Šta se dešava sa uzorcima krvi koje donirate za kliničku analizu? Koliko teži vaš hemoglobin? Kako naučnici uopće vagaju molekule - najsitnije čestice materije koje se ne mogu vidjeti ili dodirnuti? O svemu ovome u okviru rubrike „Upravo o kompleks” T&P.

Vrlo često, istraživačke metode su od interesa samo za specijaliste u određenim oblastima i ostaju u sjeni fundamentalnijih problema, kao što su porijeklo života ili principi ljudske svijesti. Ipak, da biste pronašli odgovor na „glavno pitanje života, svemira i svega ostalog“, prvo morate naučiti kako odgovoriti na jednostavnija pitanja. Na primjer, kako izvagati molekul? Malo je vjerovatno da će obične vage pomoći ovdje: masa molekula metana je oko 10 ^ (-23) grama. Molekul hemoglobina, veliki i složeni protein, teži nekoliko puta više - 10^(-20) grama. Jasno je da je potreban neki drugi pristup problemu, jer mjerni instrumenti na koje smo navikli nisu primjenjivi na njega. Također moramo shvatiti da kada vagamo jabuke u trgovini ili stojimo na vagi nakon treninga, mi zapravo mjerimo silu koja djeluje na uređaj - vagu. Zatim slijedi konverzija u uobičajene jedinice - grame i kilograme.

Ali kako izmjeriti molekulu? Ovdje nam je priroda ostavila rupu. Ispostavilo se da nabijene čestice "osjete" prisutnost električnog i magnetskog polja i mijenjaju putanju i prirodu svog kretanja. Na nabijene čestice djeluju i sile, čija se veličina može preračunati u omjeru mase i naboja. Ova metoda je danas prilično popularna i naziva se masena spektrometrija. Pionirom masene spektrometrije smatra se Sir J. J. Thomson, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku. Skrenuo je pažnju na činjenicu da se nabijene čestice kreću u magnetskom polju duž paraboličkih putanja proporcionalno odnosu njihove mase i naboja.

Šema rada masenog spektrometra sastoji se od nekoliko faza. Prije svega, analit mora proći jonizaciju. Zatim ulazi u sistem za transport jona, koji mora isporučiti naelektrisane čestice u analizator mase. U analizatoru mase dolazi do razdvajanja jona u zavisnosti od omjera mase i naboja. Konačno, joni dolaze do detektora, podaci iz kojeg se analiziraju pomoću posebnog softvera. Tako dobijena slika je spektar, odnosno raspodjela čestica. Jedna od osa ovog grafikona je omjer mase i naboja, druga je intenzitet. Svaki od vrhova na takvom grafikonu bit će karakterističan za jone određene tvari, tako da ulazak stranih tvari u uređaj, poput zraka, može dovesti do izobličenja rezultata. Da bi se to izbjeglo, koristi se vakuumski sistem.

Relativno jednostavan fizički koncept ove metode zahtijeva niz netrivijalnih inženjerskih rješenja. Kako jonizirati molekule? Kako stvoriti elektromagnetno polje? Atomi i molekuli su električno neutralni, stoga je za izvođenje spektrometrijskih mjerenja mase potrebno ih ionizirati, odnosno ukloniti elektrone sa vanjskih atomskih orbitala ili dodati proton. Važnu ulogu igra vrsta uzorka sa kojim se radi. Za proučavanje neorganskih supstanci - metala, legura, stijena - potrebno je koristiti jednu metodu, za organske tvari prikladne su druge. Vrlo mnoge organske tvari (kao što su DNK ili polimeri) teško se isparavaju, odnosno pretvaraju u plin, bez raspadanja, što znači da proučavanje živog tkiva ili bioloških uzoraka zahtijeva korištenje posebnih metoda. Osim toga, tokom jonizacije, molekuli se mogu raspasti u zasebne fragmente. Dakle, ponovo se suočavamo sa pitanjem: šta ćemo tačno mjeriti? Masa cijelog molekula ili masa fragmenata? I jedno i drugo je važno. Štaviše, nakon mjerenja mase cijele molekule, istraživači je često namjerno razbijaju na komade. Dakle, nakon što smo odredili masu strukturnih elemenata proteina, određujemo i njihovu količinu, što nam omogućava da izvučemo zaključke o njegovom kemijskom sastavu i strukturi.

Sve ovo ukazuje na niz postojećih masenih spektrometara, od kojih se svaki koristi za rješavanje problema u određenoj oblasti. Ova metoda je praktički neophodna u slučajevima kada naučnici trebaju utvrditi hemijski sastav supstance. Farmaceuti koriste masovne spektrometrijske eksperimente u razvoju lijekova, farmakokinetici (to jest, biokemijskim procesima koji se javljaju u tijelu kada se lijek uzima) i metabolizmu. Biološki naučnici koriste masenu spektrometriju za analizu proteina, peptida i nukleinskih kiselina. Osim toga, ako želimo provjeriti kvalitetu vode ili hrane, onda opet ne možemo bez ove metode.

Posebno inovativno područje primjene masene spektrometrije je medicinska dijagnostika. Strukturne promjene u proteinima našeg tijela dovode do razvoja mnogih bolesti: obično se klasificiraju prema formiranju karakterističnog komada, markerskog peptida. Ako se takva mutacija otkrije na vrijeme, tada je moguće liječiti bolest u ranoj fazi. Osim toga, zahvaljujući modernim masenim spektrometrima, postaje moguće provoditi studije ove vrste u realnom vremenu - na primjer, tokom neurohirurške operacije. Ovo vam omogućava da precizno odredite granice između zdravog tkiva i tumora, što je kritično za hirurge.

Na prvi pogled naizgled suvo i uskoprofilno, masena spektrometrija, nakon detaljnijeg razmatranja, pokazuje se kao iznenađujuće bogato polje koje kombinuje široku klasu aplikacija sa neobičnim inženjerskim rešenjima. Nauka pokazuje da su odgovori na manje fundamentalna pitanja ponekad jednako zanimljivi.

Primjena masene spektrometrije

• · Nuklearna energija;
• · Arheologija;
• · Petrohemija;
• · Geohemija (geohronologija izotopa);
• · Agrohemija;
• · Hemijska industrija;
• · Analiza poluvodičkih materijala, ultra čistih metala, tankih filmova i prahova (na primjer, oksida U i REE);
• · Farmaceutika - za kontrolu kvaliteta proizvedenih lijekova i otkrivanje krivotvorina;
• · Medicinska dijagnostika;
• · Biohemija - identifikacija proteina, proučavanje metabolizma lijekova.

Kromato-masena spektrometrija

Kromato-masena spektrometrija je metoda za analizu mješavina uglavnom organskih supstanci i određivanje količine supstanci u tragovima u tečnom volumenu. Metoda se zasniva na kombinaciji dvije nezavisne metode - hromatografije i masene spektrometrije. Uz pomoć prvog, smjesa se razdvaja na komponente, uz pomoć drugog - identifikacija i određivanje strukture tvari, kvantitativna analiza. Postoje 2 varijante hromatografije-masene spektrometrije, koje su kombinacija masene spektrometrije sa gasno-tečnom hromatografijom (GLC) ili tečnom hromatografijom visokih performansi.

Rice. deset.

Prve studije analitičkih sposobnosti hromato-masene spektrometrije sprovedene su 1950-ih, prvi industrijski instrumenti koji su kombinovali gasno-tečni hromatograf i

maseni spektrometar, pojavio se 60-ih godina. Osnovna kompatibilnost ova dva instrumenta je zbog činjenice da je u oba slučaja analizirana supstanca u gasnoj fazi, intervali radne temperature su isti, a granice detekcije (osetljivosti) su blizu. Razlika je u tome što se u izvoru jona masenog spektrometra održava visoki vakuum (10 -5 - 10 -6 Pa), dok je pritisak u hromatografskoj koloni 10 5 Pa. Za smanjenje pritiska koristi se separator, koji je jednim krajem spojen na izlaz kromatografske kolone, a drugim krajem na izvor jona masenog spektrometra. Separator uklanja glavni dio plina nosača iz struje plina koja napušta kolonu, a organska tvar prelazi u maseni spektrometar. U tom slučaju, pritisak na izlazu iz kolone se smanjuje na radni pritisak u masenom spektrometru.

Princip rada separatora zasniva se ili na razlici u pokretljivosti molekula gasa nosača i analita, ili na njihovoj različitoj propusnosti kroz polupropusnu membranu. U industriji se najčešće koriste injektorski separatori koji rade po prvom principu. Jednostepeni separatori ovog tipa sadrže dvije mlaznice s rupama malog promjera, koje su postavljene tačno jedna nasuprot drugoj. U zapremini između mlaznica stvara se pritisak od 1,33 Pa. Struja plina iz hromatografske kolone kroz prvu mlaznicu nadzvučnom brzinom ulazi u područje vakuuma, gdje se molekuli šire brzinama obrnuto proporcionalnim njihovoj masi. Kao rezultat toga, lakši i brži molekuli plina nosača se ispumpavaju, a sporiji molekuli organske tvari ulaze u otvor druge mlaznice, a zatim u izvor jona masenog spektrometra. Neki instrumenti su opremljeni dvostepenim separatorom opremljenim drugim sličnim blokom mlaznica. U volumenu između njih stvara se visoki vakuum. Što su molekuli gasa nosača lakši, to se efikasnije uklanjaju iz struje gasa i to je veće obogaćivanje organskom materijom.

Najprikladniji gas nosač za hromato-masenu spektrometriju je helijum. Efikasnost separatora, tj. Odnos količine organske materije u struji gasa koji izlazi iz kolone i količine koja ulazi u maseni spektrometar u velikoj meri zavisi od brzine protoka gasa nosača koji ulazi u separator. Pri optimalnoj brzini protoka od 20-30 ml/min uklanja se do 93% gasa nosača, a više od 60% analita ulazi u maseni spektrometar. Ova brzina protoka gasa-nosača je tipična za nabijene kolone. U slučaju upotrebe kapilarne hromatografske kolone, brzina protoka gasa nosača ne prelazi 2-3 ml/min, stoga se na njegovom izlazu u struju gasa dodaje dodatna količina gasa nosača tako da brzina protoka ulazi u separator dostiže 20–30 ml/min. Ovo osigurava najbolju efikasnost separatora. Fleksibilne kvarcne kapilarne kolone mogu se ubrizgati direktno u izvor jona. U ovom slučaju, jonski izvor mora biti opremljen snažnim pumpnim sistemom koji održava visok vakuum.

Maseni spektrometri povezani na plinske hromatografe koriste elektronsku udarnu jonizaciju, hemijsku ili ionizaciju na polju. Kromatografske kolone treba da sadrže neisparljive i termički stabilne stacionarne tekuće faze tako da se maseni spektar njihovih para ne preklapa sa spektrom analita.

Analit (obično u rastvoru) se uvodi u isparivač hromatografa, gde trenutno isparava, a pare pomešane sa gasom-nosačem pod pritiskom ulaze u kolonu. Ovdje se smjesa odvaja i svaka komponenta u protoku plina nosača, kako eluira iz kolone, ulazi u separator. U separatoru se gas nosilac uglavnom uklanja i struja gasa obogaćena organskom materijom ulazi u izvor jona masenog spektrometra, gde se molekuli jonizuju. Broj nastalih jona u ovom slučaju proporcionalan je količini pristigle tvari. Korištenjem senzora ugrađenog u maseni spektrometar, koji reagira na promjene ukupne struje jona, snimaju se hromatogrami. Stoga se maseni spektrometar može smatrati univerzalnim detektorom za hromatograf. Istovremeno sa snimanjem hromatograma u bilo kojoj tački, obično na vrhu hromatografskog vrha, može se snimiti maseni spektar, koji omogućava utvrđivanje strukture supstance.

Važan uslov za rad uređaja je brzo snimanje masenog spektra, koji se mora snimiti u vremenu mnogo kraćem od vremena hromatografskog pika. Sporo snimanje spektra mase može poremetiti odnos vršnih intenziteta u njemu. Brzina registracije masenog spektra (brzina skeniranja) se određuje pomoću analizatora mase. Najkraće vrijeme skeniranja punog spektra mase (nekoliko milisekundi) osigurava kvadrupolni analizator. U savremenim masenim spektrometrima opremljenim kompjuterom, konstrukcija hromatograma i obrada masenih spektra se vrši automatski. U pravilnim intervalima, kako se komponente smjese eluiraju, snimaju se maseni spektri, čije se kvantitativne karakteristike akumuliraju u memoriji računala. Za svako skeniranje dodaju se intenziteti svih registrovanih jona. Budući da je ova ukupna vrijednost (ukupna jonska struja) proporcionalna koncentraciji tvari u izvoru jona, koristi se za izradu kromatograma (ova vrijednost je iscrtana duž ordinatne ose, duž ose apscise - vrijeme zadržavanja i broj skeniranja ). Postavljanjem broja skeniranja, možete pozvati maseni spektar iz memorije u bilo kojoj tački hromatograma.

Kao što je gore opisano, mogu se analizirati mješavine supstanci koje su dovoljno dobro razdvojene na odgovarajućim kolonama gasne hromatografije-masene spektrometrije. Ponekad se mogu istražiti i nerazdvojeni hromatografski pikovi. Supstance koje se proučavaju treba da budu termički stabilne, hromatografski pokretne u opsegu radne temperature kolone i da se lako prelaze u parnu fazu na temperaturi isparivača. Ako tvari ne ispunjavaju ove zahtjeve, mogu se kemijski modificirati, na primjer, sililacijom, alkilacijom ili acilacijom hidroksi, karboksi, merkapto, amino grupa.

Osetljivost gasne hromatografije-masene spektrometrije (obično 10 -6 -10 -9 g) određena je osetljivošću detektora masenog spektrometra. Osetljivija (10 -12 -10 -15 g) varijanta hromato-masene spektrometrije je masovna fragmentografija, koja se takođe naziva selektivna ionska ili multijonska detekcija. Njegova suština leži u činjenici da se hromatogrami ne snimaju ukupnom jonskom strujom, već najkarakterističnijim ionima za datu tvar. Ova vrsta gasne hromatografije-masene spektrometrije koristi se za traženje, identifikaciju i kvantifikaciju supstance sa poznatim masenim spektrom u složenoj smeši, na primer, u kvantitativnom određivanju supstanci u tragovima u velikim količinama bioloških tečnosti (medicina, farmakologija, toksikologija, doping kontrola, biohemija). Izvršite masovnu fragmentografiju na hromato-masenim spektrometrima pomoću posebnog uređaja - detektora više jona ili pomoću kompjutera koji može izgraditi kromatograme za jedan ili više jona. Takav kromatogram, za razliku od uobičajenog, sadrži pikove samo onih komponenti čiji maseni spektri sadrže takve ione. Analiza se vrši pomoću internog standarda, koji se često koristi kao analog željene supstance označene stabilnim izotopima (2 H, 13 C, 15 N, 18 O).

Druga opcija za hromato-masenu spektrometriju je kombinacija tečne hromatografije visokih performansi i masene spektrometrije. Metoda je namijenjena za analizu mješavina teško isparljivih, polarnih supstanci koje se ne mogu analizirati metodom GJ hromato-masene spektrometrije. Da bi se održao vakuum u izvoru jona masenog spektrometra, potrebno je ukloniti rastvarač koji dolazi iz hromatografa brzinom od 0,5-5 ml/min. Da bi se to postiglo, dio protoka tekućine prolazi kroz rupu od nekoliko mikrona, zbog čega se formiraju kapi, koje zatim ulaze u grijanu zonu, gdje većina rastvarača isparava, a preostali dio zajedno sa supstancom , ulazi u izvor jona i hemijski se jonizuje.

Brojni industrijski uređaji implementiraju princip transportne trake. Eluat iz kolone ulazi u pokretnu traku koja prolazi kroz IR zagrijanu komoru gdje rastvarač isparava. Zatim traka sa supstancom prolazi kroz područje zagrijano drugim grijačem, gdje analit isparava, nakon čega ulazi u izvor jona i ionizira se. Efikasniji način kombinovanja gasno-tečnog hromatografa visokih performansi i masenog spektrometra zasnovan je na elektrospreju i termičkom spreju. U tom slučaju, eluat se propušta kroz kapilaru zagrijanu na 150°C i raspršuje u vakuumsku komoru. Puferski joni prisutni u rastvoru učestvuju u formiranju jona. Nastale kapljice nose pozitivan ili negativan naboj. Zbog njegovog malog prečnika, duž kapi se stvara veliki gradijent električnog polja, koji se povećava kako se kap raspada. U tom slučaju dolazi do desorpcije iz kapljica protoniranih jona ili klastera (molekula supstance + puferski kation).

Metoda hromato-masene spektrometrije koristi se u strukturalnim i analitičkim studijama u organskoj hemiji, petrohemiji, biohemiji, medicini, farmakologiji, zaštiti životne sredine itd.

Masena spektrometrija(masena spektroskopija, masena spektrografija, masena spektralna analiza, masena spektrometrijska analiza) - metoda za proučavanje tvari određivanjem omjera mase i naboja (kvaliteta) i broja nabijenih čestica koje nastaju tokom određenog procesa izlaganja tvari ( vidi: jonizacija). Istorija masene spektrometrije počinje fundamentalnim eksperimentima Džona Tomsona početkom 20. veka. Završetak "-metrija" je dobio termin nakon široko rasprostranjenog prijelaza sa detekcije nabijenih čestica pomoću fotografskih ploča na električna mjerenja jonskih struja.

Suštinska razlika između masene spektrometrije i drugih analitičkih fizičko-hemijskih metoda je u tome što optičke, rendgenske i neke druge metode otkrivaju emisiju ili apsorpciju energije molekulima ili atomima, dok masena spektrometrija direktno detektuje same čestice materije.

Masena spektrometrija u širem smislu je nauka o dobijanju i tumačenju masenih spektra, koji se zauzvrat dobijaju pomoću masenih spektrometara.

Maseni spektrometar je vakuumski instrument koji koristi fizičke zakone kretanja nabijenih čestica u magnetskom i električnom polju i neophodan je za dobivanje masenog spektra.

Maseni spektar, kao i svaki spektar, u užem smislu, je ovisnost intenziteta jonske struje (kvantiteta) o odnosu mase i naboja (kvaliteta). Zbog kvantizacije mase i naboja, tipični maseni spektar je diskretan. Obično (u rutinskim analizama) to je tačno, ali ne uvijek. Priroda analita, karakteristike metode jonizacije i sekundarni procesi u masenom spektrometru mogu ostaviti trag na masenom spektru (vidi metastabilni joni, ubrzavajući gradijent napona preko mjesta proizvodnje jona, neelastično raspršenje). Dakle, joni sa istim omjerom mase i naboja mogu završiti u različitim dijelovima spektra, pa čak i učiniti njegov dio neprekidnim. Stoga je maseni spektar u širem smislu nešto više što nosi specifične informacije i čini proces njihove interpretacije složenijim i uzbudljivijim.

Joni su jednostruko i višestruko nabijeni, i organski i neorganski. Većina malih molekula dobija samo jedan pozitivan ili negativan naboj kada se jonizira. Atomi mogu dobiti više od jednog pozitivnog i samo jednog negativnog naboja. Proteini, nukleinske kiseline i drugi polimeri su sposobni da steknu višestruke pozitivne i negativne naboje.

Atomi hemijskih elemenata imaju specifičnu masu. Dakle, tačno određivanje mase analiziranog molekula omogućava određivanje njegovog elementarnog sastava (vidi: elementarna analiza). Masena spektrometrija takođe daje važne informacije o izotopskom sastavu analiziranih molekula (vidi: izotopska analiza).

U organskim supstancama, molekule su određene strukture formirane od atoma. Priroda i čovjek stvorili su zaista neprocjenjivu raznolikost organskih spojeva. Moderni maseni spektrometri su sposobni fragmentirati detektovane jone i odrediti masu rezultujućih fragmenata. Tako je moguće dobiti podatke o strukturi materije.

Prva stvar koju treba učiniti da bi se dobio maseni spektar je pretvoriti neutralne molekule i atome koji čine bilo koju organsku ili anorgansku tvar u nabijene čestice - ione. Ovaj proces se naziva jonizacija i provodi se različito za organske i neorganske tvari. Drugi neophodan uslov je prelazak jona u gasnu fazu u vakuumskom delu masenog spektrometra. Duboki vakuum osigurava nesmetano kretanje jona unutar masenog spektrometra, a u njegovom odsustvu ioni će se raspršiti i rekombinirati (pretvoriti se natrag u nenabijene čestice).

U neorganskoj hemiji, za analizu elementarnog sastava, koriste se oštre metode ionizacije, jer su energije vezivanja atoma u čvrstom stanju mnogo veće i moraju se koristiti mnogo oštrije metode da bi se te veze prekinule i dobili ioni.

Joni dobijeni tokom jonizacije prenose se u analizator mase uz pomoć električnog polja. Počinje druga faza masene spektrometrijske analize – sortiranje jona po masi (tačnije, po omjeru mase i naboja, ili m/z). Postoje sljedeće vrste analizatora mase:

1) Kontinualni analizatori mase

2) pulsni analizatori mase

Razlika između kontinuiranih i impulsnih analizatora mase je u tome što se prvi ioni isporučuju u kontinuiranom toku, a drugi - u porcijama, u određenim vremenskim intervalima.

Maseni spektrometar može imati dva analizatora mase. Takav maseni spektrometar naziva se tandem maseni spektrometar. Tandem maseni spektrometri se po pravilu koriste zajedno sa metodama “meke” jonizacije, kod kojih nema fragmentacije jona analiziranih molekula (molekulskih jona). Dakle, prvi analizator mase analizira molekularne jone. Napuštajući prvi analizator mase, molekularni ioni se fragmentiraju pod dejstvom sudara sa molekulima inertnog gasa ili laserskog zračenja, nakon čega se njihovi fragmenti analiziraju u drugom analizatoru mase. Najčešće konfiguracije tandem masenih spektrometara su kvadrupol-kvadrupol i kvadrupol-vrijeme-of-flight.

Detektori

Dakle, posljednji element pojednostavljenog masenog spektrometra koji opisujemo je detektor nabijenih čestica. Prvi maseni spektrometri koristili su fotografsku ploču kao detektor. Sada se koriste sekundarni množitelji elektrona dinoda, u kojima ion, udarivši u prvu dinod, izbija iz nje snop elektrona, koji, zauzvrat, udarajući u sljedeću dinoda, izbijaju još više elektrona iz nje, itd. Druga opcija je fotomultiplikatori, koji registruju sjaj koji se javlja kada su bombardovani jonima fosfora. Osim toga, koriste se mikrokanalni multiplikatori, sistemi kao što su diodni nizovi i kolektori koji sakupljaju sve ione koji su pali u datu tačku u prostoru (Faradayevi kolektori).

Kromato-masena spektrometrija

Maseni spektrometri se koriste za analizu organskih i neorganskih jedinjenja. Organske tvari su u većini slučajeva višekomponentne mješavine pojedinačnih komponenti. Na primjer, pokazano je da miris pržene piletine ima 400 komponenti (tj. 400 pojedinačnih organskih spojeva). Zadatak analitike je da utvrdi koliko komponenti čini organsku tvar, otkrije koje su te komponente (identifikuje ih) i sazna koliko je svakog spoja sadržano u smjesi. Za to je idealna kombinacija hromatografije i masene spektrometrije. Plinska hromatografija je najpogodnija za kombinovanje sa izvorom jona masenog spektrometra sa jonizacijom elektronskim udarom ili hemijskom jonizacijom, pošto su jedinjenja već u gasnoj fazi u koloni hromatografa. Uređaji u kojima je maseni spektrometrijski detektor kombinovan sa gasnim hromatografom nazivaju se hromato-maseni spektrometri (“Chromass”).

Mnoga organska jedinjenja ne mogu se razdvojiti na komponente pomoću gasne hromatografije, ali se mogu razdvojiti pomoću tečne hromatografije. Danas se za kombinovanje tečne hromatografije sa masenom spektrometrijom koriste izvori elektrosprej jonizacije (ESI) i hemijske jonizacije atmosferskog pritiska (APCI), a kombinacija tečne hromatografije sa masenim spektrometrima naziva se LC/MS (engleski LC/MS). Najmoćniji sistemi za organsku analizu koje zahteva savremena proteomika izgrađeni su na bazi supravodljivog magneta i rade na principu jonske ciklotronske rezonancije. Nazivaju se i FT/MS jer koriste Fourierovu transformaciju signala.

Maseni spektrometar

Maseni spektrometar - uređaj za odvajanje jonizovanih čestica supstance (molekula, atoma) po njihovim masama, zasnovan na uticaju magnetnog i električnog polja na snopove jona koji lete u vakuumu. Registracija jona u ovom uređaju vrši se električnim metodama.

Princip rada.

Na neutralni atom ne utječu električna i magnetska polja. Međutim, ako mu se oduzme jedan ili više elektrona ili mu se doda jedan ili više elektrona, on će se pretvoriti u ion čija će priroda kretanja u tim poljima biti određena njegovom masom i nabojem. Strogo govoreći, u masenim spektrometrima nije određena masa, već omjer mase i naboja. Ako je naboj poznat, tada je masa jona jednoznačno određena, a time i masa neutralnog atoma i njegovog jezgra.

Faza 1: Ionizacija

Formiranje pozitivno nabijenog jona izbacivanjem jednog ili više elektrona iz atoma (maseni spektrometri uvijek rade s pozitivnim jonima).

Maseni spektrometar
maseni spektrometar

Maseni spektrometar - uređaj za određivanje mase atoma (molekula) prema prirodi kretanja njihovih jona u električnim i magnetskim poljima.
Na neutralni atom ne utječu električna i magnetska polja. Međutim, ako mu se oduzme jedan ili više elektrona ili mu se doda jedan ili više elektrona, on će se pretvoriti u ion čija će priroda kretanja u tim poljima biti određena njegovom masom i nabojem. Strogo govoreći, u masenim spektrometrima nije određena masa, već omjer mase i naboja. Ako je naboj poznat, tada je masa jona jednoznačno određena, a time i masa neutralnog atoma i njegovog jezgra. Strukturno, maseni spektrometri mogu se uvelike razlikovati jedan od drugog. Mogu koristiti i statička polja i magnetska i/ili električna polja koja se mijenjaju u vremenu.

Razmotrite jednu od najjednostavnijih opcija.
Maseni spektrometar se sastoji od sljedećih glavnih dijelova:
a) izvor jona, gdje se neutralni atomi pretvaraju u ione (na primjer, pod utjecajem zagrijavanja ili mikrovalnog polja) i ubrzavaju električnim poljem, b) područja konstantnih električnih i magnetnih polja, i in) prijemnik jona koji određuje koordinate tačaka na koje padaju joni koji prelaze ova polja.
Iz izvora jona 1 ubrzani ioni kroz prorez 2 padaju u područje 3 konstantnog i jednolikog električnog E i magnetnog B 1 polja. Smjer električnog polja je određen položajem ploča kondenzatora i prikazan je strelicama. Magnetno polje je usmjereno okomito na ravan figure. U području 3, električno E i magnetsko polje B 1 odbijaju ione u suprotnim smjerovima, a veličine jakosti električnog polja E i indukcije magnetskog polja B 1 biraju se tako da sile njihovog djelovanja na ione (odnosno qE i qvB 1 , gdje je q naboj, a v brzina jona) međusobno kompenzirali, tj. je qE = qvB 1 . Brzinom jona v = E/B 1 on se kreće bez odstupanja u području 3 i prolazi kroz drugi prorez 4, padajući u područje 5 jednolikog i konstantnog magnetnog polja sa indukcijom B 2 . U ovom polju, jon se kreće duž kružnice 6, čiji je poluprečnik R određen iz relacije
Mv 2 /R = qvB 2, gdje je M masa jona. Budući da je v \u003d E / B 1, masa jona se određuje iz relacije

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

Dakle, sa poznatim nabojem jona q, njegova masa M je određena poluprečnikom R kružna orbita u području 5. Za proračune je zgodno koristiti omjer u sistemu jedinica datim u uglastim zagradama:

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

Ako se kao detektor jona 7 koristi fotografska ploča, tada će se ovaj radijus sa velikom preciznošću prikazati crnom tačkom na mjestu razvijene fotografske ploče gdje je udario snop jona. Moderni maseni spektrometri obično koriste elektronske multiplikatore ili mikrokanalne ploče kao detektore. Maseni spektrometar omogućava određivanje masa sa vrlo visokom relativnom tačnošću ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
Analiza mješavine atoma različitih masa masenim spektrometrom također omogućava određivanje njihovog relativnog sadržaja u ovoj mješavini. Konkretno, može se utvrditi sadržaj različitih izotopa bilo kojeg hemijskog elementa.

Maseni spektrometar je uređaj za određivanje mase atoma (molekula) prema prirodi kretanja njihovih jona u galvanskoj i magnetskoj pozadini.

Navigacija:

Neutralna čestica nije izložena galvanskim i magnetskim poljima. Ipak, ako mu se oduzme jedan ili više elektrona ili mu se doda jedan ili više elektrona, on će se u ovom slučaju transformirati u ion čiji je tip kretanja u ovim poljima dovoljno unaprijed određen njegovom težinom i nabojem. Definitivno govoreći, u masenim spektrometrima nije određena masa, već raspored mase za punjenje. Ako je zaliha poznata, onda je nesumnjivo određen značaj mase jona, a samim tim i masa srednjeg atoma i njegovog jezgra. Strukturno, maseni spektrometri mogu biti veoma različiti jedni od drugih. Mogu koristiti i statička polja i vremenski promjenjiva polja, magnetska ili galvanska.

Maseni spektrometar se sastoji od sljedećih ključnih elemenata:

• Heteropolarni izvor, gdje se međuatomi pretvaraju u ione (na primjer, prije izlaganja zagrijavanju ili mikrovalnom polju) i ubrzavaju galvansko polje;
• Sfere stalnih električnih i magnetskih polja;
• Prijemnik jona koji karakterizira lokaciju područja u kojima se određuju ioni koji su prešli ova polja.

Maseni spektrometar

Kromato-maseni spektrometar

Koncept CMS-a sa kombinovanim kvadrupolnim masenim spektrometrom visoke rezolucije sa ionizacijom elektrosprejom, omogućava da se uoči i identifikuje i vođena jedinjenja i njihovi metaboliti, kao i nepoznati rasporedi u širokom spektru mase od 20 do 40 000. Nesumnjivo (droge, narkotičke supstance, pesticidi itd.), da se izvrši zajednička studija glavnih i tragovih delova, da se unapred odredi pravi izotopski odnos kako bi se jasno utvrdile molekularne formule. Interval variranja u numeričkoj evaluaciji je preko 4 reda veličine. Koristi se u svrhu numeričke evaluacije sinteza. Uređaj ima jedinstvene karakteristike: rezoluciju od više od 35.000 FWHM, tačnost molekularne težine manju od 0,7 ppm, najveću osjetljivost pri najvišoj rezoluciji. Visoka stopa prepoznavanja informacija - do 60 spektra u sekundi.

Kromato-maseni spektrometar

Naučnici su dugo tražili alternativu magnetu u svojstvu analizatora mase. Godine 1953. Wolfgang Paul, koji je kasnije dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1989. godine, predstavio je prvi uređaj sa kvadrupolnim analizatorom. Razvoj kvadrupolnih analizatora mase napravio je revoluciju u masenoj spektrometriji. Analizatori magnetne mase zahtijevaju korištenje najviših napona (hiljade volti), dok kvadrupolni ne, a to pojednostavljuje njihov sistem, najmanji volumeni vakuumske frakcije pojednostavljuju koncept stvaranja vakuuma. Maseni spektrometri su postali manji, lakši za rukovanje i, što je najvažnije, mnogo ekonomičniji kako bi se otvorila mogućnost korištenja ove analitičke metode mnogim hiljadama korisnika. Nedostaci kvadrupola uključuju nisku rezoluciju i mali vrh najveće detektovane mase (m/z~4100). Međutim, trenutni analizatori mase omogućavaju detekciju jona sa korespondencijom m/z~350.

Princip rada

Kvadrupol uključuje 4 istovremeno i simetrično postavljena monopola (elektrode savršenog poprečnog presjeka). Uvjetovana kombinacija kontinuiranog i induktivnog napona primjenjuje se na elektrode u dvije u obrnutom polaritetu.

Pod uticajem blagog ubrzavajućeg napona (15-25 V), ioni ulaze sinhrono sa osovinama elektrodnih šipki. Prije djelovanja oscilirajućeg polja, unaprijed određenog elektrodama, počinju se kretati duž osi x i y. U ovom slučaju, amplituda oscilacija se povećava bez promjene smjera kretanja. Ioni čije amplitude dostižu najveće vrijednosti neutraliziraju se kada se sudare s elektrodama. Samo ovi ioni, čije će m/z vrijednosti odgovarati utvrđenoj U/V korespondenciji, postižu stabilnu amplitudu. Potonje im omogućava da se slobodno kreću u kvadrupolu i da budu uočljivi u konačnom rezultatu. Na sličan način, raspon mase je fiksiran putem međusobnog preokretanja vrijednosti U i V.

Kvadrupolni maseni spektrometar

Magnetski maseni spektrometar

U spektrometrima magnetne mase, homogeno magnetno polje se koristi za distribuciju jona u analizatorima mase. U ovom slučaju, kretanja prisilnih jona u galvansko područje i njihova distribucija u magnetskom području mogu se opisati numerički.

Magnetni maseno-termalni analizator - uređaj za prostornu i vremensku distribuciju jona sa različitim značajem odnosa masa-naelektrisanje, koji se koristi za distribuciju magnetnog polja.

Istorijski gledano, originalni analizator mase bio je magnet. U skladu sa zakonom fizike, linija naelektrisanih elemenata u magnetskom polju je izobličena, a radijus zakrivljenosti zavisi od mase elemenata.

Postoje različite geometrije analizatora magnetne mase, u kojima se mjeri radijus zakrivljenosti ili magnetno polje. Magnetni maseni spektrometri imaju najveću rezoluciju i mogu se koristiti sa apsolutno svim vrstama jonizacije. Unatoč značajnim prednostima sadašnjih u odnosu na ostale (najviša rezolucija, visoka pouzdanost mjerenja i veliki raspon radne mase), oni imaju 2 glavna nedostatka - ova oprema je ogromna, kako po količini tako i po cijeni.

Magnetski maseni spektrometar

Ovo je jednostavan tip analizatora mase. U analizatoru mase za vrijeme leta, joni ispadaju iz izvora i završavaju u cijevi za vrijeme leta gdje nema galvanskog polja (period bez polja). Nakon što su prošli kroz određeni interval d, ioni se fiksiraju pomoću jonskog senzora s ravnom ili gotovo ravnom površinom za fiksiranje. 1951.-1971. u posjedu ionskog senzora korišten je sekundarni električni multiplikator “lamele tipa”, kasnije je korišten kompozitni detektor, koristeći 2 ili povremeno 3 mikrokanalne ploče u seriji.

Maseno-termički analizator vremena leta predstavljen je pulsirajućim masenim analizatorom, odnosno ioni se prenose od izvora jona do elementa vremena leta ne konstantno, već u dozama u određenim vremenskim intervalima. Takvi analizatori mase su kompatibilni sa ionizacijom laserske desorpcije uz pomoć matrice, tako da se, kao iu ovoj metodi jonizacije, ioni proizvode ne konstantno, već pri bilo kojem laserskom impulsu.

Maseni spektrometar za vrijeme leta

Agilent maseni spektrometri

Maseni spektrometar se dugo smatrao odličnim detektorom za plinsku hromatografiju. Spektri dobijeni uz podršku senzora masene spektrometrije pružaju iste informacije o sastavu testa visokog kvaliteta koje drugi senzori za gasnu hromatografiju ne mogu pružiti. Detektor masene spektrometrije ima veliku osjetljivost, osim toga uništava uzorak, daje podatke o masi i brže prepoznaje homologe nego izomere.

Agilentovi visokopouzdani maseni spektrometri zadovoljavaju najzahtjevnije uslove i izazove. Proizvođači sada mogu predstaviti liniju visoko preciznih progresivnih masenih spektrometara za GC i HPLC.

Agilent maseni spektrometar