Масс-спектрометрии - Mass spectrometry
Масс - спектрометрия ( МС ) представляет собой аналитический метод , который используется для измерения отношения массы к заряду из ионов . Результаты представлены в виде масс-спектра , графика интенсивности как функции отношения массы к заряду. Масс-спектрометрия используется во многих различных областях и применяется как к чистым образцам, так и к сложным смесям.
Масс-спектр - это график ионного сигнала как функции отношения массы к заряду. Эти спектры используются для определения элементарной или изотопной характеристики образца, масс частиц и молекул , а также для выяснения химической идентичности или структуры молекул и других химических соединений .
В типичной процедуре МС образец, который может быть твердым, жидким или газообразным, ионизируется, например, путем бомбардировки его пучком электронов . Это может привести к тому, что некоторые молекулы образца распадутся на положительно заряженные фрагменты или просто станут положительно заряженными без фрагментации. Эти ионы (фрагменты) затем разделяются в соответствии с их отношением массы к заряду, например, путем их ускорения и воздействия на них электрического или магнитного поля: ионы с одинаковым отношением массы к заряду будут подвергаться одинаковому отклонению. . Ионы обнаруживаются с помощью механизма, способного обнаруживать заряженные частицы, например электронного умножителя . Результаты отображаются в виде спектров интенсивности сигнала обнаруженных ионов в зависимости от отношения массы к заряду. Атомы или молекулы в образце могут быть идентифицированы путем сопоставления известных масс (например, всей молекулы) с идентифицированными массами или с помощью характерного образца фрагментации.
История масс-спектрометра
В 1886 году Ойген Гольдштейн наблюдал лучи в газовых разрядах под низким давлением, которые уходили от анода через каналы в перфорированном катоде , противоположно направлению отрицательно заряженных катодных лучей (которые проходят от катода к аноду). Гольдштейн назвал эти положительно заряженные анодные лучи «Каналстрахлен»; стандартный перевод этого термина на английский язык - « лучи канала ». Вильгельм Вин обнаружил, что сильные электрические или магнитные поля отклоняют лучи канала, и в 1899 году сконструировал устройство с перпендикулярными электрическими и магнитными полями, которое разделяло положительные лучи в соответствии с их отношением заряда к массе ( Q / м ). Вин обнаружил, что отношение заряда к массе зависит от природы газа в разрядной трубке. Английский ученый Дж. Дж. Томсон позже улучшил работу Вина, уменьшив давление при создании масс-спектрографа.
Слово спектрограф стало частью международного научного словаря к 1884 году. Ранние спектрометрические устройства, которые измеряли отношение массы к заряду ионов, назывались масс-спектрографами, которые состояли из инструментов, которые регистрировали спектр значений масс на фотопластинке . Масса спектроскоп похож на массах - спектрограф за исключением того, что пучок ионов направляются на люминофор экрана. Конфигурация масс-спектроскопа использовалась в ранних приборах, когда нужно было быстро наблюдать эффекты корректировок. После того, как инструмент был правильно настроен, фотографическая пластинка была вставлена и экспонирована. Термин масс-спектроскоп продолжал использоваться, хотя прямое освещение люминофорного экрана было заменено косвенными измерениями с помощью осциллографа . Использование термина масс-спектроскопия в настоящее время не рекомендуется из-за возможности путаницы со световой спектроскопией . Масс-спектрометрию часто называют масс- спектрометрией или просто МС .
Современные методы масс-спектрометрии были изобретены Артуром Джеффри Демпстером и Ф. У. Астоном в 1918 и 1919 годах соответственно.
Секторные масс-спектрометры, известные как калютроны, были разработаны Эрнестом О. Лоуренсом и использовались для разделения изотопов урана во время Манхэттенского проекта . Масс-спектрометры Calutron использовались для обогащения урана на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Теннесси, созданном во время Второй мировой войны.
В 1989 году половина Нобелевской премии по физике была присуждена Гансу Демельту и Вольфгангу Паулю за разработку метода ионной ловушки в 1950-х и 1960-х годах.
В 2002 году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Беннетту Фенну за разработку ионизации электрораспылением (ESI) и Коичи Танаке за разработку мягкой лазерной десорбции (SLD) и их применение для ионизации биологических макромолекул, особенно белков.
Детали масс-спектрометра
Масс-спектрометр состоит из трех компонентов: источника ионов, масс-анализатора и детектора. Ионизатор преобразует часть образца на ионы. Существует множество методов ионизации, в зависимости от фазы (твердая, жидкая, газовая) образца и эффективности различных механизмов ионизации для неизвестных частиц. Система экстракции удаляет ионы из образца, которые затем направляются через масс-анализатор в детектор . Различие масс фрагментов позволяет масс-анализатору сортировать ионы по отношению их массы к заряду. Детектор измеряет значение индикаторной величины и, таким образом, предоставляет данные для расчета содержания каждого присутствующего иона. Некоторые детекторы также дают пространственную информацию, например, многоканальная пластина.
Теоретический пример
В следующем примере описывается работа спектрометрического масс-анализатора секторного типа. (Другие типы анализаторов рассматриваются ниже.) Рассмотрим образец хлорида натрия (поваренной соли). В источнике ионов образец испаряется (превращается в газ ) и ионизируется (превращается в электрически заряженные частицы) в ионы натрия (Na + ) и хлорида (Cl - ). Атомы и ионы натрия моноизотопны , их масса около 23 ед. Атомы и ионы хлоридов состоят из двух изотопов с массой приблизительно 35 u (при естественном содержании около 75 процентов) и приблизительно 37 u (при естественном содержании приблизительно 25 процентов). Анализирующая часть спектрометра содержит электрические и магнитные поля, которые действуют на ионы, проходящие через эти поля. Скорость заряженной частицы может увеличиваться или уменьшаться при прохождении через электрическое поле, а ее направление может изменяться магнитным полем. Величина отклонения траектории движущегося иона зависит от его отношения массы к заряду. Более легкие ионы отклоняются магнитной силой в большей степени, чем более тяжелые ионы (согласно второму закону движения Ньютона , F = ma ). Потоки отсортированных ионов проходят от анализатора к детектору, который регистрирует относительное содержание каждого типа ионов. Эта информация используется для определения химического элементного состава исходного образца (т. Е. Что в образце присутствуют и натрий, и хлор) и изотопного состава его составляющих (отношение 35 Cl к 37 Cl).
Создание ионов
Источник ионов - это часть масс-спектрометра, которая ионизирует анализируемый материал (аналит). Затем ионы переносятся магнитным или электрическим полем к масс-анализатору.
Методы ионизации сыграли ключевую роль в определении того, какие типы образцов можно анализировать с помощью масс-спектрометрии. Электронная ионизация и химическая ионизация используются для газов и паров . В источниках химической ионизации аналит ионизируется химическими ион-молекулярными реакциями во время столкновений в источнике. Два метода, которые часто используются с жидкими и твердыми биологическими образцами, включают ионизацию электрораспылением (изобретенную Джоном Фенном ) и лазерную десорбцию / ионизацию с использованием матрицы (MALDI, первоначально разработанную К. Танакой как аналогичную методику «мягкой лазерной десорбции (SLD)»), для которой Нобелевская премия была присуждена как MALDI М. Карасом и Ф. Хилленкампом).
Жесткая ионизация и мягкая ионизация
В масс-спектрометрии ионизация относится к образованию ионов газовой фазы, подходящих для разрешения в масс-анализаторе или масс-фильтре. Ионизация происходит в ионном источнике . Доступно несколько источников ионов ; у каждого есть преимущества и недостатки для конкретных приложений. Например, электронная ионизация (EI) дает высокую степень фрагментации, давая очень подробные масс-спектры, которые при умелом анализе могут предоставить важную информацию для выяснения структуры / характеристики и облегчить идентификацию неизвестных соединений путем сравнения с масс-спектральными библиотеками, полученными в идентичных рабочих условиях. . Однако EI не подходит для связывания с ВЭЖХ , т.е. ЖХ-МС , поскольку при атмосферном давлении нити, используемые для генерации электронов, быстро выгорают. Таким образом, ЭУ преимущественно сочетается с ГХ , то есть ГХ-МС , когда вся система находится в высоком вакууме.
Методы жесткой ионизации - это процессы, которые передают большое количество остаточной энергии в рассматриваемую молекулу, вызывая большую степень фрагментации (т.е. систематический разрыв связей действует для удаления избыточной энергии, восстанавливая стабильность полученного иона). Результирующие ионы имеют тенденцию иметь m / z ниже молекулярной массы (кроме случая переноса протона и не включая пики изотопов). Наиболее распространенным примером жесткой ионизации является электронная ионизация (ЭИ).
Мягкая ионизация относится к процессам, которые передают небольшую остаточную энергию рассматриваемой молекуле и, как таковые, приводят к небольшой фрагментации. Примеры включают бомбардировку быстрыми атомами (FAB), химическую ионизацию (CI), химическую ионизацию при атмосферном давлении (APCI), фотоионизацию при атмосферном давлении (APPI), ионизацию электрораспылением (ESI), десорбционную ионизацию электрораспылением (DESI) и матричный лазер. десорбция / ионизация (MALDI).
Индуктивно связанная плазма
Источники с индуктивно связанной плазмой (ICP) используются в основном для катионного анализа широкого спектра типов образцов. В этом источнике плазма, которая в целом является электрически нейтральной, но в которой значительная часть ее атомов ионизирована высокой температурой, используется для распыления введенных молекул образца и для дальнейшего отделения внешних электронов от этих атомов. Плазма обычно создается из газообразного аргона, поскольку первая энергия ионизации атомов аргона выше, чем первая из любых других элементов, кроме He, F и Ne, но ниже, чем вторая энергия ионизации всех, кроме наиболее электроположительных металлов. Нагрев достигается за счет пропускания высокочастотного тока через катушку, окружающую плазму.
Фотоионизационная масс-спектрометрия
Фотоионизация может использоваться в экспериментах, которые стремятся использовать масс-спектрометрию как средство разрешения механизмов химической кинетики и разветвления изомерных продуктов. В таких случаях фотон высокой энергии, рентгеновский или ультрафиолетовый, используется для диссоциации стабильных газообразных молекул в газе-носителе He или Ar. В случаях, когда используется синхротронный источник света, можно использовать настраиваемую энергию фотонов для получения кривой эффективности фотоионизации, которую можно использовать в сочетании с отношением зарядов m / z к молекулярным и ионным частицам отпечатков пальцев. Совсем недавно фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) была разработана для ионизации молекул, главным образом, в виде стоков систем ЖХ-МС.
Ионизация окружающей среды
Некоторые приложения для ионизации окружающей среды включают приложения для окружающей среды, а также клинические приложения. В этих методах ионы образуются в источнике ионов вне масс-спектрометра. Отбор проб становится простым, поскольку пробы не требуют предварительного разделения или подготовки. Некоторые примеры методик ионизации окружающей среды являются DESI , СЕСИТЕ , LAESI , десорбция ионизация при атмосферном давлении (DAPCI), и десорбция при атмосферном давлении фотоионизации DAPPI среди других.
Другие методы ионизации
Другие включают тлеющий разряд , полевую десорбцию (FD), бомбардировку быстрыми атомами (FAB), термораспыление , десорбцию / ионизацию кремния (DIOS), прямой анализ в реальном времени (DART), химическую ионизацию при атмосферном давлении (APCI), масс-спектрометрию вторичных ионов. (SIMS), искровая ионизация и термическая ионизация (TIMS).
Массовый отбор
Масс-анализаторы разделяют ионы в соответствии с их отношением массы к заряду . Следующие два закона управляют динамикой заряженных частиц в электрическом и магнитном полях в вакууме:
- ( Закон силы Лоренца );
- ( Второй закон Ньютона в нерелятивистском случае, т.е. справедлив только при скорости иона, намного меньшей скорости света).
Здесь F - сила, приложенная к иону, m - масса иона, a - ускорение, Q - заряд иона, E - электрическое поле, а v × B - векторное векторное произведение скорости иона и магнитное поле
Приравнивая приведенные выше выражения для силы, приложенной к иону, получаем:
Это дифференциальное уравнение является классическим уравнением движения заряженных частиц . Вместе с начальными условиями частиц, она полностью определяет движение частицы в пространстве и во время с точкой зрения м / Q . Таким образом, масс-спектрометры можно рассматривать как «масс-зарядные спектрометры». При представлении данных обычно используют (официально) безразмерный m / z , где z - количество элементарных зарядов ( e ) на ионе (z = Q / e). Эта величина, хотя неофициально называется отношением массы к заряду, точнее говоря, представляет собой отношение массового числа к зарядовому числу z .
Есть много типов масс-анализаторов, использующих статические или динамические поля, а также магнитные или электрические поля, но все они работают в соответствии с приведенным выше дифференциальным уравнением. У каждого типа анализатора есть свои сильные и слабые стороны. Многие масс-спектрометры используют два или более масс-анализатора для тандемной масс-спектрометрии (МС / МС) . Помимо наиболее распространенных масс-анализаторов, перечисленных ниже, существуют другие, предназначенные для особых ситуаций.
Есть несколько важных характеристик анализатора. Масса разрешающей способностью является мерой способности различать два пик несколько иного т / г . Точность измерения массы - это отношение ошибки измерения m / z к истинному значению m / z. Точность измерения массы обычно измеряется в миллионных долях или миллиметрах массы . Диапазон масс - это диапазон m / z, поддающийся анализу данным анализатором. Линейный динамический диапазон - это диапазон, в котором ионный сигнал является линейным с концентрацией аналита. Скорость относится к временным рамкам эксперимента и в конечном итоге используется для определения количества спектров в единицу времени, которые могут быть сгенерированы.
Отраслевые инструменты
Анализатор масс Поля сектора использует статические электрический и / или магнитное поле , чтобы влиять на путь и / или скорость из заряженных частиц в некотором роде. Как показано выше, секторные инструменты искривляют траектории ионов, когда они проходят через масс-анализатор, в соответствии с их отношением массы к заряду, отклоняя более заряженные и более быстро движущиеся и более легкие ионы. Анализатор можно использовать для выбора узкого диапазона m / z или для сканирования диапазона m / z для каталогизации присутствующих ионов.
Время полета
Время пролета (TOF) Анализатор использует электрическое поле для ускорения ионов через тот же потенциал , а затем измеряет время , когда они принимают , чтобы достичь детектора. Если все частицы имеют одинаковый заряд , их кинетические энергии будут одинаковыми, а их скорости будут зависеть только от их масс . Ионы с меньшей массой попадут в детектор первыми. Однако в действительности даже частицы с одинаковыми m / z могут приходить к детектору в разное время, поскольку они имеют разные начальные скорости. Начальная скорость часто не зависит от массы ионного TOF-MS и будет зависеть от разницы в конечной скорости. Из-за этого ионы с одинаковым отношением m / z будут достигать детектора в разное время, что расширяет пики, показанные на графике зависимости количества от m / z, но, как правило, не изменяет центральное положение пиков, поскольку средняя начальная скорость ионов относительно других анализируемых ионов обычно центрируется на нуле. Чтобы решить эту проблему, фокусировка с задержкой по времени / отсроченное извлечение были объединены с TOF-MS.
Квадрупольный фильтр масс
Квадрупольные масс-анализаторы используют осциллирующие электрические поля для выборочной стабилизации или дестабилизации путей ионов, проходящих через квадрупольное радиочастотное (RF) поле, созданное между четырьмя параллельными стержнями. Только ионы в определенном диапазоне отношения массы / заряда проходят через систему в любое время, но изменения потенциалов на стержнях позволяют быстро перемещать широкий диапазон значений m / z, либо непрерывно, либо последовательно. дискретный хмель. Квадрупольный масс-анализатор действует как масс-селективный фильтр и тесно связан с квадрупольной ионной ловушкой , в частности с линейной квадрупольной ионной ловушкой, за исключением того, что он предназначен для пропускания неуловленных ионов, а не для сбора захваченных, и по этой причине называется к как трансмиссионный квадруполь. Квадрупольный масс-анализатор с магнитным усилением включает добавление магнитного поля, приложенного либо в осевом, либо в поперечном направлении. Этот новый тип инструмента приводит к дополнительному повышению производительности с точки зрения разрешения и / или чувствительности в зависимости от величины и ориентации приложенного магнитного поля. Распространенной разновидностью передающего квадруполя является тройной квадрупольный масс-спектрометр. «Тройной квадруполь» имеет три последовательных квадрупольных каскада, первая из которых действует как массовый фильтр для передачи конкретного поступающего иона на второй квадруполь, камеру столкновений, в которой этот ион может быть разбит на фрагменты. Третий квадруполь также действует как массовый фильтр, передавая на детектор определенный фрагментный ион. Если квадруполь настроен на быстрое и повторяющееся циклическое переключение диапазона настроек фильтра масс, можно будет сообщить полные спектры. Аналогичным образом, тройной квадратик может быть выполнен для выполнения различных типов сканирования, характерных для тандемной масс-спектрометрии .
Ионные ловушки
Трехмерная квадрупольная ионная ловушка
Квадрупольной ионной ловушкой работает на одних и тех же физических принципах, что и квадрупольного масс - анализатора, но ионы захватываются и последовательно выбрасывается. Ионы захватываются в основном квадрупольным радиочастотным полем в пространстве, ограниченном кольцевым электродом (обычно подключенным к основному радиочастотному потенциалу) между двумя торцевыми электродами (обычно подключенными к постоянному или вспомогательному переменному току). Образец ионизируется либо изнутри (например, электронным или лазерным лучом), либо извне, и в этом случае ионы часто вводятся через отверстие в торцевом электроде.
Существует множество методов разделения и изоляции массы / заряда, но наиболее часто используется режим нестабильности массы, в котором РЧ-потенциал нарастает так, что орбита ионов с массой a > b остается стабильной, а ионы с массой b становятся нестабильными и становятся нестабильными. выбрасывается по оси Z на детектор. Также существуют методы неразрушающего анализа.
Ионы также могут быть выброшены методом резонансного возбуждения, при котором к электродам торцевой крышки прикладывается дополнительное колебательное напряжение возбуждения, а амплитуда улавливающего напряжения и / или частота напряжения возбуждения изменяются, чтобы привести ионы в состояние резонанса в порядке их массы / коэффициент заряда.
Цилиндрическая ионная ловушка
Масс - спектрометр с ионной ловушки цилиндрической (КПНО) является производным квадрупольной ионной ловушкой , где электроды выполнены из плоских колец , а не гиперболических формы электродов. Архитектура хорошо поддается миниатюризации, потому что при уменьшении размера ловушки форма электрического поля около центра ловушки, области, в которой удерживаются ионы, образует форму, подобную форме гиперболической ловушки.
Линейная квадрупольная ионная ловушка
Линейной квадрупольной ионной ловушкой подобен квадрупольного ионной ловушке, но ловушки ионов в двумерной области квадрупольного вместо трехмерного квадрупольного поля , как в 3D квадрупольной ионной ловушке. LTQ компании Thermo Fisher («квадруполь с линейной ловушкой») является примером линейной ионной ловушки.
Тороидальную ионную ловушку можно представить как линейный квадруполь, изогнутый вокруг и соединенный на концах, или как поперечное сечение трехмерной ионной ловушки, повернутой по краю, чтобы сформировать тороидную ловушку в форме пончика. Ловушка может хранить большие объемы ионов, распределяя их по кольцевой структуре ловушки. Конфигурация этой ловушки тороидальной формы позволяет повысить миниатюризацию масс-анализатора с ионной ловушкой. Кроме того, все ионы хранятся в одном и том же улавливающем поле и выбрасываются вместе, что упрощает обнаружение, которое может быть усложнено конфигурациями решеток из-за различий в юстировке детекторов и механической обработке решеток.
Как и в случае с тороидальной ловушкой, линейные ловушки и трехмерные квадрупольные ионные ловушки являются наиболее часто миниатюрными масс-анализаторами из-за их высокой чувствительности, устойчивости к давлению mTorr и возможности тандемной масс-спектрометрии с одним анализатором (например, сканирование ионов продукта).
Орбитальная ловушка
Приборы для орбитальной ловушки аналогичны масс-спектрометрам с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (см. Текст ниже). Ионы электростатически захватываются на орбите вокруг центрального электрода в форме веретена. Электрод удерживает ионы так, что они оба вращаются вокруг центрального электрода и колеблются взад и вперед вдоль длинной оси центрального электрода. Это колебание генерирует ток изображения в пластинах детектора, который регистрируется прибором. Частоты этих токов изображения зависят от отношения массы к заряду ионов. Масс-спектры получены преобразованием Фурье записанных токов изображения.
Орбитальные ловушки обладают высокой точностью измерения массы, высокой чувствительностью и хорошим динамическим диапазоном.
Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье
Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье (FTMS), или, точнее, масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье , измеряет массу путем обнаружения тока изображения, создаваемого циклотронными ионами в присутствии магнитного поля. Вместо измерения отклонения ионов с помощью детектора, такого как электронный умножитель , ионы вводятся в ловушку Пеннинга (статическая электрическая / магнитная ионная ловушка ), где они эффективно образуют часть цепи. Детекторы в фиксированных положениях в пространстве измеряют электрический сигнал ионов, которые проходят рядом с ними с течением времени, создавая периодический сигнал. Поскольку частота циклирования иона определяется его отношением массы к заряду, это можно деконволютировать , выполнив преобразование Фурье для сигнала. FTMS имеет преимущество высокой чувствительности (поскольку каждый ион «подсчитывается» более одного раза) и гораздо более высокого разрешения и, следовательно, точности.
Ионно-циклотронный резонанс (ИЦР) - это более старый метод масс-анализа, похожий на FTMS, за исключением того, что ионы обнаруживаются традиционным детектором. Ионы, захваченные ловушкой Пеннинга, возбуждаются ВЧ-электрическим полем до тех пор, пока не ударяются о стенку ловушки, на которой расположен детектор. Ионы разной массы различаются по времени удара.
Детекторы
Последний элемент масс-спектрометра - детектор. Детектор регистрирует либо индуцированный заряд, либо ток, возникающий, когда ион проходит мимо или ударяется о поверхность. В сканирующем приборе, сигнал , производимый в детекторе во время сканирования по сравнению с которой инструмент находится в сканирование (при чем M / Q ) будет производить масс - спектр , запись ионов в зависимости от т / Q .
Обычно используется некоторый тип электронного умножителя , хотя также используются другие детекторы, включая чашки Фарадея и детекторы ион-фотон . Поскольку количество ионов, покидающих масс-анализатор в определенный момент, обычно довольно мало, для получения сигнала часто требуется значительное усиление. Микроканальные пластинчатые детекторы обычно используются в современных коммерческих приборах. В FTMS и Orbitraps детектор состоит из пары металлических поверхностей в области масс-анализатора / ионной ловушки, и ионы проходят вблизи, когда они колеблются. Постоянный ток не создается, только слабый переменный ток изображения образуется в цепи между электродами. Также использовались другие индуктивные детекторы.
Тандемная масс-спектрометрия
Тандемной масс - спектрометр один способен множества циклов масс - спектрометрии, как правило , отделены друг от некоторой формы молекулы фрагментации. Например, один масс-анализатор может выделить один пептид из многих, поступающих в масс-спектрометр. Затем второй масс-анализатор стабилизирует ионы пептида, когда они сталкиваются с газом, вызывая их фрагментацию в результате диссоциации, вызванной столкновением (CID). Затем третий масс-анализатор сортирует фрагменты, полученные из пептидов. Тандемная масс-спектрометрия также может выполняться в одном масс-анализаторе с течением времени, как в квадрупольной ионной ловушке . Существуют различные методы фрагментации молекул для тандемной МС, в том числе диссоциация, вызванная столкновением (CID), диссоциация с захватом электронов (ECD), диссоциация с переносом электрона (ETD), инфракрасная многофотонная диссоциация (IRMPD), инфракрасная диссоциация черного тела (BIRD), электронная диссоциация. -отрывная диссоциация (EDD) и поверхностно-индуцированная диссоциация (SID). Важное применение тандемной масс-спектрометрии - идентификация белков .
Тандемная масс-спектрометрия позволяет проводить множество экспериментальных последовательностей. Многие коммерческие масс-спектрометры предназначены для ускорения выполнения таких рутинных операций, как мониторинг выбранных реакций (SRM) и сканирование ионов-прекурсоров. В SRM первый анализатор пропускает только одну массу, а второй анализатор отслеживает несколько определяемых пользователем фрагментных ионов. SRM чаще всего используется со сканирующими приборами, где второе событие масс-анализа ограничено рабочим циклом . Эти эксперименты используются для повышения специфичности обнаружения известных молекул, особенно в фармакокинетических исследованиях. Сканирование иона-предшественника относится к мониторингу конкретных потерь от иона-предшественника. Первый и второй масс-анализаторы сканируют весь спектр, разделенный определенным пользователем значением m / z . Этот эксперимент используется для обнаружения определенных мотивов в неизвестных молекулах.
Другой тип тандемной масс-спектрометрии, используемый для радиоуглеродного датирования, - это масс-спектрометрия на ускорителе (AMS), которая использует очень высокие напряжения, обычно в мега-вольтном диапазоне, для ускорения отрицательных ионов в тандемном масс-спектрометре.
База данных по метаболитам и химическим веществам МЕТЛИН является крупнейшим хранилищем данных экспериментальной тандемной масс-спектрометрии, полученных из стандартов. Данные тандемной масс-спектрометрии по более чем 850 000 молекулярных стандартов (по состоянию на 24 августа 2020 г.) предоставлены для облегчения идентификации химических образований в экспериментах по тандемной масс-спектрометрии. Помимо идентификации известных молекул, он также полезен для идентификации неизвестных с помощью поиска / анализа подобия. Все данные тандемной масс-спектрометрии получены в результате экспериментального анализа стандартов при множественных энергиях столкновения и в режимах положительной и отрицательной ионизации.
Общие конфигурации и методы масс-спектрометра
Когда конкретная комбинация источника, анализатора и детектора становится общепринятой на практике, может возникнуть составная аббревиатура , обозначающая ее кратко. Одним из примеров является MALDI-TOF , который относится к комбинации источника лазерной десорбции / ионизации с использованием матрицы и времяпролетного масс-анализатора. Другие примеры включают масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) , масс-спектрометрию на ускорителе (AMS) , масс-спектрометрию с термической ионизацией (TIMS) и масс-спектрометрию с искровым источником (SSMS) .
Для некоторых приложений масс-спектрометрии разработаны названия, которые, хотя, строго говоря, могут относиться к широкому применению, на практике вместо этого стали обозначать конкретное или ограниченное количество конфигураций прибора. Примером этого является масс-спектрометрия изотопного отношения (IRMS), которая на практике относится к использованию ограниченного числа секторных масс-анализаторов; это имя используется для обозначения как приложения, так и инструмента, используемого для приложения.
Методы разделения в сочетании с масс-спектрометрией
Важным усовершенствованием возможностей масс-спектрометрии по разрешению и определению массы является ее использование в тандеме с хроматографическими и другими методами разделения.
Газовая хроматография
Распространенной комбинацией является газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ / МС или ГХ-МС). В этом методе для разделения различных соединений используется газовый хроматограф . Этот поток разделенных соединений подается в ионный источник - металлическую нить накала, на которую подается напряжение . Эта нить накала излучает электроны, которые ионизируют соединения. Затем ионы могут далее фрагментироваться, давая предсказуемые картины. Неповрежденные ионы и фрагменты попадают в анализатор масс-спектрометра и в конечном итоге обнаруживаются. Однако высокие температуры (300 ° C), используемые в отверстии для ввода ГХ-МС (и печи), могут привести к термическому разложению введенных молекул, что приведет к измерению продуктов разложения вместо реальных молекул, представляющих интерес.
Жидкостная хроматография
Подобно газовой хроматографии МС (ГХ-МС), жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ / МС или ЖХ-МС) разделяет соединения хроматографически перед их вводом в источник ионов и масс-спектрометр. Он отличается от ГХ-МС тем, что подвижная фаза является жидкой, обычно смесью воды и органических растворителей , а не газом. Чаще всего в ЖХ-МС используется источник ионизации электрораспылением . Другими популярными и коммерчески доступными ионными источниками ЖХ-МС являются химическая ионизация при атмосферном давлении и фотоионизация при атмосферном давлении . Есть также некоторые недавно разработанные методы ионизации, такие как лазерный спрей .
Капиллярный электрофорез – масс-спектрометрия.
Капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия (КЭ-МС) - это метод, сочетающий процесс разделения жидкости капиллярным электрофорезом с масс-спектрометрией. CE-MS обычно сочетается с ионизацией электрораспылением.
Ионная подвижность
Спектрометрия ионной подвижности-масс-спектрометрия (IMS / MS или IMMS) - это метод, при котором ионы сначала разделяются по времени дрейфа через некоторый нейтральный газ под действием приложенного градиента электрического потенциала перед введением в масс-спектрометр. Время дрейфа - это мера радиуса относительно заряда иона. Рабочий цикл из IMS (время , в течение которого происходит эксперимент) больше , чем большинство методов масс - спектрометрии, например , что масс - спектрометр может попробовать по ходу разделения IMS. Это дает данные о разделении IMS и соотношении массы к заряду ионов аналогично ЖХ-МС .
Рабочий цикл IMS является коротким по сравнению с разделением жидкостной хроматографией или газовой хроматографией и, таким образом, может быть совмещен с такими методами, создавая тройные методы, такие как LC / IMS / MS.
Данные и анализ
Представления данных
Масс-спектрометрия дает различные типы данных. Наиболее распространенное представление данных - это масс-спектр .
Некоторые типы данных масс-спектрометрии лучше всего представлены в виде масс-хроматограммы . Типы хроматограмм включают мониторинг выбранных ионов (SIM), общий ионный ток (TIC) и мониторинг выбранных реакций (SRM), среди многих других.
Другие типы данных масс-спектрометрии хорошо представлены в виде трехмерной контурной карты . В этой форме отношение массы к заряду m / z находится на оси x , интенсивность - на оси y , а дополнительный экспериментальный параметр, такой как время, записывается на оси z .
Анализ данных
Анализ данных масс-спектрометрии зависит от типа эксперимента, в котором получены данные. Общие подразделения данных имеют фундаментальное значение для понимания любых данных.
Многие масс - спектрометры работают в любом режиме ионов отрицательной или режиме положительных ионов . Очень важно знать, заряжены ли наблюдаемые ионы положительно или отрицательно. Это часто важно при определении нейтральной массы, но это также указывает на природу молекул.
Различные типы источников ионов приводят к различным массивам фрагментов, полученных из исходных молекул. Источник электронной ионизации производит множество фрагментов и в основном однозарядные (1-) радикалы (нечетное число электронов), тогда как источник электрораспыления обычно производит нерадикальные квазимолекулярные ионы, которые часто являются многозарядными. Тандемная масс-спектрометрия намеренно производит фрагментные ионы после источника и может радикально изменить вид данных, получаемых в ходе эксперимента.
Знание происхождения образца может дать представление о составляющих молекулах образца и их фрагментации. Образец из процесса синтеза / производства, вероятно, будет содержать примеси, химически связанные с целевым компонентом. Грубо приготовленный биологический образец, вероятно, будет содержать определенное количество соли, которая может образовывать аддукты с молекулами аналита в определенных анализах.
Результаты также могут сильно зависеть от пробоподготовки и от того, как она была проведена / введена. Важным примером является вопрос о том, какая матрица используется для определения MALDI, поскольку большая часть энергии десорбции / ионизации контролируется матрицей, а не мощностью лазера. Иногда в образцы добавляют натрий или другие частицы, несущие ионы, для образования аддуктов, а не протонированных частиц.
Масс-спектрометрия может измерять молярную массу, молекулярную структуру и чистоту образца. Каждый из этих вопросов требует отдельной экспериментальной процедуры; поэтому адекватное определение экспериментальной цели является предпосылкой для сбора надлежащих данных и их успешной интерпретации.
Интерпретация масс-спектров
Поскольку точная структура или пептидная последовательность молекулы расшифровывается с помощью набора масс фрагментов, интерпретация масс-спектров требует комбинированного использования различных методов. Обычно первая стратегия для идентификации неизвестного соединения - это сравнение его экспериментального масс-спектра с библиотекой масс-спектров. Если поиск не дал результатов, необходимо выполнить интерпретацию масс-спектров вручную или с помощью программного обеспечения . Компьютерное моделирование процессов ионизации и фрагментации, происходящих в масс-спектрометре, является основным инструментом для определения структуры или пептидной последовательности молекуле. Априорно структурная информация фрагментируется в кремнии и в результате картина по сравнению с наблюдаемым спектром. Такое моделирование часто поддерживается библиотекой фрагментации, которая содержит опубликованные образцы известных реакций разложения. Программное обеспечение , использующее эту идею, было разработано как для небольших молекул, так и для белков .
Анализ масс-спектров также может быть спектром с точной массой . Значение отношения массы к заряду ( m / z ) только с целочисленной точностью может представлять огромное количество теоретически возможных ионных структур; однако более точные значения массы значительно сокращают количество возможных молекулярных формул . Компьютерный алгоритм, называемый генератором формул, вычисляет все молекулярные формулы, которые теоретически соответствуют заданной массе с заданным допуском.
Недавний метод выяснения структуры в масс-спектрометрии, называемый фингерпринтингом иона-предшественника , идентифицирует отдельные фрагменты структурной информации путем поиска тандемных спектров исследуемой молекулы по библиотеке спектров продуктов-ионов для структурно охарактеризованных ионов-предшественников.
Приложения
Масс-спектрометрия имеет как качественное, так и количественное применение. К ним относятся идентификация неизвестных соединений, определение изотопного состава элементов в молекуле и определение структуры соединения путем наблюдения за его фрагментацией. Другие применения включают количественное определение количества соединения в образце или изучение основ газовой ионной химии (химии ионов и нейтралов в вакууме). МС в настоящее время широко используется в аналитических лабораториях, изучающих физические, химические или биологические свойства самых разных соединений.
Как аналитический метод он обладает явными преимуществами, такими как: повышенная чувствительность по сравнению с большинством других аналитических методов, поскольку анализатор в качестве фильтра массового заряда снижает фоновые помехи; отличная специфичность характерных образцов фрагментации для выявления неизвестных или подтверждения присутствия подозреваемых соединений; Информация о молекулярной массе, Информация об изотопном составе элементов, Химические данные с временным разрешением.
Некоторые из недостатков метода заключаются в том, что часто не удается различить оптические и геометрические изомеры и положения заместителя в о-, м- и р-положениях в ароматическом кольце. Кроме того, его объем ограничен идентификацией углеводородов, которые производят похожие фрагментированные ионы.
Изотопное соотношение MS: датирование и отслеживание изотопов
Масс-спектрометрия также используется для определения изотопного состава элементов в образце. Различия в массе между изотопами элемента очень малы, а менее распространенные изотопы элемента обычно очень редки, поэтому требуется очень чувствительный прибор. Эти инструменты, иногда называемые масс-спектрометрами изотопного отношения (ИК-МС), обычно используют один магнит для изгиба пучка ионизированных частиц в направлении ряда чашек Фарадея, которые преобразуют удары частиц в электрический ток . Быстрый онлайн-анализ содержания дейтерия в воде может быть выполнен с помощью масс-спектрометрии с проточным послесвечением , FA-MS. Вероятно, самый чувствительный и точный масс-спектрометр для этой цели - это ускорительный масс-спектрометр (AMS). Это связано с тем, что он обеспечивает максимальную чувствительность, позволяющую измерять отдельные атомы и нуклиды с динамическим диапазоном ~ 10 15 относительно основного стабильного изотопа. Соотношения изотопов являются важными маркерами различных процессов. Некоторые соотношения изотопов используются для определения возраста материалов, например, при датировании по углероду . Маркировка стабильными изотопами также используется для количественного определения белка. (см. характеристику белков ниже)
Масс-спектрометрия с введением мембран: измерение газов в растворе
Масс-спектрометрия с введением мембраны объединяет соотношение изотопов MS с реакционной камерой / ячейкой, разделенной газопроницаемой мембраной. Этот метод позволяет изучать газы по мере их превращения в раствор. Этот метод широко используется для изучения производства кислорода Фотосистемой II .
Анализ следовых газов
В некоторых методах используются ионы, созданные в специальном источнике ионов, вводимые в расходомерную трубку или дрейфовую трубку: расходомерная трубка с выбранными ионами (SIFT-MS) и реакция переноса протона (PTR-MS) являются вариантами химической ионизации, предназначенными для анализа следовых газов. воздуха, дыхания или жидкости над свободным пространством с использованием четко определенного времени реакции, что позволяет рассчитывать концентрации аналита на основе известной кинетики реакции без необходимости во внутреннем стандарте или калибровке.
Другой метод, применяемый в области анализа следовых газов, - это вторичная ионизация электрораспылением (SESI-MS), которая представляет собой вариант ионизации электрораспылением . SESI состоит из струи электрораспыления чистого подкисленного растворителя, который взаимодействует с нейтральными парами. Молекулы пара ионизируются при атмосферном давлении, когда заряд передается от ионов, образующихся в электрораспылении, к молекулам. Одним из преимуществ этого подхода является то, что он совместим с большинством систем ESI-MS.
Атомный зонд
Атомный зонд является инструментом , который сочетает в себе время-пролетной масс - спектрометрии и полевые испарительные микроскопии для отображения местоположения отдельных атомов.
Фармакокинетика.
Фармакокинетику часто изучают с помощью масс-спектрометрии из-за сложной природы матрикса (часто крови или мочи) и необходимости высокой чувствительности для наблюдения за низкими дозами и данными за длительные промежутки времени. Наиболее распространенным оборудованием, используемым в этом приложении, является ЖХ-МС с тройным квадрупольным масс-спектрометром . Для дополнительной специфичности обычно используется тандемная масс-спектрометрия. Стандартные кривые и внутренние стандарты обычно используются для количественного определения одного фармацевтического препарата в образцах. Образцы представляют разные моменты времени, когда лекарство вводится, а затем метаболизируется или выводится из организма. Пустые образцы или образцы с t = 0, взятые перед введением, важны для определения фона и обеспечения целостности данных с такими сложными матрицами образцов. Большое внимание уделяется линейности стандартной кривой; однако нередко используют аппроксимацию кривой с более сложными функциями, такими как квадратичные, поскольку отклик большинства масс-спектрометров менее линейен в больших диапазонах концентраций.
В настоящее время существует значительный интерес к использованию масс-спектрометрии с очень высокой чувствительностью для исследований микродозирования , которые рассматриваются как многообещающая альтернатива экспериментам на животных .
Недавние исследования показывают, что вторичная ионизация электрораспылением (SESI) является мощным методом мониторинга кинетики лекарств с помощью анализа дыхания. Поскольку дыхание производится естественным образом, можно легко собрать несколько точек данных. Это позволяет значительно увеличить количество собранных точек данных. В исследованиях на животных этот подход SESI может уменьшить количество жертвоприношений животных. У людей неинвазивный анализ дыхания SESI-MS может помочь изучить кинетику лекарств на индивидуальном уровне.
Характеристика белков
Масс-спектрометрия - важный метод характеристики и секвенирования белков. Двумя основными методами ионизации целых белков являются ионизация электрораспылением (ESI) и матричная лазерная десорбция / ионизация (MALDI). В соответствии с характеристиками и диапазоном масс доступных масс-спектрометров для характеристики белков используются два подхода. В первом случае интактные белки ионизируются любым из двух описанных выше методов, а затем вводятся в масс-анализатор. Этот подход называется стратегией анализа белков « сверху вниз ». Однако подход «сверху вниз» в значительной степени ограничивается низкопроизводительными исследованиями отдельных белков. Во втором случае белки ферментативно расщепляются на более мелкие пептиды с использованием протеаз, таких как трипсин или пепсин , либо в растворе, либо в геле после электрофоретического разделения. Также используются другие протеолитические агенты. Сбор пептидных продуктов часто разделяется хроматографией перед введением в масс-анализатор. Когда характерный образец пептидов используется для идентификации белка, этот метод называется массовым фингерпринтингом пептидов (PMF), если идентификация выполняется с использованием данных последовательности, определенных в тандемном MS- анализе, это называется пептидным секвенированием de novo . Эти процедуры анализа белков также называют подходом « снизу вверх », и они также использовались для анализа распределения и положения посттрансляционных модификаций, таких как фосфорилирование белков. Третий подход также начинает использоваться, этот промежуточный подход «середины вниз» включает анализ протеолитических пептидов, размер которых превышает размер типичного триптического пептида.
Исследование космоса
В качестве стандартного метода анализа масс-спектрометры достигли других планет и лун. Двое были доставлены на Марс по программе « Викинг» . В начале 2005 года миссия Кассини-Гюйгенс доставила специализированный инструмент ГХ-МС на борт зонда Гюйгенс через атмосферу Титана , крупнейшего спутника планеты Сатурн . Этот инструмент проанализировал атмосферные пробы вдоль траектории его спуска и смог испарить и проанализировать образцы замороженной, покрытой углеводородами поверхности Титана после приземления зонда. Эти измерения сравнивают содержание изотопа (ов) каждой частицы с естественным содержанием на Земле. Также на борту космического корабля Кассини-Гюйгенс был ионный и нейтральный масс-спектрометр, который проводил измерения состава атмосферы Титана, а также состава шлейфов Энцелада . Термический и Evolved Gas Analyzer масс - спектрометр был проведен на Марс Phoenix Lander запущен в 2007 году.
Масс-спектрометры также широко используются в космических полетах для измерения состава плазмы. Например, на космическом корабле Кассини был установлен плазменный спектрометр Кассини (CAPS), который измерял массу ионов в магнитосфере Сатурна .
Газоанализатор с дыханием
Масс-спектрометры использовались в больницах для анализа дыхательных газов примерно с 1975 года до конца века. Некоторые из них, вероятно, все еще используются, но в настоящее время не производятся.
Находясь в основном в операционной , они были частью сложной системы, в которой образцы вдыхаемого газа от пациентов, подвергающихся анестезии, забирались в инструмент через клапанный механизм, предназначенный для последовательного подключения до 32 комнат к масс-спектрометру. Компьютер руководил всеми операциями системы. Данные, собранные с масс-спектрометра, доставлялись в отдельные кабинеты для использования анестезиологом.
Уникальность этого масс-спектрометра с магнитным сектором, возможно, заключалась в том, что плоскость детекторов, каждый из которых был специально расположен для сбора всех видов ионов, которые, как ожидается, будут в образцах, позволяла прибору одновременно регистрировать все газы, вдыхаемые пациентом. . Хотя диапазон масс был ограничен немногим более 120 мк , фрагментация некоторых более тяжелых молекул сводила на нет необходимость в более высоком пределе обнаружения.
Препаративная масс-спектрометрия
Основная функция масс-спектрометрии - это инструмент для химического анализа, основанный на обнаружении и количественной оценке ионов в соответствии с их отношением массы к заряду. Однако масс-спектрометрия также перспективна для синтеза материалов. Мягкая посадка ионов характеризуется осаждением интактных частиц на поверхности при низких кинетических энергиях, что предотвращает фрагментацию падающих частиц. Впервые о методе мягкой посадки было сообщено в 1977 году для реакции низкоэнергетических серосодержащих ионов на поверхности свинца.
Смотрите также
- Метод Дюма определения молекулярной массы
- Гелиевый масс-спектрометр
- Разбавление изотопов
- MassBank (база данных) , японская спектральная база данных
- Масс-спектрометрическая визуализация
- Программное обеспечение для масс-спектрометрии
- Микромассивы для масс-спектрометрии
- Наноразмерная масс-спектрометрия вторичных ионов
- Отражатель
использованная литература
Библиография
- Туречек Ф., Маклафферти Ф.В. (1993). Интерпретация масс-спектров . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-25-5.
- де Хоффман Э, Строобант В. (2001). Масс-спектрометрия: принципы и приложения (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-48566-7.
- Даунард К. (2004). Масс-спектрометрия - базовый курс . Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85404-609-6.
- Сюздак Г (1996). Масс-спектрометрия для биотехнологии . Бостон: Academic Press. ISBN 978-0-12-647471-8.
- Дасс С (2001). Принципы и практика биологической масс-спектрометрии . Нью-Йорк: Джон Вили. ISBN 978-0-471-33053-0.
- Muzikar P, et al. (2003). «Ускорительная масс-спектрометрия в геологических исследованиях» . Бюллетень Геологического общества Америки . 115 : 643–654. Bibcode : 2003GSAB..115..643M . DOI : 10.1130 / 0016-7606 (2003) 115 <0643: AMSIGR> 2.0.CO; 2 . ISSN 0016-7606 . S2CID 55076131 .
- Махер С., Чжунджу Ф.П., Тейлор С. (2015). «100 лет масс-спектрометрии: перспективы и тенденции будущего». Ред. Мод. Phys . 87 (1): 113–135. Bibcode : 2015RvMP ... 87..113M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.87.113 .
- Соботт Ф (2014). Биологическая масс-спектрометрия . Бока-Ратон: Crc Pr I Llc. ISBN 978-1439895276.
- Спаркман О.Д. (2006). Справочник по масс-спектрометрии . Питтсбург: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-9-8.
- Уотсон Дж. Т., Спаркман О. Д. (2007). Введение в масс-спектрометрию: приборы, приложения и стратегии интерпретации данных (4-е изд.). Чичестер: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-51634-8.
- Тунис С (1998). Ускорительная масс-спектрометрия: сверхчувствительный анализ для мировой науки . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-4538-8.
- Кандиа М., Urban PL (июнь 2013 г.). «Достижения в сверхчувствительной масс-спектрометрии органических молекул». Обзоры химического общества . 42 (12): 5299–322. DOI : 10.1039 / c3cs35389c . PMID 23471277 .
- Кальмс, Иордания (2011). Масс-спектр: биография научного прибора (МС). Массачусетский технологический институт. ЛВП : 1721,1 / 68473 .
внешние ссылки
Ресурсы библиотеки по масс-спектрометрии |
- Масс-спектрометрия в Curlie
- Интерактивный учебник по масс-спектрам Национальная лаборатория сильного магнитного поля
- Моделирование масс-спектрометра Интерактивное приложение, моделирующее консоль масс-спектрометра.
- Инструмент моделирования масс-спектров в реальном времени для моделирования масс-спектров в браузере