Введение
История массовой спектрометрии имеет свои корни в физических и химических исследованиях природы материи. Изучение газовых выбросов в середине 19 века привело к открытию анодных и катодных лучей, которые оказались положительными ионами и электронами. Улучшение возможностей в отделении этих положительных ионов позволило обнаружить стабильные изотопы элементов. Первое такое открытие было с элементом неона, который, как было показано массовой спектрометрии, имеет по крайней мере два стабильных изотопа: 20Ne (неон с 10 протонами и 10 нейтронами) и 22Ne (неон с 10 протонами и 12 нейтронами). Массовые спектрометры использовались в Манхэттенском проекте для разделения изотопов урана, необходимых для создания атомной бомбы.
Гипотеза Праута
Гипотеза Праута была попыткой в начале 19 века объяснить свойства химических элементов, используя внутреннюю структуру атома. В 1815 году английский химик Уильям Прут заметил, что измеренные атомные веса были целым кратным атомному весу водорода. Гипотеза Праута оставалась влиятельной в химии на протяжении 1820-х годов. Однако более тщательные измерения атомных весов, такие как те, которые были составлены Йенсом Якобом Берцелиусом в 1828 году или Эдвардом Тернером в 1832 году, как представляется, опровергли это. В частности, атомный вес хлора, который в 35,45 раза больше, чем у водорода, в то время не мог быть объяснен с точки зрения гипотезы Прута. Чтобы решить эту проблему, потребуется больше века.
Канал-лучи
В середине девятнадцатого века Юлиус Плюккер исследовал свет, излучаемый в выхлопных трубах, и влияние магнитных полей на свечение. Позже, в 1869 году, Иоганн Вильгельм Хиторф изучил разрядочные трубки с энергетическими лучами, исходящими от отрицательного электрода, катода. Эти лучи создают флуоресценцию, когда попадают в стеклянные стены трубки, а когда их прерывает твердый объект, они бросают тень. Каналные лучи, также называемые анодными лучами, были замечены Юдженом Голдштейном в 1886 году. Голдштейн использовал газоразрядную трубку с перфорированным катодом. Лучи образуются в отверстиях (каналах) в катоде и движутся в направлении, противоположном "катодным лучам", которые представляют собой потоки электронов. Голдштейн назвал эти положительные лучи "канальными лучами".
Открытие изотопов
В 1913 году в рамках исследования состава канальных лучей Дж. Дж. Томсон направил поток ионизированного неона через магнитное и электрическое поля и измерил его отклонение, поместив фотопластинку на его пути. Томсон наблюдал две пятна света на фотографической пластине (см. рисунок слева), которые предполагали две разные параболы отклонения. Томсон пришел к выводу, что неонный газ состоит из атомов двух различных атомных масс (неон 20 и неон 22). Студент Томсона Фрэнсис Уильям Астон продолжил исследования в лаборатории Кавендиша в Кембридже, построив первый полностью функциональный масс-спектрометр, о котором было сообщено в 1919 году. Он смог идентифицировать изотопы хлора (35 и 37), брома (79 и 81) и криптона (78, 80, 82, 83, 84 и 86), доказав, что эти природные элементы состоят из комбинации изотопов. Использование электромагнитного фокусирования в масс-спектрографе, которое быстро позволило ему идентифицировать не менее 212 из 287 естественно встречающихся изотопов. В 1921 году Ф. В. Астон стал членом Королевского общества и получил Нобелевскую премию по химии в следующем году. Его работа по изотопам также привела к формулированию правила целого числа, в котором говорится, что "масса изотопа кислорода определяется [как 16], все другие изотопы имеют массы, которые очень близки к целым числам", правило, которое широко использовалось в разработке ядерной энергии. Была измерена точная масса многих изотопов, что привело к результату, что водород имеет массу на 1% выше, чем ожидалось в средней массе других элементов. Астон предположил субатомную энергию и ее использование в 1936 году. В 1918 году Артур Джеффри Демпстер сообщил о своем масс-спектрометре и установил основную теорию и конструкцию масс-спектрометров, которые используются до сих пор. Исследования Демпстера в течение своей карьеры были сосредоточены вокруг масс-спектрометра и его применения, что привело в 1935 году к его открытию изотопа урана 235U. Способность этого изотопа вызывать быстро расширяющуюся ядерную цепную реакцию расщепления позволила разработать атомную бомбу и ядерную энергию. В 1932 году Кеннет Бэйнбридж разработал масс-спектрометр с разрешением 600 и относительной точностью одной части на 10 000. Он использовал этот инструмент, чтобы проверить эквивалентность массы и энергии, E = mc2.
Манхэттенский проект
Калутрон - секторный масс-спектрометр, который использовался для разделения изотопов урана, разработанный Эрнестом О. Лоуренсом во время Манхэттенского проекта и был похож на циклотрон, изобретенный Лоуренсом. Его имя - это сочетание с "Каль". У. Трон, в честь Калифорнийского университета, учреждения Лоуренса и подрядчика лаборатории Лос-Аламоса. Они были реализованы для обогащения урана в промышленных масштабах на заводе Oak Ridge, Tennessee Y 12, созданном во время войны, и обеспечили большую часть урана, используемого для ядерного оружия "Маленький мальчик", которое было сброшено на Хиросиму в 1945 году.
Развитие газовой хроматографии-масс-спектрометрии
Использование масс-спектрометра в качестве детектора в газовой хроматографии было разработано в 1950-х годах Роландом Гольком и Фредом Маклафферти. Разработка недорогих и миниатюрных компьютеров помогла упростить использование этого инструмента, а также позволила значительно улучшить время, необходимое для анализа образца.
Массовая спектрометрия с преобразованием Фурье
Фурье преобразование ион циклотрона резонансная масс-спектрометрия была разработана Алан Г. Маршалл и Мелвин Б. Комиссаров в Университете Британской Колумбии в 1974 году. Вдохновением для этого послужили более ранние разработки в области обычной МКР и спектроскопии ядерного магнитного резонанса с трансформацией Фурье (ФТМР).
Методы мягкой ионизации
Об ионизации дезорбции поля впервые сообщил Бекки в 1969 году. При полевой ионизации высокопотенциальное электрическое поле наносится на излучатель с острой поверхностью, такой как бритвенное лезвие, или, чаще, на нить, из которой вырастают крошечные "мускулы". Это создает очень высокое электрическое поле, в котором туннелирование электронов может привести к ионизации газообразных молекул аналита. FI производит массовые спектры с небольшой или отсутствующей фрагментацией, в которых доминируют молекулярные радикальные катионы M+. Химическая ионизация была разработана в 1960-х годах. Ионизация образца (аналита) достигается путем взаимодействия его молекул с ионами реагента. Анализ ионизируется реакциями ионных молекул во время столкновений в источнике. Процесс может включать передачу электрона, протона или других заряженных видов между реактивными веществами. Это менее энергетическая процедура, чем ионизация электронов, и образуемые ионы, например, протонированные молекулы: [M + H] +. Эти ионы часто относительно стабильны, не имеют тенденции к фрагментации так же легко, как ионы, полученные при ионизации электронов. Матричная лазерная десорбция/ионизация (MALDI) - это метод мягкой ионизации, используемый в массовой спектрометрии, позволяющий анализировать биомолекулы (биополимеры, такие как белки, пептиды и сахара) и крупные органические молекулы (такие как полимеры, дендримеры и другие макромолекулы), которые, как правило, хрупки и фрагментируются при ионизации более обычными методами ионизации. Он наиболее похож по характеру на ионизацию электропряжкой как по относительной мягкости, так и по производимым ионам (хотя вызывает гораздо меньше многократно заряженных ионов). Термин был впервые использован в 1985 году Францем Хилленкампом, Майкл Карас и их коллегами. Исследователи обнаружили, что аминокислота аланин может быть ионизирована легче, если смешать ее с аминокислотой триптофаном и облучать импульсным лазером 266 нм. Триптофан поглощал лазерную энергию и помогал ионизировать не поглощающий аланин. Пептиды до 2843 Da пептида мелиттин могут быть ионизированы при смешивании с этим видом матрицы. Прорыв в крупномолекулярной лазерной десорбционной ионизации произошел в 1987 году, когда Коичи Танака из Shimadzu Corp. и его коллеги использовали то, что они назвали "ультратонкий метод металла плюс жидкая матрица", который объединил частицы кобальта 30 нм в глицероле с 337 нм лазером азота для ионизации. Используя эту комбинацию лазера и матрицы, Танака смог ионизировать биомолекулы размером 34 472 Da белка карбоксипептидазы А. Танака получил четверть Нобелевской премии по химии 2002 года за демонстрацию того, что при правильном сочетании длины волны лазера и матрицы белок может быть ионизирован. Впоследствии Карас и Хилленкамп смогли ионизировать белок альбумин 67 кДа с помощью матрицы никотиновой кислоты и лазера 266 нм. Дальнейшие улучшения были достигнуты с помощью лазера 355 нм и производных коричной кислоты ферулиновой кислоты, кофеиновой кислоты и синапиновой кислоты в качестве матрицы. Наличие небольших и относительно недорогих азотных лазеров, работающих на 337 нм длине волны, и первые коммерческие приборы, введенные в начале 1990-х годов, привели MALDI к увеличению числа исследователей. Сегодня в основном для масс-спектрометрии MALDI используются органические матрицы.
Chemical ionization was developed in the 1960s. Ionization of sample (analyte) is achieved by interaction of its molecules with reagent ions. The analyte is ionized by ion molecule reactions during collisions in the source. The process may involve transfer of an electron, a proton or other charged species between the reactants. This is a less energetic procedure than electron ionization and the ions produced are, for example, protonated molecules: [M + H]+. These ions are often relatively stable, tending not to fragment as readily as ions produced by electron ionization. Matrix assisted laser desorption/ionization (MALDI) is a soft ionization technique used in mass spectrometry, allowing the analysis of biomolecules (biopolymers such as proteins, peptides and sugars) and large organic molecules (such as polymers, dendrimers and other macromolecules), which tend to be fragile and fragment when ionized by more conventional ionization methods. It is most similar in character to electrospray ionization both in relative softness and the ions produced (although it causes much fewer multiply charged ions). The term was first used in 1985 by Franz Hillenkamp, Michael Karas and their colleagues. These researchers found that the amino acid alanine could be ionized more easily if it was mixed with the amino acid tryptophan and irradiated with a pulsed 266 nm laser. The tryptophan was absorbing the laser energy and helping to ionize the non absorbing alanine. Peptides up to the 2843 Da peptide melittin could be ionized when mixed with this kind of “matrix”. The breakthrough for large molecule laser desorption ionization came in 1987 when Koichi Tanaka of Shimadzu Corp. and his co workers used what they called the “ultra fine metal plus liquid matrix method” that combined 30 nm cobalt particles in glycerol with a 337 nm nitrogen laser for ionization. Using this laser and matrix combination, Tanaka was able to ionize biomolecules as large as the 34,472 Da protein carboxypeptidase A. Tanaka received one quarter of the 2002 Nobel Prize in Chemistry for demonstrating that, with the proper combination of laser wavelength and matrix, a protein can be ionized. Karas and Hillenkamp were subsequently able to ionize the 67 kDa protein albumin using a nicotinic acid matrix and a 266 nm laser. Further improvements were realized through the use of a 355 nm laser and the cinnamic acid derivatives ferulic acid, caffeic acid and sinapinic acid as the matrix. The availability of small and relatively inexpensive nitrogen lasers operating at 337 nm wavelength and the first commercial instruments introduced in the early 1990s brought MALDI to an increasing number of researchers. Today, mostly organic matrices are used for MALDI mass spectrometry.