velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Масс-спектрометрия

Как отличить молекулы различных соединений? Оказывается, проще всего – взвешивая их на особых весах, которые именуются масс-спектрометр





Может быть, в скором времени знакомые всем нам пропускные устройства для проверки пассажиров станут еще «умнее». Представьте, проходит человек около сенсора, легкое дуновение ветерка трогает его одежки – и скоро у службы безопасности уже есть информация о том, имел ли этот пассажир дело с какими-нибудь небезопасными субстанциями. Пробные эталоны таких сенсоров так чувствительны, что способны найти следы хим соединения, даже если от него осталось всего несколько молекул. А изготовлены они на базе масс-спектрометра – прибора, который умеет различать молекулы по массе и определять процентное содержание каждого сорта молекул в образчике вещества.


На самом деле, масс-спектрометр – это прецизионные электрические весы, на которых можно «взвешивать» атомы с точностью до 10–31 грамма. Конкретно благодаря этому изобретению в 20-х годах прошедшего века были исследованы изотопы всех узнаваемых хим частей, а когда любопытство ученых было в достаточной мере удовлетворено, наступила очередь прикладных задач. В сороковые годы в лабораториях Окриджа масс-спектрометр применялся при разделении изотопов урана для первой атомной бомбы, тогда и же появились 1-ые штатские потребители этих устройств – нефтяные концерны. Они использовали масс-спектрометры для количественного анализа консистенции органических газов.


Принцип деяния


Современные масс-спектрометры непременно поточнее и совершеннее собственных предшественников столетней давности, но основной принцип их работы остается постоянным, а конструкция, как и 100 годов назад, включает три главных элемента: ионизатор, анализатор и сенсор.


Поначалу молекулы нужно ионизовать, другими словами лишить их хотя бы 1-го электрона. Так как электрон в тыщи (а время от времени и в 10-ки тыщ) раз легче молекулы, ионизация фактически не оказывает влияние на ее массу. После ионизатора частички попадают в анализатор, который представляет собой вакуумную камеру с электронными и магнитными полями. Ионы разгоняют электронным полем, а потом направляют в магнитное поле, где линия движения заряженной частички искривляется. Все частички движутся в одном и том же поле, а меж собой они различаются электронным зарядом и массой. Чем больше заряд, тем посильнее можно разогнать ион и тем легче повернуть его магнитом, но чем больше его масса, тем сложнее это сделать из-за инерции. Какую энергию приобретет частичка, какова будет ее скорость и степень искривления линии движения, находится в зависимости от величины поля и дела массы частички к ее заряду.


Если представить, что при ионизации с каждой молекулы удалось сорвать только по одному электрону (как в большинстве случаев и происходит), все ионы будут однозарядными и нрав их движения будет зависеть только от массы. Чем тяжелее ион, тем сложнее его «повернуть» и тем меньше будет кривизна его линии движения. Получится, что частички с различными массами будут в буквальном смысле разлетаться в различные стороны.


На завершающем шаге необходимо зарегистрировать эти ионы каким-либо сенсором заряженных частиц, к примеру фотопластинкой либо вторично-электронным умножителем. Поставив в подходящем месте ряд сенсоров, мы увидим, что частички с разной массой (но с схожим зарядом) попадут в различные сенсоры. Сейчас построим график: по горизонтали отложим координату сенсора, зарегистрировавшего ион, а по вертикали – количество этих ионов. У нас получится масс-спектр – картина, схожая на диапазон излучения: чем больше разница в массах, тем далее точки попадания отстоят друг от друга, а чем больше в данное место прилетает частиц, тем больше сигнал и выше соответственный пик.


По сути в современных системах употребляется только один сенсор. На него при определенном значении поля фокусируются ионы определенной массы. Равномерно меняя величину поля, можно направлять в сенсор по очереди различные ионы и регистрировать их. Компьютер вычисляет по значениям поля надлежащие массы, ассоциирует с базой данных и строит масс-спектр.


1-ые опыты


В ряду основоположников масс-спектрометрии первым стоит имя открывателя электрона сэра Джозефа Джона Томсона. В то время, в конце позапрошлого века, многие физики интенсивно изучали электронные разряды в газах. Сначала их заинтересовывали возникавшие при всем этом заряженные частички. Поставив ряд смышленых опытов, Томсон сумел найти характеристики негативно заряженных частиц (которые мы сейчас знаем как электроны), а позже занялся положительно заряженными – ионами. Для исследования ионов ему пришлось собрать отдельную установку. Томсон расположил катод с отверстиями посреди стеклянной трубки, за ним – магнит, а еще далее за трубкой – фотопластинку. Положительно заряженные ионы различных хим соединений, находившихся в трубке, летели к катоду, через отверстия попадали в магнитное поле и в конечном итоге оставляли следы в различных местах фотопластинки. По координатам частиц на фотопластинке и известным значениям поля Томсон вычислил отношение масс ионов к их зарядам и отметил на фото линии движения ионов водорода, атомарного и молекулярного кислорода, углекислого и угарного газа, ртути и неона. Так началась эра масс-спектрометрии.


Избыточный вес


После Первой мировой войны исследования Томсона продолжил его помощник Фрэнсис Уильям Астон. Улучшенный прибор, который Астон именовал масс-спектрографом, позволял не только лишь узреть полосы, надлежащие частичкам с различными массами, да и обладал достаточной точностью для определения количественных соотношений меж ними. Больше всего Астона и его служащих поразило то, что атомные веса всех легких частей, выраженные в относительных единицах, с умопомрачительной точностью соответствовали целым числам. Приняв массу атома кислорода за 16 единиц, для углерода получили значение 12, для азота – 14 и т.д. Для томных частей, с атомным весом более 30, это «правило целого числа» начинало немного нарушаться, но самым странноватым оказалось значение атомной массы водорода – не 1, а 1,008. При этом точность масс-спектрографа была такая, что эту, на 1-ый взор малозначительную, разницу нельзя было списать на ошибку измерений. Первым, кто сообразил значимость, а главное – смысл этой аномалии, был сам Астон. По его воззрению, этот экспериментальный факт подтверждал не что другое, как обоюдный переход массы и энергии, предсказанный теорией относительности: когда несколько протонов (ядер водорода) соединяются, образуя другой элемент, часть их массы перебегает в энергию, и в конечном итоге масса, к примеру, гелия оказывается несколько меньше суммы масс составляющих его частиц.


«Результаты, приобретенные при помощи масс-спектрографа, убрали всякие сомнения в этом вопросе… – произнес Астон в собственной Нобелевской лекции в 1922 году. – Мы можем быть совсем убеждены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна пропасть… Может быть, будущие исследователи откроют какой-либо метод освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда население земли получит в свое распоряжение такие способности, которые превосходят всякую фантазию». Астон подкрепил свои слова цифрами. По его расчетам, изготовленным на базе масс-спектрометрических измерений и теории относительности, если весь водород, содержащийся всего в 9 граммах воды, перевоплотить в гелий, выделится энергия в размере 200 000 кВт/час, чего по современным меркам довольно для освещения обыкновенной городской квартиры в течение пары лет. Теперь-то мы точно знаем, что конкретно такие ядерные реакции – источник солнечной энергии, но управлять ею люди могут исключительно в режиме термоядерной бомбы, по другому говоря, еще пока совсем не могут.


Так опыты с газоразрядными лампами позволили физикам сделать далековато идущие выводы о базовых свойствах материи, а заодно сделать превосходный прибор – масс-спектрометр.


Квадрупольные масс-спектрометры


С возникновением новых методов детектирования совместно с фотопластинками равномерно ушло в прошедшее и выдуманное Астоном заглавие – масс-спектрограф. На замену пришли современные масс-спектрометры, которые в большинстве собственном сохранили в качестве основного элемента магнитное поле. Масс-спектрометры с магнитом остаются непревзойденными по чувствительности, и, невзирая на большие размеры и высочайшие затраты энергии, им нет кандидатуры там, где нужна высочайшая точность. Поиски более малогабаритного и экономичного решения привели посреди 50-х годов доктора Вольфганга Пола и его служащих из института Бонна к созданию масс-спектрометра без магнитного поля – квадрупольного анализатора с переменным электронным полем. Таковой анализатор состоит из 4 стержней, на пары обратных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно – неизменное напряжение меж парами. Зависимо от величин напряжения и частоты к сенсору меж стержнями движутся только ионы с определенным отношением массы к заряду , а другие вылетают наружу. Конструкция оказалась вправду малогабаритной и очень удобной.


Маленький квадрупольный масс-спектрометр был сделан специально для обеспечения безопасности космонавтов интернациональной галлактической станции, в том числе и при работе в открытом космосе. Это устройство размером с коробку для обуви и весом 2,3 кг может безпрерывно держать под контролем утечки аммиака, азота, ракетного горючего, кислорода, воды и различных других веществ.


Кто резвее


Еще до квадруполя, в 1946 году, сотрудник института Пенсильвании Уильям Стефенс выдумал другой метод сортировки молекул по массе без магнита – времяпролетный масс-спектрометр. В нем остался только маленький участок электронного поля для разгона ионов,
а основную часть занимало бесполевое место. Принцип деяния этого прибора был замечательно прост: томные ионы сложнее разогнать из-за их инерции, а как следует, они, имея наименьшую скорость после разгона и двигаясь медлительнее в дрейфовом пространстве без поля, прилетают к сенсору позднее легких. Если считать, что все ионы заряжены идиентично, время в пути будет прямо пропорционально квадратному корню из массы. Поначалу в сенсор прилетят легкие ионы, потом те, что потяжелее, и в последнюю очередь – самые томные. Таковой прибор оказался проще (хотя и имел наименьшую точность, чем магнитный) и дешевле, а к тому же обладал большущим быстродействием, так как весь диапазон ионов в широком спектре масс регился за один проход и не надо было растрачивать время на постепенное изменение поля.

При помощи времяпролетного масс-спектрометра в 1985 году был открыт целый класс новых веществ – фуллерены. К тому времени уже было понятно, что в парах углерода находятся кластеры – молекулы, состоящие из различного числа атомов углерода (до 24). Благодаря масс-спектрометрам удалось различить эти кластеры и найти их массы. Когда от паров перебежали к исследованию углеродной плазмы, направляемой в поток гелия, на масс-спектрах стали видны молекулы из большего числа атомов, в том числе С60 и С70. А при определенных режимах сотворения плазмы пик, соответственный С60, стал в пару раз выше всех других, что свидетельствовало об стойкости этого соединения. Так были обнаружены необыкновенные молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, за что первооткрывателям фуллеренов в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.


Пикантный подход


Воистину бескрайняя сфера внедрения масс-спектрометрии – анализ сложных органических веществ, без которого невообразима современная медицина и биология. Но это стало вероятным только после возникновения новых способов ионизации. Ведь для масс-спектрометрического анализа необходимо получить свободные ионы, а означает, улетучить вещество. Большая часть био молекул не выносит такового насилия над собой и распадается под действием больших температур, провождающих процесс испарения. Потому для их изобрели более деликатные методы перевоплощения в свободные ионы. Какой-то из них – ионизация электрораспылением. Раствор вещества под давлением поступает в железный капилляр, на который подано высочайшее напряжение (3–4 кВ). Из узенького носика капилляра выдавливаются капли, которые, будучи очень заряженными, распадаются, теряя по пути молекулы растворителя, а напряжение подбирается таким макаром, что в масс-спектрометр попадают в главном ионы биомолекул. 2-ой способ, под заглавием «матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация», еще больше хитрецкий. Изучаемый эталон наносится на матрицу из специально подобранного вещества, способного отлично всасывать лазерное излучение. При быстром нагреве этого «бутерброда» лазерным импульсом молекулы эталона ионизуются, не успевая распасться на части.


Благодаря новым методам ионизации масс-спектрометрия биомолекул с внедрением сравнимо обычных и дешевеньких квадрупольных и времяпролетных масс-спектрометров стала обширно применяться на практике – при разработке новых фармацевтических препаратов, определении следов психотропных и наркотических веществ, исследовательских работах ДНК, белков и иных субстанций. Есть целые банки данных, при помощи которых можно идентифицировать органическое вещество по его составляющим, найденным в масс-спектрометре.


Очень плодотворным оказалось сочетание масс-спектрометрии и другого физико-химического способа, созданного для разделения и анализа консистенций – хроматографии. Поначалу при помощи хроматографа выделяют составляющие консистенции и потом по отдельности направляют их на вход масс-спектрометра. Схожими устройствами обустроены лаборатории допинг-контроля. При помощи хромато-масс-спектрометров определяют содержание анаболических стероидов, анальгетиков, диуретиков, стимуляторов и кортикостероидов. Вроде бы ни старался спортсмен, для которого медаль дороже собственного здоровья, скрыть употребление анаболиков, ему это не получится сделать – современный масс-спектрометр способен отыскать в крови либо моче даже миллиардную долю этих нелегальных препаратов. Правда, тут идет типичная борьба: кто-то синтезирует новые средства для допинга, а кто-то пробует их найти, и без такового инструмента, как масс-спектрометр, последними, вероятнее всего, эта гонка была бы проиграна.


На все случаи жизни


В наше время разные внедрения масс-спектрометрии вышли далековато за рамки уникальных проектов, а чтоб обрисовать бессчетные конструкции масс-анализаторов и методы ионизации, не хватило бы и целого номера журнальчика. Портативные хромато-масс-спектрометры есть на вооружении американской армии в Ираке. Они позволяют найти малозначительные следы реагентов хим орудия и употребляются для подготовительного анализа окружающей обстановки. Высокоточные приборы для масс-спектрального анализа получают таможенные службы – это метод кропотливо держать под контролем состав нефтепродуктов и определять происхождение нефти практически с точностью до скважины, так как изотопный состав уникален для каждого месторождения.



Современный масс-спектрометр может занимать экспериментальный зал либо помещаться в маленький коробке на столе, содержать сверхпроводящий магнит либо обходиться совсем без магнитного поля. Чувствительность этих устройств поражает воображение. Довольно миллиграмма органического загрязнителя на тонну воды, чтоб масс-спектрометр усомнился в ее качестве, а неорганической примеси – и того меньше. Феноминально, но высочайшая чувствительность может сама стать источником заморочек: к примеру, при проверке пассажиров жалкие следы наркотиков, случаем попавшие на валютные купюры, могут быть обнаружены на руках совсем добропорядочного гражданина! Вобщем, это задачка уже другого сорта, и, имея в собственном распоряжении таковой превосходный инструмент, как масс-спектрометр, человек наверное сумеет ее решить.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments