Просмотр кода страницы Масс-спектрометрия

[[Файл:Toluene ei ms.PNG|мини|250px|Масс-спектр [[толуол]]а]]

'''Масс-спектрометрия''' (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ, аббр. МС) — метод [[Научное исследование|исследования]] и идентификации [[вещество|вещества]], позволяющий определять [[Концентрация смеси|концентрацию]] различных [[Компоненты (термодинамика)|компонент]]ов в нём ([[изотоп]]ный, [[элементный состав|элементный]] или [[химический состав]]). 
Основой для измерения служит [[ионизация]] компонентов, позволяющая [[масс-анализатор|физически различать]] компоненты на основе характеризующего их отношения [[масса|массы]] к [[электрический заряд|заряду]] и, измеряя интенсивность ионного тока, производить отдельный подсчёт [[Концентрация смеси|доли]] каждого из компонентов (получать ''масс-спектр'' вещества). 

В силу того, что [[Химическая формула|химический состав]] позволяет судить о свойствах и происхождении вещества, масс-спектрометрия имеет большое значение в [[Наука|науке]], [[Промышленность|промышленности]] и [[Медицина|медицине]]{{переход|Применения масс-спектрометрии|1}}.

История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов [[Томсон, Джозеф Джон|Дж. Дж. Томсона]] в начале [[XX век]]а. Окончание «-метрия» в названии метода появилось после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим [[измерение|измерениям]] ионных токов.

== Масс-спектр ==
Масс-спектр — зависимость интенсивности ионного тока (количества вещества) от отношения массы к заряду (природы вещества). Поскольку масса любой молекулы складывается из масс составляющих её атомов, масс-спектр всегда дискретен, хотя при низком [[Разрешение (оптика)|разрешении]] масс-спектрометра пики разных компонентов могут перекрываться или даже сливаться. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации и вторичные процессы в масс-спектрометре могут влиять на масс-спектр (см. метастабильные ионы, градиент ускоряющего напряжения по местам образования ионов, неупругое рассеивание). Так, [[ионы]] с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным.

== Принцип работы и устройство масс-спектрометра ==
[[Файл:Mass Spectrometer Schematic.svg|мини|Принцип работы масс-спектрометра]]
На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует [[сила Лоренца]], искажающая ее траекторию. Определяя разницу траекторий ионизированных атомов, движущихся в магнитном поле, можно делать выводы о соотношении массы и заряда иона.

Конструкция масс-спектрометра включает в себя ионизатор вещества образца, ускоритель ионов, источник мощного магнитного поля и набор детекторов потока ионов.

=== Источники ионов ===
Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, — превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — [[ион]]ы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Вторым необходимым условием является перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеиваются и рекомбинируют (превращаются обратно в незаряженные частицы).

Большинство небольших молекул при ионизации приобретают только один положительный или отрицательный заряд. Чем больше молекула, тем больше вероятность того, что во время ионизации она превратится в многозарядный ион. Поэтому особенно сильно данный эффект проявляется в отношении крайне больших молекул, например, белков, нуклеиновых кислот и полимеров. При некоторых видах ионизации (например, [[электронный удар]]) молекула может распадаться на несколько характерных частей, что даёт дополнительные возможности идентификации и исследования структуры неизвестных веществ.

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

'''Газовая фаза'''
* [[электронная ионизация]] (EI)
* [[химическая ионизация]] (CI)
* {{нп3|Electron capture ionization|Ионизация захватом электрона}} (EC)
* [[ионизация в электрическом поле]] (FI)

'''Жидкая фаза'''
* [[термоспрей]]
* [[ионизация при атмосферном давлении]] (AP)
** [[ионизация при атмосферном давлении#электроспрей (ESI)|электроспрей]] (APESI)
** [[ионизация при атмосферном давлении#химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)|химическая ионизация при атмосферном давлении]] (APCI)
** [[ионизация при атмосферном давлении#фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)|фотоионизация при атмосферном давлении]] (APPI)

'''Твёрдая фаза'''
* [[прямая лазерная десорбция - масс-спектрометрия (LDMS)|прямая лазерная десорбция — масс-спектрометрия (LDMS)]]
* [[матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация]] (MALDI)
* [[масс-спектрометрия вторичных ионов]] (SIMS)
* [[бомбардировка быстрыми атомами]] (FAB)
* [[десорбция в электрическом поле]] (FD)
* [[Десорбционные методы ионизации в масс-спектрометрии#Плазменная десорбция|плазменная десорбция]] (PD)

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

* ионизация в [[индуктивно-связанная плазма|индуктивно-связанной плазме]] (ICP)
* [[термоионизация]] или поверхностная ионизация
* ионизация в [[тлеющий разряд|тлеющем разряде]] и искровая ионизация (см. [[искровой разряд]])
* ионизация в процессе [[лазерная абляция|лазерной абляции]]

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы.

Очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти всё, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть всё то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия 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 её подвиды — [[электроспрей]] (ESI), [[химическая ионизация при атмосферном давлении]] (APCI) и [[фотоионизация при атмосферном давлении]] (APPI), а также [[ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы]] (MALDI).

=== Масс-анализаторы ===
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, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:

'''непрерывные масс-анализаторы'''
* [[Магнитный секторный масс-анализатор|Магнитный и электростатический секторный масс-анализатор]] ({{lang-en|Sector instrument}})
* [[Квадрупольный масс-анализатор]] ({{lang-en|Quadrupole mass analyzer}})

'''импульсные масс-анализаторы'''
* [[Времяпролётный масс-анализатор]] ({{lang-en|Time-of-flight mass spectrometry}})
* [[Ионная ловушка]] ({{lang-en|Ion trap}})
* [[Квадрупольная линейная ловушка]] ({{lang-en|Quadrupole ion trap}})
* [[Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием]] ({{lang-en|Fourier transform ion cyclotron resonance}})
* [[Орбитрэп]] ({{lang-en|Orbitrap}})

Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первых ионы поступают непрерывным потоком, а во вторых — порциями, через определённые 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 не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом, первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространёнными конфигурациями тандемных масс-спектрометров являются квадруполь-квадрупольная и квадруполь-времяпролётная.

=== Детекторы ===
Итак, последним элементом описываемого нами упрощённого 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 ещё 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 ([[коллектор Фарадея|коллекторы Фарадея]]).

=== Хромато-масс-спектрометрия ===
Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений.

Органические образцы в большинстве случаев представляют собой сложные смеси индивидуальных веществ. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание [[хроматография|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 с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию [[Метод жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии|жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/ТМС]] ({{lang-en|LC/MS}}). Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.

=== Характеристики масс-спектрометров и масс-спектрометрических детекторов ===
{{В планах|дата=2022-08-02}}
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются [[Чувствительность (техника)|чувствительность]], [[Динамический диапазон (масс-спектрометрия)|динамический диапазон]], [[разрешение (масс-спектроскопия)|разрешение]], [[скорость сканирования]].

При анализе органических соединений наиболее важной характеристикой является [[Чувствительность (техника)|чувствительность]]. Для улучшения чувствительности путём увеличения [[Отношение сигнал/шум|отношения сигнала к шуму]] прибегают к ионно-селективному детектированию. При использовании данного метода на приборах низкого разрешения ухудшается не менее важный параметр — достоверность, ввиду высокой сложности подтверждения соответствия результатов с теоретическими ожиданиями. В приборах с двойной фокусировкой при использовании высокого [[Разрешающая способность (масс-спектрометрия)|разрешения]] данная проблема отсутствует. Альтернативным методом анализа является тандемная масс-спектрометрия, характерной особенностью которой является возможность подтверждения результатов основного измерения исходных ионов вторичными детекторами дочерних ионов. Наиболее чувствительным прибором для анализа органических соединений является хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.

По характеристике сочетания высокой чувствительности с достоверностью определения компонентов следует отметить классические квадрупольные приборы нового поколения. Использование новейших технологий (например, искривлённого квадрупольного префильтра для снижения шума путём предотвращения попадания нейтральных частиц в детектор) позволяет добиваться высоких характеристик прибора.

== Применения масс-спектрометрии ==
Разработка новых лекарственных средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, [[протеомика]]. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ.

Выяснение источника происхождения очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение происхождения взрывчатых веществ помогает найти террористов, наркотиков — бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая безопасность страны более надёжна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному виду и качеству. А анализ [[нефть|нефти]] и [[Нефтепродукты|нефтепродуктов]] нужен не только для оптимизации процессов переработки нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для того, чтобы определить виновных в разливах нефтяных пятен в океане или на земле.

В эпоху «химизации сельского хозяйства» весьма важным стал вопрос о присутствии следовых количеств применяемых химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут нанести непоправимый вред здоровью человека.

Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное или вредное для здоровья человека действие в предельно низких концентрациях). Примером являются хорошо известные [[диоксины]].

Существование ядерной энергетики немыслимо без масс-спектрометрии. С её помощью определяется степень обогащения расщепляющихся материалов и их чистота.

Масс-спектрометрия также используется в медицине. Изотопная масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской диагностики инфицированности человека [[Helicobacter pylori]] и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также масс-спектрометрия применяется для определения наличия [[допинг]]а в крови спортсменов.

Трудно представить область человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии<ref name="Poli">''Полищук В. Р.'' Как разглядеть молекулу. — М., Химия, 1979. — Тираж 70000 экз. — С. 121—135</ref>. Ограничимся просто перечислением: [[аналитическая химия]], [[биохимия]], [[клиническая химия]], [[общая химия]] и [[органическая химия]], [[фармацевтика]], [[косметика]], [[парфюмерия]], [[пищевая промышленность]], [[химический синтез]], [[нефтехимия]] и [[Переработка нефти|нефтепереработка]], [[контроль окружающей среды]], [[производство полимеров и пластиков]], [[медицина]] и [[токсикология]], [[криминалистика]], [[допинговый контроль]], [[контроль наркотических средств]], [[контроль алкогольных напитков]], [[геохимия]], [[геология]], [[гидрология]], [[петрография]], [[минералогия]], [[геохронология]], [[археология]], [[ядерная промышленность]] и [[энергетика]], [[полупроводниковая промышленность]], [[металлургия]].

== История масс-спектрометрии ==
* [[1912 год]] — [[Томсон, Джозеф Джон|Дж. Дж. Томсон]] создаёт первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул [[кислород]]а, [[азот]]а, [[угарный газ|угарного газа]], [[углекислый газ|углекислого газа]] и [[фосген]]а.

* [[1913 год]] — С помощью своего масс-спектрографа [[Томсон, Джозеф Джон|Дж. Дж. Томсон]] открывает [[изотоп]]ы [[неон]]а: неон-20 и неон-22.

* [[1918 год]] — [[Демпстер, Артур Джеффри|Артур Демпстер]] строит первый масс-спектрограф.

* [[1919 год]] — [[Астон, Фрэнсис Уильям|Фрэнсис Астон]], независимо от [[Демпстер, Артур Джеффри|Демпстера]], строит свой первый масс-спектрограф и начинает исследования [[изотоп]]ов. Этот прибор имел [[Разрешающая способность (масс-спектрометрия)|разрешающую способность]] около 130.

* [[1923 год]] — [[Астон, Фрэнсис Уильям|Астон]] измеряет с помощью масс-спектрометра [[дефект массы]].

* [[1932 год]] — [[Бейнбридж, Кеннет|Кеннет Бейнбридж]] строит масс-спектрометр с [[Разрешающая способность (масс-спектрометрия)|разрешающей способностью]] 600 и чувствительностью 1 часть на 10 тыс.
* [[1934 год]] — Конрад применяет масс-спектрометрию для анализа органических молекул.

* [[1936 год]] — [[Демпстер, Артур Джеффри|Артур Демпстер]], [[Бэйнбридж, Кеннет Томпкинс|Кеннет Бэйнбридж]] ({{lang-en|Kenneth Tompkins Bainbridge}}) и {{нп5|Маттаух, Йозеф|Йозеф Маттаух|en|Josef Mattauch}} ({{lang-en|Josef Heinrich Elizabeth Mattauch}}) конструируют масс-спектрограф с двойной фокусировкой<ref name="Britannica">{{Britannica-link|157489|Arthur Jeffrey Dempster (American physicist)}}</ref>. [[Демпстер, Артур Джеффри|Демпстер]] разрабатывает искровой источник ионизации.

* [[1940 год]] — {{нп5|Нир, Альфред|Альфред Нир|en|Alfred O. C. Nier}} с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет [[уран-235]].

* [[1940 год]] — [[Нир, Альфред|Альфред Нир]] создаёт первый надёжный источник [[Электронный удар|электронного удара]], применив [[Ионизационная камера|ионизационную камеру]].

* [[1942 год]] — [[Лоуренс, Эрнест Орландо|Лоуренс]] запускает «[[калютрон]]» — промышленную установку по разделению изотопов урана, основанную на магнитно-секторном масс-спектрометре.

* [[1946 год]] — Уильям Стивенс ({{lang-en|William E. Stephens}}) предлагает концепцию [[Времяпролётный масс-анализатор|времяпролётного масс-спектрометра]].

* [[1948 год]] — [[Камерон, А.|Камероном]] ({{lang-en|A. E. Cameron}}) и [[Эггерс, Д.|Эггерсом]] ({{lang-en2|D. F. Eggers Jr}}) создан первый масс-спектрометр с [[Времяпролётный масс-анализатор|времяпролётным масс-анализатором]].

* [[1952 год]] — [[Тальрозе, Виктор Львович|В. Л. Тальрозе]] и А. К. Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH<sub>5</sub><sup>+</sup> в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 году Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией).<ref>''Talrose V. L., Ljubimova A. K.'' Secondary Processes in the Ion Source of a Mass Spectrometer (Reprint from 1952). J. Mass Spectrom. 1998, 33, 502—504.</ref>

* [[1953 год]] — [[Пауль, Вольфганг|Пауль]] патентует [[квадрупольный масс-анализатор]] и [[ионная ловушка|ионную ловушку]].

* [[1956 год]] — [[Маклафферти, Фред|Фред МакЛафферти]] и Голке создают первый газовый [[Хромато-масс-спектрометрия|хромато-масс-спектрометр]].

* [[1966 год]] — Мансон и Филд создают ионный источник с [[химическая ионизация|химической ионизацией]].

* [[1972 год]] — Каратаев и [[Мамырин, Борис Александрович|Мамырин]] изобретают [[время-пролётный масс-анализатор]] с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора.

* [[1974 год]] — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и [[МакЛафферти]]

* [[1981 год]] — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с [[бомбардировка быстрыми атомами|бомбардировкой быстрыми атомами]] (FAB).

* [[1982 год]] — Первый масс-спектр целого [[белок|белка]] (инсулин) с помощью [[бомбардировка быстрыми атомами|бомбардировки быстрыми атомами]] (FAB).

* [[1983 год]] — Бланки и Бестал изобретают [[термоспрей]].

* [[1984 год]] — [[Галль, Лидия Николаевна|Л. Н. Галль]], а затем [[Фенн, Джон|Фенн]] публикуют работы по методу [[электроспрей]].<ref>{{Cite web |url=http://www.iairas.ru/history_of_eriad.php|title=История создания метода ЭРИАД |lang=ru|access-date=2024-07-07|url-status=live|archive-date=2024-07-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20240707131325/http://www.iairas.ru/history_of_eriad.php}}</ref>

* [[1987 год]] — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают [[ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы|ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы]] (MALDI).

* [[1999 год]] — [[Макаров, Александр Алексеевич|Александр Макаров]] изобретает электростатическую ионную ловушку «[[Орбитрэп]]».

== См. также ==
* [[Масс-спектрометры для изотопного анализа]]
* [[Спектроскопия]]
* [[Спектроскопические методы]]
* [[Инструментальные методы анализа]]
* [[Таблицы Бейнона]]
* [[Фильтр Вина]]
* [[Ускорительный масс-спектрометр]] ({{нп5|Accelerator mass spectrometry|||}}) 

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [https://web.archive.org/web/20070203213615/http://www.organicworldwide.net/mass.html Масс-спектрометрия]{{ref-en}}
* [http://ria-stk.ru/mos/adetail.php?ID=8202&sphrase_id=92406 Метод масс-спектрометрии]

{{Масс-спектрометрия}}
{{Патология}}

[[Категория:Аналитическая химия]]
[[Категория:Масс-спектрометрия| ]]