Масс-спектрометрия представляет собой высокочувствительный физико-химический метод анализа, основанный на измерении отношения массы иона к его заряду (m/z). Метод позволяет определять молекулярную массу, элементный состав и структурные особенности химических соединений, включая сложные природные вещества — алкалоиды, пептиды, липиды, поликетиды, терпеноиды и многие другие классы органических молекул.
Основой масс-спектрометрического анализа является превращение молекул анализируемого вещества в ионы, последующее разделение этих ионов в электрическом или магнитном поле в зависимости от их массы и заряда, а также детектирование интенсивности сигналов, соответствующих каждому иону. Получаемый график — масс-спектр — представляет собой распределение интенсивностей ионов по значению m/z, что позволяет интерпретировать структуру и состав анализируемого соединения.
Ионизация образца. На этом этапе молекулы вещества превращаются в заряженные частицы. В зависимости от природы соединения и задач анализа применяются различные методы ионизации:
Разделение ионов по массе. После ионизации смесь ионов направляется в анализатор масс, где они разделяются в зависимости от их отношения m/z. Тип анализатора определяет точность, разрешающую способность и скорость измерений. Основные типы анализаторов:
Детектирование и регистрация спектра. После разделения ионы регистрируются детектором (электронным умножителем, фотопластинкой или ионно-оптическим устройством), создающим сигнал, пропорциональный количеству ионов данного m/z. Полученные данные преобразуются в спектр, который затем интерпретируется.
Каждый пик в масс-спектре характеризует ион с определённым значением m/z. Основной пик (молекулярный ион) отражает массу исходной молекулы, тогда как фрагментные пики свидетельствуют о разрывах химических связей и позволяют реконструировать структуру соединения.
Изотопные пики отражают наличие атомов с различной массой, что используется для уточнения элементного состава. Например, изотопные отношения ¹³C/¹²C или ³⁷Cl/³⁵Cl позволяют отличать соединения с разным числом атомов углерода или галогенов.
Для сложных природных соединений, таких как вторичные метаболиты, характерно наличие многочисленных фрагментов, отражающих различные функциональные группы. Анализ закономерностей распада молекулы (фрагментация) позволяет восстановить её скелет и идентифицировать тип соединения — например, стероид, флавоноид или алкалоид.
Масс-спектрометрия часто используется в сочетании с другими методами разделения и анализа:
Такие гибридные методы позволяют проводить метаболомный анализ, выявляя сотни природных соединений в одной пробе. В экологии и биохимии масс-спектрометрия используется для изучения метаболических путей, биосинтеза природных веществ и взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой.
Масс-спектрометрия является одним из ключевых инструментов структурного анализа. На основе данных о массах ионов и их фрагментов возможно установить:
При использовании тандемной масс-спектрометрии (MS/MS) ионы, выделенные по определённому m/z, подвергаются дополнительной фрагментации, что позволяет уточнить строение отдельных участков молекулы.
Количественная масс-спектрометрия применяется для измерения концентраций природных соединений в смесях. Использование внутренних стандартов обеспечивает высокую точность и воспроизводимость измерений, что особенно важно при анализе биологических матриц и природных экстрактов.
Масс-спектрометрия занимает центральное место в исследовании химии природных соединений благодаря сочетанию высокой чувствительности, селективности и способности анализировать сложные смеси без необходимости выделения чистых компонентов. Метод позволяет идентифицировать новые биологически активные вещества, прослеживать их биосинтез и оценивать химическую изменчивость природных образцов.
Современные масс-спектрометры в сочетании с высокоэффективной хроматографией и спектроскопическими методами формируют основу комплексного структурного анализа, необходимого для открытия и изучения новых природных соединений в фармацевтике, биотехнологии и экологии.