Принцип работы масс-спектрометра

Приборы, которые используются в масс-сиектрометрии, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы работают с материальным веществом, которое состоит из мельчайших частиц — молекул и атомов. Масс-спектрометры устанавливают, что это за молекулы (т.е. какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (т.е. их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а массспектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее, соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом иоле. Масс-спектр — эго рассортировка заряженных частиц по их массам (отношениям массы к заряду).

Во-первых, для того чтобы получить масс-спектр, необходимо превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами.

Во-вторых, необходимо перевести ионы в газовую фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри массспектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).

Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.

Газовая фаза:

• • электронная ионизация (ЭИ, El — Electron ionization);
• • химическая ионизация (ХИ, Cl — Chemical Ionization);
• • электронный захват (ЭЗ, ЕС — Electron capture);
• • ионизация в электрическом поле (ПИ, FI — Field ionization).

Жидкая фаза:

• • термоспрей;
• • ионизация при атмосферном давлении (АДИ, АР — Atmospheric Pressure Ionization);
• • электроспрей (ЭС, ESI — Electrospray ionization);
• • химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД, APCI — Atmospheric pressure chemical ionization);

фотоионизация при атмосферном давлении (ФИАД, APPI — Atmospheric pressure fotoionization).

Твердая фаза:

• • прямая лазерная десорбция — масс-спектрометрия (ПЛДМС, LDMS — Direct Laser Desorption — Mass Spectrometry);
• • матрично-активированная лазерная десорбция (ионизация) (МАЛДИ, MALDI — Matrix Assisted Laser Desorbtion (Ionization));
• • масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ, SIMS — Secondary-Ion Mass Spectrometry);
• • бомбардировка быстрыми атомами (ББА, FAB — Fast Atom Bombardment);
• • десорбция в электрическом поле (ПД, FD — Field Desorption);
• • плазменная десорбция (ПД, PD — Plasma desorption).

В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жесткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше, значит, и значительно более жесткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы:

• • ионизация в индуктивно-связанной плазме (ИСП, 1C — Pinductively coupled plasma);
• • термоионизация или поверхностная ионизация;
• • ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация;
• • ионизация в процессе лазерной абляции.

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, т. е. перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, т. е. все то, что сегодня представляет особый интерес. Массспектрометрия не стояла на месте и в последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются в основном два из них — ионизация при атмосферном давлении и ее подвиды — электроспрей (ЭС), химическая ионизация при атмосферном давлении и фотоионизация при атмосферном давлении, а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ).

Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс-спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее, по отношению массы к заряду).

Существуют следующие типы масс-анализаторов.

• 1. Непрерывные масс-анализаторы:
  • • магнитный и электростатический секторный массанализатор;
  • • квадрупольный масс-анализатор.
• 2. Импульсные масс-анализаторы:
  • • времяпролетный масс-анализатор;
  • • ионная ловушка;
  • • квадрупольная линейная ловушка;
  • • масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием;
  • • орбитрэп.

Разница между непрерывными и импульсными масс- анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые — порциями, через определенные интервалы времени.

Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс-спектрометры применяются, как правило, вместе с «мягкими» методами ионизации, при которых нс происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый массанализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространенными конфигурациями тандемных масс-спектрометров являются квадруноль — квадрупольная и квадруполь-времяпролетная.

Последним элементом описываемого нами упрощенного масс-спектрометра является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые, в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т. д. Другой вариант — фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора.

Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений. Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (т.е. 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить, сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать, какие это компоненты (идентифицировать их) и сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»).

Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно разделить с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее и химической ионизации при атмосферном давлении, а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС. Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой^[1], строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса.

Наиболее широкое распространение получил в последнее время масс-анализатор, позволяющий наиболее точно померить массу иона, и обладающий очень высоким разрешением. Высокое разрешение позволяет работать с полипротонированными ионами, образующимися при ионизации белков и пептидов в электроспрее, а высокая точность определения массы позволяет получать брутто-формулу ионов, делая возможным определять структуру последовательностей аминокислотных остатков в пептидах и белках, а также детектировать послетрансляционные модификации белков. Это сделало возможным секвенировать белки без их предварительного гидролиза на пептиды. Такой способ получил название «Top-down» протеомики. Получение уникальной информации стало возможно благодаря применению массанализатора ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. В этом анализаторе ионы влетают в сильное магнитное поле и вращаются там по циклическим орбитам (как в циклотроне, ускорителе элементарных частиц). Такой масс-анализатор обладает определенными преимуществами: имеет очень высокое разрешение, диапазон измеряемых масс весьма широк, может анализировать ионы, получаемые всеми способами. Однако для своей работы он требует сильного магнитного поля, а значит, использования сильного магнита со сверхпроводящим соленоидом, поддерживаемым при очень низкой температуре (жидкого гелия, приблизительно -270°С).

Важнейшими техническими характеристиками массспектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.

Важнейшая характеристика при анализе органических соединений — это чувствительность. Для того чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму, прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр — достоверность. Использование высокого разрешения на приборах с двойной фокусировкой позволяет добиваться высокого уровня достоверности, не жертвуя при этом чувствительностью.

Для достижения высокой чувствительности можно еще использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному иону, можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.

По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например использованию с целью снижения шума искривленного квадруполыюго префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Существует ли датчик, состоящий из одного воспринимающего органа?
• 2. Что такое датчик?
• 3. Объясните суть технологии топливных ячеек.
• 4. По какому принципу действует термокаталитический сенсор?
• 5. Проанализируйте, насколько эффективен и надежен полупроводниковый датчик.
• 6. Каким процессом можно заменить механизм «химической ионизации»?
• 7. Важна ли конструкция спектрального аппарата?
• 8. Насколько актуальна масс-спектрометрия?
• 9. Какие данные позволяет получать хроматография?

• [1] Протеомика — наука, основным направлением которой являетсяпонимание механизма взаимодействия около 300 000 протеинов в человеческом организме.