Масс-спектрограф¶

Масс-спектрограф — это аналитический прибор, предназначенный для разделения ионизированных частиц (атомов, молекул, их фрагментов) по отношению их массы к заряду (m/z) и регистрации полученного масс-спектра. Масс-спектрографы являются подклассом масс-спектрометров, в которых детектирование осуществляется с помощью фотопластинки или иного устройства, фиксирующего пространственное распределение ионов, а не их временные характеристики. Основное применение — определение элементного и изотопного состава вещества, идентификация химических соединений, изучение структуры молекул.

¶История

Первые шаги к созданию масс-спектрографа были сделаны в конце XIX — начале XX века. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон и измерил отношение его массы к заряду. В 1912 году он же сконструировал первый прибор, названный параболическим масс-спектрографом, с помощью которого открыл изотопы неона (²⁰Ne и ²²Ne). Прибор использовал одновременное действие электрического и магнитного полей, отклоняющих ионы по параболам.

В 1918 году американский физик Артур Демпстер создал первый масс-спектрометр с магнитным сектором, а в 1919 году Фрэнсис Астон, ученик Томсона, построил первый масс-спектрограф с фокусировкой по скоростям. Астон использовал его для систематического исследования изотопов многих элементов, за что в 1922 году получил Нобелевскую премию по химии. Его прибор позволял определять массы изотопов с точностью до 1:10000.

В 1930-х годах Кеннет Бейнбридж разработал масс-спектрограф с двойной фокусировкой, который одновременно фокусировал ионы по энергии и по углу разлёта. Это значительно повысило разрешающую способность. В 1940-х годах Альфред Нир создал секторный магнитный масс-спектрометр, ставший основой для многих современных приборов. В СССР первые масс-спектрографы были разработаны в 1950-х годах под руководством академика Александра Бродского.

¶Принцип действия

Работа масс-спектрографа основана на взаимодействии заряженных частиц с электрическими и магнитными полями. Основные этапы:

Ионизация: Исследуемое вещество переводится в газовую фазу и ионизируется. Способы ионизации разнообразны: электронный удар, химическая ионизация, электроспрей (ESI), матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI), индуктивно-связанная плазма (ICP) и другие.
Ускорение: Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем до определённой кинетической энергии.
Разделение: Ионы с разным отношением m/z разделяются в пространстве под действием магнитного поля. В классическом масс-спектрографе (секторном) ионы влетают в магнитное поле, где их траектория искривляется. Радиус кривизны зависит от массы иона, его заряда, скорости и напряжённости магнитного поля. Ионы с меньшей массой отклоняются сильнее, с большей — слабее.
Детектирование: Разделённые ионы попадают на фотопластинку или другой позиционно-чувствительный детектор (например, микроканальную пластину). На фотопластинке после проявления образуются линии (спектр), положение которых соответствует массе иона, а интенсивность (почернение) — его количеству.

¶Классификация

Масс-спектрографы классифицируются по типу анализатора (устройства, разделяющего ионы) и способу детектирования.

¶По типу анализатора

Секторные магнитные: Используют магнитное поле для пространственного разделения ионов. Бывают с одним магнитным сектором (простая фокусировка) и с двойной фокусировкой (электростатический + магнитный сектор). Обеспечивают высокое разрешение (до 100 000 и выше).
Времяпролётные (TOF): Разделяют ионы по времени пролёта до детектора. Ионы с одинаковой энергией, но разной массой, достигают детектора в разное время. В классическом масс-спектрографе TOF-анализатор не используется, так как детектирование идёт по времени, а не по пространству.
Квадрупольные: Используют комбинацию постоянного и радиочастотного электрических полей для фильтрации ионов с определённым m/z. Обычно не относят к масс-спектрографам, так как детектируют последовательно, а не пространственно.
Ионно-циклотронного резонанса (FT-ICR): Ионы захватываются в магнитном поле и возбуждаются радиочастотным импульсом. Частота их циклотронного вращения обратно пропорциональна m/z. Спектр получается преобразованием Фурье сигнала. Обеспечивает наивысшее разрешение.

¶По типу детектора

Фотопластинки: Исторический первый тип. Используются в классических масс-спектрографах. Обеспечивают одновременную регистрацию всего спектра, но неудобны в обработке.
Микроканальные пластины (MCP): Современные позиционно-чувствительные детекторы. Позволяют регистрировать пространственное распределение ионов в реальном времени.
Электронные умножители: Используются в масс-спектрометрах, но не в масс-спектрографах, так как регистрируют ионы последовательно.

¶Применение

Масс-спектрографы и их современные аналоги (масс-спектрометры) широко применяются в науке и промышленности.

¶Научные исследования

Изотопная геохимия: Определение изотопного состава горных пород, минералов, воды для датирования геологических событий (U-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd методы) и изучения геохимических циклов. Масс-спектрографы с двойной фокусировкой используются для высокоточного измерения изотопных отношений.
Ядерная физика: Изучение масс и свойств ядер, поиск сверхтяжёлых элементов. Масс-спектрографы позволяют идентифицировать короткоживущие изотопы.
Космохимия: Анализ состава метеоритов, лунного грунта, образцов с других планет. Например, масс-спектрографы устанавливались на советских автоматических станциях «Луна» и «Венера».
Биохимия и молекулярная биология: Идентификация белков, пептидов, нуклеиновых кислот, метаболитов. Используются методы MALDI-TOF, ESI-MS.

¶Промышленность и технологии

Контроль чистоты веществ: Анализ примесей в газах (особенно в электронной промышленности), полупроводниках, металлах.
Нефтехимия: Определение фракционного и элементного состава нефти и нефтепродуктов.
Фармацевтика: Контроль качества лекарственных средств, анализ метаболизма.
Экология: Мониторинг загрязнений воздуха, воды, почвы. Определение стойких органических загрязнителей (СОЗ), диоксинов, пестицидов.

¶Медицина

Неонатальный скрининг: Определение наследственных заболеваний у новорождённых (фенилкетонурия, муковисцидоз) с помощью тандемной масс-спектрометрии.
Клиническая диагностика: Анализ гормонов, витаминов, лекарственных препаратов в крови и моче.
Протеомика: Идентификация биомаркеров заболеваний.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Высокая чувствительность: Современные масс-спектрографы способны обнаруживать вещества в концентрациях до 10⁻¹⁵ г/мл (фемтограммы).
Высокая точность: Определение массы с точностью до 0,0001 а.е.м. (атомных единиц массы) и выше.
Информативность: Позволяет одновременно определять элементный, изотопный и молекулярный состав.
Универсальность: Применим к широкому кругу веществ — от газов до твёрдых тел.

¶Недостатки

Сложность и высокая стоимость: Оборудование требует квалифицированного обслуживания и дорогостоящих расходных материалов.
Необходимость вакуума: Для работы требуется высокий вакуум (10⁻⁵ — 10⁻⁸ мм рт. ст.).
Сложность интерпретации: Полученный масс-спектр требует анализа и сопоставления с библиотеками спектров.
Ограничения по летучести: Для анализа твёрдых нелетучих веществ требуются специальные методы ионизации (MALDI, ICP).

¶Интересные факты

Первый масс-спектрограф, созданный Фрэнсисом Астоном, весил около 100 кг и занимал целый стол.
С помощью масс-спектрографов были открыты все стабильные изотопы химических элементов, а также многие радиоактивные.
В 1960-х годах советские учёные под руководством Георгия Флёрова использовали масс-спектрограф для поиска сверхтяжёлых элементов в природных образцах.
Современные масс-спектрометры, используемые в протеомике, способны анализировать до 100 000 белков в час.
Масс-спектрографы устанавливались на космические аппараты для анализа состава атмосферы и поверхности планет (например, на «Викинг» для Марса).

¶Источники

А. Н. Бродский, «Масс-спектрометрия», 1953.
Ф. Астон, «Масс-спектры и изотопы», 1942.
Дж. Гросс, «Масс-спектрометрия. Учебник», 2011.
Э. Хоффман, В. Штрообант, «Масс-спектрометрия. Принципы и приложения», 2007.
Большая советская энциклопедия, статья «Масс-спектрограф», 3-е издание.
Научные публикации в журналах «Analytical Chemistry», «Journal of Mass Spectrometry», «Mass Spectrometry Reviews».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →