Масс-спектрометрия
-
История масс-спектрометрии
- Масс-спектрометрия измеряет отношение массы ионов к заряду.
- Первые устройства были разработаны в конце XIX века.
- Современные методы разработаны в начале XX века.
-
Основные компоненты масс-спектрометра
- Источник ионов: ионизирует образец.
- Масс-анализатор: сортирует ионы по отношению массы к заряду.
- Детектор: измеряет содержание ионов.
-
Процесс масс-спектрометрии
- Образец ионизируется и разделяется на ионы.
- Ионы проходят через масс-анализатор и детектор.
- Детектор регистрирует содержание ионов.
-
Методы ионизации
- Электронная ионизация: высокая степень фрагментации, подходит для GC-MS.
- Химическая ионизация: используется для газов и паров.
- Ионизация электрораспылением: подходит для жидких и твердых биологических образцов.
- Лазерная десорбция/ионизация с матрицей: используется для биологических образцов.
-
Типы ионизации
- Жесткая ионизация: высокая степень фрагментации, подходит для GC-MS.
- Мягкая ионизация: незначительная фрагментация, подходит для LC-MS.
-
Индуктивно связанная плазма
- Используется для катионного анализа.
- Плазма распыляет молекулы образца и отделяет внешние электроны.
-
Генерация плазмы
- Плазма обычно генерируется из аргона из-за его высокой первой энергии ионизации.
- Нагрев осуществляется радиочастотным током через катушку.
-
Фотоионизационная масс-спектрометрия
- Фотоионизация используется для определения механизмов химической кинетики.
- Синхротронный источник света позволяет настраивать энергию фотонов.
- Разработана технология фотоионизации при атмосферном давлении (APPI).
-
Ионизация окружающей среды
- Методы ионизации окружающей среды включают DART, DESI, SESI, LAESI, DAPCI, SICRT и DAPPI.
- Ионы образуются вне масс-спектрометра, что упрощает отбор проб.
-
Другие методы ионизации
- Включают тлеющий разряд, полевую десорбцию, бомбардировку быстрыми атомами, термораспыление, DIOS, APCI, SIMS, искровую ионизацию и TIMS.
-
Массовый отбор
- Масс-анализаторы разделяют ионы по отношению массы к заряду.
- Используются статические или динамические поля, магнитные или электрические поля.
- Важны характеристики: разрешающая способность, массовая точность, диапазон масс, линейный динамический диапазон, скорость.
-
Отраслевые инструменты
- Масс-анализатор секторного поля изменяет траектории ионов в зависимости от m/z.
- Анализатор времени пролета измеряет время достижения ионов детектора.
- Квадрупольные масс-анализаторы используют колеблющиеся электрические поля для стабилизации или дестабилизации траекторий ионов.
- Квадрупольный масс-анализатор с магнитным усилением обеспечивает дополнительное повышение производительности.
-
Ионные ловушки
- Трехмерная квадрупольная ионная ловушка улавливает ионы в квадрупольном радиочастотном поле.
- Цилиндрическая ловушка для ионов (CIT) имеет плоские кольца вместо гиперболических электродов.
- Линейная квадрупольная ионная ловушка захватывает ионы в двумерном квадрупольном поле.
- Тороидальная ионная ловушка накапливает большие объемы ионов в кольцеобразной структуре.
-
Типы масс-спектрометров
- Тороидальная ловушка: высокая чувствительность, устойчивость к давлению, тандемная масс-спектрометрия.
- Линейные ловушки и трехмерные квадрупольные ионные ловушки: высокая чувствительность, тандемная масс-спектрометрия, устойчивость к давлению.
- Орбитрап: высокая точность определения массы, высокая чувствительность, хороший динамический диапазон.
- Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье: высокая чувствительность, высокое разрешение, точность.
- Ионный циклотронный резонанс: высокая чувствительность, низкое разрешение.
-
Детекторы масс-спектрометров
- Детекторы регистрируют индуцированный заряд или ток, возникающий при прохождении иона.
- Используются различные типы детекторов, включая электронные умножители, чашки Фарадея, детекторы преобразования ионов в фотоны.
- Микроканальные пластинчатые детекторы широко используются в современных приборах.
-
Тандемная масс-спектрометрия
- Тандемный масс-спектрометр выполняет несколько циклов масс-спектрометрии.
- Методы фрагментации включают диссоциацию, вызванную столкновением, диссоциацию с захватом электронов, диссоциацию с переносом электронов и другие.
- Тандемная масс-спектрометрия используется для идентификации белков и различных экспериментальных исследований.
-
Распространенные конфигурации и технологии
- MALDI-TOF: матричный лазерный источник десорбции/ионизации с времяпролетным масс-анализатором.
- ICP-MS: масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.
- AMS: масс-спектрометрия с ускорителем.
- TIMS: масс-спектрометрия с термической ионизацией.
- SSMS: масс-спектрометрия с искровым источником.
-
Методы разделения в сочетании с масс-спектрометрией
- Газовая хроматография-масс-спектрометрия (GC/MS): разделение соединений с помощью газового хроматографа, ионизация в источнике ионов.
- Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (LC/MS): разделение соединений с помощью жидкостной хроматографии, ионизация электрораспылением.
- Капиллярный электрофорез–масс-спектрометрия (CE-MS): разделение жидкости при капиллярном электрофорезе, ионизация электрораспылением.
-
Спектрометрия подвижности ионов
- Метод разделения ионов по времени прохождения через нейтральный газ
- Ввод ионов в масс-спектрометр для анализа
- Рабочий цикл IMS больше, чем у других методов, что позволяет отбирать пробы
-
Типы данных и анализ
- Масс-спектры, масс-хроматограммы, трехмерные контурные карты
- Анализ данных зависит от типа эксперимента и источника ионов
- Важно знать заряд ионов для определения нейтральной массы и природы молекул
-
Интерпретация масс-спектров
- Сравнение с библиотекой масс-спектров, ручная или компьютерная интерпретация
- Компьютерное моделирование процессов ионизации и фрагментации
- Использование спектров с точной массой и «фингерпринтинг ионов-предшественников»
-
Приложения масс-спектрометрии
- Идентификация неизвестных соединений, определение изотопного состава, структуры соединений
- Количественное определение количества соединений, изучение ионной химии газовой фазы
- Преимущества: чувствительность, специфичность, информация о молекулярной массе и изотопном составе
-
Соотношение изотопов MS
- Определение изотопного состава элементов
- Использование масс-спектрометров с изотопным соотношением и ускорительных масс-спектрометров
- Применение для изотопного датирования и мечения стабильными изотопами
-
Масс-спектрометрия с мембранным введением
- Изучение газов в растворе с использованием реакционной камеры и газопроницаемой мембраны
- Пример: изучение производства кислорода фотосистемой II
-
Анализ следовых количеств газа
- Методы: SIFT-MS, PTR-MS, SESI-MS
- Преимущества: четкая кинетика реакции, отсутствие внутреннего стандарта или калибровки
-
Анализ остаточного газа
- Анализатор остаточных газов (RGA) для контроля технологических процессов и мониторинга загрязнения
- Использование открытого или закрытого источника ионов
-
Контроль качества вакуума и примесей
- RGAS используются для контроля качества вакуума и обнаружения мельчайших примесей.
- Примеси могут быть измерены с точностью до 10^-14.
- Уровни Torr могут быть обнаружены ниже ppm при отсутствии фоновых помех.
-
Атомный зонд
- Прибор сочетает времяпролетную масс-спектрометрию и микроскопию с полевым испарением.
- Используется для определения местоположения отдельных атомов.
-
Фармакокинетика
- Масс-спектрометрия часто используется для изучения фармакокинетики.
- ЖК-МС с тройным квадрупольным масс-спектрометром является распространенным прибором.
- Тандемная масс-спектрометрия повышает специфичность.
- Стандартные кривые и внутренние стандарты используются для количественного определения.
- Пустые пробы важны для определения исходных данных.
- Линейность стандартной кривой важна, но часто используется подгонка кривой.
- SESI-MS используется для мониторинга кинетики лекарственного средства.
-
Характеристика белка
- Масс-спектрометрия используется для определения характеристик и последовательности белков.
- Методы ионизации: ESI и MALDI.
- Подходы: «сверху вниз» и «снизу вверх».
- Промежуточный подход включает анализ протеолитических пептидов.
-
Освоение космоса
- Масс-спектрометры используются на других планетах и спутниках.
- Миссия «Кассини-Гюйгенс» доставила GC-MS на Титан.
- Масс-спектрометр установлен на Mars Phoenix.
- Масс-спектрометры измеряют состав плазмы.
-
Монитор вдыхаемого газа
- Масс-спектрометры использовались в больницах для анализа дыхательных газов.
- Система включала клапанный механизм и компьютерное управление.
- Магнитный секторный масс-спектрометр регистрировал все газы.
-
Препаративная масс-спектрометрия
- Масс-спектрометрия перспективна для синтеза материалов.
- Метод мягкой посадки исключает фрагментацию частиц.
-
Дополнительные ресурсы
- Биоэлектроспрей, метод определения молекулярной массы по Дюма, анализ выделяющегося газа.
- Гелиевый масс-спектрометр, разбавление изотопами, MassBank, масс-спектрометрическая визуализация.
- Программное обеспечение для масс-спектрометрии, ручка MasSpec, микрорешетки для масс-спектрометрии.
- Масс-спектрометрия вторичных ионов на наноуровне, рефлекторн.