Hmotnostní spektrometrie (hmotnostní spektroskopie, hmotnostní spektrografie, hmotnostní spektrální analýza, hmotnostní spektrometrická analýza) je metoda pro studium a identifikaci látky , která umožňuje určit koncentraci různých složek v ní ( izotopové , elementární nebo chemické složení ). Základem měření je ionizace složek, která umožňuje fyzikálně rozlišit složky na základě poměru hmotnosti k náboji , který je charakterizuje, a měřením intenzity iontového proudu provést samostatný výpočet zlomekkaždou ze složek (získat hmotnostní spektrum látky).
Vzhledem k tomu, že chemické složení umožňuje posoudit vlastnosti a původ látky, má hmotnostní spektrometrie velký význam ve vědě , průmyslu i medicíně .
Historie hmotnostní spektrometrie začíná základními experimenty J. J. Thomsona na počátku 20. století . Koncovka „-metria“ v názvu metody se objevila po rozsáhlém přechodu od detekce nabitých částic pomocí fotografických desek k elektrickým měřením iontových proudů.
Hmotnostní spektrum - závislost intenzity iontového proudu (množství látky) na poměru hmotnosti k náboji (povaha látky). Vzhledem k tomu, že hmotnost jakékoli molekuly je tvořena hmotnostmi jejích jednotlivých atomů, je hmotnostní spektrum vždy diskrétní, i když při nízkém rozlišení hmotnostního spektrometru se mohou píky různých složek překrývat nebo dokonce splývat. Povaha analytu, vlastnosti ionizační metody a sekundární procesy v hmotnostním spektrometru mohou ovlivnit hmotnostní spektrum (viz metastabilní ionty, zrychlující se gradient napětí na místech produkce iontů, nepružný rozptyl). Ionty se stejnými poměry hmotnosti a náboje tak mohou skončit v různých částech spektra a dokonce jeho část učinit spojitou.
Nabitá částice pohybující se v magnetickém poli je ovlivněna Lorentzovou silou, která zkresluje její trajektorii. Stanovením rozdílu v trajektoriích ionizovaných atomů pohybujících se v magnetickém poli lze vyvodit závěry o poměru hmotnosti a náboje iontu.
Konstrukce hmotnostního spektrometru zahrnuje ionizátor látky vzorku, iontový urychlovač, výkonný zdroj magnetického pole a sadu detektorů toku iontů.
První věc , kterou je třeba udělat pro získání hmotnostního spektra , je přeměnit neutrální molekuly a atomy , které tvoří jakoukoli organickou nebo anorganickou látku na nabité částice - ionty . Tento proces se nazývá ionizace a probíhá odlišně pro organické a anorganické látky. Druhou nutnou podmínkou je přechod iontů do plynné fáze ve vakuové části hmotnostního spektrometru. Vysoké vakuum zajišťuje nerušený pohyb iontů uvnitř hmotnostního spektrometru a v jeho nepřítomnosti se ionty rozptylují a rekombinují (zpět na nenabité částice).
Většina malých molekul získá při ionizaci pouze jeden kladný nebo záporný náboj. Čím větší je molekula, tím je pravděpodobnější, že se během ionizace změní na vícenásobně nabitý iont. Proto je tento efekt zvláště silný u extrémně velkých molekul, jako jsou proteiny, nukleové kyseliny a polymery. U některých typů ionizace (například náraz elektronů ) se molekula může rozpadnout na několik charakteristických částí, což poskytuje další příležitosti pro identifikaci a studium struktury neznámých látek.
Běžně lze způsoby ionizace organických látek klasifikovat podle fází, ve kterých se látky nacházejí před ionizací.
plynná fázeV anorganické chemii se k analýze elementárního složení používají drsné ionizační metody, protože vazebné energie atomů v pevné látce jsou mnohem vyšší a k rozbití těchto vazeb a získání iontů je třeba použít mnohem drsnější metody.
Historicky první ionizační metody byly vyvinuty pro plynnou fázi.
Velmi mnoho organických látek se nemůže odpařit, tedy převést do plynné fáze, bez rozkladu. To znamená, že nemohou být ionizovány dopadem elektronů. Ale mezi takovými látkami je téměř vše, co tvoří živou tkáň (bílkoviny, DNA atd.), fyziologicky aktivní látky, polymery, tedy vše, o co je dnes zvláštní zájem. Hmotnostní spektrometrie nezůstala stát a v posledních letech byly vyvinuty speciální metody pro ionizaci takových organických sloučenin. Dnes se používají především dva z nich - ionizace za atmosférického tlaku a její poddruhy - elektrosprej (ESI), chemická ionizace za atmosférického tlaku (APCI) a fotoionizace za atmosférického tlaku (APPI) a také laserová desorpční ionizace za pomoci matrice (MALDI) . .
Ionty získané při ionizaci jsou pomocí elektrického pole přeneseny do hmotnostního analyzátoru. Zde začíná druhá fáze hmotnostní spektrometrické analýzy - třídění iontů podle hmotnosti (přesněji podle poměru hmotnosti k náboji, nebo m/z). Existují následující typy hmotnostních analyzátorů:
kontinuální hmotnostní analyzátoryRozdíl mezi kontinuálním a pulzním hmotnostním analyzátorem spočívá ve skutečnosti, že do prvního vstupují ionty v kontinuálním proudu a do druhého po částech v určitých časových intervalech.
Hmotnostní spektrometr může mít dva hmotnostní analyzátory. Takový hmotnostní spektrometr se nazývá tandemový hmotnostní spektrometr . Tandemové hmotnostní spektrometry se používají zpravidla společně s metodami „měkké“ ionizace, při kterých nedochází k fragmentaci iontů analyzovaných molekul (molekulárních iontů). První hmotnostní analyzátor tedy analyzuje molekulární ionty. Po opuštění prvního hmotnostního analyzátoru jsou molekulární ionty fragmentovány působením srážek s molekulami inertního plynu nebo laserovým zářením, načež jsou jejich fragmenty analyzovány ve druhém hmotnostním analyzátoru. Nejběžnější konfigurace tandemových hmotnostních spektrometrů jsou quadrupole-quadrupole a quadrupole-time-of-flight.
Takže posledním prvkem zjednodušeného hmotnostního spektrometru, který popisujeme, je detektor nabitých částic. První hmotnostní spektrometry používaly jako detektor fotografickou desku. Nyní se používají dynodové násobiče sekundárních elektronů, ve kterých iont, který narazí na první dynodu , z ní vyrazí svazek elektronů, který zase zasáhne další dynodu, vyrazí z ní ještě více elektronů atd. Další možností je fotonásobiče, registrující záři, která vzniká při bombardování fosforovými ionty. Kromě toho se používají mikrokanálové multiplikátory, systémy jako diodová pole a kolektory, které shromažďují všechny ionty, které spadají do daného bodu v prostoru ( Faradayovy kolektory ).
Hmotnostní spektrometry se používají k analýze organických a anorganických sloučenin.
Organické vzorky jsou ve většině případů složité směsi jednotlivých látek. Například je ukázáno, že vůně smaženého kuřete je 400 složek (tj. 400 jednotlivých organických sloučenin). Úkolem analytiky je určit, kolik složek tvoří organickou hmotu, zjistit, které složky to jsou (identifikovat je) a zjistit, jaké množství jednotlivých sloučenin je ve směsi obsaženo. K tomu je ideální kombinace chromatografie s hmotnostní spektrometrií. Plynovou chromatografii je nejvhodnější kombinovat s iontovým zdrojem hmotnostního spektrometru s ionizací dopadem elektronů nebo chemickou ionizací, protože sloučeniny jsou již v koloně chromatografu v plynné fázi. Zařízení, ve kterých je hmotnostní spektrometrický detektor kombinován s plynovým chromatografem, se nazývají chromato-hmotové spektrometry („Chromass“).
Mnoho organických sloučenin nelze rozdělit na složky pomocí plynové chromatografie, ale lze je oddělit pomocí kapalinové chromatografie. Pro spojení kapalinové chromatografie s hmotnostní spektrometrií se dnes používají zdroje elektrosprejové ionizace (ESI) a chemické ionizace za atmosférického tlaku (APCI) a spojení kapalinové chromatografie s hmotnostními spektrometry se nazývá LC / TMS ( ang. LC / MS ). Nejvýkonnější systémy pro organickou analýzu požadované moderní proteomikou jsou postaveny na bázi supravodivého magnetu a fungují na principu iontové cyklotronové rezonance. Nazývají se také FT/MS, protože využívají Fourierovu transformaci signálu.
Nejdůležitější technické vlastnosti hmotnostních spektrometrů jsou citlivost , dynamický rozsah , rozlišení , rychlost skenování .
Při analýze organických sloučenin je nejdůležitější vlastností citlivost . Pro zlepšení citlivosti zvýšením poměru signálu k šumu se používá iontově selektivní detekce. Při použití této metody na zařízeních s nízkým rozlišením se zhoršuje neméně důležitý parametr spolehlivost, a to z důvodu vysoké složitosti potvrzení souladu výsledků s teoretickými očekáváními. Nástroje s duálním ohniskem tento problém nemají při použití vysokého rozlišení . Alternativní metodou analýzy je tandemová hmotnostní spektrometrie, jejíž charakteristickou vlastností je možnost potvrzení výsledků hlavního měření počátečních iontů sekundárními detektory dceřiných iontů. Nejcitlivějším přístrojem pro analýzu organických sloučenin je dvouohnisková chromatografie-hmotnostní spektrometr s vysokým rozlišením.
Podle vlastností kombinace vysoké citlivosti se spolehlivostí stanovení složek je třeba poznamenat klasická kvadrupólová zařízení nové generace. Použití nejnovější technologie (jako je zakřivený kvadrupólový předfiltr pro snížení šumu zabráněním vstupu neutrálních částic do detektoru) umožňuje dosáhnout vysokého výkonu přístroje.
Vývoj nových léků na záchranu lidí před dříve nevyléčitelnými nemocemi a kontrola výroby léků, genetické inženýrství a biochemie, proteomika . Bez hmotnostní spektrometrie, kontroly nelegální distribuce omamných a psychotropních látek, forenzní a klinické analýzy toxických drog a analýzy výbušnin je nemyslitelná.
Zjištění zdroje původu je velmi důležité pro řešení řady problémů: například určení původu výbušnin pomáhá najít teroristy, drogy - bojovat s jejich distribucí a blokovat jejich dopravní cesty. Ekonomické zabezpečení země je spolehlivější, pokud celní služby dokážou v pochybných případech analýzou potvrdit nejen zemi původu zboží, ale i jeho shodu s deklarovaným druhem a kvalitou. A analýza ropy a ropných produktů je potřebná nejen k optimalizaci procesů rafinace ropy nebo geologům k hledání nových ropných polí, ale také k identifikaci osob odpovědných za úniky ropy v oceánu nebo na souši.
V éře „chemizace zemědělství“ nabyla na významu otázka přítomnosti stopových množství aplikovaných chemikálií (např. pesticidů) v potravinářských výrobcích. Ve stopovém množství mohou tyto látky způsobit nenapravitelné poškození lidského zdraví.
Řada technogenních (tj. v přírodě se nevyskytujících, ale pocházejících z průmyslové činnosti člověka) jsou supertoxické látky (v extrémně nízkých koncentracích mají toxické, karcinogenní nebo škodlivé účinky na lidské zdraví). Příkladem jsou známé dioxiny .
Existence jaderné energie je nemyslitelná bez hmotnostní spektrometrie. S jeho pomocí se zjišťuje stupeň obohacení štěpných materiálů a jejich čistota.
Hmotnostní spektrometrie se používá i v medicíně. Izotopová hmotnostní spektrometrie uhlíkových atomů se používá pro přímou lékařskou diagnostiku infekce člověka Helicobacter pylori a je nejspolehlivější ze všech diagnostických metod. Hmotnostní spektrometrie se také používá ke stanovení přítomnosti dopingu v krvi sportovců.
Je těžké si představit oblast lidské činnosti, kde by nebylo místo pro hmotnostní spektrometrii [1] . Omezujeme se na jednoduchý výčet: analytická chemie , biochemie , klinická chemie , obecná chemie a organická chemie , farmacie , kosmetika , parfumerie , potravinářský průmysl , chemická syntéza , petrochemie a rafinace ropy , kontrola životního prostředí , výroba polymerů a plastů , lékařství a toxikologie , forenzní , dopingová kontrola , kontrola drog , kontrola alkoholických nápojů , geochemie , geologie , hydrologie , petrografie , mineralogie , geochronologie , archeologie , jaderný průmysl a energetika , polovodičový průmysl , hutnictví .
| Hmotnostní spektrometrie | |
|---|---|
| iontový zdroj | |
| Hmotnostní analyzátor |
|
| Detektor |
|
| MS kombinace |
|
| Patologie v medicíně | |
|---|---|
| patohistologie | Poškození buněk apoptóza Nekrobióza karyopyknóza karyorexií karyolýza Nekróza koagulační nekróza kolikvační nekróza gangréna sekvestrace infarkt Buněčná adaptace Atrofie Hypertrofie Hyperplazie Dysplazie Metaplazie skvamózní glandulární Dystrofie Protein mastný uhlohydrát Minerální |
| Typické patologické procesy |
|
| Laboratorní diagnostika a pitva |
|