ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Курсовая работа на тему
«Масс-спектрометрический метод анализа»

Выполнил: студент группы Х-202
Меньшенин А.Н.

Проверила: Данилина Е.И.

Челябинск
2007

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Основы масс-спектрометрии

Принципиальное устройство масс-спектрометра

Способы ввода образца

Механизмы ионизации

Протонирование

Депротонирование

Катионизация

Отрыв электрона

Захват электрона

Способы ионизации

Ионизация электроспрея (ESI)

1. Растворители для электроспрея

2. Устройство прибора ионизации электроспрея

Ионизация наноэлектроспрея (nanoESI)

Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)

Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

Лазерная десорбция/ионизация при помощи матрицы (MALDI)

3. Преимущества и недостатки метода лазерной десорбции/ионизации при помощи матрицы (MALDI).

Десорбция/ионизация на кремнии (DIOS)

Бомбардировка быстрыми атомами/ионами (FAB)

Электронная ионизация (EI)

Химическая ионизация (CI)

Сравнение основных характеристик способов ионизации

Анализаторы масс

Анализ масс

Краткий обзор принципов работы анализаторов

Рабочие характеристики анализаторов

4. Точность

5. Разрешение (разрешающая сила)

6. Диапазон масс

7. Тандемный анализ масс (MS/MS или MS n)

8. Скорость сканирования

Конкретные виды анализаторов

Квадрупольный анализатор

Квадрупольная ионная ловушка

Линейная ионная ловушка

9. Ограничения ионной ловушки

Двуфокусирующий магнитный сектор

Квадрупольная-времяпролётная тандемная масс-спектрометрия

10. MALDI и времяпролётный анализ

Квадрупольная времяпролётная масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием (FTMS)

Общее сравнение анализаторов масс, обычно используемых совместно с ES

Детекторы

Электронный умножитель

Цилиндр Фарадея

Фотоумножитель с преобразующим динодом

Матричный детектор

Зарядовый (индуктивный) детектор

Общее сравнение детекторов.

Вакуум масс-спектрометра

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Масс-спектрометрию описывали как мельчайшие весы в мире, не из-за размера масс-спектрометра, но из-за того, что он взвешивает – молекулы. За последнее время масс-спектрометрия претерпела потрясающий технологический подъём, позволяющий применять её для белков, пептидов, углеводов, ДНК, лекарств и многих других биологически активных молекул. Благодаря таким способам ионизации, как ионизация электроспрея (ESI) или лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI), масс-спектрометрия стала незаменимым инструментом для биохимических исследований.

Основы масс-спектрометрии

Масс-спектрометр определяет массу молекулы, измеряя отношение массы к заряду (m / z ) её иона. Ионы генерируются при потере или получении заряда нейтральными частицами. После образования ионы электростатически направляются в анализатор массы, где они разделяются соответственно своему m / z и, наконец, детектируются. Результатом ионизации молекул, разделения ионов и детектирования ионов является спектр, по которому можно определить молекулярную массу и даже некоторую информацию о строении вещества. Можно провести аналогию между масс-спектрометром и призмой, как показано на рис. 1.1 . В призме свет разделяется на компоненты по длинам волн, которые затем определяются оптическим рецептором. Точно так же, в масс-спектрометре сгенерированные ионы разделяются в анализаторе массы, подсчитываются и определяются в детекторе ионов (таких, как, например, электронный умножитель).

ции, анализатор массы и детектор ионов. Некоторые приборы комбинируют ввод образца и ионизацию, в других объединены анализатор массы и детектор. Однако все молекулы образца претерпевают одинаковые воздействия независимо от конфигурации прибора. Молекулы образца вводятся через систему впуска. Попав внутрь прибора, молекулы преобразуются в ионы в устройстве ионизации, а затем электростатически переносятся в анализатор массы. Ионы затем разделяются соответственно их m / z . Детектор преобразует энергию ионов в электрические сигналы, которые затем поступают в компьютер.

Способы ввода образца

Ввод образца был одной из первых проблем в масс-спектрометрии. Для проведения анализа масс образца, который первоначально находится при атмосферном давлении (760 Торр), он должен быть введён в прибор таким образом, чтобы вакуум внутри последнего остался практически неизменным (~10 -6 Торр). Основными методами ввода образца являются прямое введение

зонда или подложки, обычно используемое в MALDI-MS, или прямое вливание или впрыскивание в устройство ионизации, как в методе ESI-MS.

Прямое вливание или впрыскивание : простой капилляр или капиллярная колонка используется для помещения образца в газообразной форме или в растворе. Прямое вливание также удобно, потому что оно позволяет эффективно вводить малые количества вещества в масс-спектрометр без нарушения вакуума. Капиллярные колонки обычно используются для разграничения систем разделения и устройства ионизации масс-спектрометра. Эти системы, включая газовую хроматографию (ГХ) и жидкостную хроматографию (ЖХ), также служат для разделения различных компонентов раствора, важных для анализа масс. В газовой хроматографии разделение различных компонентов происходит в стеклянной капиллярной колонке. Как только пары образца покидают хроматограф, они направляются прямиком в масс-спектрометр.

током ЖХ. Однако, ионизация электроспрея (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) сейчас позволяют совмещать ЖХ и масс-спектрометрию в повседневных анализах.

Механизмы ионизации

Протонирование – механизм ионизации, при котором к молекуле присоединяется протон, сообщая ей заряд 1+ на каждый присоединённый протон. Положительные заряды обычно локализуются на основных частях молекулы, таких, как амины, с образованием стабильных катионов. Пептиды часто ионизируются при помощи протонирования. Протонирование осуществляется при MALDI, ESI и APCI.

Депротонирование– механизм ионизации, при котором отрицательный заряд 1- получается при отрыве протона от молекулы. Такой механизм ионизации обычно осуществляется при MALDI, ESI и APCI и очень полезен для определения кислотных образцов, включая фенолы, карбоновые кислоты и сульфоновые кислоты. Спектр отрицательных ионов сиаловой кислоты показан на рис 1.2 .

Катионизация – механизм ионизации, в котором заряженный комплекс образуется при координационном присоединении положительно заряженного иона к нейтральной молекуле. В принципе, пртонирование тоже подпадает под это определение, поэтому катионизацией считается присоединение иона, отличного от протона, например щелочного металла или аммония. Кроме того, катионизация применима к молекулам, которые неспособны к протонированию. Связь катионов, в отличие от протонов, с молекулой менее ковалентна, поэтому заряд остаётся локализован на катионе. Это минимизирует размывание заряда и фрагментацию молекулы. Катионизация также может быть произведена при MALDI, ESI и APCI. Углеводы – лучшие вещества для такого механизма ионизации, с Na + как обычным присоединённым катионом.

Прямой перенос заряженной молекулы в газовую фазу

Перенос соединений, уже заряженных в растворе, легко достигается при использовании десорбции или выбрасыванием заряженных частиц из конденсированной фазы в газовую. Обычно это осуществляется с использованием MALDI или ESI.

Отрыв электрона

Как видно из названия механизма, отрыв электрона придаёт молекуле 1+ положительный заряд при выбивании электрона, так что при этом часто образуются катион-радикалы. Наблюдаемый, в основном, при электронной ионизации, отрыв электрона обычно применяется для относительно неполярных соединений с низкой молекулярной массой. Также известно, что он часто приводит к образованию значительных количеств фрагментарных ионов.

Захват электрона

При захвате электрона, отрицательный заряд 1- сообщается молекуле при присоединении электрона. Этот механизм ионизации в первую очередь наблюдается для молекул с большим сродством к электрону, таких как галогенсодержащие соединения.

Как отличить молекулы разных соединений? Оказывается, проще всего — взвешивая их на специальных весах, которые называются масс-спектрометр

Марина Чадеева

Спортивный мир ждет очередное потрясение: в глубокой тайне был разработан новый стероид, который делает из спортсмена сверхчеловека

Принцип работы масс-спектрометров Электростатический и магнитный сектора в устройстве с двойной фокусировкой. В щели фокусируются ионы, вылетающие из источника не только в разных направлениях, но и с разными энергиями

Квадрупольный анализатор. Ионы с выбранным отношением массы (m) к заряду (z) проходят вдоль оси анализатора и попадают в детектор, а ионы с другими отношениям m/z сталкиваются со стержнями или вылетают за пределы рабочего пространства

Возможно, в скором времени знакомые всем нам пропускные устройства для проверки пассажиров станут гораздо «умнее». Представьте, проходит человек около детектора, легкое дуновение ветерка трогает его одежды — и вскоре у службы безопасности уже есть информация о том, имел ли этот пассажир дело с какими-нибудь опасными веществами. Пробные образцы таких детекторов настолько чувствительны, что способны обнаружить следы химического соединения, даже если от него осталось всего несколько молекул. А сделаны они на основе масс-спектрометра — прибора, который умеет различать молекулы по массе и определять процентное содержание каждого сорта молекул в образце вещества.

По сути, масс-спектрометр — это прецизионные электромагнитные весы, на которых можно «взвешивать» атомы с точностью до 10−31 грамма. Именно благодаря этому изобретению в двадцатых годах прошлого века были изучены изотопы всех известных химических элементов, а когда любопытство ученых было в достаточной мере удовлетворено, наступила очередь прикладных задач. В сороковые годы в лабораториях Окриджа масс-спектрометр применялся при разделении изотопов урана для первой атомной бомбы, и тогда же появились первые гражданские потребители этих приборов — нефтяные концерны. Они использовали масс-спектрометры для количественного анализа смеси органических газов.

Принцип действия

Современные масс-спектрометры несомненно точнее и совершеннее своих предшественников столетней давности, но основной принцип их работы остается неизменным, а конструкция, как и сто лет назад, включает три основных элемента: ионизатор, анализатор и детектор.

Сначала молекулы надо ионизовать, то есть лишить их хотя бы одного электрона. Поскольку электрон в тысячи (а иногда и в десятки тысяч) раз легче молекулы, ионизация практически не влияет на ее массу. После ионизатора частицы попадают в анализатор, который представляет собой вакуумную камеру с электрическими и магнитными полями. Ионы разгоняют электрическим полем, а затем направляют в магнитное поле, где траектория заряженной частицы искривляется. Все частицы движутся в одном и том же поле, а между собой они различаются электрическим зарядом и массой. Чем больше заряд, тем сильнее можно разогнать ион и тем легче повернуть его магнитом, но чем больше его масса, тем труднее это сделать из-за инерции. Какую энергию приобретет частица, какова будет ее скорость и степень искривления траектории, зависит от величины поля и отношения массы частицы к ее заряду.

Если предположить, что при ионизации с каждой молекулы удалось сорвать только по одному электрону (как чаще всего и происходит), все ионы будут однозарядными и характер их движения будет зависеть только от массы. Чем тяжелее ион, тем труднее его «повернуть» и тем меньше будет кривизна его траектории. Получится, что частицы с разными массами будут в буквальном смысле разлетаться в разные стороны.

На последнем этапе нужно зарегистрировать эти ионы каким-нибудь детектором заряженных частиц, например фотопластинкой или вторично-электронным умножителем. Поставив в подходящем месте ряд детекторов, мы увидим, что частицы с разной массой (но с одинаковым зарядом) попадут в разные детекторы. Теперь построим график: по горизонтали отложим координату детектора, зарегистрировавшего ион, а по вертикали — количество этих ионов. У нас получится масс-спектр — картинка, похожая на спектр излучения: чем больше разница в массах, тем дальше точки попадания отстоят друг от друга, а чем больше в данное место прилетает частиц, тем больше сигнал и выше соответствующий пик.

На самом деле в современных системах используется только один детектор. На него при конкретном значении поля фокусируются ионы определенной массы. Постепенно меняя величину поля, можно направлять в детектор по очереди разные ионы и регистрировать их. Компьютер вычисляет по значениям поля соответствующие массы, сравнивает с базой данных и строит масс-спектр.

Первые опыты

В ряду основателей масс-спектрометрии первым стоит имя открывателя электрона сэра Джозефа Джона Томсона. В то время, в конце позапрошлого века, многие физики активно изучали электрические разряды в газах. В первую очередь их интересовали возникавшие при этом заряженные частицы. Поставив ряд остроумных опытов, Томсон смог определить параметры отрицательно заряженных частиц (которые мы теперь знаем как электроны), а потом занялся положительно заряженными — ионами. Для изучения ионов ему пришлось собрать отдельную установку. Томсон разместил катод с отверстиями в середине стеклянной трубки, за ним — магнит, а еще дальше за трубкой — фотопластинку. Положительно заряженные ионы разных химических соединений, находившихся в трубке, летели к катоду, через отверстия попадали в магнитное поле и в итоге оставляли следы в разных местах фотопластинки. По координатам частиц на фотопластинке и известным значениям поля Томсон вычислил отношение масс ионов к их зарядам и отметил на фотографиях траектории ионов водорода, атомарного и молекулярного кислорода, углекислого и угарного газа, ртути и неона. Так началась эпоха масс-спектрометрии.

Лишний вес

После Первой мировой войны исследования Томсона продолжил его ассистент Фрэнсис Уильям Астон. Усовершенствованный прибор, который Астон назвал масс-спектрографом, позволял не только увидеть линии, соответствующие частицам с разными массами, но и обладал достаточной точностью для определения количественных соотношений между ними. Больше всего Астона и его сотрудников поразило то, что атомные веса всех легких элементов, выраженные в относительных единицах, с удивительной точностью соответствовали целым числам. Приняв массу атома кислорода за 16 единиц, для углерода получили значение 12, для азота — 14 и т. д. Для тяжелых элементов, с атомным весом более 30, это «правило целого числа» начинало слегка нарушаться, но самым странным оказалось значение атомной массы водорода — не 1, а 1,008. Причем точность масс-спектрографа была такова, что эту, на первый взгляд незначительную, разницу нельзя было списать на ошибку измерений. Первым, кто понял важность, а главное — смысл этой аномалии, был сам Астон. По его мнению, этот экспериментальный факт подтверждал не что иное, как взаимный переход массы и энергии, предсказанный теорией относительности: когда несколько протонов (ядер водорода) соединяются, образуя другой элемент, часть их массы переходит в энергию, и в итоге масса, например, гелия оказывается несколько меньше суммы масс составляющих его частиц.

«Результаты, полученные с помощью масс-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе… — сказал Астон в своей Нобелевской лекции в 1922 году. — Мы можем быть совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть… Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию». Астон подкрепил свои слова цифрами. По его расчетам, сделанным на основе масс-спектрометрических измерений и теории относительности, если весь водород, содержащийся всего в 9 граммах воды, превратить в гелий, выделится энергия в размере 200 000 кВт/час, чего по современным меркам достаточно для освещения обычной городской квартиры в течение нескольких лет. Теперь-то мы точно знаем, что именно такие ядерные реакции — источник солнечной энергии, но управлять ею люди умеют только в режиме термоядерной бомбы, иначе говоря, пока еще вовсе не умеют.

Так эксперименты с газоразрядными лампами позволили физикам сделать далеко идущие выводы о фундаментальных свойствах материи, а заодно создать замечательный прибор — масс-спектрометр.

Квадрупольные масс-спектрометры

С появлением новых способов детектирования вместе с фотопластинками постепенно ушло в прошлое и придуманное Астоном название — масс-спектрограф. На смену пришли современные масс-спектрометры, которые в большинстве своем сохранили в качестве основного элемента магнитное поле. Масс-спектрометры с магнитом остаются непревзойденными по чувствительности, и, несмотря на огромные размеры и высокие энергозатраты, им нет альтернативы там, где нужна высокая точность. Поиски более компактного и экономного решения привели в середине 50-х годов профессора Вольфганга Пола и его сотрудников из университета Бонна к созданию масс-спектрометра без магнитного поля — квадрупольного анализатора с переменным электрическим полем. Такой анализатор состоит из четырех стержней, на пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами. В зависимости от величин напряжения и частоты к детектору между стержнями движутся только ионы с определенным отношением массы к заряду, а остальные вылетают наружу. Конструкция оказалась действительно компактной и очень практичной.

Миниатюрный квадрупольный масс-спектрометр был изготовлен специально для обеспечения безопасности астронавтов международной космической станции, в том числе и при работе в открытом космосе. Это устройство размером с коробку для обуви и весом 2,3 кг может непрерывно контролировать утечки аммиака, азота, ракетного топлива, кислорода, воды и разных других веществ.

Кто быстрее

Еще до квадруполя, в 1946 году, сотрудник университета Пенсильвании Уильям Стефенс придумал другой способ сортировки молекул по массе без магнита — времяпролетный масс-спектрометр. В нем остался только небольшой участок электрического поля для разгона ионов,

а основную часть занимало бесполевое пространство. Принцип действия этого прибора был замечательно прост: тяжелые ионы труднее разогнать из-за их инерции, а следовательно, они, имея меньшую скорость после разгона и двигаясь медленнее в дрейфовом пространстве без поля, прилетают к детектору позже легких. Если считать, что все ионы заряжены одинаково, время в пути будет прямо пропорционально квадратному корню из массы. Сначала в детектор прилетят легкие ионы, затем те, что потяжелее, и в последнюю очередь — самые тяжелые. Такой прибор оказался проще (хотя и имел меньшую точность, чем магнитный) и дешевле, а к тому же обладал огромным быстродействием, поскольку весь спектр ионов в широком диапазоне масс регистрировался за один проход и не нужно было тратить время на постепенное изменение поля.

С помощью времяпролетного масс-спектрометра в 1985 году был открыт целый класс новых веществ — фуллерены. К тому времени уже было известно, что в парах углерода присутствуют кластеры — молекулы, состоящие из разного числа атомов углерода (до 24). Благодаря масс-спектрометрам удалось различить эти кластеры и определить их массы. Когда от паров перешли к изучению углеродной плазмы, направляемой в поток гелия, на масс-спектрах стали видны молекулы из большего числа атомов, в том числе С60 и С70. А при определенных режимах создания плазмы пик, соответствующий С60, стал в несколько раз выше всех остальных, что свидетельствовало об устойчивости этого соединения. Так были обнаружены необычные молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, за что первооткрывателям фуллеренов в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Деликатный подход

Поистине безграничная сфера применения масс-спектрометрии — анализ сложных органических веществ, без которого немыслима современная медицина и биология. Однако это стало возможным только после появления новых методов ионизации. Ведь для масс-спектрометрического анализа нужно получить свободные ионы, а значит, испарить вещество. Большинство биологических молекул не выносит такого насилия над собой и распадается под действием высоких температур, сопровождающих процесс испарения. Поэтому для них изобрели более деликатные способы превращения в свободные ионы. Один из них — ионизация электрораспылением. Раствор вещества под давлением поступает в металлический капилляр, на который подано высокое напряжение (3−4 кВ). Из узкого носика капилляра выдавливаются капли, которые, будучи сильно заряженными, распадаются, теряя по пути молекулы растворителя, а напряжение подбирается таким образом, что в масс-спектрометр попадают в основном ионы биомолекул. Второй метод, под названием «матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация», еще более хитрый. Изучаемый образец наносится на матрицу из специально подобранного вещества, способного эффективно поглощать лазерное излучение. При стремительном нагреве этого «бутерброда» лазерным импульсом молекулы образца ионизуются, не успевая распасться на части.

Благодаря новым способам ионизации масс-спектрометрия биомолекул с использованием сравнительно простых и дешевых квадрупольных и времяпролетных масс-спектрометров стала широко применяться на практике — при разработке новых лекарственных препаратов, определении следов психотропных и наркотических веществ, исследованиях ДНК, белков и прочих субстанций. Существуют целые банки данных, с помощью которых можно идентифицировать органическое вещество по его составляющим, обнаруженным в масс-спектрометре.

Очень плодотворным оказалось сочетание масс-спектрометрии и другого физико-химического метода, предназначенного для разделения и анализа смесей — хроматографии. Сначала с помощью хроматографа выделяют компоненты смеси и затем по отдельности направляют их на вход масс-спектрометра. Подобными устройствами оснащены лаборатории допинг-контроля. С помощью хромато-масс-спектрометров определяют содержание анаболических стероидов, анальгетиков, диуретиков, стимуляторов и кортикостероидов. Как бы ни старался спортсмен, для которого медаль дороже собственного здоровья, скрыть употребление анаболиков, ему это не удастся сделать — современный масс-спектрометр способен найти в крови или моче даже миллиардную долю этих запрещенных препаратов. Правда, здесь идет своеобразная борьба: кто-то синтезирует новые средства для допинга, а кто-то пытается их обнаружить, и без такого инструмента, как масс-спектрометр, последними, скорее всего, эта гонка была бы проиграна.

На все случаи жизни

В наше время различные применения масс-спектрометрии вышли далеко за рамки уникальных проектов, а чтобы описать многочисленные конструкции масс-анализаторов и способы ионизации, не хватило бы и целого номера журнала. Портативные хромато-масс-спектрометры есть на вооружении американской армии в Ираке. Они позволяют обнаружить незначительные следы реагентов химического оружия и используются для предварительного анализа окружающей обстановки. Высокоточные приборы для масс-спектрального анализа приобретают таможенные службы — это способ тщательно контролировать состав нефтепродуктов и определять происхождение нефти буквально с точностью до скважины, поскольку изотопный состав уникален для каждого месторождения.

Современный масс-спектрометр может занимать экспериментальный зал или помещаться в небольшой коробке на столе, содержать сверхпроводящий магнит или обходиться вовсе без магнитного поля. Чувствительность этих приборов поражает воображение. Достаточно миллиграмма органического загрязнителя на тонну воды, чтобы масс-спектрометр усомнился в ее качестве, а неорганической примеси — и того меньше. Парадоксально, но высокая чувствительность может сама стать источником проблем: например, при проверке пассажиров ничтожные следы наркотиков, случайно попавшие на денежные купюры, могут быть обнаружены на руках совершенно добропорядочного гражданина! Впрочем, это задача уже другого сорта, и, имея в своем распоряжении такой замечательный инструмент, как масс-спектрометр, человек наверняка сможет ее решить.

Применение масс-спектрометрии

• · Ядерная энергетика;
• · Археология;
• · Нефтехимия;
• · Геохимия (изотопная геохронология);
• · Агрохимия;
• · Химическая промышленность;
• · Анализ полупроводниковых материалов, особо чистых металлов, тонких пленок и порошков (например, оксидов U и РЗЭ);
• · Фармацевтика - для контроля качества производимых лекарств и выявления фальсификатов;
• · Медицинская диагностика;
• · Биохимия - идентификация белков, исследование метаболизма лекарственных средств.

Хромато-масс-спектрометрия

Хромато-масс-спектрометрия - метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществв объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов - хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго - идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Известны 2 варианта хромато-масс-спектрометрии, представляющие собой комбинацию масс-спектрометрии либо с газо-жидкостной хроматографией (ГЖХ), либо с высокоэффективной жидкостной хроматографией.

Рис. 10.

Первые исследования аналитических возможностей хромато-масс-спектрометрии были проведены в 1950-х гг., первые промышленные приборы, объединяющие газо-жидкостной хроматограф и

масс-спектрометр, появились в 60-х гг. Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10 -5 - 10 -6 Па), тогда как давление в хроматографической колонке 10 5 Па. Для понижения давления используют сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим - с ионным источником масс-спектрометра. Сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основную часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.

Принцип действия сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану. В промышленности чаще всего применяют инжекторные сепараторы, работающие по первому принципу. Одностадийные сепараторы этого типа содержат две форсунки с отверстиями небольшого диаметра, которые установлены точно напротив друг друга. В объеме между форсунками создается давление 1,33 Па. Газовый поток из хроматографической колонки через первую форсунку со сверхзвуковой скоростью попадает в область вакуума, где молекулы распространяются со скоростями, обратно пропорциональными их массе. В результате более легкие и быстрые молекулы газа-носителя откачиваются насосом, а более медленные молекулы органического веществава попадают в отверстие второй форсунки, а затем в ионный источник масс-спектрометра. Некоторые приборы снабжены двухстадийным сепаратором, снабженным еще одним подобным блоком форсунок. В объеме между ними создается высокий вакуум. Чем легче молекулы газа-носителя, тем эффективнее они удаляются из газового потока и тем выше обогащение органическим веществом.

Наиболее удобный для хромато-масс-спектрометрии газ-носитель - гелий. Эффективность работы сепаратора, т.е. отношение количества органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его количеству, поступающему в масс-спектрометр, в значительной степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20-30 мл/мин удаляется до 93% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого вещества. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматографической колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнительное количество газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в сепаратор, достигла 20-30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.

В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографические колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого вещества.

Анализируемое вещество (обычно в растворе) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в сепаратор. В сепараторе газ-носитель в основном удаляется и обогащенный органическим веществом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально количеству поступающего вещества. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Таким образом, масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества.

Важное условие работы прибора - быстрая запись масс-спектра, который должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографического пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость регистрации масс-спектра (скорость сканирования) определяется масс-анализатором. Наименьшее время сканирования полного масс-спектра (несколько миллисекунд) обеспечивает квадрупольный анализатор. В современных масс-спектрометрах, снабженных ЭВМ, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количественные характеристики которых накапливаются в памяти ЭВМ. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Так как эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации вещества в ионном источнике, то ее используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс - время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.

Как описано выше, могут быть проанализированы смеси веществ, достаточно хорошо разделяемые на подходящих колонках хромато-масс-спектрометрии. Иногда удается исследовать и неразрешенные хроматографические пики. Исследуемые вещества должны быть термически стабильны, хроматографически подвижны в интервале рабочей температуры колонки, легко переводиться в паровую фазу при температуре испарителя. Если вещества не удовлетворяют этим требованиям, их можно химически модифицировать, например силилированием, алкилированием или ацилированием гидрокси-, карбокси-, меркапто-, аминогрупп.

Чувствительность хромато-масс-спектрометрии (обычно 10 -6 -10 -9 г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительна (10 -12 -10 -15 г) разновидность хромато-масс-спектрометрии - масс-фрагментография, называемая также селективным ионным или многоионным детектированием. Суть ее состоит в том, что запись хроматограмм осуществляется не по полному ионному току, а по наиболее характерным для данного вещества ионам. Этот вид хромато-масс-спектрометрии используют для поиска, идентификации и количественного анализа вещества с известным масс-спектром в составе сложной смеси, например при количественном определении следов веществ в больших объемах биологических жидкостей (медицина, фармакология, токсикология, допинг-контроль, биохимия). Осуществляют масс-фрагментографию на хромато-масс-спектрометрах с использованием специального устройства - многоионного детектора либо с помощью ЭВМ, которая может строить хроматограммы по одному или нескольким ионам. Такая хроматограмма, в отличие от обычной, содержит пики лишь тех компонентов, в масс-спектрах которых есть такие ионы. Анализ проводят с применением внутреннего стандарта, в качестве которого часто используют аналог искомого вещества, меченный стабильными изотопами (2 Н, 13 С, 15 N, 18 O).

Другой вариант хромато-масс-спектрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом ГЖ хромато-масс-спектрометрии. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять растворитель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в несколько мкм, в результате чего образуются капли, которые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть растворителя испаряется, а оставшаяся вместе с веществом попадает в ионный источник и ионизируется химически.

В ряде промышленных приборов реализован принцип ленточного транспортера. Элюат из колонки попадает на движущуюся ленту, которая проходит через обогреваемую ИК излучением камеру, где испаряется растворитель. Затем лента с веществом проходит через область, обогреваемую другим нагревателем, где испаряется анализируемое вещество, после чего оно поступает в ионный источник и ионизируется. Более эффективный способ сочетания высокоэффективного газо-жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150 °С, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в растворе, участвуют в ионообразовании. Образовавшиеся капли несут положительный, или отрицательный заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрического поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных ионов или кластеров (молекула вещества + катион буфера).

Метод хромато-масс-спектрометрии используют при структурно-аналитических исследованиях в органической химии, нефтехимии, биохимии, медицине, фармакологии, для охраны окружающей среды и др.

Масс-спектрометрия – это способ изучения веществ, вычислением массы и числа ионов при ионизации вещества.

Навигация:

Оборудование, которым производится масс-спектрометрия, является масс-спектрометр. Он анализирует образец и предоставляет данные в виде графиков (масс-спектров).

Таким путем можно исследовать любой материал, который поддается ионизации.

Широкое применение масс-спектрометрия приобрела в таких сферах, как:

• медицина и фармацевтика;
• генная инженерия и биохимия;
• химическая индустрия;
• пищевая индустрия;
• косметические и парфюмерные разработки;
• лабораторная диагностика для определения веществ в криминалистике, контроле на допинги, экологии;
• изготовление полимерных и пластиковых материалов;
• полупроводниковая индустрия;
• ядерная энергетика;
• металлургическое производство;
• нефтеперерабатывающая и нефтехимическая индустрия;
• биология, геология, гидрология, минералогия и другие отрасли.

Пути исследования масс-спектрометрией в разных сферах различаются в зависимости от того, какие данные необходимо получить в итоге.

Масс-спектрометрией можно получить следующие данные:

• установить структуру соединения;
• исследование вещества на компоненты;
• установить возраст геологической породы по обследованию состава изотопов;
• хромато-масс-спектральный анализ для экологической сферы;
• исследовать ионизационные процессы, ионные реакции;
• измерять потенциал и энергию молекул.

Преимуществом метода масс-спектрометрии является то, что для исследования хватает совсем маленькое количество вещества.

Недостаток же состоит в разрушении материала, которое исследуется, т.е. анализируются продукты превращения.

Примечание. Масс-спектрометрический метод по сути не относится к спектрометрическому методу, так как отсутствует взаимодействие образца с электромагнитным излучением. Но из-за графического вида зависимости силы ионного потока от отношения массы к заряду, который похож на спектр, этот метод и получил свое название.

Очень доступно и подробно масс-спектрометрия освещается в учебных пособиях, вроде Лебедев А.Т. «Масс-спектрометрия в органической химии».

Метод масс-спектрометрии

Метод масс-спектрометрии заключается в последовательном выполнении следующих операций:

1. Ионизация вещества, а именно лишение молекул хотя бы одного иона. Масса его ниже массы молекулы во много раз, поэтому он никак не повлияет на результат исследования.
2. Разгон заряженных частиц в вакуумной среде в электрическом поле с последующим перемещением их в магнитное поле.
3. Анализ перемещения частиц в магнитном поле, а именно их скорость, искривление траектории движения. Больше заряженные частицы быстрее разгоняются и лучше реагируют на магнит. Частицы с большой массой не такие управляемые из-за инерции движения.

Примечание. Вакуум необходим для свободного перемещения заряженных частиц и предотвращая превращения их в назад в незаряженные.

Ионизация образцов может производится несколькими путями и зависит от требуемой цели.

Существуют такие методы ионизации в масс-спектрометрии:

1. Электронный удар – приспособлен для изотопного и молекулярного анализа неорганических материалов.
2. Химическая ионизация – для изучения органических материалов.
3. Электроспрей.
4. Лазерное излучение.
5. Бомбардировка пучком ионов.

Последние три метода используются для исследования веществ с крупными молекулами.

Кроме того, способ ионизации разделяется еще на несколько видов по состоянию вещества перед исследованием, а именно газ, жидкость или твердое вещество.

Газовое состояние (фаза) образца проводится такими способами ионизации:

• электронная (изотопная масс-спектрометрия);
• химическая;
• электронный захват;
• ионизация в электрическом поле.

Жидкое состояние (фаза) образца проводится такими способами ионизации в масс-спектрометрии:

• термоспрей;
• на открытом воздухе;
• электроспрей;
• химическая на открытом воздухе;
• фотоионизация.

Твердое состояние (фаза) образца проводится такими способами ионизации:

• прямая лазерная десорбция;
• матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ масс-спектрометрия);
• масс-спектрометрия вторичных ионов (ионная масс-спектрометрия);
• бомбардировка быстрыми атомами;
• десорбция в электрическом поле;
• плазменная десорбция;
• ионизация в индуктивно-связанной плазме (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой);
• термоионизация (поверхностная ионизация);
• ионизация в тлеющем разряде (искровая ионизация);
• ионизация в процессе лазерной абляции.

Последние четыре варианта являются достаточно жесткими, но без них невозможно получить ионы в пробах с очень прочными связями.

Масс-спектрометрический гелиевый течеискатель

Очень широко практикуется метод масс-спектрометрии в гелиевых течеискателях, например, ПТИ-10, ТИ1-50 и другие.

Изучаемые системы или емкости заполняются гелием и потом с помощью масс-спектрометрического метода разыскиваются места, где через щели просачивается гелий.

Чувствительность масс-спектрометрического метода позволяет находить даже очень незначительные течи инертного газа в очень маленьком количестве, поэтому гелиевый масс-спектрометрический течеискатель является одним из самых точных и используемых приборов в промышленности.

Метод хромато-масс-спектрометрии

Метод хромато-масс-спектрометрии – это тандемная масс-спектрометрия хроматографии и масс-спектрометрии, т.е. сочетание этих двух методов.

Хроматография занимается разбиением молекул на заряженные частицы, а масс-спектрометрия анализирует их.

Существует два вида хромато-масс-спектрометрии:

• газовая;
• жидкостная.

Определение методом хромато-масс-спектрометрией состава органических веществ, которые чаще всего многокомпонетные, является, пожалуй, единственным доступным методом. Самым лучшим считается совокупность газовой хроматографии и ионного детектора масс-спектрометра.

Именно поэтому хромато-масс-спектрометрия получила большое потребление в медицинской практике для диагностирования и анализа заболеваний и их возбудителей, в том числе определение микробиоценоза разных органов любого сосредоточения методом хромато-масс-спектрометрии или масс-спектрометрия микробных маркеров биологических материалов (крови, моче и прочем). Микробиоценоз методом хромато-масс-спектрометрии предоставляет возможность выявить множество микробов, которые невозможно определить другими методами, даже те, которые находятся в спящем состоянии в защитных капсулах. А, следовательно, люди получают возможность воспользоваться правильным и своевременным лечением, что невозможно переоценить.

Кроме этого, хромато-масс-спектрометрия обширно применяется в фармацевтике для создания новых лекарств, химической промышленности, экологической сфере для оценки проб окружающей среды, генной инженерии, техническом контроле разных областей промышленности, лабораторных обследованиях на присутствие в крови запрещенных препаратов и прочее.

Газовая хроматография

Газовая хроматография масс-спектрометрия предусматривает добавление инертного газа-носителя (зачастую это гелий), который является подвижным элементом. Исследуемое вещество является неподвижным элементом.

Газовая масс-спектрометрия позволяет анализировать газы, жидкости и твердые вещества, у которых молекулярная масса ниже 400. Еще исследуемые вещества должны обладать требуемыми летучими, инертными и термостабильными свойствами.

Схема газового хроматографа предложена на схеме ниже.

Спектрометрический анализ

Спектрометрический анализ протекает в масс-анализаторах и детекторах масс-спектрометров.

Масс-анализаторы бывают непрерывные и импульсные. Разнятся они тем, что поступление в них ионов проводиться постоянно (непрерывно) или порциями, соответственно.

К непрерывным анализаторам принадлежат магнитный и квадрупольный, к импульсным – ионная ловушка, времяпролетный масс-анализатор и анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием.

Основная задача анализатора - это перераспределение ионов с разными параметрами движения.

После этого ионы попадают в детектор, который регистрирует разные спектры ионов.

Чаще всего в качестве детекторов используется диодный вторично-электронный умножитель или фотоумножитель. Первый регистрирует количественные показатели различных ионов пучками электронов, второй регистрирует мерцание от бомбардировки ионами люминофора.

Существуют также другие виды детекторов, это микроканальные множители, системы типа диодных матриц и коллекторы.

Что такое масс-спектрометр

Масс-спектрометром называется вакуумное оборудование, которое способно анализировать вещество по законам перемещения заряженных частиц в магнитном и электрическом поле.

В упрощенном виде описание масс-спектрометра можно представить так: основные компоненты прибора – это ионный источник, масс-анализатор и детектор.

Ионный источник превращает обычные молекулы пробного образца в заряженные частицы и помещает их в электрическое и магнитное поле для ускорения.

Масс-анализатор делит ионы на группы по скорости движения, а именно по времени перемещения на какое-то расстояние.

Детектор регистрирует данные по относительному количеству каждой группы.

Кроме основных компонентов масс-спектрометр оснащается еще вакуумными установками с насосом и вентилятором для выработки вакуума, манометром, системой для установки пробного образца, электронной схемой, индикаторами, стабилизатором и прочим.

В зависимости от ионизации вещества, масс-спектрометры бывают статическими и динамическими.

Также существуют масс-спектрометры с двумя масс-анализаторами, т.е. тандемные спектрометры. Они используются в основном при мягких способах ионизации.

(масс-сиектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) – метод исследования вещества путем определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведется с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX в. Окончание "-метрия" термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.

Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества (рис. 6.12).

Рис. 6.12.

Масс-спектрометрия в широком смысле – это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые, в свою очередь, получаются при помощи масс-спектрометров.

Масс-спектрометр – это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, необходимый для получения масс-спектра.

Масс-спектр, как и любой спектр, в узком смысле – это зависимость интенсивности ионного тока (количества) от отношения массы к заряду (качества). Ввиду квантования массы и заряда типичный масс-спектр является дискретным. Обычно (в рутинных анализах) так оно и есть, но не всегда. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации, и вторичные процессы в масс-спектрометре могут оставлять свой след в масс-спектре. Так, ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным. Поэтому масс-спектр в широком смысле – это нечто большее, несущее специфическую информацию и делающее процесс его интерпретации более сложным и увлекательным. Ионы бывают однозарядные и многозарядные, причем как органические, так и неорганические. Большинство небольших молекул при ионизации приобретает только один положительный или отрицательный заряд. Атомы способны приобретать более одного положительного заряда и только один отрицательный. Белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды. Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы позволяет установить ее элементный состав. Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс-спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом можно получать данные о структуре вещества.

Принцип работы масс-спектрометра

Приборы, которые используются в масс-спектрометрии, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы работают с материальным веществом, которое состоит из мельчайших частиц – молекул и атомов. Масс-спектрометры устанавливают, что это за молекулы (т.е. какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (т.е. их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее, соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр – это рассортировка заряженных частиц по их массам (отношениям массы к заряду).

Во-первых, для того чтобы получить масс-спектр, необходимо превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы – ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами.

Во-вторых, необходимо перевести ионы в газовую фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).

Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.

Газовая фаза:

• электронная ионизация (ЭИ, El – Electron ionization);
• химическая ионизация (ХИ, Cl – Chemical Ionization);
• электронный захват (ЭЗ, ЕС – Electron capture);
• ионизация в электрическом поле (ПИ, FI – Field ionization).

Жидкая фаза:

• термоспрей;
• ионизация при атмосферном давлении (АДИ, АР – Atmospheric Pressure Ionization);
• электроспрей (ЭС, ESI – Electrospray ionization);
• химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД, APCI – Atmospheric pressure chemical ionization);
• – фотоионизация при атмосферном давлении (ФИАД, APPI – Atmospheric pressure fotoionization).

Твердая фаза:

• прямая лазерная десорбция – масс-спектрометрия (ПЛДМС, LDMS – Direct Laser Desorption – Mass Spectrometry);
• матрично-активированная лазерная десорбция (ионизация) (МАЛДИ, MALDI – Matrix Assisted Laser Desorbtion (Ionization));
• масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ, SIMS – Secondary-Ion Mass Spectrometry);
• бомбардировка быстрыми атомами (ББА, FAB – Fast Atom Bombardment);
• десорбция в электрическом поле (ПД, FD – Field Desorption);
• плазменная десорбция (ПД, PD – Plasma desorption).

В неорганической химии для анализа элементного состава

применяются жесткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше, значит, и значительно более жесткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы:

• ионизация в индуктивно-связанной плазме (ИСП, IC – Pinductively coupled plasma);
• термоионизация или поверхностная ионизация;
• ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация;
• ионизация в процессе лазерной абляции.

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, т.е. перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры, т.е. все то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и в последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются в основном два из них – ионизация при атмосферном давлении и ее подвиды – электроспрей (ЭС), химическая ионизация при атмосферном давлении и фотоионизация при атмосферном давлении, а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ).

Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс-спсктромстричсского анализа – сортировка ионов по массам (точнее, по отношению массы к заряду).

Существуют следующие типы масс-анализаторов.

• 1. Непрерывные масс-анализаторы:
  • магнитный и электростатический секторный масс-анализатор;
  • квадрупольный масс-анализатор.
• 2. Импульсные масс-анализаторы:
  • времяпролегный масс-анализатор;
  • ионная ловушка;
  • квадрупольная линейная ловушка;
  • масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-прсобразованием;
  • орбитрэп.

Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые – порциями, через определенные интервалы времени.

Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс-спектрометры применяются, как правило, вместе с "мягкими" методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространенными конфигурациями тандемных масс-спектрометров являются квадруполь – квадрупольная и квадруполь-времяпролетная.

Последним элементом описываемого нами упрощенного масс-спектрометра является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые, в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т.д. Другой вариант – фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора.

Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений. Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (т.е. 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить, сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать, какие это компоненты (идентифицировать их) и сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами ("Хромасс").

Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно разделить с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрес и химической ионизации при атмосферном давлении, а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС. Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса.

Наиболее широкое распространение получил в последнее время масс-анализатор, позволяющий наиболее точно померить массу иона, и обладающий очень высоким разрешением. Высокое разрешение позволяет работать с полипротонированными ионами, образующимися при ионизации белков и пептидов в электроспрее, а высокая точность определения массы позволяет получать брутто-формулу ионов, делая возможным определять структуру последовательностей аминокислотных остатков в пептидах и белках, а также детектировать послетрансляционные модификации белков. Это сделало возможным секвенировать белки без их предварительного гидролиза на пептиды. Такой способ получил название "Top-down" протеомики. Получение уникальной информации стало возможно благодаря применению масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. В этом анализаторе ионы влетают в сильное магнитное поле и вращаются там по циклическим орбитам (как в циклотроне, ускорителе элементарных частиц). Такой масс-анализатор обладает определенными преимуществами: имеет очень высокое разрешение, диапазон измеряемых масс весьма широк, может анализировать ионы, получаемые всеми способами. Однако для своей работы он требует сильного магнитного ноля, а значит, использования сильного магнита со сверхпроводящим соленоидом, поддерживаемым при очень низкой температуре (жидкого гелия, приблизительно -270°С).

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.

Важнейшая характеристика при анализе органических соединений – это чувствительность. Для того чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму, прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр – достоверность. Использование высокого разрешения на приборах с двойной фокусировкой позволяет добиваться высокого уровня достоверности, не жертвуя при этом чувствительностью.

Для достижения высокой чувствительности можно еще использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному иону, можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.

По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например использованию с целью снижения шума искривленного квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор.