Масс-анализаторы

Масс-анализаторы являются центральным элементом масс-спектрометрической системы, так как именно они обеспечивают разделение ионов по их отношению массы к заряду (m/z). Их конструкция и физические принципы работы определяют разрешающую способность, точность измерения и диапазон масс, доступных для анализа. Существует несколько основных типов масс-анализаторов, различающихся как по принципам действия, так и по области применения: магнитные секторные анализаторы, квадрупольные, ионные ловушки, времяпролётные, орбитрап-анализаторы и преобразователи типа Фурье (FT-ICR).

Магнитные секторные анализаторы

Принцип действия основан на отклонении траектории ионов в магнитном поле в зависимости от их импульса и отношения массы к заряду. Ионы, ускоренные электрическим полем, попадают в магнитное поле и движутся по дугообразной траектории. Радиус кривизны зависит от m/z, что позволяет разделять ионы. Особенности:

  • высокая точность измерений массы;
  • возможность работы в режиме двойного фокусирования (комбинация магнитного и электрического поля), что увеличивает разрешающую способность;
  • сложность и дороговизна конструкции, значительные габариты прибора;
  • высокая стабильность измерений, применяемая преимущественно в фундаментальных исследованиях и геохимии.

Квадрупольные анализаторы

Представляют собой систему из четырёх параллельных электродов, на которые подаётся комбинация постоянного и переменного напряжений. Только ионы с определённым диапазоном m/z сохраняют устойчивую траекторию и проходят через систему, остальные сталкиваются со стенками электродов. Особенности:

  • компактность и надёжность;
  • быстрое сканирование масс-спектра;
  • сравнительно невысокая разрешающая способность по сравнению с секторными системами;
  • широкое применение в рутинных анализах, хромато-масс-спектрометрии и мониторинге органических загрязнителей.

Ионные ловушки

Ионная ловушка (например, трёхмерная квадрупольная ловушка) удерживает ионы внутри электрического поля. Избирательное изменение параметров поля позволяет последовательно выводить ионы определённого m/z и регистрировать их. Особенности:

  • возможность многократного накопления ионов, что повышает чувствительность;
  • проведение тандемных экспериментов (MS/MS) внутри одной ловушки;
  • ограниченный рабочий диапазон масс;
  • высокая эффективность при исследовании органических молекул, биомакромолекул и продуктов метаболизма.

Времяпролётные анализаторы (TOF)

Времяпролётный анализатор основан на измерении времени, за которое ионы проходят определённое расстояние в поле без ускорения. Так как все ионы получают одинаковую энергию, более лёгкие достигают детектора быстрее, чем тяжёлые. Особенности:

  • чрезвычайно быстрый процесс анализа, что важно при исследовании сложных смесей;
  • широкий диапазон масс, вплоть до десятков тысяч дальтон;
  • высокая чувствительность при использовании отражающих систем (рефлектронов), позволяющих компенсировать различия в начальной кинетической энергии;
  • незаменимость при исследовании белков и пептидов с помощью методов MALDI-TOF.

Орбитрап-анализаторы

Орбитрап основан на движении ионов в электростатическом поле вокруг центрального электрода. Ионы совершают колебания вдоль оси, а частота этих колебаний зависит от отношения m/z. Регистрация частот с помощью преобразования Фурье позволяет получать спектр. Особенности:

  • высокая точность и разрешающая способность;
  • стабильность масс-калибровки;
  • отсутствие необходимости в криогенных системах, в отличие от FT-ICR;
  • широкое применение в протеомике, метаболомике и фармацевтическом анализе.

FT-ICR масс-анализаторы

Принцип действия основан на движении ионов в сильном магнитном поле. Ионы совершают циклотронное движение, частота которого прямо пропорциональна отношению заряда к массе. С помощью метода преобразования Фурье получаются спектры с ультравысоким разрешением. Особенности:

  • рекордная разрешающая способность (до 10⁶–10⁷);
  • возможность точного анализа сложных смесей, включая нефтяные системы, биологические жидкости и атмосферные аэрозоли;
  • высокая стоимость и необходимость использования сверхпроводящих магнитов;
  • применяются преимущественно в фундаментальной химии, молекулярной биологии и материаловедении.

Сравнительная характеристика

  • Секторные анализаторы — эталон точности, но громоздки.
  • Квадрупольные — оптимальны для рутинного анализа, сочетают надёжность и простоту.
  • Ионные ловушки — удобны для MS/MS и накопления ионов.
  • TOF-анализаторы — идеальны для быстрой регистрации широкого диапазона масс.
  • Орбитрап — сочетает высокую точность с практичностью.
  • FT-ICR — обеспечивает уникальные возможности для исследований сверхсложных систем.
Оглавление