Масс-спектрометрия в широком смысле — это наука о получении и оценке масс-спектров, которые, в свою очередь, получают с помощью масс-спектрометров1 .
Что такое масс спектрометрия?
Современная масс-спектрометрия — это тонкий и чувствительный аналитический метод с самыми низкими пределами обнаружения и определения элементов. Метод МС может быть использован для определения молекулярного и элементного состава веществ природного и синтетического происхождения.
Масс-спектрометры используются во всех областях человеческой деятельности и представляют большой интерес для металлургов.
Суть метода
Основное отличие масс-спектрометрии от других физико-химических методов анализа заключается в том, что частицы вещества определяются непосредственно, а не по испусканию или поглощению энергии атомами или молекулами. Метод основан на измерении зависимости между массой иона и его зарядом. Это делается путем ионизации образца, а затем пространственного или временного разделения заряженных частиц на основе их массового числа в электрическом или магнитном поле.
Метод МС в принципе не является спектроскопическим методом, так как он принципиально иной. Единственное сходство заключается в том, что результаты анализа представляются в виде диаграммы распределения ионов в соответствии с их массовым числом, что визуально напоминает спектральные линии.
Для масс-спектрометрического анализа требуется определенное (довольно небольшое) количество вещества. Поэтому метод является деструктивным, а продукты его преобразования анализируются.
Принцип работы масс-спектрометра
Все масс-спектрометры, независимо от типа, работают по одному и тому же принципу, и поэтому анализ основан на одном и том же алгоритме. Ионизированные молекулы разделяются в высоком вакууме с помощью электрического или магнитного поля.
МС-анализ включает следующие основные этапы:
- Введение пробы в источник ионизации
- Ионизация атомов источнике ионизации.
- Выведение положительных ионов из зоны ионизации с последующим приданием им ускорения и фокусировкой с получением пучка.
- Сепарация ускоренного пучка ионов по массе.
- Измерение и регистрация интенсивности каждого компонента пучка.
Схематическая диаграмма масс-спектрометра.
Основные элементы масс-спектрометра следующие.
- Источник ионов.
- Масс-анализатор.
- Детектор.
- Насос.
Принцип работы и устройство масс-спектрометра
Источники ионов
Чтобы получить масс-спектр, необходимо сначала преобразовать нейтральные молекулы и атомы, составляющие органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией, и он происходит по-разному для органических и неорганических веществ. Вторым условием является преобразование ионов в газообразную фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Высокий вакуум обеспечивает беспрепятственный поток ионов в масс-спектрометре; если он отсутствует, ионы могут рассеиваться и рекомбинировать (превращаться обратно в незаряженные частицы).
Органические методы ионизации можно классифицировать в зависимости от фазы, в которой находится вещество перед ионизацией.
Газовая фаза:
Жидкая фаза:
- термоспрей
- ионизация при атмосферном давлении (AP)
- электроспрей (APESI)
- химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
- фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)
Твердая фаза:
- прямая лазерная десорбция — масс-спектрометрия (LDMS)
- матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)
- масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS)
- бомбардировка быстрыми атомами (FAB)
- десорбция в электрическом поле (FD)
- плазменная десорбция (PD)
В неорганической химии для анализа элементного состава используются методы жесткой ионизации, поскольку энергия связи атомов в твердых телах гораздо выше, и для разрыва этих связей и получения ионов необходимо использовать гораздо более жесткие методы.
- ионизация в индуктивно-связанной плазме (ICP)
- термоионизация или поверхностная ионизация
- ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация (см. искровой разряд)
- ионизация в процессе лазерной абляции
Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, слишком много органических веществ нельзя испарить, т.е. перевести в газовую фазу, не разлагаясь. Это означает, что они не могут быть ионизированы столкновениями электронов. Однако эти вещества включают в себя практически все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть все то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стоит на месте, и в последние годы были разработаны специальные методы для ионизации таких органических соединений. Два из них, ионизация при атмосферном давлении и ее разновидности, электрораспылительная ионизация (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI), а также матрично-ассистированная лазерная десорбционная ионизация (MALDI), широко используются сегодня.
Масс-анализаторы
Ионы, образующиеся при ионизации, передаются в масс-анализатор через электрическое поле. Именно здесь начинается второй этап масс-спектрометрического анализа — классификация ионов по их массе (точнее, по отношению массы к заряду или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:
Анализаторы массы непрерывного действия:
- Магнитный масс-анализатор
- Масс-анализатор со скрещенными магнитным и электростатическим полями
- Квадрупольный масс-анализатор
Импульсные масс-анализаторы:
- Времяпролётный масс-анализатор
- Ионная ловушка
- Квадрупольная линейная ловушка
- Ионно-циклотронная ловушка
- Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием
- Орбитрэп
Применения масс-спектрометрии
Разработка новых лекарств для спасения людей от неизлечимых болезней и контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслимы контроль за оборотом наркотиков и психотропных средств, судебно-медицинский и клинический анализ токсичных препаратов и анализ взрывчатых веществ.
Определение происхождения имеет решающее значение для решения многих проблем: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает выявлять террористов, наркотиков — бороться с их распространением и блокировать маршруты их незаконного оборота. Экономическая безопасность страны выше, если таможенные органы могут подтвердить не только страну происхождения в сомнительных случаях, но и соответствие указанному типу и качеству. Причем анализ нефти и нефтепродуктов необходим не только для оптимизации процессов нефтепереработки или поддержки геологов в поиске новых нефтяных месторождений, но и для выявления виновников разливов нефти в море или на суше.
В эпоху «химического сельского хозяйства» наличие следовых количеств используемых химических веществ (например, пестицидов) в продуктах питания стало очень важным вопросом. В следовых количествах эти вещества могут нанести необратимый ущерб здоровью человека.
Некоторые искусственные вещества (т.е. вещества, которые не встречаются в природе, а производятся в результате промышленной деятельности человека) являются гипертоксичными (токсичными, канцерогенными или вредными для здоровья при чрезвычайно низких концентрациях). Одним из примеров является хорошо известный диоксин.
Ядерная энергия немыслима без масс-спектрометрии. Масс-спектрометрия определяет обогащение расщепляющихся материалов и их чистоту.
Конечно, масс-спектрометрия незаменима и в медицине. Масс-спектрометрия изотопов атома углерода используется для прямой медицинской диагностики инфекции Helicobacter pylori у человека и является наиболее надежным из всех методов диагностики. Масс-спектрометрия также используется для обнаружения допинга в крови спортсменов.
Трудно представить себе область человеческой деятельности, в которой не было бы места масс-спектрометрии. Ограничимся простым списком: аналитическая химия, биохимия, клиническая химия, общая и органическая химия, фармация, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепереработка, экологический контроль, производство полимеров и пластмасс, медицина и токсикология, криминология, допинг-контроль, тестирование на наркотики, тестирование на алкоголь, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная и энергетическая промышленность, полупроводниковая промышленность, металлургия.
