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 magnetnim poljima. Ipak, ako mu se oduzme jedan ili više elektrona ili mu se doda jedan ili više elektrona, on će se u ovom slučaju reinkarnirati u jon, 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 međuatoma 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 srednji atomi pretvaraju u ione (na primjer, prije izlaganja grijanju 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 kvadrupol-vremenskim masenim spektrometrom visoke rezolucije sa elektrosprej jonizacijom, omogućava uočavanje i određivanje kako LED aranžmana i njihovih metabolita, tako i nepoznatih rasporeda u širokom spektru mase od 20 do 40 000. Nesumnjivo (droge, opojne 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 molekulske težine manju od 0,7 ppm, najveću osjetljivost pri najvišoj rezoluciji. Visoka stopa prepoznavanja informacija - do 60 spektra u sekundi.

Kromato-maseni spektrometar

Naučnici već dugo traže 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 vakuum frakcije pojednostavljuju koncept stvaranja vakuuma. Maseni spektrometri su postali manji, lakši za rad i, što je najvažnije, mnogo isplativiji kako bi se hiljadama korisnika otvorila mogućnost korištenja ove analitičke metode. Nedostaci kvadrupola uključuju nisku rezoluciju i mali vrh najveće detektovane mase (m/z~4100). Međutim, sadašnji 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 laganog ubrzavajućeg napona (15-25 V), ioni ulaze sinhrono sa osovinama elektrodnih šipki. Prije djelovanja oscilirajućeg polja, unaprijed određenog elektrodama, počinju se kretati duž x i y osi. 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 magnetnim masenim spektrometrima, homogeno magnetno polje se koristi za distribuciju jona u analizatorima mase. U ovom slučaju, kretanja prisilnih jona u galvansku oblast 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 magnetnom polju je izobličena, a radijus zakrivljenosti zavisi od mase elemenata.

Postoje različite geometrije analizatora magnetne mase u kojima se mjeri ili radijus zakrivljenosti ili magnetsko 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. Godine 1951-1971. u posjedu ionskog senzora korišten je sekundarni električni množitelj "louver tipa", kasnije je korišten kompozitni detektor, koristeći 2 ili povremeno 3 mikrokanalne ploče u seriji.

Termalni analizator mase vremena leta predstavljen je pulsirajućim analizatorom mase, 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 ionizacije, joni također proizvode ne konstantno, već pri bilo kojem laserskom impulsu.

Maseni spektrometar za vrijeme leta

Agilent maseni spektrometri

Maseni spektrometar je dugo bio cijenjen kao odličan detektor 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.

Agilent-ovi visokopouzdani maseni spektrometri ispunjavaju najzahtjevnije uslove i izazove. Proizvođači sada mogu predstaviti liniju visoko preciznih progresivnih masenih spektrometara za GC i HPLC.

Agilent maseni spektrometar

Dobivanje i interpretacija masenih spektra, koji se zauzvrat dobijaju pomoću masenih spektrometara.

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.

Istorija masene spektrometrije

• 1912 - Thomson stvara prvi maseni spektrograf i dobija masene spektre molekula kiseonika, azota, ugljen-monoksida, ugljen-dioksida i fosgena.

• 1913 - Uz pomoć svog masenog spektrografa, Thomson otkriva izotope neona: neon-20 i neon-22.

• 1923 - Aston mjeri defekt mase masenim spektrometrom.

• 1934 - Conrad koristi masenu spektrometriju za analizu organskih molekula.

• 1940 - Nier izoluje uranijum-235 primenom preparativne masene spektrometrije.

• 1940 - Nir stvara prvi pouzdani izvor elektronskog udara koristeći jonizacionu komoru.

• 1948 - Cameron i Egger su stvorili prvi maseni spektrometar sa analizatorom mase za vrijeme leta.

• 1953. Paul patentira kvadrupolni analizator mase i ionsku zamku.

• 1956 - McLafferty i Gohlke stvaraju prvi spektrometar za gasnu hromatografiju mase.

• 1966 - Munson i Field stvaraju hemijski jonizacioni izvor jona.

• 1972 - Karataev i Mamyrin izumili su analizator mase sa fokusom vremena leta, koji značajno poboljšava rezoluciju analizatora.

• 1974 - Prvi maseni spektrometar tečne hromatografije koji su napravili Arpino, Baldwin i McLafferty

• 1981 - Barber, Bordoli, Sedgwick i Tylor kreiraju ionizator za brzo atomsko bombardiranje (FAB).

• 1982 - Prvi maseni spektar cijelog proteina (inzulina) bombardiranjem brzim atomom (FAB).

• 1983 - Blanky i Bestal izume termalni sprej.

• 1987 - Karas, Bachmann, Bahr i Hillenkamp izumili ionizaciju laserske desorpcije uz pomoć matriksa (MALDI).

• 1999 - Aleksandar Makarov izume elektrostatičku ionsku zamku.

Princip rada i uređaj masenog spektrometra

Izvori jona

Prva stvar koju treba učiniti da biste dobili maseni spektar je pretvoriti neutralne molekule i atome koji čine bilo koju organsku ili anorgansku supstancu 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 vakuum delu masenog spektrometra. Visoki vakuum osigurava nesmetano kretanje jona unutar masenog spektrometra, a u njegovom odsustvu, joni će se raspršiti i rekombinovati (vratiti u nenabijene čestice).

Konvencionalno se metode jonizacije organskih supstanci mogu klasificirati prema fazama u kojima se tvari nalaze prije jonizacije.

Gasna faza Tečna faza

• jonizacija atmosferskog pritiska (AP)

čvrsta faza

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.

• jonizacija u induktivno spregnutoj plazmi (ICP)
• termička jonizacija ili površinska jonizacija
• ionizacija užarenog pražnjenja i ionizacija iskri (vidi iskričko pražnjenje)
• jonizacija tokom laserske ablacije

Analizatori mase

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

Kontinualni analizatori mase

• Magnetni i elektrostatički sektorski analizator mase Sektorski instrument)
• kvadrupolni analizator mase Kvadrupolni analizator mase)

analizatori pulsne mase

• Analizator mase vremena leta Masena spektrometrija vremena leta )
• Ionska zamka Ionska zamka)
• kvadrupolna linijska zamka Kvadrupolna jonska zamka)
• Fourier transformacijski ionski ciklotronski rezonantni analizator mase Ciklotronska rezonancija Fourierove transformacije jona )
• orbitrap (engleski) Orbitrap)

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 se zove tandem. 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 su koristili fotografsku ploču kao detektor. Sada se koriste sekundarni množitelji elektrona u dinodama, 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 prikupljaju 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 utvrditi koliko komponenti čini organsku tvar, otkriti koje su to komponente (identificirati ih) i saznati koliko je svakog spoja sadržano u smjesi. Za to je idealna kombinacija hromatografije i masene spektrometrije. Plinska hromatografija je najprikladnija 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 i masene spektrometrije koriste izvori elektrosprej jonizacije (ESI) i hemijske jonizacije pod atmosferskim pritiskom (APCI), a kombinacija tečne hromatografije sa masenim spektrometrima naziva se LC/MS (eng. 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.

Karakteristike masenih spektrometara i masenih spektrometrijskih detektora

Najvažnije tehničke karakteristike masenih spektrometara su osjetljivost, dinamički opseg, rezolucija, brzina skeniranja.

Najvažnija karakteristika u analizi organskih jedinjenja je osjetljivost. Kako bi se postigla najveća moguća osjetljivost uz poboljšanje odnosa signal-šum, pribjegava se detekciji za pojedinačne odabrane jone. U ovom slučaju, dobitak u osjetljivosti i selektivnosti je kolosalan, ali kada se koriste uređaji niske rezolucije, mora se žrtvovati još jedan važan parametar - pouzdanost. Na kraju krajeva, ako ste snimili samo jedan pik iz cijelog karakterističnog spektra mase, trebat će vam puno rada da dokažete da ovaj pik odgovara upravo onoj komponenti koja vas zanima. Kako riješiti ovaj problem? Koristite visoku rezoluciju na instrumentima s dvostrukim fokusom gdje se može postići visok nivo vjernosti bez žrtvovanja osjetljivosti. Ili koristite tandem masenu spektrometriju, gdje se svaki pik koji odgovara roditeljskom jonu može potvrditi spektrom mase kćernih jona. Dakle, apsolutni šampion u osjetljivosti je organski hromatografski maseni spektrometar visoke rezolucije sa dvostrukim fokusiranjem.

Prema karakteristikama kombinacije osjetljivosti sa pouzdanošću određivanja komponenti, jonske zamke slijede uređaje visoke rezolucije. Klasični kvadrupolni instrumenti nove generacije imaju poboljšane performanse zahvaljujući brojnim inovacijama, kao što je upotreba zakrivljenog kvadrupolnog predfiltera, koji sprečava neutralne čestice da dođu do detektora i stoga smanjuje buku.

Primjena masene spektrometrije

Razvoj novih lijekova za spašavanje ljudi od ranije neizlječivih bolesti i kontrola proizvodnje lijekova, genetski inženjering i biohemija, proteomika. Bez masene spektrometrije nezamisliva je kontrola ilegalne distribucije opojnih i psihotropnih droga, forenzičke i kliničke analize otrovnih droga, analize eksploziva.

Pronalaženje izvora porijekla je vrlo važno za rješavanje brojnih pitanja: na primjer, utvrđivanje porijekla eksploziva pomaže u pronalaženju terorista, droge - u borbi protiv njihove distribucije i blokiranju njihovih saobraćajnih puteva. Ekonomska sigurnost zemlje je pouzdanija ako carinske službe mogu ne samo analizom u sumnjivim slučajevima potvrditi zemlju porijekla robe, već i njenu usklađenost sa deklarisanom vrstom i kvalitetom. A analiza nafte i naftnih derivata potrebna je ne samo za optimizaciju procesa prerade nafte ili geologa za traženje novih naftnih polja, već i za identifikaciju odgovornih za izlijevanje nafte u oceanu ili na kopnu.

U eri „kemizacije poljoprivrede“, pitanje prisutnosti u tragovima primijenjenih hemikalija (npr. pesticida) u prehrambenim proizvodima postalo je veoma važno. U tragovima, ove tvari mogu uzrokovati nepopravljivu štetu ljudskom zdravlju.

Određeni broj tehnogenih (tj. koje ne postoje u prirodi, već su rezultat industrijskog djelovanja čovjeka) su supertoksikanti (koji u izuzetno niskim koncentracijama imaju toksično, kancerogeno ili štetno djelovanje na zdravlje ljudi). Primjer je dobro poznati dioksin.

Postojanje nuklearne energije je nezamislivo bez masene spektrometrije. Uz nju se utvrđuje stepen obogaćenja fisionih materijala i njihova čistoća.

Naravno, medicina nije potpuna bez masene spektrometrije. Izotopska masena spektrometrija atoma ugljika koristi se za direktnu medicinsku dijagnostiku infekcije kod ljudi Helicobacter pylori i najpouzdanija je od svih dijagnostičkih metoda. Također, masena spektrometrija se koristi za određivanje prisustva dopinga u krvi sportista.

Teško je zamisliti područje ljudske aktivnosti u kojem ne bi bilo mjesta za masenu spektrometriju. Ograničavamo se samo na nabrajanje: analitička hemija, biohemija, klinička hemija, opšta hemija i organska hemija, farmacija, kozmetika, parfimerija, prehrambena industrija, hemijska sinteza, petrohemija i prerada nafte, kontrola životne sredine, proizvodnja polimera i plastike, medicina i toksikologija, forenzika, doping kontrola, kontrola opojnih droga, kontrola alkoholnih pića, geohemija, geologija, hidrologija, petrografija, mineralogija, geohronologija, arheologija, nuklearna industrija i energetika, industrija poluprovodnika, metalurgija.

Bilješke

vidi takođe

• Maseni spektrometri za elementarnu analizu
• Masena spektrometrija laserskih iskri (Laserska mikromasa spektrometrija)
• Kromato-maseni spektrometar
• HPLC-maseni spektrometarski sistemi
• Tekuća kromatografija; HPLC kolone

Linkovi

• Masena spektrometrija

Masena spektrometrija MS softver za maseni spektar
	EI CI IA ( engleski) BBA DVEP MALDI APCI ESI DESI GD ICP MIP TS DART
Mass Analyzer	Magnetski sektor WP Quadrupole Quadrupole ion trap Orbitrap Tandem ICR
Detektor	Množač elektrona Detektor mikrokanalne ploče Daly detektor
MS kombinacija	MS/MS GC/MS LC/MS IMS/MS

Wikimedia fondacija. 2010 .

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 utiču električna i magnetna polja. Međutim, ako mu se oduzme jedan ili više elektrona ili mu se doda jedan ili više elektrona, tada 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 promjenjiva 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 djelovanjem 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 jonskog izvora 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 ion 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.

DRŽAVNI UNIVERZITET ČELJABINSK

Hemijski fakultet

Kurs na temu
"Maseno-spektrometrijska metoda analize"

Izvršio: student X-202 grupe
Menshenin A.N.

Provjerila: Danilina E.I.

Linearna jonska zamka razlikuje se od 3D jonske zamke (slika 2.6) po tome što hvata ione duž ose kvadrupolnog analizatora mase koristeći 2D polje radio frekvencije (RF) sa potencijalima primenjenim na krajnje elektrode. Glavna prednost linearne zamke u odnosu na 3D je veća zapremina analizatora, što samo po sebi uvelike povećava dinamički opseg i poboljšava opseg kvantitacije.
Ograničenja jonske zamke: prekursorsko skeniranje jona, "pravilo jedne trećine" i dinamički raspon.

Glavna ograničenja ovih sposobnosti hvatanja jona, koja ga sprečavaju da bude savršeno oruđe za farmakokinetiku i proteomiku, su sljedeća: 1) sposobnost istovremenog pružanja visoke osjetljivosti za trostruko kvadrupolno skeniranje prekursora i za eksperimente srednjeg slabljenja nije moguća za jonske zamke. 2) Gornja granica omjera između m/z prekursora i najmanjeg uhvaćenog fragmenta je približno 0,3 (također poznato kao "pravilo jedne trećine"). Ilustracija pravila jedne trećine je da fragmenti jona iz m/z 900 neće biti detektovani pri m/z manjim od 300, što postavlja značajna ograničenja na naknadno sekvenciranje peptida. 3) Dinamički raspon jonskih zamki ograničen je činjenicom da će s previše jona unutar zamke, prostorni efekti naboja ograničiti reprezentativnost analizatora. Da bi se ovo zaobišlo, automatski skeneri brzo broje ione prije nego što budu zarobljeni, čime se ograničava broj jona koji ulaze. Međutim, ovaj pristup predstavlja problem ako je željeni ion praćen velikom pozadinom drugih jona.

Bifokusirajući magnetni sektor

Prvi analizatori mase odvajali su ione pomoću magnetnog polja. U magnetskoj analizi, joni se ubrzavaju u magnetskom polju električnim poljem. Nabijene čestice koje se kreću u magnetskom polju kretat će se u luku čiji polumjer ovisi o brzini jona, jačini magnetnog polja i m / z i ona. Maseni spektar se dobija skeniranjem magnetnog polja i posmatranjem kako joni udaraju u detektor fiksne tačke. Ograničenje magnetnih analizatora je relativno niska rezolucija. Da bi se to poboljšalo, magnetni instrumenti su modificirani dodatkom elektrostatičkog analizatora za fokusiranje jona. Takvi uređaji se nazivaju dvosektorski. Električni sektor služi kao fokusni element za kinetičku energiju, dozvoljavajući samo jonima sa određenom kinetičkom energijom da prođu kroz polje, bez obzira na njihovu m / z odnosi. To jest, dodavanje električnog sektora omogućava samo jonima iste energije da dođu do detektora, čime se smanjuje širenje kinetičke energije, što zauzvrat povećava rezoluciju. Treba napomenuti da povećanje rezolucije uzrokuje odgovarajuće smanjenje osjetljivosti. Takvi bifokusirajući (Slika 2.7) analizatori mase koriste se zajedno sa ESI, FAB i EI, ali sada nisu u širokoj upotrebi, uglavnom zbog svoje velike veličine i uspjeha analizatora vremena leta, kvadrupola i FTMS sa ESI and

MALDI.

Quadrupole-time-of-flight tandem masena spektrometrija

Linearni analizator vremena leta (TOF) mase ( pirinač. 2.7) je najjednostavniji analizator mase. Doživeo je renesansu pronalaskom MALDI-ja i njegovim trenutnim primenama za elektrosprej, pa čak i gasnu hromatografiju sa elektronskom jonizacionom masenom spektrometrijom (GC/MS). Analiza vremena leta zasniva se na ubrzanju grupe jona prema detektoru, u kojem se svim ionima daje ista energija uz pomoć potencijala za ubrzanje. Budući da ioni imaju istu energiju, ali različite mase, laki joni prvi dospiju do detektora zbog svoje veće brzine, dok teškim ionima treba duže da putuju zbog njihove veće mase i odgovarajuće manje brzine. Stoga je analizator nazvan time-of-flight, jer je masa u njemu određena vremenom dolaska jona. Masa, naboj i kinetička energija doprinose dolasku jona na detektor. Pošto je kinetička energija (KE) jona ½ mv 2 , brzina jona se može predstaviti kao v = d/t = (2KE/m) ½ . Joni putuju udaljenost d u vremenu t, a t zavisi od m / z. U ovoj jednačini, v = d/t = (2KE/m) ½, uz pretpostavku z = 1. Drugi prikaz ove jednačine, koji jasnije pokazuje kako se određuje masa, je m=2t 2 KE/d 2 , gdje je KE= konst .

Reflektor za vrijeme leta ( pirinač. 2.8) se sada široko koristi za ESI, MALDI, a odnedavno i za aplikacije GC/MS elektronske jonizacije. Kombinira tehnologiju vremena leta i elektrostatičko ogledalo. Reflektor služi za povećanje vremena (t) potrebnog jonima da stignu do detektora, istovremeno smanjujući distribuciju kinetičke energije, čime se smanjuje raspodjela vremena Δt. Pošto je rezolucija definisana kao masa pika podeljena sa njegovom širinom, ili m/Δm (ili t/Δt, pošto je m proporcionalno t), povećanje t i smanjenje Δt rezultira povećanjem rezolucije. Stoga, TOF reflektron daje veću rezoluciju od jednostavnog TOF instrumenta povećanjem dužine putanje i fokusiranjem energije kroz reflektor. Treba napomenuti da se povećana rezolucija (obično iznad 5000) i osjetljivost na TOF reflektoru značajno smanjuju pri velikim masama (obično pri m / z preko 5000).

Druga vrsta tandem masene analize, MS/MS, takođe je moguća kombinacija MALDI i TOF reflektrona. MS/MS se izvodi sa karakteristikom MALDI - fragmentacija koja se javlja nakon jonizacije, odnosno raspadanja nakon izvora (PSD). Instrumenti za mjerenje vremena leta sami po sebi ne odvajaju postionizacijske fragmentne jone od istog prekursorskog jona jer i prekursor i fragmentni joni imaju istu brzinu i stoga dospiju do detektora u isto vrijeme. Prednost reflektrona je što joni fragmenta imaju različite kinetičke energije i razdvojeni su na osnovu toga koliko duboko ioni prodiru u polje reflektrona, dajući tako spektar jona fragmenta (Sl. 2.9 i 2.10 ).

Treba napomenuti da je elektrosprej prilagođen i za TOF reflektronske analizatore, u kojima se joni iz kontinuiranog ESI izvora akumuliraju u heksapolarnom (ili oktapolarnom) vodiču jona i zatim guraju u TOF analizator. Dakle, potrebna elektrostatička impulsivnost stvara referentnu tačku iz koje se mogu započeti TOF mjerenja.

MALDI i analizu vremena leta

U ranim fazama razvoja MALDI-TOF, ovi instrumenti su imali relativno nisku rezoluciju, što je ozbiljno ograničavalo njihovu preciznost. Inovacija koja je imala značajan uticaj na povećanje rezolucije MALDI instrumenata za vreme leta bila je odložena ekstrakcija (DE), kao što je prikazano u pirinač. 2.11. U teoriji, odložena ekstrakcija znači jednostavno hlađenje i fokusiranje jona odmah nakon MALDI događaja, ali u praksi je u početku bio problem uključiti i isključiti impulse od 10.000 volti u nanosekundama.

U tradicionalnim MALDI instrumentima, joni se ubrzavaju iz ionizatora odmah nakon formiranja. Međutim, odgođena ekstrakcija iona omogućava im da se "ohlade" oko 150 nanosekundi prije nego što se ubrzaju u analizator. Ovaj period hlađenja generiše skup jona sa mnogo manjom distribucijom kinetičke energije, značajno smanjujući vremensko širenje jona dok ulaze u TOF analizator. Općenito, to dovodi do povećanja rezolucije i tačnosti. Prednosti odgođene ekstrakcije su znatno smanjene za velike makromolekule kao što su proteini (>30.000 Da).

Kvadrupolna masena spektrometrija vremena leta

Kvadrupolni maseni analizatori vremena leta obično su spojeni sa elektrosprej jonizatorima, a nedavno su uspješno spojeni sa MALDI. ESIquad-TOF ( pirinač. 2.12) kombinuje stabilnost kvadrupolnog analizatora sa visokim performansama, osetljivošću i preciznošću reflektronskog masenog analizatora vremena leta. Quad može djelovati kao jednostavan četverostruki analizator za skeniranje određenog raspona m / z. Međutim, može se koristiti i za selektivno izolovanje prekursorskog jona i usmjeravanje u ćeliju sudara. Rezultirajući joni fragmenata se zatim analiziraju pomoću TOF reflektronskog masenog analizatora. Kvadrupolni TOF koristi sposobnost kvadrupola da izoluje jedan jon i sposobnost TOF-MS-a da izvrši istovremena i precizna mjerenja jona u cijelom rasponu mase u kratkom vremenskom periodu. Kvadrupolni TOF analizatori pružaju veću osjetljivost i tačnost od tandem kvadrupolnih instrumenata u dobijanju kompletnih fragmentarnih spektra mase.

Kvadrupolni TOF instrument može koristiti kvadrupolne ili TOF analizatore nezavisno ili zajedno za tandem MS eksperimente. TOF komponenta instrumenta je veća m / z granica prelazi 10000. Visoka rezolucija (~10000) TOF-a takođe obezbeđuje dobru tačnost merenja mase od oko 10 ppm. Zbog svoje visoke tačnosti i osjetljivosti, ESIquad-TOF maseni spektrometar se primjenjuje u rješavanju problema proteomike i farmakokinetike.

Masena spektrometrija Fourierove transformacije (FTMS)

FTMS se zasniva na principu posmatranja orbitalnog kretanja naelektrisanih čestica u magnetnom polju ( pirinač. 2.13-14). Dok joni kruže u orbiti, impulsni radio frekvencijski (RF) signal se koristi da ih pobuđuje. Ova RF ekscitacija omogućava ionima da proizvedu značajnu zaštitnu struju, dovodeći ih u koherentno kretanje i povećavajući radijus orbite. Struja štita koju generiraju svi ioni može se zatim Fourier transformirati da bi se dobile frekvencijske komponente različitih jona koje su povezane s njihovim m / z. Budući da se frekvencije mogu odrediti sa velikom preciznošću, odgovarajući m / z takođe se može izračunati sa velikom preciznošću. Važno je napomenuti da se signal generiše samo koherentnim kretanjem jona u uslovima ultravisokog vakuuma (10 -11 -10 -9 Torr). Ovaj signal mora biti izmjeren u najkraćem mogućem vremenu (obično 500 ms do 1 sekunde) kako bi se osigurala visoka rezolucija. Kako pritisak raste, signal opada brže zbog gubitka koherentnosti kretanja zbog sudara (npr. manje od 150 ms) i ne dozvoljava mjerenja visoke rezolucije ( pirinač. 2.14).

Ioni koji su u koherentnom ciklotronskom kretanju između dvije elektrode prikazani su na pirinač. 2.13. Kako se pozitivno nabijeni ioni udaljavaju od gornjeg elektrona i približavaju donjem, električno polje iona uzrokuje da elektroni u vanjskom krugu teku i akumuliraju se na donjoj elektrodi. Na drugoj polovini ciklotronske orbite, elektroni napuštaju donju elektrodu i akumuliraju se na gornjoj elektrodi kako se ioni približavaju. Oscilatorno kretanje elektrona u vanjskom kolu naziva se skrining struja. Kada je mješavina jona različitih vrijednosti m / z ubrzava istovremeno, signal struje štita na izlazu pojačala je kompozitni stabilan signal sa frekvencijskim komponentama koje odgovaraju svakoj vrijednosti m / z. Jednostavno rečeno, svi ioni zarobljeni u ćeliji analizatora se pobuđuju na visoke ciklotronske orbite pomoću RF impulsa. Kompozitni stabilni signal struje skriniranja jona dok se opuštaju obrađuje kompjuter, a Fourierova transformacija se koristi za izolaciju pojedinačnih ciklotronskih frekvencija. Uticaj pritiska na signal i rezoluciju prikazan je na Sl. 2.14.

Pored visoke rezolucije, FTMS takođe ima mogućnost da obezbedi eksperimente višestrukih kolizija (MS n). FTMS može isključiti sve jone osim željenog. Oslobođeni ion se zatim podvrgava sudaru sa gasom (ili drugom obliku ekscitacije: laserskom zračenju ili hvatanju elektrona) da izazove fragmentaciju. Analiza mase se zatim može izvršiti na fragmentima kako bi se dobio fragmentacijski spektar. Visoka rezolucija FTMS/MS također omogućava precizna mjerenja masa fragmenata.

FTMS je prilično nova tehnika za biomolekularnu analizu, ali mnoge prednosti je čine sve zanimljivijom. Sada je sve uobičajenije kombinovati FTMS ultra visoke rezolucije (>10 5 ) sa širokim spektrom metoda jonizacije, uključujući MALDI, ESI, APCI i EI. Rezultat visoke rezolucije FTMS analizatora je visoka tačnost (često reda veličine frakcija ppm) kao što je prikazano za protein na pirinač. 2.16, gdje se mogu vidjeti pojedinačni vrhovi izotopa. Fourierova transformacija ICR signala uvelike povećava pogodnost ICR-a istovremeno mjereći preklapajuće frekvencije proizvedene unutar ICR ćelije. Pojedinačne frekvencije se tada mogu lako i precizno prevesti u m / z joni.

Općenito, povećanje magnetnog polja (B) ima povoljan učinak na performanse. Fourierova transformacija IRC signala, mjerenjem frekvencija preklapanja istovremeno, omogućava postizanje visoke rezolucije i visoke preciznosti mase bez odgovarajućeg smanjenja osjetljivosti. Ovo je u jasnoj suprotnosti sa instrumentima sa dvostrukim sektorom, koji su podložni gubitku osetljivosti pri najvećoj rezoluciji i tačnosti. Mogućnost visoke rezolucije FTMS-a je direktno povezana sa FTMS poljem supravodljivog magneta, budući da je povećanje rezolucije direktno proporcionalno polju. Kapacitet jona, kao i eksperimenti kinetičke brzine MS/MS, povećavaju se sa kvadratom jačine polja, čime se povećava dinamički opseg i informacije o fragmentima. Jedna od barijera za povećanje B je efekat magnetnog ogledala, gdje prijenos iona u magnetsko polje postaje sve teži zbog magnetnih linija sile. Takođe, proizvodnja magneta visokog polja sa velikim rupama i odličnom homogenošću polja (za IRC) postaje tehnički sve teža.

Magnetno polje utiče FTMS opreme na sljedeće načine :

Budući da je frekvencija jona = K * B * z / m, veće magnetsko polje daje veću frekvenciju za isto m / z, stoga se generiše više referentnih tačaka za preciznije određivanje frekvencije, što dodatno povećava preciznost ( pirinač. 2.17).

FTMS kvadrupolni i FTMS kvadrupolni maseni analizatori jonske zamke koji su nedavno ušli u upotrebu obično se kombinuju sa ESI uređajima. Kvadrupolni FTMS kombinuje stabilnost kvadrupolnog analizatora sa visokom preciznošću FTMS-a. Quad može djelovati kao svaki jednostavan analizator skeniranja četverostrukog opsega m / z. Međutim, može se koristiti i za selektivni odabir jona prekursora i usmjeravanje tog jona u ćeliju sudara ili FTMS. Rezultirajući prekursori i fragmenti joni se zatim mogu analizirati pomoću FTMS.

Izvođenje MS/MS eksperimenata izvan magnetnog polja daje neke prednosti, jer visoka rezolucija u FTMS zavisi od visokog vakuuma. MS/MS eksperimenti uključuju sudare pri stalnom visokom pritisku (10 -6 - 10 -7 Torr) koji se zatim mora smanjiti da bi se postigla visoka rezolucija (10 -10 - 10 -9 Torr). Izvođenje MS/MS eksperimenata izvan ćelije je stoga brže, budući da se ultravisoki vakuum može održavati u IRC ćeliji. Ovo čini noviji hibridni raspored instrumenata superiornim u odnosu na kombinaciju FTMS/MS sa metodama separacije kao što je LC.

Tabela 2.2. Opće poređenje analizatora mase koji se obično koriste zajedno sa ESI. Ove vrijednosti mogu varirati ovisno o proizvođaču instrumenta.

quadrupole	jonski trap	vrijeme leta	Vrijeme leta reflektora	magnetni sektor	FTMS	quadrupole TOF
Preciznost	0,01% (100ppm)	0,01% (100ppm)	0,02 do 0,2% (200ppm)	0,001% (10ppm)	<0.0005% (<5 ppm)	<0.0005% (<5 ppm)	0,001% (10ppm)
Dozvola	4,000	4,000	8,000	15,000	30,000	100,000	10,000
Domet m/z	4,000	4,000	>300,000	10,000	10,000	10,000	10,000
Brzina skeniranja	~ drugo	~ drugo	milisekundi	milisekundi	~ drugo	~ drugo	~ drugo
Tandem MS	MS 2 (trostruki četveropol)	MS n	GOSPOĐA	MS 2	MS 2	MS n	MS 2

Mogućnosti masene spektrometrije

Maseni spektar se može koristiti za određivanje molekulske težine supstance. Ovo je neophodno za uspostavljanje molekularne formule supstance (bruto formula). Masa atoma, mjerena s velikom preciznošću, razlikuje se od masenog broja. Dakle, za CO 2 i C 3 H 8 maseni broj je 44, ali su njihove tačne relativne molekulske mase 43,989828 odnosno 44,062600, tj. razlika je 0,072772 amu. Maseni spektrometar omogućava odvajanje CO 2 + i C 3 H 8 + jonskih snopova kada se dobijaju istovremeno.

Određivanje atomskog sastava prema tačnoj vrijednosti mase vrši se pomoću tablica tačnih masa za različite omjere broja atoma C, H, O i N kao najčešćih elemenata. Precizno mjerenje mase ne zamjenjuje elementarnu analizu. Obje metode se međusobno nadopunjuju.

Prilikom proučavanja masenog spektra, pored određivanja tipa molekularnog jona (M + ) izmjeriti pikove i za izotopske jone, uključujući lakše ili teže izotope (sa masenim brojevima M ± 1, M ± 2, M ± 3, itd.). Malo je vjerovatno istovremeno prisustvo nekoliko izotopa u molekulu, jer prirodno obilje težih izotopa C, H, O i N je zanemarljivo. Na primjer, 13 C: 12 C = 1×10 -2 ; 2 H: 1 H = 1,6×10 -4 ; 15 N: 14 N = 4×10 -3 itd. Međutim, za hlor 35 Cl: 37 Cl = 3:1; za brom 79 Br: 81 Br = 1:1. Shodno tome, u masenom spektru, zajedno sa M jonom + ion će biti prisutan (M+1) + sa intenzitetom proporcionalnim obilju izotopa. U široko korištenim referentnim tabelama obično su dati omjeri vršnih intenziteta molekularnih jona s masenim brojevima M + 1 i M + 2.

Maksimalnu m/z vrijednost u masenom spektru tvari može imati molekularni ion (M + ), čija je masa jednaka molekulskoj masi ispitivanog spoja. Intenzitet pika molekularnog jona (M+) je veći, što je ovaj jon stabilniji.

U praksi je rijetko moguće utvrditi kompletnu strukturu jedinjenja samo na osnovu masenog spektra. Najefikasnija je zajednička upotreba nekoliko fizičko-hemijskih metoda. Masena spektrometrija, posebno u kombinaciji sa hromatografijom, jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukture tvari (hromato-masena spektrometrija).

Dakle, mogućnosti metode su: određivanje molekulske mase i bruto formule supstanci; utvrđivanje strukture supstance prema prirodi nastalih fragmenata; kvantitativna analiza mješavina, uključujući određivanje tragova nečistoća; određivanje čistoće supstance; određivanje izotopskog sastava supstance.

Uzmimo kao primjer maseni spektar etanola (slika 2). Tipično, spektar je predstavljen u obliku histograma.

Rice. 2. Maseni spektar etanola

U modernim uređajima obrada intenziteta električnih impulsa koji odgovaraju pikovima s različitim m/z vrijednostima vrši se pomoću kompjutera.

Maseni spektri su dati u sljedećoj notaciji: m/z vrijednosti su naznačene, a relativni intenzitet (%) u zagradama. Na primjer, za etanol:

C 2 H 5 OH maseni spektar (m/z): 15(9), 28(40), 31(100), 45(25), 46(14).

Pitanja za intervju

1. Teorijske osnove metode.

2. Energija jonizacije. Tipovi fragmentacije.

3. Šematski dijagram masenog spektrometra.

4. Metode jonizacije: elektronski udar, hemijska jonizacija itd.

5. Obrasci fragmentacije molekularnih jona.

6. Mogućnosti masene spektrometrije.

Test zadaci

1. Vrste fragmentacije molekularnih jona:

a). Disocijacija - dezintegracija molekularnog jona uz očuvanje redosleda veza. Kao rezultat procesa nastaju kation i radikal, a formiraju se fragmenti s parnim vrijednostima omjera m/z.

Preuređenje - promjena redoslijeda veza, formira se novi kation radikala manje mase i neutralna stabilna molekula, fragmente karakterizira neparna vrijednost omjera m / z.

b) Preuređenje - dezintegracija molekularnog jona uz održavanje redoslijeda veza. Kao rezultat procesa nastaju kation i radikal, a formiraju se fragmenti s neparnim vrijednostima omjera m/z.

Disocijacija je promjena u redoslijedu veza, formira se novi kation radikala manje mase i neutralna stabilna molekula, fragmenti se karakterišu ravnomjernom vrijednošću m/z omjera.

c) Disocijacija - dezintegracija molekularnog jona uz očuvanje redosleda veza. Kao rezultat procesa nastaju kation i radikal, a formiraju se fragmenti s neparnim vrijednostima omjera m/z.

Preuređenje - promjena redoslijeda veza, formira se novi kation radikala manje mase i neutralna stabilna molekula, fragmente karakterizira ravnomjerna vrijednost omjera m / z.

2. Mogućnosti metode masene spektrometrije:

a) određivanje molekulske mase i bruto formule supstanci, kvantitativna analiza smeša;

b) utvrđivanje strukture supstance prema prirodi formiranih fragmenata, određivanje izotopskog sastava supstance;

c) određivanje molekulske mase i bruto formule supstanci; utvrđivanje strukture supstance prema prirodi nastalih fragmenata; kvantitativna analiza mješavina, uključujući određivanje tragova nečistoća; određivanje čistoće supstance; određivanje izotopskog sastava supstance.

3. Odaberite tačan odgovor:

a) Vjerovatnoća prekida veze C-H opada sa povećanjem ugljovodoničnog lanca; energija kidanja C-C veze je manja; kod aromatičnih derivata najvjerovatnije je pucanje β-veze sa stvaranjem preuređenog tropilijum jona;

a) Vjerovatnoća prekida veze C-H opada sa povećanjem ugljovodoničnog lanca; energija raskida C-C veze je veća; kod aromatičnih derivata najvjerovatnije je pucanje β-veze sa stvaranjem preuređenog tropilijum jona;

c) Verovatnoća prekida veze C-H opada sa povećanjem ugljovodoničnog lanca; energija kidanja C-C veze je manja; u aromatičnim derivatima najvjerovatnije je pucanje a-veze sa stvaranjem preuređenog tropilijum jona;

1. Kazin V.N., Urvantseva G.A. Fizičko-hemijske metode istraživanja u ekologiji i biologiji: udžbenik (sertifikat UMO) / V.N. Kazin, G.A. Urvantsev; Yaroslavl stanje un-t im. P.G. Demidov. - Jaroslavlj, 2002. - 173 str.

2. Ispod. ed. AA. Ishchenko. Analitička hemija i fizičko-hemijske metode analize / N.V. Alov i drugi - M.: Izdavački centar "Akademija", 2012. (u 2 toma, 1 tom - 352 str., 2 tom - 416 str.) - (Ser. Baccalaureate)

3. Vasiljev V.P. Analitička hemija. - knjiga. 2. Fizičke i hemijske metode analize. Moskva: Ministarstvo obrazovanja Ruske Federacije. 2007. 383 str.

4. Kharitonov Yu.Ya. Analitička hemija, knj. 1, knj. 2, Viša škola, 2008.

5. Otto M. Moderne metode analitičke hemije (u 2 toma). Moskva: Tehnosfera, 2008.

6. Ed. Yu.A. Zolotova. Osnovi analitičke hemije, Viša škola, 2004.

7. Vasiliev V.P. Analitička hemija. - knjiga. 2. Fizičke i hemijske metode analize. M.: Drfa, 2009.

8. Kazin V.N. Fizičke i hemijske metode analize: laboratorijska radionica / V.N. Kazin, T.N. Orlova, I.V. Tikhonov; Yaroslavl stanje un-t im. P.G. Demidova - Yaroslavl: YarSU, 2011. - 72 str.