Масс-спектрометрия

Министерство  сельского хозяйства РФ

Департамент научно-технологической политики и  образования 

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургская Государственная Академия Ветеринарной Медицины» 
 
 
 
 
 

Кафедра Неорганической химии и биофизики 
 
 
 

Курсовая  работа

На  тему: «Масс-спектрометрия» 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент 2 курса Биэкологии  2гр.

 Хафизова Флюра Илгизовна 

Старший преподаватель: Барышев Александр Николаевич

Санкт –  Петербург 2012 г. 

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество (см.: ионизация). История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX века. 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. 

Масс-спектрометрия  в широком смысле — это наука  получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получаются при помощи масс-спектрометров[1]. 

Масс-спектрометр  — это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических  полях, и 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 (см. метастабильные ионы, градиент ускоряющего  напряжения по местам образования ионов, неупругое рассеивание). 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, причём 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  определить её элементный состав (см.: элементный анализ). Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул (см.: изотопный анализ). 

В органических веществах  молекулы представляют собой определённые 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.

Содержание 

1 История масс-спектрометрии

2 Принцип работы  и устройство масс-спектрометра 

2.1 Источники ионов

2.2 Масс-анализаторы

2.3 Детекторы

2.4 Хромато-масс-спектрометрия

2.5 Характеристики  масс-спектрометров и масс-спектрометрических  детекторов

3 Применения масс-спектрометрии

3.1 Macc-спектрометрию в неорганической химии

4 Примечания

5 Ссылки 

История масс-спектрометрии

1912 год — Томсон  создает первый масс-спектрограф  и получает масс-спектры молекул  кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена.

1913 год — С помощью  своего масс-спектрографа Томсон  открывает изотопы неона: неон-20 и неон-22.

1923 год — Астон  измеряет с помощью масс-спектрометра  дефект массы.

1934 год — Конрад  применяет масс-спектрометрию для  анализа органических молекул.

1940 год — Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235.

1940 год — Нир создает первый надежный источник электронного удара, применив ионизационную камеру.

1948 год — Камероном  и Эггером создан первый масс-спектрометр с время-пролётным масс-анализатором.

1952 год — Тальрозе и Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH5+ в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией).[2]

1953 год — Пауль  патентует квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку.

1956 год — МакЛаферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр.

1966 год — Мансон и Филд создают ионный источник с химической ионизацией.

1972 год — Каратаев  и Мамырин изобретают время-пролётный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора.

1974 год — Первый  жидкостный хромато-масс-спектрометр  создан Арпино, Болдуином и МакЛаферти

1981 год — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB).

1982 год — Первый  масс-спектр целого белка (инсулин)  с помощью бомбардировки быстрыми  атомами (FAB).

1983 год — Бланки  и Бестал изобретают термоспрей.

1984 год — Л.  Н. Галль, а затем Фенн публикуют работы по методу электроспрей.[3]

1987 год — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

1999 год — Александр  Макаров изобретает электростатическую  ионную ловушку.

[править]

Принцип работы и устройство масс-спектрометра

Источники ионов 

Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, — 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. Вторым необходимым условием является перевод ионов 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 (EI)

химическая ионизация (CI)

электронный захват (EC)

ионизация в электрическом  поле (FI)

Жидкая фаза

термоспрей

ионизация при атмосферном  давлении (AP)

электроспрей (APESI)

химическая ионизация  при атмосферном давлении (APCI)

фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

Твёрдая фаза

прямая лазерная десорбция - масс-спектрометрия (LDMS)

матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)

масс-спектрометрия  вторичных ионов (SIMS)

бомбардировка быстрыми атомами (FAB)

десорбция в электрическом  поле (FD)

плазменная десорбция (PD) 

В неорганической химии  для анализа элементного состава  применяются жёсткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие  методы необходимо использовать для  того, чтобы разорвать эти связи  и получить ионы.

ионизация в индуктивно-связанной  плазме (ICP)

термоионизация или поверхностная ионизация

ионизация в тлеющем  разряде и искровая ионизация (см. искровой разряд)

ионизация в процессе лазерной абляции 

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

Масс-анализаторы 

Полученные при  ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс- спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:

непрерывные масс-анализаторы

Магнитный и электростатический секторный масс-анализатор (англ. Sector instrument)

Квадрупольный масс-анализатор (англ. Quadrupole mass analyzer)

импульсные масс-анализаторы

Времяпролётный масс-анализатор (англ. Time-of-flight mass spectrometry)

Ионная ловушка (англ. Ion trap)

Квадрупольная линейная ловушка (англ. Quadrupole ion trap)

Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (англ. Fourier transform ion cyclotron resonance)

Орбитрэп (англ. Orbitrap) 

Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые — порциями, через определённые 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 распространёнными конфигурациями тандемных масс спектрометров являются квадруполь-квадрупольная и квадруполь-времяпролётная.

Детекторы 

Итак, последним элементом  описываемого нами упрощённого 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 ещё 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).

Хромато-масс-спектрометрия 

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 (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать 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 с помощью  жидкостной хроматографии. Для сочетания  жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации  в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС (англ. LC/MS). Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

Характеристики  масс-спектрометров  и масс-спектрометрических детекторов 

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. Ведь если Вы записывали только один пик из всего характеристического масс-спектра, Вам понадобится ещё много поработать, чтобы доказать, что этот пик соответствует именно тому компоненту, который Вас интересует. Как же разрешить эту проблему? Использовать высокое разрешение на приборах с двойной фокусировкой, где можно добиться высокого уровня достоверности не жертвуя чувствительностью. Или использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий материнскому иону можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Итак, 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, применённых в них, например, использованию искривлённого  квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.

Применения  масс-спектрометрии 

Разработка новых  лекарственных средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ. 

Выяснение источника  происхождения очень важно для  решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков — бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая  безопасность страны более надёжна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному  виду и качеству. А анализ нефти  и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки  нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для  того, чтобы определить виновных в  разливах нефтяных пятен в океане или на земле. 

В эпоху «химизации сельского хозяйства» весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека. 

Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для  здоровья человека действие в предельно  низких концентрациях). Примером является хорошо известный диоксин. 

Существование ядерной  энергетики немыслимо без масс-спектрометрии. С её помощью определяется степень  обогащения расщепляющихся материалов и их чистота. 

Конечно и медицина не обходится без масс-спектрометрии. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется для определения наличия допинга в крови спортсменов. 

Трудно представить  область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. 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

Macc-спектрометрия в неорганической химии

Macc-спектрометрию в неорганической химии применяют при исследовании пов-сти неорг. материалов, для анализа микропримесей в кристаллах, металлах, сплавах, изоляторах и полупроводниках. Методом масс-спектрометрии определяют термодинамич. параметры, парциальные давления компонентов смесей со сложным составом пара, а также изучают металлич. кластеры - динамику их образования, хим. св-ва, фото-физ. особенности, строение и устойчивость, что помогает понять механизм проводимости металлов, крайне важный для микроэлектроники. Особое место занимает газовый анализ с применением масс-спектрометрии в разл. технол. процессах (металлургия, угольная пром-сть). Исследования проводят при т-рах от неск. сотен до 2000-3000 К. Изотопная масс-спектрометрия изучает прир. и техногенные вариации изотопного состава хим. элементов (вариации, вызванные ядерными или физ.-хим. процессами). Такие исследования необходимы для решения проблем космохимии и планетологии, изотопной геохронологии и геохимии, минералогии, гидрогеологии, геологии нефти и газа, биохимии, фармакологии, клинич. медицины, с. х-ва, ядерной физики и др. Вторая задача изотопной масс-спектрометрии - определение концентрации хим. элементов изотопного разбавления методом. Преимущество масс-спектрометрич. варианта этого метода -высокая чувствительность (до 10-12 г твердых в-в и до 10-16 г газов), низкая погрешность (b0,1-0,5%), допустимость нек-рых потерь части образца; недостаток - необходимость предварит. независимой ориентировочной оценки определяемой концентрации для дозирования оптим. кол-ва изотопного стандарта. Метод широко используют в изотопной геохронологии, иногда - в геохимии, ядерной физике, агрохимии, аналит. химии. Изотопная масс-спектрометрия со вторично-ионной эмиссией применяется также для локального анализа твердых тел. В этом случае для ионизации создают пучок первичных ионов (Ar+ , О2+, О-), к-рый направляют на выбранный участок исследуемой пов-сти диаметром 1-500 мкм. Производится изотопный анализ локальных участков, и устанавливается распределение заданного изотопа и соотв. элемента в структуре зерна минерала или в породе. Масс-спектрометрия позволяет определять все элементы периодич. системы с чувствительностью 10-12 г; при использовании лазерных источников ионизации м. б. достигнута чувствительность 10-19 г. При анализе твердых проб м.б. определены примеси, содержание к-рых в 1012 ниже содержания осн. элементов. Масс-спектрометрия широко применяется в анализе особо чистых металлов (Ga, Al, In, Fe, Сu и др.), полупроводниковых материалов (Si, GaAs, CdFe), сплавов на основе Fe, Ni и Zr при произ-ве тонких пленок и порошкообразных в-в, напр. оксидов U и редкоземельных элементов. Масс-спектрометрия позволяет определять содержание С, N, О, S, Р в сталях, анализировать керамику, стекла, разл. изоляц. материалы, проводить локальный и послойный анализ пробы (локальность по пов-сти до 1 мкм, по глубине до 1 мм), получать сведения о структуре и фазовом составе твердых тел. Для определения элементов используют масс-спектрометры с ионизацией образцов в электрич. дуге, искровом и тлеющем разряде или в индуктивно-связанной аргонной плазме при атм. давлении.

Ссылки

Метод масс-спектрометрии

http://ria-stk.ru/mos/adetail.php?ID=8202&sphrase_id=92406

Macc-спектрометрия в неорганической химии

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2448.html