Massespektrometri (massespektroskopi, massespektrografi, massespektral analyse, massespektrometrisk analyse) er en metode til at studere og identificere et stof , der giver dig mulighed for at bestemme koncentrationen af forskellige komponenter i det ( isotopisk , elementær eller kemisk sammensætning ). Grundlaget for målingen er ioniseringen af komponenterne, hvilket gør det muligt fysisk at skelne komponenterne ud fra forholdet mellem masse og ladning, der karakteriserer dem og ved at måle ionstrømmens intensitet at foretage en separat beregning af fraktionenhver af komponenterne (opnå stoffets massespektrum ).
På grund af det faktum, at den kemiske sammensætning gør det muligt at bedømme et stofs egenskaber og oprindelse, er massespektrometri af stor betydning inden for videnskab , industri og medicin .
Massespektrometriens historie begynder med J. J. Thomsons fundamentale eksperimenter i begyndelsen af det 20. århundrede . Slutningen "-metria" i navnet på metoden dukkede op efter den udbredte overgang fra detektion af ladede partikler ved hjælp af fotografiske plader til elektriske målinger af ionstrømme.
Massespektrum - afhængigheden af ionstrømmens intensitet (stofmængde) af forholdet mellem masse og ladning (stoffets art). Da massen af ethvert molekyle består af masserne af dets konstituerende atomer, er massespektret altid diskret, selvom ved lav opløsning af massespektrometeret kan toppene af forskellige komponenter overlappe eller endda smelte sammen. Analyttens natur, ioniseringsmetodens karakteristika og sekundære processer i massespektrometeret kan påvirke massespektret (se metastabile ioner, accelererende spændingsgradient over ionproduktionssteder, uelastisk spredning). Således kan ioner med samme masse-til-ladning-forhold ende i forskellige dele af spektret og endda gøre en del af det kontinuerligt.
En ladet partikel, der bevæger sig i et magnetfelt, påvirkes af Lorentz-kraften, som forvrænger dens bane. Ved at bestemme forskellen i banerne for ioniserede atomer, der bevæger sig i et magnetfelt, kan man drage konklusioner om forholdet mellem massen og ladningen af ionen.
Designet af massespektrometeret omfatter en ionisator af prøvestoffet, en ionaccelerator, en kraftig magnetfeltkilde og et sæt ionfluxdetektorer.
Det første man skal gøre for at opnå et massespektrum er at omdanne de neutrale molekyler og atomer, der udgør ethvert organisk eller uorganisk stof, til ladede partikler . Denne proces kaldes ionisering og udføres forskelligt for organiske og uorganiske stoffer. Den anden nødvendige betingelse er overførsel af ioner til gasfasen i massespektrometerets vakuumdel. Højt vakuum sikrer uhindret bevægelse af ioner inde i massespektrometeret, og i dets fravær spredes ioner og rekombinerer (vender tilbage til uladede partikler).
De fleste små molekyler får kun én positiv eller negativ ladning, når de ioniseres. Jo større molekylet er, jo mere sandsynligt er det, at det under ionisering bliver til en flerdobbelt ladet ion. Derfor er denne effekt især stærk for ekstremt store molekyler, såsom proteiner, nukleinsyrer og polymerer. Ved nogle typer ionisering (for eksempel elektronpåvirkning ) kan et molekyle brydes op i flere karakteristiske dele, hvilket giver yderligere muligheder for at identificere og studere strukturen af ukendte stoffer.
Konventionelt kan metoderne til ionisering af organiske stoffer klassificeres efter de faser, hvori stofferne befinder sig før ionisering.
gasfaseI uorganisk kemi, for at analysere grundstofsammensætningen, bruges hårde ioniseringsmetoder, da bindingsenergierne af atomer i et fast stof er meget højere, og meget hårdere metoder skal bruges for at bryde disse bindinger og opnå ioner.
Historisk set blev de første ioniseringsmetoder udviklet til gasfasen.
Rigtig mange organiske stoffer kan ikke fordampes, det vil sige omdannes til gasfasen, uden nedbrydning. Det betyder, at de ikke kan ioniseres ved elektronpåvirkning. Men blandt sådanne stoffer, næsten alt, hvad der udgør levende væv (proteiner, DNA osv.), fysiologisk aktive stoffer, polymerer, det vil sige alt, der er af særlig interesse i dag. Massespektrometri har ikke stået stille, og i de senere år er der udviklet særlige metoder til ionisering af sådanne organiske forbindelser. I dag bruges to af dem hovedsageligt - atmosfærisk trykionisering og dens underarter - elektrospray (ESI), atmosfærisk tryk kemisk ionisering (APCI) og atmosfærisk trykfotoionisering (APPI) samt matrix-assisteret laserdesorptionsionisering (MALDI). ) .
Ionerne opnået under ionisering overføres til masseanalysatoren ved hjælp af et elektrisk felt. Der begynder den anden fase af massespektrometrisk analyse - sortering af ioner efter masse (mere præcist, efter forholdet mellem masse og ladning eller m / z). Der er følgende typer masseanalysatorer:
kontinuerlige masseanalysatorerForskellen mellem kontinuerlige og pulserende masseanalysatorer ligger i det faktum, at i den første kommer ioner ind i en kontinuerlig strøm, og i den anden, i portioner, med bestemte tidsintervaller.
Massespektrometeret kan have to masseanalysatorer. Et sådant massespektrometer kaldes et tandem -massespektrometer . Tandem massespektrometre bruges som regel sammen med "bløde" ioniseringsmetoder, hvor der ikke er nogen fragmentering af ionerne i de analyserede molekyler (molekylære ioner). Således analyserer den første masseanalysator molekylære ioner. Ved at forlade den første masseanalysator fragmenteres molekylære ioner under påvirkning af kollisioner med inerte gasmolekyler eller laserstråling, hvorefter deres fragmenter analyseres i den anden masseanalysator. De mest almindelige konfigurationer af tandem-massespektrometre er quadrupol-quadrupol og quadrupol-time-of-flight.
Så det sidste element i det forenklede massespektrometer, vi beskriver, er detektoren af ladede partikler. De første massespektrometre brugte en fotografisk plade som detektor. Nu bruges dynode sekundære elektronmultiplikatorer, hvor en ion, der rammer den første dynode , slår en stråle af elektroner ud fra den, som igen rammer den næste dynode, slår endnu flere elektroner ud fra den osv. En anden mulighed er fotomultiplikatorer, der registrerer den glød, der opstår, når de bombarderes af fosforioner. Derudover bruges mikrokanalmultiplikatorer, systemer som diode-arrays og kollektorer, der samler alle ioner, der falder ind i et givet punkt i rummet ( Faraday collectors ).
Massespektrometre bruges til at analysere organiske og uorganiske forbindelser.
Organiske prøver er i de fleste tilfælde komplekse blandinger af individuelle stoffer. For eksempel er det vist, at lugten af stegt kylling er 400 komponenter (dvs. 400 individuelle organiske forbindelser). Analysens opgave er at bestemme, hvor mange komponenter der udgør organisk stof, finde ud af hvilke komponenter de er (identificere dem) og finde ud af, hvor meget af hver forbindelse der er indeholdt i blandingen. Til dette er kombinationen af kromatografi med massespektrometri ideel. Gaschromatografi er bedst egnet til at blive kombineret med ionkilden i et massespektrometer med elektronanslagsionisering eller kemisk ionisering, da forbindelserne allerede er i gasfasen i kromatografkolonnen. Enheder, hvor en massespektrometrisk detektor er kombineret med en gaskromatograf, kaldes kromato-massespektrometre ("kromass").
Mange organiske forbindelser kan ikke adskilles i komponenter ved hjælp af gaskromatografi, men kan adskilles ved hjælp af væskekromatografi. I dag bruges kilder til elektrosprayionisering (ESI) og atmosfærisk tryk kemisk ionisering (APCI) til at kombinere væskekromatografi med massespektrometri, og kombinationen af væskekromatografi med massespektrometre kaldes LC/TMS ( eng. LC/MS ). De mest kraftfulde systemer til organisk analyse, som moderne proteomik kræver, er bygget på basis af en superledende magnet og fungerer efter princippet om ioncyklotronresonans. De kaldes også FT/MS, fordi de bruger Fourier-transformationen af signalet.
De vigtigste tekniske egenskaber ved massespektrometre er følsomhed , dynamikområde , opløsning , scanningshastighed .
Ved analyse af organiske forbindelser er den vigtigste egenskab følsomhed . For at forbedre følsomheden ved at øge signal-til-støj-forholdet , bruges ion-selektiv detektion. Når du bruger denne metode på enheder med lav opløsning, forværres en lige så vigtig parameter, pålidelighed, på grund af den høje kompleksitet af bekræftelse af resultaternes overensstemmelse med teoretiske forventninger. Dual-focus instrumenter har ikke dette problem, når der bruges høj opløsning . En alternativ analysemetode er tandem massespektrometri, hvis karakteristiske træk er muligheden for at bekræfte resultaterne af hovedmålingen af indledende ioner med sekundære detektorer af datterioner. Det mest følsomme instrument til analyse af organiske forbindelser er et højopløsnings dual-focus kromatografi-massespektrometer.
I henhold til egenskaberne ved kombinationen af høj følsomhed med pålideligheden af bestemmelsen af komponenter, bør klassiske quadrupole enheder af en ny generation bemærkes. Brugen af den nyeste teknologi (såsom et buet quadrupol-forfilter for at reducere støj ved at forhindre neutrale partikler i at trænge ind i detektoren) giver dig mulighed for at opnå høj instrumentydelse.
Udvikling af nye lægemidler til at redde mennesker fra tidligere uhelbredelige sygdomme og lægemiddelproduktionskontrol, genteknologi og biokemi, proteomik . Uden massespektrometri er kontrol over den ulovlige distribution af narkotiske og psykotrope stoffer, retsmedicinske og kliniske analyser af giftige stoffer og analyse af sprængstoffer utænkelig.
At finde ud af oprindelseskilden er meget vigtigt for at løse en række problemer: For eksempel hjælper bestemmelse af sprængstoffers oprindelse med at finde terrorister, narkotika - for at bekæmpe deres distribution og blokere deres trafikruter. Landets økonomiske sikkerhed er mere pålidelig, hvis toldvæsenet ikke kun ved analyse i tvivlsomme tilfælde kan bekræfte varernes oprindelsesland, men også dets overensstemmelse med den deklarerede type og kvalitet. Og analysen af olie og olieprodukter er ikke kun nødvendig for at optimere olieraffineringsprocesser eller geologer til at søge efter nye oliefelter, men også for at identificere dem, der er ansvarlige for olieudslip i havet eller på land.
I æraen med "kemikalisering af landbruget" er spørgsmålet om tilstedeværelsen af spormængder af anvendte kemikalier (for eksempel pesticider) i fødevarer blevet meget vigtigt. I spormængder kan disse stoffer forårsage uoprettelig skade på menneskers sundhed.
En række teknogene (dvs. ikke eksisterer i naturen, men som følge af menneskelig industriel aktivitet) stoffer er supertoksiske stoffer (der har en giftig, kræftfremkaldende eller skadelig virkning på menneskers sundhed i ekstremt lave koncentrationer). Et eksempel er de velkendte dioxiner .
Eksistensen af kerneenergi er utænkelig uden massespektrometri. Med dens hjælp bestemmes graden af berigelse af fissile materialer og deres renhed.
Massespektrometri bruges også i medicin. Isotopmassespektrometri af carbonatomer bruges til direkte medicinsk diagnose af human infektion med Helicobacter pylori og er den mest pålidelige af alle diagnostiske metoder. Massespektrometri bruges også til at bestemme tilstedeværelsen af doping i blodet hos atleter.
Det er svært at forestille sig et område med menneskelig aktivitet, hvor der ikke ville være plads til massespektrometri [1] . Vi begrænser os til blot at opremse: analytisk kemi , biokemi , klinisk kemi , generel kemi og organisk kemi , farmaceutiske produkter , kosmetik , parfumeri , fødevareindustri , kemisk syntese , petrokemi og olieraffinering , miljøkontrol , produktion af polymerer og plastiktoksikologi , , retsmedicin , dopingkontrol , kontrol med narkotika , kontrol med alkoholholdige drikkevarer , geokemi , geologi , hydrologi , petrografi , mineralogi , geokronologi , arkæologi , nuklear industri og energi , halvlederindustri , metallurgi .
| Massespektrometri | |
|---|---|
| ionkilde | |
| Masseanalysator |
|
| Detektor |
|
| MS kombination |
|
| Patologi i medicin | |
|---|---|
| patohistologi | Celleskade apoptose Nekrobiose karyopynose karyorrhexis karyolyse Nekrose koagulativ nekrose kollikationsnekrose koldbrand sekvestrering hjerteanfald Cellulær tilpasning Atrofi Hypertrofi Hyperplasi Dysplasi Metaplasi pladeepitel kirtel Dystrofi Protein fed kulhydrat Mineral |
| Typiske patologiske processer |
|
| Laboratoriediagnostik og obduktion _ |
|