Masna spektrometrija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
MS toluen

Masna spektrometrija (masna spektroskopija, masna spektrografija, masna spektrometrična analiza, masna spektrometrična analiza) je metoda raziskovanja in identifikacije snovi, ki omogoča določanje koncentracije različnih komponent v njej ( izotopska , elementarna ali kemična sestava ). Osnova za merjenje je ionizacija komponent, ki omogoča fizično razlikovanje med komponentami na podlagi razmerja med maso in nabojem, ki jih označuje, in z merjenjem jakosti ionskega toka izdelamo ločeno izračun deleža vsake od komponent (za pridobitev masnega spektra snovi).

Zaradi dejstva, da kemična sestava omogoča presojo lastnosti in izvora snovi, je masna spektrometrija velikega pomena v znanosti, industriji in medicini. Pojdite na "Aplikacije masne spektrometrije" ...

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

Masni spekter

Masni spekter - 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 vrhovi različnih komponent lahko 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 tvorbe ionov, neelastično sipanje). Tako se lahko ioni z enakim razmerjem med maso in nabojem pojavljajo v različnih delih spektra in celo naredijo njegov del neprekinjenega.

Načelo delovanja in zasnova masnega spektrometra

Kako deluje masni spektrometer

Na nabiti delec, ki se giblje v magnetnem polju, deluje Lorentzova sila, ki popači njegovo pot. Z določitvijo razlike v trajektorijah ioniziranih atomov, ki se gibljejo v magnetnem polju, lahko sklepamo o razmerju med maso in nabojem iona.

Zasnova masnega spektrometra vključuje ionizator vzorčne snovi, ionski pospeševalnik, vir močnega magnetnega polja in niz detektorjev ionskega pretoka.

Viri ionov

Prva stvar, ki jo je treba narediti, da dobimo masni spekter, je pretvoriti nevtralne molekule in atome, ki sestavljajo katero koli organsko ali anorgansko snov, v nabite delce – ione . Ta proces se imenuje ionizacija in se izvaja različno za organske in anorganske snovi. Drugi predpogoj je pretvorba ionov v plinsko fazo v vakuumskem delu masnega spektrometra. Globok vakuum zagotavlja neovirano gibanje ionov znotraj masnega spektrometra, v njegovi odsotnosti pa se ioni razpršijo in rekombinirajo (spremenijo nazaj v nenabite delce).

Večina majhnih molekul pri ionizaciji pridobi samo 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 izrazit v zvezi z izjemno velikimi molekulami, na primer beljakovinami, nukleinskimi kislinami in polimeri. Pri nekaterih vrstah ionizacije (na primer z elektronskim udarcem ) lahko molekula razpade na več značilnih delov, kar daje dodatne možnosti za prepoznavanje in preučevanje strukture neznanih snovi.

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

Plinska faza
Tekoča faza
Trdna faza

V anorganski kemiji se za analizo elementarne sestave uporabljajo toge 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 toge metode.

V preteklosti so bile prve ionizacijske metode razvite za plinsko fazo.

Številne organske snovi žal ni mogoče izpariti, torej prenesti v plinsko 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 takšnih organskih spojin. Danes se uporabljata predvsem dve od njih - ionizacija pri atmosferskem tlaku in njeni podtipi - elektrosprej (ESI), kemična ionizacija pri atmosferskem tlaku (APCI) in fotoionizacija pri atmosferskem tlaku (APPI), pa tudi ionizacija z lasersko desorpcijo s pomočjo matriksa (MALDI) .

Masni analizatorji

Ioni, pridobljeni med ionizacijo, se z električnim poljem prenesejo v masni analizator. Tam se začne druga faza masne spektrometrične analize - razvrščanje ionov po masi (natančneje, glede na maso do naboja ali m / z). Na voljo so naslednje vrste masnih analizatorjev:

kontinuirni masni analizatorji
analizatorji pulzne mase

Razlika med kontinuirnimi in impulznimi analizatorji mase je v tem, da ioni vstopajo v prve v neprekinjenem toku, v druge pa v delih v rednih intervalih.

Masni spektrometer ima lahko dva masna analizatorja. Tak masni spektrometer se imenuje tandemski masni spektrometer. Tandemski masni spektrometri se praviloma uporabljajo v povezavi 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 tandemskega masnega spektrometra so kvadrupol-kvadrupol in kvadrupol-čas-of-flight.

Detektorji

Torej je zadnji element poenostavljenega masnega spektrometra, ki ga opisujemo, detektor nabitih delcev. Prvi masni spektrometri so kot detektor uporabljali fotografsko ploščo. Dandanes se uporabljajo množitelji sekundarnih elektronov dinade, pri katerih ion, ki zadene prvo dinado , iz nje izbije snop elektronov, ki pa ob udarcu v naslednjo dinodo izbijejo še več elektronov iz nje itd. možnost so 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.

Organski vzorci so v večini primerov kompleksne mešanice posameznih snovi. Na primer, dokazano je, da ima 400 komponent (tj. 400 posameznih organskih spojin) vonj po ocvrtem piščancu. Naloga analitika je ugotoviti, koliko komponent sestavlja organsko snov, ugotoviti, katere so te komponente (identificirati) in ugotoviti, koliko vsake spojine vsebuje mešanica. Kombinacija kromatografije in masne spektrometrije je idealna za to. Plinska kromatografija je najbolj primerna za kombinacijo z ionskim virom elektronskega udarnega ali kemično ionizacijskega masnega spektrometra, saj so spojine že v plinski fazi v koloni kromatografa. Instrumenti, v katerih je masni spektrometrični detektor kombiniran s plinskim kromatografom, se imenujejo kromatografsko-masni spektrometri ("Chromass").

Veliko organskih spojin ni mogoče ločiti na njihove sestavine s plinsko kromatografijo, lahko pa s tekočinsko kromatografijo. Za kombinacijo s tekočinsko kromatografijo, masno spektrometrijo, se danes uporabljajo ionizacijski viri: elektrosprej (ESI), kemična ionizacija pri atmosferskem tlaku (APCI), kombinacija tekočinske kromatografije z masnimi spektrometri, imenovana LC/MS ( angl. 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.

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 največjo možno občutljivost in hkrati izboljšali razmerje signal/šum, se zatečemo k detekciji za posamezne izbrane ione. Dobiček v občutljivosti in selektivnosti je ogromen, 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, bo potrebno veliko dela, da dokažete, da ta vrh ustreza točno tisti komponenti, ki vas zanima. Kako je mogoče 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 hčerinskih ionov. Torej je absolutni rekorder v smislu občutljivosti visokoločljivostni organski plinski kromatografsko-masni spektrometer z dvojnim fokusom.

Po značilnostih kombinacije občutljivosti z zanesljivostjo določanja komponent ionske pasti sledijo instrumentom visoke ločljivosti. Klasični kvadrupolni instrumenti nove generacije so izboljšali zmogljivost zaradi številnih novosti, ki so jih uporabili, na primer uporabe ukrivljenega štiripolnega predfiltra, ki preprečuje vstop nevtralnim delcem v detektor in s tem zmanjšuje hrup.

Aplikacije masne spektrometrije

Razvoj novih zdravil za reševanje ljudi pred neozdravljivimi boleznimi in nadzor nad proizvodnjo zdravil, genski inženiring in biokemija, proteomika . Nadzor nad nezakonito distribucijo narkotikov in psihotropnih zdravil, forenzične in klinične analize strupenih drog ter analize eksplozivov so nepredstavljivi brez množične spektrometrije.

Odkrivanje vira izvora je zelo pomembno za reševanje številnih vprašanj: ugotavljanje izvora eksploziva na primer pomaga pri iskanju teroristov, drog - za boj proti njihovemu širjenju in blokiranje poti njihovega prometa. Gospodarska varnost države je bolj zanesljiva, če lahko carinske službe v dvomljivih primerih ne le z analizami 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, temveč 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 majhnih količinah lahko te snovi povzročijo nepopravljivo škodo zdravju ljudi.

Številne tehnogene (torej ne obstajajo v naravi, ampak se pojavljajo kot posledica človekove industrijske dejavnosti) so supertoksične snovi (ki imajo v izjemno nizkih koncentracijah strupene, rakotvorne ali škodljive učinke na zdravje ljudi). Primer so dobro znani dioksini .

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 [1] . Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия , биохимия , клиническая химия , общая химия и органическая химия , фармацевтика , косметика , парфюмерия , пищевая промышленность , химический синтез , нефтехимия и нефтепераработка , контроль окружающей среды , производство полимеров и пластиков , медицина и токсикология , криминалистика , допинговый контроль , контроль наркотических средств , контроль алкогольных напитков , геохимия , геология , гидрология , петрография , минералогия , геохронология , археология , ядерная промышленность и энергетика , полупроводниковая промышленность , металлургия .


История масс-спектрометрии

  • 1942 годЛоуренс запускает «калутрон» — промышленную установку по разделению изотопов урана, основанную на магнитно-секторном масс-спектрометре.
  • 1952 годВ. Л. Тальрозе и А. К. Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH 5 + в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 году Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией). [3]
  • 1974 год — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и МакЛафферти

См. также

Примечания

  1. Полищук В. Р. Как разглядеть молекулу. — М., Химия, 1979. — Тираж 70000 экз. — С. 121—135
  2. Arthur Jeffrey Dempster (American physicist) (англ.) . — статья из Encyclopædia Britannica Online .
  3. Talrose VL, Ljubimova AK Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502—504.
  4. История создания метода ЭРИАД

Ссылки