Принципы масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия — аналитический метод, основанный на измерении
соотношения массы и заряда ионов. Основная цель метода — определение
молекулярной массы вещества, его изотопного состава, структурных
особенностей и идентификация соединений. В основе метода лежит три
этапа: ионизация молекул, разделение ионов по массовому отношению,
детектирование и регистрация спектра.
Ионизация молекул
Процесс ионизации является ключевым, так как для
масс-спектрометрического анализа необходимо образование заряженных
частиц. Наиболее распространённые методы ионизации:
- Электронная ударная ионизация (EI) —
высокоэнергетические электроны выбивают электроны из молекул, формируя
положительные ионы. Характерна для малых и летучих органических
соединений.
- Химическая ионизация (CI) — мягкий метод, при
котором молекула взаимодействует с реагентным газом (CH₄, NH₃), что
позволяет снизить фрагментацию и получить молекулярный ион.
- Электроспрей (ESI) — образование ионов в растворе
под действием электрического поля; эффективен для полимеров и
биомолекул.
- Матрица-ассоциированная лазерная десорбция/ионизация
(MALDI) — мягкая ионизация крупных биомолекул, основанная на
абсорбции лазерного излучения матрицей.
Разделение ионов по массовому отношению (m/z)
После ионизации ионы направляются в масс-анализатор, где происходит
их разделение по отношению массы к заряду. Основные типы
масс-анализаторов:
- Секторный магнитный анализатор — ионы отклоняются в
магнитном поле, угол отклонения зависит от m/z. Высокая разрешающая
способность, стабильность измерений.
- Времени пролёта (TOF) — ионы ускоряются
электрическим полем, время пролёта до детектора зависит от m/z.
Позволяет анализировать высокомолекулярные соединения.
- Квадрупольный анализатор — четыре параллельных
электрода создают переменное электрическое поле, пропускающее только
ионы с определённым m/z.
- Ионная ловушка и орбитрап — ионы удерживаются
электрическим или магнитным полем, после чего сканируются. Отличаются
высокой чувствительностью и разрешающей способностью.
Детектирование и регистрация спектра
Детекторы регистрируют количество ионов и преобразуют его в
электрический сигнал, который формирует масс-спектр. Наиболее часто
применяются:
- Электронные умножители — усиление сигнала отдельных ионов.
- Фарадеевы чаши — накопление заряда и измерение тока.
- Фотопластинчатые детекторы — преобразование энергии ионов в видимый
след.
Интерпретация масс-спектров
Масс-спектр представляет собой график интенсивности ионов против их
m/z. Основные элементы анализа спектра:
- Молекулярный ион (M⁺) — ион, соответствующий полной
массе молекулы; определяет молекулярную массу вещества.
- Фрагментные ионы — образуются при разрыве
химических связей; позволяют реконструировать структуру молекулы.
- Изотопные пики — обусловлены присутствием изотопов
(например, ¹³C, ²H, ³⁷Cl), дают информацию о количестве атомов элементов
и структуре.
Применение масс-спектрометрии
- Определение молекулярной массы — точная
идентификация органических и неорганических соединений.
- Структурный анализ — фрагментация молекул позволяет
установить последовательность и расположение функциональных групп.
- Изотопный анализ — используется в геохимии и
биологии для отслеживания процессов и источников веществ.
- Применение в биомедицине — идентификация белков,
пептидов, нуклеиновых кислот, метаболитов.
- Контроль качества и криминалистика — определение
примесей, исследование следов веществ.
Ключевые преимущества метода
- Высокая чувствительность — обнаружение субпикомольных количеств
вещества.
- Высокая точность измерений массы и разрешающая способность для
сложных смесей.
- Универсальность — подходит для малых органических молекул и
высокомолекулярных биополимеров.
Масс-спектрометрия интегрируется с другими методами, такими как
хроматография, что позволяет проводить анализ сложных смесей и получать
полные структурные характеристики вещества.