Масс-спектрограф: устройство, принцип действия и применение

Масс-спектрометрия является мощным аналитическим методом исследования химического состава веществ, основанным на ионизации молекул и последующем разделении полученных ионов по соотношению их массы и заряда.

История создания масс-спектрографа

История масс-спектрометрии началась с открытия электрона английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году. Это позволило ему сконструировать первый примитивный масс-спектрограф и провести опыты по ионизации и отклонению пучков заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

В 1912 году другой английский физик Фрэнсис Уильям Астон сконструировал первый рабочий масс-спектрограф на основе магнитного анализатора ионов. С его помощью Астон открыл изотопы многих элементов и установил целочисленность атомных масс, за что в 1922 году получил Нобелевскую премию по химии.

Масс-спектрографы первых поколений были громоздкими, дорогими в изготовлении и обслуживании. Но по мере развития технологий они становились все более компактными и доступными.

К середине XX века масс-спектрометрия превратилась в мощный и универсальный аналитический метод, а масс-спектрометры нашли применение в самых разных областях - от фундаментальных исследований до прикладных задач контроля качества и диагностики.

Принцип действия масс-спектрометра

Масс-спектрограф работает по следующему принципу:

1. Ионизация анализируемого вещества с образованием заряженных частиц - ионов
2. Разделение ионов в электрическом/магнитном поле по соотношению массы и заряда (m/z)
3. Регистрация разделенных ионов с помощью детектора
4. Получение масс-спектра - графика зависимости интенсивности ионного тока от m/z

Для корректной работы масс-спектрометра необходим глубокий вакуум, чтобы исключить взаимодействие ионов с молекулами газа. Также требуются электрические и магнитные поля определенных конфигураций для пространственного или временного разделения ионов.

Существует множество способов ионизации веществ, которые классифицируют по степени жесткости/мягкости. Жесткие методы ионизации используются для неорганического анализа, а мягкие - в органической химии.

Устройство современного масс-спектрографа

Современный масс-спектрометр состоит из нескольких основных блоков:

• Система ввода и подготовки пробы
• Источник ионов (ионизатор)
• Масс-анализатор
• Детектор ионов
• Блок обработки и регистрации сигнала

Система ввода пробы служит для введения анализируемого вещества в прибор и его испарения или ионизации. Используются различные устройства в зависимости от агрегатного состояния и свойств вещества.

Источник ионов осуществляет ионизацию молекул пробы. Применяются разные методы ионизации, как жесткие (электронный удар, лазерная абляция), так и более мягкие (электрораспыление, химическая ионизация).

Методы ионизации в масс-спектрографии

Наиболее распространенными методами ионизации являются:

• Электронный удар
• Химическая ионизация
• Электрораспылительная ионизация
• Лазерная десорбция/ионизация

Каждый из методов имеет свои особенности и области применения. Например, электронный удар хорошо подходит для ионизации летучих соединений, а MALDI используется преимущественно в биохимическом анализе.

Масс-спектрограф - назначение и области применения

Основным назначением масс-спектрометрии является определение элементного и молекулярного состава, структуры и количества компонентов в исследуемых веществах и материалах. Метод широко используется в таких областях как:

• Аналитическая химия
• Клинические исследования
• Контроль качества продукции
• Криминалистика и судебно-медицинская экспертиза
• Экологический мониторинг

Типы масс-анализаторов

Существует несколько типов масс-анализаторов, отличающихся принципом разделения и регистрации ионов:

• Магнитные
• Квадрупольные
• Времяпролетные
• Ионно-циклотронного резонанса

Принцип работы магнитных масс-анализаторов

В магнитных масс-анализаторах ионы разделяются в неоднородном магнитном поле. Под действием силы Лоренца ионы отклоняются по разным траекториям в зависимости от соотношения массы и заряда:

• Ионы с большим отношением m/z сильнее отклоняются магнитным полем
• Ионы с меньшим m/z отклоняются слабее

Так происходит пространственное разделение потока ионов. Детектор фиксирует ионы, прошедшие через выходную щель магнитного анализатора.

Квадрупольные масс-анализаторы

Квадрупольный анализатор состоит из четырех параллельных металлических стержней, к которым прикладывается высокочастотное напряжение переменного и постоянного тока. В результате образуется пространство с квадрупольным электрическим полем, в котором ионы разделяются по соотношению m/z.

Квадрупольные анализаторы отличаются компактностью, низкой стоимостью и достаточно высокой чувствительностью.

Времяпролетные масс-анализаторы

Во времяпролетных масс-спектрометрах ионный пучок ускоряется электрическим импульсом и далее движется в фельдфри регионе (без электрических и магнитных полей). Разделение ионов происходит за счет разницы в скоростях в зависимости от m/z.

Времяпролетные анализаторы обладают крайне высоким разрешением, но требуют создания вакуума крайне высокой степени.

Орбитальная ионная ловушка

Орбитальная ловушка представляет собой электрод с кольцевыми канавками. В ней создается квадрупольное поле, захватывающее ионы на орбитальные траектории. Затем для анализа постепенно увеличивается амплитуда напряжений, в результате чего происходит выброс ионов различного отношения m/z на детектор.

Сравнение характеристик разных типов масс-анализаторов

Разные типы масс-анализаторов обладают своими достоинствами и недостатками:

Поэтому выбор конкретного типа анализатора зависит от задач и возможностей лаборатории.

Системы регистрации данных в масс-спектрометре

Для регистрации ионного тока на выходе из масс-анализатора применяются различные детекторы:

• Фотопластинки (устаревшие)
• Электронные умножители
• Диодные матрицы
• Аналого-цифровые преобразователи

Полученные данные об ионных токах обрабатывает специальное программное обеспечение, которое строит масс-спектр и интерпретирует его с качественной и количественной точки зрения.

Перспективы развития масс-спектрометрии

Актуальные направления развития масс-спектрометрии:

• Создание более компактных и дешевых приборов
• Повышение разрешающей способности
• Сочетание с различными методами пробоподготовки и хроматографии
• Расширение областей применения

Особенно перспективно использование масс-спектрометрии в медицине, криминалистике, контроле окружающей среды и других областях.