Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Мас-спектрометрія


Toluene ei ms.PNG

План:


Введення

Toluene ei ms.PNG

Мас-спектрометрія (мас-спектроскопія, мас-спектрографія, мас-спектральний аналіз, мас-спектрометричний аналіз) - метод дослідження речовини шляхом визначення відносини маси до заряду (якості) і кількості заряджених частинок, що утворюються при тому чи іншому процесі впливу на речовина (див.: іонізація). Історія мас-спектрометрії ведеться з основоположних дослідів Джона Томсона на початку XX століття. Закінчення "-метрія" термін отримав після повсюдного переходу від детектування заряджених частинок за допомогою фотопластинок до електричних вимірам іонних струмів.

Істотна відмінність мас-спектрометрії від інших аналітичних фізико-хімічних методів полягає в тому, що оптичні, рентгенівські і деякі інші методи детектируют випромінювання або поглинання енергії молекулами або атомами, а мас-спектрометрія безпосередньо детектирует самі частинки речовини.

Мас-спектрометрія в широкому сенсі - це наука отримання та інтерпретації мас-спектрів, які в свою чергу виходять за допомогою мас-спектрометрів [1].

Мас-спектрометр - це вакуумний прилад, який використовує фізичні закони руху заряджених частинок в магнітних і електричних полях, і необхідний для отримання мас-спектра.

Мас-спектр, як і будь-який спектр, у вузькому сенсі - це залежність інтенсивності іонного струму (кількості) від ставлення маси до заряду (якості). Зважаючи квантування маси і заряду типовий мас-спектр є дискретним. Зазвичай (в рутинних аналізах) так воно і є, але не завжди. Природа аналізованого речовини, особливості методу іонізації і вторинні процеси в мас-спектрометрі можуть залишати свій слід в мас-спектрі (див. метастабільні іони, градієнт ускоряющего напруги по місцях утворення іонів, неупругое розсіювання). Так іони з однаковими відносинами маси до заряду можуть виявитися в різних частинах спектра і навіть зробити частину його безперервним. Тому мас-спектр в широкому сенсі - це щось більше, що несе специфічну інформацію, і що робить процес його інтерпретації більш складним і захоплюючим.

Іони бувають однозарядні і багатозарядні, причому як органічні, так і неорганічні. Більшість невеликих молекул при іонізації набуває лише один позитивний або негативний заряд. Атоми здатні набувати більш одного позитивного заряду і тільки один негативний. Білки, нуклеїнові кислоти та інші полімери здатні набувати множинні позитивні і негативні заряди.

Атоми хімічних елементів мають специфічну масу. Таким чином, точне визначення маси аналізованої молекули, дозволяє визначити її елементний склад (див.: елементний аналіз). Мас-спектрометрія також дозволяє отримати важливу інформацію про ізотопному складі аналізованих молекул (див.: ізотопний аналіз).

В органічних речовинах молекули є певні структури, утворені атомами. Природа і людина створили справді незліченна різноманіття органічних сполук. Сучасні мас-спектрометри здатні фрагментувати Детектируемая іони і визначати масу отриманих фрагментів. Таким чином, можна отримувати дані про структуру речовини.


1. Історія мас-спектрометрії

  • 1913 - За допомогою свого мас-спектрографа Томсон відкриває ізотопи неону : неон-20 і неон-22.
  • 1934 - Конрад застосовує мас-спектрометр для аналізу органічних молекул.
  • 1940 - Нір за допомогою препаративної мас-спектрометрії виділяє уран-235.
  • 1952 - Тальрозе і Любимова вперше спостерігають сигнал Метоні CH 5 + в іонному джерелі електронного удару при підвищеному тиску метану в іонізаційній камері (в 1966 Мансон і Філд застосують це відкриття для аналітичних цілей і створять іонне джерело з хімічною іонізацією). [2]
  • 1956 - МакЛаферті і голка створюють перший газовий хромато-мас-спектрометр.
  • 1974 - Перший рідинний хромато-мас-спектрометр створений Арпіно, Болдуіном і МакЛаферті
  • 1999 - Олександр Макаров винаходить електростатичну іонну пастку.

2. Принцип роботи і пристрій мас-спектрометра

2.1. Джерела іонів

Перше, що треба зробити для того, щоб отримати мас-спектр, - перетворити нейтральні молекули й атоми, складові будь-яку органічну або неорганічне речовина, в заряджені частинки - іони. Цей процес називається іонізацією і по-різному здійснюється для органічних і неорганічних речовин. Другою необхідною умовою є переклад іонів в газову фазу у вакуумній частині мас спектрометра. Глибокий вакуум забезпечує безперешкодний рух іонів всередині мас-спектрометра, а при його відсутності іони розсіються і рекомбінують (перетворяться назад в незаряджені частки).

Умовно способи іонізації органічних речовин можна класифікувати по фазах, в яких знаходяться речовини перед іонізацією.

Газова фаза
Рідка фаза
Тверда фаза

У неорганічної хімії для аналізу елементного складу застосовуються жорсткі методи іонізації, тому що енергії зв'язку атомів у твердому тілі набагато більше і значно більш жорсткі методи необхідно використовувати для того, щоб розірвати ці зв'язки і отримати іони.

Історично перші методи іонізації були розроблені для газової фази. На жаль, дуже багато органічних речовин неможливо випарувати, тобто перевести в газову фазу, без розкладання. А це означає, що їх не можна ионизована електронним ударом. Але серед таких речовин майже все, що становить живу тканину (білки, ДНК і т. д.), фізіологічно активні речовини, полімери, тобто все те, що сьогодні представляє особливий інтерес. Мас-спектрометрія не стояла на місці і останні роки були розроблені спеціальні методи іонізації таких органічних сполук. Сьогодні використовуються, в основному, два з них - іонізація при атмосферному тиску і її підвиди - електроспрей (ESI), хімічна іонізація при атмосферному тиску (APCI) і фотоіонізація при атмосферному тиску (APPI), а також іонізація лазерною десорбцією за сприяння матриці (MALDI).


2.2. Мас-аналізатори

Отримані при іонізації іони за допомогою електричного поля переносяться у мас-аналізатор. Там починається другий етап мас-спектрометричного аналізу - сортування іонів по масах (точніше по відношенню маси до заряду, або m / z). Існують такі типи мас-аналізаторів:

безперервні мас-аналізатори
імпульсні мас-аналізатори

Різниця між безперервними і імпульсними мас-аналізаторами полягає в тому, що в перші іони надходять безперервним потоком, а в другі - порціями, через певні проміжки часу.

Мас-спектрометр може мати два мас-аналізатора. Такий мас-спектрометр називають тандемним. Тандемні мас спектрометри застосовуються, як правило, разом з "м'якими" методами іонізації, при яких не відбувається фрагментації іонів аналізованих молекул (молекулярних іонів). Таким чином перший мас-аналізатор аналізує молекулярні іони. Залишаючи перший масу-аналізатор, молекулярні іони фрагментуються під дією зіткнень з молекулами інертного газу або випромінювання лазера, після чого їх фрагменти аналізуються в другому мас-аналізаторі. Найбільш поширеними конфігураціями тандемних мас спектрометрів є квадруполь-квадрупольний і квадруполь-времяпролетная.


2.3. Детектори

Отже, останнім елементом описуваного нами спрощеного мас-спектрометра, є детектор заряджених частинок. Перші мас-спектрометри використовували як детектора фотопластинку. Зараз використовуються дінодной вторинно-електронні помножувачі, в яких іон, потрапляючи на перший дінодов, вибиває з нього пучок електронів, які в свою чергу, потрапляючи на наступний дінодов, вибивають з нього ще більшу кількість електронів і т. д. Інший варіант - фотопомножувачі, що реєструють світіння, що виникає при бомбардуванні іонами люмінофора. Крім того, використовуються мікроканальних помножувачі, системи типу діодних матриць і колектори, що збирають всі іони, що потрапили в дану точку простору (колектори Фарадея).


2.4. Хромато-мас-спектрометрія

Мас-спектрометри використовуються для аналізу органічних і неорганічних сполук.

Органічні речовини в більшості випадків являють собою багатокомпонентні суміші індивідуальних компонентів. Наприклад, показано, що запах смаженої курки становлять 400 компонентів (тобто, 400 індивідуальних органічних сполук). Завдання аналітики полягає в тому, щоб визначити скільки компонентів становлять органічну речовину, дізнатися які це компоненти (ідентифікувати їх) і дізнатися скільки кожного з'єднання міститься в суміші. Для цього ідеальним є поєднання хроматографії з мас-спектрометрією. Газова хроматографія як не можна краще підходить для поєднання з іонним джерелом мас-спектрометра з іонізацією електронним ударом або хімічної іонізацією, оскільки у колонці хроматографа з'єднання вже знаходяться в газовій фазі. Прилади, в яких мас-спектрометричний детектор скомбінований з газовим хроматографом, називаються хромато-мас-спектрометрами ("Хромасс").

Багато органічні сполуки неможливо розділити на компоненти за допомогою газової хроматографії, але можна з допомогою рідинної хроматографії. Для поєднання рідинної хроматографії з мас-спектрометрією сьогодні використовують джерела іонізації в електроспрее (ESI) та хімічної іонізації при атмосферному тиску (APCI), а комбінацію рідинних хроматографів з мас-спектрометрами називають ЖХ / МС ( англ. LC / MS ). Найбільш потужні системи для органічного аналізу, затребувані сучасної протеомікою, будуються на основі надпровідного магніту і працюють за принципом іонно-циклотронного резонансу. Вони також носять назву FT / MS, оскільки в них використовується Фур'є перетворення сигналу.


2.5. Характеристики мас-спектрометрів і мас-спектрометричних детекторів

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

Найважливіша характеристика при аналізі органічних сполук - це чутливість. Для того, щоб досягти якомога більшої чутливості при поліпшенні відношення сигналу до шуму вдаються до детектування за окремими обраним іонів. Виграш у чутливості і селективності при цьому колосальний, але при використанні приладів низького дозволу доводиться приносити в жертву інший важливий параметр - достовірність. Адже якщо Ви записували тільки один пік з усього характеристичного мас-спектра, Вам знадобиться ще багато попрацювати, щоб довести, що цей пік відповідає саме тому компоненту, який Вас цікавить. Як же вирішити цю 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 материнскому 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, применённых в них, например, использованию искривлённого квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.


3. Применения масс-спектрометрии

Разработка новых лекарственных средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ.

Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков - бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая безопасность страны более надёжна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному виду и качеству. А анализ нафти і нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле.

В эпоху "химизации сельского хозяйства" весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека.

Цілий ряд техногенних (тобто не існують у природі, а з'явилися в результаті індустріальної діяльності людини) речовин є супертоксикантів (мають отруйну, канцерогенна або шкідливе для здоров'я людини дію в гранично низьких концентраціях). Прикладом є добре відомий діоксин.

Існування ядерної енергетики немислимо без мас-спектрометрії. З її допомогою визначається ступінь збагачення розщеплюються, та їх чистота.

Звичайно і медицина не обходиться без мас-спектрометрії. Ізотопна мас-спектрометрія вуглецевих атомів застосовується для прямої медичної діагностики інфікованості людини Helicobacter pylori і є самим надійним з усіх методів діагностики. Також, мас-спектрометрія застосовується для визначення наявності допінгу в крові спортсменів.

Важко уявити область людської діяльності, де не знайшлося б місця мас-спектрометрії. Обмежимося просто перерахуванням: аналітична хімія, біохімія, клінічна хімія, загальна хімія і органічна хімія, фармацевтика, косметика, парфумерія, харчова промисловість, хімічний синтез, нафтохімія і нефтепераработка, контроль навколишнього середовища, виробництво полімерів і пластиків, медицина і токсикологія, криміналістика, допінговий контроль, контроль наркотичних засобів, контроль алкогольних напоїв, геохімія, геологія, гідрологія, петрографія, мінералогія, геохронологія, археологія, ядерна промисловість і енергетика, напівпровідникова промисловість, металургія.


Примітки

  1. Н. А. Понькін. Що в імені твоєму, мас-спектрометрія? - www.vmso.ru / datadocs / Ponkin.pdf сайт Всеросійського мас-спектрометричного суспільства
  2. VL Talrose, AK Ljubimova. Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502-504.
  3. Історія створення методу ЕРІАД - www.iai.rssi.ru / history_of_eriad.php

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Мас-спектрометрія вторинних іонів
Мас-спектрометрія з прямою лазерної десорбцією
Лазерно-іскровим емісійна спектрометрія
Центр мас
Спектр мас
Центр мас
Мас, Володимир Захарович
Закон діючих мас
Квадрупольний мас-аналізатор
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru