Masna spektrometrija (masna spektroskopija, masna spektrografija, masna spektrometrična analiza, masna spektrometrična analiza) je metoda za preučevanje snovi, ki temelji na določanju razmerja med maso in nabojem ionov, ki nastanejo pri ionizaciji zanimivih komponent vzorca. Ena najmočnejših metod za kvalitativno identifikacijo snovi, ki omogoča tudi kvantitativno določanje. Lahko rečemo, da je masna spektrometrija »tehtanje« molekul v vzorcu.

Zgodovina masne spektrometrije se začne s temeljnimi poskusi J. J. Thomsona na začetku 20. stoletja. Končnica "-metria" v imenu metode se je pojavila po razširjenem prehodu od zaznavanja nabitih delcev s fotografskimi ploščami na električne meritve ionskih tokov.

Masna spektrometrija se še posebej pogosto uporablja pri analizi organskih snovi, saj omogoča zanesljivo identifikacijo tako relativno preprostih kot kompleksnih molekul. Edina splošna zahteva je, da je molekula ionizirajoča. Vendar pa je bilo do danes izumljenih toliko metod za ioniziranje komponent vzorca, da lahko masno spektrometrijo štejemo za skoraj univerzalno metodo.

Skoraj vsi masni spektrometri so vakuumski instrumenti, ker so ioni v prisotnosti tujih molekul zelo nestabilni. Obstaja pa nekaj naprav, ki jih lahko pogojno uvrstimo med masne spektrometre, vendar ne uporabljajo vakuuma, temveč tok posebnega čistega plina.

Masni spekter je odvisnost jakosti ionskega toka (količine snovi) od razmerja med maso in nabojem (narava snovi). Ker je masa katere koli molekule sestavljena iz mas njenih sestavnih atomov, je masni spekter vedno diskreten, čeprav se pri nizki ločljivosti masnega spektrometra lahko vrhovi različnih mas prekrivajo ali celo združijo. Narava analita, značilnosti ionizacijske metode in sekundarni procesi v masnem spektrometru lahko vplivajo na masni spekter (glej metastabilni ioni, pospeševalni gradient napetosti na mestih proizvodnje ionov, neelastično sipanje). Tako lahko ioni z enakim razmerjem med maso in nabojem končajo v različnih delih spektra in celo naredijo njegov del neprekinjenega.

Večina majhnih molekul pri ionizaciji pridobi le en pozitiven ali negativen naboj. Večja kot je molekula, večja je verjetnost, da se bo med ionizacijo spremenila v večkrat nabit ion. Zato je ta učinek še posebej močan pri izjemno velikih molekulah, kot so beljakovine, nukleinske kisline in polimeri. Pri nekaterih vrstah ionizacije (na primer z elektronskim udarcem) se molekula lahko razbije na več značilnih delov, kar daje dodatne možnosti za prepoznavanje in preučevanje strukture neznanih snovi.

Natančna določitev mase analizirane molekule vam omogoča določitev njene elementarne sestave (glej: elementarna analiza). Masna spektrometrija daje tudi pomembne informacije o izotopski sestavi analiziranih molekul.

Zgodovina masne spektrometrije

• 1912 - JJ Thomson ustvari prvi masni spektrograf in pridobi masne spektre molekul kisika, dušika, ogljikovega monoksida, ogljikovega dioksida in fosgena.
• 1913 - J. J. Thomson s pomočjo svojega masnega spektrografa odkrije izotope neona: neon-20 in neon-22.
• 1918 - Arthur Dempster zgradi prvi masni spektrograf.
• 1919 - Francis Aston, neodvisno od Dempsterja, zgradi svoj prvi masni spektrograf in začne raziskovati izotope. Ta naprava je imela ločljivost približno 130.
• 1923 - Aston meri masno napako z masnim spektrometrom.
• 1932 - Kenneth Bainbridge izdela masni spektrometer z ločljivostjo 600 in občutljivostjo 1 del na 10.000
• 1936 - Arthur Dempster, Kenneth Tompkins Bainbridge in Josef Heinrich Elizabeth Mattauch izdelajo masni spektrograf z dvojnim fokusom. Dempster je razvil ionizacijski vir iskre.
• 1940 - Alfred Nir s preparativno masno spektrometrijo izolira uran-235.
• 1940 - Alfred Nir ustvari prvi zanesljiv vir elektronskega udarca z uporabo ionizacijske komore.
• 1942 Lawrence lansira Calutron, industrijsko napravo za ločevanje izotopov urana, ki temelji na masnem spektrometru magnetnega sektorja.
• 1946 - William Stevens je predlagal koncept masnega spektrometra za čas preleta.
• 1948 - Cameron in Eggers sta ustvarila prvi masni spektrometer z masnim analizatorjem časa preleta.
• 1952 - Talroze in Lyubimova prvič opazita signal metonija CH5+ v ionskem viru z elektronskim udarcem pri povišanem tlaku metana v ionizacijski komori (leta 1966 Munson in Field uporabita to odkritje v analitične namene in ustvarita ionski vir s kemično ionizacijo).
• 1953 Paul patentira kvadrupolni masni analizator in ionsko past.
• 1956 - McLafferty in Gohlke ustvarita prvi plinski kromatografsko-masni spektrometer.
• 1966 - Munson in Field ustvarita ionski vir s kemično ionizacijo.
• 1972 - Karataev in Mamyrin izumita masni analizator s fokusom na čas leta, ki bistveno izboljša ločljivost analizatorja.
• 1974 - prvi masni spektrometer s tekočo kromatografijo, ki so ga ustvarili Arpino, Baldwin in McLafferty
• 1981 - Barber, Bordoli, Sedgwick in Tylor ustvarijo ionizator Fast Atom Bombardment (FAB).
• 1982 - Prvi masni spekter celotnega proteina (inzulina) z bombardiranjem s hitrimi atomi (FAB).
• 1983 Blanky in Bestal izumita termalni sprej.
• 1984 - L. N. Gall in nato Fenn objavita dela o metodi elektrospray.
• 1987 - Karas, Bachmann, Bahr in Hillenkamp izumijo ionizacijo z lasersko desorpcijo s pomočjo matrike (MALDI).
• 1999 - Aleksander Makarov (angleščina) Rus izumlja elektrostatično ionsko past Orbitrap.

Načelo delovanja in naprava masnega spektrometra

Ionski viri

Prva stvar za pridobitev masnega spektra je, da nevtralne molekule in atome, ki sestavljajo katero koli organsko ali anorgansko snov, spremenimo v nabite delce - ione. Ta proces se imenuje ionizacija in se izvaja različno za organske in anorganske snovi. Drugi nujni pogoj je prenos ionov v plinsko fazo v vakuumskem delu masnega spektrometra. Globok vakuum zagotavlja neovirano gibanje ionov znotraj masnega spektrometra, v njegovi odsotnosti pa se bodo ioni razpršili in rekombinirali (spremenili nazaj v nenabite delce).

Običajno lahko metode ionizacije organskih snovi razvrstimo glede na faze, v katerih se snovi nahajajo pred ionizacijo.

Plinska faza Elektronska ionizacija (EI) Kemična ionizacija (CI) Zajem elektronov (EC) Ionizacija električnega polja (FI) Tekoča faza Termično razpršeno ionizacija atmosferskega tlaka (AP)

• elektrosprej (APESI)
• kemična ionizacija pri atmosferskem tlaku (APCI)
• fotoionizacija pri atmosferskem tlaku (APPI)

Masna spektrometrija z neposredno lasersko desorpcijo v trdni fazi (LDMS) z lasersko desorpcijo/ionizacijo s pomočjo matrike (MALDI) sekundarno ionsko masno spektrometrijo (SIMS) bombardiranje s hitrimi atomi (FAB) desorpcijo električnega polja (FD) desorpcijo plazme (PD)

V anorganski kemiji se za analizo elementarne sestave uporabljajo ostre ionizacijske metode, saj so energije vezave atomov v trdni snovi veliko višje in je za prekinitev teh vezi in pridobivanje ionov treba uporabiti veliko bolj ostre metode.

• ionizacija v induktivno sklopljeni plazmi (ICP)
• toplotna ionizacija ali površinska ionizacija
• ionizacija žarečega razelektritve in ionizacija iskre (glej iskriško razelektritev)
• ionizacija med lasersko ablacijo

V preteklosti so bile prve ionizacijske metode razvite za plinsko fazo. Številne organske snovi žal ni mogoče izpariti, torej pretvoriti v plinasto fazo, brez razgradnje. To pomeni, da jih ni mogoče ionizirati z elektronskim udarcem. Toda med takšnimi snovmi je skoraj vse, kar sestavlja živo tkivo (beljakovine, DNK itd.), fiziološko aktivne snovi, polimeri, torej vse, kar je danes še posebej zanimivo. Masna spektrometrija ni mirovala in v zadnjih letih so bile razvite posebne metode za ionizacijo tovrstnih organskih spojin. Danes se večinoma uporabljata dve od njih - ionizacija pri atmosferskem tlaku in njena podvrsta - elektrospray (ESI), kemična ionizacija pri atmosferskem tlaku (APCI) in fotoionizacija pri atmosferskem tlaku (APPI), pa tudi laserska desorpcijska ionizacija s pomočjo matriksa (MALDI). ) .

Masni analizatorji

Ioni, pridobljeni pri ionizaciji, se s pomočjo električnega polja prenesejo v masni analizator. Tam se začne druga faza masne spektrometrične analize - razvrščanje ionov po masi (natančneje, po razmerju med maso in nabojem ali m / z). Obstajajo naslednje vrste analizatorjev mase:

Kontinuirni analizatorji mase

• Magnetni in elektrostatični sektorski masni analizator (eng. Sector instrument)
• Kvadrupolni masni analizator

analizatorji pulzne mase

• Masni analizator časa preleta
• Ionska past
• Kvadrupolna ionska past
• Masni analizator ciklotronske resonance s Fourierjevo transformacijo
• Orbitrap

Razlika med kontinuirnimi in impulznimi analizatorji mase je v tem, da v prvem ioni vstopajo v neprekinjen tok, v drugem pa po delih v določenih časovnih intervalih.

Masni spektrometer ima lahko dva masna analizatorja. Tak masni spektrometer se imenuje tandemski masni spektrometer. Tandemski masni spektrometri se praviloma uporabljajo skupaj z "mehkimi" ionizacijskimi metodami, pri katerih ni fragmentacije ionov analiziranih molekul (molekulskih ionov). Tako prvi masni analizator analizira molekularne ione. Ko zapustijo prvi masni analizator, se molekularni ioni razdrobijo pod vplivom trkov z molekulami inertnega plina ali laserskega sevanja, nato pa se njihovi fragmenti analizirajo v drugem masnem analizatorju. Najpogostejše konfiguracije tandemskih masnih spektrometrov so kvadrupol-kvadrupolni in kvadrupol-čas-of-flight.

Detektorji

Zadnji element poenostavljenega masnega spektrometra, ki ga opisujemo, je detektor nabitih delcev. Prvi masni spektrometri so kot detektor uporabljali fotografsko ploščo. Zdaj se uporabljajo dinadni sekundarni elektronski množitelji, pri katerih ion, ki zadene prvo dinodo, iz nje izbije snop elektronov, ki pa udari v naslednjo dinodo, iz nje izloči še več elektronov itd. Druga možnost je fotopomnoževalci, ki registrirajo sij, ki nastane pri bombardiranju s fosforjevimi ioni. Poleg tega se uporabljajo mikrokanalni multiplikatorji, sistemi, kot so diodni nizi, in kolektorji, ki zbirajo vse ione, ki so padli v dano točko v prostoru (Faradayevi kolektorji).

Kromato-masna spektrometrija

Masni spektrometri se uporabljajo za analizo organskih in anorganskih spojin.

Organske snovi so v večini primerov večkomponentne mešanice posameznih sestavin. Na primer, prikazano je, da je vonj ocvrtega piščanca 400 komponent (tj. 400 posameznih organskih spojin). Naloga analitike je ugotoviti, koliko komponent sestavlja organsko snov, ugotoviti, katere so te komponente (identificirati) in ugotoviti, koliko vsake spojine vsebuje mešanica. Za to je idealna kombinacija kromatografije z masno spektrometrijo. Plinska kromatografija je najbolj primerna za kombiniranje z ionskim virom masnega spektrometra z elektronsko udarno ionizacijo ali kemično ionizacijo, saj so spojine že v plinski fazi v kromatografski koloni. Naprave, v katerih je masni spektrometrični detektor kombiniran s plinskim kromatografom, se imenujejo kromato-masni spektrometri ("Chromass").

Veliko organskih spojin ni mogoče ločiti na komponente s plinsko kromatografijo, lahko pa jih ločimo s tekočinsko kromatografijo. Danes se za združevanje tekočinske kromatografije z masno spektrometrijo uporabljata vira elektrospray ionizacije (ESI) in kemične ionizacije pri atmosferskem tlaku (APCI), kombinacija tekočinske kromatografije z masnimi spektrometri pa se imenuje LC/MS (angleško LC/MS). Najmočnejši sistemi za organske analize, ki jih zahteva sodobna proteomika, so zgrajeni na osnovi superprevodnega magneta in delujejo na principu ionske ciklotronske resonance. Imenujejo se tudi FT/MS, ker uporabljajo Fourierjevo transformacijo signala.

Značilnosti masnih spektrometrov in masnih spektrometričnih detektorjev

Najpomembnejše tehnične značilnosti masnih spektrometrov so občutljivost, dinamični razpon, ločljivost, hitrost skeniranja.

Najpomembnejša lastnost pri analizi organskih spojin je občutljivost. Da bi dosegli najvišjo možno občutljivost in hkrati izboljšali razmerje signal/šum, se zateče k detekciji za posamezne izbrane ione. V tem primeru je povečanje občutljivosti in selektivnosti ogromno, pri uporabi naprav z nizko ločljivostjo pa je treba žrtvovati še en pomemben parameter - zanesljivost. Konec koncev, če ste posneli samo en vrh iz celotnega karakterističnega masnega spektra, boste potrebovali veliko dela, da dokažete, da ta vrh ustreza točno tisti komponenti, ki vas zanima. Kako rešiti to težavo? Uporabite visoko ločljivost na instrumentih z dvojnim fokusom, kjer je mogoče doseči visoko stopnjo zvestobe, ne da bi pri tem žrtvovali občutljivost. Ali pa uporabite tandemsko masno spektrometrijo, kjer je mogoče vsak vrh, ki ustreza matičnemu ionu, potrditi z masnim spektrom podrejenih ionov. Tako je absolutni prvak v občutljivosti organski kromatografski masni spektrometer visoke ločljivosti z dvojnim fokusom.

Po značilnostih kombinacije občutljivosti z zanesljivostjo določanja komponent ionske pasti sledijo napravam z visoko ločljivostjo. Klasični kvadrupolni instrumenti nove generacije so izboljšali zmogljivost zaradi številnih novosti, kot je uporaba ukrivljenega kvadrupolnega predfiltra, ki preprečuje, da bi nevtralni delci dosegli detektor in s tem zmanjšajo šum.

Uporaba masne spektrometrije

Razvoj novih zdravil za reševanje ljudi pred prej neozdravljivimi boleznimi in nadzor proizvodnje zdravil, genski inženiring in biokemija, proteomika. Brez množične spektrometrije je nepredstavljiv nadzor nad nezakonito distribucijo narkotikov in psihotropnih zdravil, forenzične in klinične analize strupenih drog ter analize eksplozivov.

Odkrivanje vira izvora je zelo pomembno za reševanje številnih vprašanj: ugotavljanje izvora eksploziva na primer pomaga pri iskanju teroristov, drog - za boj proti njihovi distribuciji in blokiranje njihovih prometnih poti. Gospodarska varnost države je bolj zanesljiva, če lahko carinske službe v dvomljivih primerih ne le z analizo potrdijo državo izvora blaga, temveč tudi njegovo skladnost z deklarirano vrsto in kakovostjo. Analiza nafte in naftnih derivatov ni potrebna le za optimizacijo postopkov rafiniranja nafte ali geologov za iskanje novih naftnih polj, ampak tudi za identifikacijo odgovornih za razlitja nafte v oceanu ali na kopnem.

V dobi »kemizacije kmetijstva« je postalo zelo pomembno vprašanje prisotnosti v sledovih uporabljenih kemikalij (na primer pesticidov) v živilskih izdelkih. V sledovih lahko te snovi povzročijo nepopravljivo škodo zdravju ljudi.

Številne tehnogene (torej ne obstoječe v naravi, ampak posledica industrijske dejavnosti človeka) so supertoksične snovi (ki imajo strupene, rakotvorne ali škodljive učinke na zdravje ljudi v izjemno nizkih koncentracijah). Primer je dobro znani dioksin.

Obstoj jedrske energije je nepredstavljiv brez masne spektrometrije. Z njegovo pomočjo se določi stopnja obogatitve cepljivih materialov in njihova čistost.

Seveda medicina ni popolna brez masne spektrometrije. Izotopska masna spektrometrija ogljikovih atomov se uporablja za neposredno medicinsko diagnostiko okužbe človeka s Helicobacter pylori in je najbolj zanesljiva od vseh diagnostičnih metod. Tudi masna spektrometrija se uporablja za ugotavljanje prisotnosti dopinga v krvi športnikov.

Težko si je predstavljati področje človeške dejavnosti, kjer ne bi bilo prostora za masno spektrometrijo. Omejujemo se le na naštevanje: analitična kemija, biokemija, klinična kemija, splošna kemija in organska kemija, farmacija, kozmetika, parfumerija, živilska industrija, kemična sinteza, petrokemija in rafiniranje nafte, nadzor okolja, proizvodnja polimerov in plastike, medicina in toksikologija, forenzika, dopinška kontrola, kontrola mamil, kontrola alkoholnih pijač, geokemija, geologija, hidrologija, petrografija, mineralogija, geohronologija, arheologija, jedrska industrija in energetika, polprevodniška industrija, metalurgija.

• Uvod
• Kratka zgodovina masne spektrometrije
• Ionizacija
• Masni analizatorji
• detektor
• Naravna in umetna izotopija
• Masni spektrometri za izotopsko analizo
• Hitrost skeniranja
• dovoljenje
• Dinamični razpon
• Občutljivost
• Kaj so masni spektrometri

Torej se masni spektrometri uporabljajo za analizo organskih in anorganskih spojin.

Organske snovi so v večini primerov večkomponentne mešanice posameznih sestavin. Na primer, prikazano je, da je vonj ocvrtega piščanca 400 komponent (tj. 400 posameznih organskih spojin). Naloga analitike je ugotoviti, koliko komponent sestavlja organsko snov, ugotoviti, katere so te komponente (identificirati) in ugotoviti, koliko vsake spojine vsebuje mešanica. Za to je idealna kombinacija kromatografije z masno spektrometrijo. Plinska kromatografija je najbolj primerna za kombiniranje z ionskim virom masnega spektrometra z elektronsko udarno ionizacijo ali kemično ionizacijo, saj so spojine že v plinski fazi v kromatografski koloni. Instrumente, v katerih je masni spektrometrični detektor kombiniran s plinskim kromatografom, imenujemo plinska kromatografija-masni spektrometri.

Veliko organskih spojin ni mogoče ločiti na komponente s plinsko kromatografijo, lahko pa jih ločimo s tekočinsko kromatografijo. Za združevanje tekočinske kromatografije z masno spektrometrijo se danes uporabljata vira elektrospray ionizacije (ESI) in kemične ionizacije pri atmosferskem tlaku (APCI), kombinacija tekočinske kromatografije z masnimi spektrometri pa se v angleščini imenuje LC/MS ali LC/MS. Najmočnejši sistemi za organske analize, ki jih zahteva sodobna proteomika, so zgrajeni na osnovi superprevodnega magneta in delujejo na principu ionsko-ciklotronske resonance. Imenujejo se tudi FT/MS, ker uporabljajo Fourierjevo transformacijo signala.

Nov razred masnih spektrometrov so hibridni instrumenti. Imenujejo se hibridni, ker dejansko vključujejo dva masna spektrometra, od katerih lahko vsaj eden deluje kot neodvisen instrument. Primeri takšnih naprav so ionski ciklotronski resonančni masni spektrometer FINNIGAN LTQ FT, pri katerem lahko linearna kvadrupolna ionska past FINNIGAN LTQ deluje kot samostojna naprava, ki zazna ione po MS ali MSn z uporabo dveh sekundarnih elektronskih množiteljev, lahko pa tudi pripravi in pošljejo ione v ciklotronsko celico in jih potisnejo ven v smeri, vzporedni s kvadrupolno osjo. Hibrid je tudi LTQ QRBITRAP, ki deluje na popolnoma enak način. Prednosti takšnih shem so očitne, linearna past ima najvišjo občutljivost, deluje v načinu tandemske masne spektrometrije od n do 10, izvaja različne funkcije inteligentnega skeniranja, ionski ciklotronski resonančni masni spektrometer in orbitalna ionska past pa imata visoko ločljivost in lahko z najvišjo natančnostjo izmeri razmerje med maso in nabojem ionov. Za analizo elementarne sestave so najbolj privlačni masni spektrometri z induktivno sklopljeno plazmo. S pomočjo te naprave se določi, iz katerih atomov je snov sestavljena. Ista metoda analize lahko pokaže tudi izotopsko sestavo. Najbolje pa je meriti izotopsko sestavo s pomočjo specializiranih izotopskih instrumentov, ki ne registrirajo ionov na enem detektorju ob različnih časih njihovega prihoda, temveč vsak ion na svojem osebnem zbiralniku in hkrati (tako imenovano vzporedno odkrivanje).

Preden pa preidemo na instrumente za merjenje izotopske sestave, se na kratko ustavimo, kaj so izotopi.

Naravna in umetna izotopija Atomi so sestavljeni iz jedra in elektronske lupine. Lastnosti atomov so določene s tem, koliko protonov (pozitivno nabitih elementarnih delcev) vsebuje jedro. Jedro poleg protonov vsebuje tudi nevtrone. Narava je določila, da lahko jedro z enakim številom protonov vsebuje različno število nevtronov. Atomi z enakim številom protonov v jedru, vendar različnim številom nevtronov, se po masi razlikujejo za eno ali več atomskih masnih enot (a.m.u.) in se imenujejo izotopi. Večina elementov ima določen niz stabilnih izotopov. Radioaktivni izotopi niso stabilni in se razpadajo in tvorijo stabilne izotope. Naravna številčnost izotopov za vsak element je znana. Nekateri elementi v naravi so monoizotopni, to pomeni, da 100 % naravne številčnosti pade na en izotop (na primer Al, Sc, Y, Rh, Nb itd.), drugi pa imajo veliko stabilnih izotopov (S, Ca, Ge , Ru, Pd, Cd, Sn, Xe, Nd, Sa, itd.). V tehnoloških dejavnostih so se ljudje naučili spreminjati izotopsko sestavo elementov, da bi pridobili kakršne koli specifične lastnosti materialov (na primer, U235 ima sposobnost spontane verižne reakcije in se lahko uporablja kot gorivo za jedrske elektrarne ali atomsko bombo) ali za uporabo oznak izotopov (na primer v medicini).

Ker se mase izotopov razlikujejo in masna spektrometrija meri maso, je seveda ta metoda najprimernejša za določanje izotopske sestave. Hkrati pa informacije o izotopski sestavi pomagajo pri prepoznavanju organskih spojin in dajejo odgovore na številna vprašanja, od določanja starosti kamnin za geologijo, do ugotavljanja ponarejanja številnih izdelkov ter ugotavljanja izvora blaga in surovin.

Masni spektrometri za izotopsko analizo. Masni spektrometri za določanje izotopske sestave morajo biti zelo natančni. Ionizacija z elektronskim udarcem se uporablja za analizo izotopske sestave lahkih elementov (ogljik, vodik, kisik, žveplo, dušik itd.). V tem primeru so primerne vse metode vbrizgavanja plinske faze, kot pri organskih masnih spektrometrih (DELTA Plus ADVANTAGE, FINNIGAN DELTA Plus XL in FINNIGAN MAT253).
Za analizo izotopov težjih elementov se uporablja termična ionizacija (FINNIGAN TRITON TI) ali induktivno sklopljena plazemska ionizacija z vzporedno detekcijo (FINNIGAN NEPTUNE in FINNIGAN ELEMENT2 detekcija z enim kolektorjem).
Praktično vse vrste izotopskih masnih spektrometrov uporabljajo magnetne masne analizatorje.

Značilnosti masnih spektrometrov in masnih spektrometričnih detektorjev

Najpomembnejše tehnične značilnosti masnih spektrometrov so občutljivost, dinamični razpon, ločljivost in hitrost.

Hitrost skeniranja. Masni analizator, kot smo pokazali zgoraj, prepušča ione z določenim razmerjem med maso in nabojem v določenem času (razen večkolektorskih naprav in ionsko-ciklotronske resonance, orbitalne ionske pasti). Da bi analiziral vse ione glede na njihovo maso za naboj, mora skenirati, to pomeni, da morajo parametri njegovega polja preiti vse vrednosti, ki so potrebne, da se vsi ioni, ki jih zanimajo, prenesejo na detektor v dano časovno obdobje. Ta hitrost odvijanja polja se imenuje hitrost skeniranja in mora biti čim hitrejša (oziroma čas skeniranja mora biti čim krajši), saj mora biti masni spektrometer sposoben izmeriti signal v kratkem času, npr. čas kromatografskega vrha, ki je lahko nekaj sekund. Hkrati, več masnih spektrov se meri med sproščanjem kromatografskega vrha, natančneje bo kromatografski vrh opisan, manjša je verjetnost, da bo zdrsnil preko svoje največje vrednosti, in z matematično obdelavo ugotovimo, ali bo je individualen in ga "dokončajte" z masno spektrometrijo.
Najpočasnejši masni analizator je magnet, minimalni čas skeniranja brez velike izgube občutljivosti je delček sekunde (MAT 95XP). Kvadrupolni masni analizator lahko pomesti spekter v desetinkah sekunde (TSQ QUANTUM), ionsko past pa še hitreje (POLARISQ, FINNIGAN LCQ ADVANTAGE MAX, FINNIGAN LCQ DECA XP MAX), linearni ionski lovilec še hitreje (LTQ) in malo počasnejši masni FINNIGAN LTQ FT ionsko-ciklotronski resonančni spektrometer.
Inovativni kvadrupolni kromato-masni spektrometer FINNIGAN TRACE DSQ in njegov ekonomični analog FINNIGAN FOCUS DSQ sta sposobna skenirati s hitrostjo približno 11.000 amu. na sekundo. To odpira nove priložnosti, na primer, skoraj istočasno je mogoče pridobiti celoten masni spekter spojine za njeno nedvoumno identifikacijo in izvesti selektivno spremljanje ionov (SIM), kar zniža mejo detekcije za več vrst velikosti.
Vsako skeniranje vseh zgoraj naštetih masnih analizatorjev je kompromis – višja kot je hitrost skeniranja, manj časa je porabljenega za snemanje signala za vsako masno število, slabša je občutljivost. Za rutinsko analizo hitrosti pa zadostuje kvadrupolni analizator ali ionska past. Drugo vprašanje je, ko gre za visoko zmogljivo analizo kompleksnih matrik. V tem primeru bi bilo dobro uporabiti ultra hitro kromatografijo (na tankih, kratkih, hitro segretih kolonah). Za takšno nalogo je najbolj primeren časovni masni spektrometer (TEMPUS). Sposoben je snemati masni spekter s hitrostjo 40.000 na sekundo!

dovoljenje. Vizualno lahko ločljivost (ločljivost) definiramo kot sposobnost analizatorja, da loči ione od sosednjih mas. Zelo pomembno je, da lahko natančno določite maso ionov, to vam omogoča izračun atomske sestave iona ali identifikacijo peptida v primerjavi z bazo podatkov, s čimer zmanjšate število kandidatov s tisoč in sto na enote ali en sam eno. Pri magnetnih masnih analizatorjih, pri katerih razdalja med vrhovi masnega spektra ni odvisna od ionskih mas, je ločljivost vrednost enaka M/DM. Ta vrednost je običajno določena z 10 % višine vrha. Na primer, ločljivost 1000 pomeni, da vrhovi z maso 100,0 a.m.u. in 100,1 am.u. so ločeni drug od drugega, torej se ne prekrivajo do 10% višine.
Za analizatorje, pri katerih se razdalja med vrhovi spreminja v območju delovne mase (večja kot je masa, manjša je razdalja), kot so kvadrupolni analizatorji, ionske pasti, analizatorji časa preleta, strogo gledano, ima ločljivost drugačen pomen . Ločljivost, ki je v tem primeru opredeljena kot M/DM, označuje specifično maso. Te masne analizatorje je smiselno označiti s širino vrhov, vrednost, ki ostane konstantna v celotnem masnem območju. Ta širina vrha se običajno meri pri 50 % njihove višine. Za takšne naprave je širina vrha pri polovici največjega, enaka 1, dober pokazatelj in pomeni, da je tak masni analizator sposoben razlikovati nominalne mase, ki se razlikujejo na enoto atomske mase v skoraj celotnem delovnem območju. Nazivna masa ali masno število je najbližje celo število natančni masi iona na lestvici enot atomske mase. Na primer, masa vodikovega iona H+ je 1,00787 amu, njegovo masno število pa 1. Takšni masni analizatorji, ki merijo predvsem nazivne mase, se imenujejo analizatorji nizke ločljivosti. Zapisali smo »predvsem« zato, ker danes obstajajo množični analizatorji, ki formalno spadajo med nizkoločljive, v resnici pa niso več takšni. Visoka tehnologija, predvsem najnaprednejšega razvijalca Thermo Electron, je trgu za analitično opremo že ponudila kvadrupolne instrumente visoke ločljivosti. Na primer, najnovejši FINNIGAN TSQQuantum enostavno deluje s širino vrha masnega spektra pri polovici največ 0,1 amu. Poznani ljudje lahko ugovarjajo: "Toda to širino vrha je mogoče dobiti na vsakem kvadrupolnem masnem spektrometru!" In imeli bodo prav, res, vsak kvadrupol je mogoče nastaviti na to raven ločljivosti. Toda kaj se zgodi s signalom? Pri premikanju od širine vrha pri polovici največ 1 a.m.u. do 0,1 amu moč signala pri vseh kvadrupolih bo padla za skoraj dva reda velikosti. Toda ne na TSQ Quantum, na njem se bo zmanjšal le za dva in pol krat. Ionske pasti v ozkem masnem območju lahko delujejo kot masni spektrometri visoke ločljivosti, ki zagotavljajo vsaj ločitev vrhov, ločenih z 1/4 a.m.u. drug od drugega. Masni spektrometri z dvojnim fokusom (magnetni in elektrostatični), ionsko-ciklotronska resonanca - instrumenti srednje ali visoke ločljivosti. Tipična ločljivost za magnetni instrument je >60.000, delovanje pri ločljivosti 10.000 - 20.000 pa je rutinsko. Na ionsko-ciklotronskem resonančnem masnem spektrometru pri masi okoli 500 a.m.u. zlahka dosežemo ločljivost 500.000, kar omogoča merjenje mase ionov z natančnostjo 4-5 decimalnih mest. Več tisoč ločljivost je mogoče doseči tudi z uporabo časovnih masnih analizatorjev, vendar pri velikih masah, v območju katerih ima ta naprava pravzaprav prednost pred drugimi, in ta ločljivost zadostuje le za merjenje ionska masa z natančnostjo +/- desetine amu Kot je razvidno iz zgornjega, je ločljivost tesno povezana z drugo pomembno lastnostjo - natančnostjo merjenja mase. Pomen te lastnosti lahko ponazorimo s preprostim primerom. Mase molekulskih ionov dušika (N2+) in ogljikovega monoksida (CO+) so 28,00615 amu. in 27,99491 amu (za oba je značilno enako masno število 28). Te ione bo masni spektrometer zabeležil ločeno pri ločljivosti 2500, natančna vrednost mase pa bo dala odgovor – kateri od plinov je zabeležen. Natančno merjenje mase je na voljo na instrumentih z dvojnim fokusom, na tandemskem kvadrupolnem masnem spektrometru TSQ Quantum in na ionskih ciklotronskih resonančnih masnih spektrometrih.

dinamični razpon. Če analiziramo zmes, ki vsebuje 99,99 % ene spojine ali elementa in 0,01 % neke nečistoče, moramo biti prepričani, da oboje pravilno določamo. Če želite biti prepričani o definiciji komponent v tem primeru, morate imeti razpon linearnosti 4 velikosti. Za sodobne masne spektrometre za organsko analizo je značilen dinamični razpon 5-6 redov velikosti, masni spektrometri za elementno analizo pa 9-12 redov velikosti. Dinamični razpon 10 redov velikosti pomeni, da bo nečistoča v vzorcu vidna tudi, če je 10 miligramov na 10 ton.

Občutljivost. To je ena najpomembnejših značilnosti masnih spektrometrov. Občutljivost je vrednost, ki kaže, koliko snovi je treba vnesti v masni spektrometer, da jo je mogoče zaznati. Zaradi poenostavitve bomo upoštevali parameter, povezan z občutljivostjo - najmanjšo zaznavno količino snovi ali prag zaznave. Tipičen prag detekcije za dober masni spektrometer plinske kromatografije, ki se uporablja za analizo organskih spojin, je 1 pikogram, ko se injicira 1 mikroliter tekočine. Predstavljajmo si, kaj je. Če s posebno brizgo zberemo 1 mikroliter tekočine (milijontino litra) in jo spustimo na list čistega belega papirja, potem ko jo pregledamo skozi povečevalno steklo, bomo videli piko, enako veliko sledi vboda s tanko iglo. Zdaj si predstavljajte, da smo 1 gram snovi (na primer eno tableto aspirina) vrgli v 1000 ton vode (na primer bazen, dolg 50 metrov, širok 10 metrov in globok 2 metra). Vodo v bazenu temeljito premešamo, z brizgo potegnemo 1 mikroliter te vode in jo vbrizgamo v plinsko kromatografsko-masni spektrometer. Kot rezultat analize bomo dobili masni spekter, ki ga lahko primerjamo s spektrom knjižnice in se z metodo prstnih odtisov prepričamo, da je to res acetilsalicilna kislina, sicer imenovana aspirin.

Meje zaznavanja anorganskih snovi, na primer z ICP/MS (FINNIGAN ELEMENT2), so še bolj impresivne. Tu bo bazen že premajhen za pripravo raztopine s koncentracijo, ki ustreza meji zaznave. Meja zaznavanja za FINNIGAN ELEMENT2 za številne kovine je 1 ppq (en del na kvadrilijon). To pomeni, da občutljivost naprave zadostuje za zaznavanje 1 kilograma kovine (na primer živega srebra, svinca itd.), raztopljene v Bajkalskem jezeru (pod pogojem, da je mešana in popolnoma raztopljena)!

V izotopski masni spektrometriji je na primer 800 - 1000 molekul ogljikovega dioksida (CO2, ogljikov dioksid) dovolj za pridobitev ogljikovega signala. Da bi dokazali natančnost in izotopsko občutljivost, s katerimi se ukvarja masna spektrometrija izotopov, se zatečimo k naslednji alegoriji. Recimo, da je za tisoč popolnoma enakih jabolk, od katerih vsako tehta 100 gramov, 11 jabolk, ki tehtajo 8 % več, to je 108 gramov. Vsa ta jabolka so zbrana v eni vrečki. Ta primer ustreza razmerju izotopov ogljika v naravi - na 1000 atomov 12C je 11 atomov 13C. Izotopska masna spektrometrija meri razmerja, torej ne loči le teh 11 jabolk, ampak med številnimi vrečkami najde tista, v katerih od 1000 stogramskih jabolk ni 11 sto osem gramov, ampak 10 ali 12. Primer je zelo enostaven za masno spektrometrijo izotopov , pravzaprav so instrumenti, kot so FINNIGAN DELTAPlus ADVANTAGE, DELTA Plus XP in FINNIGAN MAT253, sposobni določiti razliko enega izotopa (sto osemgramsko jabolko) med desetimi milijoni atomov (deset milijonov jabolka).

Najpomembnejša lastnost pri analizi organskih spojin je občutljivost. Da bi dosegli najvišjo možno občutljivost in hkrati izboljšali razmerje signal/šum, se zatečemo k detekciji za posamezne izbrane ione. V tem primeru je povečanje občutljivosti in selektivnosti ogromno, pri uporabi naprav z nizko ločljivostjo pa je treba žrtvovati še en pomemben parameter - zanesljivost. Konec koncev, če ste posneli samo en vrh iz celotnega karakterističnega masnega spektra, boste potrebovali veliko dela, da dokažete, da ta vrh ustreza točno tisti komponenti, ki vas zanima. Kako rešiti to težavo? Uporabite visoko ločljivost na instrumentih z dvojnim fokusom, kjer je mogoče doseči visoko stopnjo zvestobe, ne da bi pri tem žrtvovali občutljivost. Ali pa uporabite tandemsko masno spektrometrijo, kjer je mogoče vsak vrh, ki ustreza posameznemu ionu, potrditi z masnim spektrom hčerinskih ionov. Tako je absolutni prvak v občutljivosti organski kromatografsko-masni spektrometer visoke ločljivosti z dvojnim ostrenjem. Tako, na primer, značilnost potnega lista DFS navaja, da bo 2,3,7,8-tetrakloro-p-dibenzodioksin, uveden skozi kromatografsko kolono v količini 10 femtogramov, dal vrh, za katerega je značilen razmerje signal-šum. razmerje = 80: 1. Ni dosegljiv na nobenem drugem instrumentu!
Po značilnostih kombinacije občutljivosti z zanesljivostjo določanja komponent ionske pasti sledijo napravam z visoko ločljivostjo. Klasični kvadrupolni instrumenti nove generacije (TRACE DSQ II) so izboljšali zmogljivost zaradi številnih novosti, kot je uporaba ukrivljenega kvadrupolnega predfiltra, ki preprečuje, da bi nevtralni delci dosegli detektor in s tem zmanjša hrup.

Zakaj je potrebna masna spektrometrija

Globoki fizikalni zakoni, napreden znanstveni in inženirski razvoj, visokotehnološki vakuumski sistemi, visoke električne napetosti, najboljši materiali, najvišja kakovost njihove obdelave, najnovejša hitra digitalna in analogna elektronika in računalniška tehnologija, sofisticirana programska oprema - to je tisto, kar sodoben masni spektrometer je izdelan iz. In čemu je vse to? Odgovoriti na eno najpomembnejših vprašanj vesolja – iz česa je sestavljena snov. A to ni vprašanje visoke znanosti, ampak vsakdanjega človekovega življenja.

Na primer razvoj novih zdravil za reševanje ljudi pred prej neozdravljivimi boleznimi in nadzor proizvodnje zdravil, genski inženiring in biokemija, proteomika. Masna spektrometrija je raziskovalcem dala orodje za identifikacijo beljakovin, ugotavljanje, do kakšnih sprememb je prišlo v njihovi strukturi zaradi različnih interakcij, med njihovo reprodukcijo, določanje presnovnih poti različnih zdravil in drugih spojin ter identifikacijo metabolitov, razvoj novih ciljnih zdravil. Masna spektrometrija je edina metoda, ki rešuje vse te in številne druge probleme analitične biokemije.
Brez množične spektrometrije je nepredstavljiv nadzor nad nezakonito distribucijo narkotikov in psihotropnih zdravil, forenzične in klinične analize strupenih drog ter analize eksploziva.

Ugotovitev vira izvora je zelo pomembna za reševanje številnih vprašanj: na primer ugotavljanje izvora eksploziva pomaga pri iskanju teroristov, mamil – za boj proti njihovi distribuciji in blokiranje njihovih prometnih poti. Gospodarska varnost države je zanesljivejša, če lahko carinske službe ne le z analizami v dvomljivih primerih potrdijo državo izvora blaga, temveč tudi njegovo skladnost z deklarirano vrsto in kakovostjo. Analiza nafte in naftnih derivatov ni potrebna le za optimizacijo postopkov rafiniranja nafte ali geologov za iskanje novih naftnih polj, ampak tudi za identifikacijo odgovornih za razlitja nafte v oceanu ali na kopnem.

V dobi »kemizacije kmetijstva« je postalo zelo pomembno vprašanje prisotnosti v sledovih uporabljenih kemikalij (na primer pesticidov) v živilskih izdelkih. V sledovih lahko te snovi povzročijo nepopravljivo škodo zdravju ljudi.

Številne tehnogene (torej ne obstoječe v naravi, ampak posledica industrijske dejavnosti človeka) so supertoksične snovi (ki imajo strupene, rakotvorne ali škodljive učinke na zdravje ljudi v izjemno nizkih koncentracijah). Primer je dobro znani dioksin.

Obstoj jedrske energije je nepredstavljiv brez masne spektrometrije. Z njegovo pomočjo se določi stopnja obogatitve cepljivih materialov in njihova čistost.

Seveda medicina ni popolna brez masne spektrometrije. Izotopska masna spektrometrija ogljikovih atomov se uporablja za neposredno medicinsko diagnostiko okužbe človeka s Helicobacter Pylori in je najbolj zanesljiva od vseh diagnostičnih metod.
HPLC/MS sistemi so glavno analitično orodje pri razvoju novih zdravil. Brez te metode ni mogoče opustiti nadzora kakovosti proizvedenih zdravil in odkrivanja tako pogostega pojava, kot je njihovo ponarejanje.
Proteomika je dala medicini možnost ultrazgodnje diagnoze najhujših bolezni človeštva – rakavih tumorjev in srčnih motenj. Določitev specifičnih beljakovin, imenovanih biomarkerji, omogoča zgodnjo diagnozo v onkologiji in kardiologiji.

Težko si je predstavljati področje človeške dejavnosti, kjer ne bi bilo prostora za masno spektrometrijo. Omejujemo se le na naštevanje: biokemija, klinična kemija, splošna kemija in organska kemija, farmacija, kozmetika, parfumerija, živilska industrija, kemična sinteza, petrokemija in rafiniranje nafte, nadzor okolja, proizvodnja polimerov in plastike, medicina in toksikologija, forenzika, dopinška kontrola, kontrolna zdravila, kontrola alkoholnih pijač, geokemija, geologija, hidrologija, petrografija, mineralogija, geohronologija, arheologija, jedrska industrija in energetika, polprevodniška industrija, metalurgija.

Masni spektrometer je naprava za določanje mase atomov (molekul) glede na naravo gibanja njihovih ionov v galvanskem in magnetnem ozadju.

Navigacija:

Nevtralni delec ni izpostavljen galvanskemu in magnetnemu polju. Kljub temu, če mu odvzamemo enega ali več elektronov ali mu dodamo enega ali več elektronov, se v tem primeru spremeni v ion, katerega vrsta gibanja v teh poljih je dovolj vnaprej določena z njegovo težo in nabojem. Vsekakor v masnih spektrometrih ni določena masa, temveč razporeditev mase za naboj. Če je zaloga znana, potem je nedvomno določen masni pomen iona in posledično masa vmesnega atoma in njegovega jedra. Strukturno se lahko masni spektrometri med seboj zelo razlikujejo. Uporabljajo lahko tako statična polja kot časovno spremenljiva polja, magnetna ali galvanska.

Masni spektrometer je sestavljen iz naslednjih ključnih elementov:

• Heteropolarni vir, kjer se vmesni atomi pretvorijo v ione (na primer pred izpostavljenostjo segrevanju ali mikrovalovnemu polju) in pospešujejo z galvanskim poljem;
• Krogle stalnih električnih in magnetnih polj;
• Ionski sprejemnik, ki označuje lokacijo območij, kjer so določeni ioni, ki so prečkali ta polja.

Masni spektrometer

Kromato-masni spektrometer

Koncept CMS s kombiniranim kvadrupolnim časovnim masnim spektrometrom visoke ločljivosti z elektrospray ionizacijo omogoča, da opazimo in določimo tako razporeditev LED in njihovih metabolitov kot tudi neznane razporeditve v širokem masnem spektru od 20 do 40 000. Nedvomno (zdravila, narkotične snovi, pesticidi itd.), da se izvede skupna študija glavnega dela in delov v sledovih, da se vnaprej določi pravo izotopsko razmerje, da se jasno določijo molekularne formule. Različni interval pri številčni oceni je več kot 4 rede velikosti. Uporablja se za numerično vrednotenje sintez. Naprava ima edinstvene lastnosti: ločljivost več kot 35.000 FWHM, natančnost molekulske mase manj kot 0,7 ppm, najvišjo občutljivost pri najvišji ločljivosti. Visoka stopnja prepoznavanja informacij - do 60 spektrov na sekundo.

Kromato-masni spektrometer

Znanstveniki že dolgo iščejo alternativo magnetu v lastnini masnega analizatorja. Leta 1953 je Wolfgang Paul, ki je kasneje prejel Nobelovo nagrado za fiziko leta 1989, orisal prvo napravo s kvadrupolnim analizatorjem. Razvoj kvadrupolnih masnih analizatorjev je revolucioniral masno spektrometrijo. Magnetni masni analizatorji zahtevajo uporabo najvišjih napetosti (tisoč voltov), ​​medtem ko kvadrupoli ne, in to poenostavlja njihov sistem, najmanjši volumni vakuumske frakcije poenostavljajo koncept nastanka vakuuma. Masni spektrometri so postali manjši, enostavnejši za upravljanje in, kar je najpomembneje, veliko bolj ekonomični, da bi odprli možnost uporabe te analitične metode več tisoč uporabnikom. Pomanjkljivosti kvadrupolov vključujejo nizko ločljivost in majhen vrh največje zaznane mase (m/z ~ 4100). Vendar pa trenutni masni analizatorji omogočajo odkrivanje ionov s korespondenco m/z~350.

Načelo delovanja

Kvadrupol vključuje 4 istočasno in simetrično nameščene monopole (elektrode popolnega prereza). Pogojena kombinacija neprekinjene in induktivne napetosti se nanaša na elektrode v dveh v obratni polarnosti.

Pod vplivom rahle pospeševalne napetosti (15-25 V) ioni vstopijo sinhrono z osmi elektrodnih palic. Pred delovanjem nihajnega polja, ki ga vnaprej določijo elektrode, se začnejo premikati vzdolž osi x in y. V tem primeru se amplituda nihanj poveča brez spreminjanja smeri gibanja. Ioni, katerih amplitude dosežejo najvišje vrednosti, se ob trku z elektrodami nevtralizirajo. Samo ti ioni, katerih vrednosti m/z bodo ustrezale uveljavljeni U/V korespondenci, pridobijo stabilno amplitudo. Slednje jim omogoča prosto gibanje v kvadrupolu in jih zaznati v končnem rezultatu. Na podoben način je razpon mase fiksiran s potjo medsebojnega preobrata vrednosti U in V.

Kvadrupolni masni spektrometer

Magnetni masni spektrometer

V magnetnih masnih spektrometrih se za distribucijo ionov v masnih analizatorjih uporablja homogeno magnetno polje. V tem primeru lahko številčno opišemo premike siliranja ionov v galvansko območje in njihovo porazdelitev v magnetnem območju.

Magnetni masno-termični analizator - naprava za prostorsko in časovno porazdelitev ionov z različno pomembnostjo razmerja masa-naboj, ki se uporablja za razporeditev magnetnega polja.

Zgodovinsko gledano je bil prvotni analizator mase magnet. V skladu s fizikalnim zakonom je linija nabitih elementov v magnetnem polju popačena, polmer ukrivljenosti pa je odvisen od mase elementov.

Obstajajo različne geometrije magnetnih masnih analizatorjev, v katerih se meri bodisi polmer ukrivljenosti bodisi magnetno polje. Magnetni masni spektrometri imajo najvišjo ločljivost in se lahko uporabljajo s popolnoma vsemi vrstami ionizacije. Kljub pomembnim prednostim sedanjih pred drugimi (najvišja ločljivost, visoka zanesljivost meritev in velik razpon delovne mase) imajo 2 glavni pomanjkljivosti - ta oprema je ogromna, tako po prostornini kot po ceni.

Magnetni masni spektrometer

To je preprosta vrsta masnega analizatorja. V masnem analizatorju časa preleta ioni padejo iz vira in končajo v časovni cevi, kjer ni galvanskega polja (obdobje brez polja). Ko preletijo določen interval d, se ioni fiksirajo z ionskim senzorjem z ravno ali skoraj ravno pritrdilno površino. V letih 1951-1971 je bil v lastništvu ionskega senzorja uporabljen sekundarni električni množitelj "louver type", kasneje je bil uporabljen kompozitni detektor, ki je uporabljal 2 ali občasno 3 mikrokanalne plošče v seriji.

Masno-termični analizator časa preleta je predstavljen z pulzirajočim masnim analizatorjem, to pomeni, da se ioni prenašajo iz vira ionov v element za čas preleta ne stalno, ampak v odmerkih z uporabo določenih časovnih intervalov. Takšni masni analizatorji so združljivi z matrično podprto lasersko desorpcijsko ionizacijo, tako kot pri tej ionizacijski metodi tudi ioni nastajajo ne konstantno, ampak pri vsakem laserskem impulzu.

Časovni masni spektrometer

Agilent masni spektrometri

Masni spektrometer je že dolgo veljal za odličen detektor za plinsko kromatografijo. Spektri, pridobljeni z masno spektrometrično podporo senzorja, zagotavljajo enake informacije o sestavi preskusa visoke kakovosti, ki jih drugi senzorji za plinsko kromatografijo ne morejo zagotoviti. Masni spektrometrični detektor ima veliko občutljivost, poleg tega uniči vzorec, zagotovi podatke o masi in hitreje prepozna homologe kot izomere.

Agilentovi zelo zanesljivi masni spektrometri izpolnjujejo najzahtevnejše pogoje in izzive. Proizvajalci lahko zdaj uvedejo linijo visoko natančnih progresivnih masnih spektrometrov za GC in HPLC.

Agilent masni spektrometer

Masni spektrometer
masni spektrometer

Masni spektrometer - naprava za določanje mase atomov (molekul) po naravi gibanja njihovih ionov v električnem in magnetnem polju.
Na nevtralni atom ne vplivajo električna in magnetna polja. Če pa mu odvzamemo enega ali več elektronov ali mu dodamo enega ali več elektronov, se bo spremenil v ion, katerega narava gibanja v teh poljih bo določena z njegovo maso in nabojem. Strogo gledano, v masnih spektrometrih ni določena masa, temveč razmerje med maso in nabojem. Če je naboj znan, je masa iona enolično določena in s tem masa nevtralnega atoma in njegovega jedra. Strukturno se lahko masni spektrometri med seboj močno razlikujejo. Uporabljajo lahko tako statična polja kot časovno spremenljiva magnetna in/ali električna polja.

Razmislite o eni najpreprostejših možnosti.
Masni spektrometer je sestavljen iz naslednjih glavnih delov:
a) ionski vir, kjer se nevtralni atomi pretvorijo v ione (na primer pod vplivom segrevanja ali mikrovalovnega polja) in jih pospešuje električno polje, b) območja stalnih električnih in magnetnih polj, in v) ionski sprejemnik, ki določa koordinate točk, kamor padajo ioni, ki prečkajo ta polja.
Iz ionskega vira 1 pospešeni ioni skozi režo 2 padejo v območje 3 konstantnih in enotnih električnih E in magnetnih B 1 polj. Smer električnega polja je določena s položajem kondenzatorskih plošč in je prikazana s puščicami. Magnetno polje je usmerjeno pravokotno na ravnino figure. V območju 3 električni E in magnetno polje B 1 odklanjata ione v nasprotnih smereh, velikosti jakosti električnega polja E in indukcije magnetnega polja B 1 pa so izbrane tako, da sile njunega delovanja na ione (oziroma qE in qvB 1 , kjer je q naboj in v hitrost ionov) medsebojno kompenzirali, t.j. je bilo qЕ = qvB 1 . S hitrostjo iona v = E/B 1 se giblje brez odstopanja v območju 3 in preide skozi drugo režo 4 ter pade v območje 5 enotnega in konstantnega magnetnega polja z indukcijo B 2 . V tem polju se ion premika vzdolž kroga 6, katerega polmer R je določen iz razmerja
Mv 2 /R = qvB 2, kjer je M masa iona. Ker je v \u003d E / B 1, se masa iona določi iz razmerja

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

Tako je pri znanem ionskem naboju q njegova masa M določena s polmerom R krožna orbita v območju 5. Za izračune je priročno uporabiti razmerje v sistemu enot, podanih v oglatih oklepajih:

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

Če je kot detektor ionov 7 uporabljena fotografska plošča, bo ta polmer z visoko natančnostjo prikazan s črno piko na mestu razvite fotografske plošče, kamor je zadel ionski žarek. Sodobni masni spektrometri običajno uporabljajo elektronske množitelje ali mikrokanalne plošče kot detektorje. Masni spektrometer omogoča določanje mas z zelo visoko relativno natančnostjo ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
Analiza mešanice atomov različnih mas z masnim spektrometrom omogoča tudi določitev njihove relativne vsebnosti v tej mešanici. Zlasti je mogoče ugotoviti vsebnost različnih izotopov katerega koli kemičnega elementa.

Uporaba masne spektrometrije

• · Nuklearna energija;
• · Arheologija;
• · Petrokemija;
• · Geokemija (izotopska geohronologija);
• · Agrokemija;
• · Kemična industrija;
• · Analiza polprevodniških materialov, ultra čistih kovin, tankih filmov in praškov (na primer oksidi U in REE);
• · Farmacevtski izdelki - za nadzor kakovosti proizvedenih zdravil in odkrivanje ponaredkov;
• · Medicinska diagnostika;
• · Biokemija - identifikacija beljakovin, študij presnove zdravil.

Kromato-masna spektrometrija

Kromato-masna spektrometrija je metoda za analizo zmesi pretežno organskih snovi in ​​določanje sledovih snovi v volumnu tekočine. Metoda temelji na kombinaciji dveh neodvisnih metod – kromatografije in masne spektrometrije. S pomočjo prvega se zmes loči na komponente, s pomočjo drugega - identifikacija in določitev strukture snovi, kvantitativna analiza. Obstajata 2 različici kromatografsko-masne spektrometrije, ki sta kombinacija masne spektrometrije s plinsko-tekočinsko kromatografijo (GLC) ali visoko zmogljivo tekočinsko kromatografijo.

riž. deset.

Prve študije analitičnih zmogljivosti kromato-masne spektrometrije so bile izvedene v petdesetih letih prejšnjega stoletja, prvi industrijski instrumenti so združili plinsko-tekočinski kromatograf in

masni spektrometer, se je pojavil v 60. letih. Temeljna združljivost teh dveh instrumentov je posledica dejstva, da je v obeh primerih analizirana snov v plinski fazi, intervali delovnih temperatur so enaki, meje detekcije (občutljivosti) pa blizu. Razlika je v tem, da se v ionskem viru masnega spektrometra vzdržuje visok vakuum (10 -5 - 10 -6 Pa), medtem ko je tlak v kromatografski koloni 10 5 Pa. Za znižanje tlaka se uporablja separator, ki je na enem koncu povezan z izhodom kromatografske kolone, na drugem koncu pa z ionskim virom masnega spektrometra. Separator odstrani glavni del nosilnega plina iz plinskega toka, ki zapušča kolono, in organska snov preide v masni spektrometer. V tem primeru se tlak na izstopu iz kolone zmanjša na delovni tlak v masnem spektrometru.

Načelo delovanja separatorjev temelji bodisi na razliki v mobilnosti molekul nosilnega plina in analita bodisi na njihovi različni prepustnosti skozi polprepustno membrano. V industriji se najpogosteje uporabljajo injektorski separatorji, ki delujejo po prvem principu. Enostopenjski separatorji te vrste vsebujejo dve šobi z luknjami majhnega premera, ki sta nameščeni točno drug proti drugemu. V volumnu med šobami se ustvari tlak 1,33 Pa. Pretok plina iz kromatografske kolone skozi prvo šobo z nadzvočno hitrostjo vstopi v območje vakuuma, kjer se molekule širijo s hitrostmi, obratno sorazmernimi z njihovo maso. Posledično se lažje in hitrejše molekule nosilnega plina izčrpajo, počasnejše molekule organske snovi pa vstopijo v luknjo druge šobe in nato v ionski vir masnega spektrometra. Nekateri instrumenti so opremljeni z dvostopenjskim separatorjem, opremljenim z drugim podobnim blokom šob. V volumnu med njima nastane visok vakuum. Lažje kot so molekule nosilnega plina, bolj učinkovito se odstranijo iz toka plina in večja je obogatitev z organskimi snovmi.

Najprimernejši nosilni plin za kromato-masno spektrometrijo je helij. Učinkovitost separatorja, t.j. razmerje med količino organske snovi v plinskem toku, ki zapušča kolono, in količino, ki vstopa v masni spektrometer, je v veliki meri odvisno od pretoka nosilnega plina, ki vstopa v separator. Pri optimalni hitrosti pretoka 20-30 ml/min se odstrani do 93 % nosilnega plina, več kot 60 % analita pa vstopi v masni spektrometer. Ta pretok nosilnega plina je značilen za nabito kolo. V primeru uporabe kapilarne kromatografske kolone pretok nosilnega plina ne presega 2-3 ml/min, zato se na njegovem izstopu plinskemu toku doda dodatna količina nosilnega plina, tako da se pretok vstop v separator doseže 20-30 ml/min. To zagotavlja najboljšo učinkovitost separatorja. Fleksibilne kremenčeve kapilarne kolone se lahko vbrizgajo neposredno v ionski vir. V tem primeru mora biti ionski vir opremljen z močnim črpalnim sistemom, ki vzdržuje visok vakuum.

Masni spektrometri, povezani s plinskimi kromatografi, uporabljajo ionizacijo z elektronskim udarcem, kemično ali poljsko ionizacijo. Kromatografske kolone morajo vsebovati nehlapne in termično stabilne nepremične tekoče faze, tako da se masni spekter njihovih hlapov ne prekriva s spektrom analita.

Analit (običajno v raztopini) vnesemo v uparjalnik kromatografa, kjer v trenutku izhlapi, hlapi, pomešani z nosilnim plinom pod tlakom, pa vstopijo v kolono. Tu se zmes loči in vsaka komponenta v toku nosilnega plina, ko eluira iz kolone, vstopi v separator. V separatorju se v glavnem odstrani nosilni plin in plinski tok, obogaten z organsko snovjo, vstopi v ionski vir masnega spektrometra, kjer se molekule ionizirajo. Število nastalih ionov v tem primeru je sorazmerno s količino vhodne snovi. Kromatogrami se beležijo s senzorjem, nameščenim v masnem spektrometru, ki se odziva na spremembe skupnega ionskega toka. Tako lahko masni spektrometer obravnavamo kot univerzalni detektor za kromatograf. Hkrati s snemanjem kromatograma na kateri koli točki, običajno na vrhu kromatografskega vrha, je mogoče posneti masni spekter, ki omogoča ugotavljanje strukture snovi.

Pomemben pogoj za delovanje naprave je hitro snemanje masnega spektra, ki ga je treba posneti v času, veliko krajšem od časa kromatografskega vrha. Počasno snemanje masnega spektra lahko popači razmerje med najvišjimi intenzivnostmi v njem. Hitrost registracije masnega spektra (hitrost skeniranja) določa masni analizator. Najkrajši čas skeniranja celotnega masnega spektra (nekaj milisekund) zagotavlja kvadrupolni analizator. V sodobnih masnih spektrometrih, opremljenih z računalnikom, se izdelava kromatogramov in obdelava masnih spektrov izvaja avtomatsko. V rednih časovnih presledkih, ko se komponente zmesi eluirajo, se snemajo masni spektri, katerih kvantitativne značilnosti se kopičijo v računalniškem pomnilniku. Za vsako skeniranje se dodajo intenzivnosti vseh registriranih ionov. Ker je ta skupna vrednost (skupni ionski tok) sorazmerna koncentraciji snovi v ionskem viru, se uporablja za izgradnjo kromatograma (ta vrednost je narisana vzdolž ordinatne osi, vzdolž osi abscise - retencijski čas in skenirano število ). Z nastavitvijo številke skeniranja lahko prikličete masni spekter iz spomina na kateri koli točki kromatograma.

Kot je opisano zgoraj, je mogoče analizirati zmesi snovi, ki so dovolj dobro ločene na ustreznih kolonah plinske kromatografije-masne spektrometrije. Včasih je mogoče raziskati tudi nerazrešene kromatografske vrhove. Preučevane snovi morajo biti termično stabilne, kromatografsko gibljive v območju delovne temperature kolone in se pri temperaturi uparjalnika zlahka prenašajo v parno fazo. Če snovi ne izpolnjujejo teh zahtev, jih je mogoče kemično modificirati, na primer s sililacijo, alkilacijo ali acilacijo hidroksi, karboksi, merkapto, amino skupin.

Občutljivost plinske kromatografije-masne spektrometrije (običajno 10 -6 -10 -9 g) je določena z občutljivostjo detektorja masnega spektrometra. Bolj občutljiva (10 -12 -10 -15 g) vrsta kromato-masne spektrometrije je masna fragmentografija, imenovana tudi selektivna ionska ali večionska detekcija. Njegovo bistvo je v tem, da se kromatogrami ne beležijo s skupnim ionskim tokom, temveč z najbolj značilnimi ioni za dano snov. Ta vrsta plinske kromatografije-masne spektrometrije se uporablja za iskanje, identifikacijo in kvantificiranje snovi z znanim masnim spektrom v kompleksni zmesi, na primer pri kvantitativnem določanju snovi v sledovih v velikih količinah bioloških tekočin (medicina, farmakologija, toksikologija, dopinška kontrola, biokemija). Izvedite množično fragmentografijo na kromato-masnih spektrometrih s posebno napravo - večionskim detektorjem ali z uporabo računalnika, ki lahko sestavi kromatograme za enega ali več ionov. Tak kromatogram za razliko od običajnega vsebuje vrhove samo tistih komponent, katerih masni spektri vsebujejo takšne ione. Analiza poteka z uporabo internega standarda, ki se pogosto uporablja kot analog želene snovi, označen s stabilnimi izotopi (2 H, 13 C, 15 N, 18 O).

Druga možnost za kromato-masno spektrometrijo je kombinacija visoko zmogljive tekočinske kromatografije in masne spektrometrije. Metoda je namenjena analizi mešanic težko hlapnih, polarnih snovi, ki jih ni mogoče analizirati z metodo kromato-masne spektrometrije GJ. Za vzdrževanje vakuuma v ionskem viru masnega spektrometra je potrebno odstraniti topilo, ki prihaja iz kromatografa s hitrostjo 0,5–5 ml/min. Da bi to naredili, del toka tekočine preide skozi luknjo več mikronov, zaradi česar nastanejo kapljice, ki nato padejo v ogrevano cono, kjer večina topila izhlapi, preostanek pa skupaj s snovjo. , vstopi v ionski vir in se kemično ionizira.

Številne industrijske naprave izvajajo načelo transportnega traku. Eluat iz kolone vstopi v gibljivi trak, ki gre skozi IR-ogreto komoro, kjer topilo izhlapi. Nato trak s snovjo preide skozi območje, ogreto z drugim grelcem, kjer analit izhlapi, nato pa vstopi v ionski vir in se ionizira. Učinkovitejši način združevanja visoko zmogljivega plinsko-tekočinskega kromatografa in masnega spektrometra temelji na elektrorazprševanju in termičnem razprševanju. V tem primeru eluat spustimo skozi kapilaro, segreto na 150°C, in razpršimo v vakuumsko komoro. Pufrski ioni, prisotni v raztopini, sodelujejo pri tvorbi ionov. Nastale kapljice nosijo pozitiven ali negativen naboj. Zaradi majhnega premera se vzdolž kapljice ustvari visok gradient električnega polja, ki se ta gradient povečuje, ko se kapljica razbije. V tem primeru pride do desorpcije iz kapljic protoniranih ionov ali grozdov (molekula snovi + puferski kation).

Metoda kromato-masne spektrometrije se uporablja v strukturnih in analitičnih študijah organske kemije, petrokemije, biokemije, medicine, farmakologije, varstva okolja itd.