Масс-спектрометрия История 1901 г немецкий

Масс-спектрометрия

История • 1901 г. – немецкий физик В. Кауфман создал первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных лучей» • 1912 г. – Дж. Томсон (Великобритания) впервые спектрально «увидел» изотопы неона Вальтер Кауфман

История • • • 1918 г. – А. Демпстер сконструировал первый магнитный масс-спектрометр с источником для электронной и термической ионизации Середина 1950 -х г. г. – Вольфганг Пол разработал квадрупольный масс-анализатор (Нобелевская премия по физике 1989 г. ) 1985 г. – Коити Танака изобрел метод мягкой лазерной десорбции (Нобелевская премия по химии 2002 г. ) Артур Джеффри Демпстер 3

Электронная ионизация Преимущества: – Наиболее изученный метод ионизации; – Может использоваться для ионизации практически любых летучих соединений; – Высокая воспроизводимость спектров; – Фрагментация позволяет получить информацию о строении соединения; – Возможность идентификации соединений сравнением полученного масс-спектра со спектрами из базы данных. Недостатки: – Анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; – Отсутствие или низкая интенсивность в спектрах многих соединений сигнала молекулярного иона затрудняет идентификацию.

Химическая ионизация Преимущества: – Позволяет получить информацию о молекулярной массе соединения; – Масс-спектр намного проще, чем при ионизации электронами. Недостатки: – Как и в случае электронной ионизации, анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью; – Поскольку осколочных ионов практически не образуется, метод в большинстве случаев не позволяет получить информацию о строении вещества; – Результат сильно зависит от типа газа-реагента, его давления, времени взаимодействия с веществом, поэтому очень трудно добиться воспроизводимых результатов.

Фотоионизация Преимущества: – Полная передача энергии фотона молекуле вещества; – Удобен для установления энергетических характеристик молекул, радикалов, ионов. Недостатки: – Незначительная фрагментация молекулярных ионов; – Зависимость фрагментации от энергии фотонов; – Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу. 6

Электроспрей Преимущества: – Возможность работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу; – Метод практически идеально подходит для стыковки массспектрометра и жидкостного хроматографа; – Возможность анализа крупных (до нескольких миллионов дальтон) молекул; – Мягкое ионизационное воздействие. Недостатки: – Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях; – Масс-спектр малоинформативен, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+, Na+, K+), многозарядных ионов таких комплексов. 7

Ионизация электрическим полем и полевая десорбция Оба метода относятся к «мягким» способам ионизации и имеют практически одинаковое аппаратное оформление и механизм воздействия на вещество. Ключевую роль играет проволочный эмиттер, поверхность которого покрыта микроиглами

Полевая десорбция - схема установки Различие между ионизацией электрическим полем и полевой десорбцией заключается в агрегатном состоянии анализируемых объектов. Ионизация электрическим полем применяется для получения масс-спектров газообразных соединений, эмиттер находится в заполненной газомвеществом камере. При ионизации десорбцией электрическим полем вещество непосредственно наносится на эмиттер, что позволяет анализировать жидкости и твердые вещества Преимущества: – Масс-спектр содержит зачастую только сигнал молекулярного иона; – Дает хорошие результаты при анализе органических соединений, полимеров с небольшой молекулярной массой и металлорганических соединений. Недостатки: – Хрупкость эмиттера и трудности его изготовления; – Газообразные вещества должны обладать достаточной летучестью; – Для десорбции полем из-за небольших размеров эмиттера необходимо строго контролировать количество наносимого вещества (не более 10– 5 г); – Анализ требует продолжительного времени.

Бомбардировка быстрыми атомами и массспектрометрия с ионизацией в жидкой фазе Преимущества: – Быстрое получение масс-спектра; – Отсутствует необходимость в использовании высокой температуры, что позволяет анализировать термически лабильные соединения; – Дает хорошие результаты для широкого спектра образцов, в частности, позволяет получать массспектры ионных соединений. Недостатки: – Анализируемое вещество должно хорошо растворяться в матрице; – Высокий уровень шумов, что требует введения больших количеств образца; – В области низких масс доминируют ионы матрицы.

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) 11

Преимущества: – Возможность анализ крупных молекул (массой до 100 000 дальтон и выше); – Мягкая ионизация образа; – Возможность анализа загрязненных примесями образцов. Недостатки: – Малоинформативный масс-спектр – присутствуют лишь пики молекулярного иона и его «мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1; – Долгая пробоподготовка и необходимость подбора условий под образец – подбирать вещество для матрицы. 12

Разделение ионов в электрических и магнитных полях m q с v E B – масса иона; заряд; скорость света в вакууме; скорость иона; вектор напряженности электрического поля; вектор магнитной индукции.

Способы разделения ионов При использовании статических полей: При использовании переменных во времени электрических и магнитных полей: 1. Разделение электрическом 2. Разделение поле; 3. Разделение электрическом 1. Разделение ионов в переменном электрическом и постоянном магнитном полях; 2. Разделения ионов по разнице во временах пролета по заданной траектории, (ионы имеют одинаковую энергию или импульс) ионов в поле; ионов в магнитном ионов в совмещенных и магнитном полях.

Разрешающая способность Разрешение массспектрометра (R) – это возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m+∆m). 15

Масс-спектрометрия высокого разрешения (HRMS– High Resolution Mass-Spectrometry) позволяет разделить и точно измерить массовые значения пиков, соответствующих одной целочисленной массе. Зависимость формы пика ионов от разрешения масс-спектрометра 16

Магнитный секторный анализатор сам по себе используется достаточно редко. Причина состоит в том, что ионы, вылетающие из источника, имеют разную кинетическую энергию и, следовательно, скорость. Поэтому при прохождении анализатора ионы с одинаковым отношением m/q, но разной скоростью несколько отклоняются от средней траектории, что приводит к размытию сигнала и потере разрешающей способности.

Магнитный секторный анализатор с двойной фокусировкой Использование двойной фокусировки позволяет существенно повысить разрешение прибора, в результате становится доступной съемка масс-спектров высокого разрешения. При такой съемке масса иона определяется с точностью до 4– 6 знаков после запятой, что позволяет определять его элементный и изотопный состав. Преимущества: – Высокое разрешение; – Чувствительность. Недостатки: – Большие размеры; – Высокая цена.

Квадрупольный анализатор Под действием электрического поля ионы, вводимые в квадруполь, начинают колебаться относительно осей x и y. Так каждый ион имеет свою собственную частоту колебаний, зависящую от массы, через анализатор проходят лишь те из них, частота которых находится в резонансе с частотой квадруполя. Преимущества: – Компактный, недорогой; – Быстрое сканирование – Хорошая воспроизводимость спектров. Недостатки: – Не подходит для импульсных ионизационных методов; – Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс.

Ионная ловушка Два концевых электрода гиперболической формы имеют потенциал земли, между ними находится кольцевой электрод, на который подается радиочастотное напряжение. Пространство внутри ловушки заполнено инертным газом, чаще всего гелием. Преимущества: Недостатки: – Высокая чувствительность; – Самый маленький и дешевый из всех применяемых анализаторов; – В отличие от ранее описанных анализаторов позволяет работать с импульсными методами ионизации. – В ионной ловушке протекают реакции между ионами, что приводит к искажению спектров; – Низкое разрешение и диапазон анализируемых масс.

Времяпролетный анализатор Анализатор такого типа очень прост, а диапазон масс практически не лимитирован. Тем не менее, широкому внедрению времяпролетных анализаторов мешал ряд причин: низкая разрешающая способность и невозможность использования с непрерывными методами ионизации. Проблема низкого разрешения возникает из-за того, что ионы с одной и той же массой могут иметь разную скорость или разное положение в пространстве

Схема времяпролетного масс-спектрометра с рефлектроном ионы с большей скоростью проникают глубже внутрь рефлектрона. Первыми попадая внутрь, они последними покидают его и тем самым догоняют более медленные ионы Преимущества: Недостатки: – Простое устройство; – Неограниченный предел регистрируемых масс; – Высокая скорость записи спектров; – Высокая чувствительность. – Не подходит для работы с непрерывными методами ионизации – Внутри анализатора необходимо поддерживать очень высокий вакуум.

Ионный циклотронный резонанс с Фурье преобразованием или масс-спектрометрия с преобразованием Фурье Когда положительно заряженные ионы перемещаются от одной пластины к другой, их электрическое поле заставляет электроны перемещаться в том же направлении по внешней цепи между двумя электродами. Такое движение электронов называется наведенным током – это переменный ток с частотой, равной частоте движения ионов, а его амплитуда пропорциональна числу ионов данного вида в ячейке.

Регистрируемый временной сигнал и полученный после Фурье преобразования масс-спектр Математические операции, основанные на преобразованиях Фурье, позволяют перейти от временного сигнала к массспектру в обычном виде Преимущества: – Обеспечивает наивысшее среди других анализаторов разрешение; – Ионы внутри ячейки могут находиться достаточно продолжительное время. Недостатки: – Очень громоздкий и дорогой; – Использование сверхпроводящих магнитов требует криогенного охлаждения.

Спасибо за внимание!