Кіріспе

Массалық спектрометрияның тарихы материяның табиғатына қатысты физикалық және химиялық зерттеулерден бастау алады. Газдың шығарылуын зерттеу 19 ғасырдың ортасында оң иондар мен электрондар болып табылатын анодтық және катодтық сәулелерді табуға әкелді. Осы оң иондарды бөлудің жақсарған мүмкіндіктері элементтердің тұрақты изотоптарын табуға мүмкіндік берді. Мұндай алғашқы табылған элемент неон болды, ол массалық спектрометриямен кем дегенде екі тұрақты изотоптарға ие екендігі көрсетілді: 20Ne (10 протон және 10 нейтронды неон) және 22Ne (10 протон және 12 нейтронды неон). Массалық спектрометрлер Манхэттен жобасында атом бомбасын жасау үшін қажетті уран изотоптарын бөлу үшін пайдаланылды.

Проуттың гипотезасы

Проуттың гипотезасы - 19 ғасырдың басында атомның ішкі құрылымын пайдалана отырып, химиялық элементтердің қасиеттерін түсіндіруге жасалған әрекет. 1815 жылы ағылшын химигі Уильям Прут өлшенген атомдық салмақ сутегінің атомдық салмағының бүтін сан еселері екенін байқады. Проуттың гипотезасы 1820 жылдары химияда ықпалды болды. Алайда атомдық салмақты мұқият өлшеу, мысалы, 1828 жылы Йонс Якоб Берзелиус немесе 1832 жылы Эдвард Тернер жинақтаған, оны жоққа шығарған сияқты. Атап айтқанда, хлордың атомдық массасы сутегінен 35,45 есе көп, ол кезде Пруттың гипотезасы бойынша түсіндірілмеді. Бұл мәселені шешу үшін ғасырдың жақсы бөлігі қажет болар еді.

Құрлықтық сәулелер

XIX ғасырдың ортасында Юлиус Плюккер жарық түтіктерінен шығатын жарықты және магнит өрістерінің жарыққа әсерін зерттеді. Кейін 1869 жылы Иоганн Вильгельм Хитторф теріс электродтан, катодтан тараған энергия сәулелері бар разрядтық түтіктерді зерттеді. Бұл сәулелер түтікшелердің шыны қабырғаларына тигенде флуоресценция пайда болады, ал қатты заттың әсерінен олар көлеңкеге түседі. Каналды сәулелерді, анодтық сәулелер деп те атайды, оларды 1886 жылы Эвген Голдштейн байқады. Голдштейн газды шығару түтігін пайдаланған, оның катоды перфорацияланған. Жарықтар катодтағы тесіктерде (каналдарда) пайда болады және "катодтық сәулелерге" қарама-қарсы бағытта жүреді, олар электрондар ағыны. Голдштейн бұл оң сәулелерді "Kanalstrahlen" арна сәулелері деп атады.

Изотоптарды табу

1913 жылы канал сәулелерінің құрамын зерттеу барысында Дж. Дж. Томсон иондалған неон ағынын магниттік және электр өрісі арқылы өткізді және оның жолына фотосуретке түсірілген пластинканы қойып, оның бұрылуын өлшеді. Томсон фотосурет табағында екі жарық жапсырмасын байқады (сол жақтағы суретті қараңыз), бұл екі түрлі бұрылу параболасын ұсынды. Томсон неон газы екі түрлі атомдық массаның атомдарынан (20 және 22 неон) құралған деген қорытындыға келді. Томсонның студенті Фрэнсис Уильям Астон зерттеуді Кембридждегі Кавендиш зертханасында жалғастырды, ол 1919 жылы хабарланған алғашқы толық функционалдық массалық спектрометрді жасады. Ол хлордың (35 және 37), бромның (79 және 81) және криптонның (78, 80, 82, 83, 84 және 86) изотоптарын анықтап, бұл табиғи элементтердің изотоптардың үйлесімінен құралатынын дәлелдеді. Электромагниттік фокусты массалық спектрографта қолдану оған табиғи түрде кездесетін 287 изотоптың 212 кем емесін тез анықтауға мүмкіндік берді. 1921 жылы Ф. В. Астон Корольдік қоғамның мүшесі болды және келесі жылы химия бойынша Нобель сыйлығын алды. Изотоптар бойынша жұмысы сонымен қатар оның тұтас сан ережесін жасауға әкелді, онда "оттегінің изотоп массасы [16 ретінде] анықталса, барлық басқа изотоптардың массасы бүтін сандарға жақын" деп айтылады. Бұл қағида ядролық энергияны дамытуда кеңінен қолданылды. Көптеген изотоптардың нақты массасы өлшенді, нәтижесінде сутегі массасы басқа элементтердің орташа массасымен салыстырғанда 1% жоғары болды. Астон 1936 жылы субатомдық энергия және оны пайдалану туралы болжамды айтты. 1918 жылы Артур Джеффри Демпстер өзінің массалық спектрометрі туралы баяндады және осы күнге дейін қолданылып жүрген массалық спектрометрлердің негізгі теориясы мен дизайнын құрды. Демпстердің карьерасындағы зерттеулері массалық спектрометр мен оның қолданылуына бағытталған, 1935 жылы 235U уран изотобын табуға әкелді. Бұл изотоптың тез кеңейіп жатқан ядролық тізбекті реакциясын тудыру қабілеті атом бомбасын және ядролық энергияны дамытуға мүмкіндік берді. 1932 жылы Кеннет Бэйнбридж 600-ге дейінгі шешімділігі және 10 000-ға бір бөлігінің салыстырмалы дәлдігі бар массалық спектрометрді жасады. Ол бұл аспапты масса мен энергияның теңдігін тексеру үшін пайдаланды, E = mc2.

Манхэттен жобасы

Калутрон - Манхэттен жобасы кезінде Эрнест О. Лоуренс жасаған уранның изотоптарын бөлу үшін пайдаланылған секторлық массалық спектрометр. Ол Лоуренс ойлап тапқан Циклотронға ұқсас. Оның атауы - Калдың біріктірілген түрі. U. tron, Калифорния университеті, Лоренстің институты және Лос-Аламос зертханасының мердігері. Олар соғыста құрылған Теннесси штатындағы Оук Ридж Y 12 зауытында уранды өнеркәсіптік ауқыммен байыту үшін іске асырылды және 1945 жылы Хиросимаға тасталған "Little Boy" ядролық қаруы үшін пайдаланылған уранның көп бөлігін қамтамасыз етті.

Газдық хроматография-массалық спектрометрияны дамыту

Газ хроматографиясында детектор ретінде массалық спектрометрді қолдануды 1950 жылдары Роланд Гольке мен Фред Маклафферти әзірледі. Қолжетімді және шағын компьютерлердің дамуы осы құралдың қолданылуын жеңілдетуге көмектесті, сондай-ақ үлгілерді талдау үшін қажетті уақытты көп жақсартуға мүмкіндік берді.

Фурье трансформациясы бойынша массалық спектрометрия

Фурье трансформациясы ион циклотроны резонанстық массалық спектрометриясын 1974 жылы Британдық Колумбия университетінде Алан Г. Маршалл мен Мелвин Б. Комиссаров әзірледі. Бұл әдіс әдеттегі ICR және Фурье трансформациясы ядролық магниттік резонанс (FT NMR) спектроскопиясының алғашқы жетістіктерімен шықты.

Жұмсақ иондау әдістері

Өрістің десорбциялық иондалуы туралы алғаш рет 1969 жылы Бекки мәлімдеді. Өрісті иондау кезінде өткір бетіндегі, мысалы, бөренелі бөренелі немесе көбірек таралған, ұсақ "мұрт" өскен сымға жоғары потенциалды электр өрісі қолданылады. Бұл өте жоғары электр өрісін тудырады, онда электронды туннельдеу газ тәрізді аналитті молекулаларды иондауға әкелуі мүмкін. FI молекулалық радикал катиондары M+ басым болатын, бөлшектелуі аз немесе мүлдем жоқ массалық спектрлерді шығарады. Химиялық иондау 1960 жылдары пайда болды. Үлгі (аналиттің) иондануы оның молекулаларының реактив иондарымен өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асырылады. Аналитті ион молекулаларының көздегі соқтығысуы кезінде реакциялары арқылы иондастырады. Бұл процесс реакциядағы заттар арасында электронды, протонды немесе басқа зарядталған заттарды беруді қамтиды. Бұл электронды иондаудан гөрі аз энергиялы процедура және өндірілген иондар, мысалы, протонды молекулалар: [M + H]+. Бұл иондар көбінесе салыстырмалы түрде тұрақты, электронды иондау арқылы пайда болған иондар сияқты тез бөлшектенбеуге бейім. Матрицалық лазерлік десорбция / иондау (MALDI) - бұл биомолекулаларды (біополлимерлер, мысалы, ақуыздар, пептидтер және қанттар) және ірі органикалық молекулаларды (полимерлер, дендримерлер және басқа да макромолекулалар) талдауды қамтамасыз ететін, бұдан әрі дәстүрлі иондау әдістерімен иондалған кезде сынық және бөлшекті болып табылатын массалық спектрометрияда қолданылатын жұмсақ иондау әдісі. Бұл электроспрейлік иондануға ұқсас, салыстырмалы жұмсақ және өндірілген иондар (бұл бірнеше есе зарядталған иондарды аздырады). Терминді алғаш рет 1985 жылы Франц Хилленкамп, Майкл Карас және олардың әріптестері қолданды. Бұл зерттеушілер амин қышқылы аланинді триптофанмен араластырып, импульсті 266 нм лазермен сәулелендіргенде оны иондау оңай болатынын анықтады. Триптофан лазерлік энергияны сіңіріп, сіңірмейтін аланинді иондауға көмектесті. Пептидтер 2843 Da пептид мелиттинге дейін осы матрица түріне араластырылған кезде иондалуы мүмкін. Үлкен молекулалы лазерлік десорбция иондаудың жаңа үрдісі 1987 жылы Shimadzu Corp. компаниясының Коичи Танака және оның әріптестері "Өте нәзік металл + сұйық матрица әдісі" деп атағанды қолданған кезде болды. Бұл әдіс иондау үшін глицериндегі 30 нм кобальт бөлшектерін 337 нм азот лазерімен біріктірді. Бұл лазерлік және матрицалық комбинацияны қолдана отырып, Танака 34,472 Da белок карбоксипептидаза А-ға тең биомолекулаларды иондауға қабілетті болды. Танака лазерлік толқын ұзындығы мен матрицаның дұрыс үйлесімімен белокты иондауға болатындығын көрсеткені үшін 2002 жылғы химия саласындағы Нобель сыйлығының төрттен бір бөлігін алды. Карас пен Хилленкамп кейіннен 67 кДа протеин альбуминін никотин қышқылы матрицасы мен 266 нм лазерді қолдана отырып иондауға мүмкіндік алды. 355 нм лазерді және феруль қышқылы, кофеин қышқылы және синапин қышқылы сияқты канамик қышқыл туындыларын қолдану арқылы одан әрі жақсартулар жүзеге асырылды. 337 нм толқын ұзындығында жұмыс істейтін шағын және салыстырмалы түрде арзан азот лазерлерінің болуы және 1990 жылдардың басында енгізілген алғашқы коммерциялық аспаптар MALDI-ді зерттеушілердің санының артуына әкелді. Бүгінгі таңда MALDI массалық спектрометриясы үшін көбінесе органикалық матрицалар қолданылады.