Вы когда-нибудь задумывались, как судебно-медицинские эксперты анализируют малейшие доказательства, которые они находят на месте преступления? Что ж, с помощью масс-спектрометрии вы даже можете узнать о различных изотопах, связанных с этим элементом. Давайте узнаем немного больше о масс-спектрометрии.
Масс-спектрометрия — незаменимый аналитический инструмент в химии, биохимии, фармации, медицине и многих смежных областях науки. Масс-спектрометрия используется для анализа комбинаторных библиотек, секвенирования биомолекул и помогает исследовать отдельные клетки или объекты из космоса. Выяснение структуры неизвестных веществ, экологических и судебно-медицинских аналитов, контроль качества лекарств, продуктов питания и полимеров; все они в значительной степени полагаются на масс-спектрометрию.
Что такое масс-спектрометрия?
Масс-спектрометрия — это аналитический метод, полезный для расчета отношения массы к заряду (m/z) одной или нескольких молекул в образце. Такие измерения также часто можно использовать для определения точной молекулярной массы компонентов образца. Масс-спектрометрия — это аналитический метод определения молекулярной массы соединения, который косвенно помогает доказать идентичность изотопов.
1. Принцип масс-спектрометрии.
Основываясь на втором законе движения и импульса Ньютона, масс-спектрометр использует это свойство материи для построения ионов различной массы в масс-спектре. Из закона мы делаем вывод, насколько масса связана с инерцией и ускорением тела. Этот принцип применяется к тому аспекту, когда ионы с разным соотношением массы к заряду отклоняются на разные углы в электрическом или магнитном поле.
2. Масс-спектр
Масс-спектр – это график, полученный путем проведения масс-спектрометрии. Это соотношение между отношением массы к заряду и ионным сигналом.
3. Схема масс-спектрометрии.
Впускная система - Ионизация - Дефлектор - Детектор ионов
Масс-спектрометрические детекторы
При различных отклонениях детектор подсчитывает количество ионов. Данные отображаются в виде графика или континуума различных масс. Детекторы работают, регистрируя индуцированный заряд или ток, генерируемый ионом, ударяющимся о поверхность или проходящим через нее. Поскольку сигнал очень мал, можно использовать электронный усилитель, чашу Фарадея или детектор ионов-фотонов. Для генерации спектра сигнал значительно усиливается.
Масс-анализатор
При ионизации ионы сортируются и разделяются в соответствии с соотношением массы к заряду (m/z). В настоящее время доступно множество масс-анализаторов, каждый из которых имеет компромиссы, связанные со скоростью работы, разрешением разделения и другими техническими критериями. Различные формы, описаны в следующем разделе. Масс-анализатор часто работает совместно с системой обнаружения ионов.
Что такое квадруполь?
Масс-спектрометрия определяет химическое вещество путем расчета типичных массовых фрагментов, образующихся в результате ионизации материала. Тестовые молекулы ионизируются электронным лучом, а полученные молекулярные ионы и ионы компонентов попадают в масс-анализатор, где измеряются их массы.
Масс-спектрометрию обычно считают эталоном для идентификации неизвестных органических химических веществ, поскольку она очень чувствительна и селективна, а масс-спектры легко доступны для поиска в обширных справочных базах данных.
Приборы для масс-спектрометрии:
Ниже обсуждаются четыре основные части масс-спектрометрии:
Ионизатор
– бомбардировка образца осуществляется электронами. Эти электроны движутся между катодом и анодом. Когда образец проходит через поток электронов между катодом и анодом, электроны с высокой энергией выбивают электроны из образца и образуют ионы.
Ускоритель.
Ионы , помещенные между набором заряженных параллельных пластин, притягиваются к одной пластине и отталкиваются от другой пластины. Скорость разгона можно контролировать, регулируя заряд на пластинах.
Дефлектор
– магнитное поле отклоняет ионы в зависимости от его заряда и массы. Если ион тяжелый или имеет два и более положительных заряда, то он отклоняется меньше всего. Если ион легкий или имеет один положительный заряд, то он отклоняется сильнее всего.
Детектор
– ионы с правильным зарядом и массой подаются к детектору. соотношение массы к заряду анализируется по иону, попадающему в детектор.
Как работает масс-спектрометрия?
В обычном масс-спектрометре изначально есть материал для анализа, но нам нужно, чтобы он был ионизирован, чтобы пройти через спектрометр с достаточной энергией. Таким образом, образец бомбардируется электронами для его ионизации.
Этот ионизированный луч теперь проходит через серию электрических или магнитных полей в зависимости от типа образца и его свойств. Ионы отклоняются полем, через которое они проходят, таким образом, что ионы с одинаковым соотношением массы к сигналу будут следовать по одному и тому же пути к детектору.
Эти заряженные и отклоненные ионы теперь попадают на детектор, который способен различать падающие на него заряженные частицы. На основании масс-спектра, создаваемого заряженными ионами, мы можем идентифицировать атомы или молекулы, составляющие образец, сравнивая их с известными массами или по характерному образцу фрагментации.
Применение масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия — эффективный метод определения химического состава образца или молекулы. Совсем недавно его стали использовать для классификации биологических продуктов, в частности белков и белковых комплексов, по ряду видов. Обычно масс-спектрометры можно использовать для классификации неизвестных веществ путем измерения молекулярной массы, для измерения известных соединений и для определения структуры и химических свойств молекул.
Благодаря своей способности различать вещества, масс-спектрометрия используется для определения неизвестных веществ.
Идентифицировать изотопы вещества.
В аналитических лабораториях, изучающих химические, физические и биологические свойства веществ. Он предпочтительнее некоторых других аналитических методов, поскольку имеет меньше фоновых помех, поскольку выполняется в вакууме.
Преимущества и недостатки масс-спектрометрии
Масс-спектрометрию применяют как для качественного, так и для количественного исследования химических веществ. Их можно использовать для классификации элементов и изотопов образца, для определения молекулярных масс, а также в качестве инструмента, помогающего классифицировать химические структуры. Это позволяет рассчитать чистоту образцов и молярную массу.
Большим преимуществом масс-спекции является то, что она невероятно чувствительна (частей на миллион) по сравнению со многими другими методами. Это отличный инструмент для идентификации или подтверждения присутствия неизвестных компонентов в образце. Недостатки масс-спектрометрии заключаются в том, что идентификация углеводородов, образующих сходные ионы, не очень эффективна и не позволяет разделить оптические и геометрические изомеры. Недостатки компенсируются сочетанием МС с другими методами, например газовой хроматографией. Одним из недостатков масс-спектрометрии является наличие углеводородов. Этот метод не позволяет различить углеводороды , производящие одинаково фрагментированные ионы.
Итак, здесь мы увидели краткое описание того, что такое масс-спектрометр, его устройство и принцип работы.
Часто задаваемые вопросы
1. В чем заключается основной принцип масс-спектрометрии?
Масс-спектрометр генерирует несколько ионов из исследуемого образца, затем разделяет их по определенному соотношению массы к заряду (m/z), а затем записывает относительное содержание каждого типа ионов.
2. Каковы области применения масс-спектрометрии?
Масс-спектрометрия — мощный метод, имеющий множество различных применений в биологии, химии и физике, а также в клинической медицине и даже в освоении космоса. Он используется для разделения молекулярных ионов на основе их массы и заряда для определения молекулярной массы соединений.
3. Что такое массовая точность в масс-спектрометрии?
Точность определения массы — это показатель, который определяет разницу между измеренной массой/зарядом иона (m/Q) и истинным, точным m/Q этого иона. Устройство сбора данных записывает точность определения массы в частях на миллион (ppm) для каждого из трех входных калибровочных ионов.
4. Является ли масс-спектрометрия количественной или качественной?
Разработка и применение масс-спектрометрии в биологических жидкостях, тканях, видах или клетках для качественного и количественного исследования низкомолекулярных соединений и макромолекул.
5. Что такое разрешение единичной массы?
Единичное разрешение означает, что из каждого объема можно отделить следующую целочисленную массу. То есть массу 50 можно отличить от массы 51, а массу 1000 можно отличить от массы 1001. Это понятие широко используется для описания разрешения масс-спектрометров с квадрупольной и ионной ловушкой.
6. Почему масс-спектрометрия важна?
Масс-спектрометрия — это способ расчета массы ионов — образованных из них электрически заряженных частиц, атомов или молекул. Это используется для описания основных атомных и молекулярных процессов, а также процессов, представляющих непосредственный интерес для клеточных событий.
7. Какой инструмент используют масс-спектрометрия?
Спектрометр — это инструмент, предназначенный для измерения длин волн света в широком диапазоне электромагнитного спектра. Обычно это используется для исследования образцов материалов методом спектроскопии. Падающий свет от источника света может излучаться, поглощаться или отражаться через образец.
8. Что такое положительный и отрицательный режим в масс-спектрометрии?
В положительном режиме ионов молекулы аналита, обычно наблюдаемые в масс-спектрах, были протонированы и/или присоединены к щелочи. В режиме отрицательных ионов наблюдаются рабочие пики, соответствующие депротонированным молекулам аналита.
9. Как строится график масс-спектроскопии?
Масс-спектрометрия — это процесс, который определяет атомную массу атомов или молекул. Его можно использовать для измерения относительной концентрации изотопов, атомной и молекулярной массы, а также структуры соединения. Результатом масс-спектрометрии является график, на котором отображается масса в зависимости от относительного содержания на заряд.
10. Какое излучение используется в масс-спектроскопии?
Фотоионизация может использоваться в экспериментах, направленных на использование масс-спектрометрии как средство решения процессов химической кинетики и разветвления изомерных материалов. В таких случаях фотон высокой энергии, рентгеновский или ультрафиолетовый, используется для диссоциации стабильных газообразных молекул от газа-носителя He или Ar.