Мас-спектрометрія () — метод визначення хімічного, фазового складу і молекулярної структури речовини, що базується на реєстрації спектра мас іонів, утворених внаслідок іонізації атомів і (або) молекул проби. Маса іона визначається за його відхиленням у магнітному полі. Загальний опис Іонізацію здійснюють пучком електронів або іонів, лазерним випромінюванням тощо. Рідини перед іонізацією часто випаровують. Мас-спектроскопія належить до найінформативніших методів і відрізняється високими аналітичними характеристиками, дозволяє провести аналіз твердих, рідких і газоподібних речовин. Число хімічних елементів, що одночасно визначаються у природних об'єктах — до 40; одночасно з елементним складом (з точністю до 1% при наявності стандартних зразків і до 30% при безеталонному аналізі) визначається ізотопний склад (з точністю до 10−1−10−2%) речовини. Межі виявлення: відносна 10−4−10−8 %, абсолютна 10−10−10−19 г.
Закінчення «-метрія» у назві методу з'явилося після повсюдного переходу від детектування заряджених частинок за допомогою фотопластинок до електричних вимірів іонних струмів.
Особливо широке застосування мас-спектрометрія знаходить в аналізі органічних речовин, оскільки забезпечує впевнену ідентифікацію як щодо простих, так і складних молекул. Єдина загальна вимога — щоб молекула піддавалася іонізації. Однак до теперішнього часу придумано стільки способів іонізації компонентів проби, що мас-спектрометрію можна вважати практично всеосяжним методом.
Майже всі мас-спектрометри — це вакуумні прилади, оскільки іони дуже нестабільні в присутності сторонніх молекул.
Мас-спектр — це залежність інтенсивності іонного струму (кількості речовини) від відношення маси до заряду (природи речовини). Оскільки маса будь-якої молекули складається з мас атомів, що входять до її складу, мас-спектр завжди дискретний, хоча при низькій роздільності мас-спектрометра піки різних мас можуть перекриватися або навіть зливатися. Природа аналізованої речовини, особливості методу іонізації і вторинні процеси в мас-спектрометрі можуть впливати на мас-спектр (див. метастабільні іони, градієнт прискорювальної напруги за місцями утворення іонів, непружне розсіювання). Так, іони з однаковими відношеннями маси до заряду можуть виявитися в різних частинах спектра і навіть зробити частину його неперервним.
Більшість невеликих молекул при іонізації набуває тільки одного додатного або від'ємного заряду. Що більша молекула, то більша ймовірність того, що під час іонізації вона перетвориться на багатозарядний іон. Тому особливо сильно цей ефект проявляється стосовно вкрай великих молекул, наприклад, білків, нуклеїнових кислот і полімерів. За деяких видів іонізації (наприклад, електронному ударі) молекула може розпадатися на декілька характерних частин, що дає додаткові можливості ідентифікації і дослідження структури невідомих речовин.
Точне визначення маси аналізованої молекули дозволяє визначити її елементний склад (див.: елементний аналіз). Мас-спектрометрія також дозволяє отримати важливу інформацію про ізотопний склад аналізованих молекул (див.: ізотопний аналіз).
Історія мас-спектрометрії
1912 рік — Джозеф Дж. Томсон створює перший мас-спектрограф і отримує мас-спектри молекул кисню, азоту, чадного газу, вуглекислого газу і фосгену.
1913 рік — за допомогою мас-спектрографа Дж. Дж. Томсон відкриває ізотопи неону: неон-20 і неон-22.
1918 рік — будує перший мас-спектрограф.
1919 рік — Френсіс Астон, незалежно від Демпстера, будує свій перший мас-спектрограф і починає дослідження ізотопів. Цей прилад мав роздільну здатність близько 130.
1923 рік — Астон вимірює за допомогою мас-спектрометра дефект маси.
1932 рік — Кеннет Бейнбридж будує мас-спектрометр із роздільною здатністю 600 і чутливістю 1 частина на 10 тис.
1936 рік — Артур Демпстер, Кеннет Бейнбридж і конструюють мас-спектрограф із подвійним фокусуванням. Демпстер розробляє іскрове джерело іонізації.
1940 рік — за допомогою препаративної мас-спектрометрії виділяє уран-235.
1940 рік — Альфред Нір створює перше надійне джерело електронного удару, застосувавши іонізаційну камеру.
1942 рік — Лоуренс запускає «калютрон» — промислову установку з розділення ізотопів урану, засновану на магнітно-секторному мас-спектрометрі.
1946 рік — Вільям Стівенс () пропонує концепцію .
1948 рік — Камероном () і Еггерсом () створено перший мас-спектрометр з .
1952 рік — і А. К. Любимова вперше спостерігають сигнал метонію CH5+ в іонному джерелі електронного удару при підвищеному тиску метану в іонізаційній камері (в 1966 році Мансон і Філд застосують це відкриття для аналітичних цілей та створять іонне джерело з хімічною іонізацією).Talrose V. L., Ljubimova A. K. Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502-504.
1953 рік — Вольфганг Пауль патентує та іонну пастку.
1956 рік — і Роланд Голке () створюють перший газовий хромато-мас-спектрометр.
1966 рік — Мансон і Філд створюють іонне джерело з хімічною іонізацією.
1972 рік — Каратаєв і винаходять час-пролітний мас-аналізатор з фокусуванням, який значно поліпшує роздільність аналізатора.
1974 рік — Перший рідинний хромато-мас-спектрометр створений Арпіно, Болдуїном і МакЛафферті.
1981 рік — Барбер, Бордолі, Седжвік і Тайлор створюють іонізатор з (FAB).
1982 рік — Перший мас-спектр цілого білка (інсулін) за допомогою бомбардування швидкими атомами.
1983 рік — Бланкі та Бестал винаходять .
1984 рік — а потім Джон Фенн публікують роботи за методом .
1987 рік — Карас, Бахман, Бар і Хілленкамп винаходять (MALDI).
1999 рік — винаходить електростатичну іонну пастку «».
Види мас-спектрометрії У геології, геохімії, космохімії використовують три основні напрямки мас-спектрометрії: ізотопний, молекулярний і елементний аналізи.
Ізотопний аналіз (вимірювання поширеності ізотопів різних елементів у земних і космічних об'єктах та їх варіацій) дозволяє: отримувати інформацію про первинний ізотопний склад елементів, пов'язаний з процесами, що відбувалися під час формування Сонячної системи або в період, що передував (процеси нуклеосинтезу); встановлювати розповсюдженість радіогенних ізотопів; визначати абсолютний вік порід, мінералів і рудних тіл; вимірювати варіації розповсюдженості стабільних ізотопів в земній корі, її надрах і космічних об'єктах; вивчати роль біосфери в процесах формування родовищ горючих корисних копалин (вугілля, нафти і газу).
Молекулярний аналіз (аналіз складних сумішей органічних сполук і визначення їх структури) використовується для визначення складу органічних сполук у ґрунтах, реєстрації органічного забруднення вод, для вивчення складу нафт і їх фракцій з метою оптимізації процесів їх переробки, а також у протеоміці для визначення протеому.
Метод час-пролітної МАЛДІ (час-пролітної матрично-активованої лазерної десорбції/іонізації) (з — Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization time of flight), використовується для дослідження протеїнів, пептидів, нуклеотидів та ін. та одержання так званих «фінгерпринтів» (відбитків пальців) мас-спектрів зі співвідношенням маси до заряду m/z. Метод базується на бомбардуванні лазерним випромінюванням в імпульсному режимі суміші матриця-досліджувана речовина на сталевій підложці у вакуумі.
Елементний аналіз дозволяє визначати склад домішок порід, мінералів і рудних утворень і дослідити розподіл елементів у мікрооб'ємах природних об'єктів, пов'язаний з магматичними і осадовими процесами.
Принцип роботи і будова мас-спектрометра
Джерела іонів Перше, що треба зробити для того, щоб отримати мас-спектр, — перетворити нейтральні молекули й атоми, що складають будь-яку органічну чи неорганічну речовину, на заряджені частинки — іони. Цей процес називається іонізацією і по-різному здійснюється для органічних і неорганічних речовин. Другою необхідною умовою є переведення іонів у газову фазу у вакуумній частині мас-спектрометра. Глибокий вакуум забезпечує безперешкодний рух іонів всередині мас-спектрометра, а за його відсутності іони розсіюються і рекомбінують (перетворюються знову на незаряджені частинки).
Умовно способи іонізації органічних речовин можна класифікувати за фазами, в яких перебувають речовини перед іонізацією.
Газова фаза
електронна іонізація (EI) хімічна іонізація (CI) (EC) (FI)
Рідка фаза
термоспрей іонізація при атмосферному тиску(AP) електроспрей (APESI) хімічна іонізація при атмосферному тиску (APCI) фотоіонізація при атмосферному тиску (APPI)
Тверда фаза
пряма лазерна десорбція - мас-спектрометрія (LDMS) матрично-активована лазерна десорбція/іонізація (MALDI) мас-спектрометрія вторинних іонів (SIMS) бомбардування швидкими атомами (FAB) десорбція в електричному полі (FD) плазмова десорбція (PD)
У неорганічної хімії для аналізу елементного складу застосовуються жорсткі методи іонізації, оскільки енергії зв'язку атомів у твердому тілі значно більше і значно жорсткіші методи необхідно використовувати для того, щоб розірвати ці зв'язки і отримати іони.
іонізація в індуктивно-зв'язаній плазмі (ICP) термічна іонізація або поверхнева іонізація іонізація в тліючому розряді і іскрова іонізація (див. іскровий розряд) іонізація в процесі лазерної абляції
Історично перші методи іонізації були розроблені для газової фази. На жаль, дуже багато органічних речовин неможливо випарувати, тобто перевести в газову фазу, без розкладання. А це означає, що їх не можна іонізувати електронним ударом. Але серед таких речовин майже все, що становить живу тканину (білки, ДНК тощо), фізіологічно активні речовини, полімери, тобто все те, що сьогодні являє особливий інтерес. Мас-спектрометрія не стояла на місці і в останні роки були розроблені спеціальні методи іонізації таких органічних сполук. Сьогодні використовуються, в основному, два з них — іонізація при атмосферному тиску і її підвиди — електроспрей, хімічна іонізація при атмосферному тиску і фотоіонізація при атмосферному тиску, а також іонізація лазерною десорбцією за сприяння матриці.
Мас-аналізатори Отримані при іонізації іони за допомогою електричного поля переносяться в мас-аналізатор. Там починається другий етап мас-спектрометричного аналізу — сортування іонів за масами (точніше за відношенням маси до заряду, або m/z). Існують такі типи мас-аналізаторів:
безперервні мас-аналізатори
Магнітний і/або електростатичний () ()
імпульсні мас-аналізатори
Час-пролітний мас-аналізатор () Іонна пастка () Квадрупольна лінійна пастка () Мас-аналізатор іонно-циклотронного резонансу з Фур'є-перетворенням () Орбітреп ()
Різниця між безперервними й імпульсними мас-аналізаторами полягає в тому, що в перших іони надходять безперервним потоком, а в других — порціями, через певні інтервали часу.
Мас-спектрометр може мати два мас-аналізатори. Такий мас-спектрометр називають тандемним. Тандемні мас-спектрометри застосовуються, як правило, разом із «м'якими» методами іонізації, за яких не відбувається фрагментація іонів аналізованих молекул (молекулярних іонів). Таким чином, перший мас-аналізатор аналізує молекулярні іони. Залишаючи перший мас-аналізатор, молекулярні іони фрагментуються під дією зіткнень із молекулами інертного газу або випромінювання лазера, після чого їх фрагменти аналізуються у другому мас-аналізаторі. Найпоширенішими конфігураціями тандемних мас-спектрометрів є квадруполь-квадрупольна і квадруполь-час-пролітна.
Детектори