Масс-спектрометры

В 1886 году немецкий физик Ойген Гольдштейн изучал прохождение лучей в газовых разрядах при низком давлении, отходящих от анода через каналы катода с перфорацией. Излучение происходило противоположно направлению отрицательно заряженных катодных лучей, которые двигались от катода к аноду. Гольдштейн дал название таким положительно заряженным анодным лучам – «Kanalstrahlen» (канальные лучи).

Почти одновременно другой немецкий физик Вильгельм Вин (нобелевский лауреат по физике 1911 г.) выявил, что мощные электрические или магнитные поля воздействуют и отклоняют лучи канала. В 1899 году Вин создал устройство, в котором перпендикулярные электрические и магнитные поля производили разделение положительных лучей (с отношением заряда к массе (Q/m). При этом Вин обратил внимание, как соотношение заряда к массе напрямую зависит от природы газа, находящегося в разрядной трубке.

Учёный из Англии Дж. Дж. Томсон доработал теорию Вина для создания прибора − масс-спектрографа.

Термин спектрограф вошёл в международный научный обиход к 1884 году. Первые устройства спектрометрии (масс-спектрографы) производили замеры отношения массы к заряду ионов. Эти устройства объединяли ряд приборов, записывающих на фотопластинку спектры значений массы. Уже в 1918-1919 годах Артуром Джеффри Демпстером и Ф.У. Астоном были сформулированы современные методы масс-спектрометрии.

Принято вести историю масс-спектрометрии с момента проведения опытов Дж. Дж. Томсона в начале 20 века. Собственно, окончание «-метрия» появилось в названии метода при глобальном переходе от разделения заряженных частиц с помощью фотопластинок к передовому для того времени измерению ионных токов − электрическому.

Масс-спектрометрия современности имеет ряд подразделений: масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ, но всё перечисленное является аналитическим методом исследования для идентификации вещества.

Метод определяет наличие и концентрацию разных составляющих вещества − изотопный, элементный или химический состав. В основе измерения лежит процесс ионизации компонентов, что и различает их по характеру их отношения массы к заряду. Также с помощью метода идёт замер интенсивности ионного тока, и точное определение доли каждого компонента (получение масс-спектр вещества).

Анализ, проведенный по методу масс-спектрометрии, фиксируется в виде масс-спектров, графиков интенсивности, зависящей от отношения массы к заряду. Метод широко применим, причём и к чистым образцам, и к сложным смесям.

Масс-спектры выражают насыщенность ионного тока − количества вещества в отношениях массы к заряду (m/z). Следует помнить, что масса молекулы состоит из совокупности масс её атомов – это предопределяет дискретность масс-спектра.

Полученные спектры определяют элементный или изотопный вид характеристики образца, массы частиц и молекул. Дополнительно, спектры идентифицируют химический тип образца, структуру молекул или прочих химических соединений.

Выделяют масс-спектры высокого и низкого разрешения.
При небольшом разрешении масс-спектра число m/z округляют до целого, поэтому ионы с похожими массами в спектре регистрируются в один пик, например, CO, C₂H₂, N₂ в низком разрешении становятся одной линией m/z=28.

Спектр с высоким разрешением определяет массу ионов с повышенной точностью (до пятого или шестого знака после запятой). К примеру: m/z(CO)=27,994915, m/z(C₂H₂)=28,031300, m/z(N₂)=28,006148, а в спектре видим три линии.

При трактовке спектров низкого разрешения следует помнить правила фрагментации, с учётом особенностей фрагментации органических соединений в разных классах.

Исследуя состав ионов в спектрах высокого разрешения, нужно выбрать такой набор атомов, при котором масса лучше всего соответствует массе определяемого иона. Очевидно, что для эффективной расшифровки надо обязательно иметь компьютерную программу, подбирающую массы и, естественно, мощный компьютер.

Обычно, в процессе масс-спектрометрии объект (твёрдый, жидкий или газообразный) ионизируется, допустим, путём бомбардировки электронами. При этом ряд молекул объекта разлагаются на фрагменты (положительно заряженные) или просто преобразуются в положительно заряженные без фрагментации. После, ионы (фрагменты) делятся по принципу отношения массы к заряду, обычно ускоряясь и действуя на них электрическим или магнитным полем. В результате такого процесса ионы с похожим соотношением массы к заряду отклоняются одинаково. Таким образом мы имеем результаты в виде спектров интенсивности сигнала выявленных ионов в зависимости от соотношений массы к заряду. Определение атомов или молекул в образце происходит коррелирующим путём в отношении известных масс (например, целой молекулы) с выявленными массами или анализируя характер фрагментации.

Метод масс-спектрометрии не является спектроскопическим, более того − принципиально отличается от него. Сходство состоит только в подаче результатов анализа, которые представляются как график, распределяющий ионы по их массовым числам, что лишь визуально схоже со спектральными линиями.

Для осуществления масс-спектрометрического анализа необходимо довольно малое количество вещества. Метод является разрушающим – исследователь работает с продуктами его превращения.

В общих случаях масс-спектрометр состоит из трех основных компонентов: источника ионов (ионизатора), масс-анализатора и детектора.

Ионизатор преобразует часть образца в ионы. Существует большое разнообразие методов ионизации, в зависимости от фазы (твердой, жидкой, газовой) образца и эффективности различных механизмов ионизации для неизвестных видов. Далее система экстракции удаляет ионы из образца, которые затем направляются через масс-анализатор в детектор. Различия в массах фрагментов позволяют масс-анализатору сортировать ионы по их отношению массы к заряду. Детектор измеряет значение индикаторной величины и таким образом предоставляет данные для расчета содержания каждого присутствующего иона.

Алгоритм проведения масс-спектрометрического анализа выглядит так:

• ввод пробы в источник ионизации;
• процесс ионизация атомов (в источнике ионизации);
• положительные ионы выводятся из места ионизации, после чего ионам придаётся фокусирующее ускорение с формированием пучка;
• сепарирование по массе пучка ионов;
• проведение измерений и регистрирование интенсивности всех компонентов пучка.

Такие технические характеристики масс-спектрометров как чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования – являются важнейшими потребительскими свойствами устройства.

Для повышения чувствительности с учётом отношения сигнала к шуму обычно детектируют отдельно выбранные ионы. Повышение чувствительности и селективности при этом весьма значительное, но применяя приборы с низким разрешением, увы, падает достоверность анализа. К сожалению, запись только одного пика из всей характеристики масс-спектра не даёт уверенности, что он соответствует компоненту, интересующему нас.

Эта проблема решается по-разному:

• можно применить высокое разрешение, работая с приборами двойной фокусировки, добиваясь высокого уровня достоверности, не жертвуя при этом чувствительностью;
• можно (и лучше) использовать двойную масс-спектрометрию, при которой каждый пик, соответствующий материнскому иону, перепроверяется масс-спектром дочерних ионов.

Таким образом, лучшее предложение по повышению чувствительности − это использовать органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с тандемной фокусировкой.

Если оценивать приборы по соотношению чувствительности с достоверностью определения компонентов, то после приборов высокого разрешения следуют ионные ловушки. Отличные квадрупольные приборы последнего поколения обладают прекрасными характеристиками, что обеспечено внедрением инноваций. Так, например, применяется специальный искривлённый квадрупольный префильтр. Это практически исключает присутствие нейтральных частиц на детекторе, что в значительной мере снижает шум.

Можно с уверенностью сказать, что сегодняшняя масс-спектрометрия является самым чувствительным методом анализа, который работает в самых низких пределах выявления и регистрации элементов. Широкими возможностями МС-метода доступно определение молекулярного и элементного состава веществ натурального и синтетического происхождения.

Сферы применения:

• разработка новых лекарств;
• генная инженерия и биохимия;
• эффективный контроль незаконного распространения наркотических и психотропных средств;
• криминалистический и клинический анализ;
• анализ нефти и нефтепродуктов;
• геология − поиск нефтяных месторождений;
• экология − выявление виновных в разливах нефти в океане или на суше;
• сельское хозяйство и пищевая промышленность.

Безопасная работа ядерной энергетики не обходится без приборов масс-спектрометрии, точно определяющих степень обогащения расщепляющихся материалов и их чистоту.
Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов используется непосредственно в прямой медицинской диагностике, при этом она является самым достоверным из всех диагностических методов.

Например, с помощью масс-спектрометрии определяют допинг в крови спортсменов.

Масс-спектрометрия эффективна в исследованиях многих направлений науки и производства: в аналитической химии, в биохимии, в клинической химии, в общей и органической химии, в фармацевтике, в косметике, в парфюмерии, в пищевой промышленности, в химическом синтезе, в нефтехимии и нефтепереработке, при контроле окружающей среды, на производстве полимеров и пластиков, в медицине и токсикологии, в криминалистике, в допинговом контроле, при контроле наркотических средств, при контроле алкогольных напитков, в геохимии и геологии, в гидрологии, в петрографии, в минералогии, в геохронологии, в археологии, в ядерной промышленности и энергетике, в полупроводниковой промышленности, в металлургии и многом другом.

На сегодня масс-спектрометрия поражает своими возможностями и высочайшей точностью анализа.

Группа компаний «Крисмас» поставляет наиболее популярные и отлично себя зарекомендовавшие на отечественном рынке масс-спектрометры. В данном разделе представлены различные масс-спектрометры с подробным описанием и фотографиями.

По вопросам приобретения и консультаций обращайтесь:
Телефоны:
8 (800) 302-92-25 (звонок по России бесплатный)
+7 (812) 575-54-07
+7 (812) 575-50-81
+7 (812) 575-55-43
+7 (812) 575-57-91
E-mail: info@christmas-plus.ru

Подписывайтесь на наш канал в Ютюбе!
Вы всегда будете в курсе наших последних новостей и сможете наглядно познакомиться с нашей продукцией.