Понятие масс-спектрометрии зародилось еще в первой половине 20-го столетия, благодаря проведению опытов в данной сфере Джоном Томсоном. Если подробно рассмотреть само название, то концовка «-метрия» начала свою историю с момента, когда детектирование заряженных частиц перестали осуществлять с помощью фотопластинок, заменив их инновационными замерами тока ионов посредству электричества.
Масс-спектрометрия
Понятие масс-спектрометрии обуславливает способ детализации и подробного анализа веществ, в основе которого лежит определение отношения массы к зарядам ионов. Молекулы, которые необходимы для определения такого отношения вырабатываются в процессе ионизации компонентов тестируемого объекта. Такой метод исследований является одним из наиболее качественных идентификаторов материалов, с помощью которого возможно определение даже количество учитываемых зарядов ионов. Простыми словами, процесс масс-спектрометрии позволяет взвесить молекулярный состав находящейся внутри рабочей камеры пробы.
Среди отраслей использования такого метода исследования, самым популярным предметом для анализирования является органическое вещество, так как взвешивание ионов данного материала обусловлено наиболее точной идентификацией, как по отношению простого, так и в измерении сложного состава молекул. Существует одно очень важное требование, без наличия которого невозможно произвести анализ – тестируемые молекулы обязательно должны поддаваться ионизации. Хотя, на сегодняшний день разработано огромное количество вариантов ионизации составных молекул практически любой пробы, так что масс-спектрометрия, можно сказать, охватывает все существующие вариации тестов разных веществ.
Почти все приборы для масс-спектрометрии являются вакуумными, так как взвешивание массы ионов в условиях наличия других видов молекул не будет точным, из-за их нестабильности. Хотя, существуют определенные типы масс-спектрометров, которые для своей работы используют поток специального очищенного газа, вместо вакуума.
Диапазон масс-спектра является зависимостью активности тока ионов, от взаимосвязи массы с зарядом. Параметры масс-спектра всегда находятся в дискретном состоянии, потому что вес любой из молекул тестируемого газа состоит из массы находящихся в ней атомов. Но в некоторых случаях, если разрешение прибора находится на низком уровне, то пиковое количество различных масс может перекрыться либо вообще слиться. В зависимости от состава тестируемого газа, обстоятельств способа самой ионизации, а также природы вторичных процессов внутри масс-спектрометра, в большинстве случаев влияют на диапазон масс-спектра. Все эти процессы могут спровоцировать нахождение молекул с одинаковым отношением их массы к заряду, в разных участках спектра, что может организовать его непрерывность.
Если размер молекулы, подвергающейся ионизации маленький, то после синтеза она приобретает всего лишь одну единицу отрицательного либо положительного заряда. Таким образом, в зависимости от размеров молекул, увеличивается шанс превращения их структуры в ион с множественным количеством зарядов. Существуют молекулы особо больших размеров, которые 100 % подвергаются данному эффекту и среди них находятся такие вещества как: полимеры, белки, нуклеиновые кислоты и прочее. Если применяется ионизация в виде электронного удара, то можно добиться более мелкой разбивки молекул на характерные части, что позволяет расширить функционал идентификации и проводить углубленные исследования молекулярного состава неизвестных ранее веществ.
Благодаря точному определению масс тестируемых молекул, становится возможным определять их элементные составы. Помимо стандартного функционала масс-спектрометрического анализа, с помощью этого метода можно получать необходимую информацию про изотопный состав в исследуемых молекулах.
Виды масс-спектрометрии
В процессе ионизации, образовавшиеся ионы транспортируются за счет электрического поля, в область масс-анализатора. Внутри этого прибора, после переноса подготовленных молекул, происходит вторая стадия масс-спектрометрического теста, в виде сортировки ионов по количеству масс. В зависимости от обстоятельств исследований, существуют такие виды масс-спектрометрических анализаторов как:
- Масс-анализатор непрерывного действия;
- Секторный прибор для тестов в магнитном и электростатическом поле;
- Квадрупольный анализатор;
- Масс-спектрометр импульсного типа;
- Времяпролетный анализатор массы;
- Улавливатель ионов;
- Квадрупольная ловушка линейного типа;
- Орбитреп;
- Фурье-преобразовательный, ионно-циклотронный масс-анализатор резонансного действия.
Наиболее распространенными являются анализаторы импульсного и непрерывного действия, которые обеспечиваются потоком ионов порционно (с поступлением частиц по определенному интервалу) и непрерывно, соответственно.
Некоторые модели масс-спектрометров могут обладать двумя встроенными анализаторами массы. Благодаря особенности своей конструкции, подобное устройство именуется тандемным. Эти приборы, как правило, используются параллельно со способами ионизации мягкого действия, при проведении которых отсутствует процесс фрагментации массы ионов в тестируемых молекулах. Анализ структуры вещества в тандемном масс-спектрометре происходит следующим образом: после того, как произойдет считывание параметров молекулярных ионов в первой части масс спектрометра, они за счет соударения с частицами инертного газа либо лазерного излучения фрагментируются и поступают во вторую часть прибора, для дальнейшей анализации. Наиболее распространенными модификациями тандемных устройств считаются квадруполь-времяпролетные и квадруполь-квадрупольные типы.
Среди элементов упрощенного типа масс-спектрометра находится не менее важный – детектор заряженных частиц. Когда были разработаны самые первые масс-анализаторы, их применяли только лишь в качестве детектирования молекул фотопластинок. В современных устройствах применяются динодные электронно-вторичные умножители, где заряженный ион, в процессе нахождения на первом диноде производит выбивания из его структуры пучка электронов, а те, переходя к следующему диноду, соударяются с его поверхностью и высвобождают еще больше заряженных электронов, что позволяет благодаря такому процессу поэтапно увеличивать дробление и более глубокое изучение масс.
Вторым вариантом являются фотоумножители, которые регистрируют свечение, появляющееся в процессе бомбардировки ионами вещества люминофора. Помимо этого, могут применяться микроканальные умножители, устройство с диодными матрицами и коллекторами, которые собирают все образовавшиеся ионы, находящиеся в данной точке пространства (они именуются коллекторами Фарадея).
Хромато-масс-спектрометрия
Данные приборы применяются в качестве анализаторов неорганических либо органических соединений. В случае с органическими образцами, их состав является сложной смесью уникальных веществ. Для примера, рассмотрим глубокий разбор запаха печеной курицы, в состав которого входит около 400 органических соединений индивидуального состава. Задачей хромато-масс-спектрометрии является определение количества компонентов, из которых состоит органика, выяснение рода этих компонентов, а также идентификация массы каждого из соединения, входящего в тестируемую смесь. Чтобы произвести такой анализ необходимо параллельно с хроматографией применять масс-спектрометрию. Использование газовой хроматографии здесь наиболее предпочтительно, так как колонка этого устройства содержит соединения газовой фазы.
Из-за того, что не все органические соединения удается разобрать на компоненты, используя газовую хроматографию, используется жидкостная хроматография. Для того, чтобы объединить такой метод с работой масс-спектрометра существуют специальные ионизаторы в электроспрее, а также химическая ионизация в условиях атмосферного давления.
Масс-спектрометрия: сущность метода
В первую очередь, для получения масс-спектра необходимо преобразовать нейтрально расположенные молекулы и атомы, которые входят в состав любого органического либо неорганического вещества, в заряженные ионные частицы. Такая методика организовывается по-разному, в зависимости от рода происхождения тестируемого вещества.
На втором этапе нужно перевести заряженные ионы в состояние газа, при их нахождении в вакуумной части анализатора. За счет присутствия абсолютного вакуума внутри рабочего объема масс-спектрометра, ионы могут беспрепятственно передвигаться, что гарантирует отсутствие возможности молекул рассеиваться и комбинировать (состояние, когда ионы снова становятся не заряженными).
Для того, чтобы разграничить методы ионизации органических веществ, существуют квалификации фаз, которые определяют состояние вещества до процесса ионизации. Таким образом, бывают следующие фазы:
-
Газовая:
- Фаза электронной ионизации;
- Фаза химической ионизации;
- Стадия электронного захвата;
- Создание ионов в условиях электрического поля;
-
Жидкая:
- Период термоспрея;
- Процесс ионизации в условиях атмосферного давления;
- Период электроспрея;
- Химический переход к ионам в условиях атмосферного давления;
- Фотоионизация в атмосферном давлении;
-
Твердая:
- Лазерная десорбция прямого действия;
- Лазерная десорбция матрично-активированного действия;
- Проведение масс-спектрометрии ионов вторичного состава;
- Бомбардирование скоростными атомами;
- Проведение десорбции при электрическом поле;
- Плазменная десорбция.
Для того, чтобы производить анализ элементного состава в отрасли неорганической химии, используются только жесткие способы ионизации, потому что уровень энергетической связи атомов в твердых телах намного выше, так что для их разрыва и получения необходимых ионов нужно максимально ужесточить методы ионизации. Среди таких приборов применяются следующие типы воздействия:
- Ионизация в условиях индуктивно-связанной плазмы;
- Ионизация поверхностного типа либо термоионизация;
- Осуществление ионизации молекул в следующем разряде;
- Искровая ионизация;
- Расщепление молекул за счет лазерной абляции.
Если заглянуть в историю, то самый первый метод ионизации был разработан для газовой фазы. Но существенным недостатком на то время было ограничение возможностей ионизировать органические вещества, так как большая часть их разновидностей не поддавалась испарению при помощи электронного удара. К такому молекулярному составу относятся практически все живые ткани типа белков, ДНК, физиологически активных веществ, полимеров и прочего. Учитывая то, что современная исследовательская база очень заинтересована в изучении вышеописанных органических составов, были разработаны особые методики масс-спектрометрии. Чтобы организовать такой процесс, применяется ионизация в условиях атмосферного давления, испарение с помощью электроспрея, химическая ионизация в условиях атмосферного давления и фотоионизация.
Применение масс-спектрометрии
Данный метод детектирования обретает все большую популярность в силу массовых разработок нового лекарства, необходимости контролировать производство лекарственных средств, в поддержку генной инженерии и биохимии, а также протеомики. Если бы не было масс-спектрометрического анализа, то стало бы невозможным осуществлять контроль над распространением наркотических и психотропных препаратов незаконным путем, производить клинические и криминалистические анализы токсичных веществ, анализировать взрывчатые соединения.
Выяснить, откуда произошел источник является очень важной задачей, помогающей решать целый ряд вопросов: при определении источника появления взрывчатых веществ возможно увеличение шансов в поиске террористов, а разбор наркотиков помогает бороться с распространением и разрушать источники их трафика. Благодаря масс-спектрометру, любая цивилизованная страна может защитить своих граждан от попадания через таможню некачественных и незаконных препаратов, за счет оперативного их анализа на предмет соответствия качества либо сертификации. Без данных приборов не обходятся и нефтедобывные предприятия, которые применяют масс-спектрометрию в качестве детекторов при поиске источника утечек всевозможных нефтяных пятен как на воде, так и на земле.
Особое внимание спектрометрическому анализу уделяется в производстве химикатов для сельского хозяйства, к примеру, пестицидов. Если не производить качественное исследование применяемых добавок в пищу и при выращивании культур, то можно спровоцировать массовое нанесение вреда здоровью людей.
В случае с техногенными веществами, например такими как диоксин, еще больше внимание необходимо уделять контролю над производимыми супертоксикантами. Так сложилось, что ни одно вещество, которое создано не природным путем, не может быть безвредным и не наносить негативного влияния на окружающую среду и человека.
Ядерная энергетика тоже требует применения масс-спектрометрических анализов, для контроля над степенью обогащения расщепляющихся веществ, а также их частоты.
