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.