Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия представляет собой аналитический метод, основанный на измерении соотношения массы и заряда ионов. Центральным элементом метода является способность преобразовывать молекулы исследуемого вещества в газовые ионы, разделять их в поле, зависящем от массы и заряда, и регистрировать интенсивность каждого вида ионов. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность и точность, что делает его незаменимым для изучения химических структур, кинетики реакций и анализа сложных смесей.

Молекулы исследуемого вещества, подвергающиеся ионизации, образуют молекулярные ионы, а также фрагментные ионы, характерные для структуры молекулы. Фрагментация является ключевым механизмом для установления структурных особенностей и выявления функциональных групп.

Методы ионизации

Существует несколько основных методов ионизации, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения:

1. Электронная ударная ионизация (EI) Электроны высокой энергии сталкиваются с молекулами, выбивая электроны и формируя положительные ионы. Метод обеспечивает высокую степень фрагментации, что полезно для структурного анализа, но ограничен термолабильными соединениями.

2. Химическая ионизация (CI) Мягкая ионизация с использованием реактивного газа (например, метана или аммиака), приводящая к образованию протонированных молекул. Минимизирует фрагментацию, что важно для определения молекулярной массы сложных органических соединений.

3. Матрица-ассоциированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) Применяется для биомолекул, белков и полимеров. Используется матрица, поглощающая лазерное излучение и передающая энергию молекулам анализируемого вещества, обеспечивая мягкую ионизацию с минимальной фрагментацией.

4. Электроспрей-ионная ионизация (ESI) Метод позволяет получать многозарядные ионы макромолекул из растворов. Широко применяется в протеомике и аналитике полимеров, обеспечивая прямое введение жидких проб.

Разделение ионов

После ионизации ионы направляются в масс-анализатор, где происходит их разделение по отношению массы к заряду (m/z). Основные типы масс-анализаторов:

• Магнитный сектор: ионы отклоняются в магнитном поле; точность высокая, но скорость анализа ограничена.
• Квадрупольный анализатор: стабилизирует движение ионов в электрическом поле, позволяя избирательно пропускать определённые m/z; высокоскоростной метод с умеренной точностью.
• Времени пролёта (TOF): ионы ускоряются одинаковым потенциалом и разделяются по времени пролёта; подходит для анализа широкого диапазона масс, включая биомолекулы.
• Ионная ловушка: ионы удерживаются электростатическим полем; обеспечивает возможность многократной фрагментации и анализа MS^n.

Интерпретация масс-спектров

Масс-спектр представляет собой график интенсивности ионов от их соотношения m/z. Основные аспекты анализа:

• Молекулярный ион (M^+) указывает на молекулярную массу вещества.
• Фрагментные ионы позволяют реконструировать структуру молекулы, выявить функциональные группы и типы связей.
• Изотопные паттерны дают информацию о присутствии элементов с характерными изотопными распределениями (например, Cl, Br).

Интенсивность пиков отражает относительное количество ионов и может быть использована для количественного анализа.

Применение в химии поверхности

Масс-спектрометрия широко используется для исследования химии поверхности материалов:

• Анализ адсорбированных молекул: позволяет определить состав поверхностных слоёв и молекулярные взаимодействия на границе раздела фаз.
• Идентификация функциональных групп на поверхности: фрагментация ионов поверхностных молекул помогает выявить химические модификации.
• Состав полимерных покрытий и тонких плёнок: методы MALDI и TOF обеспечивают анализ макромолекул без разрушения образца.
• Контроль чистоты поверхности и следовых элементов: чувствительность масс-спектрометрии позволяет обнаруживать следовые примеси на уровне ппм.

Качественный и количественный анализ

Масс-спектрометрия сочетает качественный и количественный анализ:

• Качественный: идентификация молекул по характерным фрагментным паттернам, изотопным соотношениям и молекулярным массам.
• Количественный: измерение интенсивности пиков и построение калибровочных кривых. Современные методы включают внутренние стандарты и изотопные метки для высокой точности определения концентраций.

Современные тенденции

Развитие масс-спектрометрии связано с повышением чувствительности, разрешения и интеграцией с другими аналитическими методами:

• MS/MS и MS^n: многоступенчатый анализ фрагментов для детального структурного исследования.
• Имaging-масс-спектрометрия: пространственное картирование химического состава поверхностей и тканей.
• Гибридные анализаторы: сочетание квадруполя, TOF и ионной ловушки для расширенного диапазона масс и улучшенного разрешения.

Масс-спектрометрия остаётся универсальным инструментом для химии поверхности, биохимии и материаловедения, обеспечивая точный, чувствительный и многофункциональный анализ сложных систем.