Как отличить молекулы разных соединений? Оказывается, проще всего — взвешивая их на специальных весах, которые называются масс-спектрометр

Марина Чадеева

Спортивный мир ждет очередное потрясение: в глубокой тайне был разработан новый стероид, который делает из спортсмена сверхчеловека

Принцип работы масс-спектрометров Электростатический и магнитный сектора в устройстве с двойной фокусировкой. В щели фокусируются ионы, вылетающие из источника не только в разных направлениях, но и с разными энергиями

Квадрупольный анализатор. Ионы с выбранным отношением массы (m) к заряду (z) проходят вдоль оси анализатора и попадают в детектор, а ионы с другими отношениям m/z сталкиваются со стержнями или вылетают за пределы рабочего пространства

Возможно, в скором времени знакомые всем нам пропускные устройства для проверки пассажиров станут гораздо «умнее». Представьте, проходит человек около детектора, легкое дуновение ветерка трогает его одежды — и вскоре у службы безопасности уже есть информация о том, имел ли этот пассажир дело с какими-нибудь опасными веществами. Пробные образцы таких детекторов настолько чувствительны, что способны обнаружить следы химического соединения, даже если от него осталось всего несколько молекул. А сделаны они на основе масс-спектрометра — прибора, который умеет различать молекулы по массе и определять процентное содержание каждого сорта молекул в образце вещества.

По сути, масс-спектрометр — это прецизионные электромагнитные весы, на которых можно «взвешивать» атомы с точностью до 10−31 грамма. Именно благодаря этому изобретению в двадцатых годах прошлого века были изучены изотопы всех известных химических элементов, а когда любопытство ученых было в достаточной мере удовлетворено, наступила очередь прикладных задач. В сороковые годы в лабораториях Окриджа масс-спектрометр применялся при разделении изотопов урана для первой атомной бомбы, и тогда же появились первые гражданские потребители этих приборов — нефтяные концерны. Они использовали масс-спектрометры для количественного анализа смеси органических газов.

Принцип действия

Современные масс-спектрометры несомненно точнее и совершеннее своих предшественников столетней давности, но основной принцип их работы остается неизменным, а конструкция, как и сто лет назад, включает три основных элемента: ионизатор, анализатор и детектор.

Сначала молекулы надо ионизовать, то есть лишить их хотя бы одного электрона. Поскольку электрон в тысячи (а иногда и в десятки тысяч) раз легче молекулы, ионизация практически не влияет на ее массу. После ионизатора частицы попадают в анализатор, который представляет собой вакуумную камеру с электрическими и магнитными полями. Ионы разгоняют электрическим полем, а затем направляют в магнитное поле, где траектория заряженной частицы искривляется. Все частицы движутся в одном и том же поле, а между собой они различаются электрическим зарядом и массой. Чем больше заряд, тем сильнее можно разогнать ион и тем легче повернуть его магнитом, но чем больше его масса, тем труднее это сделать из-за инерции. Какую энергию приобретет частица, какова будет ее скорость и степень искривления траектории, зависит от величины поля и отношения массы частицы к ее заряду.

Если предположить, что при ионизации с каждой молекулы удалось сорвать только по одному электрону (как чаще всего и происходит), все ионы будут однозарядными и характер их движения будет зависеть только от массы. Чем тяжелее ион, тем труднее его «повернуть» и тем меньше будет кривизна его траектории. Получится, что частицы с разными массами будут в буквальном смысле разлетаться в разные стороны.

На последнем этапе нужно зарегистрировать эти ионы каким-нибудь детектором заряженных частиц, например фотопластинкой или вторично-электронным умножителем. Поставив в подходящем месте ряд детекторов, мы увидим, что частицы с разной массой (но с одинаковым зарядом) попадут в разные детекторы. Теперь построим график: по горизонтали отложим координату детектора, зарегистрировавшего ион, а по вертикали — количество этих ионов. У нас получится масс-спектр — картинка, похожая на спектр излучения: чем больше разница в массах, тем дальше точки попадания отстоят друг от друга, а чем больше в данное место прилетает частиц, тем больше сигнал и выше соответствующий пик.

На самом деле в современных системах используется только один детектор. На него при конкретном значении поля фокусируются ионы определенной массы. Постепенно меняя величину поля, можно направлять в детектор по очереди разные ионы и регистрировать их. Компьютер вычисляет по значениям поля соответствующие массы, сравнивает с базой данных и строит масс-спектр.

Первые опыты

В ряду основателей масс-спектрометрии первым стоит имя открывателя электрона сэра Джозефа Джона Томсона. В то время, в конце позапрошлого века, многие физики активно изучали электрические разряды в газах. В первую очередь их интересовали возникавшие при этом заряженные частицы. Поставив ряд остроумных опытов, Томсон смог определить параметры отрицательно заряженных частиц (которые мы теперь знаем как электроны), а потом занялся положительно заряженными — ионами. Для изучения ионов ему пришлось собрать отдельную установку. Томсон разместил катод с отверстиями в середине стеклянной трубки, за ним — магнит, а еще дальше за трубкой — фотопластинку. Положительно заряженные ионы разных химических соединений, находившихся в трубке, летели к катоду, через отверстия попадали в магнитное поле и в итоге оставляли следы в разных местах фотопластинки. По координатам частиц на фотопластинке и известным значениям поля Томсон вычислил отношение масс ионов к их зарядам и отметил на фотографиях траектории ионов водорода, атомарного и молекулярного кислорода, углекислого и угарного газа, ртути и неона. Так началась эпоха масс-спектрометрии.

Лишний вес

После Первой мировой войны исследования Томсона продолжил его ассистент Фрэнсис Уильям Астон. Усовершенствованный прибор, который Астон назвал масс-спектрографом, позволял не только увидеть линии, соответствующие частицам с разными массами, но и обладал достаточной точностью для определения количественных соотношений между ними. Больше всего Астона и его сотрудников поразило то, что атомные веса всех легких элементов, выраженные в относительных единицах, с удивительной точностью соответствовали целым числам. Приняв массу атома кислорода за 16 единиц, для углерода получили значение 12, для азота — 14 и т. д. Для тяжелых элементов, с атомным весом более 30, это «правило целого числа» начинало слегка нарушаться, но самым странным оказалось значение атомной массы водорода — не 1, а 1,008. Причем точность масс-спектрографа была такова, что эту, на первый взгляд незначительную, разницу нельзя было списать на ошибку измерений. Первым, кто понял важность, а главное — смысл этой аномалии, был сам Астон. По его мнению, этот экспериментальный факт подтверждал не что иное, как взаимный переход массы и энергии, предсказанный теорией относительности: когда несколько протонов (ядер водорода) соединяются, образуя другой элемент, часть их массы переходит в энергию, и в итоге масса, например, гелия оказывается несколько меньше суммы масс составляющих его частиц.

«Результаты, полученные с помощью масс-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе… — сказал Астон в своей Нобелевской лекции в 1922 году. — Мы можем быть совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть… Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию». Астон подкрепил свои слова цифрами. По его расчетам, сделанным на основе масс-спектрометрических измерений и теории относительности, если весь водород, содержащийся всего в 9 граммах воды, превратить в гелий, выделится энергия в размере 200 000 кВт/час, чего по современным меркам достаточно для освещения обычной городской квартиры в течение нескольких лет. Теперь-то мы точно знаем, что именно такие ядерные реакции — источник солнечной энергии, но управлять ею люди умеют только в режиме термоядерной бомбы, иначе говоря, пока еще вовсе не умеют.

Так эксперименты с газоразрядными лампами позволили физикам сделать далеко идущие выводы о фундаментальных свойствах материи, а заодно создать замечательный прибор — масс-спектрометр.

Квадрупольные масс-спектрометры

С появлением новых способов детектирования вместе с фотопластинками постепенно ушло в прошлое и придуманное Астоном название — масс-спектрограф. На смену пришли современные масс-спектрометры, которые в большинстве своем сохранили в качестве основного элемента магнитное поле. Масс-спектрометры с магнитом остаются непревзойденными по чувствительности, и, несмотря на огромные размеры и высокие энергозатраты, им нет альтернативы там, где нужна высокая точность. Поиски более компактного и экономного решения привели в середине 50-х годов профессора Вольфганга Пола и его сотрудников из университета Бонна к созданию масс-спектрометра без магнитного поля — квадрупольного анализатора с переменным электрическим полем. Такой анализатор состоит из четырех стержней, на пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами. В зависимости от величин напряжения и частоты к детектору между стержнями движутся только ионы с определенным отношением массы к заряду, а остальные вылетают наружу. Конструкция оказалась действительно компактной и очень практичной.

Миниатюрный квадрупольный масс-спектрометр был изготовлен специально для обеспечения безопасности астронавтов международной космической станции, в том числе и при работе в открытом космосе. Это устройство размером с коробку для обуви и весом 2,3 кг может непрерывно контролировать утечки аммиака, азота, ракетного топлива, кислорода, воды и разных других веществ.

Кто быстрее

Еще до квадруполя, в 1946 году, сотрудник университета Пенсильвании Уильям Стефенс придумал другой способ сортировки молекул по массе без магнита — времяпролетный масс-спектрометр. В нем остался только небольшой участок электрического поля для разгона ионов,

а основную часть занимало бесполевое пространство. Принцип действия этого прибора был замечательно прост: тяжелые ионы труднее разогнать из-за их инерции, а следовательно, они, имея меньшую скорость после разгона и двигаясь медленнее в дрейфовом пространстве без поля, прилетают к детектору позже легких. Если считать, что все ионы заряжены одинаково, время в пути будет прямо пропорционально квадратному корню из массы. Сначала в детектор прилетят легкие ионы, затем те, что потяжелее, и в последнюю очередь — самые тяжелые. Такой прибор оказался проще (хотя и имел меньшую точность, чем магнитный) и дешевле, а к тому же обладал огромным быстродействием, поскольку весь спектр ионов в широком диапазоне масс регистрировался за один проход и не нужно было тратить время на постепенное изменение поля.

С помощью времяпролетного масс-спектрометра в 1985 году был открыт целый класс новых веществ — фуллерены. К тому времени уже было известно, что в парах углерода присутствуют кластеры — молекулы, состоящие из разного числа атомов углерода (до 24). Благодаря масс-спектрометрам удалось различить эти кластеры и определить их массы. Когда от паров перешли к изучению углеродной плазмы, направляемой в поток гелия, на масс-спектрах стали видны молекулы из большего числа атомов, в том числе С60 и С70. А при определенных режимах создания плазмы пик, соответствующий С60, стал в несколько раз выше всех остальных, что свидетельствовало об устойчивости этого соединения. Так были обнаружены необычные молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, за что первооткрывателям фуллеренов в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Деликатный подход

Поистине безграничная сфера применения масс-спектрометрии — анализ сложных органических веществ, без которого немыслима современная медицина и биология. Однако это стало возможным только после появления новых методов ионизации. Ведь для масс-спектрометрического анализа нужно получить свободные ионы, а значит, испарить вещество. Большинство биологических молекул не выносит такого насилия над собой и распадается под действием высоких температур, сопровождающих процесс испарения. Поэтому для них изобрели более деликатные способы превращения в свободные ионы. Один из них — ионизация электрораспылением. Раствор вещества под давлением поступает в металлический капилляр, на который подано высокое напряжение (3−4 кВ). Из узкого носика капилляра выдавливаются капли, которые, будучи сильно заряженными, распадаются, теряя по пути молекулы растворителя, а напряжение подбирается таким образом, что в масс-спектрометр попадают в основном ионы биомолекул. Второй метод, под названием «матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация», еще более хитрый. Изучаемый образец наносится на матрицу из специально подобранного вещества, способного эффективно поглощать лазерное излучение. При стремительном нагреве этого «бутерброда» лазерным импульсом молекулы образца ионизуются, не успевая распасться на части.

Благодаря новым способам ионизации масс-спектрометрия биомолекул с использованием сравнительно простых и дешевых квадрупольных и времяпролетных масс-спектрометров стала широко применяться на практике — при разработке новых лекарственных препаратов, определении следов психотропных и наркотических веществ, исследованиях ДНК, белков и прочих субстанций. Существуют целые банки данных, с помощью которых можно идентифицировать органическое вещество по его составляющим, обнаруженным в масс-спектрометре.

Очень плодотворным оказалось сочетание масс-спектрометрии и другого физико-химического метода, предназначенного для разделения и анализа смесей — хроматографии. Сначала с помощью хроматографа выделяют компоненты смеси и затем по отдельности направляют их на вход масс-спектрометра. Подобными устройствами оснащены лаборатории допинг-контроля. С помощью хромато-масс-спектрометров определяют содержание анаболических стероидов, анальгетиков, диуретиков, стимуляторов и кортикостероидов. Как бы ни старался спортсмен, для которого медаль дороже собственного здоровья, скрыть употребление анаболиков, ему это не удастся сделать — современный масс-спектрометр способен найти в крови или моче даже миллиардную долю этих запрещенных препаратов. Правда, здесь идет своеобразная борьба: кто-то синтезирует новые средства для допинга, а кто-то пытается их обнаружить, и без такого инструмента, как масс-спектрометр, последними, скорее всего, эта гонка была бы проиграна.

На все случаи жизни

В наше время различные применения масс-спектрометрии вышли далеко за рамки уникальных проектов, а чтобы описать многочисленные конструкции масс-анализаторов и способы ионизации, не хватило бы и целого номера журнала. Портативные хромато-масс-спектрометры есть на вооружении американской армии в Ираке. Они позволяют обнаружить незначительные следы реагентов химического оружия и используются для предварительного анализа окружающей обстановки. Высокоточные приборы для масс-спектрального анализа приобретают таможенные службы — это способ тщательно контролировать состав нефтепродуктов и определять происхождение нефти буквально с точностью до скважины, поскольку изотопный состав уникален для каждого месторождения.

Современный масс-спектрометр может занимать экспериментальный зал или помещаться в небольшой коробке на столе, содержать сверхпроводящий магнит или обходиться вовсе без магнитного поля. Чувствительность этих приборов поражает воображение. Достаточно миллиграмма органического загрязнителя на тонну воды, чтобы масс-спектрометр усомнился в ее качестве, а неорганической примеси — и того меньше. Парадоксально, но высокая чувствительность может сама стать источником проблем: например, при проверке пассажиров ничтожные следы наркотиков, случайно попавшие на денежные купюры, могут быть обнаружены на руках совершенно добропорядочного гражданина! Впрочем, это задача уже другого сорта, и, имея в своем распоряжении такой замечательный инструмент, как масс-спектрометр, человек наверняка сможет ее решить.

Применение масс-спектрометрии

• · Ядерная энергетика;
• · Археология;
• · Нефтехимия;
• · Геохимия (изотопная геохронология);
• · Агрохимия;
• · Химическая промышленность;
• · Анализ полупроводниковых материалов, особо чистых металлов, тонких пленок и порошков (например, оксидов U и РЗЭ);
• · Фармацевтика - для контроля качества производимых лекарств и выявления фальсификатов;
• · Медицинская диагностика;
• · Биохимия - идентификация белков, исследование метаболизма лекарственных средств.

Хромато-масс-спектрометрия

Хромато-масс-спектрометрия - метод анализа смесей главным образом органических веществ и определения следовых количеств веществв объеме жидкости. Метод основан на комбинации двух самостоятельных методов - хроматографии и масс-спектрометрии. С помощью первого осуществляют разделение смеси на компоненты, с помощью второго - идентификацию и определение строения вещества, количественный анализ. Известны 2 варианта хромато-масс-спектрометрии, представляющие собой комбинацию масс-спектрометрии либо с газо-жидкостной хроматографией (ГЖХ), либо с высокоэффективной жидкостной хроматографией.

Рис. 10.

Первые исследования аналитических возможностей хромато-масс-спектрометрии были проведены в 1950-х гг., первые промышленные приборы, объединяющие газо-жидкостной хроматограф и

масс-спектрометр, появились в 60-х гг. Принципиальная совместимость этих двух приборов обусловлена тем, что в обоих случаях анализируемое вещество находится в газовой фазе, рабочие температурные интервалы одинаковы, пределы обнаружения (чувствительность) близки. Различие состоит в том, что в ионном источнике масс-спектрометра поддерживается высокий вакуум (10 -5 - 10 -6 Па), тогда как давление в хроматографической колонке 10 5 Па. Для понижения давления используют сепаратор, который одним концом соединен с выходом хроматографической колонки, а другим - с ионным источником масс-спектрометра. Сепаратор удаляет из газового потока, выходящего из колонки, основную часть газа-носителя, а органическое вещество пропускает в масс-спектрометр. При этом давление на выходе колонки понижается до рабочего давления в масс-спектрометре.

Принцип действия сепараторов основан либо на различии подвижности молекул газа-носителя и анализируемого вещества, либо на их различной проницаемости через полупроницаемую мембрану. В промышленности чаще всего применяют инжекторные сепараторы, работающие по первому принципу. Одностадийные сепараторы этого типа содержат две форсунки с отверстиями небольшого диаметра, которые установлены точно напротив друг друга. В объеме между форсунками создается давление 1,33 Па. Газовый поток из хроматографической колонки через первую форсунку со сверхзвуковой скоростью попадает в область вакуума, где молекулы распространяются со скоростями, обратно пропорциональными их массе. В результате более легкие и быстрые молекулы газа-носителя откачиваются насосом, а более медленные молекулы органического веществава попадают в отверстие второй форсунки, а затем в ионный источник масс-спектрометра. Некоторые приборы снабжены двухстадийным сепаратором, снабженным еще одним подобным блоком форсунок. В объеме между ними создается высокий вакуум. Чем легче молекулы газа-носителя, тем эффективнее они удаляются из газового потока и тем выше обогащение органическим веществом.

Наиболее удобный для хромато-масс-спектрометрии газ-носитель - гелий. Эффективность работы сепаратора, т.е. отношение количества органического вещества в газовом потоке, выходящем из колонки, к его количеству, поступающему в масс-спектрометр, в значительной степени зависит от расхода газа-носителя, попадающего в сепаратор. При оптимальном расходе 20-30 мл/мин удаляется до 93% газа-носителя, а в масс-спектрометр поступает более 60% анализируемого вещества. Такой расход газа-носителя типичен для насадочных колонок. В случае использования капиллярной хроматографической колонки расход газа-носителя не превышает 2-3 мл/мин, поэтому на ее выходе в газовый поток добавляют дополнительное количество газа-носителя, чтобы скорость потока, поступающего в сепаратор, достигла 20-30 мл/мин. Тем самым обеспечивается наилучшая эффективность сепаратора. Гибкие кварцевые капиллярные колонки могут вводиться непосредственно в ионный источник. В этом случае ионный источник должен быть обеспечен мощной откачивающей системой, поддерживающей высокий вакуум.

В масс-спектрометрах, соединенных с газовыми хроматографами, применяется ионизация электронным ударом, химическая или полевая. Хроматографические колонки должны содержать труднолетучие и термостабильные стационарные жидкие фазы, чтобы масс-спектр их паров не налагался на спектр анализируемого вещества.

Анализируемое вещество (обычно в растворе) вводится в испаритель хроматографа, где мгновенно испаряется, а пары в смеси с газом-носителем под давлением поступают в колонку. Здесь происходит разделение смеси, и каждый компонент в токе газа-носителя по мере элюирования из колонки поступает в сепаратор. В сепараторе газ-носитель в основном удаляется и обогащенный органическим веществом газовый поток поступает в ионный источник масс-спектрометра, где молекулы ионизируются. Число образующихся при этом ионов пропорционально количеству поступающего вещества. С помощью установленного в масс-спектрометре датчика, реагирующего на изменение полного ионного тока, записывают хроматограммы. Таким образом, масс-спектрометр можно рассматривать как универсальный детектор к хроматографу. Одновременно с записью хроматограммы в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр, позволяющий установить строение вещества.

Важное условие работы прибора - быстрая запись масс-спектра, который должен регистрироваться за время, гораздо меньшее, чем время выхода хроматографического пика. Медленная запись масс-спектра может исказить соотношение интенсивностей пиков в нем. Скорость регистрации масс-спектра (скорость сканирования) определяется масс-анализатором. Наименьшее время сканирования полного масс-спектра (несколько миллисекунд) обеспечивает квадрупольный анализатор. В современных масс-спектрометрах, снабженных ЭВМ, построение хроматограмм и обработка масс-спектров производится автоматически. Через равные промежутки времени по мере элюирования компонентов смеси регистрируются масс-спектры, количественные характеристики которых накапливаются в памяти ЭВМ. Для каждого сканирования производится сложение интенсивностей всех регистрируемых ионов. Так как эта суммарная величина (полный ионный ток) пропорциональна концентрации вещества в ионном источнике, то ее используют для построения хроматограммы (эта величина откладывается по оси ординат, по оси абсцисс - время удерживания и номер сканирования). Задавая номер сканирования, можно вызвать из памяти масс-спектр в любой точке хроматограммы.

Как описано выше, могут быть проанализированы смеси веществ, достаточно хорошо разделяемые на подходящих колонках хромато-масс-спектрометрии. Иногда удается исследовать и неразрешенные хроматографические пики. Исследуемые вещества должны быть термически стабильны, хроматографически подвижны в интервале рабочей температуры колонки, легко переводиться в паровую фазу при температуре испарителя. Если вещества не удовлетворяют этим требованиям, их можно химически модифицировать, например силилированием, алкилированием или ацилированием гидрокси-, карбокси-, меркапто-, аминогрупп.

Чувствительность хромато-масс-спектрометрии (обычно 10 -6 -10 -9 г) определяется чувствительностью детектора масс-спектрометра. Более чувствительна (10 -12 -10 -15 г) разновидность хромато-масс-спектрометрии - масс-фрагментография, называемая также селективным ионным или многоионным детектированием. Суть ее состоит в том, что запись хроматограмм осуществляется не по полному ионному току, а по наиболее характерным для данного вещества ионам. Этот вид хромато-масс-спектрометрии используют для поиска, идентификации и количественного анализа вещества с известным масс-спектром в составе сложной смеси, например при количественном определении следов веществ в больших объемах биологических жидкостей (медицина, фармакология, токсикология, допинг-контроль, биохимия). Осуществляют масс-фрагментографию на хромато-масс-спектрометрах с использованием специального устройства - многоионного детектора либо с помощью ЭВМ, которая может строить хроматограммы по одному или нескольким ионам. Такая хроматограмма, в отличие от обычной, содержит пики лишь тех компонентов, в масс-спектрах которых есть такие ионы. Анализ проводят с применением внутреннего стандарта, в качестве которого часто используют аналог искомого вещества, меченный стабильными изотопами (2 Н, 13 С, 15 N, 18 O).

Другой вариант хромато-масс-спектрометрии заключается в сочетании высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Метод предназначен для анализа смесей труднолетучих, полярных веществ, не поддающихся анализу методом ГЖ хромато-масс-спектрометрии. Для сохранения вакуума в ионном источнике масс-спектрометра необходимо удалять растворитель, поступающий из хроматографа со скоростью 0,5-5 мл/мин. Для этого часть жидкого потока пропускают через отверстие в несколько мкм, в результате чего образуются капли, которые далее попадают в обогреваемую зону, где большая часть растворителя испаряется, а оставшаяся вместе с веществом попадает в ионный источник и ионизируется химически.

В ряде промышленных приборов реализован принцип ленточного транспортера. Элюат из колонки попадает на движущуюся ленту, которая проходит через обогреваемую ИК излучением камеру, где испаряется растворитель. Затем лента с веществом проходит через область, обогреваемую другим нагревателем, где испаряется анализируемое вещество, после чего оно поступает в ионный источник и ионизируется. Более эффективный способ сочетания высокоэффективного газо-жидкостного хроматографа и масс-спектрометра основан на электро- и термораспылении. В этом случае элюат пропускают через капилляр, нагретый до 150 °С, и распыляют в вакуумную камеру. Ионы буфера, присутствующие в растворе, участвуют в ионообразовании. Образовавшиеся капли несут положительный, или отрицательный заряд. Вдоль капли из-за малого ее диаметра создается высокий градиент электрического поля, причем по мере распада капель этот градиент возрастает. При этом происходит десорбция из капель протонированных ионов или кластеров (молекула вещества + катион буфера).

Метод хромато-масс-спектрометрии используют при структурно-аналитических исследованиях в органической химии, нефтехимии, биохимии, медицине, фармакологии, для охраны окружающей среды и др.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Масс-спектрометрия ОФС.1.2.1.1.0008.15

Вводится впервые

Метод масс-спектрометрии – метод качественного и количественного анализа лекарственных средств, основанный на прямом измерении отношений массы к числу элементарных положительных или отрицательных зарядов ионов (m / z ) в газовой фазе, полученных из испытуемого вещества. Заряд может быть обусловлен присоединением или потерей электрона, протона, катиона или аниона в зависимости от условий ионизации и состава образца. Данное отношение выражается в атомных единицах массы (а.е.м.) или в дальтонах (Да). Ионы, образовавшиеся в ионном источнике прибора, ускоряются и перед попаданием в детектор разделяются с помощью масс-анализатора. Эти процессы происходят в камере, в которой насосная система поддерживает вакуум от 10 -3 до 10 -6 Па. Сигнал, отвечающий иону, представлен несколькими пиками, соответствующими статистическому распределению различных изотопов этого иона. Такой сигнал называется изотопным профилем (для небольших молекул), а отдельный пик, представляющий наиболее распространенный изотоп для атома, — моноизотопным пиком . Результирующий масс-спектр является графиком зависимости количества различных ионов от отношения m/z . При анализе сложных молекул возникает необходимость в двух и более последовательных масс-анализаторах для расшифровки молекулярной структуры. В приборе МС/МС (MS n) (тандемный масс-спектрометр ) масс-анализаторы выстраивают последовательно друг за другом. Из ионов, разделенных в первом масс-анализаторе, отбирают неидентифицированные по своему строению частицы (родительские ионы ) и разбивают их на более мелкие фрагменты столкновением с атомами инертного газа (диссоциация, активированная соударением, — CID) или лазерным излучением. Этот процесс реализуется перед вторым масс-анализатором, при помощи которого анализируют продукты распада (дочерние ионы) .

Масс-спектрометрический анализ дает важную качественную и количественную (с использованием внешнего или внутреннего стандартов) информацию (определение молекулярных масс, структуры фрагментов определяемых молекул) с пределом обнаружения от пикомоль [пмоль (10 -12)] до фемтомоль [фмоль (10 -15)].

Разновидности метода отличаются способом ввода образца в прибор, механизмом образования ионов (типом ионного источника ) и способом разделения ионов по отношению массы к заряду (типом масс-анализатора ).

Технические характеристики масс-спектрометров

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются скорость сканирования, чувствительность, динамический диапазон, разрешение.

Скорость сканирования

Масс-анализатор пропускает ионы с определенным соотношением массы и заряда (m / z ) в определенное время (кроме многоколлекторных приборов, ионно-циклотронного резонанса, орбитальной ловушки ионов). Для того чтобы проанализировать все ионы по отношению m / z , масс-анализатор должен сканировать все значения, нужные для пропускания к детектору всех интересующих ионов. Скорость развертывания поля называется скоростью сканирования, которая должна быть максимальна (соответственно, время сканирования должно быть как можно меньше), поскольку масс-спектрометр должен зарегистрировать сигнал за время выхода хроматографического пика, которое может составлять несколько секунд. При этом чем больше масс-спектров будет измерено за время выхода хроматографического пика, тем точнее будет описан хроматографический пик, и тем меньше будет вероятность пропустить его максимальное значение.

Самым медленным масс-анализатором является магнит, минимальное время сканирования которого, без особой потери чувствительности, составляет доли секунды. Квадрупольный масс-анализатор может разворачивать спектр за десятые доли секунды, ионная ловушка и линейная ионная ловушка — быстрее, а масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса — медленнее.

Любое сканирование во всех перечисленных типах масс-анализаторов является компромиссным – с увеличением скорости сканирования понижается чувствительность, т.к. меньше времени тратится на запись сигнала на каждое массовое число. Для типичных методов анализа скорости сканирования квадрупольного анализатора или ионной ловушки оказывается достаточно для получения удовлетворительных результатов. В то же время для высокопроизводительного анализа сложных молекулярных систем желательно использовать времяпролетный масс-спектрометр, который способен записывать масс-спектры со скоростью 40000 спектров в секунду.

Разрешение

Разрешение или разрешающая способность масс-спектрометра определяется как возможность масс-анализатора разделять ионы с близкими массами. Очень важно определить массы ионов максимально точно, это позволяет вычислить атомный состав иона или идентифицировать молекулу путем сравнения с базой данных, сократив число возможных кандидатов с тысяч и сотен до единиц или одного единственного. Для магнитных масс-анализаторов, в которых расстояние между пиками масс-спектра не зависит от масс ионов, разрешение представляет собой величину равную M/ΔM. Эта величина, как правило, определяется по 10 %-й высоте пика. Таким образом разрешение 1000 означает, что пики с массами 100,0 а.е.м. и 100,1 а.е.м. отделяются друг от друга, то есть не накладываются вплоть до 10 % высоты.

Для анализаторов, в которых расстояние между пиками меняется в рабочем диапазоне масс (чем больше масса, тем меньше расстояние), таких как квадрупольные анализаторы, ионные ловушки, времяпролетные анализаторы, разрешение (M/ΔM) имеет другой смысл: оно характеризует конкретную массу. Поэтому эти масс-анализаторы характеризуют по ширине пиков – величине, остающейся постоянной во всем диапазоне масс. Ширина пиков измеряется на уровне 50 % их высоты. Для таких приборов ширина пика на полувысоте, равная 1, является неплохим показателем и означает, что такой масс-анализатор способен различить номинальные массы, отличающиеся на атомную единицу массы практически во всем его рабочем диапазоне.

Номинальной массой или массовым числом называют ближайшее к точной массе иона целое число в шкале атомных единиц массы. Например, масса иона водорода Н + равна 1,00787 а.е.м., а его массовое число равно 1. Масс-анализаторы, которые измеряют номинальные массы, называют анализаторами низкого разрешения. Масс-спектрометры с двойной фокусировкой (магнитной и электростатической), ионно-циклотронного резонанса относятся к приборам среднего или высокого разрешения. Типичным разрешением для магнитного спектрометра является величина, превышающая 60000, а работа на уровне разрешения 10000 – 20000 является рутинной. На масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса при анализе образца с массой около 500 а.е.м. можно легко достичь разрешения 500000, что позволяет проводить измерения масс ионов с точностью до четвертого – пятого знака после запятой. Разрешения в несколько тысяч можно добиться при использовании времяпролетных масс-анализаторов; однако, исследуя образцы с большой молекулярной массой, для которых этот тип приборов имеет преимущество перед другими анализаторами, этого разрешения хватает лишь для того, чтобы измерить массу иона с точностью ± десятки а.е.м.

Разрешение масс-анализатора тесно связано с другой важной характеристикой — точностью измерения массы иона. Например, массы молекулярных ионов азота (N 2 +) и углерода монооксида (СО +) составляют 28,00615 и 27,99491 а.е.м. соответственно, оба иона характеризуются массовым числом 28. Эти ионы будут регистрироваться масс-спектрометром порознь при разрешении 2500, а измеренное точное значение массы покажет, какой из этих газов регистрируется. Измерение точной массы доступно на приборах с двойной фокусировкой, на времяпролетных масс-спектрометрах (в низкомолекулярном диапазоне) и на масс-спектрометрах ионно-циклотронного резонанса.

Динамический диапазон

Динамический диапазон — соотношение максимального и минимального детектируемых сигналов. При анализе смеси, содержащей 99,99 % одного соединения или какого-либо элемента и 0,01 % какой-либо примеси, диапазон линейности должен быть четвертого порядка. Масс-спектрометры для анализа органических соединений характеризуются динамическим диапазоном в 5 – 6 порядков, а масс-спектрометры для элементного анализа – 9 – 12 порядков.

Чувствительность

Чувствительность является одной из важнейших характеристик аналитических приборов. Обычно рассматривают связанный с чувствительностью параметр – минимальное определяемое количество вещества или порог обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хорошего хроматомасс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1∙10 -12 г при вводе 1 микролитра раствора.

Пределы обнаружения неорганических веществ методом ICP/MS (ИСП/МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой) составляют 1∙10 -15 (одна доля на квадриллион).

Область применения метода

Установление подлинности лекарственных веществ

Фрагментированный масс-спектр является «отпечатком пальцев» химического строения. Поэтому идентичность масс-спектров однозначно свидетельствует об идентичности молекул, особенно в сочетании с использованием библиотек масс-спектров и хроматографических данных. Масс-спектр высокого разрешения позволяет определять атомный состав молекулы (брутто-формулу) по точной массе.

Количественное определение фармацевтических субстанций и примесей в лекарственных формах

Количественный анализ проводится с использованием стандартных образцов в комбинации с традиционными хроматографическими методиками, причем не требуется точного воспроизведения условий хроматографирования, поскольку пик на хроматограмме идентифицируют по масс-спектру, а интегрирование по площадям пиков избранных ионов или пиков избранных реакций образования конкретного иона, как правило, позволяет количественно определять компонент при неполном разделении пиков на хроматограмме.

Идентификация примесей и установление неизвестной структуры

Масс-спектр позволяет определить молекулярную массу соединения по молекулярному иону, а во многих случаях выяснить, из каких фрагментов состоит молекула, что в сочетании с применением библиотек спектров и данными спектроскопии ЯМР дает возможность однозначно установить химическую структуру.

Количественное определение следовых количеств веществ в фармакокинетике и метаболомике

Избирательность в режимах SIM (мониторинг избранных ионов) и SRM (мониторинг избранных реакций) наряду с очень высокой чувствительностью позволяет использовать комбинацию ВЭЖХ и масс-спектрометрию для определения анализируемых веществ на фоне таких сложных многокомпонентных смесей, как биологические жидкости или растительные экстракты.

Количественное определение более 70 элементов с пределами измерения от 10 до 0,1 ррt ( parts per trillion ) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

Оборудование

Масс-спектрометр состоит из следующих блоков, имеющих несколько разновидностей: системы ввода образца, ионного источника, масс-анализатора, детектора и системы обработки данных.

Система ввода образца

Первой стадией анализа является ввод образца испытуемого вещества в прибор без существенного нарушения вакуума.

Наиболее применимы системы ввода, позволяющие анализировать компоненты смеси, разделяемые при помощи соответствующего прибора, соединенного с масс-спектрометром.

Газовая хроматография/масс-спектрометрия (ГХ/МС) ( GC / MS ).

При использовании подходящих капиллярных колонок возможно непосредственное введение конца колонки в ионный источник прибора без применения сепаратора.

Применяется для анализа химических соединений, имеющих температуру кипения примерно до 400 ºС.

Жидкостная хроматография/масс-спектрометрия (ЖХ/МС) (LC/MS) .

Такая комбинация приборов особенно эффективна при анализе нелетучих полярных соединений либо термолабильных веществ. В связи с трудностью получения ионов в газовой фазе при данном методе требуется применение специальных интерфейсов: электроспрей (ESI), термоспрей (TSI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI), фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) и др., которые представляют собой самостоятельные методы ионизации и будут рассмотрены ниже.

Сверхкритическая флюидная хроматография/масс-спектрометрия

Этот метод ввода образца заключается в том, что подвижная фаза, обычно состоящая из находящегося в сверхкритическом состоянии углерода диоксида, переходит в газообразное состояние после прохождения через нагретую заслонку, находящуюся между колонкой и ионным источником.

Капиллярный электрофорез/масс-спектрометрия ( CE / MS )

Элюент вводится в ионный источник, в некоторых случаях после добавления дополнительного растворителя, при этом скорость потока может достигать нескольких миллилитров в минуту. Ограничениями данного метода являются малые количества вводимого образца и необходимость использовать летучие буферные растворы.

Устройства для прямого ввода образца

Образец вводится в прибор через вакуумный шлюз при помощи клапана, штанги, транспортера или автосамплера, испаряется термически или в процессе десорбции с поверхности непосредственно в ионном источнике. При таком способе ввода необходимо использовать чистые образцы или иметь в виду, что полученный масс-спектр может представлять собой спектр смеси нескольких соединений.

Ионный источник

Электронная ионизация ( EI )

Образец испытуемого вещества, находящийся в газообразном состоянии, ионизируют потоком электронов, энергия которых (обычно 70 эВ) больше энергии ионизации образца. При этом, кроме молекулярного иона М + , образуются осколочные ионы меньшей массы, характерные для данной молекулярной структуры. Главным ограничением данного способа является необходимость испарения образца, что делает невозможным исследование полярных, термолабильных или высокомолекулярных соединений. Электронная ионизация может быть использована в газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией и лишь в отдельных случаях – в жидкостной хроматографии.

Химическая ионизация ( CI )

При этом способе ионизации используется газ-реагент (метан, изобутан, аммиак, азота монооксид, азота диоксид или кислород). В спектре присутствуют ионы типа (М+Н) + , (М–Н) — , а также ионные комплексы, образованные аналитом с используемым газом-реагентом. Фрагментация при химической ионизации проявляется в меньшей степени, чем при ионизации электронным ударом.

Для термолабильных веществ используют разновидность данного метода ионизации, при которой образец, нанесенный на проволоку, очень быстро испаряется вследствие эффекта Джоуля – Томсона (десорбционная химическая ионизация).

Бомбардировка быстрыми атомами ( FAB ) или ионизация бомбардировкой быстрыми ионами (вторично-ионная масс-спектрометрия – SIMS).

Образец, растворенный в вязкой матрице (глицерин или м -нитробензиловый спирт), наносят на металлическую поверхность, ионизируют потоком нейтральных атомов (аргон или ксенон) или обладающими большой кинетической энергией ионами цезия. Наблюдаются ионы (М+Н) + и (М–Н) — типов или ионные комплексы, образованные средой (матрицей) и образцом. Данный тип ионизации хорошо подходит для полярных, термолабильных соединений, позволяя получать спектры молекул с массой до 10000 Да. Важно, чтобы образец был равномерно распределен в матрице, в противном случае качество спектра сильно ухудшается, а попытки количественного анализа смесей приводят к непредсказуемым результатам. Известен проточный вариант FAB, который может быть использован для жидкостной хроматографии, однако скорость потока подвижной фазы должна быть очень низкой (менее 10 мкл/мин).

Полевая десорбция и полевая ионизация

Образец испаряют около вольфрамового проволочного эмиттера, покрытого микроиглами (полевая ионизация) или помещают на эту проволоку (полевая десорбция).

Электрическое поле (напряжение около 10 кВ), образуемое эмиттером, ионизирует образец. Энергия, переносимая при данных способах ионизации, составляет всего доли эВ, т.е. избыточная энергия молекулярного иона значительно ниже, чем при других способах ионизации. Кроме того, другие электроны ионизирующейся молекулы не возбуждаются, и М+ оказывается в основном (невозбужденном) электронном состоянии, и спектр зачастую представляет собой единственный пик, принадлежащий молекулярному иону.

Матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI)

Образец, смешанный с соответствующей средой (матрицей) и помещенный на металлическую подложку, ионизируют короткими лазерными импульсами с длиной волны от УФ- до ИК-диапазона (продолжительность импульсов может составлять от пикосекунды до нескольких наносекунд). В качестве матрицы обычно используются УФ-поглощающие органические соединения (2,5-дигидроксибензойная, синаповая кислоты, 2,6-дигидроксиацетофенон и др.). Данный способ ионизации применяется, главным образом, при анализе соединений с очень большой молекулярной массой (более 100000 Да).

Индуктивно связанная плазма ( ICP )

Образец, растворенный в сильной минеральной кислоте (азотная кислота, хлористоводородная кислота, плавиковая кислота, царская водка и т.д.), подается в зону горения аргоновой плазмы, где при температуре в несколько тысяч градусов происходит распад образца на атомы с ионизацией. Метод применяется для определения более 70 элементов. Ввиду наличия молекулярных интерференций оптимально использовать приборы высокого разрешения или комбинированные масс-анализаторы с камерой соударений. Изотопные интерференции, как правило, могут быть разрешены математическими методами.

Электроспрей (электрораспыление) ( ESI )

Образец, находящийся в растворе, вводится в источник через капилляр, на конце которого имеется потенциал порядка 5 кВ. На выходе из капилляра образуется аэрозоль из заряженных капель с высоким поверхностным зарядом. Испарение молекул растворителя из образующихся микрокапель приводит к образованию в газовой фазе однозарядных (М+Н) + , (М–Н) — или многозарядных ионов (М+nН) + n , (М–nН) — n . Скорость потока подвижной фазы при данном виде ионизации может меняться от нескольких нл/мин до 1 – 2 мл/мин. Такой способ ионизации применяют для полярных соединений. Использование электроспрея особенно эффективно для установления структуры полипептидов, белков и нуклеиновых кислот с молекулярными массами до 1000000 Да и выше. Очень хорошо электроспрей сочетается с жидкостной хроматографией и капиллярным электрофорезом.

Химическая ионизация при атмосферном давлении ( APCI )

Ионизацию образца проводят при атмосферном давлении в зоне коронного разряда, помещенной на пути подвижной фазы, которая распыляется как вследствие тепловых эффектов, так и благодаря использованию потока азота. Образуются однозарядные ионы (М+Н) + или (М–Н) — . Метод хорошо зарекомендовал себя для анализа сравнительно небольших полярных и неполярных молекул с массой менее 1200 Да. Возможность использования высоких скоростей потока подвижной фазы (до 2 мл/мин) делает этот способ ионизации идеальным для сочетания с жидкостной хроматографией.

Фотоионизация при атмосферном давлении ( APPI )

В ионном источнике APPI используют криптоновую лампу, которая излучает фотоны с энергией 10,0 и 10,6 эВ. Эти фотонные энергии достаточны для ионизации большинства анализируемых соединений, в то время как для ионизации типичных растворителей (вода, метанол, ацетонитрил и т.д.) для обращенно-фазовой жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием необходимо излучение с большей энергией. Использование низкоэнергетичных фотонов в качестве источника ионизации приводит к получению масс-спектров, свободных от «химического шума», а также гарантирует минимальную фрагментацию ионов, позволяя идентифицировать протонированные ионы или радикальные катионы.

Кроме перечисленных разновидностей ионных источников существует целый ряд менее распространенных способов ионизации, таких как термоспрей, плазменная десорбция, лазерная абляция и др.

Масс-спектрометрия DART

Масс-спектрометрия DART (Direct Analysis in Real Time) – быстрый метод получения спектров низкомолекулярных соединений в режиме on-line непосредственно во время анализа, практически не требующий пробоподготовки. Метод позволяет проводить сверхбыструю идентификацию компонентов любых твердых или жидких объектов. Процедура анализа сводится к тому, что объект вносят пинцетом (в случае твердых образцов) или палочкой (в случае жидких объектов) в ионный источник DART, где происходит испарение вещества и его ионизация с последующей регистрацией ионов масс-спектрометром. При этом образуются очень простые спектры, обычно содержащие протонированные молекулярные ионы низкомолекулярных компонентов пробы. Метод масс-спектрометрии DART применим для отслеживания полноты протекания реакций органического синтеза новых лекарственных веществ, прямого анализа компонентов смесей, разделенных на пластинке ТСХ, с ее поверхности, обнаружение фальсификатов при анализе фармацевтических субстанций и лекарственных препаратов.

Масс-анализатор

Двойная фокусировка

Принцип действия всех масс-анализаторов основан на физических законах движения заряженных частиц, согласно которым траектория заряженных частиц в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны зависит от массы частиц. Именно в регистрирующем устройстве ионы распределяются по массам. Для увеличения разрешения на пути ионов устанавливают дополнительно электростатический анализатор. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение, что позволяет использовать их при исследовании органических соединений с высоким разрешением, при анализе изотопных соотношений, элементном анализе на предельной чувствительности.

Квадрупольный анализатор

Устройство анализатора указанного типа основано на принципе квадруполя, который представляет собой 4 стержня, на которые попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного электрического напряжения. Ионы, перемещающиеся параллельно осям этих стержней, попадают в гиперболическое поле. Возможность пропускания ионов зависит от соотношения m/z и напряжения радиочастотного поля. Изменяя напряжение поля сканируют все значения m/z в рабочем диапазоне прибора (обычно от 1 до 2000). Некоторые приборы сканируют до 4000 а.е.м.

Квадрупольные масс-спектрометры не требуют использования высоких напряжений порядка тысячи вольт, в отличие от магнитных масс-спектрометров. Это позволяет упростить конструкцию, поскольку для создания вакуума в приборе требуются меньшие размеры вакуумной камеры.

Времяпролетный анализатор (Time o f Flight, TOF)

В таких анализаторах ионы распределяются по массе в бесполевом пространстве, а не за счет закономерностей движения заряженных частиц в поле (магнитном или электростатическом). Ионы из источника разгоняются электрическим полем, приобретая достаточно большую кинетическую энергию, и попадают в бесполевое пространство. На входе в это пространство все ионы имеют одинаковую кинетическую энергию и, в соответствии с формулой E = mv 2 /2, будут двигаться с разными скоростями. В зависимости от массы ионы в разное время достигнут детектора. Регистрация ионов и измерение времени при попадании в детектор позволяет рассчитать их массу.

На основе времяпролетного масс-анализатора сконструированы очень быстрые (и чувствительные) масс-спектрометры.

Времяпролетный масс-анализатор, в отличие квадрупольного анализатора, позволяет регистрировать широкий диапазон масс и измерять массы очень больших молекул, а наиболее подходящим способом ионизации оказался описанный выше метод MALDI (ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы).

Времяпролетные масс-анализаторы используют, в основном, благодаря их простоте, быстродействию и относительно невысокой стоимости.

Квадрупольная ионная ловушка

Развитие квадрупольных анализаторов привело к созданию «ионной ловушки».

В квадрупольной ионной ловушке ионы фиксируются внутри квадруполя за счет запирающих потенциалов на входном и выходном концах ловушки. Затем при наложении изменяемой резонансной радиочастоты ионы выводятся из ловушки в соответствии с величиной m/z и регистрируются электронным умножителем. Такой механизм позволяет значительно увеличить популяцию захваченных ловушкой ионов, что ведет к расширению динамического диапазона и к улучшению чувствительности.

Ионная ловушка позволяет удерживать ионы, которые необходимы для установления строения, не акцентируясь на остальных фрагментах молекулы, при этом процесс фрагментации можно повторять многократно, до 10 – 15 раз (общепринятое обозначение MS n).

Ионно-циклотронный резонанс

Ионы, подвергнутые действию сильного магнитного поля, движутся по круговым траекториям с частотами, которые могут быть непосредственно связаны с величинами m/z для этих ионов посредством Фурье-преобразования. Анализаторы такого типа обладают очень высокой разрешающей способностью (до 1000000 и выше), а также позволяют получать МС n спектры.

Недостатком масс-анализаторов на основе ионно-циклотронного резонанса является необходимость использования очень низкого давления (порядка 10 -7 Па) и применение сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре жидкого гелия 4,2 К.

Орбитальная ловушка ионов

В орбитальной ловушке ионов (Orbitrap) не используют магнитные поля (масс-спектрометр с двойной фокусировкой или ионно-циклотронного резонанса) или радиочастоты (квадрупольные ионные ловушки). Принцип работы масс-анализаторов этого типа основан на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов, которая использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы.

По аналогии с масс-анализаторами на основе ионно-циклотронного резонанса в спектрометре с орбитальной ионной ловушкой ион детектируют по наведенному значению тока на внешних электродах; частоты, соответствующие различным m/z , выделяют с помощью алгоритма Фурье-преобразования, а затем конвертируют в масс-спектр.

Орбитальная ловушка характеризуется также большей емкостью ионов. Большая емкость пространственного заряда по сравнению с ионно-циклотронной и квадрупольной ловушками позволяет достичь большей точности измерения массы (разрешение порядка 100000 на полувысоте пика), более широкого динамического диапазона и диапазона отношений величин m/z .

Обнаружение сигнала и обработка данных

Ионы, разделенные анализатором, преобразуются в электрические сигналы детектирующими системами, в частности, электронным умножителем, фотоумножителем или цилиндром Фарадея. Контроль различных физических параметров, требуемых для согласованной работы всех систем прибора, обработка данных, включая калибровку, визуализацию спектров, автоматические количественные расчеты, архивирование данных, создание и использование библиотек масс-спектров, осуществляются компьютером с соответствующим программным обеспечением.

Регистрация спектров

Различают три основных способа регистрации спектров: по полному ионному току (TIC); мониторинг избранного иона (SIM) или нескольких ионов (MIM); селективная регистрация избранных реакций распада иона (SRM) или нескольких ионов (MRM).

Регистрация по полному ионному току и по диссоциации, инициированной соударением, позволяют получать масс-спектры, однозначно связанные со строением конкретной молекулы.

На основе полученных таким образом спектров созданы библиотеки (базы данных), позволяющие определять структуру молекулы по эталонным спектрам.

Селективная регистрация ионов позволяет определять малые концентрации аналита на фоне сложной матрицы, а также приводит к огромному выигрышу в чувствительности: время, которое тратится на запись полного масс-спектра, при селективной регистрации используется для записи только одного или нескольких ионов.

Регистрация избранных реакций является еще более избирательным методом определения искомого соединения в сложной смеси.

МАСС-СПЕКТРОМЕТР - прибор для разделения ио-низов. частиц (атомов, молекул, кластерных образований) по их массам (точнее, по отношению массы иона m к его заряду е )путём воздействия магн. и электрич. полей, а также для определения их масс и относит, содержания, т. е. спектра масс. M.-с. включает: систему подготовки и ввода вещества в прибор (рис. 1);

Рис. 1. Блок-схема масс-спектрометра (пунктиром обведена вакуумированная часть прибора).

источник ионов, где это вещество частично ионизуется и осуществляется формирование ионного пучка; масс-анализатор, в к-ром происходят разделение ионов по величинеи фокусировка ионов, вылетевших в разных направлениях в небольшом телесном угле; приёмник ионов (коллектор), где ионный ток измеряется или преобразуется в электрич. сигнал, к-рый далее усиливается и регистрируется выходным устройством. В регистрирующее устройство помимо информации о кол-ве ионов (ионный ток) поступает информация о массе ионов. M.-с. содержит также питающие и измерит, устройства, а также вакуумную систему, создающую, поддерживающую и контролирующую достаточно глубокий вакуум (10 -3 -10 -7 Па) в источнике ионов, камере масс-анализатора и приёмнике ионов. ЭВМ контролирует режим работы всего прибора, а также осуществляет сбор и обработку получаемых данных.

Основные параметры. Регистрируемый с помощью M.-с. масс-спектр представляет собой зависимость ионного тока / от массы т (точнее, от. Напр., в масс-спектре Hg каждый из пиков ионного тока соответствует однозарядным ионам изотопов ртути (рис. 2). Высота пика пропорциональна содержанию данного изотопа. Отношение массы иона к ширине пика (в а. е. м.) наз. разрешающей способностью (R )M.-с.: T. к. на разных уровнях интенсивности ионного тока различна, то Л также различна. В приведённом примере в области изотопа на уровне 10% относительно вершины пика R = 940, на полувысоте R = 1600. Для полной характеристики разрешающей способности прибора необходимо знать форму ионного пика, к-рая зависит от MH. факторов. Иногда разрешающей способностью наз. значение той наиб, массы, при к-рой два пика, отличающихся по массе на единицу, разрешаются до заданного уровня. Для тех M.-с., у к-рых R не зависит от отношенияоба приведённых определения совпадают. Считается, что M.-с. с имеет низкую разрешающую способность, с - среднюю, с - высокую, с R ~ 10 5 - очень высокую.

Если вещество вводится в ионный источник в виде газа, то чувствительностью M.-с. наз. отношение тока, создаваемого ионами данной массы заданного вещества, к парциальному давлению этого вещества в источнике. Эта величина в M.-с. разных типов лежит в диапазоне 10 -4 -10 -1 А/Па. Относит, чувствительностью называют мин. содержание вещества в смеси веществ, к-рое ещё может быть обнаружено с помощью M.-с. Для разных M.-с. и разл. веществ она лежит в диапазоне 10 -3 -10 -7 %. За абс. чувствительность иногда принимают мин. кол-во вещества (в г), к-рое необходимо ввести в M.-с. для обнаружения этого вещества. Она также зависит от типа M.-с. и может достигать 10 -15 г.

Рис. 2. Масс-спектр Hg;- ширина пика на полувысоте, - на уровне 10% от максимальной интенсивности.

Наряду с разрешающей способностью и чувствительностью важными характеристиками M.-с. являются диапазон масс и быстродействие. Диапазон масс у приборов для анализа органич. веществ превышает 10 4 а. е. м. (см. Mасс-спектроскопия ).Быстродействие, под к-рым принято подразумевать мин. время, необходимое для регистрации масс-спектра в пределах т. н. декады а. е. м. (1 - 10, 10 - 100 и т. д.) без потери информации, составляет 0,1-0,5 с для статич. приборов и 10 -3 с для время-нродётных (динамических; см. ниже).

Система ввода вещества. Ионный источник. Образец вводится в M.-с. с помощью т. н. молекулярных или вязкостных натекателей, устройств шлюзования с последующим вводом твёрдого или жидкого образца в источник ионов, ячейку Кнудсена и т. д.

Масс-анализаторы. По типу анализаторов различают статич. и динамич. M.-с. В статич. масс-анализа-торах для разделения ионов используются электрич. и магн. поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время пролёта иона через прибор. Ионы с разл. значениями движутся в анализаторе по разл. траекториям (см. Электронная и ионная оптика ).

В масс-спектрографах, отличающихся от M.-с. фотогр. регистрацией масс-спектра, пучки ионов с разными фокусируются в разных местах фотопластинки, расположенной в фокальной плоскости прибора, образуя после проявления следы в виде полосок (выходное отверстие ионного источника обычно имеет форму прямоугольника - щели). В статич. масс-спектрометре пучок ионов с заданнымфокусируется на щель приёмника ионов. При плавном изменении магн. или электрич. поля в приёмную щель последовательно попадают пучки ионов с разными При непрерывной записи ионного тока получается график с ионными пиками масс-спектра (рис. 2); фотопластинка, используемая в масс-спектрографе, после проявления фотометрируется.

Рис. 3. Схема статического масс-спектрометра с однородным магнитным полем; S 1 , S 2 - щели ионного источника и приёмника ионов; треугольник - область однородного магнитного поля H, перпендикулярного плоскости рисунка; тонкие сплошные линии - границы пучков ионов с разнымиr - радиус центральной траектории ионов.

В статич. M.-с. с однородным магн. полем H (рис. 3) ионы, образованные в источнике, выходят нз щели шириной S 1 в виде расходящегося пучка, к-рый в магн. поле разделяется на пучки ионов с разными . Пучок ионов с массой фокусируется на щель шириной S 2 приёмника ионов. Величина определяется выражением

где- масса иона в а. е. м.; е - его в единицах элементарного электрич. заряда; r - радиус центр, траектории в см; V - ускоряющий потенциал в В; H - напряжённость магн. поля в Э. Развёртка масс-спектра производится изменением H или V . Первый метод предпочтительнее, т. к. в этом случае по ходу развёртки не изменяются условия "вытягивания" ионов из источника.

Разрешающая способность статич. M.-с. определяется из соотношения

где- ширина пучка в месте, где он попадает в щель приёмника S 2 . Если бы фокусировка ионов была идеальной, то в случае(рис. 3) si была бы в точности равна S 1 . В действительностичто уменьшает разрешающую способность M.-с. Одна из причин уширения пучка - неизбежный разброс по кинетич. энергии у ионов, вылетающих из источника. Др. причины - рассеяние ионов из-за столкновений с молекулами остаточного газа, а также эл--статич. "расталкивание" ионов в пучке. Для ослабления влияния этих факторов применяют т. н. наклонное вхождение пучка в анализатор и криволинейные границы магн. поля. В нек-рых M.-с. используют неоднородные магн. поля, а также ионные призмы (см. Электронные призмы ).Для уменьшения рассеяния ионов стпемятся к созданию высокого (давлениеПа рт. ст.) на всём пути ионов от источника до коллектора. Для ослабления влияния разброса по энергии применяют M.-с. сдвойно и фокусировкой, в к-рых в щель.S 2 фокусируются ионы с одинаковыми вылетающие не только по разным направлениям, но и с разными энергиями. Для этого ионный пучок пропускают через магнитное и отклоняющее электрич. поля спец. формы (рис. 4).

Рис. 4. Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели источника ионов, проходит через электрическое поле E цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле Н , отклоняющее ионы ещё на 60°, и фокусируется в щель коллектора.

В динамич. масс-анализаторах для разделения ионов с разнымииспользуют, как правило, разные времена пролёта определ. расстояния, а также воздействие на ионы импульсных или радиочастотных электрич. полей с периодом, меньшим или равным времени пролёта ионов через анализатор. Наиб, применение нашли время-пролётные, радиочастотные, квадрупольные, магниторезонансиые M.-с. и M.-с. ионно-циклотрон-ного .

Во время-пролётном M.-с. (рис. 5) ионы, образованные в источнике, коротким электрич. импульсом "впрыскиваются" в виде ионного пакета через сетку 1 в анализатор 2 , представляющий собой эквипотенциальное пространство. В процессе дрейфа к коллектору 3 исходный пакет "расслаивается" на неск. пакетов, каждый из к-рых состоит из ионов с одинаковыми Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергии всех ионов одинаковы, а их скорости и, следовательно, времена пролёта t через анализатор длиной L обратно пропорциональны

Последовательность ионных пакетов, приходящих на коллектор, образует масс-спектр, к-рый регистрируется. Разрешающая способность R с таким анализатором пропорциональна L и невелика

Рис. 5. Схема время-пролётного масс-спектрометра. Пакет ионов с массами m 1 и m 2 (чёрные и белые кружки) движется в дрейфовом пространстве анализатора так, что тяжёлые ионы (m 1) отстают от лёгких.

Вариантом время-пролётного анализатора является т. н. масс-рефлектрон, позволяющий существенно увеличить разрешающую способность за счёт применения эл--статич. зеркала 3 (рис. 6). Ионы в пакете обладают тепловым распределением по энергии, соответствующим темп-ре исходного газа. Это приводит к уширению пиков на коллекторе. Эл--статич. зеркало 3 масс-рефлектрона компенсирует это уширение, увеличивая в каждом пакете время прихода на коллектор более медленных ионов и уменьшая- более быстрых. При тех же длинах дрейфа разрешающая способность (R )масс-рефлектрона в неск. раз лучше R обычного время-пролётного M.-с.

Рис. 7. Схема радиочастотного масс-анализатора. Ионы с определённой скоростью и, следовательно, определённой массой, ускоряясь внутри каскада ВЧ-полем, получают прирост кинетической энергии, достаточный для преодоления тормозящего поля и попадания на коллектор.

В радиочастотном масс-анализаторе (рис. 7) ионы приобретают в ионном источнике энергию eV и проходят через систему последовательно расположенных сеточных каскадов. Каждый каскад представляет собой три плоскопараллельныо сетки 1, 2, 3 , расположенные на равном расстоянии друг от друга. К ср. сетке относительно двух крайних приложено электрич. ВЧ-поле U ВЧ. При фиксированных частоте этого поля и энергии ионов eV только ионы с определённым имеют такую скорость v , что, двигаясь между сетками 1 и 2 в полупериоде, когда поле между ними ускоряет ионы, они пересекают сетку 2 в момент смены знака поля и проходят между сетками 2 и 3 также в ускоряющем поле. T. о., они получают макс, прирост энергии и попадают на коллектор. Ионы др. масс, проходя эти каскады, либо тормозятся полем, т. е. теряют энергию, либо получают недостаточный прирост энергии и отбрасываются в конце пути от коллектора высоким тормозящим полом U 3 . В результате на коллектор попадают только ионы с определ. значением Масса таких ионов определяется из соотношения

где a - постоянная прибора, s - расстояние между сетками.

Перестройка анализатора на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением либо нач. энергии ионов (V) , либо частоты w поля.

В квадрупольном масс-анализаторе (рис. 8) разделение ионов осуществляется в попе-

Рис. 8. Схема квадрупольного масс-анализатора.

речном электрич. поле с гишерболич. распределением потенциала. Поле создаётся квадрупольным конденсатором, между парами стержней к-рого приложены постоянное и ВЧ-напряжения. Пучок ионов вводится в вакуумную камеру анализатора вдоль оси квадру-нольного конденсатора через отверстие 1. При фикси-ров. значениях частоты и амплитудыперем. только у ионов с определ. значением амплитуда в направлении, поперечном оси анализатора, не превышает расстояния между стержнями. Такие ионы за счёт нач. скорости проходят через анализатор и, выходя из него через отверстие 2 , регистрируются, попадая на коллектор ионов. Сквозь квадруполь проходят ионы, масса к-рых удовлетворяет условию

где а - постоянная прибора. Амплитуда колебаний ионов др. масс нарастает по мере их движения в анализаторе так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Перестройка на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением амплитуды или частотыперем. напряжения. Разрешающая способность квадрупольных M.-с.

Рис. 9. Трёхмерная квадруполь-ная ионная ловушка: 1 - гиперболический электрод с отверстием для ввода ионизирующих электронов е; 2 - гиперболический электрод с сеткой; 3 - кольцевой гиперболический

электрод; 4 - коллектор ионов.

Вариантом квадрупольного анализатора служит т. н. трёхмерная квадрупольная л о в у ш-к а (рис. 9), представляющая собой два гиперболоида вращения, ограниченных по бокам кольцевым электродом 3 , также с гиперболич. сечением внутр. поверхности. Электроды 1 и 2 заземлены, на электрод 3 подаётся ВЧ-напряжение. В электроде 1 имеется отверстие для ввода ионизирующих электронов; электрод 2 выполнен в виде сетки, за к-рой расположен коллектор 4 . Ионы образуются внутри ловушки электронным ударом (импульсно включается ). После импульса прикладывается ВЧ-напряжение, изменением амплитуды к-рого осуществляют развёртку масс-спектра. Из-за ловушки ионы попадают как на верхний, так и на нижний электроды. В приведённой на рис. 9 конструкции регистрируется V 2 сигнала.

Трёхмерная ловушка объединяет в себе ионизатор и анализатор.

Рис. 10. Магниторезонансный масс-анализатор (магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка).

В магниторезонансном масс-анализаторе (рис. 10) используется постоянство времени облёта ионами массы m круговой траектории. Из ионного источника 1 близкие по массе ионы (область траекторий к-рых заштрихована), двигаясь в однородном магн. поле, попадают в модулятор 2 , где формируется тонкий пакет ионов, к-рые за счёт полученного в модуляторе ускорения начинают двигаться по окружности большего радиуса. Разделение по массам осуществляется в результате ускорения "резонансных" ионов, частота к-рыхравна частотеполя модулятора или (п - целое число). Такие

ионы в течение неск. оборотов ускоряются модулятором и, двигаясь по окружностям всё большего радиуса, попадают на коллектор 3 . Масса регистрируемого иона обратно пропорциональна Разрешающая способ-

ность

В M.-с. ионно-циклотронного резонанса (рис. 11) происходит резонансное поглощение ионами эл--магн. энергии при совпадении циклотронной частоты ионов с частотой перем. электрич. поля в анализаторе. Это позволяет идентифицировать ионы с данной величинойпо резонансному поглощению. Ионы движутся в однородном магн. поле H по спирали с циклотронной частотой орбитального движенияи попадают на коллектор.

Рис. 11 . Масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса.

Для улучшения характеристик применяют сверхпроводящие соленоиды, в к-рых поглощающая ячейка с источником ионов и коллектором находится в магн. поле напряжённостью до 10 5 Э. Разрешающая способность

Приисследованиях, в к-рых требуется сочетание-высокой разрешающей способности с большой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых масс и воспроизводимостью результатов измерений, применяют статич. масс-анализаторы. Динамич. M.-с. используются в след, случаях: время-пролётные - для регистрации процессов длительностью от 10 2 до 10 -3 с; радиочастотные (малые масса, размеры и потребляемая мощность) - в космич. исследованиях; квадру-польные (высокая чувствительность) - при работе с молекулярными пучками; магниторезонансные - для измерения очень больших изотопных отношений; M.-с. ионно-циклотронного резонанса - для изучения ион-

но-молекулярных реакций (подробнее см. в ст. Mace-спектроскопия ).

Регистрация ионных токов . Величины ионных токов 1 , создаваемых в M.-с., определяют требования к их усилению и регистрации. При ионизации электронным ударом (при энергии электронов 40-100 эВ и ширине щели источника Si в неск. десятков мкм) А. Чувствительность применяемых в M.-с. усилителейА при постоянной вре-

мени от 0,1 до 10 с. Дальнейшее повышение чувствительности или быстродействия M.-с. достигается применением вторично-электронных умножителей, повышающих чувствительность до А, а также систем, позволяющих регистрировать отд. ионы (см. Вторичная электронная эмиссия) .

Такая же чувствительность достигается в масс-спектрографах за счёт длит, экспозиции. Однако из-за малой точности измерения ионных токов и громоздкости устройств введения фотопластинок в вакуумную камеру анализатора фоторегистрация уступает место координатным детекторам частиц, особенно в тех случаях, когда необходимо одновременно регистрировать большой участок масс-спектра (из-за нестабильности источника ионов, напр, при элементном хим. анализе в случае ионизации вакуумной искрой).

Лит.: Mace-спектрометрический метод определения следов, пер. с англ., M., 1975; Сысоев А. А., Чупахин M. С., Введение в масс-спектрометрию, M., 1977; Кинетическая масс-спектрометрия и её аналитические применения. Сб. ст., под ред. В. Л. Тальрозе, M., 1979; Полякова А. А., Молекулярный масс-спектральный анализ органических соединений, M., 1983; Mace-спектрометрия и химическая кинетика. Сб. ст., под ред. В. Л. Тальрозе, M., 1985; Кельман В. M., Pодникова И. M., Секунова Л. M., Статические масс-спектрометры, А--А., 1985; Brunnee C., The ideal mass analyser: fact or fiction?, "Int. J. of Mass Spectrom. and Ion Processes", 1987, v. 76, № 2, p. 125. В. Л. Талърозе .

Что происходит с образцами крови, которую вы сдаете на клинический анализ? Сколько весит ваш гемоглобин? Каким образом ученые вообще взвешивают молекулы - мельчайшие частицы вещества, которые невозможно увидеть или потрогать? Обо всем этом в рамках рубрики «Просто о сложном» T&P рассказала студентка 5-го курса кафедры химической физики ФМХФ, сотрудница лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ Екатерина Жданова.

Очень часто методы исследований интересуют лишь специалистов в конкретных областях и остаются в тени более фундаментальных проблем, например происхождения жизни или принципов работы человеческого сознания. Тем не менее для поиска ответа на «главный вопрос жизни, Вселенной и всего остального» сначала необходимо научиться отвечать на вопросы более простые. Например, как взвесить молекулу? 

Обычные весы тут вряд ли помогут: масса молекулы метана - около 10^(-23) грамм. Молекула гемоглобина, крупного и сложного белка, весит в несколько раз больше - 10^(-20) грамм. Ясно, что необходим какой-то иной подход к проблеме, ведь привычные нам измерительные приборы к ней не применимы. Надо также понимать, что, взвешивая в магазине яблоки или становясь на весы после тренировок, мы на самом деле измеряем силу, действующую на прибор - весы. Затем уже происходит пересчет в привычные нам единицы - граммы и килограммы.


Но как же взвесить молекулу? Здесь природа оставила нам лазейку. Оказывается, заряженные частицы «чувствуют» присутствие электрического и магнитного поля и изменяют траекторию и характер своего движения. На заряженные частицы также действуют силы, величину которых можно пересчитать в отношении массы к заряду.
Этот метод сегодня довольно популярен и называется масс-спектрометрия. Первооткрывателем масс-спектрометрии считается сэр Дж. Дж. Томсон, нобелевский лауреат по физике. Он обратил внимание на то, что заряженные частицы движутся в магнитном поле по параболическим траекториям, пропорциональным отношению их массы к заряду.

Схема работы масс-спектрометра состоит из нескольких этапов. Прежде всего анализируемое вещество должно пройти ионизацию. Затем оно попадает в систему ионного транспорта, которая должна доставить заряженные частицы в масс-анализатор. В масс-анализаторе как раз происходит разделение ионов в зависимости от отношения массы к заряду. В завершение ионы попадают на детектор, данные с которого анализируются с помощью специального программного обеспечения. Полученная таким образом картинка представляет собой спектр, то есть распределение частиц. Одна из осей этого графика - отношения массы к заряду, вторая - интенсивность. Каждый из пиков на таком графике будет характерным для ионов конкретного вещества, поэтому попадание в прибор посторонних веществ, например воздуха, может привести к искажениям результатов. Чтобы избежать этого, применяется вакуумная система.

Сравнительно простая физическая концепция данного метода требует ряда нетривиальных инженерных решений. Как ионизировать молекулы? Каким способом создавать электромагнитное поле? 
Атомы и молекулы электрически нейтральны, поэтому для проведения масс-спектрометрических измерений необходимо их ионизировать, то есть оторвать электроны с внешних атомных орбиталей или добавить протон. Важную роль играет тип образца, с которым предстоит работать. Для исследования неорганических веществ - металлов, сплавов, горных пород - необходимо использовать одни методы, для органических веществ подходят другие. Очень многие органические вещества (такие как ДНК или полимеры) сложно испарить, то есть перевести в газ, без разложения, а это значит, что исследования живой ткани или биологических образцов требуют применения специальных методов. Кроме того, при ионизации молекулы могут распадаться на отдельные фрагменты. Так мы снова встаем перед вопросом: что именно мы собираемся измерить? Массу всей молекулы или массу фрагментов? И то и другое важно. Более того, измерив массу целой молекулы, исследователи часто специально дробят ее на куски. Так, определив массу структурных элементов белка, мы вместе с тем определяем и их количество, что позволяет нам делать выводы о его химическом составе и структуре.

Все это говорит о разнообразии существующих масс-спектрометров, каждый из которых применяется для решения задач в конкретной области. Этот метод практически незаменим в тех случаях, когда ученым необходимо определить химический состав вещества. Фармацевты применяют масс-спектрометрические эксперименты при разработке лекарств, исследованиях фармакокинетики (то есть биохимических процессов, происходящих в организме при принятии лекарства) и метаболизма. Ученые-биологи используют масс-спектрометрию для анализа белков, пептидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, если мы хотим проверить качество воды или продуктов питания, то нам снова не обойтись без этого метода.

Отдельная инновационная область применения масс-спектрометрии - медицинская диагностика. К развитию множества заболеваний приводят структурные изменения белков нашего организма: обычно они классифицируются по образованию характерного кусочка, пептида-маркера. Если вовремя определить такую мутацию, то появляется возможность лечить болезнь на ранней стадии. Кроме того, благодаря современным масс-спектрометрам становится возможным проводить исследования такого рода в режиме реального времени - например, в ходе нейрохирургической операции. Это позволяет точно определять границы между здоровой тканью и опухолью, что критически важно для хирургов.

Кажущаяся на первый взгляд сухой и узкопрофильной, масс-спектрометрия при внимательном ознакомлении оказывается удивительно богатой областью, объединяющей широкий класс приложений с необычными инженерными решениями. Наука показывает, что ответы на менее фундаментальные вопросы порой не менее интересны.