|
Масс-спектрометрия – это физический метод анализа состава сложных смесей веществ и идентификации отдельных веществ в них по их масс-спектрам.
Масс-спектрометрия представляет собой уникальный метод анализа по части чувствительности измерений: рутинные объёмы пробы составляют 10–12г
(10–14М),
рекордные объёмы пробы составляют 10–18г (10–21М). В силу этого в настоящий момент масс-спектрометрия является одним из мощнейших инструментов
анализа в арсенале аналитической химии, и не только. Практические области применения масс-спектрометров весьма разнообразны: физика, химия, биология,
геология (геохронология, геологоразведка), экология, вулканология, нефтехимия, космос, протеомика (а также геномика, транскриптоника, метаболомика…),
криминалистика, медицина, фармакология, токсикология, археология, атомная и изотопная промышленность, автоматизированный контроль промышленных процессов
(особенно в химически или биологически активных и вредных для здоровья человека условиях производствах), допинг-контроль, проверка подлинности картин, борьба
с терроризмом…
Для практической реализации аналитических возможностей масс-спектрометрии как современного метода анализа вещества требуются сложные высокоточные
высокотехнологичные приборы. Лаборатории 221, 222 и 223 ИАП РАН занимаются задачами разработки таких приборов и отчасти задачами разработки методик
измерения с целью удовлетворения потребностей пользователей в плане решения специфических аналитических задач; в то время как непосредственно целевыми
масс-спектрометрическими исследованиями занимаются соответствующие специализированные лаборатории, институты, организации.
Диапазон применений современной масс-спектрометрии необычайно широк: от точных изотопных измерений и измерений дефекта массы в ядерной физике до измерения
масс сложных нелетучих биоорганических молекул и молекулярных комплексов гигантской массы (белки, нуклеиновые кислоты и даже вирусы). На настоящий момент
рекорд измерения молекулярной массы составляет 110 000 000 а.е.м., а измерение современными масс-спектрометрическими приборами массы отдельных
масс-спектрометрических пиков с точностью до шести знаков после запятой позволяет однозначным образом с точностью до изотопного состава восстанавливать
брутто-формулы соответствующих высокомолекулярных ионов. Основные применения масс-спектрометрии в обычной жизни – это изотопный и элементный анализ,
химические измерения, биологические измерения. Однако, например, такие специализированные установки, как измерение массы нейтрино с помощью сверхточного
измерения дефекта массы при определённых ядерных реакциях, также относятся к области масс-спектрометрии.
Идеальный масс-спектр представляет собой список пар (масса, интенсивность). В отличие от любых остальных спектральных методов форма масс-спектрального пика
не несёт какой-либо важной физической информации, а определяется целиком аппаратной функцией прибора, что в значительной мере упрощает извлечение содержательной
информации из масс-спектральных данных. Как правило, масс-спектр на выходе масс-спектрометра является результатом нескольких сложных физических процессов,
объединяемых в единый «конвейер» внутри корпуса измерительного масс-спектрометрического прибора:
• пробоподготовка входного образца (возможна отдельно от собственно масс-спектрометра),
• ионизация пробы вещества,
• формирования пучка ионов с требуемыми характеристиками,
• разделения ионов по величинам их массовых чисел (отношения массы иона к его заряду),
• измерения интенсивности ионных токов для всех ионов.
Современный масс-спектрометрический прибор должен учитывать особенности соответствующих физических процессов, чтобы обеспечить пользователя надёжной и
качественной аналитической информацией.
Физические принципы функционирования масс-анализаторов, предназначенных для решения соответствующих аналитических задач, могут отличаться очень
сильно друг от друга до такой степени, что единственным общим признаком этих приборов остаётся групповое свойство получения на выходе анализатора масс-спектра
входной пробы. Точно также размеры масс-спектрометрических установок могут варьироваться от небольшого здания или даже небольшого географического района
(для задач ядерной физики типа адронного коллайдера или проекта KATRIN измерения массы нейтрино) до предназначенных для полевых измерений компактных приборов
и работающих на борту космических аппаратов масс-спектрометрических блоков.
В настоящий момент наиболее распространёнными типами масс-анализаторов являются:
• квадрупольные масс-анализаторы (разделение ионов по массе в высокочастотных электрических полях),
• квадрупольные ловушки (экстрагирование ионов заданной массы из совокупности ионов, захваченных в радиочастотной ловушке, с помощью резонансного раскачивания ионов высокочастотными электрическими полями),
• статические масс-анализаторы (пространственное разделение ионов по массе при движении в магнитостатических полях),
• времяпролётные масс-анализаторы (разделение ионов по массе в зависимости от времени движения по сложной траектории в электростатических полях).
• ловушки Пеннинга (разделение ионов по зависящей от массы частоте осцилляций в скрещенных магнитостатических и электростатических полях специального вида),
• орбитальные электростатические ловушки (разделение ионов по частоте осцилляций в электростатических полях специального вида, в которых частота осцилляций по выделенному направлению зависит только от массы).
Однако это не исключает существование специфических экспериментальных установок, предназначенных для решения специализированных физических и аналитических задач, которые могут использовать достаточно экзотические физические процессы для разделения ионов по массам. Из имеющегося богатства возможных конструкций масс-спектрометрических приборов работа ИАП РАН сосредоточена на разработке квадрупольных масс-анализаторов, статических масс-анализаторов и времяпролётных масс-анализаторов (см. далее).
Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе образца, его составе и структуре. Исследование изолированных масс-спектральных групп, соответствующих осколкам исходного молекулярного объекта, которые образуются непредумышленно в процессе ионизации пробы или при целенаправленной управляемой фрагментации исследуемого образца, позволяют извлекать ценную структурную информацию об анализируемых веществах. Масс-спектрометрия обеспечивает качественный и количественный анализ многокомпонентных смесей, в которых относительная концентрация отдельных компонент может отличаться на много порядков. Масс-спектрометрия также характеризуется очень высокой скоростью измерения: анализ занимает несколько минут для пробы, состоящей из нескольких сотен индивидуальных соединений.
Возможно комбинирование масс-спектрометрического анализатора в единый конвейер с дополнительными физическими методами разделения/анализа пробы: газовая хроматография, жидкостная хроматография, сепараторы ионной подвижности, сепараторы дифференциальной ионной подвижности, электрофорез. Отдельно следует выделить тандемные многокаскадные масс-спектрометры, которые обеспечивают двумерный масс-спектр за счёт развёртки по массам родительских ионов с последующей управляемой фрагментацией родительских ионов и завершающей раввёрткой по массе осколков родительского иона. Использование таких многостадийных анализирующих установок позволяет значительно расширить объём и качество получаемой информации о входной пробе.
В области масс-спектрометрии Учреждение Российской академии наук Институт аналитического приборостроения РАН является прямым преемником исследований и разработок, начатых в СКБ аналитического приборостроения АН СССР в начале 50-х годов прошлого века. В СКБ, по существу, было создано отечественное масс-спектрометрическое приборостроение, разработано несколько десятков типов масс-спектрометров для решения важнейших научных и прикладных задач. Институт аналитического приборостроения РАН успешно продолжает эти работы, создавая новые масс-спектрометрические приборы, развивая новые методы масс-спектрометрического анализа и методики исследований.
Уникальные особенности масс-спектрометрического метода, одновременно обладающего признаками универсального, высокоинформативного, высокочувствительного и аналитического, позволяют с успехом использовать его для элементного и молекулярного анализа веществ, в исследованиях свойств поверхности и нанотехнологии, в современной биотехнологии, экологии и медицине.
Для анализа молекулярного состава и микропримесей в ИАП РАН разрабатываются:
• газовые хромато-масс-спектрометры и масс-спектрометры с сепараторами ионной подвижности;
• масс-спектрометры с ионизацией электронным ударом, с ионизацией в различных разрядах в вакууме, с ионизацией электрораспылением при атмосферном давлении, с поверхностной термоионизацией образцов, с хемоионизацией;
• статические масс-спектрометры для элементного анализа, изотопного анализа, химического анализа в области малых масс;
• времяпролётные масс-анализаторя для анализа биоорганических соединений;
• компактные квадрупольные масс-спектрометры, встраиваемые в исследовательские комплексы и пригодные для полевых измерений вне специализированных стационарных лабораторий.
Среди уникальных исследований и разработок, выполненных в ИАП РАН, следует отметить разработку нового сверхвысокочувствительного метода анализа следовых количеств актинидов (фемто- и аттомоли) в объектах окружающей среды. Метод успешно используется для проведения анализов урана и плутония в ультрамалых пробах окружающей среды в рамках программы МАГАТЭ по контролю за нераспространением ядерного оружия (лаборатория детектирования частиц и излучений). Важным достижением последних лет явилось участие Института в разработке приборного ряда специализированных масс-спектрометров МТИ-350 для нужд отечественного ядерно-топливного комплекса (лаборатория приборов и методов экологического мониторинга; лаборатория аналитических средств исследования поверхности, сектор автоматизации измерений и цифровой обработки сигналов).
Необходимо отметить разработку совместно с медицинскими институтами на основе переносимых квадрупольных масс-анализаторов прикладных методик диагностики определённых классов заболеваний, в том числе онкологических, на основе анализа наличия специфических летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе. Сверхчувствительность масс-спектрометрических методов позволяет диагностировать предположительное наличие соответствующих заболеваний уже на самых ранних стадиях развития болезни, а неинвазивный характер взятия пробы и скорость масс-спектрометрического анализа делает данный метод перспективным, в частности, для массовых диспансеризационных обследований, для предотвращения распространения инфекций в условиях эпидемий и пандемий, для оперативного биомедицинского контроля зарубежных гостей на пограничных пропускных пунктах. Конечно, такой анализ не может заменить полноценного медицинского обследования, однако оперативное выявление потенциальных кандидатов в группы риска, не требующее ни значительного времени диагностики, ни высокой квалификации выполняющих анализ лаборантов, ни дорогостоящих химических реагентов и биопрепаратов, представляется перспективным для включения в соответствующую государственную программу.
Для нужд современной биотехнологии, экологии и медицины в Институте активно развивается биоорганическая масс-спектрометрия. С развитием методов мягкой ионизации МС, таких как электроспрей (ESI) и MALDI, масс-спектрометрическими методами стало возможным анализировать широкий класс лабильных соединений – пептидов, белков и нуклеотидов. В Институте выполнены ключевые пионерские исследования в этой области. В начале 80-х в лаборатории проф. Л.Н. Галль разработан метод ЭРИАД – прямой аналог метода электроспрей. (История создания метода) Реализован хромато-масс-спектрометрический комплекс ХЖ-МС и на широком классе соединений продемонстрированы аналитические возможности метода. Сегодня ХЖ-МС широко применяется в фармацевтике, биохимических и клинических исследованиях, объединяемых единым термином «наука о жизни». ХЖ-МС стала основным рабочим инструментом для контроля синтеза и чистоты лекарственных препаратов, для анализа метаболизма лекарств, при медицинской проверке лекарств, решения задач протеомики и метаболомики, поиска маркеров болезней и т.д. (лаборатория биомедицинской масс-спектрометрии).
Времяпролетная масс-спектрометрия (TOF MS). В ИАнП РАН с начала 2000-х годов разрабатываются ВПМС с ортогональным вводом ионов и источником ионов типа электроспрей (лаборатория биомедицинской масс-спектрометрии; лаборатория оптики заряженных частиц и математического моделирования). Приборы демонстрируют высокую разрешающую способность (более 10000) и массовую точность (1ррм), высокую скорость записи спектров (до 10 спектров в секунду). ХЖ-МС комплекс с ХЖ Милихром и оригинальным ВПМС применяется для исследования протеомных задач в кооперации с такими институтами РАН как ЦИН, БИН и ИБХ. В последнее время разрабатываются принципы многоотражательных ВПМС с полным диапазоном масс. Проведены исследования с модельными источниками ионов. Ожидается существенное улучшение разрешающей способности и массовой точности ВПМС с источником ионов ESI. (См. тематический номер журнала «Научное приборостроение», 2004, том 14, № 2).
|
