Министерство сельского хозяйства РФ
Департамент научно-технологической политики
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет»
Кафедра: ТПППЖ и Т
Дисциплина: Физико-химические методы анализа с/х сырья
Доклад на тему:
«Масс-спектрометр»
Выполнил: Ли Ёнг Джу
студент группы Т-11
Проверил: Петрухина Е. А.,
к. б. н., доцент
Волгоград, 2017
Содержание
| Введение……………………………………………………………………….. | 3 |
| 1. История масс-спектрометрии……………………………………………... | 5 |
| 2. Принцип работы и устройство масс-спектрометра……………………… | 7 |
| 2.1. Источники ионов…………………………………………………………. | 7 |
| 2.2. Масс-анализаторы………………………………………………………... | 9 |
| 2.3. Детекторы………………………………………………………………… | 10 |
| 2.4. Хромато-масс-спектрометрия…………………………………………… | 11 |
| 2.5. Характеристики масс-спектрометров и масс-спектрометрических детекторов……………………………………………………………………... |
12 |
| 3. Применение масс-спектрометра в пищевой промышленности…………. | 14 |
| Заключение…………………………………………………………………….. | 16 |
| Список использованной литературы………………………………………… | 17 |
Введение
Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество (см.: ионизация). История масс-спектрометрии ведётся с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX века. Окончание «-метрия» термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.
Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества.
Масс-спектрометрия в широком смысле — это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые в свою очередь получаются при помощи масс-спектрометров.
Масс-спектрометр — это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, и необходимый для получения масс-спектра.
Масс-спектр, как и любой спектр, в узком смысле — это зависимость интенсивности ионного тока (количества) от отношения массы к заряду (качества). Ввиду квантования массы и заряда типичный масс-спектр является дискретным. Обычно (в рутинных анализах) так оно и есть, но не всегда. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации и вторичные процессы в масс-спектрометре могут оставлять свой след в масс-спектре. Так ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным. Поэтому масс-спектр в широком смысле — это нечто большее, несущее специфическую информацию, и делающее процесс его интерпретации более сложным и увлекательным.
Ионы бывают однозарядные и многозарядные, причём как органические, так и неорганические. Большинство небольших молекул при ионизации приобретает только один положительный или отрицательный заряд. Атомы способны приобретать более одного положительного заряда и только один отрицательный. Белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды.
Атомы химических имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав. Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул.
В органических веществах молекулы представляют собой определённые структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс-спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом, можно получать данные о структуре вещества.
1. История масс-спектрометрии
1912 год — Томсон создает первый масс-спектрограф и получает масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена.
1913 год — С помощью своего масс-спектрографа Томсон открывает изотопы неона: неон-20 и неон-22.
1923 год — Астон измеряет с помощью масс-спектрометра дефект массы.
1934 год — Конрад применяет масс-спектрометрию для анализа органических молекул.
1940 год — Нир с помощью препаративной масс-спектрометрии выделяет уран-235.
1940 год — Нир создает первый надежный источник электронного удара, применив ионизационную камеру.
1948 год — Камероном и Эггером создан первый масс-спектрометр с время-пролётным масс-анализатором.
1952 год — Тальрозе и Любимова впервые наблюдают сигнал метония CH5+ в ионном источнике электронного удара при повышенном давлении метана в ионизационной камере (в 1966 Мансон и Филд применят это открытие для аналитических целей и создадут ионный источник с химической ионизацией).
1953 год — Пауль патентует квадрупольный масс-анализатор и ионную ловушку.
1956 год — МакЛаферти и Голке создают первый газовый хромато-масс-спектрометр.
1966 год — Мансон и Филд создают ионный источник с химической ионизацией.
1972 год — Каратаев и Мамырин изобретают время-пролётный масс-анализатор с фокусировкой, значительно улучшающий разрешение анализатора.
1974 год — Первый жидкостный хромато-масс-спектрометр создан Арпино, Болдуином и МакЛаферти
1981 год — Барбер, Бордоли, Седжвик и Тайлор создают ионизатор с бомбардировкой быстрыми атомами (FAB).
1982 год — Первый масс-спектр целого белка (инсулин) с помощью бомбардировки быстрыми атомами (FAB).
1983 год — Бланки и Бестал изобретают термоспрей.
1984 год — Л. Н. Галль, а затем Фенн публикуют работы по методу электроспрей.
1987 год — Карас, Бахман, Бар и Хилленкамп изобретают ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).
1999 год — Александр Макаров изобретает электростатическую ионную ловушку.
2. Принцип работы и устройство масс-спектрометра
Принципиально масс-спектрометр состоит из четырех блоков: системы напуска, ионного источника, системы магнитной фокусировки и детектора (рис.1). В системе напуска образец анализируемого вещества испаряют в вакууме. Образовавшиеся пары поступают в ионный источник, где подвергаются бомбардировке пучком ускоренных электронов (энергия обычно порядка десятков электронвольт). Энергия облучения расходуется на выбивание электронов из молекул анализируемого вещества - последние превращаются в положительно заряженные ион-радикалы. Такие частицы высоко реакционноспособны и нестойки. Тут же в ионизационной камеры они претерпевают распад на заряженные и незаряженные осколки (отсюда название метода «осколочная масс-спектрометрия»).
2.1. Источники ионов
Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. Вторым необходимым условием является перевод ионов в газовую фазу в вакуумной части масс спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).
Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.
Газовая фаза
электронная ионизация (EI)
химическая ионизация (CI)
электронный захват (EC)
ионизация в электрическом поле (FI)
Жидкая фаза
термоспрей
ионизация при атмосферном давлении (AP)
электроспрей (APESI)
химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)
Твёрдая фаза
прямая лазерная десорбция - масс-спектрометрия (LDMS)
матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)
масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS)
бомбардировка быстрыми атомами (FAB)
десорбция в электрическом поле (FD)
плазменная десорбция (PD)
В неорганической химии для анализа элементного состава применяются жёсткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твёрдом теле гораздо больше и значительно более жёсткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы.
ионизация в индуктивно-связанной плазме (ICP)
термоионизация или поверхностная ионизация
ионизация в тлеющем разряде и искровая ионизация (см. искровой разряд)
ионизация в процессе лазерной абляции
Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, то есть перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти всё, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т. д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть всё то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются, в основном, два из них — ионизация при атмосферном давлении и её подвиды — электроспрей (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI), а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).
2.2. Масс-анализаторы
Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс- спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:
Непрерывные масс-анализаторы:
Магнитный и электростатический секторный масс-анализатор (англ. Sector instrument)
Квадрупольный масс-анализатор (англ. Quadrupole mass analyzer)
Импульсные масс-анализаторы:
Времяпролётный масс-анализатор (англ. Time-of-flight mass spectrometry)
Ионная ловушка (англ. Ion trap)
Квадрупольная линейная ловушка (англ. Quadrupole ion trap)
Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (англ. Fourier transform ion cyclotron resonance)
Орбитрэп (англ. Orbitrap)
Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые — порциями, через определённые интервалы времени.
Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс спектрометры применяются, как правило, вместе с «мягкими» методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространёнными конфигурациями тандемных масс спектрометров являются квадруполь-квадрупольная и квадруполь-времяпролётная.
2.3. Детекторы
Итак, последним элементом описываемого нами упрощённого масс-спектрометра, является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него ещё большее количество электронов и т. д. Другой вариант — фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора. Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).
2.4. Хромато-масс-спектрометрия
Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений.
Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (то есть, 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать какие это компоненты (идентифицировать их) и узнать сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами («Хромасс»).
Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрее (ESI) и химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС (англ. LC/MS). Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса. Они также носят название FT/MS, поскольку в них используется Фурье преобразование сигнала.
2.5. Характеристики масс-спектрометров и масс-спектрометрических детекторов
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.
Важнейшая характеристика при анализе органических соединений — это чувствительность. Для того, чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр — достоверность. Ведь если Вы записывали только один пик из всего характеристического масс-спектра, Вам понадобится ещё много поработать, чтобы доказать, что этот пик соответствует именно тому компоненту, который Вас интересует. Как же разрешить эту проблему? Использовать высокое разрешение на приборах с двойной фокусировкой, где можно добиться высокого уровня достоверности не жертвуя чувствительностью. Или использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий материнскому иону можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Итак, абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.
По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, применённых в них, например, использованию искривлённого квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор и, следовательно, снижению шума.
3. Применение масс-спектрометра в пищевой промышленности
Масс-спектрометрия стабильных изотопов позволяет решать множество как сугубо научных, так и прикладных вопросов в самых различных областях. Далеко не полный их перечень включает в себя такие дисциплины, как, например, геология и геохимия, экология, нефтехимия, археология и палеоклиматология, биология и медицина, криминалистика.
Немало задач способна разрешить изотопная масс-спектрометрия также в пищевой промышленности и смежных с нею областях. Многочисленны примеры как выявления фактов фальсификации различных пищевых продуктов, соков, ароматизаторов, эфирных масел, так и дифференциации их происхождения – из натурального или синтетического сырья.
Завершим популяризацию метода и его возможностей парочкой элегантных иллюстраций на конкретных примерах, связанных с тем, что мы пьём и употребляем в пищу.
В совместной работе германо-японской команды учёных (J. Agric. Food Chem. 2005) были получены результаты по изотопным соотношениям углерода и водорода для ряда образцов g- и d-декалактона – выделенных из плодов растений рода Prunus, а также синтезированных обычными химическими и биотехнологическими методами. Значения величин d(13С) и d(2Н) приведены в виде двумерных диаграмм:
|
|
|
| Значения d(13С) и d(2Н) для g-декалактона (слева) и d-декалактона (справа), выделенных из персиков (p), абрикосов, нектаринов, полученных синтетически (n) и биотехнологическими методами (u) | |
Как мы видим, метод позволяет чётко дифференцировать лактоны, выделенные из фруктов, от их собратьев, полученных в результате химических превращений – то есть FTNF-ароматизатор, к примеру, «Персик» легко можно отличить от «Сочного Абрикоса» – аналога, собранного из натуральных, но биотехнологически полученных компонентов, или из идентичной натуральному синтетики.
Различия между образцами, синтезированными обычными химическими способами и полученными с применением методов биотехнологии, для этих лактонов менее критичны. Для выявления происхождения какого-нибудь гипотетического образца g-декалактона данных может оказаться недостаточно для однозначного соотнесения (к примеру, если полученный результат измерения окажется между ближайшими u и n). В таких случаях большая точность достигается статистически анализом большего количества образцов известного происхождения – достоверность интерпретации результатов изотопного масс-спектрометрического анализа максимальна при наличии достаточной коллекции стандартов.
Как известно, натуральное эфирное масло горчицы (горчичный эфир), выделяемое из жмыха семян, применяется в качестве вкусоароматической добавки при производстве горчицы, майонезов и различных соусов. Основной компонент этого эфирного масла – аллил изотиоцианат – может также быть получен химическим путём. Его дешевизна обуславливает экономическую выгоду частичной или полной замены натурального масла синтетическим горчичным эфиром.
Таким образом, разработанные подходы использованы для установления фактов фальсификации и контрафакции продуктов и материалов.
Заключение
Масс-спектрометрия становится важным методом анализа биологических и небиологических макромолекул. Она является одним из самых чувствительных и точных методов, способным определять всего лишь сотни молекул, уступая в этом только радиационным методам анализа. Разрешение некоторых методов достигает 30000, что означает точность порядка десятков ppm. Такая точность даёт возможность изотопного анализа макромолекул, таких, как белки, а также определения дефекта массы и расчёта брутто-формулы лёгких молекул и даже белков только по данным определения молекулярной массы и изотопного распределения.
Фрагментарная информация, особенно при использовании тандемной масс-спектрометрии даёт возможность определять структуру молекулы, а также, в ограниченных масштабах, механизмы газофазных реакций и реакционные центры исследуемых молекул.
Вместе с тем, масс-спектрометрия является одним из самых дорогих методов анализа, наряду с ЯМР-спектрометрией, уступая в этом только рентгеноструктурному анализу. Это обусловлено, главным образом, необходимостью организации высокого вакуума внутри прибора и связанных с этим трудностей при выборе оборудования.
Список использованной литературы
1. Дерффель К. Статистика в аналитической химии / Пер. с нем. М.: Мир, 2014.
2. Золотов Ю. А. Основы аналитической химии / Под ред. Ю. А. Золотова. В 2-х т. М.: Высш. шк., 2013.
3. Золотов Ю. А. Основы аналитической химии. Практическое руководство / Под ред. Ю. А. Золотова. М.: Высш. шк., 2013.
4. Золотов Ю. А., Кузьмин Н. М. Концентрирование следов элементов. М.: Наука, 2015.
5. Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа / Пер. с нем. М.: Мир, 2014.
6. Москвин Л. Н., Царицына Л. Г. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии. Л.: Химия, 2011.
7. Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В 2-х т. М.: Химия, 2012.
8. Сабадвари Ф., Робинсон А. История аналитической химии / Пер. с англ. М.: Мир, 2014.
9. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии / Пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 2013.
10. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа / Пер. с англ. М.: Мир, 2015.
