Масс-спектрометрия

позволяет получать богатейшую информацию об окружающем нас мире. В настоящее время она является одним из самых мощных универсальных физико-химических методов исследования вещества. По широте и комплексности подхода, чувствительности и точности измерений она успешно дополняет, конкурирует, а зачастую и превосходит другие методы физико-химического анализа. За время её использования она оснастилась богатым арсеналом инструментального и технологического оборудования, современными средствами автоматизации, методического и метрологического обеспечения.
Сегодня масс-спектрометрия представляет собой современную фундаментальную и прикладную физико-химическую науку. В её задачу входит получение и накопление знаний о составе, структуре, физико-химических свойствах вещества, и о происходящих с ним процессах.
Именно эти знания позволили обеспечить и осуществить многие открытия и достижения XX века. Наиболее яркими, из которых, является обеспечение освоения ядерной энергии, развития микроэлектроники, достижения в области физики, химии, биологии, фармакологии и т.д. и т.п.
Сегодня, пожалуй, не найдешь области знаний, где бы не использовалась масс-спектрометрия или результаты ее исследований.

с помощью электрических и магнитных полей в «масс-анализаторах»

Магнитный масс-анализатор
Времяпролетный масс-анализатор
Квадрупольный масс-анализатор
Радиочастотный масс-анализатор
Магниторезонансный масс- анализатор
Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье
преобразованием
7. Орбитальная ионная ловушка

постоянное магнитное поле
бесполевое пространство комбинация постоянноого и высокочастотного электрического поля
высокочастотное электрическое поле
однородное магнитное поле и
переменное электрическое однородное магнитное поле и
переменное электрическое
симметричное статическое электрическое поле
высокочастотное электрическое поле

3

Квадрупольный масс-спектрометры
4. Радиочастотный масс-спектрометры
5. Магниторезонансный масс-спектрометры
6. Масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса
7. Орбитронные масс-спектрометры
и т.д.
Классификация масс-спектрометров может быть поведена по типу:
масс-анализаторов
по способу образования ионов (методу ионизации)
по разрешающей способности
по назначению
и т.д.

4

с ионизацией фотонами
3. Масс-спектрометры с повехностной ионизацией
4. Масс-спектрометры с химической ионизацией
5. Масс-спектрометры с экстракцией ионов из растворов при атмосферном давлении (ЭИР АД)
6. Масс-спектрометры с ионизацией электроспреем (ESI)
7. Масс-спектрометры с ионизацией лазерной десорбцией (MALDI).
8. Масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой (ИСП)
и др.
По назначению
Масс-спектрометры для изотопного анализа
Масс-спектрометры для анализа органических соединений
Масс-спектрометры для космических исследований
Масс-спектрометры для решения технологических задач (течеискатели)
Масс-спектрометры для космических исследований Масс-спектрометры для решения задач протеомики
и др.

5

широкое распространение получило сочетание:
хроматография + масс-спектрометрия (газовые и жидкостные
хромато масс-спектрометры)
капиллярный электрофорез + масс-спектрометрия
пиролиз + масс-спектрометрия спектрометрия ионной
спектрометрия ионной подвижности + масс-спектрометрия
мембранный ввод + масс-спектрометрия
и др.
Новый класс масс-спектрометров
Гибридные масс-спектрометры, которые включают в себя два и более масс-спектрометра, один из которых, может работать как независимый прибор. Современные приборы способны реализовать режимы вплоть до МС12.
Гибридные приборы широко используются в протеомике.

6

университета и национальной лаборатории Беркли на основе углеродной нанотрубки удалось создать компактный масс-спектрометр с атомной чувствительностью, который работает при комнатной температуре.

этого прибора — необходимость превращения объекты взвешивания в ионы (обычно с этой целью используют электроспрейГлавный недостаток этого прибора — необходимость превращения объекты взвешивания в ионы (обычно с этой целью используют электроспрей и ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы, МАЛДИ).
Несколько лет назад было предложено использовать в качестве атомных весов наномеханические резонаторы.
Суть этого способа, не требующего ионизации частиц, состоит в следующем. У каждого резонатора существует своя частота, определяемая его массой. Когда резонатор начинает адсорбировать атомы или молекулы, то изменение его массы вызывает изменение этой частоты. В общем случае соотношение между изменением массы резонатора и сдвигом его частоты определяется геометрией резонатора и расположением адсорбированных частиц.
Если резонатор по форме представляет собой консольную балку, а поглощаемая масса Δm при этом распределяется вдоль него равномерно, то сдвиг частоты Δf можно рассчитать по формуле:   

8

если его масса маленькая, а частота большая. Углеродные нанотрубки идеально подходят для этой цели, обладая меньшими размерами и плотностью, а значит, и массой (равной по порядку величины 10–21 кг) по сравнению с традиционными нанорезонаторами (10–17 кг), изготовленными методом электронно-лучевой литографии.
Именно такой сенсор массы на основе углеродной нанотрубки с двойными стенками и предложили ученые из Калифорнийского технологического института в своей работе An atomic-resolution nanomechanical mass sensor (многослойную нанотрубку такого типа — из вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок — называют «русская матрешка»).

9

где f0 и m0 — начальные частота и масса наноустройства соответственно.

(10–10 мм рт. ст.) (рис. 1b). С вольфрамовой нити, расположенной на расстоянии dCNT = 50,2 см от нанотрубки, испаряются атомы золота, массу которых следует определить. Заслонка регулирует количество попадающих в резонатор атомов золота. Находящиеся на расстоянии dQCM = 12,8 см перпендикулярно направлению испарения взвешиваемых частиц, кварцевые микровесы (QCM, Quartz crystal microbalance) выполняют функцию калибровочного устройства для нанотрубки, контролируя равномерность испарения атомов золота.

10

Рис. 2. Участок схемы, с помощью которой по величине тока автоэлектронной эмиссии детектируют частоту механических колебаний нанотрубки.

времени, когда затвор не пропускает атомы золота в резонатор, белые полосы отвечают времени, когда затвор открыт, и атомы золота достигают поверхности нанотрубки. График во вставке на рисунке а демонстрирует зависимость скорости сдвига частоты резонатора от массового потока, фиксируемого с помощью кварцевых микровесов. b — график, подтверждающий с помощью кварцевых микровесов постоянство скорости испарения атомов золота с вольфрамовой нити.

12

резонатора ученые
использовали уникальную особенность углеродных нанотрубок,
заключающуюся в зависимости между ее механическими колебаниями и
током автоэлектронной эмиссии (рис. 2). Как показали измерения,
до открытия заслонки частота резонатора составила 328,5 МГц.
Из соотношения между частотой резонатора и его массой получаем, что
поглощение одного цептограмма массы (1 цептограмм (цг) = 10–24 кг)
соответствует уменьшению частоты резонатора на Δf = 0,104 МГц (то есть
чувствительность резонатора равна 0,104 МГц/цг).
По резонансному сдвигу частоты исследователи определили (предполагая массу атома золота известной - 0,327 цг), что во время первого открытия заслонки углеродная нанотрубка «вобрала» в себя 51 атом золота (рис. 3a).
Что самое поразительное и важное в этих экспериментах, так это то, что все данные получены и измерены при комнатной температуре! Никакого охлаждения до низких температур не происходило.

13