Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия — это метод анализа вещества, основанный на измерении отношения массы заряженных частиц (ионов) к их заряду (m/z). Метод позволяет идентифицировать химические соединения, определять их изотопный и элементный состав, а также изучать структуру молекул. Масс-спектрометрия широко применяется в химии, физике, биологии, медицине, фармацевтике, экологии, геологии и других областях.

Физические основы метода

Масс-спектрометрия основана на трёх ключевых этапах: ионизация образца, разделение ионов по величине m/z и детектирование полученных ионов.

Ионизация

Для перевода нейтральных атомов или молекул в заряженное состояние используются различные методы ионизации. Выбор метода зависит от типа образца (газ, жидкость, твёрдое тело) и целей анализа.

• Электронная ионизация (EI). Образец в газовой фазе бомбардируется электронами с энергией 70 эВ. Приводит к интенсивной фрагментации молекул, что позволяет получать структурную информацию. Используется в газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС).
• Химическая ионизация (CI). Ионизация происходит за счёт реакций ион-молекула. Обычно используется реагентный газ (метан, аммиак). Мягкий метод, дающий информацию о молекулярной массе.
• Электрораспылительная ионизация (ESI). Жидкий образец распыляется в сильном электрическом поле, образуя заряженные капли. При испарении растворителя образуются ионы. Мягкий метод, подходит для анализа крупных биомолекул (белков, пептидов, нуклеиновых кислот). Часто используется в жидкостной хромато-масс-спектрометрии (ЖХ-МС).
• Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI). Образец смешивается с матрицей, поглощающей лазерное излучение. Под действием импульсного лазера происходит десорбция и ионизация. Мягкий метод, позволяющий анализировать высокомолекулярные соединения.
• Индуктивно-связанная плазма (ICP). Образец в виде аэрозоля вводится в аргоновую плазму высокой температуры (около 6000–10000 K). Все атомы образца ионизируются, что позволяет проводить элементный и изотопный анализ.

Разделение ионов (масс-анализаторы)

После ионизации ионы направляются в масс-анализатор, где происходит их разделение по величине m/z.

• Квадрупольный масс-анализатор. Состоит из четырёх параллельных стержней, на которые подаётся комбинация постоянного и переменного напряжения. Ионы с определённым m/z проходят через квадруполь, остальные — отклоняются. Прост, надёжен, широко распространён.
• Времяпролётный масс-анализатор (TOF). Ионы ускоряются до одинаковой кинетической энергии и пролетают через бесполевое пространство. Время пролёта до детектора обратно пропорционально квадратному корню из m/z. Обеспечивает высокое разрешение и чувствительность.
• Ионная ловушка (Ion Trap). Ионы удерживаются в трёхмерном электрическом поле, создаваемом кольцевым и двумя торцевыми электродами. Путём изменения параметров поля можно последовательно выбрасывать ионы на детектор. Позволяет проводить многостадийную масс-спектрометрию (МС/MS).
• Магнитный секторный анализатор. Ионы отклоняются в магнитном поле, радиус траектории зависит от их m/z. Обеспечивает очень высокое разрешение, но громоздок и дорог.
• Орбитальная ловушка (Orbitrap). Ионы вращаются вокруг центрального электрода в электростатическом поле. Частота их вращения зависит от m/z. Обеспечивает сверхвысокое разрешение и точность измерения массы.

Детектирование

После разделения ионы регистрируются детектором. Наиболее распространённые типы:

• Электронный умножитель (EM). Ионы, попадая на диноды, выбивают вторичные электроны, что приводит к усилению сигнала.
• Фарадеевский цилиндр. Измеряет ток, создаваемый ионами. Используется для точных количественных измерений.
• Микроканальная пластина (MCP). Позволяет регистрировать единичные ионы с высоким временным разрешением.

Масс-спектр

Результатом анализа является масс-спектр — график зависимости интенсивности сигнала (числа ионов) от отношения m/z. Каждый пик на спектре соответствует иону с определённой массой. Положение пика (m/z) позволяет идентифицировать ион, а его интенсивность — оценить относительное количество данного иона в образце. Для сложных смесей масс-спектр представляет собой совокупность пиков, соответствующих различным компонентам.

Применение

Химия и биохимия

• Идентификация органических соединений. Сравнение масс-спектра неизвестного вещества с библиотеками спектров.
• Определение молекулярной массы. Мягкие методы ионизации (ESI, MALDI) позволяют точно определить массу крупных молекул.
• Структурный анализ. Фрагментация молекул при EI даёт информацию о строении.
• Протеомика. Идентификация и количественный анализ белков и пептидов. Используется для изучения экспрессии генов, посттрансляционных модификаций.
• Метаболомика. Анализ метаболитов в биологических жидкостях и тканях. Применяется для диагностики заболеваний, поиска биомаркеров.
• Анализ нуклеиновых кислот. Определение последовательности ДНК и РНК, выявление мутаций.

Медицина и фармацевтика

• Клиническая диагностика. Анализ крови, мочи, других биологических жидкостей для выявления наследственных нарушений обмена веществ, отравлений, инфекций.
• Фармакокинетика. Изучение всасывания, распределения, метаболизма и выведения лекарственных средств.
• Контроль качества лекарств. Определение чистоты и подлинности субстанций и готовых форм.
• Неонатальный скрининг. Выявление наследственных заболеваний у новорождённых.

Экология и контроль качества

• Анализ загрязнителей окружающей среды. Определение пестицидов, полихлорированных бифенилов (ПХБ), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в воде, почве, воздухе.
• Контроль качества пищевых продуктов. Выявление остаточных количеств ветеринарных препаратов, пестицидов, микотоксинов, ГМО.
• Криминалистика и судебная экспертиза. Анализ наркотических средств, взрывчатых веществ, токсинов, биологических следов.

Геология и материаловедение

• Изотопная геохронология. Определение возраста горных пород и минералов по соотношению изотопов (U-Pb, Rb-Sr, K-Ar).
• Элементный анализ. Определение элементного состава руд, сплавов, керамики, полупроводников.
• Анализ поверхности. Исследование состава тонких плёнок и поверхностных слоёв материалов.

История

Основы масс-спектрометрии были заложены в конце XIX — начале XX века. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон и измерил его отношение массы к заряду. В 1912 году он создал первый масс-спектрограф, с помощью которого обнаружил существование изотопов неона (²⁰Ne и ²²Ne). В 1919 году Фрэнсис Астон усовершенствовал прибор и открыл большое количество изотопов, за что получил Нобелевскую премию по химии в 1922 году.

В 1930-х годах были разработаны первые масс-спектрометры для анализа органических соединений. В 1940-х годах Альфред Нир создал секторный масс-спектрометр, который стал основой для многих приборов. В 1950-х годах появились первые коммерческие масс-спектрометры. В 1960-х годах началось использование масс-спектрометрии в сочетании с газовой хроматографией (ГХ-МС). В 1980-х годах были разработаны методы мягкой ионизации (ESI, MALDI), что позволило анализировать биополимеры. В 1990-х годах появились времяпролётные и ионно-циклотронные масс-спектрометры с высоким разрешением. В 2000-х годах была создана орбитальная ловушка (Orbitrap), которая обеспечила сверхвысокое разрешение и точность.

Источники

1. Хоффманн Э. де, Строобан В. Масс-спектрометрия. Принципы и применение. — М.: Техносфера, 2003.
2. Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. — М.: Бином, 2003.
3. Gross J. H. Mass Spectrometry: A Textbook. — Springer, 2017.
4. Dass C. Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. — Wiley, 2007.
5. Watson J. T., Sparkman O. D. Introduction to Mass Spectrometry: Instrumentation, Applications, and Strategies for Data Interpretation. — Wiley, 2007.