Что такое масс-спектрометр?

Что такое масс-спектрометр?

Рисунок 1. Изображение масс-спектрометра

Масс-спектрометр (МС) — это прибор, который ионизирует молекулы в образце, а также обнаруживает и идентифицирует отношение массы к заряду (m/z) полученных ионов.

Аббревиатура «МС» используется на международном уровне. Когда молекулы ионизируются методом ионизации, они приводятся в движение электростатическими силами.

Масс-спектрометр — это аналитический прибор, который разделяет и обнаруживает ионы в движении на основе их отношения массы к заряду (m/z) посредством электрических, магнитных или других действий в вакууме. Прибор в основном состоит из секции ввода образца, источника ионов, секции разделения масс и детектора.

Существует несколько типов в зависимости от методов ионизации и разделения масс, и они используются в соответствии с образцом измерения и применением. Масс-спектрометры в основном используются для идентификации образцов, компонентного анализа неизвестных образцов, а также для различения и обнаружения изотопов.

Применение масс-спектрометров

Масс-спектрометры используются для качественного и количественного анализа широкого спектра молекул, от низкомолекулярных соединений до высокомолекулярных соединений, таких как белки и синтетические полимеры.

Благодаря своей эффективности в идентификации известных веществ и определении структуры неизвестных веществ масс-спектрометрия широко используется в органической химии, биохимии и других химических и биологических областях. В частности, она находит применение в исследованиях и разработках, контроле качества, анализе и тестировании различных сельскохозяйственных химикатов, фармацевтических препаратов и природных соединений.

Последние достижения позволили ионизировать белки с большой молекулярной массой, что расширило применение масс-спектрометров в областях наук о жизни и медицины.

Принцип масс-спектрометров

Рисунок 2. Принцип работы масс-спектрометра

Основной принцип работы масс-спектрометра включает следующую последовательность шагов, при этом масс-спектр отображается с использованием m/z в качестве абсциссы и интенсивности обнаружения в качестве ординаты:

1. Образец вводится в прибор через секцию ввода образца.
2. Образец ионизируется источником ионов.
3. В секции разделения масс образец разделяется на основе различных эффектов магнитных и электрических полей на ионы в соответствии с их m/z и обнаруживается детектором.

Масс-спектрометры могут обнаруживать однозарядные ионы, имеющие только один заряд, а также многозарядные ионы, фрагментарные ионы, полученные в результате диссоциации, или агрегатные ионы, образованные путем ассоциации образцов друг с другом. Пики обычно демонстрируют уникальное распределение, полученное из изотопного соотношения исходной молекулы.

Типы масс-спектрометров

Существуют различные типы масс-спектрометров, классифицируемые в первую очередь по комбинации типа источника ионов и типа масс-сепаратора. Примерами являются «MALDI-TOF-MS» и «ESI-TOF-MS».

1. Раздел введения в образец

Рисунок 3. Пример источника ионизации и части разделения масс

Некоторые масс-спектрометры объединены с другими приборами перед секцией ввода образца и используются в исследованиях и разработках и контроле качества. Примеры включают ЖХ-МС в сочетании с жидкостной хроматографией, ГХ-МС в сочетании с газовой хроматографией и ИСП-МС в сочетании с индуктивно связанной плазмой.

2. Источник ионов

Метод электронной ионизации (ЭИ)
Ускоренные электроны сталкиваются с термически испаренными молекулами (M) в высоком вакууме. Затем электроны выбрасываются из молекулы, образуя радикальные катионы (M+), называемые молекулярными ионами.

Метод ионизации электрораспылением (ESI)

1. Сначала раствор образца вводится в капилляр, к которому приложено высокое напряжение.
2. Распыляющий газ (газ распылителя) течет снаружи капилляра, распыляя его, образуя заряженные капли.
3. По мере движения заряженных капель растворитель испаряется, а поверхностное электрическое поле увеличивается, что в конечном итоге приводит к разделению капель, когда сила отталкивания между зарядами превышает поверхностное натяжение жидкости.
4. Этот процесс высвобождает ионы образца в газовую фазу.

Метод матрично-активированной лазерной десорбционной ионизации (МАЛДИ)
Этот метод включает смешивание образца с матрицей, например ароматическим органическим соединением, для формирования кристалла. Затем кристалл ионизируется путем облучения его лазером. Он подходит для ионизации высокомолекулярных соединений, таких как белки.

Метод бомбардировки быстрыми атомами (FAB)
Этот метод ионизирует молекулы образца путем высокоскоростных столкновений с нейтральными атомами в присутствии матрицы и раствора образца, растворенного в органическом растворителе.

Другие методы включают методы CI, FD, APCI и ICP.

3. Секция разделения масс

Квадруполь (Q)
Этот метод использует четыре электродных стержня для приложения высокочастотного напряжения к ионам из источника ионов. Электроды подвергаются воздействию постоянного и переменного напряжения для создания электрического поля, которое позволяет ионам с определенным m/z достигать детектора.

Этот метод может измерять ионы в желаемом диапазоне m/z примерно до m/z 4000.

Тип с двойной фокусировкой
Это сепаратор масс магнитного секторного типа. В сепараторах магнитного секторного типа ионы проходят через магнитное поле, изменяя траектории своего полета из-за силы Лоренца. Тип с двойной фокусировкой объединяет секторы магнитного и электрического полей для достижения как скорости, так и направленного сближения ионов.

Время пролета (TOF)
Этот метод ускоряет ионизированные образцы с известной напряженностью электрического поля и определяет разницу во времени между прибытием каждого иона на детектор. Он может измерять ионы в широком диапазоне масс.

Другие методы включают ионную ловушку (IT), ионно-циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT-ICR) и ускорительную масс-спектрометрию (AMS).