Spectrometria de masă (spectroscopie de masă, spectrografie de masă, analiză spectrală de masă, analiză spectrometrică de masă) este o metodă de studiu a unei substanțe bazată pe determinarea raportului dintre masă și sarcină a ionilor formați în timpul ionizării componentelor probei de interes. Una dintre cele mai puternice metode de identificare calitativă a substanțelor, care permite și determinarea cantitativă. Putem spune că spectrometria de masă este „cântărirea” moleculelor din probă.

Istoria spectrometriei de masă începe cu experimentele fundamentale ale lui J. J. Thomson la începutul secolului al XX-lea. Terminația „-metria” din denumirea metodei a apărut după trecerea pe scară largă de la detectarea particulelor încărcate cu ajutorul plăcilor fotografice la măsurătorile electrice ale curenților ionici.

Spectrometria de masă este utilizată pe scară largă în analiza substanțelor organice, deoarece oferă o identificare fiabilă atât a moleculelor relativ simple, cât și a celor complexe. Singura cerință generală este ca molecula să fie ionizabilă. Cu toate acestea, până în prezent, au fost inventate atât de multe metode pentru ionizarea componentelor probei, încât spectrometria de masă poate fi considerată o metodă aproape universală.

Aproape toate spectrometrele de masă sunt instrumente cu vid, deoarece ionii sunt foarte instabili în prezența moleculelor străine. Cu toate acestea, există unele dispozitive care pot fi clasificate condiționat ca spectrometre de masă, dar care nu folosesc un vid, ci un flux de gaz pur special.

Spectrul de masă este dependența intensității curentului ionic (cantitatea de substanță) de raportul dintre masă și sarcină (natura substanței). Deoarece masa oricărei molecule este alcătuită din masele atomilor ei constitutivi, spectrul de masă este întotdeauna discret, deși la rezoluția scăzută a spectrometrului de masă, vârfurile diferitelor mase se pot suprapune sau chiar fuziona. Natura analitului, caracteristicile metodei de ionizare și procesele secundare din spectrometrul de masă pot afecta spectrul de masă (vezi ionii metastabili, gradientul de tensiune accelerat peste locurile de producere a ionilor, împrăștierea inelastică). Astfel, ionii cu aceleași raporturi masă-sarcină pot ajunge în diferite părți ale spectrului și chiar pot face parte din acesta continuă.

Majoritatea moleculelor mici capătă o singură sarcină pozitivă sau negativă atunci când sunt ionizate. Cu cât molecula este mai mare, cu atât este mai probabil să devină un ion cu încărcare multiplă în timpul ionizării. Prin urmare, acest efect este deosebit de puternic pentru molecule extrem de mari, cum ar fi proteinele, acizii nucleici și polimerii. Cu unele tipuri de ionizare (de exemplu, impactul electronilor), o moleculă se poate descompune în mai multe părți caracteristice, ceea ce oferă oportunități suplimentare pentru identificarea și studierea structurii substanțelor necunoscute.

Determinarea precisă a masei moleculei analizate vă permite să determinați compoziția elementară a acesteia (vezi: analiza elementară). Spectrometria de masă oferă, de asemenea, informații importante despre compoziția izotopică a moleculelor analizate.

Istoria spectrometriei de masă

• 1912 - JJ Thomson creează primul spectrograf de masă și obține spectre de masă ale moleculelor de oxigen, azot, monoxid de carbon, dioxid de carbon și fosgen.
• 1913 - Cu ajutorul spectrografului său de masă, J. J. Thomson descoperă izotopi de neon: neon-20 și neon-22.
• 1918 - Arthur Dempster construiește primul spectrograf de masă.
• 1919 - Francis Aston, independent de Dempster, construiește primul său spectrograf de masă și începe cercetarea izotopilor. Acest dispozitiv avea o rezoluție de aproximativ 130.
• 1923 - Aston măsoară defectul de masă cu un spectrometru de masă.
• 1932 - Kenneth Bainbridge construiește un spectrometru de masă cu o rezoluție de 600 și o sensibilitate de 1 parte la 10.000
• 1936 - Arthur Dempster, Kenneth Tompkins Bainbridge și Josef Heinrich Elizabeth Mattauch construiesc un spectrograf de masă cu dublă focalizare. Dempster dezvoltă sursa de ionizare prin scânteie.
• 1940 - Alfred Nir utilizând spectrometria de masă preparativă izolează uraniu-235.
• 1940 - Alfred Nir creează prima sursă sigură de impact de electroni folosind o cameră de ionizare.
• 1942 Lawrence lansează Calutron, o instalație industrială de separare a izotopilor de uraniu bazată pe un spectrometru de masă cu sector magnetic.
• 1946 - William Stevens propune conceptul de spectrometru de masă cu timp de zbor.
• 1948 - Cameron și Eggers au creat primul spectrometru de masă cu un analizor de masă pentru timpul de zbor.
• 1952 - Talroze și Lyubimova observă pentru prima dată semnalul metoniului CH5+ într-o sursă de ioni de impact de electroni la presiune ridicată a metanului în camera de ionizare (în 1966 Munson și Field aplică această descoperire în scopuri analitice și creează o sursă de ioni cu ionizare chimică).
• 1953 Paul patentează analizatorul de masă cu patru poli și capcana de ioni.
• 1956 - McLafferty și Gohlke creează primul spectrometru de masă cu cromatografie gazoasă.
• 1966 - Munson și Field creează o sursă de ioni cu ionizare chimică.
• 1972 - Karataev și Mamyrin inventează un analizor de masă cu focalizare în timp de zbor, care îmbunătățește semnificativ rezoluția analizorului.
• 1974 - Primul spectrometru de masă pentru cromatografie lichidă creat de Arpino, Baldwin și McLafferty
• 1981 - Barber, Bordoli, Sedgwick și Tylor creează ionizatorul Fast Atom Bombardment (FAB).
• 1982 - Primul spectru de masă al unei proteine ​​întregi (insulina) prin bombardament atomic rapid (FAB).
• 1983 Blanky și Bestal inventează spray-ul termic.
• 1984 - L. N. Gall și apoi Fenn publică lucrări despre metoda electrospray.
• 1987 - Karas, Bachmann, Bahr și Hillenkamp inventează Matrix Assisted Laser Desorbtion Ionization (MALDI).
• 1999 - Alexander Makarov (engleză) rusă inventează capcana de ioni electrostatică Orbitrap.

Principiul de funcționare și dispozitivul spectrometrului de masă

Surse de ioni

Primul lucru de făcut pentru a obține un spectru de masă este să transformi moleculele neutre și atomii care alcătuiesc orice substanță organică sau anorganică în particule încărcate - ioni. Acest proces se numește ionizare și se realizează diferit pentru substanțele organice și anorganice. A doua condiție necesară este transferul ionilor în faza gazoasă în partea de vid a spectrometrului de masă. Vidul profund asigură mișcarea nestingherită a ionilor în interiorul spectrometrului de masă, iar în absența acestuia, ionii se vor împrăștia și se vor recombina (se vor transforma înapoi în particule neîncărcate).

În mod convențional, metodele de ionizare a substanțelor organice pot fi clasificate în funcție de fazele în care se află substanțele înainte de ionizare.

Fază gazoasă Ionizare electronică (EI) Ionizare chimică (CI) Captură electronică (EC) Ionizare câmp electric (FI) Fază lichidă Ionizare prin pulverizare termică la presiune atmosferică (AP)

• electrospray (APESI)
• ionizare chimică la presiune atmosferică (APCI)
• fotoionizare la presiune atmosferică (APPI)

spectrometrie de masă cu desorbție directă cu laser în fază solidă (LDMS) desorbție/ionizare cu laser asistată de matrice (MALDI) spectrometrie de masă cu ioni secundari (SIMS) bombardament rapid cu atomi (FAB) desorbție de câmp electric (FD) desorbție cu plasmă (PD)

În chimia anorganică, pentru analiza compoziției elementare, se folosesc metode dure de ionizare, deoarece energiile de legare ale atomilor dintr-un solid sunt mult mai mari și trebuie folosite metode mult mai dure pentru a rupe aceste legături și a obține ioni.

• ionizare în plasmă cuplată inductiv (ICP)
• ionizare termică sau ionizare de suprafață
• ionizare cu descărcare strălucitoare și ionizare prin scânteie (vezi descărcarea prin scânteie)
• ionizare în timpul ablației cu laser

Din punct de vedere istoric, primele metode de ionizare au fost dezvoltate pentru faza gazoasă. Din păcate, multe substanțe organice nu pot fi evaporate, adică transformate în fază gazoasă, fără descompunere. Aceasta înseamnă că nu pot fi ionizate prin impactul electronilor. Dar printre astfel de substanțe, aproape tot ceea ce alcătuiește țesutul viu (proteine, ADN etc.), substanțe active fiziologic, polimeri, adică tot ceea ce prezintă un interes deosebit astăzi. Spectrometria de masă nu a stat pe loc, iar în ultimii ani s-au dezvoltat metode speciale pentru ionizarea unor astfel de compuși organici. Astăzi, două dintre ele sunt utilizate în principal - ionizarea la presiune atmosferică și subspeciile sale - electrospray (ESI), ionizare chimică la presiune atmosferică (APCI) și fotoionizare la presiune atmosferică (APPI), precum și ionizare cu desorbție laser asistată de matrice (MALDI). .

Analizoare de masă

Ionii obținuți în timpul ionizării sunt transferați la analizorul de masă cu ajutorul unui câmp electric. Acolo începe a doua etapă a analizei spectrometrice de masă - sortarea ionilor după masă (mai precis, după raportul dintre masă și sarcină, sau m/z). Există următoarele tipuri de analizoare de masă:

Analizoare continue de masă

• Analizor de masă sector magnetic și electrostatic (ing. instrument sector)
• Analizor de masă cvadrupol

analizoare de masă a impulsurilor

• Analizor de masă pentru timpul de zbor
• Capcană de ioni
• Capcană de ioni cvadrupol
• Analizor de masă de rezonanță ciclotron cu transformare Fourier
• Orbitrap

Diferența dintre analizoarele de masă continue și pulsate constă în faptul că în primul ioni intră într-un flux continuu, iar în al doilea, în porțiuni, la anumite intervale de timp.

Spectrometrul de masă poate avea două analizoare de masă. Un astfel de spectrometru de masă se numește spectrometru de masă în tandem. Spectrometrele de masă în tandem sunt utilizate, de regulă, împreună cu metodele de ionizare „soft”, în care nu există fragmentare a ionilor moleculelor analizate (ioni moleculari). Astfel, primul analizor de masă analizează ionii moleculari. Ieșind din primul analizor de masă, ionii moleculari sunt fragmentați sub acțiunea ciocnirilor cu molecule de gaz inert sau radiații laser, după care fragmentele acestora sunt analizate în al doilea analizor de masă. Cele mai comune configurații ale spectrometrelor de masă în tandem sunt cvadrupol-cvadrupol și cvadrupol-timp de zbor.

Detectoare

Ultimul element al spectrometrului de masă simplificat pe care îl descriem este detectorul de particule încărcate. Primele spectrometre de masă au folosit ca detector o placă fotografică. Acum se folosesc multiplicatori de electroni secundari din dinod, în care un ion, lovind primul dinod, elimină un fascicul de electroni din acesta, care, la rândul său, lovind următorul dinod, elimină și mai mulți electroni din acesta etc. O altă opțiune este fotomultiplicatoare, care înregistrează strălucirea care apare atunci când sunt bombardate de ioni de fosfor. În plus, sunt utilizați multiplicatori cu microcanale, sisteme precum rețele de diode și colectoare care colectează toți ionii care au căzut într-un anumit punct din spațiu (colectori Faraday).

Spectrometrie cromato-masă

Spectrometrele de masă sunt folosite pentru a analiza compuși organici și anorganici.

Substanțele organice în cele mai multe cazuri sunt amestecuri multicomponente de componente individuale. De exemplu, se arată că mirosul de pui prăjit este de 400 de componente (adică 400 de compuși organici individuali). Sarcina analizei este de a determina câte componente alcătuiesc materia organică, de a afla care sunt aceste componente (identifica-le) și de a afla cât de mult din fiecare compus este conținut în amestec. Pentru aceasta, combinația cromatografiei cu spectrometria de masă este ideală. Cromatografia gazoasă este cea mai potrivită pentru a fi combinată cu sursa de ioni a unui spectrometru de masă cu ionizare prin impact de electroni sau ionizare chimică, deoarece compușii sunt deja în fază gazoasă în coloana cromatografului. Dispozitivele în care un detector spectrometric de masă este combinat cu un cromatograf de gaze se numesc spectrometre de cromato-masă („Chromass”).

Mulți compuși organici nu pot fi separați în componente folosind cromatografia în gaz, dar pot fi separați prin cromatografia lichidă. Astăzi, sursele de ionizare prin electrospray (ESI) și ionizare chimică la presiune atmosferică (APCI) sunt folosite pentru a combina cromatografia lichidă cu spectrometria de masă, iar combinația de cromatografie lichidă cu spectrometre de masă se numește LC / MS (în engleză LC / MS). Cele mai puternice sisteme de analiză organică cerute de proteomica modernă sunt construite pe baza unui magnet supraconductor și funcționează pe principiul rezonanței ciclotronului ionic. Se mai numesc FT/MS deoarece folosesc transformata Fourier a semnalului.

Caracteristicile spectrometrelor de masă și detectorilor spectrometrici de masă

Cele mai importante caracteristici tehnice ale spectrometrelor de masă sunt sensibilitatea, intervalul dinamic, rezoluția, viteza de scanare.

Cea mai importantă caracteristică în analiza compuşilor organici este sensibilitatea. Pentru a obține cea mai mare sensibilitate posibilă, îmbunătățind în același timp raportul semnal-zgomot, se recurge la detectarea pentru ioni individuali selectați. În acest caz, câștigul în sensibilitate și selectivitate este colosal, dar atunci când se folosesc dispozitive cu rezoluție scăzută, trebuie sacrificat un alt parametru important - fiabilitatea. La urma urmei, dacă ați înregistrat un singur vârf din întregul spectru de masă caracteristic, veți avea nevoie de multă muncă pentru a demonstra că acest vârf corespunde exact componentului care vă interesează. Cum se rezolvă această problemă? Utilizați rezoluție înaltă pe instrumentele cu focalizare dublă unde se poate obține un nivel ridicat de fidelitate fără a sacrifica sensibilitatea. Sau utilizați spectrometria de masă în tandem, unde fiecare vârf corespunzător ionului părinte poate fi confirmat de spectrul de masă al ionilor fii. Deci, campionul absolut în sensibilitate este un spectrometru de masă cromatografie organică de înaltă rezoluție cu focalizare dublă.

În funcție de caracteristicile combinației de sensibilitate cu fiabilitatea determinării componentelor, capcanele de ioni urmează dispozitive de înaltă rezoluție. Instrumentele clasice cu patru poli de nouă generație au îmbunătățit performanța datorită unui număr de inovații, cum ar fi utilizarea unui prefiltru cvadrupol curbat, care împiedică particulele neutre să ajungă la detector și, prin urmare, reduce zgomotul.

Aplicații ale spectrometriei de masă

Dezvoltarea de noi medicamente pentru a salva oamenii de boli anterior incurabile și controlul producției de medicamente, inginerie genetică și biochimie, proteomică. Fără spectrometrie de masă, controlul asupra distribuției ilegale de stupefiante și psihotrope, analiza criminalistică și clinică a drogurilor toxice și analiza explozivilor este de neconceput.

Aflarea sursei de origine este foarte importantă pentru rezolvarea unei serii de probleme: de exemplu, determinarea originii explozivilor ajută la găsirea teroriștilor, a drogurilor - la combaterea distribuției acestora și la blocarea rutelor de trafic. Securitatea economică a țării este mai de încredere dacă serviciile vamale nu pot confirma doar prin analiză în cazuri dubioase țara de origine a mărfurilor, ci și conformitatea acesteia cu tipul și calitatea declarată. Iar analiza petrolului și a produselor petroliere este necesară nu numai pentru a optimiza procesele de rafinare a petrolului sau geologii pentru a căuta noi câmpuri petroliere, ci și pentru a-i identifica pe cei responsabili de scurgerile de petrol în ocean sau pe uscat.

În epoca „chimicizării agriculturii”, problema prezenței unor urme de substanțe chimice aplicate (de exemplu, pesticide) în produsele alimentare a devenit foarte importantă. În urme, aceste substanțe pot provoca daune ireparabile sănătății umane.

O serie de substanțe tehnogene (adică neexistând în natură, dar rezultate din activitatea umană industrială) sunt supertoxice (care au un efect toxic, cancerigen sau nociv asupra sănătății umane în concentrații extrem de mici). Un exemplu este binecunoscuta dioxină.

Existența energiei nucleare este de neconceput fără spectrometrie de masă. Cu ajutorul acestuia se determină gradul de îmbogățire a materialelor fisionabile și puritatea acestora.

Desigur, medicina nu este completă fără spectrometrie de masă. Spectrometria de masă izotopică a atomilor de carbon este utilizată pentru diagnosticul medical direct al infecției umane cu Helicobacter pylori și este cea mai fiabilă dintre toate metodele de diagnosticare. De asemenea, spectrometria de masă este utilizată pentru a determina prezența dopajului în sângele sportivilor.

Este greu de imaginat o zonă de activitate umană în care nu ar fi loc pentru spectrometria de masă. Ne limităm doar la enumerarea: chimie analitică, biochimie, chimie clinică, chimie generală și chimie organică, produse farmaceutice, cosmetice, parfumerie, industria alimentară, sinteza chimică, petrochimie și rafinarea petrolului, controlul mediului, producția de polimeri și materiale plastice, medicină și toxicologie, criminalistica, controlul dopajului, controlul drogurilor, controlul bauturilor alcoolice, geochimie, geologie, hidrologie, petrografie, mineralogie, geocronologie, arheologie, industria si energie nucleara, industria semiconductoarelor, metalurgie.

• Introducere
• O scurtă istorie a spectrometriei de masă
• Ionizare
• Analizoare de masă
• Detector
• Izotopie naturală și artificială
• Spectrometre de masă pentru analiza izotopilor
• Viteza de scanare
• Permisiune
• Interval dinamic
• Sensibilitate
• Ce sunt spectrometrele de masă

Deci, spectrometrele de masă sunt folosite pentru a analiza compușii organici și cei anorganici.

Substanțele organice în cele mai multe cazuri sunt amestecuri multicomponente de componente individuale. De exemplu, se arată că mirosul de pui prăjit este de 400 de componente (adică 400 de compuși organici individuali). Sarcina analizei este de a determina câte componente alcătuiesc materia organică, de a afla care sunt aceste componente (identifica-le) și de a afla cât de mult din fiecare compus este conținut în amestec. Pentru aceasta, combinația cromatografiei cu spectrometria de masă este ideală. Cromatografia gazoasă este cea mai potrivită pentru a fi combinată cu sursa de ioni a unui spectrometru de masă cu ionizare prin impact de electroni sau ionizare chimică, deoarece compușii sunt deja în faza gazoasă în coloana cromatografului. Instrumentele în care un detector spectrometric de masă este combinat cu un cromatograf de gaze se numesc cromatografie gazoasă-spectrometre de masă.

Mulți compuși organici nu pot fi separați în componente folosind cromatografia în gaz, dar pot fi separați prin cromatografia lichidă. Pentru a combina cromatografia lichidă cu spectrometria de masă, astăzi se folosesc sursele de ionizare prin electrospray (ESI) și ionizare chimică la presiune atmosferică (APCI), iar combinația cromatografiei lichide cu spectrometrele de masă se numește LC/MS sau LC/MS în limba engleză. Cele mai puternice sisteme de analiză organică cerute de proteomica modernă sunt construite pe baza unui magnet supraconductor și funcționează pe principiul rezonanței ion-ciclotron. Se mai numesc FT/MS deoarece folosesc transformata Fourier a semnalului.

O nouă clasă de spectrometre de masă sunt instrumente hibride. Se numesc hibrizi deoarece includ de fapt două spectrometre de masă, dintre care cel puțin unul poate funcționa ca instrument independent. Exemple de astfel de dispozitive sunt spectrometrul de masă cu rezonanță ciclotron cu ioni FINNIGAN LTQ FT, în care capcana de ioni liniară cu patru poli FINNIGAN LTQ poate funcționa ca un dispozitiv de sine stătător care detectează ioni după MS sau MSn folosind doi multiplicatori de electroni secundari și, de asemenea, poate pregăti și trimite ioni către celula ciclotronului, împingându-i într-o direcție paralelă cu axa cvadrupolului. De asemenea, hibrid este LTQ QRBITRAP, care funcționează exact în același mod. Avantajele unor astfel de scheme sunt evidente, capcana liniară are cea mai mare sensibilitate, funcționează în modul de spectrometrie de masă în tandem de la n la 10, efectuează o varietate de funcții inteligente de scanare, iar spectrometrul de masă de rezonanță cu ciclotron ionic și capcana ionică orbitală au rezoluție înaltă. și poate măsura cu cea mai mare precizie raportul dintre masă și sarcină a ionilor. Spectrometrele de masă cu plasmă cuplate inductiv sunt cele mai atractive pentru analiza compoziției elementare. Cu ajutorul acestui dispozitiv se determină din ce atomi este compusă o substanță. Aceeași metodă de analiză poate arăta și compoziția izotopică. Dar cel mai bine este să măsurați compoziția izotopică folosind instrumente izotopice specializate care înregistrează ionii nu pe un detector la momente diferite ale sosirii lor, ci fiecare ion pe propriul colector personal și simultan (așa-numita detecție paralelă).

Cu toate acestea, înainte de a trece la instrumentele pentru măsurarea compoziției izotopice, să ne oprim pe scurt la ce sunt izotopii.

Izotopie naturale și artificiale Atomii constau dintr-un nucleu și învelișuri de electroni. Proprietățile atomilor sunt determinate de câți protoni (particule elementare încărcate pozitiv) conține nucleul. Nucleul conține neutroni pe lângă protoni. Natura a decretat că, cu un număr egal de protoni, nucleul poate conține un număr diferit de neutroni. Atomii cu același număr de protoni în nucleu, dar cu numere diferite de neutroni diferă în masă cu una sau mai multe unități de masă atomică (a.m.u.) și se numesc izotopi. Majoritatea elementelor au un anumit set de izotopi stabili. Izotopii radioactivi nu sunt stabili și se descompun pentru a forma izotopi stabili. Abundența naturală a izotopilor pentru fiecare element este cunoscută. Unele elemente din natură sunt monoizotopice, adică 100% din abundența naturală cade pe un izotop (de exemplu, Al, Sc, Y, Rh, Nb etc.), în timp ce altele au mulți izotopi stabili (S, Ca, Ge). , Ru , Pd, Cd, Sn, Xe, Nd, Sa etc.). În activitățile tehnologice, oamenii au învățat să schimbe compoziția izotopică a elementelor pentru a obține orice proprietăți specifice ale materialelor (de exemplu, U235 are capacitatea de a reacționa spontan în lanț și poate fi folosit ca combustibil pentru centrale nucleare sau pentru o bombă atomică) sau pentru a folosi etichete izotopice (de exemplu, în medicină).

Deoarece masele izotopilor diferă, iar spectrometria de masă măsoară masa, în mod natural, această metodă devine cea mai convenabilă pentru determinarea compoziției izotopice. În același timp, informațiile despre compoziția izotopică ajută la identificarea compușilor organici și oferă răspunsuri la multe întrebări, de la determinarea vârstei rocilor pentru geologie, până la determinarea falsificării multor produse și determinarea originii mărfurilor și a materiilor prime.

Spectrometre de masă pentru analiză izotopică. Spectrometrele de masă pentru determinarea compoziției izotopice trebuie să fie foarte precise. Ionizarea prin impact de electroni este utilizată pentru a analiza compoziția izotopică a elementelor ușoare (carbon, hidrogen, oxigen, sulf, azot etc.). În acest caz, toate metodele de injecție în fază gazoasă sunt potrivite, ca în spectrometrele de masă organice (DELTA Plus ADVANTAGE, FINNIGAN DELTA Plus XL și FINNIGAN MAT253).
Pentru analiza izotopilor elementelor mai grele se utilizează ionizarea termică (FINNIGAN TRITON TI) sau ionizarea cu plasmă cuplată inductiv cu detecție paralelă (FINNIGAN NEPTUNE și detecția cu un singur colector FINNIGAN ELEMENT2).
Practic toate tipurile de spectrometre de masă izotopice folosesc analizoare de masă magnetice.

Caracteristicile spectrometrelor de masă și detectorilor spectrometrici de masă

Cele mai importante caracteristici tehnice ale spectrometrelor de masă sunt sensibilitatea, intervalul dinamic, rezoluția, viteza.

Viteza de scanare. Analizorul de masă, așa cum am arătat mai sus, transmite ioni cu un anumit raport de masă și sarcină la un anumit moment (cu excepția dispozitivelor multicolector și a rezonanței ion-ciclotron, o capcană de ioni orbital). Pentru a analiza toți ionii în raport cu masa lor de încărcat, acesta trebuie să scaneze, adică parametrii câmpului său trebuie să treacă prin toate valorile necesare pentru a trece toți ionii de interes la detector într-un perioadă de timp dată. Această viteză de desfășurare a câmpului se numește viteza de scanare și ar trebui să fie cât mai rapidă posibil (respectiv, timpul de scanare ar trebui să fie cât mai scurt posibil), deoarece spectrometrul de masă trebuie să fie capabil să măsoare semnalul într-un timp scurt, de exemplu, timpul vârfului cromatografic, care poate fi de câteva secunde. În același timp, cu cât sunt măsurate mai multe spectre de masă în timpul eliberării vârfului cromatografic, cu atât vârful cromatografic va fi descris mai precis, cu atât va fi mai puțin probabil să treacă peste valoarea sa maximă și folosind procesarea matematică pentru a determina dacă acesta este individual și „termină” folosind spectrometria de masă.
Cel mai lent analizor de masă este un magnet, timpul minim de scanare fără pierderi mari de sensibilitate este o fracțiune de secundă (MAT 95XP). Un analizor de masă cu patru poli poate mătura spectrul în zecimi de secundă (TSQ QUANTUM), iar o capcană de ioni și mai rapid (POLARISQ, FINNIGAN LCQ ADVANTAGE MAX, FINNIGAN LCQ DECA XP MAX), o capcană de ioni liniară și mai rapid (LTQ) și un spectrometru de rezonanță ioni-ciclotron cu masă puțin mai lentă FINNIGAN LTQ FT.
Spectrometrul inovator de cromato-masă quadrupol FINNIGAN TRACE DSQ și omologul său economic FINNIGAN FOCUS DSQ sunt capabili să scaneze la aproximativ 11.000 amu. pe secunda. Acest lucru deschide noi oportunități, de exemplu, este posibil să se obțină aproape simultan un spectru de masă complet al unui compus pentru identificarea lui fără ambiguitate și să efectueze monitorizarea selectivă a ionilor (SIM), care scade limita de detectare cu câteva ordine de mărime.
Orice scanare a tuturor analizoarelor de masă enumerate mai sus este un compromis - cu cât viteza de scanare este mai mare, cu atât este mai puțin timp petrecut în înregistrarea semnalului pentru fiecare număr de masă, cu atât sensibilitatea este mai slabă. Cu toate acestea, pentru analiza de rutină a vitezei, este suficient un analizor cvadrupol sau o capcană de ioni. O altă problemă este atunci când vine vorba de analiza de înaltă performanță a matricelor complexe. În acest caz, ar fi bine să folosiți cromatografia ultrarapidă (pe coloane subțiri, scurte, încălzite rapid). Pentru o astfel de sarcină, un spectrometru de masă cu timp de zbor (TEMPUS) este cel mai potrivit. Este capabil să înregistreze spectre de masă la o rată de 40.000 pe secundă!

Permisiune. Din punct de vedere vizual, rezoluția (rezoluția) poate fi definită ca fiind capacitatea unui analizor de a separa ionii de masele vecine. Este foarte important să puteți determina cu exactitate masa ionilor, acest lucru vă permite să calculați compoziția atomică a unui ion sau să identificați o peptidă prin comparație cu o bază de date, reducând numărul de candidați de la mii și sute la unități sau o singură unu. Pentru analizoarele magnetice de masă, la care distanța dintre vârfurile spectrului de masă nu depinde de masele ionilor, rezoluția este o valoare egală cu M/DM. Această valoare este determinată de obicei de 10% din înălțimea vârfului. De exemplu, o rezoluție de 1000 înseamnă că vârfurile cu mase de 100,0 a.m.u. și 100.1 a.m.u. sunt separate unul de celălalt, adică nu se suprapun până la 10% din înălțime.
Pentru analizoarele la care distanța dintre vârfuri variază în domeniul masei operaționale (cu cât masa este mai mare, cu atât distanța este mai mică), cum ar fi analizoare cu patru poli, capcane de ioni, analizoare de timp de zbor, strict vorbind, rezoluția are un alt sens . Rezoluția, definită ca M/DM în acest caz, caracterizează o masă specifică. Este logic să se caracterizeze aceste analizoare de masă după lățimea vârfurilor, o valoare care rămâne constantă pe întregul interval de masă. Această lățime de vârf este de obicei măsurată la 50% din înălțimea lor. Pentru astfel de dispozitive, o lățime de vârf la jumătate maxim egală cu 1 este un indicator bun și înseamnă că un astfel de analizor de masă este capabil să distingă mase nominale care diferă pe unitatea de masă atomică în aproape întregul său domeniu de funcționare. Masa nominală sau numărul de masă este cel mai apropiat număr întreg de masa exactă a ionului pe scara unităților de masă atomică. De exemplu, masa ionului de hidrogen H+ este 1,00787 amu, iar numărul său de masă este 1. Iar astfel de analizoare de masă, care măsoară în principal mase nominale, se numesc analizoare cu rezoluție joasă. Am scris „mai ales” pentru că astăzi există și astfel de analizoare de masă care aparțin formal celor cu rezoluție scăzută, dar în realitate nu mai sunt așa. Tehnologia înaltă, în primul rând de la cel mai avansat dezvoltator Thermo Electron, a oferit deja pieței instrumente cu patru poli de înaltă rezoluție pentru echipamente analitice. De exemplu, cel mai nou FINNIGAN TSQQuantum funcționează cu ușurință cu o lățime a vârfului spectrului de masă la jumătate de maxim de 0,1 amu. Oamenii cunoscători pot obiecta: „Dar această lățime maximă poate fi obținută pe fiecare spectrometru de masă cu patru poli!” Și vor avea dreptate, într-adevăr, fiecare cvadrupol poate fi reglat la acest nivel de rezoluție. Dar ce se întâmplă cu semnalul? Când treceți de la o lățime de vârf la jumătatea maximă de 1 a.m.u. la 0,1 amu puterea semnalului la toți patrupolii va scădea cu aproape două ordine de mărime. Dar nu pe TSQ Quantum, pe acesta va scădea de doar două ori și jumătate. Capcanele de ioni într-un interval îngust de masă pot funcționa ca spectrometre de masă de înaltă rezoluție, oferind cel puțin separarea vârfurilor separate de 1/4 a.m.u. unul de altul. Spectrometre de masă cu dublă focalizare (magnetică și electrostatică), rezonanță ion-ciclotron - instrumente de rezoluție medie sau înaltă. O rezoluție tipică pentru un instrument magnetic este >60.000, iar operarea la un nivel de rezoluție de 10.000 - 20.000 este de rutină. Pe un spectrometru de masă de rezonanță ion-ciclotron la o masă de aproximativ 500 a.m.u. o rezoluție de 500.000 poate fi atinsă cu ușurință, ceea ce face posibilă măsurarea masei ionilor cu o precizie de 4-5 zecimale. O rezoluție de câteva mii poate fi, de asemenea, atinsă folosind analizoare de masă de timp de zbor, totuși, la mase mari, în regiunea cărora, de fapt, acest dispozitiv are un avantaj față de altele, iar această rezoluție este suficientă doar pentru a măsura masa ionică cu o precizie de +/- zeci amu După cum se poate observa din cele de mai sus, rezoluția este strâns legată de o altă caracteristică importantă - precizia măsurării masei. Semnificația acestei caracteristici poate fi ilustrată cu un exemplu simplu. Masele ionilor moleculari de azot (N2+) și monoxid de carbon (CO+) sunt 28,00615 amu. și, respectiv, 27,99491 amu (ambele sunt caracterizate de același număr de masă 28). Acești ioni vor fi înregistrați de spectrometrul de masă separat la o rezoluție de 2500, iar valoarea exactă a masei va da un răspuns - care dintre gaze este înregistrată. Măsurarea precisă a masei este disponibilă pe instrumentele cu focalizare dublă, pe spectrometrul de masă cu patru poli tandem TSQ Quantum și pe spectrometrele de masă cu rezonanță cu ciclotron ionic.

interval dinamic. Dacă analizăm un amestec care conține 99,99% dintr-un compus sau element și 0,01% dintr-o anumită impuritate, trebuie să fim siguri că le determinăm corect pe ambele. Pentru a fi sigur de definiția componentelor din acest exemplu, trebuie să aveți un interval de liniaritate de 4 ordine de mărime. Spectrometrele de masă moderne pentru analiza organică sunt caracterizate printr-un interval dinamic de 5-6 ordine de mărime și spectrometre de masă pentru analiza elementară de 9-12 ordine de mărime. Un interval dinamic de 10 ordine de mărime înseamnă că o impuritate din probă va fi vizibilă chiar și atunci când este de 10 miligrame la 10 tone.

Sensibilitate. Aceasta este una dintre cele mai importante caracteristici ale spectrometrelor de masă. Sensibilitatea este o valoare care indică cât de mult dintr-o substanță trebuie introdusă în spectrometrul de masă pentru a putea fi detectată. Pentru simplitate, vom lua în considerare un parametru legat de sensibilitate - cantitatea minimă detectabilă a unei substanțe sau pragul de detectare. Un prag de detecție tipic pentru o cromatografie gazoasă-spectrometru de masă bun utilizat pentru analiza compușilor organici este 1 picogram atunci când se injectează 1 microlitru de lichid. Să ne imaginăm ce este. Dacă extragem 1 microlitru de lichid (o milioneme dintr-un litru) cu o seringă specială și îl eliberăm pe o foaie de hârtie albă curată, atunci când îl examinăm printr-o lupă, vom vedea o pată egală ca dimensiune cu cea a urmei. a unei înţepături cu un ac subţire. Acum imaginați-vă că am aruncat 1 gram dintr-o substanță (de exemplu, o tabletă de aspirină) în 1000 de tone de apă (de exemplu, o piscină de 50 de metri lungime, 10 metri lățime și 2 metri adâncime). Amestecați bine apa din piscină, extrageți 1 microlitru din această apă cu o seringă și injectați-l în cromatografie gazoasă-spectrometru de masă. În urma analizei, vom obține un spectru de masă pe care îl putem compara cu spectrul bibliotecii și vom folosi metoda amprentei pentru a ne asigura că acesta este într-adevăr acid acetilsalicilic, altfel numit aspirină.

Limitele de detecție pentru substanțele anorganice, de exemplu prin ICP/MS (FINNIGAN ELEMENT2) sunt și mai impresionante. Aici, piscina va fi deja prea mică pentru a prepara o soluție cu o concentrație corespunzătoare limitei de detecție. Limita de detectare pentru FINNIGAN ELEMENT2 pentru un număr de metale este de 1 ppq (o parte pe cvadrilion). Aceasta înseamnă că sensibilitatea dispozitivului este suficientă pentru a detecta 1 kilogram de metal (de exemplu, mercur, plumb etc.) dizolvat în Lacul Baikal (cu condiția să fie amestecat și complet dizolvat)!

În spectrometria de masă izotopică, de exemplu, 800 - 1000 de molecule de dioxid de carbon (CO2, dioxid de carbon) sunt suficiente pentru a obține un semnal de carbon. Pentru a demonstra acuratețele și sensibilitățile izotopice cu care se ocupă spectrometria de masă izotopică, să recurgem la următoarea alegorie. Să presupunem că pentru o mie exact aceleași mere, fiecare cântărind 100 de grame, există 11 mere care cântăresc cu 8% mai mult, adică 108 grame. Toate aceste mere sunt colectate într-o singură pungă. Acest exemplu corespunde raportului dintre izotopii de carbon din natură - există 11 atomi de 13C la 1000 de atomi de 12C. Spectrometria de masă izotopică măsoară rapoarte, adică este capabilă să distingă nu doar aceste 11 mere, ci să găsească printre multe pungi acelea în care din 1000 de mere de o sută de grame, nu 11 sute opt grame, ci 10 sau 12. Aceasta exemplu este foarte ușor pentru spectrometria de masă izotopică, de fapt, instrumente precum FINNIGAN DELTAPlus ADVANTAGE, DELTA Plus XP și FINNIGAN MAT253 sunt capabile să determine diferența unui izotop (o sută opt grame de măr) între zece milioane de atomi (zece milioane). mere).

Cea mai importantă caracteristică în analiza compuşilor organici este sensibilitatea. Pentru a obține cea mai mare sensibilitate posibilă, îmbunătățind în același timp raportul semnal-zgomot, se recurge la detectarea pentru ioni individuali selectați. În acest caz, câștigul în sensibilitate și selectivitate este colosal, dar atunci când se folosesc dispozitive cu rezoluție scăzută, trebuie sacrificat un alt parametru important - fiabilitatea. La urma urmei, dacă ați înregistrat un singur vârf din întregul spectru de masă caracteristic, veți avea nevoie de multă muncă pentru a demonstra că acest vârf corespunde exact componentului care vă interesează. Cum se rezolvă această problemă? Utilizați rezoluție înaltă pe instrumentele cu focalizare dublă unde se poate obține un nivel ridicat de fidelitate fără a sacrifica sensibilitatea. Sau utilizați spectrometria de masă în tandem, în care fiecare vârf corespunzător unui singur ion poate fi confirmat de spectrul de masă al ionilor fii. Deci, campionul absolut în sensibilitate este un spectrometru de masă cromatografie organică de înaltă rezoluție cu focalizare dublă. Deci, de exemplu, caracteristica pașaportului DFS afirmă că 2,3,7,8-tetracloro-p-dibenzodioxina, introdusă printr-o coloană cromatografică în cantitate de 10 femtograme, va da un vârf caracterizat printr-un semnal-zgomot. raport = 80: 1. Nu se poate realiza pe niciun alt rezultat instrument!
În funcție de caracteristicile combinației de sensibilitate cu fiabilitatea determinării componentelor, capcanele de ioni urmează dispozitive de înaltă rezoluție. Instrumentele clasice cvadrupol de nouă generație (TRACE DSQ II) au performanță îmbunătățită datorită unui număr de inovații, cum ar fi utilizarea unui prefiltru cvadrupol curbat, care împiedică particulele neutre să ajungă la detector și, prin urmare, reduce zgomotul.

De ce este necesară spectrometria de masă

Legi fizice profunde, dezvoltări științifice și inginerești avansate, sisteme de vid de înaltă tehnologie, tensiuni electrice înalte, cele mai bune materiale, cea mai înaltă calitate a procesării lor, cea mai recentă electronică digitală și analogică de mare viteză și tehnologie de calcul, software sofisticat - aceasta este ceea ce este realizat un spectrometru de masă modern. Și pentru ce sunt toate acestea? Pentru a răspunde la una dintre cele mai importante întrebări ale universului - din ce este compusă materia. Dar aceasta nu este o problemă de înaltă știință, ci de viața umană de zi cu zi.

De exemplu, dezvoltarea de noi medicamente pentru a salva oamenii de boli anterior incurabile și controlul producției de medicamente, inginerie genetică și biochimie, proteomică. Spectrometria de masă le-a oferit cercetătorilor un instrument de identificare a proteinelor, de a determina ce modificări au avut loc în structura lor datorită diferitelor interacțiuni, în timpul reproducerii lor, de a determina căile metabolice ale diferitelor medicamente și alți compuși și de a identifica metaboliții, de a dezvolta noi medicamente vizate. Spectrometria de masă este singura metodă care rezolvă toate acestea și multe alte probleme ale biochimiei analitice.
Fără spectrometrie de masă, controlul asupra distribuției ilegale de stupefiante și psihotrope, analiza criminalistică și clinică a drogurilor toxice și analiza explozivilor este de neconceput.

Aflarea sursei de origine este foarte importantă pentru rezolvarea unei serii de probleme: de exemplu, determinarea originii explozivilor ajută la găsirea teroriștilor, a drogurilor - la combaterea distribuției acestora și la blocarea rutelor de trafic. Securitatea economică a țării este mai de încredere dacă serviciile vamale nu pot confirma doar prin analiză în cazuri dubioase țara de origine a mărfurilor, ci și conformitatea acesteia cu tipul și calitatea declarată. Iar analiza petrolului și a produselor petroliere este necesară nu numai pentru a optimiza procesele de rafinare a petrolului sau geologii pentru a căuta noi câmpuri petroliere, ci și pentru a-i identifica pe cei responsabili de scurgerile de petrol în ocean sau pe uscat.

În epoca „chimicizării agriculturii”, problema prezenței unor urme de substanțe chimice aplicate (de exemplu, pesticide) în produsele alimentare a devenit foarte importantă. În urme, aceste substanțe pot provoca daune ireparabile sănătății umane.

O serie de substanțe tehnogene (adică neexistând în natură, dar rezultate din activitatea umană industrială) sunt supertoxice (care au un efect toxic, cancerigen sau nociv asupra sănătății umane în concentrații extrem de mici). Un exemplu este binecunoscuta dioxină.

Existența energiei nucleare este de neconceput fără spectrometrie de masă. Cu ajutorul acestuia se determină gradul de îmbogățire a materialelor fisionabile și puritatea acestora.

Desigur, medicina nu este completă fără spectrometrie de masă. Spectrometria de masă izotopică a atomilor de carbon este utilizată pentru diagnosticul medical direct al infecției umane cu Helicobacter Pylori și este cea mai fiabilă dintre toate metodele de diagnosticare.
Sistemele HPLC/MS sunt principalul instrument analitic în dezvoltarea de noi medicamente. Fără această metodă, nu se poate renunța la controlul calității medicamentelor fabricate și la detectarea unui fenomen atât de comun precum falsificarea lor.
Proteomica a oferit medicinei posibilitatea diagnosticării ultra-precoce a celor mai teribile boli ale omenirii - tumori canceroase și disfuncții cardiace. Determinarea proteinelor specifice, numite biomarkeri, permite diagnosticarea precoce în oncologie și cardiologie.

Este greu de imaginat o zonă de activitate umană în care nu ar fi loc pentru spectrometria de masă. Ne limităm doar la enumerarea: biochimie, chimie clinică, chimie generală și chimie organică, produse farmaceutice, cosmetice, parfumerie, industria alimentară, sinteza chimică, petrochimie și rafinarea petrolului, controlul mediului, producția de polimeri și materiale plastice, medicină și toxicologie, criminalistică, control dopaj, control droguri, control băuturi alcoolice, geochimie, geologie, hidrologie, petrografie, mineralogie, geocronologie, arheologie, industrie nucleară și energie, industria semiconductoare, metalurgie.

Spectrometrul de masă este un dispozitiv pentru determinarea maselor de atomi (molecule) în funcție de natura mișcării ionilor lor în fundal galvanic și magnetic.

Navigare:

Particula neutră nu este expusă câmpurilor galvanice și magnetice. Cu toate acestea, dacă unul sau mai mulți electroni îi sunt luați sau îi sunt adăugați unul sau mai mulți electroni, în acest caz se va reîncarna într-un ion, al cărui tip de mișcare în aceste câmpuri este suficient predeterminat de greutatea și sarcina sa. Cu siguranță vorbind, în spectrometrele de masă, nu masa este determinată, ci aranjarea masei la încărcare. Dacă stocul este cunoscut, atunci se determină fără îndoială semnificația masei ionului și, în consecință, masa atomului intermediar și a nucleului său. Din punct de vedere structural, spectrometrele de masă pot fi foarte diferite unele de altele. Pot folosi atât câmpuri statice, cât și câmpuri variabile în timp, magnetice sau galvanice.

Spectrometrul de masă este compus din următoarele elemente cheie:

• O sursă heteropolară, în care atomii intermediari sunt transformați în ioni (de exemplu, înainte de expunerea la încălzire sau la un câmp de microunde) și accelerați de un câmp galvanic;
• Sfere de câmpuri electrice și magnetice constante;
• Un receptor de ioni care caracterizează locația zonelor în care sunt determinați ionii care au traversat aceste câmpuri.

Spectrometru de masă

Spectrometru de cromato-masă

Conceptul unui CMS cu un spectrometru de masă combinat de înaltă rezoluție cu patrupol cu ​​timp de zbor cu ionizare prin electrospray, face posibilă observarea și identificarea atât a compușilor ghidați, cât și a metaboliților acestora, precum și aranjamentele nefamiliare într-un spectru de masă extins din 20 până la 40 000. Fără îndoială (droguri, substanțe stupefiante, pesticide, etc.), să efectueze un studiu comun al părților principale și urme, pentru a predetermina raportul izotopic adevărat pentru a stabili cu claritate formulele moleculare. Intervalul variabil în evaluarea numerică este de peste 4 ordine de mărime. Este utilizat în scopul evaluării numerice a sintezelor. Dispozitivul are caracteristici unice: o rezoluție de peste 35.000 FWHM, o precizie a greutății moleculare de mai puțin de 0,7 ppm, cea mai mare sensibilitate la cea mai mare rezoluție. Rată ridicată de recunoaștere a informațiilor - până la 60 de spectre pe secundă.

Spectrometru de cromato-masă

Oamenii de știință caută de multă vreme o alternativă la magnet în proprietatea analizorului de masă. În 1953, Wolfgang Paul, care mai târziu a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1989, a schițat primul dispozitiv cu un analizor cvadrupol. Dezvoltarea analizoarelor de masă cu patru poli a revoluționat spectrometria de masă. Analizatoarele de masă magnetică necesită utilizarea celor mai mari tensiuni (mii de volți), în timp ce patrupolii nu, iar acest lucru le simplifică sistemul, cele mai mici volume ale fracției de vid simplifică conceptul de formare a vidului. Spectrometrele de masă au devenit mai mici, mai ușor de operat și, cel mai important, mult mai rentabile pentru a deschide posibilitatea utilizării acestei metode analitice pentru multe mii de utilizatori. Dezavantajele patrupolilor includ rezoluția scăzută și un vârf mic al celei mai mari mase detectate (m/z ~ 4100). Cu toate acestea, analizoarele de masă actuale fac posibilă detectarea ionilor cu o corespondență m/z~350.

Principiul de funcționare

Un cvadrupol implică 4 monopoli plasați simultan și simetric (electrozi de secțiune transversală perfectă). O combinație condiționată de tensiune continuă și inductivă este aplicată electrozilor în doi în polaritate inversă.

Sub influența unei ușoare tensiuni de accelerare (15-25 V), ionii intră sincron cu axele tijelor electrodului. Înainte de acțiunea câmpului oscilant, predeterminat de electrozi, aceștia încep să se deplaseze de-a lungul axelor x și y. În acest caz, amplitudinea oscilațiilor crește fără a schimba direcția de mișcare. Ionii ale căror amplitudini ating cele mai mari valori sunt neutralizați atunci când se ciocnesc cu electrozii. Doar acești ioni, ale căror valori m/z vor corespunde corespondenței U/V stabilite, capătă o amplitudine stabilă. Acesta din urmă le face posibil să se miște liber în patrupol și să fie detectabile în rezultatul final. Într-un mod similar, intervalul de masă este fixat printr-o cale de inversare reciprocă a valorilor U și V.

Spectrometru de masă cvadrupol

Spectrometru de masă magnetic

În spectrometrele magnetice de masă, un câmp magnetic omogen este utilizat pentru a distribui ionii în analizoarele de masă. În acest caz, mișcările ionilor de forțare în regiunea galvanică și distribuția lor în regiunea magnetică pot fi reprezentate numeric.

Analizor magnetic de masă-termic - un dispozitiv în scopul distribuției spațiale și temporale a ionilor cu semnificații diferite a relației masă-încărcare, utilizat pentru distribuirea câmpului magnetic.

Din punct de vedere istoric, analizorul de masă original a fost magnetul. În conformitate cu o lege fizică, linia elementelor încărcate într-un câmp magnetic este distorsionată, iar raza de curbură depinde de masa elementelor.

Există diferite geometrii ale analizoarelor de masă magnetică, în care se măsoară fie raza de curbură, fie câmpul magnetic. Spectrometrele magnetice de masă au cea mai mare rezoluție și pot fi utilizate cu absolut toate tipurile de ionizare. În ciuda avantajelor semnificative ale celor actuale față de celelalte (rezoluție cea mai mare, fiabilitate ridicată a măsurătorilor și interval mare de masă de lucru), acestea au 2 dezavantaje principale - acest echipament este uriaș, atât ca volum, cât și ca preț.

Spectrometru de masă magnetic

Acesta este un tip simplu de analizor de masă. Într-un analizor de masă de timp de zbor, ionii cad din sursă și ajung într-un tub de timp de zbor unde nu există câmp galvanic (perioada fără câmp). După ce au trecut printr-un anumit interval d, ionii sunt fixați de un senzor de ioni cu o suprafață de fixare dreaptă sau aproape dreaptă. În 1951-1971, în proprietatea senzorului de ioni, s-a folosit un multiplicator electric secundar de „tip jalugă”, ulterior s-a folosit un detector compozit, folosindu-se 2 sau ocazional 3 plăci microcanale în serie.

Analizorul termic de masă de timp de zbor este reprezentat de un analizor de masă pulsatorie, adică ionii sunt transferați de la sursa de ioni la elementul de timp de zbor nu în mod constant, ci în doze la anumite intervale de timp. Astfel de analizoare de masă sunt compatibile cu ionizarea cu desorbție laser asistată de matrice, astfel, ca și în această metodă de ionizare, ionii sunt produși nu în mod constant, ci la orice impuls laser.

Spectrometru de masă cu timp de zbor

Spectrometre de masă Agilent

Spectrometrul de masă a fost considerat de mult timp un detector excelent pentru cromatografia în gaz. Spectrele dobândite cu suport pentru senzorul spectrometric de masă oferă aceleași informații de înaltă calitate privind compoziția de testare pe care nu le pot oferi alți senzori gaz-cromatografici. Detectorul de spectrometrie de masă are o sensibilitate mare, în plus, distruge proba, furnizează date de masă și recunoaște mai repede omologii decât izomerii.

Spectrometrele de masă extrem de fiabile de la Agilent îndeplinesc cele mai solicitante condiții și îndeplinesc provocările la îndemână. Producătorii pot introduce acum o linie de spectrometre de masă progresive de înaltă precizie pentru GC și HPLC.

Spectrometrul de masă Agilent

Spectrometru de masă
spectrometru de masă

Spectrometru de masă - un dispozitiv pentru determinarea maselor de atomi (molecule) după natura mișcării ionilor lor în câmpuri electrice și magnetice.
Un atom neutru nu este afectat de câmpurile electrice și magnetice. Cu toate acestea, dacă unul sau mai mulți electroni îi sunt luați sau îi sunt adăugați unul sau mai mulți electroni, atunci se va transforma într-un ion, a cărui natură a mișcării în aceste câmpuri va fi determinată de masa și sarcina sa. Strict vorbind, în spectrometrele de masă, nu masa este determinată, ci raportul dintre masă și sarcină. Dacă sarcina este cunoscută, atunci masa ionului este determinată în mod unic și, prin urmare, masa atomului neutru și a nucleului său. Din punct de vedere structural, spectrometrele de masă pot diferi foarte mult unele de altele. Ele pot folosi atât câmpuri statice, cât și câmpuri magnetice și/sau electrice care variază în timp.

Luați în considerare una dintre cele mai simple opțiuni.
Spectrometrul de masă este format din următoarele părți principale:
A) o sursă de ioni, în care atomii neutri sunt transformați în ioni (de exemplu, sub acțiunea încălzirii sau a unui câmp de microunde) și accelerați de un câmp electric; b) zone de câmpuri electrice și magnetice constante și în) un receptor de ioni care determină coordonatele punctelor în care cad ionii care traversează aceste câmpuri.
Din sursa de ioni 1, ionii accelerați prin fanta 2 cad în regiunea 3 a câmpurilor electrice E și magnetice B 1 constante și uniforme. Direcția câmpului electric este stabilită de poziția plăcilor condensatorului și este indicată de săgeți. Câmpul magnetic este îndreptat perpendicular pe planul figurii. În regiunea 3, câmpurile electrice E și magnetice B 1 deviază ionii în direcții opuse, iar mărimile intensității câmpului electric E și ale inducției câmpului magnetic B 1 sunt alese astfel încât forțele acțiunii lor asupra ionilor (respectiv qE și qvB 1 , unde q este sarcina și v este viteza ionului) compensate reciproc, adică. a fost qЕ = qvB 1 . La viteza ionului v = E/B 1 se deplasează fără a se devia în regiunea 3 şi trece prin a doua fantă 4, căzând în regiunea 5 a unui câmp magnetic uniform şi constant cu inducţie B 2 . În acest câmp, ionul se deplasează de-a lungul cercului 6, a cărui rază R este determinată din relație
Mv 2 /R = qvB 2, unde M este masa ionului. Deoarece v \u003d E / B 1, masa ionului este determinată din relație

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

Astfel, cu o sarcină ionică cunoscută q, masa sa M este determinată de raza R orbita circulară în regiunea 5. Pentru calcule, este convenabil să folosiți raportul în sistemul de unități dat între paranteze drepte:

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

Dacă o placă fotografică este utilizată ca detector de ioni 7, atunci această rază va fi arătată cu mare precizie printr-un punct negru în locul plăcii fotografice dezvoltate unde a lovit fasciculul de ioni. În spectrometrele de masă moderne, multiplicatorii de electroni sau plăcile cu microcanale sunt de obicei utilizate ca detectoare. Spectrometrul de masă face posibilă determinarea maselor cu o precizie relativă foarte mare ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
Analiza unui amestec de atomi de diferite mase cu ajutorul unui spectrometru de masă face posibilă și determinarea conținutului lor relativ în acest amestec. În special, se poate stabili conținutul diverșilor izotopi ai oricărui element chimic.

Aplicații ale spectrometriei de masă

• · Energie nucleară;
• · Arheologie;
• · Petrochimie;
• · Geochimie (geocronologie izotopică);
• · Agrochimie;
• · Industria chimica;
• · Analiza materialelor semiconductoare, a metalelor ultrapure, a peliculelor subțiri și a pulberilor (de exemplu, oxizi de U și REE);
• · Produse farmaceutice - pentru a controla calitatea medicamentelor fabricate și a detecta contrafacerile;
• · Diagnostice medicale;
• · Biochimie - identificarea proteinelor, studiul metabolismului medicamentelor.

Spectrometrie cromato-masă

Spectrometria cromato-masă este o metodă de analiză a amestecurilor de substanțe în principal organice și de determinare a unor urme de substanțe într-un volum lichid. Metoda se bazează pe o combinație a două metode independente - cromatografia și spectrometria de masă. Cu ajutorul primului, amestecul este separat în componente, cu ajutorul celui de-al doilea - identificarea și determinarea structurii substanței, analiza cantitativă. Există 2 variante de cromatografie-spectrometrie de masă, care sunt o combinație de spectrometrie de masă cu cromatografia gaz-lichid (GLC) sau cromatografia lichidă de înaltă performanță.

Orez. zece.

Primele studii ale capacităților analitice ale spectrometriei de cromato-masă au fost efectuate în anii 1950, primele instrumente industriale combinând un cromatograf gaz-lichid și

spectrometru de masă, apărut în anii 60. Compatibilitatea fundamentală a acestor două instrumente se datorează faptului că în ambele cazuri substanța analizată se află în fază gazoasă, intervalele de temperatură de funcționare sunt aceleași, iar limitele de detecție (sensibilitate) sunt apropiate. Diferența este că un vid înalt (10 -5 - 10 -6 Pa) este menținut în sursa de ioni a spectrometrului de masă, în timp ce presiunea în coloana cromatografică este de 10 5 Pa. Pentru reducerea presiunii se folosește un separator, care este conectat la un capăt la ieșirea coloanei cromatografice, iar la celălalt capăt la sursa de ioni a spectrometrului de masă. Separatorul elimină partea principală a gazului purtător din fluxul de gaz care părăsește coloana, iar materia organică trece în spectrometrul de masă. În acest caz, presiunea la ieșirea coloanei este redusă la presiunea de lucru în spectrometrul de masă.

Principiul de funcționare al separatoarelor se bazează fie pe diferența de mobilitate a moleculelor gazului purtător și a analitului, fie pe permeabilitatea diferită a acestora printr-o membrană semipermeabilă. In industrie se folosesc cel mai des separatoarele de injectoare, care functioneaza dupa primul principiu. Separatoarele cu o singură treaptă de acest tip conțin două duze cu găuri de diametru mic, care sunt instalate exact una față de cealaltă. Se creează o presiune de 1,33 Pa în volumul dintre duze. Fluxul de gaz din coloana cromatografică prin prima duză cu viteză supersonică intră în regiunea vidului, unde moleculele se propagă cu viteze invers proporționale cu masa lor. Ca urmare, moleculele mai ușoare și mai rapide ale gazului purtător sunt pompate, iar moleculele mai lente ale materiei organice intră în orificiul celei de-a doua duze și apoi în sursa de ioni a spectrometrului de masă. Unele instrumente sunt echipate cu un separator în două trepte echipat cu un alt bloc de duze similar. Se creează un vid înalt în volumul dintre ele. Cu cât moleculele de gaz purtător sunt mai ușoare, cu atât mai eficient sunt îndepărtate din fluxul de gaz și cu atât este mai mare îmbogățirea în materie organică.

Cel mai convenabil gaz purtător pentru spectrometria cromato-masă este heliul. Eficiența separatorului, adică raportul dintre cantitatea de materie organică din fluxul de gaz care iese din coloană și cantitatea acesteia care intră în spectrometrul de masă depinde în mare măsură de debitul gazului purtător care intră în separator. La un debit optim de 20-30 ml/min, până la 93% din gazul purtător este îndepărtat și mai mult de 60% din analit intră în spectrometrul de masă. Acest debit de gaz purtător este tipic pentru coloanele umplute. În cazul utilizării unei coloane cromatografice capilare, debitul gazului purtător nu depășește 2-3 ml/min, prin urmare, la ieșirea acesteia, se adaugă în fluxul de gaz o cantitate suplimentară de gaz purtător astfel încât debitul intrarea in separator ajunge la 20-30 ml/min. Acest lucru asigură cea mai bună eficiență a separatorului. Coloanele capilare flexibile de cuarț pot fi injectate direct în sursa de ioni. În acest caz, sursa de ioni trebuie să fie prevăzută cu un sistem puternic de pompare care să mențină un vid ridicat.

Spectrometrele de masă conectate la cromatografele de gaze utilizează ionizare prin impact de electroni, ionizare chimică sau de câmp. Coloanele cromatografice trebuie să conțină faze lichide staționare nevolatile și stabile termic, astfel încât spectrul de masă al vaporilor lor să nu se suprapună cu spectrul analitului.

Analitul (de obicei în soluție) este introdus în evaporatorul cromatografului, unde se evaporă instantaneu, iar vaporii, amestecați cu un gaz purtător, intră în coloană sub presiune. Aici, amestecul este separat și fiecare component din fluxul de gaz purtător, pe măsură ce eluează din coloană, intră în separator. În separator, gazul purtător este îndepărtat în principal, iar fluxul de gaz îmbogățit cu materie organică intră în sursa de ioni a spectrometrului de masă, unde moleculele sunt ionizate. Numărul de ioni formați în acest caz este proporțional cu cantitatea de substanță primită. Folosind un senzor instalat în spectrometrul de masă, care răspunde la modificările curentului ionic total, se înregistrează cromatogramele. Astfel, spectrometrul de masă poate fi considerat un detector universal pentru un cromatograf. Concomitent cu înregistrarea cromatogramei în orice punct, de obicei în vârful vârfului cromatografic, se poate înregistra un spectru de masă, ceea ce face posibilă stabilirea structurii substanței.

O condiție importantă pentru funcționarea dispozitivului este înregistrarea rapidă a spectrului de masă, care trebuie înregistrat într-un timp mult mai scurt decât timpul vârfului cromatografic. Înregistrarea lentă a spectrului de masă poate distorsiona raportul intensităților de vârf din acesta. Rata de înregistrare a spectrului de masă (viteza de scanare) este determinată de analizorul de masă. Cel mai scurt timp de scanare a întregului spectru de masă (câteva milisecunde) este asigurat de un analizor cu patru poli. În spectrometrele de masă moderne echipate cu un computer, construcția cromatogramelor și prelucrarea spectrelor de masă se realizează automat. La intervale regulate, pe măsură ce componentele amestecului sunt eluate, sunt înregistrate spectre de masă, ale căror caracteristici cantitative sunt acumulate în memoria computerului. Pentru fiecare scanare se adaugă intensitățile tuturor ionilor înregistrați. Deoarece această valoare totală (curent ionic total) este proporțională cu concentrația substanței în sursa de ioni, este utilizată pentru a construi o cromatogramă (această valoare este reprezentată de-a lungul axei ordonatelor, de-a lungul axei absciselor - timpul de retenție și numărul de scanare ). Prin setarea numărului de scanare, puteți reaminti spectrul de masă din memorie în orice punct al cromatogramei.

După cum s-a descris mai sus, pot fi analizate amestecuri de substanțe care sunt suficient de bine separate pe coloane adecvate de cromatografie gazoasă-spectrometrie de masă. Uneori pot fi investigate și vârfurile cromatografice nerezolvate. Substanțele studiate trebuie să fie stabile termic, mobile cromatografic în intervalul temperaturii de funcționare a coloanei și să fie ușor transferate în faza de vapori la temperatura evaporatorului. Dacă substanțele nu îndeplinesc aceste cerințe, ele pot fi modificate chimic, de exemplu, prin sililare, alchilare sau acilare a grupărilor hidroxi, carboxi, mercapto, amino.

Sensibilitatea cromatografiei gazoase-spectrometrie de masă (de obicei 10 -6 -10 -9 g) este determinată de sensibilitatea detectorului spectrometrului de masă. O varietate mai sensibilă (10 -12 -10 -15 g) de spectrometrie de cromato-masă este fragmentografia de masă, numită și detectie selectivă de ioni sau multi-ioni. Esența sa constă în faptul că cromatogramele sunt înregistrate nu prin curentul ionic total, ci prin ionii cei mai caracteristici pentru o anumită substanță. Acest tip de cromatografie gazoasă-spectrometrie de masă este utilizat pentru căutarea, identificarea și cuantificarea unei substanțe cu spectru de masă cunoscut într-un amestec complex, de exemplu, la determinarea cantitativă a urmelor de substanțe în volume mari de fluide biologice (medicament, farmacologie, toxicologie, control doping, biochimie) . Efectuați fragmentare de masă pe spectrometre de cromato-masă folosind un dispozitiv special - un detector multi-ion sau folosind un computer care poate construi cromatograme pentru unul sau mai mulți ioni. O astfel de cromatogramă, spre deosebire de cea obișnuită, conține vârfuri doar ale acelor componente ale căror spectre de masă conțin astfel de ioni. Analiza este efectuată folosind un standard intern, care este adesea folosit ca analog al substanței dorite marcată cu izotopi stabili (2 H, 13 C, 15 N, 18 O).

O altă opțiune pentru spectrometria cromato-masă este combinația dintre cromatografia lichidă de înaltă performanță și spectrometria de masă. Metoda este destinată analizei amestecurilor de substanțe polare greu volatile care nu pot fi analizate prin metoda spectrometriei de cromato-masă GJ. Pentru a menține vidul în sursa de ioni a spectrometrului de masă, este necesar să se îndepărteze solventul care vine de pe cromatograf cu o viteză de 0,5–5 ml/min. Pentru a face acest lucru, o parte din fluxul de lichid este trecută printr-o gaură de câțiva microni, în urma căreia se formează picături, care cad apoi în zona încălzită, unde se evaporă cea mai mare parte a solventului, iar restul, împreună cu substanța. , intră în sursa de ioni și este ionizat chimic.

O serie de dispozitive industriale implementează principiul unui transportor cu bandă. Eluatul din coloană intră într-o centură în mișcare care trece printr-o cameră încălzită cu IR unde solventul se evaporă. Apoi banda cu substanța trece prin zona încălzită de un alt încălzitor, unde analitul se evaporă, după care intră în sursa de ioni și este ionizat. O modalitate mai eficientă de a combina un cromatograf gaz-lichid de înaltă performanță și un spectrometru de masă se bazează pe electrospray și spray termic. În acest caz, eluatul este trecut printr-un capilar încălzit la 150°C și pulverizat într-o cameră cu vid. Ionii tampon prezenți în soluție participă la formarea ionilor. Picăturile rezultate poartă o sarcină pozitivă sau negativă. Datorită diametrului său mic, se creează un gradient mare de câmp electric de-a lungul picăturii, iar acest gradient crește pe măsură ce picătura se rupe. În acest caz, are loc desorbția din picături de ioni protonați sau clustere (moleculă de substanță + cation tampon).

Metoda spectrometriei de cromato-masă este utilizată în studiile structurale și analitice din chimie organică, petrochimie, biochimie, medicină, farmacologie, protecția mediului etc.