МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Масс-спектрометрический метод анализа

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Масс-спектрометрический метод анализа

Содержание

2. “If you can't solve a problem by mass spectrometry, it probably isn't worth solving” Fred McLafferty
3. Масс-спектрометрия – метод изучения химического состава и молекулярной струк-туры вещества, а также содержания изотопов конкретного химического
4. Масс-спектр – график зависимости относительного количества ионизированных частиц, полученных при ионизации изучаемого вещества (ось Y), от
5. Джозеф Джон Томсон (1856 –1940) Дж. Томсон (Великобритания) изучал влияние магнит- ного и электрического полей на
6. В 1906 году Дж. Томсон получил Нобелевскую пре-мию по физике за "Выдающиеся заслуги в теорети-ческом и
7. Также в середине 1950-х годов В. Пол разра-ботал квадрупольный масс-анализатор (Нобе-левская премия по физике 1989 г.).
8. Перевод изучаемого вещества в газообразное состояние. Ионизация вещества (превращение его нейтраль-ной молекулы в ионы: М+ или
9. Разделение ионов изучаемого вещества по массе в магнитном поле масс-анализатора mV R = zB При одинаковой
10. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра Перевод вещества в газообразное состояние вакуум Постоянный магнит + _ _ Зона
11. Принципиальная схема масс-спектрометра (четыре базовых компонента конструкции) устройство ионизации анализатор массы детектор ионов система ввода образца
12. А. Система ввода: Используют прямое введение/впрыскивание пробы (в том числе - фракций на выходе из колонки
13. 2. Лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) [Танака, Карас и Хилленкамп, 1988]. Исследуемое вещество
14. Схема ионизации лазерной десорбцией из матрицы (MALDI) Исследуемое вещество, внедрённое в матрицу
15. 3. Ионизация электроспрея (ESI, Electro Spray Ioniza-tion). Электроспрей (электрораспыление) – относи-тельно новый метод ионизации. Вещество на
16. Далее поток ионов проходит через сепаратор, где происходит постепенное снижение давления с при-мерно атмосферного до глубокого
17. Схема ионизации электроспрея (ESI, Electro Spray Ioniza-tion)
18. MALDI и ESI являются в настоящее время самыми распространёнными способами ионизаций для биомолекулярной масс-спектрометрии: позволяют анализировать
19. В. Анализатор массы. 1. Магнитный анализатор. Исторически первый тип анализатора (Демпстер,1918).Физическая основа –изменение траектории полёта заряженной
20. 2. Квадрупольный анализатор. Разработан в середине 50-х годов (Вольфганг Пол, Германия). Анализатор представляет собой систему из
21. Принцип работы квадрупольного анализатора: под действием постоянного и переменного электричес-ких полей ионы с конкретной массой (m/z)
22. 3. Время-пролетный анализатор (Time Of Flight, TOF). Разработан в 1946 году (Уильям Стефенс, США). Принцип работы:
23. + + + V1 V2 V3 - + сетка детектор коллектор ионов Пространство разгона ионов Пространство
24. Детектор ионов. На первых масс-спектрометрах, интенсивность потоков ионов с определенными зна-чениями m/z, регистрировали с помощью фотоплас-тинки
25. Тандемная масс-спектрометрия Тандем (англ. tandem) — расположение один за другим. Распо-ложение однородных машин или их частей
26. Изучаемую смесь веществ ионизируется мягким методом. Образовавшиеся ионы по очереди проходят через первый анализатор. При этом,
27. Принципиальная схема тандемной масс-спектрометрии Ион, полученный в анализаторе I Повышение энергии выбранного иона и его фрагментация
28. Хромато-масс-спектрометрия 1950-е годы были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти и Рихаге). Получилась гибридная установка,
29. Хромато-масс-спектрометрами оснащены лабора-тории допинг-контроля. С помощью хромато-масс-спектрометрии определяют содержание: анаболи-ческих стероидов, анальгетиков, диуретиков, био-стимуляторов, кортикостероидов и
30. Основные характеристики масс-спектрометра, как аналитического прибора Разрешение масс-спектро-метра (R) – возможность получать на данном приборе раздельный
31. 2. Точность. Способность данного масс-спектроме-тра точно определять величину m/z для каждого типа иона. Пример: прибор с
32. Кратко об информации, получаемой с помощью метода масс-спектрометрии Непосредственно измерить массовое число молекулы вещества (её молекулярную
33. Современные базы данных (библиотеки масс-спект-ров) позволяет идентифицировать не только компо-ненты исследуемой смеси и индивидуально охарак-теризовать каждое
35. Скачать презентацию

Слайд 2

“If you can't solve a problem by mass
spectrometry, it probably

isn't worth solving”
Fred McLafferty
«Если те не можешь решить проблему с помощью масс-спектрометрии, то, возможно, её вообще не стоит решать»

Слайд 3

Масс-спектрометрия – метод изучения химического состава и молекулярной струк-туры вещества,

а также содержания изотопов конкретного химического элемента, на основе разделения ионизированных частиц исследуемого вещества (атомов и ионов) с помощью магнитного или электрического полей по величине отношения массы иона к его заряду (m/z).
Благодаря разделению (сортировке) ионов по величине m/z, можно составить спектр масс атомов и молекул, входящих в состав изучаемого вещества, а также изотопов конкретного химического элемента.

Слайд 4

Масс-спектр – график зависимости относительного количества ионизированных частиц, полученных при

ионизации изучаемого вещества (ось Y), от величины m/z для каждой из этих частиц (ось X).

Слайд 5

Джозеф Джон Томсон
(1856 –1940)
Дж. Томсон (Великобритания) изучал влияние магнит-
ного и электрического

полей на движение ионов оста-
точного газа, которые образуются на катоде рентге-
новской трубки. Оказалось, что ионы движутся по па-
раболическим траекториям, кривизна которых про-
порциональна отношению их массы к заряду (m/z).

Слайд 6

В 1906 году Дж. Томсон получил Нобелевскую пре-мию по физике

за "Выдающиеся заслуги в теорети-ческом и экспериментальном изучении электропрово-димости газов".
В 1912 г. Дж. Томсон создал первый масс-спектро-метр и получил масс-спектры молекул O2, N2 и ряда других хим. элементов. Период с 1930-х по начало 1970-х годов особо отме-чен выдающимися достижениями в области развития и совершенствования метода масс-спектрометрии.
Например, в 1950-е годы были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти и Рихаге). Получилсь гибридная установка хромато-масс-спектрометр, что значительно расширило возможности метода.

Слайд 7

Также в середине 1950-х годов В. Пол разра-ботал квадрупольный масс-анализатор

(Нобе-левская премия по физике 1989 г.).
В 1985 г. К. Танака изобрел метод мягкой лазерной десорбции (Нобелевская премия по химии 2002 г.). Это далеко не полный перечень нобелев-ских лауреатов, работавших в области масс-спектрометрии.
Масс-спектромерический метод продолжа-ет совершенствоваться.

Слайд 8

Перевод изучаемого вещества в газообразное состояние.
Ионизация вещества (превращение его нейтраль-ной молекулы

в ионы: М+ или М-).
3. Формирование потока ионов и придание им скорости и определенного направление движения в вакууме с помощью электрического поля высо-кой напряженности.
4. Разделение ионного потока по массам составляю-щих его ионов (точнее по величине m/z), в магнит-ном или электрическом полях (определяется кон-струкцией анализатора).
5. Детектирование массы ионов и составление масс-спектра.

Пять этапов реализации масс-спектрометрии

Слайд 9

Разделение ионов изучаемого вещества по массе в магнитном поле масс-анализатора
mV
R

=
zB

При одинаковой
величине заряда
иона, труднее
«развернуть» ион,
у которого больше
масса (большая
инерция) – траек-
тория его полёта
будет более
пологой.

Слайд 10

Принципиальная схема магнитного
масс-спектрометра
Перевод
вещества в
газообразное
состояние
вакуум
Постоянный
магнит
+
_
_
Зона
ионизации
Зона
«разгона»
ионов
Зона
«сортировки»
или анализа
ионов

по
массе (m/z)

Детектор

Слайд 11

Принципиальная схема масс-спектрометра
(четыре базовых компонента конструкции)
устройство ионизации
анализатор
массы
детектор
ионов
система
ввода
образца
компьютер
ВАКУУМ,

~10-6 Торр

В конструкции всех первых масс-спектрометров и в
большинстве конструкций современных приборов,
ваккум необходим для:
продления «жизни» ионов, полученных из изучаемого
вещества
избежать образования новых соединений между ио-
нами и молекулами воздуха

Слайд 12

А. Система ввода:
Используют прямое введение/впрыскивание пробы
(в том числе

- фракций на выходе из колонки газо-
жидкостного хроматографа), либо введение пробы,
предварительно размещенной на специальной под-
ложке. Вакуум сохраняется благодаря использова-нию вакуумного клапана.
Б. Устройство ионизации:
1. Электронная ионизация: ионизация паров вещества потоком е-, разогнанных в электрическом поле до энергии 70 эв. е- передает часть своей энергии нейтральной молекуле, что приводит к отрыву от нее одного или нескольких е- с образованием иона M+. В зависимости от энергии ионизирующих е- - м.б. раз-рыв связей в ионизируемой молекуле и её фрагмен-тация.

Слайд 13

2. Лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI,
Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) [Танака,
Карас

и Хилленкамп, 1988]. Исследуемое вещество
сначала вводят в матрицу - перемешивают с веще-
ством с меньшим М.В. и высокой способностью по-
глощать лазерное излучение (коричная кислота) и наносят на подложку. Подложка с матрицей помеща-ется в ионный источник, где в качестве ионизатора выступает короткий импульс (0.1 нс - 1 мкс) лазерного излучения. Луч вызывает испарение вещества матри-цы, молекулы которой захватывают за собой молеку-лы исследуемого вещества. В процессе испарения часть молекул изучаемого вещества ионизируется и далее увлекается электрическим полем в сторону анализатора.

Слайд 14

Схема ионизации лазерной десорбцией из матрицы (MALDI)
Исследуемое вещество,
внедрённое
в матрицу

Слайд 15

3. Ионизация электроспрея (ESI, Electro Spray Ioniza-tion). Электроспрей (электрораспыление) – относи-тельно

новый метод ионизации. Вещество на иони-зацию поступает в растворе полярного растворителя (вода, метанол и т.д.). Капля раствора подается в специальный металлический капилляр, к которому приложено высокое (несколько кВ) напряжение. Капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (N2). Объем капли уменьшается, ее поверхностный заряд растет – и капля «взрывается» на более мелкие капли, заряженные положительно.

Слайд 16

Далее поток ионов проходит через сепаратор, где происходит постепенное снижение

давления с при-мерно атмосферного до глубокого вакуума. Ионизи-рованные частицы, состоящие из молекул исследу-емого вещества, поступают на устройство анализа-тора массы.

Слайд 17

Схема ионизации электроспрея
(ESI, Electro Spray Ioniza-tion)

Слайд 18

MALDI и ESI являются в настоящее время самыми распространёнными способами

ионизаций для биомолекулярной масс-спектрометрии: позволяют анализировать широкий диапазон масс и обладают высокой чувствительностью.

Слайд 19

В. Анализатор массы.
1. Магнитный анализатор. Исторически первый тип анализатора (Демпстер,1918).Физическая основа

–изменение траектории полёта заряженной частицы под действием магнитного поля.

Схема масс-спектрометра с магнитным анализатором

Слайд 20

2. Квадрупольный анализатор. Разработан в середине 50-х годов (Вольфганг Пол, Германия).

Анализатор представляет собой систему из четырех стержней –
- электродов. На пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами.
Такая конструкция позволила создать очень компакт-ный масс-спектрометр.

Слайд 21

Принцип работы квадрупольного анализатора: под действием постоянного и переменного электричес-ких полей

ионы с конкретной массой (m/z) испыты-вают стабильные колебания и могут пройти через квадрупольный «фильтр» (между электродами вдоль осевой линии) только при определенных значениях постоянного и переменного напряжения на электро-дах. Только эти ионы могут далее попасть на детек-тор. Ионы с другими массами при этом движутся слишком далеко от главной оси системы, выбывают из потока и не доходят до детектора.
Меняя напряжения на стержнях можно по очереди пропускать через такой «фильтр» ионы с разными значениями m/z, то есть, производить развертку масс-спектра.

Слайд 22

3. Время-пролетный анализатор (Time Of Flight, TOF).
Разработан в 1946 году

(Уильям Стефенс, США). Принцип работы: ионы с большой массой труднее разогнать из-за их большой инерции. Эти ионы, после разгона электрическим полем, двигаются дальше уже в бесполевом отсеке. Они движутся медленнее и прилетают к детектору позже легких ионов.
Если принять, что все ионы заряжены одинаково, то время в пути - прямо пропорционально квадратному корню из массы иона. Иными словами, сначала к де-тектору прилетят легкие ионы, затем те, что тяжелее.
Время-пролетный масс-спектрометр несколько ус-тупает по чувствительности магнитному, но обладает огромным быстродействием, поскольку спектр ионов в широком диапазоне их масс регистрируется за один проход.

Слайд 23

+
+
+
V1
V2
V3
-
+
сетка
детектор
коллектор ионов
Пространство
разгона ионов
Пространство (дистанция)
без электрического поля
Импульс постоянного
электрического поля
V3 > V2 >

Схема время-пролетного анализатора
(Time Of Flight, TOF)

Дрейф ионов с разными скоростями

Слайд 24

Детектор ионов. На первых масс-спектрометрах,
интенсивность потоков ионов с определенными зна-чениями

m/z, регистрировали с помощью фотоплас-тинки (чем интенсивнее поток конкретной группы ионов, тем сильнее засвечивалась зона на пластике).
В настоящее время используется электронный умно-житель (ЭУ).

Схема действия
электронного
умножителя (ЭУ)

Разделенные с помощью
анализатора потоки ионов фокусируются
на вход ЭУ с помощью электрического поля.

Слайд 25

Тандемная масс-спектрометрия
Тандем (англ. tandem) — расположение один за другим. Распо-ложение однородных машин или их

частей в одном агрегате друг за другом, на одной оси, по одной линии.
Одним из недостатков прямого ввода образца в камеру масс-спектрометра для испарения является потенциально возможное искажение будущего масс-спектра за счет примесей, изначально присутствую-щих в образце. Возникают дополнительные пики, затрудняющие интерпретацию масс-спектра.
Одним из вариантов решения всех этих проблем стало использование тандемной масс-пектрометрии. Эта техника применяется со всеми описанными выше анализаторами и используется для анализа самых
разных классов соединений.

Слайд 26

Изучаемую смесь веществ ионизируется мягким методом.
Образовавшиеся ионы по

очереди проходят через первый анализатор. При этом, в анализаторе увеличивают внутреннюю энергию полученных ионов (спец. методом), что вызывает фрагмента-цию ионов.
Ионы с повышенной энергией направляют во второй анализатор и получают масс-спектр индиви-дуального соединения.

Слайд 27

Принципиальная
схема тандемной
масс-спектрометрии
Ион, полученный в
анализаторе I
Повышение энергии
выбранного иона

и
его фрагментация

Слайд 28

Хромато-масс-спектрометрия
1950-е годы были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти

и Рихаге). Получилась гибридная установка, сочетающая физи-ко-химическй метод, предназначенный для разделе-ния и анализа смесей (газовая хроматография) с масс-спектрометрией. Сначала на газовом хромато-графе разделяют компоненты изучаемой смеси. Затем каждый компонент (находится в форме паров) по отдельности направляют на вход масс-спектро-метра.

Газовый
хроматограф

Устройство сбора фракций
Масс-
спектрометр

Масс-
спектр

Схема установки для хромато-масс-спектрометрии

Слайд 29

Хромато-масс-спектрометрами оснащены лабора-тории допинг-контроля. С помощью хромато-масс-спектрометрии определяют содержание: анаболи-ческих стероидов,

анальгетиков, диуретиков, био-стимуляторов, кортикостероидов и др.
Современные масс-спектрометры довольно компактны и способны обнаружить в крови или моче спортсмена миллиардную долю этих запре-щенных МОК препаратов или продуктов их распада в организме.
Хромато-масс-спектрометрия применяется для контроля загрязения окружающей среды опасными для здоровья человека веществами-ксенобиотика-ми (экологический мониторинг). На таможнях – спо-соб обнаружения следов наркотиков. При нефтераз-ведке - контроль состава нефти данного месторож-дения.

Слайд 30

Основные характеристики масс-спектрометра, как аналитического прибора
Разрешение масс-спектро-метра (R) –

возможность получать на данном приборе раздельный сигнал от двух ионов, с массами m и (m + Δm).
В зависимости от глубины ложбины между двумя сосед-ними пиками принято гово-рить о разрешении на уровне 10% от высоты пиков для магнитных приборов и 50% - для квадрупольных.

1. Разрешающая способность (разрешение).

Слайд 31

2. Точность. Способность данного масс-спектроме-тра точно определять величину m/z для каждого

типа иона. Пример: прибор с точностью 0,01% даёт информацию о 1000 Да пептиде с точностью ±0,1 Да, а для 10000 Да белка - ±1,0 Да. Точность в большой степени зависит от разрешаюшей способности (раз-решения) прибора.
3. Диапазон масс. Это диапазон значений m/z, кото-рый способен определить анализатор масс.
Пример: квадрупольные анализаторы обычно определяют m/z до 3000. Анализатор магнитного сектора обычно определяет m/z до 10000, а время-пролётные анализаторы способны охватить практи-чески неограниченный диапазон масс ионов.

Слайд 32

Кратко об информации, получаемой с помощью метода масс-спектрометрии
Непосредственно измерить массовое число

молекулы вещества (её молекулярную массу).
2. Масс-спектрометрия высокого разрешения позволяет не только с высокой точностью определить молекулярную массу, но и по дан-ным соответствующих таблиц можно получить брутто-формулу вещества.
3. На основе полученного масс-спектра изучаемого вещества возможно провести его идентифика-цию с помощью библиотеки масс-спектральных данных, а также по характеру фрагментации изучаемой молекулы предположить её строение.

Слайд 33

Современные базы данных (библиотеки масс-спект-ров) позволяет идентифицировать не только компо-ненты исследуемой

смеси и индивидуально охарак-теризовать каждое из соединений.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Масс-спектрометрический метод анализа

Содержание

“If you can't solve a problem by mass spectrometry, it probably

Масс-спектрометрия – метод изучения химического состава и молекулярной струк-туры вещества,

Масс-спектр – график зависимости относительного количества ионизированных частиц, полученных при

Джозеф Джон Томсон(1856 –1940)Дж. Томсон (Великобритания) изучал влияние магнит-ного и электрического

В 1906 году Дж. Томсон получил Нобелевскую пре-мию по физике

Также в середине 1950-х годов В. Пол разра-ботал квадрупольный масс-анализатор

Перевод изучаемого вещества в газообразное состояние.Ионизация вещества (превращение его нейтраль-ной молекулы

Разделение ионов изучаемого вещества по массе в магнитном поле масс-анализатора mVR

А. Система ввода: Используют прямое введение/впрыскивание пробы (в том числе

2. Лазерная десорбция/ионизация из матрицы (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) [Танака, Карас

Схема ионизации лазерной десорбцией из матрицы (MALDI)Исследуемое вещество, внедрённое в матрицу

3. Ионизация электроспрея (ESI, Electro Spray Ioniza-tion). Электроспрей (электрораспыление) – относи-тельно

Далее поток ионов проходит через сепаратор, где происходит постепенное снижение

Схема ионизации электроспрея (ESI, Electro Spray Ioniza-tion)

MALDI и ESI являются в настоящее время самыми распространёнными способами

В. Анализатор массы.1. Магнитный анализатор. Исторически первый тип анализатора (Демпстер,1918).Физическая основа

2. Квадрупольный анализатор. Разработан в середине 50-х годов (Вольфганг Пол, Германия).

Принцип работы квадрупольного анализатора: под действием постоянного и переменного электричес-ких полей

3. Время-пролетный анализатор (Time Of Flight, TOF). Разработан в 1946 году

+++V1V2V3-+сеткадетекторколлектор ионовПространстворазгона ионовПространство (дистанция)без электрического поляИмпульс постоянногоэлектрического поляV3 > V2 >

Детектор ионов. На первых масс-спектрометрах,интенсивность потоков ионов с определенными зна-чениями

Тандемная масс-спектрометрияТандем (англ. tandem) — расположение один за другим. Распо-ложение однородных машин или их

Изучаемую смесь веществ ионизируется мягким методом. Образовавшиеся ионы по

Принципиальная схема тандемной масс-спектрометрииИон, полученный в анализаторе IПовышение энергии выбранного иона

Хромато-масс-спектрометрия 1950-е годы были соединены газовый хроматограф и масс-спектрометр (Голке, Маклаферти