Добро пожаловать


• Вход  • Регистрация
• Забыли пароль?

Обратная связь

О фирмах

Разделы

Сорбенты

Масс-спектрометры

Масс-спектрометры выделены в отдельный раздел, т.к. могут использоваться как в качестве самостоятельного прибора, так и в качестве детектора в хроматографии. Масс-спектрометр является исключительным важным прибором для идентификации молекул путем измерения отношения их массы к заряду m/z в ионизированном состоянии. Он особенно по­лезен  для обнаружения и анализа макромолекул в следовых количе­ствах менее 1 пг (10~12 г). Принципиальная схема устройства масс-спектрометра включает в себя инжектор (дозатор) проб, ионизатор, анализатор масс и детектор ионов (рис. 1). Сначала проба впрыски­вается в ионизатор, где молекулы образца ионизируются. Затем ионы образца анализируются и регистрируются. Чтобы предотвратить стол­кновение с молекулами газа, ионизатор, анализатор масс и детектор ионов обычно работают в вакууме.

Рис. 1. Принципиальная схема масс-спектрометра.
Способность масс-спектрометра разделять ионы описывается ве­личиной R, которая называется разрешающей способностью (или разре­шением), она определяется как:

R=M/Дт
где M — масса иона, а Дт — разность масс между двумя различимыми пиками. Область значений R обычно находится в интервале между 100 и 500 000.
В соответствии с конструкцией анализатора масс существуют пять ос­новных типов масс-спектрометров (МС):
 
1)  секторные магнитные и (или) электрические МС (рис. 2 и 3);
2) квадрупольные МС (рис. 4);
3) МС с ионной ловушкой (рис. 5);
4)  время-пролетные МС (рис. 6-7);
 

5) МС с преобразованием Фурье (рис. 8).

Времяпролетные масс-спектрометры (ВП-МС) обычно менее до­рогие, чем другие типы масс-спектрометров. По сравнению с квадру-польными МС и многими секторными МС они обладают тем пре­имуществом, что регистрируют массы всех ионов без сканирования, что способствует их высокой чувствительности. Однако у ВП-МС меньшая разрешающая способность и меньший интервал регистри­руемых масс, чем у масс-спектрометров с преобразованием Фурье (МС-ПФ).

Рис. 2. Одиночный магнитный или электрический сектор масс-спект­рометра с одноканальным (а) и многоканальным (б) детекто­ром. Ионы, покидающие источник ионов, ускоряются и про­ходят через сектор, в котором магнитное или электрической» поле прикладывается перпендикулярно к направлению их дви­жения. Поле изгибает траекторию полета ионов и принуждает ионы с различным отношением m/z разлетаться веером. В ска­нирующем анализаторе масс (а) изменяют силу электрическо­го или магнитного поля, при этом каждый раз регистрируется только одна масса. В несканирующем анализаторе (б) все мас­сы регистрируются одновременно (в определенном диапазоне масс) с помощью многоканального детектора.

Рис. 3. Настольный односекторный масс-спектрометр (GCmatell от JEOL Ltd., Токио; Matsuda, 1976, 1981; Matsuda et al., 1974). Схема ионной оптики с высоко эффективной транмиссией.

Рис. 4. Квадрупольный масс-спектрометр. Пучок ионов с помощью элек­трического поля разгоняется до высокой скорости и проходит сквозь квадрупольный анализатор масс, состоящий из четырех металлических стержней. К этим стержням прилагается напря­жение постоянного или переменного тока таким образом, что в каждый момент времени сквозь анализатор пролетают ионы толь­ко с одним соотношением массы к заряду — m/z- Чтобы просканировать различные m/z, напряжение тока варьируют.

Рис. 5. Анализатор масс с ловушкой ионов. С помощью различных высокочастотных сигналов, которые прилагаются к кольцево­му электроду и концевым заглушкам, все ионы улавливаются в полости и затем последовательно испускаются соответственно величине их отношений m/z..Динод [от греч . dyn(amis) — сила и (электр)од], электрод в фотоэлектронномумножителе, обладающий высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.
Времяпролетные (Распространено написание как с дефисом: время-пролетные, так и слитное: времяпролетные) масс-спектрометры отличаются тем, что в них с по­мощью, например, импульса ионизирующего лазера (рис. 6) или с помощью импульса высокого напряжения в электрическом затворе ионы стартуют в одно и то же время. После прохождения через ускоряющую разность потенциалов ион с зарядом z, массой т и скоростью v при­обретает кинетическую энергию Е:
Е=zV=mv2/2

 

Рис. .6. Линейный времяпролетный масс-спектрометр (ВП-МС) с ла­зерной десорбционной ионизацией на матрице (ЛДИМ). Ли­нейная конфигурация ВП-МС представляет простейший ва­риант времяпролетной техники. Типичный диапазон масс ле­жит между 0 и 100 кДа, и типичное разрешение масс R составляет 300—200.

К сожалению, не все ионы стартуют в одно и то же время и не все ионы имеют одну и ту же скорость. Разница в скоростях называется хроматической аберрацией. В простой линейной конст­рукции ВП-МС из-за хроматической аберрации и различий в старто­вом времени очень трудно обеспечить требования, необходимые для высокого разрешения (рис. 6). В отражательном (рефлектронном) ВП-МС (рис. 3.7) ионная оптика обращает направление движе­ния ионов и тем самым снижает хроматическую аберрацию.

Рис. 7. Времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения с рефрактометром.

 
Рис. 8. Принцип работы масс-спектрометра с преобразованием Фу­рье (МС-ПФ). Другое его название: «ион-циклотрон-резонан­сный масс-спектрометр» :
а — ионы впрыскиваются (инжектируются) в ячейку анализатора. Маг­нитное поле вынуждает тепловые ионы вращаться по низким орби­там, радиус которых зависит от отношения массы ионов к их заряду m/t, 6 — прилагаемые высокочастотные импульсы резонансно пере­двигают ионы на более высокие орбиты; в — высокочастотный сиг­нал, порождаемый принудительным вращением ионов, измеряется и подвергается Фурье-преобразованию. Замечательной особенностью МС-ПФ является высокое разрешение (Л), которое обычно превышает 100000.
Существенное улучшение информационного содержания спектров до­стигается фрагментацией образца, которое можно осуществить, напри­мер, в ионизационной камере (рис. 9) или в полости ионной ло­вушки анализатора масс, заполненной инертным газом, например аргоном.

Рис. 9. Секторный масс-спектрометр высокого разрешения с иониза­ционной камерой.
 
Для исследования высоко сложных биосистем, таких как целые клет­ки, масс-спектрометрия часто комбинируется с хроматографическими методами, например как высокоэффективная жидкостная хроматогра­фия (ВЭЖХ) или газовая хроматография (ГХ). В результате получаются двухмерные спектры. При этом значительно усиливается разрешающая способность анализа сложных смесей с большим числом компонентов. Если, например, ионообменная хроматография сырых клеточных экстрактов имеет раз­решение R = 100, а разрешение масс-спектрометра составляет R = 10 000, то их комбинация может дать разрешение R = 1 000 000 для не­больших и среднего размера клеточных белков, для которых результа­ты обоих методов обычно не зависят друг от друга.
Влияние буферных растворов, которое иногда наблюдается при масс-спектрометрии, обычно удается снизить, если увеличить концен­трацию образца, уменьшить концентрацию буфера или сменить буфер.