Hmotnostná spektrometria (hmotnostná spektroskopia, hmotnostná spektrografia, hmotnostná spektrálna analýza, hmotnostná spektrometrická analýza) je metóda na štúdium látky založená na stanovení pomeru hmotnosti k náboju iónov vytvorených počas ionizácie požadovaných zložiek vzorky. Jedna z najsilnejších metód na kvalitatívnu identifikáciu látok, ktorá umožňuje aj kvantitatívne stanovenie. Môžeme povedať, že hmotnostná spektrometria je „váženie“ molekúl vo vzorke.

História hmotnostnej spektrometrie sa začína základnými experimentmi J. J. Thomsona na začiatku 20. storočia. Koncovka „-metria“ v názve metódy sa objavila po rozšírenom prechode od detekcie nabitých častíc pomocou fotografických platní k elektrickým meraniam iónových prúdov.

Hmotnostná spektrometria je obzvlášť široko používaná pri analýze organických látok, pretože poskytuje spoľahlivú identifikáciu relatívne jednoduchých aj zložitých molekúl. Jedinou všeobecnou požiadavkou je, aby molekula bola ionizovateľná. Doteraz však bolo vynájdených toľko metód na ionizáciu zložiek vzorky, že hmotnostnú spektrometriu možno považovať za takmer univerzálnu metódu.

Takmer všetky hmotnostné spektrometre sú vákuové prístroje, pretože ióny sú v prítomnosti cudzích molekúl veľmi nestabilné. Existujú však zariadenia, ktoré možno podmienečne klasifikovať ako hmotnostné spektrometre, ktoré však nevyužívajú vákuum, ale prúd špeciálneho čistého plynu.

Hmotnostné spektrum je závislosť intenzity iónového prúdu (množstva látky) od pomeru hmotnosti k náboju (povahe látky). Pretože hmotnosť akejkoľvek molekuly pozostáva z hmotností jej jednotlivých atómov, hmotnostné spektrum je vždy diskrétne, hoci pri nízkom rozlíšení hmotnostného spektrometra sa môžu vrcholy rôznych hmotností prekrývať alebo dokonca zlúčiť. Povaha analytu, charakteristiky ionizačnej metódy a sekundárne procesy v hmotnostnom spektrometri môžu ovplyvniť hmotnostné spektrum (pozri metastabilné ióny, zrýchľujúci sa gradient napätia na miestach produkcie iónov, nepružný rozptyl). Ióny s rovnakými pomermi hmotnosti a náboja teda môžu skončiť v rôznych častiach spektra a dokonca urobiť jeho časť spojitou.

Väčšina malých molekúl získava pri ionizácii iba jeden kladný alebo záporný náboj. Čím väčšia je molekula, tým je pravdepodobnejšie, že sa počas ionizácie zmení na viacnásobne nabitý ión. Preto je tento účinok obzvlášť silný pre extrémne veľké molekuly, ako sú proteíny, nukleové kyseliny a polyméry. Pri niektorých typoch ionizácie (napríklad náraz elektrónov) sa molekula môže rozpadnúť na niekoľko charakteristických častí, čo poskytuje ďalšie príležitosti na identifikáciu a štúdium štruktúry neznámych látok.

Presné určenie hmotnosti analyzovanej molekuly umožňuje určiť jej elementárne zloženie (pozri: elementárna analýza). Hmotnostná spektrometria tiež poskytuje dôležité informácie o izotopovom zložení analyzovaných molekúl.

História hmotnostnej spektrometrie

• 1912 – JJ Thomson vytvoril prvý hmotnostný spektrograf a získal hmotnostné spektrá molekúl kyslíka, dusíka, oxidu uhoľnatého, oxidu uhličitého a fosgénu.
• 1913 - J. J. Thomson objavil pomocou svojho hmotnostného spektrografu neónové izotopy: neón-20 a neón-22.
• 1918 – Arthur Dempster zostrojil prvý hmotnostný spektrograf.
• 1919 – Francis Aston nezávisle od Dempstera zostrojil svoj prvý hmotnostný spektrograf a začal výskum izotopov. Toto zariadenie malo rozlíšenie približne 130.
• 1923 - Aston zmeral hmotnostný defekt pomocou hmotnostného spektrometra.
• 1932 - Kenneth Bainbridge zostrojil hmotnostný spektrometer s rozlíšením 600 a citlivosťou 1 diel na 10 000
• 1936 – Arthur Dempster, Kenneth Tompkins Bainbridge a Josef Heinrich Elizabeth Mattauch zostrojili hmotnostný spektrograf s dvojitým zaostrovaním. Dempster vyvíja zdroj iskrovej ionizácie.
• 1940 - Alfred Nir pomocou preparatívnej hmotnostnej spektrometrie izoloval urán-235.
• 1940 - Alfred Nir vytvoril prvý spoľahlivý zdroj dopadu elektrónov pomocou ionizačnej komory.
• 1942 Lawrence spúšťa Calutron, priemyselné zariadenie na separáciu izotopov uránu založené na magnetickom sektorovom hmotnostnom spektrometri.
• 1946 – William Stevens navrhol koncepciu hmotnostného spektrometra doby letu.
• 1948 – Cameron a Eggers vytvorili prvý hmotnostný spektrometer s hmotnostným analyzátorom doby letu.
• 1952 – Talroze a Lyubimova prvýkrát pozorovali signál metónia CH5+ v iónovom zdroji s dopadom elektrónov pri zvýšenom tlaku metánu v ionizačnej komore (v roku 1966 Munson a Field použili tento objav na analytické účely a vytvorili zdroj iónov s chemickou ionizáciou).
• 1953 Paul patentuje kvadrupólový hmotnostný analyzátor a iónovú pascu.
• 1956 – McLafferty a Gohlke vytvorili prvý plynový chromatograf-hmotnostný spektrometer.
• 1966 – Munson a Field vytvorili iónový zdroj s chemickou ionizáciou.
• 1972 - Karataev a Mamyrin vynašli hmotnostný analyzátor so zameraním na čas letu, ktorý výrazne zlepšuje rozlíšenie analyzátora.
• 1974 – Arpino, Baldwin a McLafferty vytvorili prvý kvapalinový chromatografický hmotnostný spektrometer
• 1981 – Barber, Bordoli, Sedgwick a Tylor vytvorili ionizátor Fast Atom Bombardment (FAB).
• 1982 - Prvé hmotnostné spektrum celého proteínu (inzulínu) bombardovaním rýchlymi atómami (FAB).
• 1983 Blanky a Bestal vynašli termálny nástrek.
• 1984 - L. N. Gall a potom Fenn publikujú práce o metóde elektrospreja.
• 1987 - Karas, Bachmann, Bahr a Hillenkamp vynašli maticovú laserovú desorpčnú ionizáciu (MALDI).
• 1999 – Alexander Makarov (Angličtina) Rus vynašiel elektrostatickú iónovú pascu Orbitrap.

Princíp činnosti a zariadenie hmotnostného spektrometra

Zdroje iónov

Prvá vec, ktorú musíte urobiť, aby ste získali hmotnostné spektrum, je premeniť neutrálne molekuly a atómy, ktoré tvoria akúkoľvek organickú alebo anorganickú látku, na nabité častice - ióny. Tento proces sa nazýva ionizácia a prebieha inak pre organické a anorganické látky. Druhou nevyhnutnou podmienkou je prechod iónov do plynnej fázy vo vákuovej časti hmotnostného spektrometra. Hlboké vákuum zaisťuje nerušený pohyb iónov vo vnútri hmotnostného spektrometra a v jeho neprítomnosti sa ióny rozptýlia a rekombinujú (späť na nenabité častice).

Metódy ionizácie organických látok možno bežne klasifikovať podľa fáz, v ktorých sa látky nachádzajú pred ionizáciou.

Plynná fáza Elektrónová ionizácia (EI) Chemická ionizácia (CI) Elektrónový záchyt (EC) Ionizácia elektrickým poľom (FI) Kvapalná fáza Tepelný sprej ionizácia za atmosférického tlaku (AP)

• elektrosprej (APESI)
• chemická ionizácia pri atmosférickom tlaku (APCI)
• fotoionizácia pri atmosférickom tlaku (APPI)

Priama laserová desorpcia-hmotnostná spektrometria na pevnej fáze (LDMS) laserová desorpcia/ionizácia s asistenciou matrice (MALDI) hmotnostná spektrometria sekundárnych iónov (SIMS) bombardovanie rýchlymi atómami (FAB) desorpcia elektrického poľa (FD) plazmová desorpcia (PD)

V anorganickej chémii sa na analýzu elementárneho zloženia používajú drsné metódy ionizácie, pretože väzbové energie atómov v pevnej látke sú oveľa vyššie a na prerušenie týchto väzieb a získanie iónov sa musia použiť oveľa drsnejšie metódy.

• ionizácia v indukčne viazanej plazme (ICP)
• tepelná ionizácia alebo povrchová ionizácia
• ionizácia žeravým výbojom a iskrová ionizácia (pozri iskrový výboj)
• ionizácia počas laserovej ablácie

Historicky prvé metódy ionizácie boli vyvinuté pre plynnú fázu. Bohužiaľ, mnohé organické látky sa nedajú odpariť, teda preniesť do plynnej fázy, bez rozkladu. To znamená, že nemôžu byť ionizované nárazom elektrónov. Ale medzi týmito látkami je takmer všetko, čo tvorí živé tkanivo (proteíny, DNA atď.), fyziologicky aktívne látky, polyméry, teda všetko, čo je dnes mimoriadne zaujímavé. Hmotnostná spektrometria nezostala stáť a v posledných rokoch boli vyvinuté špeciálne metódy na ionizáciu takýchto organických zlúčenín. Dnes sa používajú najmä dva z nich - ionizácia za atmosférického tlaku a jej poddruhy - elektrosprej (ESI), chemická ionizácia pri atmosférickom tlaku (APCI) a fotoionizácia pri atmosférickom tlaku (APPI), ako aj laserová desorpčná ionizácia za pomoci matrice (MALDI). ) .

Hmotnostné analyzátory

Ióny získané počas ionizácie sú pomocou elektrického poľa prenesené do hmotnostného analyzátora. Začína sa druhá etapa hmotnostnej spektrometrickej analýzy - triedenie iónov podľa hmotnosti (presnejšie podľa pomeru hmotnosti k náboju alebo m/z). Existujú nasledujúce typy hmotnostných analyzátorov:

Kontinuálne hmotnostné analyzátory

• Magnetický a elektrostatický sektorový hmotnostný analyzátor (eng. sektorový prístroj)
• Štvorpólový hmotnostný analyzátor

pulzné hmotnostné analyzátory

• Hmotnostný analyzátor doby letu
• Iónová pasca
• Štvorpólová pasca iónov
• Iónový cyklotrónový rezonančný hmotnostný analyzátor s Fourierovou transformáciou
• Orbitrap

Rozdiel medzi kontinuálnym a pulzným hmotnostným analyzátorom spočíva v tom, že do prvého vstupujú ióny v kontinuálnom prúde a do druhého po častiach v určitých časových intervaloch.

Hmotnostný spektrometer môže mať dva hmotnostné analyzátory. Takýto hmotnostný spektrometer sa nazýva tandemový hmotnostný spektrometer. Tandemové hmotnostné spektrometre sa spravidla používajú spolu s metódami „mäkkej“ ionizácie, pri ktorých nedochádza k fragmentácii iónov analyzovaných molekúl (molekulových iónov). Prvý hmotnostný analyzátor teda analyzuje molekulárne ióny. Po opustení prvého hmotnostného analyzátora sa molekulárne ióny fragmentujú pôsobením zrážok s molekulami inertného plynu alebo laserového žiarenia, po čom sa ich fragmenty analyzujú v druhom hmotnostnom analyzátore. Najbežnejšie konfigurácie tandemových hmotnostných spektrometrov sú quadrupól-kvadrupól a quadrupól-time-of-flight.

Detektory

Posledným prvkom zjednodušeného hmotnostného spektrometra, ktorý popisujeme, je detektor nabitých častíc. Prvé hmotnostné spektrometre používali ako detektor fotografickú platňu. Teraz sa používajú dynódové násobiče sekundárnych elektrónov, v ktorých ión, ktorý zasiahne prvú dynódu, z nej vyrazí zväzok elektrónov, ktorý následne zasiahne ďalšiu dynódu, vyrazí z nej ešte viac elektrónov atď. fotonásobiče, registrujúce žiaru, ktorá vzniká pri bombardovaní fosforovými iónmi. Okrem toho sa používajú mikrokanálové multiplikátory, systémy ako diódové polia a kolektory, ktoré zbierajú všetky ióny, ktoré spadli do daného bodu v priestore (Faradayove kolektory).

Chromato-hmotnostná spektrometria

Hmotnostné spektrometre sa používajú na analýzu organických a anorganických zlúčenín.

Organické látky sú vo väčšine prípadov viaczložkové zmesi jednotlivých zložiek. Napríklad sa ukazuje, že vôňa vyprážaného kurčaťa obsahuje 400 zložiek (tj 400 jednotlivých organických zlúčenín). Úlohou analytikov je určiť, z koľkých zložiek sa skladá organická hmota, zistiť, čo sú tieto zložky zač (identifikovať ich) a zistiť, koľko jednotlivých zlúčenín obsahuje zmes. Na to je ideálna kombinácia chromatografie s hmotnostnou spektrometriou. Plynovú chromatografiu je najvhodnejšie kombinovať s iónovým zdrojom hmotnostného spektrometra s ionizáciou nárazom elektrónov alebo chemickou ionizáciou, pretože zlúčeniny sú už v kolóne chromatografu v plynnej fáze. Zariadenia, v ktorých je hmotnostný spektrometrický detektor kombinovaný s plynovým chromatografom, sa nazývajú chromato-hmotnostné spektrometre („Chromass“).

Mnohé organické zlúčeniny nemožno rozdeliť na zložky pomocou plynovej chromatografie, ale možno ich rozdeliť pomocou kvapalinovej chromatografie. Dnes sa na spojenie kvapalinovej chromatografie s hmotnostnou spektrometriou používajú zdroje elektrosprejovej ionizácie (ESI) a chemickej ionizácie za atmosférického tlaku (APCI) a kombinácia kvapalinovej chromatografie s hmotnostnými spektrometrami sa nazýva LC / MS (anglicky LC / MS). Najvýkonnejšie systémy pre organickú analýzu požadované modernou proteomikou sú postavené na báze supravodivého magnetu a fungujú na princípe iónovej cyklotrónovej rezonancie. Nazývajú sa aj FT/MS, pretože využívajú Fourierovu transformáciu signálu.

Charakteristika hmotnostných spektrometrov a hmotnostných spektrometrických detektorov

Najdôležitejšie technické vlastnosti hmotnostných spektrometrov sú citlivosť, dynamický rozsah, rozlíšenie, rýchlosť skenovania.

Najdôležitejšou charakteristikou pri analýze organických zlúčenín je citlivosť. Pre dosiahnutie čo najvyššej citlivosti pri súčasnom zlepšení pomeru signálu k šumu sa pristupuje k detekcii pre jednotlivé vybrané ióny. V tomto prípade je zisk v citlivosti a selektivite kolosálny, ale pri použití zariadení s nízkym rozlíšením je potrebné obetovať ďalší dôležitý parameter - spoľahlivosť. Ak ste totiž zaznamenali iba jeden vrchol z celého charakteristického hmotnostného spektra, budete potrebovať veľa práce, aby ste dokázali, že tento vrchol zodpovedá presne tej zložke, o ktorú máte záujem. Ako tento problém vyriešiť? Používajte vysoké rozlíšenie na prístrojoch s dvojitým zaostrovaním, kde je možné dosiahnuť vysokú úroveň vernosti bez obetovania citlivosti. Alebo použite tandemovú hmotnostnú spektrometriu, kde každý pík zodpovedajúci rodičovskému iónu môže byť potvrdený hmotnostným spektrom dcérskych iónov. Absolútnym šampiónom v citlivosti je teda organická chromatografia-hmotnostný spektrometer s vysokým rozlíšením a dvojitým zaostrovaním.

Podľa charakteristík kombinácie citlivosti so spoľahlivosťou stanovenia komponentov sledujú iónové pasce zariadenia s vysokým rozlíšením. Klasické kvadrupólové prístroje novej generácie majú zlepšený výkon vďaka množstvu inovácií, ako je napríklad použitie zakriveného kvadrupólového predfiltra, ktorý bráni neutrálnym časticiam dostať sa k detektoru a tým znižuje šum.

Aplikácie hmotnostnej spektrometrie

Vývoj nových liekov na záchranu ľudí pred predtým nevyliečiteľnými chorobami a kontrola výroby liekov, genetické inžinierstvo a biochémia, proteomika. Bez hmotnostnej spektrometrie, kontroly nelegálnej distribúcie omamných a psychotropných látok, forenznej a klinickej analýzy toxických drog a analýzy výbušnín je nemysliteľná.

Zistenie zdroja pôvodu je veľmi dôležité pre riešenie množstva problémov: napríklad určenie pôvodu výbušnín pomáha nájsť teroristov, drogy – bojovať proti ich distribúcii a blokovať ich dopravné cesty. Ekonomická bezpečnosť krajiny je spoľahlivejšia, ak colné služby dokážu v pochybných prípadoch analýzou nielen potvrdiť krajinu pôvodu tovaru, ale aj jeho zhodu s deklarovaným typom a kvalitou. A analýza ropy a ropných produktov je potrebná nielen na optimalizáciu procesov rafinácie ropy alebo geológov pri hľadaní nových ropných polí, ale aj na identifikáciu osôb zodpovedných za úniky ropy v oceáne alebo na súši.

V ére „chemizácie poľnohospodárstva“ sa problematika prítomnosti stopových množstiev aplikovaných chemikálií (napríklad pesticídov) v potravinách stala veľmi dôležitou. V stopových množstvách môžu tieto látky spôsobiť nenapraviteľné poškodenie ľudského zdravia.

Množstvo technogénnych (t. j. v prírode neexistujúcich, ale vyplývajúcich z priemyselnej ľudskej činnosti) látok sú supertoxické (s toxickými, karcinogénnymi alebo škodlivými účinkami na ľudské zdravie v extrémne nízkych koncentráciách). Príkladom je známy dioxín.

Existencia jadrovej energie je nemysliteľná bez hmotnostnej spektrometrie. S jeho pomocou sa určuje stupeň obohatenia štiepnych materiálov a ich čistota.

Samozrejme, medicína sa nezaobíde bez hmotnostnej spektrometrie. Izotopová hmotnostná spektrometria atómov uhlíka sa používa na priamu lekársku diagnostiku infekcie človeka Helicobacter pylori a je najspoľahlivejšou zo všetkých diagnostických metód. Na stanovenie prítomnosti dopingu v krvi športovcov sa používa aj hmotnostná spektrometria.

Je ťažké si predstaviť oblasť ľudskej činnosti, kde by nebolo miesto pre hmotnostnú spektrometriu. Obmedzujeme sa len na zoznam: analytická chémia, biochémia, klinická chémia, všeobecná chémia a organická chémia, farmaceutika, kozmetika, parfuméria, potravinársky priemysel, chemická syntéza, petrochémia a rafinácia ropy, kontrola životného prostredia, výroba polymérov a plastov, medicína a toxikológia, forenzná, dopingová kontrola, kontrola drog, kontrola alkoholických nápojov, geochémia, geológia, hydrológia, petrografia, mineralógia, geochronológia, archeológia, jadrový priemysel a energetika, polovodičový priemysel, hutníctvo.

• Úvod
• Stručná história hmotnostnej spektrometrie
• Ionizácia
• Hmotnostné analyzátory
• Detektor
• Prirodzená a umelá izotopia
• Hmotnostné spektrometre pre izotopovú analýzu
• Rýchlosť skenovania
• Povolenie
• Dynamický rozsah
• Citlivosť
• Čo sú hmotnostné spektrometre

Hmotnostné spektrometre sa teda používajú na analýzu organických zlúčenín a anorganických zlúčenín.

Organické látky sú vo väčšine prípadov viaczložkové zmesi jednotlivých zložiek. Napríklad sa ukazuje, že vôňa vyprážaného kurčaťa obsahuje 400 zložiek (tj 400 jednotlivých organických zlúčenín). Úlohou analytikov je určiť, z koľkých zložiek sa skladá organická hmota, zistiť, čo sú tieto zložky zač (identifikovať ich) a zistiť, koľko jednotlivých zlúčenín obsahuje zmes. Na to je ideálna kombinácia chromatografie s hmotnostnou spektrometriou. Plynovú chromatografiu je najvhodnejšie kombinovať s iónovým zdrojom hmotnostného spektrometra s ionizáciou nárazom elektrónov alebo chemickou ionizáciou, pretože zlúčeniny sú už v kolóne chromatografu v plynnej fáze. Prístroje, v ktorých je hmotnostný spektrometrický detektor kombinovaný s plynovým chromatografom, sa nazývajú plynová chromatografia-hmotnostné spektrometre.

Mnohé organické zlúčeniny nemožno rozdeliť na zložky pomocou plynovej chromatografie, ale možno ich rozdeliť pomocou kvapalinovej chromatografie. Na spojenie kvapalinovej chromatografie s hmotnostnou spektrometriou sa dnes používajú zdroje elektrosprejovej ionizácie (ESI) a chemickej ionizácie pri atmosférickom tlaku (APCI) a spojenie kvapalinovej chromatografie s hmotnostnými spektrometrami sa v angličtine nazýva LC/MS alebo LC/MS. Najvýkonnejšie systémy pre organickú analýzu požadované modernou proteomikou sú postavené na báze supravodivého magnetu a fungujú na princípe iónovo-cyklotrónovej rezonancie. Nazývajú sa aj FT/MS, pretože využívajú Fourierovu transformáciu signálu.

Novou triedou hmotnostných spektrometrov sú hybridné prístroje. Nazývajú sa hybridné, pretože v skutočnosti obsahujú dva hmotnostné spektrometre, z ktorých aspoň jeden môže fungovať ako nezávislý prístroj. Príkladom takýchto zariadení je FINNIGAN LTQ FT iónový cyklotrónový rezonančný hmotnostný spektrometer, v ktorom môže lineárny kvadrupólový iónový pasca FINNIGAN LTQ fungovať ako samostatné zariadenie, ktoré deteguje ióny po MS alebo MSn pomocou dvoch sekundárnych elektrónových multiplikátorov, a tiež dokáže pripraviť a posielať ióny do cyklotrónovej bunky a vytláčať ich v smere rovnobežnom s osou kvadrupólu. Hybridný je aj LTQ QRBITRAP, ktorý funguje úplne rovnako. Výhody takýchto schém sú zrejmé, lineárna pasca má najvyššiu citlivosť, pracuje v režime tandemovej hmotnostnej spektrometrie od n do 10, vykonáva rôzne funkcie inteligentného skenovania a hmotnostný spektrometer iónovej cyklotrónovej rezonancie a orbitálna iónová pasca majú vysoké rozlíšenie. a môže s najvyššou presnosťou merať pomer hmotnosti k náboju iónov. Hmotnostné spektrometre s indukčne viazanou plazmou sú najatraktívnejšie pre analýzu elementárneho zloženia. Pomocou tohto prístroja sa určí, z ktorých atómov sa látka skladá. Rovnaká metóda analýzy môže ukázať aj izotopové zloženie. Najlepšie je však merať izotopové zloženie pomocou špecializovaných izotopových prístrojov, ktoré registrujú ióny nie na jednom detektore v rôznych časoch ich príchodu, ale každý ión na vlastnom osobnom kolektore a súčasne (tzv. paralelná detekcia).

Avšak predtým, ako prejdeme k prístrojom na meranie izotopového zloženia, krátko sa zastavíme pri tom, čo sú izotopy.

Prirodzená a umelá izotopia Atómy pozostávajú z jadra a elektrónových obalov. Vlastnosti atómov sú určené tým, koľko protónov (kladne nabitých elementárnych častíc) jadro obsahuje. Jadro obsahuje okrem protónov aj neutróny. Príroda rozhodla, že pri rovnakom počte protónov môže jadro obsahovať rôzny počet neutrónov. Atómy s rovnakým počtom protónov v jadre, ale rôznym počtom neutrónov sa líšia hmotnosťou o jednu alebo viac jednotiek atómovej hmotnosti (am.m.u.) a nazývajú sa izotopy. Väčšina prvkov má určitý súbor stabilných izotopov. Rádioaktívne izotopy nie sú stabilné a rozpadajú sa za vzniku stabilných izotopov. Prirodzené množstvo izotopov pre každý prvok je známe. Niektoré prvky v prírode sú monoizotopové, to znamená, že 100 % prirodzeného množstva pripadá na jeden izotop (napríklad Al, Sc, Y, Rh, Nb atď.), zatiaľ čo iné majú veľa stabilných izotopov (S, Ca, Ge Ru, Pd, Cd, Sn, Xe, Nd, Sa atď.). V technologických činnostiach sa ľudia naučili meniť izotopové zloženie prvkov s cieľom získať akékoľvek špecifické vlastnosti materiálov (napríklad U235 má schopnosť spontánnej reťazovej reakcie a môže byť použitý ako palivo pre jadrové elektrárne alebo atómovú bombu) alebo použiť izotopové značky (napríklad v medicíne).

Keďže hmotnosti izotopov sa líšia a hmotnostná spektrometria meria hmotnosť, prirodzene sa táto metóda stáva najvhodnejšou na určenie izotopového zloženia. Informácie o izotopovom zložení zároveň pomáhajú pri identifikácii organických zlúčenín a poskytujú odpovede na mnohé otázky, od určovania veku hornín pre geológiu, až po určenie falšovania mnohých produktov a určenie pôvodu tovaru a surovín.

Hmotnostné spektrometre pre izotopovú analýzu. Hmotnostné spektrometre na určenie izotopového zloženia musia byť veľmi presné. Ionizácia nárazom elektrónov sa používa na analýzu izotopového zloženia ľahkých prvkov (uhlík, vodík, kyslík, síra, dusík atď.). V tomto prípade sú vhodné všetky metódy vstrekovania plynnej fázy, ako v organických hmotnostných spektrometroch (DELTA Plus ADVANTAGE, FINNIGAN DELTA Plus XL a FINNIGAN MAT253).
Na analýzu izotopov ťažších prvkov sa používa tepelná ionizácia (FINNIGAN TRITON TI) alebo indukčne viazaná plazmová ionizácia s paralelnou detekciou (FINNIGAN NEPTUNE a jednokolektorová detekcia FINNIGAN ELEMENT2).
Prakticky všetky typy izotopových hmotnostných spektrometrov využívajú magnetické hmotnostné analyzátory.

Charakteristika hmotnostných spektrometrov a hmotnostných spektrometrických detektorov

Najdôležitejšie technické vlastnosti hmotnostných spektrometrov sú citlivosť, dynamický rozsah, rozlíšenie, rýchlosť.

Rýchlosť skenovania. Hmotnostný analyzátor, ako sme ukázali vyššie, prechádza v určitom čase ióny s určitým pomerom hmotnosti a náboja (okrem multikolektorových zariadení a iónovo-cyklotrónovej rezonancie, orbitálnej iónovej pasce). Aby bolo možné analyzovať všetky ióny vo vzťahu k ich hmotnosti na nabíjanie, musí skenovať, to znamená, že parametre jeho poľa musia prejsť všetkými hodnotami potrebnými na prechod všetkých záujmových iónov do detektora v danom období. času. Táto rýchlosť rozvinutia poľa sa nazýva rýchlosť skenovania a mala by byť čo najrýchlejšia (resp. doba skenovania by mala byť čo najkratšia), keďže hmotnostný spektrometer musí byť schopný zmerať signál v krátkom čase, napr. čas chromatografického píku, ktorý môže byť niekoľko sekúnd. Zároveň platí, že čím viac hmotnostných spektier sa meria počas uvoľňovania chromatografického píku, tým presnejšie bude chromatografický pík opísaný, tým je menej pravdepodobné, že prekĺzne za svoju maximálnu hodnotu, a pomocou matematického spracovania sa určí, či je individuálny a „dokončite“ ho pomocou hmotnostnej spektrometrie.
Najpomalší hmotnostný analyzátor je magnet, minimálny čas snímania bez veľkej straty citlivosti je zlomok sekundy (MAT 95XP). Štvorpólový hmotnostný analyzátor dokáže preniesť spektrum za desatiny sekundy (TSQ QUANTUM) a iónovú pascu ešte rýchlejšie (POLARISQ, FINNIGAN LCQ ADVANTAGE MAX, FINNIGAN LCQ DECA XP MAX), lineárnu iónovú pascu ešte rýchlejšie (LTQ) a trochu pomalšia hmota FINNIGAN LTQ FT iónovo-cyklotrónový rezonančný spektrometer.
Inovatívny štvorpólový chromato-hmotnostný spektrometer FINNIGAN TRACE DSQ a jeho ekonomický náprotivok FINNIGAN FOCUS DSQ sú schopné skenovať pri asi 11 000 amu. za sekundu. Otvárajú sa tak nové možnosti, napríklad je možné takmer súčasne získať kompletné hmotnostné spektrum zlúčeniny na jej jednoznačnú identifikáciu a vykonávať selektívny iónový monitoring (SIM), ktorý znižuje detekčný limit o niekoľko rádov.
Akékoľvek skenovanie všetkých vyššie uvedených hmotnostných analyzátorov je kompromisom - čím vyššia je rýchlosť skenovania, tým menej času stráveného zaznamenávaním signálu pre každé hmotnostné číslo, tým horšia je citlivosť. Na rutinnú analýzu rýchlosti však postačuje štvorpólový analyzátor alebo iónová pasca. Ďalším problémom je vysokovýkonná analýza zložitých matíc. V tomto prípade by bolo dobré použiť ultrarýchlu chromatografiu (na tenkých, krátkych, rýchlo zahrievaných kolónach). Pre takúto úlohu je najvhodnejší hmotnostný spektrometer TEMPUS (time-of-flight mass spectrometer). Je schopný zaznamenávať hmotnostné spektrá rýchlosťou 40 000 za sekundu!

Povolenie. Vizuálne možno rozlíšenie (rozlíšenie) definovať ako schopnosť analyzátora oddeliť ióny od susedných hmôt. Je veľmi dôležité, aby ste mohli presne určiť hmotnosť iónov, čo vám umožňuje vypočítať atómové zloženie iónu alebo identifikovať peptid porovnaním s databázou, čím sa zníži počet kandidátov z tisícok a stoviek na jednotky alebo jeden. jeden. Pre magnetické hmotnostné analyzátory, pre ktoré vzdialenosť medzi vrcholmi hmotnostného spektra nezávisí od hmotností iónov, je rozlíšenie hodnota rovnajúca sa M/DM. Táto hodnota je zvyčajne určená 10 % výšky píku. Napríklad rozlíšenie 1000 znamená, že vrcholy s hmotnosťou 100,0 a.m.u. a 100.1 hod. sú od seba oddelené, to znamená, že sa neprekrývajú do 10 % výšky.
V prípade analyzátorov, v ktorých sa vzdialenosť medzi vrcholmi mení v rozsahu prevádzkovej hmotnosti (čím väčšia hmotnosť, tým menšia vzdialenosť), ako sú kvadrupólové analyzátory, iónové pasce, analyzátory doby letu, presne povedané, rozlíšenie má iný význam. . Rozlíšenie, v tomto prípade definované ako M/DM, charakterizuje špecifickú hmotnosť. Má zmysel charakterizovať tieto hmotnostné analyzátory šírkou píkov, čo je hodnota, ktorá zostáva konštantná v celom hmotnostnom rozsahu. Táto šírka píku sa zvyčajne meria na 50 % ich výšky. Pre takéto zariadenia je šírka píku v polovici maxima rovná 1 dobrým indikátorom a znamená, že takýto hmotnostný analyzátor je schopný rozlíšiť nominálne hmotnosti, ktoré sa líšia na jednotku atómovej hmotnosti takmer v celom svojom prevádzkovom rozsahu. Nominálna hmotnosť alebo hmotnostné číslo je najbližšie celé číslo k presnej hmotnosti iónu v stupnici atómových hmotnostných jednotiek. Napríklad hmotnosť vodíkového iónu H+ je 1,00787 amu a jeho hmotnostné číslo je 1. Takéto hmotnostné analyzátory, ktoré merajú hlavne nominálne hmotnosti, sa nazývajú analyzátory s nízkym rozlíšením. Napísali sme „väčšinou“, pretože dnes existujú masové analyzátory, ktoré formálne patria k tým s nízkym rozlíšením, ale v skutočnosti už také nie sú. Špičková technológia, predovšetkým od najpokrokovejšieho vývojára Thermo Electron, už ponúkla na trh analytické zariadenia kvadrupólové nástroje s vysokým rozlíšením. Napríklad najnovší FINNIGAN TSQQuantum ľahko pracuje so šírkou píku hmotnostného spektra na polovičnom maxime 0,1 amu. Znalí ľudia môžu namietať: "Ale túto šírku vrcholu možno získať na každom kvadrupólovom hmotnostnom spektrometri!" A budú mať pravdu, skutočne, každý štvorpól sa dá naladiť na túto úroveň rozlíšenia. Čo sa však stane so signálom? Pri pohybe z maximálnej šírky v polovici maximálne 1 hodiny ráno. do 0,1 amu sila signálu na všetkých kvadrupóloch klesne takmer o dva rády. Nie však na TSQ Quantum, na ňom sa zníži len dvaapolkrát. Iónové pasce v úzkom hmotnostnom rozsahu môžu fungovať ako hmotnostné spektrometre s vysokým rozlíšením, ktoré poskytujú aspoň oddelenie píkov oddelených 1/4 a.m.u. jeden od druhého. Hmotnostné spektrometre s dvojitým zaostrovaním (magnetické a elektrostatické), iónovo-cyklotrónová rezonancia - prístroje so stredným alebo vysokým rozlíšením. Typické rozlíšenie pre magnetický prístroj je >60 000 a prevádzka na úrovni rozlíšenia 10 000 - 20 000 je rutinná. Na iónovo-cyklotrónovom rezonančnom hmotnostnom spektrometri pri hmotnosti asi 500 a.m.u. ľahko sa dá dosiahnuť rozlíšenie 500 000, čo umožňuje merať hmotnosť iónov s presnosťou 4-5 desatinných miest. Rozlíšenie niekoľko tisíc je možné dosiahnuť aj pomocou analyzátorov hmotnosti doby letu, avšak pri vysokých hmotnostiach, v oblasti ktorých má toto zariadenie v skutočnosti výhodu oproti ostatným a toto rozlíšenie stačí len na meranie hmotnosť iónov s presnosťou +/- desiatky amu Ako je z vyššie uvedeného zrejmé, rozlíšenie úzko súvisí s ďalšou dôležitou charakteristikou - presnosťou merania hmotnosti. Význam tejto charakteristiky možno ilustrovať na jednoduchom príklade. Hmotnosti molekulárnych iónov dusíka (N2+) a oxidu uhoľnatého (CO+) sú 28,00615 amu. a 27,99491 amu (obe sú charakterizované rovnakým hmotnostným číslom 28). Tieto ióny zaznamená hmotnostný spektrometer samostatne s rozlíšením 2500 a presná hodnota hmotnosti dá odpoveď - ktorý z plynov je zaznamenaný. Presné meranie hmotnosti je dostupné na prístrojoch s dvojitým ohniskom, na tandemovom kvadrupólovom hmotnostnom spektrometri TSQ Quantum a na iónových cyklotrónových rezonančných hmotnostných spektrometroch.

dynamický rozsah. Ak analyzujeme zmes obsahujúcu 99,99 % jednej zlúčeniny alebo prvku a 0,01 % nejakej nečistoty, musíme si byť istí, že správne určujeme obe. Aby ste si boli istí definíciou komponentov v tomto príklade, musíte mať rozsah linearity 4 rády. Moderné hmotnostné spektrometre pre organickú analýzu sa vyznačujú dynamickým rozsahom 5-6 rádov a hmotnostné spektrometre pre elementárnu analýzu 9-12 rádov. Dynamický rozsah 10 rádov znamená, že nečistota vo vzorke bude viditeľná, aj keď je jej 10 miligramov na 10 ton.

Citlivosť. Toto je jedna z najdôležitejších charakteristík hmotnostných spektrometrov. Citlivosť je hodnota, ktorá udáva, koľko látky sa musí zaviesť do hmotnostného spektrometra, aby sa dala detegovať. Pre jednoduchosť budeme brať do úvahy parameter súvisiaci s citlivosťou – minimálne detekovateľné množstvo látky alebo prah detekcie. Typický prah detekcie pre dobrý plynový chromatograf-hmotnostný spektrometer používaný na analýzu organických zlúčenín je 1 pikogram, keď sa vstrekne 1 mikroliter kvapaliny. Poďme si predstaviť, čo to je. Ak nazbierame 1 mikroliter tekutiny (jedna milióntina litra) špeciálnou injekčnou striekačkou a vypustíme ho na hárok čistého bieleho papiera, potom keď ho prezrieme cez lupu, uvidíme škvrnu s veľkosťou stopy pichnutie tenkou ihlou. Teraz si predstavte, že sme 1 gram látky (napríklad jednu tabletu aspirínu) hodili do 1000 ton vody (napríklad bazén dlhý 50 metrov, široký 10 metrov a hlboký 2 metre). Vodu v bazéne dôkladne premiešajte, injekčnou striekačkou odoberte 1 mikroliter tejto vody a vstreknite do plynovej chromatografie-hmotnostného spektrometra. Výsledkom analýzy je hmotnostné spektrum, ktoré môžeme porovnať so spektrom knižnice a pomocou metódy odtlačkov prstov sa uistiť, že ide skutočne o kyselinu acetylsalicylovú, inak nazývanú aspirín.

Detekčné limity pre anorganické látky, napríklad pomocou ICP/MS (FINNIGAN ELEMENT2), sú ešte pôsobivejšie. Tu bude zásoba už príliš malá na prípravu roztoku s koncentráciou zodpovedajúcou detekčnému limitu. Limit detekcie pre FINNIGAN ELEMENT2 pre množstvo kovov je 1 ppq (jedna časť na kvadrilión). To znamená, že citlivosť prístroja je dostatočná na detekciu 1 kilogramu kovu (napríklad ortuti, olova a pod.) rozpusteného v Bajkalskom jazere (pod podmienkou jeho premiešania a úplného rozpustenia)!

Pri izotopovej hmotnostnej spektrometrii stačí na získanie uhlíkového signálu napríklad 800 - 1000 molekúl oxidu uhličitého (CO2, oxid uhličitý). Aby sme demonštrovali presnosť a izotopovú citlivosť, ktorou sa zaoberá izotopová hmotnostná spektrometria, uchýlime sa k nasledujúcej alegórii. Predpokladajme, že na tisíc presne rovnakých jabĺk, z ktorých každé váži 100 gramov, je 11 jabĺk, ktoré vážia o 8 % viac, teda 108 gramov. Všetky tieto jablká sa zhromažďujú v jednom vrecku. Tento príklad zodpovedá pomeru izotopov uhlíka v prírode – na 1000 atómov 12C pripadá 11 atómov 13C. Izotopová hmotnostná spektrometria meria pomery, to znamená, že je schopná rozlíšiť nielen týchto 11 jabĺk, ale medzi mnohými vreckami nájsť tie, v ktorých z 1000 stogramových jabĺk nie je 11stoosem gramov, ale 10 alebo 12. Tento príklad je veľmi jednoduchý pre izotopovú hmotnostnú spektrometriu , v skutočnosti sú prístroje ako FINNIGAN DELTAPlus ADVANTAGE, DELTA Plus XP a FINNIGAN MAT253 schopné určiť rozdiel v jednom izotope (stoosemgramové jablko) medzi desiatimi miliónmi atómov (desiatimi milión jabĺk).

Najdôležitejšou charakteristikou pri analýze organických zlúčenín je citlivosť. Pre dosiahnutie čo najvyššej citlivosti pri súčasnom zlepšení pomeru signálu k šumu sa pristupuje k detekcii pre jednotlivé vybrané ióny. V tomto prípade je zisk v citlivosti a selektivite kolosálny, ale pri použití zariadení s nízkym rozlíšením je potrebné obetovať ďalší dôležitý parameter - spoľahlivosť. Ak ste totiž zaznamenali iba jeden vrchol z celého charakteristického hmotnostného spektra, budete potrebovať veľa práce, aby ste dokázali, že tento vrchol zodpovedá presne tej zložke, o ktorú máte záujem. Ako tento problém vyriešiť? Používajte vysoké rozlíšenie na prístrojoch s dvojitým zaostrovaním, kde je možné dosiahnuť vysokú úroveň vernosti bez obetovania citlivosti. Alebo použite tandemovú hmotnostnú spektrometriu, kde každý pík zodpovedajúci jednotlivému iónu môže byť potvrdený hmotnostným spektrom dcérskych iónov. Absolútnym šampiónom v citlivosti je teda organická chromatografia-hmotnostný spektrometer s vysokým rozlíšením a dvojitým zaostrovaním. Takže napríklad pasová charakteristika DFS uvádza, že 2,3,7,8-tetrachlór-p-dibenzodioxín, zavedený cez chromatografickú kolónu v množstve 10 femtogramov, poskytne vrchol charakterizovaný pomerom signál-šum pomer = 80:1. Nie je možné dosiahnuť výsledok na inom prístroji!
Podľa charakteristík kombinácie citlivosti so spoľahlivosťou stanovenia komponentov sledujú iónové pasce zariadenia s vysokým rozlíšením. Klasické kvadrupólové prístroje novej generácie (TRACE DSQ II) majú zlepšený výkon vďaka niekoľkým inováciám, ako je napríklad použitie zakriveného kvadrupólového predfiltra, ktorý zabraňuje neutrálnym časticiam dostať sa k detektoru a tým znižuje šum.

Prečo je potrebná hmotnostná spektrometria

Hlboké fyzikálne zákony, pokrokový vedecký a technický vývoj, high-tech vákuové systémy, vysoké elektrické napätie, najlepšie materiály, najvyššia kvalita ich spracovania, najnovšia vysokorýchlostná digitálna a analógová elektronika a výpočtová technika, sofistikovaný softvér – to je to, čo je vyrobený moderný hmotnostný spektrometer. A načo to všetko je? Aby sme odpovedali na jednu z najdôležitejších otázok vesmíru – z čoho sa skladá hmota. Ale to nie je otázka vysokej vedy, ale každodenného ľudského života.

Napríklad vývoj nových liekov na záchranu ľudí pred predtým nevyliečiteľnými chorobami a kontrola výroby liekov, genetické inžinierstvo a biochémia, proteomika. Hmotnostná spektrometria dala výskumníkom nástroj na identifikáciu proteínov, určenie, aké zmeny nastali v ich štruktúre v dôsledku rôznych interakcií, počas ich reprodukcie, určenie metabolických dráh rôznych liečiv a iných zlúčenín a identifikáciu metabolitov, vývoj nových cielených liečiv. Hmotnostná spektrometria je jedinou metódou, ktorá rieši všetky tieto a mnohé ďalšie problémy analytickej biochémie.
Bez hmotnostnej spektrometrie, kontroly nelegálnej distribúcie omamných a psychotropných látok, forenznej a klinickej analýzy toxických drog a analýzy výbušnín je nemysliteľná.

Zistenie zdroja pôvodu je veľmi dôležité pre riešenie množstva problémov: napríklad určenie pôvodu výbušnín pomáha nájsť teroristov, drogy – bojovať proti ich distribúcii a blokovať ich dopravné cesty. Ekonomická bezpečnosť krajiny je spoľahlivejšia, ak colné služby dokážu v pochybných prípadoch rozbormi nielen potvrdiť krajinu pôvodu tovaru, ale aj jeho súlad s deklarovaným druhom a kvalitou. A analýza ropy a ropných produktov je potrebná nielen na optimalizáciu procesov rafinácie ropy alebo geológov pri hľadaní nových ropných polí, ale aj na identifikáciu osôb zodpovedných za úniky ropy v oceáne alebo na súši.

V ére „chemizácie poľnohospodárstva“ sa problematika prítomnosti stopových množstiev aplikovaných chemikálií (napríklad pesticídov) v potravinách stala veľmi dôležitou. V stopových množstvách môžu tieto látky spôsobiť nenapraviteľné poškodenie ľudského zdravia.

Množstvo technogénnych (t. j. v prírode neexistujúcich, ale vyplývajúcich z priemyselnej ľudskej činnosti) látok sú supertoxické (s toxickými, karcinogénnymi alebo škodlivými účinkami na ľudské zdravie v extrémne nízkych koncentráciách). Príkladom je známy dioxín.

Existencia jadrovej energie je nemysliteľná bez hmotnostnej spektrometrie. S jeho pomocou sa určuje stupeň obohatenia štiepnych materiálov a ich čistota.

Samozrejme, medicína sa nezaobíde bez hmotnostnej spektrometrie. Izotopová hmotnostná spektrometria atómov uhlíka sa používa na priamu lekársku diagnostiku infekcie človeka Helicobacter pylori a je najspoľahlivejšou zo všetkých diagnostických metód.
Systémy HPLC/MS sú hlavným analytickým nástrojom pri vývoji nových liekov. Bez tejto metódy sa nezaobíde kontrola kvality vyrábaných liekov a odhaľovanie takého bežného javu, akým je ich falšovanie.
Proteomika dala medicíne možnosť ultra včasnej diagnostiky najstrašnejších chorôb ľudstva – rakovinových nádorov a srdcových dysfunkcií. Stanovenie špecifických proteínov, nazývaných biomarkery, umožňuje včasnú diagnostiku v onkológii a kardiológii.

Je ťažké si predstaviť oblasť ľudskej činnosti, kde by nebolo miesto pre hmotnostnú spektrometriu. Obmedzujeme sa len na zoznam: biochémia, klinická chémia, všeobecná chémia a organická chémia, farmaceutika, kozmetika, parfuméria, potravinársky priemysel, chemická syntéza, petrochémia a rafinácia ropy, kontrola životného prostredia, výroba polymérov a plastov, medicína a toxikológia, súdna veda, dopingová kontrola, kontrola drog, kontrola alkoholických nápojov, geochémia, geológia, hydrológia, petrografia, mineralógia, geochronológia, archeológia, jadrový priemysel a energetika, polovodičový priemysel, hutníctvo.

Hmotnostný spektrometer je zariadenie na určovanie hmotností atómov (molekúl) podľa charakteru pohybu ich iónov v galvanickom a magnetickom pozadí.

Navigácia:

Neutrálna častica nie je vystavená galvanickým a magnetickým poliam. Napriek tomu, ak sa mu odoberie jeden alebo viac elektrónov alebo sa k nemu pridá jeden alebo viac elektrónov, v tomto prípade sa premení na ión, ktorého typ pohybu v týchto poliach je dostatočne vopred daný jeho hmotnosťou a nábojom. Rozhodne povedané, v hmotnostných spektrometroch sa neurčuje hmotnosť, ale usporiadanie hmoty na nabíjanie. Ak je zásoba známa, potom je nepochybne určený hmotnostný význam iónu a následne hmotnosť intermediárneho atómu a jeho jadra. Štruktúrne sa hmotnostné spektrometre môžu navzájom veľmi líšiť. Môžu využívať statické polia aj polia s premenlivým časom, magnetické alebo galvanické.

Hmotnostný spektrometer sa skladá z nasledujúcich kľúčových prvkov:

• Heteropolárny zdroj, kde sa medziľahlé atómy premieňajú na ióny (napríklad pred vystavením zahrievaniu alebo mikrovlnnému poľu) a urýchľujú galvanickým poľom;
• Sféry konštantných elektrických a magnetických polí;
• Prijímač iónov, ktorý charakterizuje umiestnenie oblastí, kde sú určené ióny, ktoré prešli cez tieto polia.

Hmotnostný spektrometer

Chromato-hmotnostný spektrometer

Koncepcia CMS s kombinovaným kvadrupólovým hmotnostným spektrometrom doby letu s vysokým rozlíšením a elektrosprejovou ionizáciou umožňuje všimnúť si a identifikovať riadené zlúčeniny a ich metabolity, ako aj neznáme usporiadania v širokom hmotnostnom spektre od 20 až 40 000. Nepochybne (lieky, omamné látky, pesticídy atď.), vykonať spoločnú štúdiu hlavných a stopových častí, vopred určiť skutočný pomer izotopov, aby sa jasne stanovili molekulárne vzorce. Premenlivý interval v numerickom hodnotení je viac ako 4 rády. Používa sa na účely numerického hodnotenia syntéz. Zariadenie má jedinečné vlastnosti: rozlíšenie viac ako 35 000 FWHM, presnosť molekulovej hmotnosti menej ako 0,7 ppm, najvyššia citlivosť pri najvyššom rozlíšení. Vysoká rýchlosť rozpoznávania informácií - až 60 spektier za sekundu.

Chromato-hmotnostný spektrometer

Vedci už dlho hľadali alternatívu k magnetu vo vlastníctve hmotnostného analyzátora. V roku 1953 Wolfgang Paul, ktorý neskôr v roku 1989 dostal Nobelovu cenu za fyziku, načrtol prvé zariadenie s kvadrupólovým analyzátorom. Vývoj kvadrupólových hmotnostných analyzátorov spôsobil revolúciu v hmotnostnej spektrometrii. Analyzátory magnetickej hmoty vyžadujú použitie najvyšších napätí (tisíc voltov), ​​zatiaľ čo kvadrupóly nie, a to zjednodušuje ich systém, najmenšie objemy vákuovej frakcie zjednodušujú koncepciu tvorby vákua. Hmotnostné spektrometre sa zmenšili, ľahšie sa ovládajú a hlavne sú oveľa ekonomickejšie, čím sa otvorila možnosť využitia tejto analytickej metódy pre mnoho tisíc používateľov. Nevýhody kvadrupólov zahŕňajú nízke rozlíšenie a malý vrchol najväčšej detekovanej hmotnosti (m/z~4100). Súčasné hmotnostné analyzátory však umožňujú detegovať ióny s korešpondenciou m/z~350.

Princíp fungovania

Štvorpól zahŕňa 4 súčasne a symetricky umiestnené monopóly (elektródy dokonalého prierezu). Podmienená kombinácia spojitého a indukčného napätia sa aplikuje na elektródy v dvoch s obrátenou polaritou.

Pod vplyvom mierneho urýchľovacieho napätia (15-25 V) vstupujú ióny synchrónne s osami elektródových tyčí. Pred pôsobením oscilačného poľa, vopred určeného elektródami, sa začnú pohybovať po osiach x a y. V tomto prípade sa amplitúda kmitov zvyšuje bez zmeny smeru pohybu. Ióny, ktorých amplitúdy dosahujú najvyššie hodnoty, sa pri zrážke s elektródami neutralizujú. Iba tieto ióny, ktorých hodnoty m/z budú zodpovedať stanovenej U/V korešpondencii, získajú stabilnú amplitúdu. Ten im umožňuje voľne sa pohybovať v štvorpóle a byť zistiteľný v konečnom výsledku. Podobným spôsobom je hmotnostný rozsah fixovaný cestou vzájomného obrátenia hodnôt U a V.

Štvorpólový hmotnostný spektrometer

Magnetický hmotnostný spektrometer

V magnetických hmotnostných spektrometroch sa na distribúciu iónov v hmotnostných analyzátoroch používa homogénne magnetické pole. V tomto prípade je možné numericky znázorniť pohyby vnucujúcich sa iónov do galvanickej oblasti a ich rozloženie v magnetickej oblasti.

Magnetický hmotovo-tepelný analyzátor - zariadenie na priestorovú a časovú distribúciu iónov s rôznym významom vzťahu hmotnosť-náboj, slúžiace na rozloženie magnetického poľa.

Historicky bol pôvodným hmotnostným analyzátorom magnet. V súlade s fyzikálnym zákonom je línia nabitých prvkov v magnetickom poli skreslená a polomer zakrivenia závisí od hmotnosti prvkov.

Existujú rôzne geometrie analyzátorov magnetickej hmoty, v ktorých sa meria buď polomer zakrivenia alebo magnetické pole. Magnetické hmotnostné spektrometre majú najvyššie rozlíšenie a možno ich použiť s úplne všetkými typmi ionizácie. Napriek výrazným výhodám súčasných oproti ostatným (najvyššie rozlíšenie, vysoká spoľahlivosť meraní a veľký rozsah pracovnej hmotnosti) majú 2 hlavné nevýhody - toto zariadenie je obrovské, a to ako z hľadiska objemu, tak aj z hľadiska ceny.

Magnetický hmotnostný spektrometer

Ide o jednoduchý typ hmotnostného analyzátora. V hmotnostnom analyzátore doby letu ióny vypadávajú zo zdroja a skončia v trubici s dobou letu, kde nie je žiadne galvanické pole (obdobie bez poľa). Po preletení určitého intervalu d sú ióny fixované iónovým senzorom s rovnou alebo takmer rovnou fixačnou plochou. V rokoch 1951-1971 sa v majetku iónového senzora používal sekundárny elektrický multiplikátor „žalúzie“, neskôr kompozitný detektor využívajúci 2, príp. 3 mikrokanálové platne v sérii.

Hmotnostno-tepelný analyzátor doby letu je reprezentovaný pulzujúcim hmotnostným analyzátorom, to znamená, že ióny sa prenášajú zo zdroja iónov do prvku doby letu nie neustále, ale v dávkach v určitých časových intervaloch. Takéto hmotnostné analyzátory sú kompatibilné s laserovou desorpčnou ionizáciou pomocou matrice, takže ako pri tejto ionizačnej metóde sa ióny nevytvárajú neustále, ale pri akomkoľvek laserovom pulze.

Hmotnostný spektrometer doby letu

Hmotnostné spektrometre Agilent

Hmotnostný spektrometer bol dlho považovaný za vynikajúci detektor pre plynovú chromatografiu. Spektrá získané s podporou hmotnostného spektrometrického senzora poskytujú rovnako vysoko kvalitné informácie o zložení testu, ktoré iné senzory plynovej chromatografie nedokážu poskytnúť. Hmotnostný spektrometrický detektor má veľkú citlivosť, navyše ničí vzorku, poskytuje údaje o hmotnosti a rýchlejšie rozpoznáva skôr homológy ako izoméry.

Vysoko spoľahlivé hmotnostné spektrometre Agilent spĺňajú najnáročnejšie podmienky a spĺňajú aktuálne výzvy. Výrobcovia môžu teraz predstaviť rad vysoko presných progresívnych hmotnostných spektrometrov pre GC a HPLC.

Hmotnostný spektrometer Agilent

Hmotnostný spektrometer
hmotnostný spektrometer

Hmotnostný spektrometer - prístroj na určovanie hmotností atómov (molekúl) podľa charakteru pohybu ich iónov v elektrických a magnetických poliach.
Neutrálny atóm nie je ovplyvnený elektrickým a magnetickým poľom. Ak sa mu však jeden alebo viac elektrónov odoberie alebo sa k nemu pridá jeden alebo viac elektrónov, potom sa zmení na ión, ktorého povaha pohybu v týchto poliach bude určená jeho hmotnosťou a nábojom. Presne povedané, v hmotnostných spektrometroch sa neurčuje hmotnosť, ale pomer hmotnosti k náboju. Ak je náboj známy, potom je hmotnosť iónu jednoznačne určená, a teda hmotnosť neutrálneho atómu a jeho jadra. Štrukturálne sa hmotnostné spektrometre môžu navzájom značne líšiť. Môžu využívať statické polia aj časovo premenné magnetické a/alebo elektrické polia.

Zvážte jednu z najjednoduchších možností.
Hmotnostný spektrometer pozostáva z týchto hlavných častí:
a) iónový zdroj, kde sa neutrálne atómy menia na ióny (napríklad vplyvom zahrievania alebo mikrovlnného poľa) a urýchľujú sa elektrickým poľom, b) oblasti konštantných elektrických a magnetických polí a v) prijímač iónov, ktorý určuje súradnice bodov, kam dopadajú ióny, ktoré prechádzajú týmito poľami.
Zo zdroja iónov 1 spadajú zrýchlené ióny cez štrbinu 2 do oblasti 3 konštantných a rovnomerných elektrických E a magnetických polí B1. Smer elektrického poľa je daný polohou dosiek kondenzátora a je znázornený šípkami. Magnetické pole smeruje kolmo na rovinu obrázku. V oblasti 3 elektrické pole E a magnetické pole B 1 vychyľujú ióny v opačných smeroch a veľkosti intenzity elektrického poľa E a indukcie magnetického poľa B 1 sú zvolené tak, aby sily ich pôsobenia na ióny (resp. qE resp. qvB1, kde q je náboj a v je rýchlosť iónu) sa navzájom kompenzujú, t.j. bolo qE = qvB1. Rýchlosťou iónu v = E/B1 sa pohybuje bez vychýlenia v oblasti 3 a prechádza cez druhú štrbinu 4, pričom spadá do oblasti 5 rovnomerného a konštantného magnetického poľa s indukciou B2. V tomto poli sa ión pohybuje po kružnici 6, ktorej polomer R je určený zo vzťahu
Mv 2 /R = qvB 2, kde M je hmotnosť iónu. Pretože v \u003d E / B 1, hmotnosť iónu je určená zo vzťahu

M = qB2R/v = qB1B2R/E.

Pri známom náboji iónu q je teda jeho hmotnosť M určená polomerom R kruhová dráha v oblasti 5. Na výpočty je vhodné použiť pomer v sústave jednotiek uvedených v hranatých zátvorkách:

M[T] = 106 ZB1[T]B2[T]R[m]/E[V/m].

Ak sa ako iónový detektor 7 použije fotografická platňa, potom bude tento polomer s vysokou presnosťou znázornený čiernou bodkou v mieste vyvolanej fotografickej platne, kde dopadá iónový lúč. Moderné hmotnostné spektrometre zvyčajne používajú ako detektory elektrónové multiplikátory alebo mikrokanálové platne. Hmotnostný spektrometer umožňuje určiť hmotnosti s veľmi vysokou relatívnou presnosťou ΔM/M = 10-8-10-7.
Analýza zmesi atómov rôznych hmotností hmotnostným spektrometrom umožňuje určiť aj ich relatívny obsah v tejto zmesi. Najmä je možné stanoviť obsah rôznych izotopov akéhokoľvek chemického prvku.

Aplikácie hmotnostnej spektrometrie

• · Jadrová energia;
• · archeológia;
• · Petrochémia;
• · Geochémia (izotopová geochronológia);
• · Agrochémia;
• · Chemický priemysel;
• · Analýza polovodičových materiálov, ultračistých kovov, tenkých vrstiev a práškov (napríklad oxidov U a REE);
• · Farmaceutické prípravky – kontrolovať kvalitu vyrábaných liekov a odhaľovať falzifikáty;
• · Lekárska diagnostika;
• · Biochémia - identifikácia proteínov, štúdium metabolizmu liečiv.

Chromato-hmotnostná spektrometria

Chromato-hmotnostná spektrometria je metóda na analýzu zmesí prevažne organických látok a stanovenie stopových množstiev látok v objeme kvapaliny. Metóda je založená na kombinácii dvoch nezávislých metód – chromatografie a hmotnostnej spektrometrie. Pomocou prvého sa zmes rozdelí na zložky, pomocou druhého - identifikácia a stanovenie štruktúry látky, kvantitatívna analýza. Existujú 2 varianty chromatografie-hmotnostnej spektrometrie, ktoré sú kombináciou hmotnostnej spektrometrie buď s plynovo-kvapalinovou chromatografiou (GLC) alebo vysokoúčinnou kvapalinovou chromatografiou.

Ryža. desať.

Prvé štúdie analytických schopností chromato-hmotnostnej spektrometrie sa uskutočnili v 50-tych rokoch 20. storočia, prvé priemyselné prístroje kombinujúce plynový kvapalinový chromatograf a

hmotnostný spektrometer, sa objavil v 60. rokoch. Zásadná kompatibilita týchto dvoch prístrojov je spôsobená tým, že v oboch prípadoch je analyzovaná látka v plynnej fáze, intervaly prevádzkových teplôt sú rovnaké a limity detekcie (citlivosti) sú blízko. Rozdiel je v tom, že v iónovom zdroji hmotnostného spektrometra sa udržiava vysoké vákuum (10 -5 - 10 -6 Pa), zatiaľ čo tlak v chromatografickej kolóne je 10 5 Pa. Na zníženie tlaku sa používa separátor, ktorý je jedným koncom pripojený k výstupu z chromatografickej kolóny a druhým koncom k iónovému zdroju hmotnostného spektrometra. Separátor odstraňuje hlavnú časť nosného plynu z prúdu plynu opúšťajúceho kolónu a organická hmota prechádza do hmotnostného spektrometra. V tomto prípade sa tlak na výstupe z kolóny zníži na prevádzkový tlak v hmotnostnom spektrometri.

Princíp činnosti separátorov je založený buď na rozdiele v pohyblivosti molekúl nosného plynu a analytu, alebo na ich rozdielnej priepustnosti cez semipermeabilnú membránu. V priemysle sa najčastejšie používajú injektorové separátory, ktoré pracujú podľa prvého princípu. Jednostupňové separátory tohto typu obsahujú dve trysky s otvormi malého priemeru, ktoré sú inštalované presne oproti sebe. V objeme medzi dýzami sa vytvorí tlak 1,33 Pa. Prúd plynu z chromatografickej kolóny cez prvú dýzu nadzvukovou rýchlosťou vstupuje do oblasti vákua, kde sa molekuly šíria rýchlosťou nepriamo úmernou ich hmotnosti. V dôsledku toho sa ľahšie a rýchlejšie molekuly nosného plynu odčerpávajú a pomalšie molekuly organickej hmoty vstupujú do otvoru druhej dýzy a potom do iónového zdroja hmotnostného spektrometra. Niektoré prístroje sú vybavené dvojstupňovým separátorom vybaveným ďalším podobným blokom trysiek. V objeme medzi nimi vzniká vysoké vákuum. Čím ľahšie sú molekuly nosného plynu, tým efektívnejšie sa odstraňujú z prúdu plynu a tým vyššie je obohatenie organickou hmotou.

Najvhodnejším nosným plynom pre chromato-hmotnostnú spektrometriu je hélium. Účinnosť separátora, t.j. pomer množstva organickej hmoty v prúde plynu opúšťajúceho kolónu k jej množstvu vstupujúcemu do hmotnostného spektrometra závisí vo veľkej miere od prietoku nosného plynu vstupujúceho do separátora. Pri optimálnom prietoku 20-30 ml/min sa odstráni až 93 % nosného plynu a viac ako 60 % analytu vstupuje do hmotnostného spektrometra. Tento prietok nosného plynu je typický pre plnené kolóny. V prípade použitia kapilárnej chromatografickej kolóny prietok nosného plynu nepresahuje 2–3 ml/min, preto sa na jeho výstupe do prúdu plynu pridáva ďalšie množstvo nosného plynu tak, aby prietok vstupujúci do separátor dosahuje 20–30 ml/min. To zaisťuje najlepšiu účinnosť separátora. Flexibilné kremenné kapilárne kolóny môžu byť vstrekované priamo do iónového zdroja. V tomto prípade musí byť zdroj iónov vybavený výkonným čerpacím systémom, ktorý udržiava vysoké vákuum.

Hmotnostné spektrometre pripojené k plynovým chromatografom využívajú ionizáciu nárazom elektrónov, chemickú ionizáciu alebo ionizáciu poľa. Chromatografické kolóny by mali obsahovať neprchavé a tepelne stabilné stacionárne kvapalné fázy tak, aby sa hmotnostné spektrum ich pár neprekrývalo so spektrom analytu.

Analyt (zvyčajne v roztoku) sa zavedie do výparníka chromatografu, kde sa okamžite odparí a pary zmiešané s nosným plynom pod tlakom vstupujú do kolóny. Tu sa zmes separuje a každá zložka v prúde nosného plynu, keď sa eluuje z kolóny, vstupuje do separátora. V separátore sa hlavne odstraňuje nosný plyn a prúd plynu obohatený o organické látky vstupuje do iónového zdroja hmotnostného spektrometra, kde dochádza k ionizácii molekúl. Počet vytvorených iónov je v tomto prípade úmerný množstvu prichádzajúcej látky. Pomocou senzora inštalovaného v hmotnostnom spektrometri, ktorý reaguje na zmeny celkového iónového prúdu, sa zaznamenávajú chromatogramy. Hmotnostný spektrometer teda možno považovať za univerzálny detektor pre chromatograf. Súčasne so záznamom chromatogramu v ktoromkoľvek bode, zvyčajne v hornej časti chromatografického píku, možno zaznamenať hmotnostné spektrum, ktoré umožňuje stanoviť štruktúru látky.

Dôležitou podmienkou činnosti zariadenia je rýchly záznam hmotnostného spektra, ktoré musí byť zaznamenané v čase oveľa kratšom ako je čas chromatografického píku. Pomalý záznam hmotnostného spektra môže skresliť pomer vrcholových intenzít v ňom. Rýchlosť registrácie hmotnostného spektra (rýchlosť skenovania) je určená hmotnostným analyzátorom. Najkratší čas skenovania z celého hmotnostného spektra (niekoľko milisekúnd) poskytuje kvadrupólový analyzátor. V moderných hmotnostných spektrometroch vybavených počítačom sa konštrukcia chromatogramov a spracovanie hmotnostných spektier vykonáva automaticky. V pravidelných intervaloch, ako sú zložky zmesi eluované, sa zaznamenávajú hmotnostné spektrá, ktorých kvantitatívne charakteristiky sa hromadia v pamäti počítača. Pre každý sken sa pripočítajú intenzity všetkých registrovaných iónov. Keďže táto celková hodnota (celkový iónový prúd) je úmerná koncentrácii látky v iónovom zdroji, používa sa na zostavenie chromatogramu (táto hodnota je vynesená pozdĺž osi y, pozdĺž osi x - retenčný čas a číslo skenovania ). Nastavením čísla skenovania môžete vyvolať hmotnostné spektrum z pamäte v ktoromkoľvek bode chromatogramu.

Ako je opísané vyššie, môžu sa analyzovať zmesi látok, ktoré sú dostatočne dobre separované na vhodných kolónach plynovej chromatografie-hmotnostnej spektrometrie. Niekedy možno skúmať aj nerozlíšené chromatografické píky. Látky, ktoré sa skúmajú, by mali byť tepelne stabilné, chromatograficky mobilné v rozsahu prevádzkovej teploty kolóny a pri teplote výparníka by sa mali ľahko preniesť do plynnej fázy. Ak látky nespĺňajú tieto požiadavky, možno ich chemicky modifikovať napríklad silyláciou, alkyláciou alebo acyláciou hydroxy, karboxy, merkapto, aminoskupín.

Citlivosť plynovej chromatografie-hmotnostnej spektrometrie (zvyčajne 10-6-10-9 g) je určená citlivosťou detektora hmotnostného spektrometra. Citlivejším (10 -12 -10 -15 g) druhom chromato-hmotnostnej spektrometrie je hmotnostná fragmentografia, nazývaná aj selektívna iónová alebo multiiónová detekcia. Jeho podstata spočíva v tom, že chromatogramy nie sú zaznamenávané celkovým iónovým prúdom, ale iónmi najcharakteristickejšími pre danú látku. Tento typ plynovej chromatografie-hmotnostnej spektrometrie sa používa na vyhľadávanie, identifikáciu a kvantifikáciu látky so známym hmotnostným spektrom v komplexnej zmesi, napríklad pri kvantitatívnom stanovení stopových látok vo veľkých objemoch biologických tekutín (medicína, farmakológia, atď.). toxikológia, dopingová kontrola, biochémia) . Vykonajte hmotnostnú fragmentografiu na chromato-hmotnostných spektrometroch pomocou špeciálneho zariadenia - multiiónového detektora alebo pomocou počítača, ktorý dokáže zostaviť chromatogramy pre jeden alebo viac iónov. Takýto chromatogram na rozdiel od bežného obsahuje píky len tých zložiek, ktorých hmotnostné spektrá takéto ióny obsahujú. Analýza sa uskutočňuje pomocou vnútorného štandardu, ktorý sa často používa ako analóg požadovanej látky značenej stabilnými izotopmi (2H,13C,15N,180).

Ďalšou možnosťou chromato-hmotnostnej spektrometrie je kombinácia vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie a hmotnostnej spektrometrie. Metóda je určená na analýzu zmesí málo prchavých polárnych látok, ktoré nie je možné analyzovať metódou GJ chromato-hmotnostnej spektrometrie. Na udržanie vákua v iónovom zdroji hmotnostného spektrometra je potrebné odstraňovať rozpúšťadlo prichádzajúce z chromatografu rýchlosťou 0,5–5 ml/min. Za týmto účelom časť prúdu kvapaliny prechádza otvorom s veľkosťou niekoľkých mikrónov, v dôsledku čoho sa vytvárajú kvapky, ktoré potom vstupujú do vyhrievanej zóny, kde sa väčšina rozpúšťadla odparí, a zvyšná časť spolu s látkou , vstupuje do zdroja iónov a je chemicky ionizovaný.

Množstvo priemyselných zariadení implementuje princíp pásového dopravníka. Eluát z kolóny vstupuje do pohyblivého pásu, ktorý prechádza cez IR vyhrievanú komoru, kde sa odparuje rozpúšťadlo. Potom páska s látkou prechádza oblasťou vyhrievanou ďalším ohrievačom, kde sa analyt odparí, potom vstupuje do iónového zdroja a je ionizovaný. Efektívnejší spôsob spojenia vysokovýkonného plyno-kvapalinového chromatografu a hmotnostného spektrometra je založený na elektrosprei a tepelnom nástreku. V tomto prípade sa eluát nechá prejsť cez kapiláru zahriatu na 150 °C a nastrieka sa do vákuovej komory. Tlmiace ióny prítomné v roztoku sa podieľajú na tvorbe iónov. Výsledné kvapky nesú kladný alebo záporný náboj. Vďaka jej malému priemeru sa pozdĺž kvapky vytvára vysoký gradient elektrického poľa a tento gradient sa zvyšuje, keď sa kvapka rozpadá. V tomto prípade dochádza k desorpcii z kvapiek protónovaných iónov alebo zhlukov (molekula látky + tlmivý katión).

Metóda chromato-hmotnostnej spektrometrie sa používa v štruktúrnych a analytických štúdiách v organickej chémii, petrochémii, biochémii, medicíne, farmakológii, ochrane životného prostredia atď.