетофенон і ін.). Даний спосіб іонізації застосовується, головним чином, при аналізі сполук з дуже великою молекулярною масою (більш 100000 Да).

Індуктивно пов'язана плазма ( ICP )

Зразок, розчинений в сильній мінеральної кислоти (азотна кислота, соляна кислота, плавикова кислота, царська горілка і т.д.), подається в зону горіння аргоновой плазми, де при температурі в кілька тисяч градусів відбувається розпад зразка на атоми з іонізацією. Метод застосовується для визначення більш 70 елементів. Зважаючи на наявність молекулярних інтерференцій оптимально використовувати прилади з високою роздільною здатністю або комбіновані мас-аналізатори з камерою зіткнень. Ізотопні інтерференції, як правило, можуть бути дозволені математичними методами.

Електроспрей (електрораспиленія) ( ESI )

Зразок, що знаходиться в розчині, вводиться в джерело через капіляр, на кінці якого є потенціал близько 5 кВ. На виході з капіляра утворюється аерозоль з заряджених крапель з високим поверхневим зарядом. Випаровування молекул розчинника з утворюються мікрокрапель призводить до утворення в газовій фазі однозарядних (М + Н) +, (М-Н) - або багатозарядних іонів (М + NН) + n, (М-N Н) - n. Швидкість потоку рухомої фази при даному виді іонізації може змінюватися від декількох нл / хв до 1 - 2 мл / хв. Такий спосіб іонізації застосовують для полярних сполук. Використання електроспрея особливо ефективно для встановлення структури поліпептидів, білків і нуклеїнових кислот з молекулярними масами до 1000000 Та й вище. Дуже добре електроспрей поєднується з рідинної хроматографією і капілярним електрофорезом.

Хімічна іонізація при атмосферному тиску ( APCI )

Іонізацію зразка проводять при атмосферному тиску в зоні коронного розряду, вміщеній на рейки рухомого фази, яка розпилюється як внаслідок теплових ефектів, так і завдяки використанню потоку азоту. Утворюються однозарядного іони (М + Н) + або (М-Н) -. Метод добре зарекомендував себе для аналізу порівняно невеликих полярних і неполярних молекул з масою щонайменше 1200 Да. Можливість використання високих швидкостей потоку рухомої фази (до 2 мл / хв) робить цей спосіб іонізації ідеальним для поєднання з рідинної хроматографією.

Фотоіонізація при атмосферному тиску ( APPI )

В іонному джерелі APPI використовують Криптонова лампу, яка випромінює фотони з енергією 10,0 і 10,6 еВ. Ці фотонні енергії достатні для іонізації більшості аналізованих сполук, в той час як для іонізації типових розчинників (вода, метанол, ацетонітрил і т.д.) для обернено-фазової рідинної хроматографії з мас-спектрометричним детектуванням необхідне випромінювання з більшою енергією. Використання низькоенергетичних фотонів в якості джерела іонізації приводить до отримання мас-спектрів, вільних від «хімічного шуму», а також гарантує мінімальну фрагментацію іонів, дозволяючи ідентифікувати протоновані іони або радикальні катіони.

Крім перерахованих різновидів іонних джерел існує цілий ряд менш поширених способів іонізації, таких як термоспрей, плазмова десорбція, лазерна абляція і ін.

Мас-спектрометрія DART

Мас-спектрометрія DART (Direct Analysis in Real Time) - швидкий метод отримання спектрів низькомолекулярних з'єднань on-line безпосередньо під час аналізу, практично не вимагає пробоподготовки. Метод дозволяє проводити надшвидку ідентифікацію компонентів будь-яких твердих або рідких об'єктів. Процедура аналізу зводиться до того, що об'єкт вносять пінцетом (в разі твердих зразків) або паличкою (у разі рідких об'єктів) в іонний джерело DART, де відбувається випаровування речовини і його іонізація з подальшою реєстрацією іонів мас-спектрометром. При цьому утворюються дуже прості спектри, зазвичай містять протоновані молекулярні іони низькомолекулярних компонентів проби. Метод мас-спектрометрії DART застосуємо для відстеження повноти протікання реакцій органічного синтезу нових лікарських речовин, прямого аналізу компонентів сумішей, розділених на платівці ТШХ, з її поверхні, виявлення фальсифікатів при аналізі фармацевтичних субстанцій та лікарських препаратів.

Мас-аналізатор

подвійна фокусування

Принцип дії всіх мас-аналізаторів заснований на фізичних законах руху заряджених частинок, згідно з якими траєкторія заряджених частинок в магнітному полі викривляється, а радіус кривизни залежить від маси частинок. Саме в регистрирующем устрої іони розподіляються по масам. Для збільшення дозволу на шляху іонів встановлюють додатково електростатичний аналізатор. Магнітні мас-спектрометри мають високу роздільну здатність, що дозволяє використовувати їх при дослідженні органічних сполук з високою роздільною здатністю, при аналізі ізотопних співвідношень, елементному аналізі на граничній чутливості.

квадрупольний аналізатор

Пристрій аналізатора зазначеного типу засноване на принципі квадруполя, який представляє собою 4 стрижня, на які попарно в протилежної полярності подається певна комбінація постійного та радіочастотного змінної електричної напруги. Іони, що переміщаються паралельно осях цих стрижнів, потрапляють в гіперболічне поле. Можливість пропускання іонів залежить від співвідношення m / z і напруги радіочастотного поля. Змінюючи напругу поля сканують всі значення m / z в робочому діапазоні приладу (зазвичай від 1 до 2000). Деякі прилади сканують до 4000 а.е.м.

Квадрупольні мас-спектрометри не вимагають використання високих напруг близько тисячі вольт, на відміну від магнітних мас-спектрометрів. Це дозволяє спростити конструкцію, оскільки для створення вакууму в приладі потрібні менші розміри вакуумної камери.

Часопролітної аналізатор (Time o f Flight, TOF)

У таких аналізаторах іони розподіляються по масі в бесполевом просторі, а не за рахунок закономірностей руху заряджених частинок в полі (магнітному або електростатичному). Іони з джерела розганяються електричним полем, набуваючи досить велику кінетичну енергію, і потрапляють в бесполевое простір. На вході в цей простір все іони мають однакову кінетичну енергію і, відповідно до формули E = mv 2/2, будуть рухатися з різними швидкостями. Залежно від маси іони в різний час досягнутий детектора. Реєстрація іонів і вимір часу при попаданні в детектор дозволяє розрахувати їх масу.

На основі часопролітної мас-аналізатора сконструйовані дуже швидкі (і чутливі) мас-спектрометри.

Часопролітної мас-аналізатор, на відміну квадрупольного аналізатора, дозволяє реєструвати широкий діапазон мас і вимірювати маси дуже великих молекул, а найбільш підходящим способом іонізації виявився описаний вище метод MALDI (іонізація лазерною десорбцією за сприяння матриці).

Часопролітної мас-аналізатори використовують, в основному, завдяки їх простоті, швидкодії і відносно невисокій вартості.

Квадрупольному іонна пастка

Розвиток квадрупольних аналізаторів призвело до створення «іонної пастки».

У квадрупольної іонної пастці іони фіксуються всередині квадруполя за рахунок замикаючих потенціалів на вхідному і вихідному кінцях пастки. Потім при накладенні змінною резонансної радіочастоти іони виводяться з пастки відповідно до величини m / z і реєструються електронним помножувачем. Такий механізм дозволяє значно збільшити популяцію захоплених пасткою іонів, що веде до розширення динамічного діапазону і до поліпшення чутливості.

Іонна пастка дозволяє утримувати іони, які необхідні для встановлення будови, що не акцентуючись на інших фрагментах молекули, при цьому процес фрагментації можна повторювати багаторазово, до 10 - 15 разів (загальноприйняте позначення MS n).

Іонно-циклотронний резонанс

Іони, піддані дії сильного магнітного поля, рухаються по кругових траєкторіях з частотами, які можуть бути безпосередньо пов'язані з величинами m / z для цих іонів за допомогою Фур'є-перетворення. Аналізатори такого типу мають дуже високою роздільною здатністю (до 1000000 і вище), а також дозволяють отримувати МС n спектри.

Недоліком мас-аналізаторів на основі іонно-циклотронного резонансу є необхідність використання дуже низького тиску (близько 10 -7 Па) і застосування надпровідних магнітів, які працюють при температурі рідкого гелію 4,2 К.

Орбітальна пастка іонів

У орбітальної пастці іонів (Orbitrap) не використовують магнітні поля (Мас-спектрометр з подвійним фокусуванням або іонно-циклотронного резонансу) або радіочастоти (квадрупольні іонні пастки). Принцип роботи мас-аналізаторів цього типу заснований на електростатичного аксіально-гармонійної орбітальної пастці іонів, яка використовує симетричний статичну електричне поле між зовнішнім і внутрішнім електродами спеціальної форми.

За аналогією з мас-аналізаторами на основі іонно-циклотронного резонансу в спектрометрі з орбітальної іонної пасткою іон детектируют по навіяного значенням струму на зовнішніх електродах; частоти, які відповідають різним m / z, Виділяють за допомогою алгоритму Фур'є-перетворення, а потім конвертують в мас-спектр.

Орбітальна пастка характеризується також більшою ємністю іонів. Велика ємність просторового заряду в порівнянні з іонно-циклотронної і квадрупольної пастками дозволяє досягти більшої точності вимірювання маси (дозвіл порядку 100000 на напіввисоті піку), більш широкого динамічного діапазону і діапазону відносин величин m / z.

Виявлення сигналу і обробка даних

Іони, розділені аналізатором, перетворюються в електричні сигнали детектуючих системами, зокрема, електронним помножувачем, фотоумножителем або циліндром Фарадея. Контроль різних фізичних параметрів, необхідних для узгодженої роботи всіх систем приладу, обробка даних, включаючи калібрування, візуалізацію спектрів, автоматичні кількісні розрахунки, архівування даних, створення і використання бібліотек мас-спектрів, здійснюються комп'ютером з відповідним програмним забезпеченням.

Реєстрація спектрів

Розрізняють три основних способи реєстрації спектрів: по повному іонному струму (TIC); моніторинг обраного іона (SIM) або декількох іонів (MIM); селективна реєстрація обраних реакцій розпаду іона (SRM) або декількох іонів (MRM).

Реєстрація за повним іонним струмом і по дисоціації, ініційованої зіткненням, дозволяють отримувати мас-спектри, однозначно пов'язані з будовою конкретної молекули.

На основі отриманих таким чином спектрів створені бібліотеки (бази даних), що дозволяють визначати структуру молекули по еталонним спектрами.

Селективна реєстрація іонів дозволяє визначати малі концентрації аналіту на тлі складної матриці, а також призводить до величезного виграшу в чутливості: час, який витрачається на запис повного мас-спектра, при селективної реєстрації використовується для запису тільки одного або декількох іонів.

Реєстрація обраних реакцій є ще більш виборчим методом визначення шуканого з'єднання в складній суміші.

Даний метод принципово відрізняється від розглянутих вище спектроскопічних методів. Структурна мас-спектрометрії заснована на руйнуванні органічної молекули в результаті іонізації тим чи іншим способом.

Утворені іони упорядковано відповідно до величинам їх відносини маса / заряд (m / z), потім реєструється число іонів для кожного значення цього відношення у вигляді спектра. На рис. 5.1. представлена \u200b\u200bзагальна схема типового мас-спектрометра.

Мал. 5.1. Блок-схема типового мас-спектрометра

Для ведення проби в мас-спектрометр звичайно застосовують будь-якої вид хроматографії, хоча в багатьох приладах є можливість для прямого введення зразка в іонізаційну камеру. У всіх мас-спектрометрах є пристрої для іонізації проби і поділу іонів по величині m / z. Після поділу потрібно детектувати іони і вимірювати їх кількість. Типовий колектор іонів складається з колімуючих щілин, які направляють в колектор в даний момент тільки іони одного виду, де вони детектируются, а сигнал детектування посилюється електронним помножувачем. Сучасні мас-спектрометри укомплектовані спеціалізованим програмним забезпеченням: комп'ютери контролюють накопичення, зберігання і візуалізацію даних.

В даний час стала звичайною практика об'єднання мас-спектрометра з газовим (ГХ-МС) або рідинним (ЖХ-МС) хроматографом.

Все мас-спектрометри поділяються на два класи: прилади низької (одиничного) і високою роздільною здатністю (R). Спектрометри низького дозволу - прилади, на яких можна розділити цілі маси до m / z 3000 (R \u003d 3000 / (3000-2990) \u003d 3000). На такому приладі з'єднання C 16 H 26 O 2 і С 15 Н 24 NO 2 невиразні, оскільки прилад буде фіксувати і в першому і в другому випадку масу 250.

Прилади з високою роздільною здатністю (R \u003d 20000) зможуть розрізнити сполуки C 16 H 26 O 2 (250.1933) і С 15 Н 24 NO 2 (250.1807), в цьому випадку R \u003d 250.1933 / (250.1933 - 250.1807) \u003d 19857.

Таким чином, на приладах низького дозволу можна встановлювати структурну формулу речовини, однак найчастіше для цієї мети додатково необхідно залучати дані інших методів аналізу (ІК, ЯМР-спектроскопія).

Прилади з високою роздільною здатністю можуть вимірювати масу іона з точністю, достатньою для визначення атомного складу, тобто визначати молекулярну формулу досліджуваної речовини.

В останнє десятиліття відбувалося швидке розвиток і вдосконалення мас-спектрометрів. Чи не обговорюючи їх пристрій, відзначимо, що вони поділяються за типами залежно від 1) способу іонізації, 2) методу поділу іонів. Загалом, спосіб іонізації не залежить від методу поділу іонів і навпаки, хоча є винятки. Більш повна інформація з цих питань викладена в літературі [Сайнсб. Лебедєв].

В даному посібнику будуть розглянуті мас-спектри, отримані іонізацією електронним ударом.

5.2. Мас-спектри з іонізацією електронним ударом

Електронний удар (ЕУ, electron impact, EI) - найбільш поширений метод іонізації в мас-спектрометрії. Перевагою цього методу є можливість використання пошукових систем і баз даних (метод ЕУ був історично першим методом іонізації, основні бази експериментальних даних отримані на приладах з ЕУ).

Молекула речовини проби в газовій фазі піддається бомбардуванню електронів з високою енергією (зазвичай 70 еВ) і викидає електрон, утворюючи катіон-радикал, званий молекулярним іоном:

М + e → М + (молекулярний іон) + 2 e

Найменша енергія бомбардують (іонізующих) електронів, при якій можливе утворення з даної молекули іона, називається енергією (або, менш вдало, «потенціалом») іонізації речовини (U e).

Енергія іонізації є мірою міцності, з якою молекула утримує найменш сильно пов'язаний з нею електрон.

Як правило, для органічних молекул енергія іонізації становить 9-12 еВ, тому бомбардування електронами з енергією 50 еВ і вище повідомляє надлишкову внутрішню енергію виникає молекулярному іону. Ця енергія частково розсіюється за рахунок розриву ковалентних зв'язків.

В результаті такого розриву відбувається розпад молекулярного іона на частинки меншої маси (фрагменти). Такий процес називається фрагментацією.

Фрагментація відбувається вибірково, є високовоспроізводімой і характеристичною для даного з'єднання. Більш того, процеси фрагментації передбачувані, і саме вони зумовлюють широкі можливості мас-спектрометрії для структурного аналізу. По-суті, структурний аналіз методом мас-спектрометрії полягає в ідентифікації осколкових іонів і ретроспективному відновленні структури вихідної молекули, виходячи з напрямків фрагментації молекулярного іона. Так, наприклад, метанол утворює молекулярний іон за схемою:

Про
дна точка - залишився непарний електрон; коли заряд локалізований на окремому атомі, знак заряду вказується на цьому атомі.

Багато з цих молекулярних іонів розпадаються за час 10 -10 - 10 -3 с і дають ряд осколкових іонів (первинна фрагментація):

Якщо деякі з молекулярних іонів мають досить великий час життя, то вони досягають детектора і реєструються у вигляді піку молекулярного іона. Оскільки заряд вихідного іона дорівнює одиниці, відношенняm/ z для цього піку дає молекулярну масу досліджуваної речовини.

Таким чином, мас-спектр - це уявлення відносних концентрацій позитивно заряджених осколків (включаючи молекулярний іон) в залежності від їх мас.

У спеціальній літературі наводяться таблиці найбільш часто зустрічаються фрагментних іонів, де вказана структурна формула іона і його значення m / z [преч, Гордон, Сільверстейн].

Висота найбільш інтенсивного в спектрі піку приймається за 100%, а інтенсивності інших піків, включаючи пік молекулярного іона, виражаються в процентах від максимального піку.

У певних випадках самим інтенсивним може бути і пік молекулярного іона. У загальному випадку: інтенсивність піку залежить від стійкості утворюється іона.

У мас-спектрах часто присутня серія піків фрагментних іонів, що розрізняються на гомологічну різницю (СН 2), тобто 14 а.е.м. Гомологічні серії іонів характерні для кожного класу органічних речовин, а тому вони несуть важливу інформацію про структуру досліджуваного речовини.