Масспектрометрия (масова спектроскопия, масспектрография, масспектрален анализ, мас спектрометричен анализ) е метод за изследване на вещество, основаващ се на определяне на съотношението маса към заряд на йони, образувани по време на йонизация на компонентите на пробата, които представляват интерес. Един от най-мощните методи за качествена идентификация на вещества, който позволява и количествено определяне. Можем да кажем, че мас спектрометрията е "претегляне" на молекулите в пробата.

Историята на мас спектрометрията започва с фундаменталните експерименти на J. J. Thomson в началото на 20-ти век. Окончанието "-metria" в името на метода се появява след широко разпространения преход от откриване на заредени частици с помощта на фотографски плаки към електрически измервания на йонни токове.

Масспектрометрията е особено широко използвана при анализа на органични вещества, тъй като осигурява надеждна идентификация както на относително прости, така и на сложни молекули. Единственото общо изискване е молекулата да бъде йонизираща. Въпреки това, към днешна дата са изобретени толкова много методи за йонизиране на компонентите на пробата, че масспектрометрията може да се счита за почти универсален метод.

Почти всички мас спектрометри са вакуумни инструменти, тъй като йоните са много нестабилни в присъствието на чужди молекули. Има обаче някои устройства, които условно могат да бъдат класифицирани като мас спектрометри, но които не използват вакуум, а поток от специален чист газ.

Масовият спектър е зависимостта на интензитета на йонния ток (количеството вещество) от съотношението на масата към заряда (естеството на веществото). Тъй като масата на всяка молекула се състои от масите на съставните й атоми, масовият спектър винаги е дискретен, въпреки че при ниска разделителна способност на масспектрометъра, пиковете с различни маси могат да се припокриват или дори да се слеят. Естеството на аналита, характеристиките на метода на йонизация и вторичните процеси в масспектрометъра могат да повлияят на масовия спектър (вижте метастабилни йони, ускоряващ градиент на напрежението върху местата за производство на йони, нееластично разсейване). По този начин йони със същото съотношение маса към заряд могат да се озоват в различни части на спектъра и дори да направят част от него непрекъсната.

Повечето малки молекули придобиват само един положителен или отрицателен заряд, когато се йонизират. Колкото по-голяма е молекулата, толкова по-вероятно е по време на йонизацията тя да се превърне в многократно зареден йон. Следователно този ефект е особено силен за изключително големи молекули, като протеини, нуклеинови киселини и полимери. При някои видове йонизация (например електронен удар) една молекула може да се разпадне на няколко характерни части, което предоставя допълнителни възможности за идентифициране и изследване на структурата на неизвестни вещества.

Точното определяне на масата на анализираната молекула ви позволява да определите нейния елементен състав (вижте: елементен анализ). Масспектрометрията също така предоставя важна информация за изотопния състав на анализираните молекули.

История на мас спектрометрията

• 1912 - JJ Thomson създава първия масспектрограф и получава масови спектри на кислород, азот, въглероден оксид, въглероден диоксид и фосгенни молекули.
• 1913 г. – С помощта на своя мас спектрограф Дж. Джей Томсън открива неонови изотопи: неон-20 и неон-22.
• 1918 г. – Артър Демпстър изгражда първия масспектрограф.
• 1919 г. – Франсис Астън, независимо от Демпстър, изгражда първия си масспектрограф и започва изследване на изотопите. Това устройство имаше резолюция от около 130.
• 1923 г. - Астън измерва масовия дефект с мас спектрометър.
• 1932 г. - Кенет Бейнбридж изгражда мас спектрометър с разделителна способност 600 и чувствителност от 1 част на 10 000
• 1936 г. – Артър Демпстър, Кенет Томпкинс Бейнбридж и Йозеф Хайнрих Елизабет Матаух конструират мас-спектрограф с двойно фокусиране. Демпстър разработва източника на искрова йонизация.
• 1940 г. – Алфред Нир с помощта на препаративна мас спектрометрия изолира уран-235.
• 1940 г. – Алфред Нир създава първия надежден източник на електронен удар с помощта на йонизационна камера.
• 1942 г. Лорънс стартира Calutron, промишлено съоръжение за разделяне на изотопи на уран, базирано на мас спектрометър с магнитен сектор.
• 1946 г. – Уилям Стивънс предлага концепцията за мас-спектрометър за време на полета.
• 1948 г. - Камерън и Егърс създават първия мас спектрометър с масов анализатор за време на полета.
• 1952 г. – Талроз и Любимова за първи път наблюдават сигнала на метониевия CH5+ в източник на йони с електронен удар при повишено налягане на метан в йонизационната камера (през 1966 г. Мънсън и Фийлд прилагат това откритие за аналитични цели и създават йонен източник с химическа йонизация).
• 1953 г. Пол патентова квадруполния масов анализатор и йонния уловител.
• 1956 г. – Маклаферти и Голке създават първия масспектрометър за газова хроматография.
• 1966 г. – Мънсън и Фийлд създават йонен източник с химическа йонизация.
• 1972 г. – Каратаев и Мамирин изобретяват масов анализатор с фокусиране на време на полета, който значително подобрява разделителната способност на анализатора.
• 1974 - Първият течен хроматограф-мас спектрометър, създаден от Арпино, Болдуин и Маклаферти
• 1981 г. - Барбър, Бордоли, Седжуик и Тайлър създават йонизатора за бързо атомно бомбардиране (FAB).
• 1982 - Първият масов спектър на цял протеин (инсулин) чрез бомбардиране с бързи атоми (FAB).
• 1983 г. Blanky и Bestal изобретяват термичния спрей.
• 1984 г. - Л. Н. Гал и след това Фен публикуват трудове по метода на електроспрей.
• 1987 - Карас, Бахман, Бахр и Хиленкамп изобретяват йонизация с лазерна десорбция с помощта на матрица (MALDI).
• 1999 - Александър Макаров (английски) руснак изобретява електростатичния йонен капан Orbitrap.

Принципът на действие и устройството на масспектрометъра

Йонни източници

Първото нещо, което трябва да направите, за да получите масов спектър, е да превърнете неутралните молекули и атоми, които съставляват всяко органично или неорганично вещество, в заредени частици - йони. Този процес се нарича йонизация и се извършва по различен начин за органични и неорганични вещества. Второто необходимо условие е прехвърлянето на йони в газовата фаза във вакуумната част на масспектрометъра. Високият вакуум осигурява безпрепятственото движение на йони вътре в масспектрометъра, а при негово отсъствие йоните се разпръскват и рекомбинират (връщат се обратно в незаредени частици).

Обикновено методите за йонизация на органични вещества могат да бъдат класифицирани според фазите, в които се намират веществата преди йонизация.

Газова фаза Електронна йонизация (EI) Химическа йонизация (CI) Улавяне на електрони (EC) Йонизация на електрическо поле (FI) Течна фаза Термично спрей йонизация при атмосферно налягане (AP)

• електроспрей (APESI)
• химическа йонизация при атмосферно налягане (APCI)
• фотойонизация при атмосферно налягане (APPI)

Твърдофазова директна лазерна десорбция-масова спектрометрия (LDMS) матрично подпомагана лазерна десорбция/йонизация (MALDI) вторична йонна масспектрометрия (SIMS) бомбардиране с бързи атоми (FAB) десорбция на електрическо поле (FD) плазмена десорбция (PD)

В неорганичната химия за анализ на елементния състав се използват сурови йонизационни методи, тъй като енергията на свързване на атомите в твърдо вещество е много по-висока и трябва да се използват много по-сурови методи, за да се разрушат тези връзки и да се получат йони.

• йонизация в индуктивно свързана плазма (ICP)
• термична йонизация или повърхностна йонизация
• тлеещ разряд йонизация и искрова йонизация (вижте искров разряд)
• йонизация по време на лазерна аблация

Исторически, първите методи за йонизация са разработени за газовата фаза. За съжаление много органични вещества не могат да бъдат изпарени, тоест превърнати в газова фаза, без разлагане. Това означава, че те не могат да бъдат йонизирани чрез електронен удар. Но сред такива вещества почти всичко, което съставлява жива тъкан (протеини, ДНК и т.н.), физиологично активни вещества, полимери, тоест всичко, което представлява особен интерес днес. Масспектрометрията не стои на едно място и през последните години бяха разработени специални методи за йонизация на такива органични съединения. Днес се използват основно две от тях - йонизация при атмосферно налягане и нейните подвидове - електроспрей (ESI), химическа йонизация при атмосферно налягане (APCI) и фотойонизация при атмосферно налягане (APPI), както и матрична лазерна десорбционна йонизация (MALDI). ) .

Масови анализатори

Йоните, получени при йонизация, се прехвърлят към масовия анализатор с помощта на електрическо поле. Започва вторият етап на масспектрометричния анализ - сортиране на йони по маса (по-точно по отношение на масата към заряда, или m/z). Има следните видове масови анализатори:

Непрекъснати мас-анализатори

• Магнитен и електростатичен секторен масов анализатор (инж. секторен инструмент)
• Квадруполен масов анализатор

пулсови масови анализатори

• Масов анализатор за време на полет
• Йонен капан
• Квадруполен йонен капан
• Циклотронен резонансен масов анализатор на йонна трансформация на Фурие
• Orbitrap

Разликата между непрекъснатите и импулсните масови анализатори се състои във факта, че в първия йони влизат в непрекъснат поток, а във втория, на порции, през определени интервали от време.

Масспектрометърът може да има два масови анализатора. Такъв мас спектрометър се нарича тандемен мас спектрометър. Тандемните мас спектрометри се използват като правило заедно с „меки” йонизационни методи, при които няма фрагментация на йони на анализираните молекули (молекулярни йони). Така първият масов анализатор анализира молекулярните йони. Напускайки първия масов анализатор, молекулните йони се фрагментират под действието на сблъсъци с молекули на инертен газ или лазерно лъчение, след което техните фрагменти се анализират във втория масов анализатор. Най-често срещаните конфигурации на тандемните мас спектрометри са квадруполно-квадруполни и квадруполно-време на полет.

Детектори

Последният елемент от опростения мас спектрометър, който описваме, е детекторът за заредени частици. Първите мас спектрометри са използвали фотографска плоча като детектор. Сега се използват динодни вторични електронни умножители, при които йон, удряйки първия динод, избива от него сноп електрони, които от своя страна, удряйки следващия динод, избиват още повече електрони от него и т.н. Друг вариант е фотоумножители, регистриращи сиянието, което се получава при бомбардиране от фосфорни йони. Освен това се използват микроканални умножители, системи като диодни решетки и колектори, които събират всички йони, попаднали в дадена точка от пространството (колектори на Фарадей).

Хромато-мас спектрометрия

Масспектрометри се използват за анализ на органични и неорганични съединения.

Органичните вещества в повечето случаи са многокомпонентни смеси от отделни компоненти. Например, показано е, че миризмата на пържено пиле е 400 компонента (т.е. 400 отделни органични съединения). Задачата на анализа е да определи колко компоненти съставляват органичната материя, да разбере какви са тези компоненти (да ги идентифицира) и да разбере колко от всяко съединение се съдържа в сместа. За това комбинацията от хроматография с мас спектрометрия е идеална. Газовата хроматография е най-подходяща за комбиниране с йонния източник на мас спектрометър с йонизация с електронен удар или химическа йонизация, тъй като съединенията вече са в газовата фаза в колоната на хроматографа. Устройствата, в които мас спектрометричен детектор е комбиниран с газов хроматограф, се наричат ​​хромато-мас спектрометри („Chromass“).

Много органични съединения не могат да бъдат разделени на компоненти с помощта на газова хроматография, но могат да бъдат разделени с помощта на течна хроматография. Днес източниците на електроспрей йонизация (ESI) и химическа йонизация при атмосферно налягане (APCI) се използват за комбиниране на течна хроматография с мас спектрометрия, а комбинацията от течна хроматография с мас спектрометри се нарича LC / MS (на английски LC / MS). Най-мощните системи за органичен анализ, изисквани от съвременната протеомика, са изградени на базата на свръхпроводящ магнит и работят на принципа на йонния циклотронен резонанс. Те също се наричат ​​FT/MS, защото използват преобразуването на Фурие на сигнала.

Характеристики на мас спектрометри и мас спектрометрични детектори

Най-важните технически характеристики на мас спектрометрите са чувствителност, динамичен обхват, разделителна способност, скорост на сканиране.

Най-важната характеристика при анализа на органични съединения е чувствителността. За да се постигне възможно най-висока чувствителност, като същевременно се подобри съотношението сигнал/шум, се прибягва до откриване за отделни избрани йони. В този случай печалбата в чувствителността и селективността е колосална, но при използване на устройства с ниска разделителна способност трябва да се пожертва друг важен параметър - надеждността. В крайна сметка, ако сте записали само един пик от целия характерен мас спектър, ще ви трябва много работа, за да докажете, че този пик съответства точно на компонента, който ви интересува. Как да реша този проблем? Използвайте висока разделителна способност на инструменти с двоен фокус, където може да се постигне високо ниво на прецизност, без да се жертва чувствителността. Или използвайте тандемна масспектрометрия, при която всеки пик, съответстващ на основния йон, може да бъде потвърден от масовия спектър на дъщерните йони. И така, абсолютният шампион по чувствителност е органичен хроматограф-мас-спектрометър с висока разделителна способност с двойно фокусиране.

Според характеристиките на комбинацията от чувствителност с надеждността на определянето на компонентите, йонните уловители следват устройства с висока разделителна способност. Класическите четириполюсни инструменти от ново поколение имат подобрена производителност поради редица иновации, като например използването на извит четириполюсен предварителен филтър, който предотвратява достигането на неутрални частици до детектора и следователно намалява шума.

Приложения на мас спектрометрията

Разработване на нови лекарства за спасяване на хората от нелечими досега болести и контрол на производството на лекарства, генно инженерство и биохимия, протеомика. Без масспектрометрия контролът върху незаконното разпространение на наркотици и психотропни вещества, криминалистични и клинични анализи на токсични вещества и анализи на взривни вещества е немислим.

Откриването на източника на произход е много важно за решаването на редица въпроси: например, определянето на произхода на експлозивите помага да се намерят терористи, наркотици - за борба с разпространението им и блокиране на техните пътища за движение. Икономическата сигурност на страната е по-надеждна, ако митническите служби могат не само чрез анализ в съмнителни случаи да потвърдят държавата на произход на стоката, но и нейното съответствие с декларирания вид и качество. А анализът на петрола и нефтопродуктите е необходим не само за оптимизиране на процесите на рафиниране на нефт или геолози за търсене на нови нефтени находища, но и за идентифициране на отговорните за нефтените разливи в океана или на сушата.

В ерата на „химизирането на селското стопанство“ въпросът за наличието на следи от използвани химикали (например пестициди) в хранителните продукти стана много важен. В следи тези вещества могат да причинят непоправима вреда на човешкото здраве.

Редица техногенни (т.е. несъществуващи в природата, но резултат от индустриална човешка дейност) вещества са супертоксиканти (оказващи токсично, канцерогенно или вредно въздействие върху човешкото здраве в изключително ниски концентрации). Пример е добре познатият диоксин.

Съществуването на ядрена енергия е немислимо без масспектрометрия. С негова помощ се определя степента на обогатяване на делящите се материали и тяхната чистота.

Разбира се, медицината не е пълна без масспектрометрия. Изотопната масспектрометрия на въглеродните атоми се използва за директна медицинска диагностика на човешка инфекция с Helicobacter pylori и е най-надеждният от всички диагностични методи. Също така, мас спектрометрията се използва за определяне на наличието на допинг в кръвта на спортисти.

Трудно е да си представим област на човешка дейност, където няма да има място за масспектрометрия. Ние се ограничаваме само до изброяване на: аналитична химия, биохимия, клинична химия, обща химия и органична химия, фармацевтика, козметика, парфюмерия, хранително-вкусова промишленост, химически синтез, нефтохимия и рафиниране на нефт, контрол на околната среда, производство на полимери и пластмаси, медицина и токсикология, криминалистика, допинг контрол, контрол на лекарства, контрол на алкохолни напитки, геохимия, геология, хидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядрена индустрия и енергетика, полупроводникова индустрия, металургия.

• Въведение
• Кратка история на мас спектрометрията
• йонизация
• Масови анализатори
• Детектор
• Естествена и изкуствена изотопия
• Масспектрометри за изотопен анализ
• Скорост на сканиране
• Разрешение
• Динамичен обхват
• Чувствителност
• Какво представляват мас спектрометрите

И така, мас спектрометрите се използват за анализ на органични и неорганични съединения.

Органичните вещества в повечето случаи са многокомпонентни смеси от отделни компоненти. Например, показано е, че миризмата на пържено пиле е 400 компонента (т.е. 400 отделни органични съединения). Задачата на анализа е да определи колко компоненти съставляват органичната материя, да разбере какви са тези компоненти (да ги идентифицира) и да разбере колко от всяко съединение се съдържа в сместа. За това комбинацията от хроматография с мас спектрометрия е идеална. Газовата хроматография е най-подходяща за комбиниране с йонния източник на мас спектрометър с йонизация с електронен удар или химическа йонизация, тъй като съединенията вече са в газовата фаза в колоната на хроматографа. Инструментите, в които масспектрометричен детектор е комбиниран с газов хроматограф, се наричат ​​газови хроматографски-масспектрометри.

Много органични съединения не могат да бъдат разделени на компоненти с помощта на газова хроматография, но могат да бъдат разделени с помощта на течна хроматография. За да се комбинира течна хроматография с мас спектрометрия, днес се използват източници на електроспрей йонизация (ESI) и химическа йонизация при атмосферно налягане (APCI), а комбинацията от течна хроматография с мас спектрометри се нарича LC/MS или LC/MS на английски. Най-мощните системи за органичен анализ, изисквани от съвременната протеомика, са изградени на базата на свръхпроводящ магнит и работят на принципа на йонно-циклотронния резонанс. Те също се наричат ​​FT/MS, защото използват преобразуването на Фурие на сигнала.

Нов клас мас спектрометри са хибридните инструменти. Те се наричат ​​хибридни, защото всъщност включват два масспектрометъра, поне един от които може да работи като независим инструмент. Примери за такива устройства са йонният циклотронен резонансен мас спектрометър FINNIGAN LTQ FT, в който линеен квадруполен йонен уловител FINNIGAN LTQ може да работи като самостоятелно устройство, което открива йони след MS или MSn с помощта на два вторични електронни умножителя и може също да подготви и изпраща йони към циклотронната клетка, като ги изтласква навън в посока, успоредна на оста на квадрупола. Също така хибриден е LTQ QRBITRAP, който работи по абсолютно същия начин. Предимствата на такива схеми са очевидни, линейният уловител има най-висока чувствителност, работи в режим на тандемна масспектрометрия от n до 10, изпълнява различни функции за интелигентно сканиране, а йонният циклотронен резонансен масспектрометър и орбитален йонен уловител имат висока разделителна способност и може с най-висока точност да измери съотношението на масата към заряда на йони. Индуктивно свързаните плазмени мас спектрометри са най-атрактивните за анализ на елементния състав. С помощта на това устройство се определя от кои атоми е съставено дадено вещество. Същият метод на анализ може да покаже и изотопния състав. Но най-добре е да се измери изотопния състав с помощта на специализирани изотопни инструменти, които регистрират йони не на един детектор в различно време на тяхното пристигане, а всеки йон на собствен личен колектор и едновременно (т.нар. паралелно откриване).

Въпреки това, преди да преминем към инструменти за измерване на изотопния състав, нека се спрем накратко върху това какво представляват изотопите.

Естествена и изкуствена изотопия Атомите се състоят от ядро ​​и електронни обвивки. Свойствата на атомите се определят от това колко протона (положително заредени елементарни частици) съдържа ядрото. Ядрото съдържа неутрони в допълнение към протоните. Природата постанови, че при еднакъв брой протони ядрото може да съдържа различен брой неутрони. Атомите с еднакъв брой протони в ядрото, но различен брой неутрони се различават по маса с една или повече атомни масови единици (a.m.u.) и се наричат ​​изотопи. Повечето елементи имат определен набор от стабилни изотопи. Радиоактивните изотопи не са стабилни и се разпадат, за да образуват стабилни изотопи. Естественото изобилие от изотопи за всеки елемент е известно. Някои елементи в природата са моноизотопни, тоест 100% от естественото изобилие се пада върху един изотоп (например Al, Sc, Y, Rh, Nb и др.), докато други имат много стабилни изотопи (S, Ca, Ge , Ru , Pd, Cd, Sn, Xe, Nd, Sa и др.). В технологичните дейности хората са се научили да променят изотопния състав на елементите, за да получат всякакви специфични свойства на материалите (например U235 има способността да спонтанна верижна реакция и може да се използва като гориво за атомни електроцентрали или атомна бомба) или да използвате изотопни етикети (например в медицината).

Тъй като масите на изотопите се различават и масспектрометрията измерва масата, естествено този метод става най-удобният за определяне на изотопния състав. В същото време информацията за изотопния състав помага за идентифицирането на органичните съединения и дава отговори на много въпроси, от определяне на възрастта на скалите за геология, до определяне на фалшифицирането на много продукти и определяне на произхода на стоки и суровини.

Масспектрометри за изотопен анализ. Мас спектрометрите за определяне на изотопния състав трябва да са много точни. Йонизацията с електронен удар се използва за анализ на изотопния състав на леките елементи (въглерод, водород, кислород, сяра, азот и др.). В този случай са подходящи всички методи за инжектиране на газова фаза, както в спектрометрите за органична маса (DELTA Plus ADVANTAGE, FINNIGAN DELTA Plus XL и FINNIGAN MAT253).
За анализа на изотопи на по-тежки елементи се използва термична йонизация (FINNIGAN TRITON TI) или индуктивно свързана плазмена йонизация с паралелно откриване (FINNIGAN NEPTUNE и FINNIGAN ELEMENT2 едноколекторно детекция).
Практически всички видове изотопни масспектрометри използват магнитни масови анализатори.

Характеристики на мас спектрометри и мас спектрометрични детектори

Най-важните технически характеристики на мас спектрометрите са чувствителност, динамичен обхват, разделителна способност, скорост.

Скорост на сканиране. Масовият анализатор, както показахме по-горе, пропуска йони с определено съотношение на маса и заряд в определено време (с изключение на многоколекторни устройства и йонно-циклотронен резонанс, орбитален йонен капан). За да анализира всички йони по отношение на тяхната маса за зареждане, той трябва да сканира, т.е. параметрите на неговото поле трябва да преминат през всички стойности, необходими за преминаване на всички интересни йони към детектора в даден период от време. Тази скорост на разгръщане на полето се нарича скорост на сканиране и трябва да е възможно най-бърза (съответно времето на сканиране трябва да е възможно най-кратко), тъй като масспектрометърът трябва да може да измерва сигнала за кратко време, например време на хроматографския пик, което може да бъде няколко секунди. В същото време, колкото повече масови спектри се измерват по време на освобождаването на хроматографския пик, толкова по-точно ще бъде описан хроматографският пик, толкова по-малко е вероятно той да премине над максималната си стойност и с помощта на математическа обработка да се определи дали е индивидуален и го „завършете“ с помощта на масспектрометрия.
Най-бавният масов анализатор е магнит, минималното време за сканиране без голяма загуба на чувствителност е част от секундата (MAT 95XP). Квадруполен масов анализатор може да почисти спектъра за десети от секундата (TSQ QUANTUM), а йонният улов дори по-бързо (POLARISQ, FINNIGAN LCQ ADVANTAGE MAX, FINNIGAN LCQ DECA XP MAX), линеен йонен улов дори по-бързо (LTQ) и малко по-бавна маса FINNIGAN LTQ FT йонно-циклотронен резонансен спектрометър.
Иновативният квадруполен хромато-мас спектрометър FINNIGAN TRACE DSQ и неговият икономичен аналог FINNIGAN FOCUS DSQ са в състояние да сканират при около 11 000 amu. за секунда. Това отваря нови възможности, например е възможно почти едновременно да се получи пълен масов спектър на съединение за неговата недвусмислена идентификация и провеждане на селективен йонен мониторинг (SIM), което намалява границата на откриване с няколко порядъка.
Всяко сканиране на всички масови анализатори, изброени по-горе, е компромис – колкото по-висока е скоростта на сканиране, толкова по-малко време е изразходвано за запис на сигнала за всяко масово число, толкова по-лоша е чувствителността. За рутинен анализ на скоростта обаче е достатъчен квадруполен анализатор или йонен уловител. Друг проблем е, когато става въпрос за високоефективен анализ на сложни матрици. В този случай би било добре да се използва ултрабърза хроматография (на тънки, къси, бързо нагрявани колони). За такава задача най-подходящ е масспектрометър за време на полета (TEMPUS). Той е в състояние да записва мас спектри със скорост от 40 000 в секунда!

Разрешение. Визуално разделителната способност (разделителната способност) може да се определи като способността на анализатора да отделя йони от съседни маси. Много е важно да можете точно да определите масата на йоните, това ви позволява да изчислите атомния състав на йон или да идентифицирате пептид чрез сравнение с база данни, намалявайки броя на кандидатите от хиляди и стотици до единици или единични един. За магнитни масови анализатори, за които разстоянието между пиковете на масовия спектър не зависи от йонните маси, разделителната способност е стойност, равна на M/DM. Тази стойност обикновено се определя от 10% от височината на пика. Например, разделителна способност от 1000 означава, че пикове с маси от 100,0 a.m.u. и 100,1 сутринта са отделени един от друг, тоест не се припокриват до 10% от височината.
За анализатори, при които разстоянието между пиковете варира в диапазона на работната маса (колкото по-голяма е масата, толкова по-малко е разстоянието), като квадруполни анализатори, йонни уловители, анализатори за време на полет, строго погледнато, разделителната способност има различно значение . Разделителната способност, дефинирана като M/DM в този случай, характеризира специфична маса. Има смисъл да се характеризират тези масови анализатори по ширината на пиковете, стойност, която остава постоянна в целия диапазон на масата. Тази ширина на пика обикновено се измерва на 50% от тяхната височина. За такива устройства ширината на пика при половината от максимума, равна на 1, е добър индикатор и означава, че такъв масов анализатор е в състояние да различи номиналните маси, които се различават за единица атомна маса в почти целия си работен диапазон. Номиналната маса или масовото число е най-близкото цяло число до точната маса на йона в скалата на единиците за атомна маса. Например масата на водородния йон H+ е 1,00787 amu, а масовото му число е 1. И такива масови анализатори, които измерват основно номинални маси, се наричат ​​анализатори с ниска разделителна способност. Написахме „най-вече“, защото днес има масови анализатори, които формално принадлежат към тези с ниска разделителна способност, но в действителност вече не са такива. Високите технологии, предимно от най-модерния разработчик Thermo Electron, вече предложиха на пазара за аналитично оборудване четириполюсни инструменти с висока разделителна способност. Например, най-новият FINNIGAN TSQQuantum лесно работи с широчина на пика на масовия спектър при половин максимум от 0,1 amu. Знаещите хора могат да възразят: „Но тази ширина на пика може да се получи на всеки четириполюсен мас спектрометър!“ И те ще бъдат прави, наистина, всеки четириполюсник може да бъде настроен на това ниво на разделителна способност. Но какво се случва със сигнала? При преместване от пикова ширина на половината максимум от 1 a.m.u. до 0,1 аму силата на сигнала на всички четириполюси ще спадне с почти два порядъка. Но не и на TSQ Quantum, на него ще намалее само два пъти и половина. Йонните капани в тесен масов диапазон могат да работят като мас спектрометри с висока разделителна способност, осигурявайки поне разделяне на пикове, разделени от 1/4 a.m.u. един от друг. Масспектрометри с двойно фокусиране (магнитно и електростатично), йонно-циклотронен резонанс - инструменти със средна или висока разделителна способност. Типичната разделителна способност за магнитен инструмент е >60 000, а работата при ниво на разделителна способност от 10 000 - 20 000 е рутинна. На йонно-циклотронен резонансен мас спектрометър при маса от около 500 a.m.u. лесно може да се постигне разделителна способност от 500 000, което прави възможно измерването на масата на йоните с точност до 4-5 знака след десетичната запетая. Разделителна способност от няколко хиляди може да се постигне и с помощта на масови анализатори за време на полет, но при големи маси, в чийто регион всъщност това устройство има предимство пред другите и тази разделителна способност е достатъчна само за измерване на йонна маса с точност +/- десетки amu Както се вижда от горното, разделителната способност е тясно свързана с друга важна характеристика - точността на измерване на масата. Значението на тази характеристика може да се илюстрира с прост пример. Масите на молекулните йони на азота (N2+) и въглеродния оксид (CO+) са 28,00615 amu. и 27,99491 amu, съответно (и двете се характеризират с едно и също масово число 28). Тези йони ще бъдат записани от масспектрометъра отделно с разделителна способност 2500, а точната стойност на масата ще даде отговор - кой от газовете се записва. Точно измерване на масата е достъпно на инструменти с двойно фокусиране, на TSQ Quantum тандем квадруполен мас спектрометър и на йонни циклотронни резонансни масспектрометри.

динамичен диапазон. Ако анализираме смес, съдържаща 99,99% от едно съединение или елемент и 0,01% от някакъв примес, трябва да сме сигурни, че определяме правилно и двете. За да сте сигурни в дефиницията на компонентите в този пример, трябва да имате диапазон на линейност от 4 порядъка. Съвременните масспектрометри за органичен анализ се характеризират с динамичен диапазон от 5-6 порядъка, а мас спектрометрите за елементен анализ от 9-12 порядъка. Динамичен диапазон от 10 порядъка означава, че примес в пробата ще бъде видим дори когато е 10 милиграма на 10 тона.

Чувствителност. Това е една от най-важните характеристики на мас спектрометрите. Чувствителността е стойност, показваща колко от веществото трябва да бъде въведено в масспектрометъра, за да може да бъде открито. За простота ще разгледаме параметър, свързан с чувствителността - минималното откриваемо количество на веществото или прага на откриване. Типичен праг на откриване за добър масспектрометър за газова хроматография, използван за анализ на органични съединения, е 1 пикограм, когато се инжектира 1 микролитър течност. Нека си представим какво е то. Ако изтеглим 1 микролитър течност (една милионна част от литра) със специална спринцовка и я пуснем върху лист чиста бяла хартия, тогава когато го разгледаме през лупа, ще видим петънце, равно по размер на следата на убождане с тънка игла. Сега си представете, че сме хвърлили 1 грам вещество (например една таблетка аспирин) в 1000 тона вода (например басейн дълъг 50 метра, широк 10 метра и дълбок 2 метра). Разбъркайте добре водата в басейна, изтеглете 1 микролитър от тази вода със спринцовка и я инжектирайте в масспектрометъра за газова хроматография. В резултат на анализа ще получим масов спектър, който можем да сравним със спектъра на библиотеката и ще използваме метода на пръстови отпечатъци, за да се уверим, че това наистина е ацетилсалицилова киселина, иначе наречена аспирин.

Границите на откриване на неорганични вещества, например чрез ICP/MS (FINNIGAN ELEMENT2) са още по-впечатляващи. Тук басейнът вече ще бъде твърде малък, за да се приготви разтвор с концентрация, съответстваща на границата на откриване. Границата на откриване за FINNIGAN ELEMENT2 за редица метали е 1 ppq (една част на квадрилион). Това означава, че чувствителността на уреда е достатъчна за откриване на 1 килограм метал (например живак, олово и др.), разтворен в езерото Байкал (при условие, че е смесен и напълно разтворен)!

В изотопната масспектрометрия, например, 800 - 1000 молекули въглероден диоксид (CO2, въглероден диоксид) са достатъчни за получаване на въглероден сигнал. За да демонстрираме точността и изотопната чувствителност, с които се занимава изотопната мас спектрометрия, нека прибегнем до следната алегория. Да предположим, че за хиляда същите ябълки, всяка от които тежи 100 грама, има 11 ябълки, които тежат 8% повече, тоест 108 грама. Всички тези ябълки са събрани в една торба. Този пример съответства на съотношението на въглеродните изотопи в природата - има 11 13C атома на 1000 12C атома. Изотопната масспектрометрия измерва съотношенията, тоест е в състояние да различи не само тези 11 ябълки, а да намери сред много торбички тези, в които от 1000 стограмови ябълки не 11 сто и осем грама, а 10 или 12. Това Примерът е много лесен за изотопна масспектрометрия, всъщност инструменти като FINNIGAN DELTAPlus ADVANTAGE, DELTA Plus XP и FINNIGAN MAT253 са в състояние да определят разликата на един изотоп (сто и осем грама ябълка) между десет милиона атома (десет милиона ябълки).

Най-важната характеристика при анализа на органични съединения е чувствителността. За да се постигне възможно най-висока чувствителност, като същевременно се подобри съотношението сигнал/шум, се прибягва до откриване за отделни избрани йони. В този случай печалбата в чувствителността и селективността е колосална, но при използване на устройства с ниска разделителна способност трябва да се пожертва друг важен параметър - надеждността. В крайна сметка, ако сте записали само един пик от целия характерен мас спектър, ще ви трябва много работа, за да докажете, че този пик съответства точно на компонента, който ви интересува. Как да реша този проблем? Използвайте висока разделителна способност на инструменти с двоен фокус, където може да се постигне високо ниво на прецизност, без да се жертва чувствителността. Или използвайте тандемна масспектрометрия, при която всеки пик, съответстващ на един йон, може да бъде потвърден от масовия спектър на дъщерните йони. И така, абсолютният шампион по чувствителност е органичен хроматограф-мас-спектрометър с висока разделителна способност с двойно фокусиране. Така например паспортната характеристика на DFS гласи, че 2,3,7,8-тетрахлоро-р-дибензодиоксин, въведен през хроматографска колона в количество от 10 фемтограма, ще даде пик, характеризиращ се с отношение сигнал към шум съотношение = 80: 1. Не е постижим с друг инструмент резултат!
Според характеристиките на комбинацията от чувствителност с надеждността на определянето на компонентите, йонните уловители следват устройства с висока разделителна способност. Класическите четириполюсни инструменти от ново поколение (TRACE DSQ II) имат подобрена производителност поради редица иновации, като например използването на извит четириполюсен предфилтър, който предотвратява достигането на неутрални частици до детектора и следователно намалява шума.

Защо е необходима масспектрометрия

Дълбоки физически закони, напреднали научни и инженерни разработки, високотехнологични вакуумни системи, високи електрически напрежения, най-добрите материали, най-високо качество на тяхната обработка, най-новата високоскоростна цифрова и аналогова електроника и компютърни технологии, усъвършенстван софтуер - това е, което е направен модерен мас спектрометър. И за какво е всичко това? Да отговорим на един от най-важните въпроси на Вселената – от какво е съставена материята. Но това не е въпрос на висока наука, а на всекидневния човешки живот.

Например разработването на нови лекарства за спасяване на хората от нелечими по-рано болести и контрола върху производството на лекарства, генното инженерство и биохимията, протеомиката. Масовата спектрометрия даде на изследователите инструмент за идентифициране на протеини, определяне какви промени са настъпили в тяхната структура поради различни взаимодействия, по време на тяхното възпроизвеждане, определяне на метаболитните пътища на различни лекарства и други съединения и идентифициране на метаболити, разработване на нови целеви лекарства. Масспектрометрията е единственият метод, който решава всички тези и много други проблеми на аналитичната биохимия.
Без масспектрометрия контролът върху незаконното разпространение на наркотици и психотропни вещества, криминалистични и клинични анализи на токсични вещества и анализи на взривни вещества е немислим.

Откриването на източника на произход е много важно за решаването на редица въпроси: например, определянето на произхода на експлозивите помага да се намерят терористи, наркотици - за борба с разпространението им и блокиране на техните пътища за движение. Икономическата сигурност на страната е по-надеждна, ако митническите служби могат не само чрез анализ в съмнителни случаи да потвърдят държавата на произход на стоката, но и нейното съответствие с декларирания вид и качество. А анализът на петрола и нефтопродуктите е необходим не само за оптимизиране на процесите на рафиниране на нефт или геолози за търсене на нови нефтени находища, но и за идентифициране на отговорните за нефтените разливи в океана или на сушата.

В ерата на „химизирането на селското стопанство“ въпросът за наличието на следи от използвани химикали (например пестициди) в хранителните продукти стана много важен. В следи тези вещества могат да причинят непоправима вреда на човешкото здраве.

Редица техногенни (т.е. несъществуващи в природата, но резултат от индустриална човешка дейност) вещества са супертоксиканти (оказващи токсично, канцерогенно или вредно въздействие върху човешкото здраве в изключително ниски концентрации). Пример е добре познатият диоксин.

Съществуването на ядрена енергия е немислимо без масспектрометрия. С негова помощ се определя степента на обогатяване на делящите се материали и тяхната чистота.

Разбира се, медицината не е пълна без масспектрометрия. Изотопната масспектрометрия на въглеродните атоми се използва за директна медицинска диагностика на инфекция при хора с Helicobacter Pylori и е най-надеждният от всички диагностични методи.
HPLC/MS системите са основният аналитичен инструмент при разработването на нови лекарства. Без този метод контролът на качеството на произвежданите лекарства и откриването на такова често срещано явление като тяхното фалшифициране не може да бъде избегнат.
Протеомиката е дала на медицината възможността за ултраранна диагностика на най-ужасните заболявания на човечеството – ракови тумори и сърдечни дисфункции. Определянето на специфични протеини, наречени биомаркери, позволява ранна диагностика в онкологията и кардиологията.

Трудно е да си представим област на човешка дейност, където няма да има място за масспектрометрия. Ние се ограничаваме само до изброяване на: биохимия, клинична химия, обща химия и органична химия, фармацевтика, козметика, парфюмерия, хранително-вкусова промишленост, химичен синтез, нефтохимия и рафиниране на нефт, контрол на околната среда, производство на полимери и пластмаси, медицина и токсикология, криминалистика, допинг контрол, контролни лекарства, контрол на алкохолни напитки, геохимия, геология, хидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядрена индустрия и енергетика, полупроводникова индустрия, металургия.

Масспектрометърът е устройство за определяне на масите на атомите (молекулите) според естеството на движението на техните йони в галваничен и магнитен фон.

навигация:

Неутралната частица не е изложена на галванични и магнитни полета. Независимо от това, ако му бъдат отнети един или повече електрони или към него се добавят един или повече електрони, в този случай той ще се превъплъти в йон, чийто вид движение в тези полета е достатъчно предопределен от теглото и заряда му. Определено казано, в мас спектрометрите не се определя масата, а подреждането на масата към заряда. Ако запасът е известен, тогава несъмнено се определя масовото значение на йона и следователно масата на междинния атом и неговото ядро. Структурно мас спектрометрите могат да бъдат много различни един от друг. Те могат да използват както статични полета, така и променящи се във времето полета, магнитни или галванични.

Масспектрометърът се състои от следните ключови елементи:

• Хетерополярен източник, при който междинните атоми се превръщат в йони (например преди излагане на нагряване или микровълново поле) и се ускоряват от галванично поле;
• Сфери на постоянни електрически и магнитни полета;
• Приемник на йони, който характеризира местоположението на областите, където се определят йони, които са преминали през тези полета.

Мас спектрометър

Хромато-мас спектрометър

Концепцията за CMS с комбиниран квадруполно-времеполетен мас спектрометър с висока разделителна способност с йонизация с електроразпръскване дава възможност да се забелязват и идентифицират както насочваните съединения, така и техните метаболити, както и непознати подреждания в широк масов спектър от 20 до 40 000. Несъмнено (лекарства, наркотични вещества, пестициди и др.), да се извърши съвместно изследване на основната и следовата част, да се предопредели истинското изотопно съотношение, за да се установят ясно молекулярните формули. Променливият интервал в числената оценка е над 4 порядъка. Използва се за целите на числената оценка на синтезите. Устройството има уникални характеристики: разделителна способност над 35 000 FWHM, точност на молекулно тегло под 0,7 ppm, най-висока чувствителност при най-висока разделителна способност. Висока скорост на разпознаване на информация - до 60 спектра в секунда.

Хромато-мас спектрометър

Учените от дълго време търсят алтернатива на магнита в собствеността на масовия анализатор. През 1953 г. Волфганг Паул, който по-късно получи Нобелова награда за физика през 1989 г., очертава първото устройство с квадруполен анализатор. Разработването на квадруполни масови анализатори направи революция в масспектрометрията. Анализаторите на магнитна маса изискват използването на най-високите напрежения (хиляди волта), докато четириполюсните не го правят и това опростява тяхната система, най-малките обеми на вакуумната фракция опростяват концепцията за образуване на вакуум. Масспектрометри са станали по-малки, по-лесни за работа и, най-важното, много по-рентабилни, за да се отвори възможността за използване на този аналитичен метод за много хиляди потребители. Недостатъците на квадруполите включват ниска разделителна способност и малък връх на най-голямата открита маса (m/z~4100). Въпреки това, сегашните масови анализатори позволяват да се открият йони с съответствие m/z~350.

Принцип на действие

Четириполът включва 4 едновременно и симетрично разположени монопола (електроди с перфектно напречно сечение). Условна комбинация от непрекъснато и индуктивно напрежение се прилага към електродите по два в обратна полярност.

Под влияние на леко ускоряващо напрежение (15-25 V) йоните влизат синхронно с осите на електродните пръти. Преди действието на осцилиращото поле, предварително определено от електродите, те започват да се движат по осите x и y. В този случай амплитудата на трептенията се увеличава без промяна на посоката на движение. Йоните, чиито амплитуди достигат най-високи стойности, се неутрализират, когато се сблъскат с електродите. Само тези йони, чиито m/z стойности ще съответстват на установеното U/V съответствие, придобиват стабилна амплитуда. Последното им позволява да се движат свободно в четириполюсника и да бъдат открити в крайния резултат. По подобен начин масовият диапазон се фиксира чрез маршрут на взаимно обръщане на стойностите на U и V.

Квадруполен мас спектрометър

Магнитен мас спектрометър

В магнитните мас спектрометри се използва хомогенно магнитно поле за разпределение на йони в мас анализаторите. В този случай движенията на принуждаващи йони в галваничната област и тяхното разпределение в магнитната област могат да бъдат изобразени числено.

Магнитен мас-термичен анализатор - устройство за пространствено и времево разпределение на йони с различно значение на отношението маса-заряд, използвано за разпределение на магнитното поле.

В исторически план оригиналният масов анализатор е магнитът. В съответствие с физически закон линията на заредените елементи в магнитно поле е изкривена, а радиусът на кривината зависи от масата на елементите.

Има различни геометрии на магнитните масови анализатори, в които се измерва или радиусът на кривината, или магнитното поле. Магнитните мас спектрометри имат най-висока разделителна способност и могат да се използват с абсолютно всички видове йонизация. Въпреки значителните предимства на сегашните пред останалите (най-висока разделителна способност, висока надеждност на измерванията и висок диапазон на работна маса), те имат 2 основни недостатъка - това оборудване е огромно, както по обем, така и по отношение на цената.

Магнитен мас спектрометър

Това е прост тип масов анализатор. В масов анализатор за време на полета йоните падат от източника и се озовават в тръба за време на полет, където няма галванично поле (период без поле). След като преминат през определен интервал d, йоните се фиксират от йонен сензор с права или почти права фиксираща повърхност. През 1951-1971 г. в собствеността на йонния сензор е използван вторичен електрически умножител от „типа жалузи”, по-късно е използван композитен детектор, използващ 2 или понякога 3 микроканални пластини последователно.

Масовият термичен анализатор за време на полет е представен от пулсиращ масов анализатор, тоест йоните се прехвърлят от източника на йони към елемента за време на полет не постоянно, а в дози на определени интервали от време. Такива масови анализатори са съвместими с йонизация на лазерна десорбция с помощта на матрица, като по този начин, както при този метод на йонизация, йони също се произвеждат не постоянно, а при всеки лазерен импулс.

Масспектрометър за време на полета

Масспектрометри на Agilent

Масспектрометърът отдавна се оценява като отличен детектор за газова хроматография. Спектрите, получени с поддръжка на мас спектрометричен сензор, осигуряват същата информация за състава на теста с високо качество, която другите газови хроматографски сензори не могат да предоставят. Детекторът за масова спектрометрия има голяма чувствителност, освен това унищожава пробата, предоставя масови данни и разпознава по-бързо хомолози, отколкото изомери.

Високонадежните мас спектрометри на Agilent отговарят на най-взискателните условия и отговарят на предизвикателствата. Производителите вече могат да представят линия от високопрецизни прогресивни мас спектрометри за GC и HPLC.

Масспектрометър на Agilent

Мас спектрометър
мас спектрометър

Мас спектрометър - устройство за определяне на масите на атомите (молекулите) по естеството на движението на техните йони в електрически и магнитни полета.
Неутрален атом не се влияе от електрически и магнитни полета. Въпреки това, ако един или повече електрони бъдат отнети от него или към него се добавят един или повече електрони, тогава той ще се превърне в йон, естеството на движението на което в тези полета ще се определя от неговата маса и заряд. Строго погледнато, в мас спектрометрите не се определя масата, а съотношението на масата към заряда. Ако зарядът е известен, тогава масата на йона се определя еднозначно, а оттам и масата на неутралния атом и неговото ядро. Структурно мас спектрометрите могат да се различават значително един от друг. Те могат да използват както статични полета, така и променящи се във времето магнитни и/или електрически полета.

Помислете за една от най-простите опции.
Масспектрометърът се състои от следните основни части:
а) йонен източник, при който неутралните атоми се превръщат в йони (например под въздействието на нагряване или микровълново поле) и се ускоряват от електрическо поле, б) области на постоянни електрически и магнитни полета, и в) йонен приемник, който определя координатите на точките, където попадат йоните, които пресичат тези полета.
От йонния източник 1 ускорените йони през процепа 2 попадат в областта 3 на постоянни и еднородни електрически Е и магнитни В1 полета. Посоката на електрическото поле се задава от позицията на кондензаторните пластини и е показана със стрелки. Магнитното поле е насочено перпендикулярно на равнината на фигурата. В област 3 електрическото E и магнитното поле B 1 отклоняват йоните в противоположни посоки, а величините на силата на електрическото поле E и индукцията на магнитното поле B 1 са избрани така, че силите на тяхното действие върху йоните (съответно qE и qvB 1 , където q е зарядът, а v е скоростта на йона) се компенсират взаимно, т.е. беше qЕ = qvB 1 . Със скоростта на йона v = E/B 1 той се движи без да се отклонява в област 3 и преминава през втория процеп 4, попадайки в област 5 на еднородно и постоянно магнитно поле с индукция B 2 . В това поле йонът се движи по окръжността 6, чийто радиус R се определя от съотношението
Mv 2 /R = qvB 2, където M е масата на йона. Тъй като v \u003d E / B 1, масата на йона се определя от съотношението

M = qB 2 R/v = qB 1 B 2 R/E.

По този начин, при известен йонен заряд q, неговата маса M се определя от радиуса R кръгова орбита в район 5. За изчисления е удобно да се използва съотношението в системата от единици, дадени в квадратни скоби:

M[T] = 10 6 ZB 1 [T]B 2 [T]R[m]/E[V/m].

Ако като детектор на йони 7 се използва фотографска плоча, тогава този радиус ще бъде показан с висока точност с черна точка на мястото на развитата фотографска плоча, където се удари йонният лъч. Съвременните мас спектрометри обикновено използват електронни умножители или микроканални плочи като детектори. Масспектрометърът дава възможност за определяне на масите с много висока относителна точност ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
Анализът на смес от атоми с различни маси чрез масспектрометър също дава възможност да се определи тяхното относително съдържание в тази смес. По-специално може да се установи съдържанието на различни изотопи на всеки химичен елемент.

Приложения на мас спектрометрията

• · Ядрена енергия;
• · Археология;
• · Нефтохимия;
• · Геохимия (изотопна геохронология);
• · Агрохимия;
• · Химическа индустрия;
• · Анализ на полупроводникови материали, свръхчисти метали, тънки филми и прахове (например оксиди на U и REE);
• · Фармацевтика – за контрол на качеството на произвежданите лекарства и откриване на фалшификати;
• · Медицинска диагностика;
• · Биохимия – идентифициране на протеини, изследване на метаболизма на лекарствата.

Хромато-мас спектрометрия

Хромато-мас спектрометрията е метод за анализиране на смеси от предимно органични вещества и определяне на следи от вещества в течен обем. Методът се основава на комбинация от два независими метода - хроматография и мас спектрометрия. С помощта на първата сместа се разделя на компоненти, с помощта на втората - идентифициране и определяне на структурата на веществото, количествен анализ. Има 2 варианта на хроматография-мас-спектрометрия, които са комбинация от мас-спектрометрия с газо-течна хроматография (GLC) или високоефективна течна хроматография.

Ориз. десет.

Първите изследвания на аналитичните възможности на хромато-мас-спектрометрията са проведени през 50-те години на миналия век, като първите промишлени инструменти комбинират газо-течен хроматограф и

мас спектрометър, появил се през 60-те години. Основната съвместимост на тези два инструмента се дължи на факта, че и в двата случая анализираното вещество е в газова фаза, интервалите на работната температура са еднакви, а границите на откриване (чувствителност) са близки. Разликата е, че в йонния източник на мас спектрометъра се поддържа висок вакуум (10 -5 - 10 -6 Pa), докато налягането в хроматографската колона е 10 5 Pa. За намаляване на налягането се използва сепаратор, който е свързан от единия край към изхода на хроматографската колона, а от другия край към йонния източник на мас спектрометъра. Сепараторът отстранява основната част от газа носител от газовия поток, напускащ колоната, и органичната материя преминава в масспектрометъра. В този случай налягането на изхода на колоната се намалява до работното налягане в масспектрометъра.

Принципът на действие на сепараторите се основава или на разликата в подвижността на молекулите на газа носител и аналита, или на различната им пропускливост през полупропусклива мембрана. В индустрията най-често се използват инжекторни сепаратори, които работят на първия принцип. Едностепенните сепаратори от този тип съдържат две дюзи с отвори с малък диаметър, които са монтирани точно една срещу друга. В обема между дюзите се създава налягане от 1,33 Pa. Газовият поток от хроматографската колона през първата дюза със свръхзвукова скорост навлиза във вакуумната област, където молекулите се разпространяват със скорости, обратно пропорционални на тяхната маса. В резултат на това по-леките и по-бързи молекули на газа носител се изпомпват, а по-бавните молекули на органичната материя влизат във втория отвор на дюзата и след това в йонния източник на масспектрометъра. Някои инструменти са оборудвани с двустепенен сепаратор, оборудван с друг подобен блок на дюзите. В обема между тях се създава висок вакуум. Колкото по-леки са молекулите на газа носител, толкова по-ефективно се отстраняват от газовия поток и толкова по-високо е обогатяването с органична материя.

Най-удобният газ носител за хромато-масспектрометрия е хелият. Ефективността на сепаратора, т.е. съотношението на количеството органична материя в газовия поток, напускащ колоната, към количеството му, влизащо в масспектрометъра, зависи до голяма степен от скоростта на потока на газа носител, влизащ в сепаратора. При оптимална скорост на потока от 20-30 ml/min се отстранява до 93% от газа носител и повече от 60% от аналита влиза в масспектрометъра. Тази скорост на потока на газ-носител е типична за напълнените колони. В случай на използване на капилярна хроматографска колона, скоростта на потока на газ-носител не надвишава 2-3 ml/min, поради което на изхода му към газовия поток се добавя допълнително количество газ-носител, така че скоростта на потока, влизаща в сепаратор достига 20–30 ml/min. Това гарантира най-добрата ефективност на сепаратора. Гъвкавите кварцови капилярни колони могат да се инжектират директно в йонния източник. В този случай йонният източник трябва да бъде снабден с мощна помпена система, която поддържа висок вакуум.

Масспектрометри, свързани към газови хроматографи, използват йонизация с електронен удар, химическа или полева йонизация. Хроматографските колони трябва да съдържат нелетливи и термично стабилни неподвижни течни фази, така че масовият спектър на техните пари да не се припокрива със спектъра на аналита.

Аналитът (обикновено в разтвор) се въвежда в изпарителя на хроматографа, където моментално се изпарява и парите, смесени с газ-носител, влизат в колоната под налягане. Тук сместа се отделя и всеки компонент в потока газ-носител, когато се елуира от колоната, влиза в сепаратора. В сепаратора, носещият газ се отстранява основно и газовият поток, обогатен с органична материя, влиза в йонния източник на масспектрометъра, където молекулите се йонизират. Броят на образуваните йони в този случай е пропорционален на количеството входящо вещество. С помощта на сензор, инсталиран в масспектрометъра, който реагира на промените в общия йонен ток, се записват хроматограми. По този начин масспектрометърът може да се разглежда като универсален детектор за хроматограф. Едновременно със записването на хроматограмата във всяка точка, обикновено в горната част на хроматографския пик, може да се запише масов спектър, което прави възможно установяване на структурата на веществото.

Важно условие за работата на устройството е бързото записване на мас спектъра, който трябва да бъде записан за много по-кратко време от времето на хроматографския пик. Бавното записване на масовия спектър може да изкриви съотношението на пиковите интензитети в него. Скоростта на регистрация на масовия спектър (скорост на сканиране) се определя от масовия анализатор. Най-краткото време за сканиране на пълния мас спектър (няколко милисекунди) се осигурява от квадруполен анализатор. В съвременните мас спектрометри, оборудвани с компютър, изграждането на хроматограми и обработката на мас спектрите се извършват автоматично. На редовни интервали, когато компонентите на сместа се елуират, се записват мас спектри, чиито количествени характеристики се натрупват в паметта на компютъра. За всяко сканиране се добавят интензитетите на всички регистрирани йони. Тъй като тази обща стойност (общ йонен ток) е пропорционална на концентрацията на веществото в йонния източник, тя се използва за изграждане на хроматограма (тази стойност се нанася по оста на ординатите, по оста на абсцисата - времето на задържане и номерът на сканиране ). Като зададете номера на сканиране, можете да извикате мас спектъра от паметта във всяка точка на хроматограмата.

Както е описано по-горе, могат да се анализират смеси от вещества, които са достатъчно добре разделени на подходящи колони с газова хроматография-масспектрометрия. Понякога могат да бъдат изследвани и неразрешени хроматографски пикове. Изследваните вещества трябва да са термично стабилни, хроматографски подвижни в рамките на работната температура на колоната и лесно да се прехвърлят в парната фаза при температурата на изпарителя. Ако веществата не отговарят на тези изисквания, те могат да бъдат химически модифицирани, например чрез силилиране, алкилиране или ацилиране на хидрокси, карбокси, меркапто, амино групи.

Чувствителността на газовата хроматография-масспектрометрия (обикновено 10 -6 -10 -9 g) се определя от чувствителността на детектора за мас спектрометър. По-чувствителна (10 -12 -10 -15 g) разновидност на хромато-масспектрометрия е масовата фрагментография, наричана още селективна йонна или мулти-йонна детекция. Същността му се крие във факта, че хроматограмите се записват не от общия йонен ток, а от най-характерните йони за дадено вещество. Този тип газова хроматография-масспектрометрия се използва за търсене, идентифициране и количествено определяне на вещество с известен масов спектър в сложна смес, например при количествено определяне на следи от вещества в големи обеми биологични течности (медицина, фармакология, токсикология, допинг контрол, биохимия). Извършете масова фрагментография на хромато-мас спектрометри, като използвате специално устройство - многойонен детектор или с помощта на компютър, който може да изгради хроматограми за един или повече йони. Такава хроматограма, за разлика от обичайната, съдържа пикове само на онези компоненти, чиито масови спектри съдържат такива йони. Анализът се извършва с помощта на вътрешен стандарт, който често се използва като аналог на желаното вещество, белязано със стабилни изотопи (2 H, 13 C, 15 N, 18 O).

Друг вариант за хромато-масспектрометрия е комбинацията от високоефективна течна хроматография и мас спектрометрия. Методът е предназначен за анализ на смеси от трудно летливи, полярни вещества, които не могат да бъдат анализирани с метода на GJ хромато-масспектрометрия. За да се поддържа вакуум в йонния източник на масспектрометъра, е необходимо да се отстрани разтворителят, идващ от хроматографа със скорост 0,5–5 ml/min. За да направите това, част от течния поток се прекарва през отвор от няколко микрона, в резултат на което се образуват капки, които след това влизат в нагрята зона, където по-голямата част от разтворителя се изпарява, а останалата част заедно с веществото , влиза в йонния източник и се йонизира химически.

Редица индустриални устройства реализират принципа на лентов конвейер. Елуатът от колоната влиза в движеща се лента, която преминава през инфрачервена нагрявана камера, където разтворителят се изпарява. След това лентата с веществото преминава през зоната, загрята от друг нагревател, където аналитът се изпарява, след което влиза в йонния източник и се йонизира. По-ефективен начин за комбиниране на високоефективен газо-течен хроматограф и мас спектрометър се основава на електроспрей и термичен спрей. В този случай елуатът се прекарва през капиляра, загрята до 150°С и се разпръсква във вакуумна камера. Буферните йони, присъстващи в разтвора, участват в образуването на йони. Получените капчици носят положителен или отрицателен заряд. Поради малкия му диаметър, по протежение на капката се създава висок градиент на електрическо поле и този градиент се увеличава с разпадането на капката. В този случай се получава десорбция от капчици протонирани йони или клъстери (молекула на веществото + буферен катион).

Методът на хромато-масспектрометрия се използва в структурни и аналитични изследвания в органичната химия, нефтохимията, биохимията, медицината, фармакологията, опазването на околната среда и др.