Масс-спектрометрия представляет собой аналитический метод, основанный
на регистрации ионных частиц по их отношению массы к заряду (m/z).
Преобразование нейтральных молекул в ионы, их разделение в электрических
и магнитных полях и последующая регистрация интенсивности сигналов
позволяют получить спектр, являющийся своеобразным «отпечатком»
молекулы. Важнейшее преимущество метода заключается в его
универсальности: практически любое соединение может быть подвергнуто
ионизации и измерению, а полученный спектр содержит как качественную,
так и количественную информацию.
Этапы
масс-спектрометрического анализа
Ионизация Превращение нейтральных молекул в
заряженные частицы осуществляется различными методами. Классические
способы включают электронный удар и химическую ионизацию, а современные
мягкие методы – электрораспыление (ESI) и матрично-активированную
лазерную десорбцию/ионизацию (MALDI). От выбора метода зависит характер
получаемого спектра: «жёсткие» методы приводят к фрагментации молекул,
облегчая структурный анализ, тогда как «мягкие» позволяют сохранить
молекулярный ион и анализировать высокомолекулярные соединения, включая
белки и полимеры.
Разделение ионов После ионизации частицы
попадают в анализатор, где происходит их разделение по значению m/z.
Важными типами анализаторов являются:
- квадрупольные фильтры, основанные на колебаниях ионов в
электрическом поле;
- времяпролётные (TOF) анализаторы, измеряющие скорость движения
ионов;
- ионные ловушки, способные удерживать ионы в ограниченном объёме и
последовательно выпускать их для регистрации;
- орбитальные ионоводные системы (Orbitrap), обладающие высокой
разрешающей способностью;
- магнитные и секторные приборы, исторически применяемые для точных
измерений.
Регистрация Детекторы фиксируют интенсивность
ионов определённого m/z. Наиболее распространены электронные умножители,
а также современные регистраторы на основе микроканальных пластин.
Получаемый сигнал пропорционален числу ионов, что позволяет судить о
концентрации вещества.
Основные характеристики
метода
- Массовая точность – способность определять m/z с
минимальной погрешностью. Современные приборы обеспечивают точность
вплоть до нескольких миллионных долей.
- Разрешающая способность – способность разделять
ионы с близкими значениями m/z. Для сложных смесей биополимеров
критически важно разрешение в десятки и сотни тысяч.
- Чувствительность – способность обнаруживать
следовые количества вещества. Масс-спектрометрия позволяет работать с
концентрациями на уровне фемтомолей.
- Диапазон масс – предельные значения m/z, доступные
для анализа. Для органических соединений важен диапазон до нескольких
тысяч, а для белков – десятков и сотен тысяч Да.
Ионизационные методы и их
особенности
- Электронный удар (EI): классический метод,
приводящий к интенсивной фрагментации. Особенно полезен для анализа
малых органических молекул и получения диагностических спектров.
- Химическая ионизация (CI): более мягкий процесс, в
котором реагирующие газы обеспечивают перенос заряда, позволяя сохранить
молекулярный ион.
- Электрораспыление (ESI): формирует заряженные капли
раствора, из которых постепенно испаряются растворитель ионы, подходящий
метод для белков, пептидов и полимеров.
- MALDI: использование матрицы, поглощающей лазерное
излучение, делает возможным анализ биомакромолекул и полимеров с высокой
молекулярной массой.
- Ионизация с помощью индуктивно связанной плазмы
(ICP-MS): предназначена для элементного анализа с предельно
низкими пределами обнаружения.
Информационные возможности
Масс-спектры позволяют установить:
- молекулярную массу вещества и подтвердить
предполагаемую формулу;
- структуру соединения через анализ
фрагментации;
- изотопный состав, что важно для геохимии и ядерной
аналитики;
- концентрацию аналита при калибровке с
использованием стандартов.
Комбинированные подходы
Широкое распространение получили гибридные системы, объединяющие
масс-спектрометры с хроматографическими методами:
- ГХ-МС (газовая хроматография–масс-спектрометрия)
используется для летучих и термостабильных соединений.
- ВЭЖХ-МС (жидкостная
хроматография–масс-спектрометрия) позволяет исследовать
неустойчивые и нелетучие вещества, включая пептиды, нуклеотиды и
метаболиты.
- Капиллярный электрофорез-МС даёт возможность
детального анализа сложных биологических смесей.
Теоретические основы
Движение ионов в электрических и магнитных полях подчиняется законам
классической механики и электродинамики. Разделение ионов определяется
их массой и зарядом, а также энергией, полученной при ионизации. Время
пролёта ионов в TOF-анализаторе описывается формулой
$$
t = \frac{L}{\sqrt{2Ue/m}},
$$
где L – длина пролётной
трубки, U – ускоряющее
напряжение, e – заряд иона,
m – его масса.
Значение метода
Масс-спектрометрия заняла центральное место в аналитической химии
благодаря сочетанию универсальности, чувствительности и точности. Она
используется в органическом синтезе, биохимии, фармацевтике, экологии,
судебной экспертизе, геохимии и космохимии.
Хотите, чтобы я написал такую же развёрнутую статью ещё и по теме
принципы работы детекторов в масс-спектрометрии как
отдельную главу?