Введение

Аналитический метод, основанный на определении отношения массы к заряду ионов. Масс-спектрометрия (MS) – это аналитический метод, используемый для измерения отношения массы к заряду ионов. Результаты представляются в виде масс-спектра – графика интенсивности в зависимости от отношения массы к заряду. Масс-спектрометрия применяется в различных областях и используется как для анализа чистых веществ, так и сложных смесей. Масс-спектр представляет собой график ионного сигнала в зависимости от отношения массы к заряду. Эти спектры используются для определения элементного или изотопного состава образца, масс частиц и молекул, а также для установления химической идентичности или структуры молекул и других химических соединений. В типичной процедуре масс-спектрометрии образец, который может быть твердым, жидким или газообразным, ионизируется, например, путем бомбардировки пучком электронов. Это может приводить к разрыву некоторых молекул образца на положительно заряженные фрагменты или к их простому приобретению положительного заряда без фрагментации. Затем эти ионы (фрагменты) разделяются в соответствии с их отношением массы к заряду, например, путем ускорения и воздействия электрического или магнитного поля: ионы с одинаковым отношением массы к заряду будут отклоняться одинаково. Ионы детектируются механизмом, способным обнаруживать заряженные частицы, таким как электронный умножитель. Результаты отображаются в виде спектров интенсивности сигнала детектированных ионов в зависимости от отношения массы к заряду. Атомы или молекулы в образце могут быть идентифицированы путем сопоставления известных масс (например, массы целой молекулы) с обнаруженными массами или по характерному паттерну фрагментации.

История массового спектрометра

В 1886 году Эвген Голдштейн наблюдал лучи в газовых разрядах при низком давлении, которые исходили от анода и проходили через каналы в перфорированном катоде, в направлении, противоположном отрицательно заряженным катодным лучам (которые движутся от катода к аноду). Голдштейн назвал эти положительно заряженные анодные лучи "Kanalstrahlen"; стандартный перевод этого термина на английский язык – "канал-лучи". Вильгельм Вин обнаружил, что сильные электрические или магнитные поля отклоняют канал-лучи, и в 1899 году построил прибор с взаимно перпендикулярными электрическими и магнитными полями, который разделял положительные лучи в соответствии с их отношением заряда к массе (Q/m). Вин обнаружил, что отношение заряда к массе зависело от природы газа в разрядной трубке. Английский ученый Дж. Дж. Томсон впоследствии усовершенствовал работу Вина, уменьшив давление для создания масс-спектрографа. К 1884 году слово "спектрограф" вошло в международный научный словарь. Ранние спектрометрические приборы, измерявшие отношение массы к заряду ионов, назывались масс-спектрографами и состояли из устройств, записывающих спектр значений массы на фотографическую пластину. Масс-спектроскоп аналогичен масс-спектрографу, за исключением того, что пучок ионов направляется на флуоресцентный экран. Конфигурация масс-спектроскопа использовалась в ранних приборах, когда требовалось быстро наблюдать эффект регулировок. После правильной настройки прибора в него помещалась фотопластина и проводилась экспозиция. Термин "масс-спектроскоп" продолжал использоваться, даже после того как прямое освещение флуоресцентного экрана было заменено косвенными измерениями с помощью осциллографа. Использование термина "масс-спектроскопия" в настоящее время не рекомендуется из-за возможности путаницы со световой спектроскопией. Масс-спектрометрия часто обозначается аббревиатурами mass spec или просто MS. Калютронные масс-спектрометры использовались для обогащения урана на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Теннесси, построенном во время Второй мировой войны. В 1989 году половина Нобелевской премии по физике была присуждена Хансу Демельту и Вольфгангу Полу за разработку метода ионной ловушки в 1950-х и 1960-х годах. В 2002 году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Беннету Фенну за разработку электрораспылительной ионизации (ESI) и Коичи Танаке за разработку мягкой лазерной десорбции (SLD) и их применение к ионизации биологических макромолекул, в частности белков.

Части массового спектрометра

Массовый спектрометр состоит из трех компонентов: источника ионов, масс-анализатора и детектора. Ионизатор преобразует часть образца в ионы. Существует большое разнообразие методов ионизации, зависящее от фазы (твердое, жидкое, газообразное) образца и эффективности различных механизмов ионизации для определяемых веществ. Система извлечения удаляет ионы из образца, которые затем направляются в масс-анализатор и далее в детектор. Различия в массах фрагментов позволяют масс-анализатору разделять ионы по отношению массы к заряду. Детектор измеряет величину некоторого параметра и таким образом предоставляет данные для расчета концентрации каждого присутствующего иона. Некоторые детекторы также предоставляют пространственную информацию, например, многоканальная пластина.

Теоретический пример

Ниже описывается работа масс-анализатора спектрометра, относящегося к секторному типу. (Другие типы анализаторов рассматриваются далее.) Рассмотрим образец хлорида натрия (поваренной соли). В источнике ионов образец испаряется (превращается в газ) и ионизируется (превращается в электрически заряженные частицы) в ионы натрия (Na+) и хлорида (Cl−). Атомы и ионы натрия моноизотопны, их масса составляет около 23 дальтон (символ: Da или устаревший символ: u). Атомы и ионы хлора представлены двумя стабильными изотопами с массами приблизительно 35 u (при естественной распространенности около 75 процентов) и приблизительно 37 u (при естественной распространенности около 25 процентов). Анализаторная часть спектрометра содержит электрические и магнитные поля, которые воздействуют на ионы, движущиеся в этих полях. Скорость заряженной частицы может изменяться при прохождении через электрическое поле, а ее направление – под воздействием магнитного поля. Степень отклонения траектории движущегося иона зависит от его отношения массы к заряду. Более легкие ионы отклоняются магнитным полем сильнее, чем более тяжелые (в соответствии со вторым законом Ньютона, F = ma). Потоки ионов, отсортированных магнитным полем, поступают от анализатора к детектору, который регистрирует относительную интенсивность каждого типа ионов. Эта информация используется для определения элементного состава исходного образца (то есть присутствия в образце натрия и хлора) и изотопного состава его компонентов (соотношения 35Cl к 37Cl).

Создание ионов

Источник ионов – это часть масс-спектрометра, которая ионизирует анализируемое вещество (аналит). Затем ионы транспортируются магнитными или электрическими полями к массному анализатору. Методы ионизации сыграли ключевую роль в определении типов образцов, которые можно анализировать с помощью масс-спектрометрии. Электронная ионизация и химическая ионизация применяются для газов и паров. В источниках химической ионизации аналит ионизируется посредством химических реакций ион-молекул при столкновениях внутри источника. Два метода, часто используемых для анализа жидких и твердых биологических образцов, включают электрораспылительную ионизацию (изобретенную Джоном Фенном) и лазерную десорбцию/ионизацию с матрицей (MALDI, первоначально разработанную как аналогичная техника "Мягкая лазерная десорбция (SLD)" К. Танакой, за которую была присуждена Нобелевская премия, и как MALDI М. Карасом и Ф. Хилленкампом).

Твердая и мягкая ионизация

В масс-спектрометрии ионизация относится к образованию ионов газовой фазы, пригодных для разделения в масс-анализаторе или масс-фильтре. Ионизация происходит в источнике ионов. Существует несколько типов источников ионов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки для конкретных применений. Например, электронная ионизация (EI) обеспечивает высокую степень фрагментации, генерируя детальные масс-спектры, которые при квалифицированном анализе могут предоставить важную информацию для установления структуры/характеризации и облегчить идентификацию неизвестных соединений путем сравнения со спектральными библиотеками, полученными при идентичных условиях. Однако EI не подходит для сочетания с ВЭЖХ, то есть LC-MS, поскольку нити накала, используемые для генерации электронов, быстро перегорают при атмосферном давлении. Поэтому EI преимущественно сочетается с ГХ, то есть GC-MS, где вся система находится под высоким вакуумом. Методы жесткой ионизации – это процессы, которые передают молекуле большое количество остаточной энергии, вызывая значительную фрагментацию (то есть систематический разрыв связей служит для рассеивания избыточной энергии и восстановления стабильности образовавшегося иона). Образующиеся ионы, как правило, имеют отношение m/z ниже, чем у молекулярного иона (за исключением случаев переноса протонов и не считая изотопных пиков). Наиболее распространенным примером жесткой ионизации является электронная ионизация (EI). Мягкая ионизация относится к процессам, которые передают молекуле небольшое количество остаточной энергии и, следовательно, приводят к незначительной фрагментации. Примеры включают быструю атомную бомбардировку (FAB), химическую ионизацию (CI), химическую ионизацию при атмосферном давлении (APCI), фотоионизацию при атмосферном давлении (APPI), электрораспылительную ионизацию (ESI), десорбционную электрораспылительную ионизацию (DESI) и матрично-активированную лазерную десорбцию/ионизацию (MALDI).

Индуктивно связанная плазма

Источники индуктивно связанной плазмы (ICP) используются преимущественно для анализа катионов различных типов образцов. В этом источнике используется плазма, которая в целом электрически нейтральна, но значительная часть её атомов ионизирована высокой температурой, для атомизации вводимых молекул образца и дальнейшего отрыва внешних электронов от этих атомов. Плазма обычно генерируется из газа аргона, поскольку первая энергия ионизации атомов аргона выше, чем у любых других элементов, кроме He, F и Ne, но ниже, чем вторая энергия ионизации всех элементов, за исключением наиболее электроположительных металлов. Нагрев осуществляется посредством радиочастотного тока, проходящего через катушку, окружающую плазму.

Массовая спектрометрия фотоионизации

Фотоионизация может быть использована в экспериментах, направленных на применение масс-спектрометрии для определения механизмов химической кинетики и распределения изомерных продуктов. В таких случаях фотон высокой энергии – рентгеновское или ультрафиолетовое излучение – используется для диссоциации стабильных газообразных молекул в газе-носителе, таком как гелий или аргон. При использовании синхротронного источника света можно использовать настраиваемую энергию фотона для получения кривой эффективности фотоионизации, которую в сочетании с отношением массы к заряду m/z можно использовать для идентификации молекул и ионов. В последнее время была разработана фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) для ионизации молекул, преимущественно выходящих из жидкостной хромато-масс-спектрометрии (LC-MS).

Ионизация окружающей среды

Некоторые области применения ионизации в окружающем воздухе включают экологические и клинические исследования. В этих методах ионы формируются в источнике ионов, расположенном вне масс-спектрометра. Отбор проб упрощается, так как образцам не требуется предварительное разделение или подготовка. Примеры методов ионизации в окружающем воздухе включают прямой анализ в реальном времени (DART), DESI, SESI, LAESI, десорбционную химическую ионизацию при атмосферном давлении (DAPCI) и десорбционную фотоионизацию при атмосферном давлении (DAPPI) и другие.

Другие методы ионизации

Другие методы включают в себя тлевой разряд, полевую десорбцию (FD), быструю атомную бомбардировку (FAB), термораспыление, десорбцию/ионизацию на кремнии (DIOS), химическую ионизацию при атмосферном давлении (APCI), вторичную ионную масс-спектрометрию (SIMS), искровую ионизацию и термическую ионизацию (TIMS).

Секторные инструменты

Анализатор массы с секторным полем использует статическое электрическое и/или магнитное поле для изменения траектории и/или скорости заряженных частиц. Как показано выше, приборы с секторным полем искривляют траектории ионов при прохождении через анализатор массы в зависимости от их отношения массы к заряду, сильнее отклоняя более заряженные и быстродвижущиеся, но более легкие ионы. Анализатор может быть использован для выделения узкого диапазона значений m/z или для сканирования диапазона m/z с целью идентификации присутствующих ионов.

Время полета

Анализатор времени пролета (TOF) использует электрическое поле для ускорения ионов до одного и того же потенциала, а затем измеряет время, необходимое им для достижения детектора. Если все частицы имеют одинаковый заряд, их кинетическая энергия будет одинаковой, а их скорости будут зависеть только от их массы. Ионы с меньшей массой достигнут детектора первыми. Однако на практике даже частицы с одинаковым отношением m/z могут прибывать в детектор в разное время из-за различий в их начальных скоростях. Начальная скорость часто не зависит от массы иона и преобразуется в разницу в конечной скорости. В результате ионы с одинаковым отношением m/z достигают детектора в различные моменты времени, что приводит к уширению пиков на графике зависимости интенсивности от m/z, но обычно не изменяет центральное положение пиков, поскольку начальные скорости ионов в основном распределены вокруг нуля. Для решения этой проблемы в TOF MS стали применять фокусировку с временной задержкой/отложенную экстракцию.

Квадропольный массовый фильтр

Квадропольные масс-анализаторы используют колеблющиеся электрические поля для селективной стабилизации или дестабилизации траекторий ионов, проходящих через радиочастотное (РЧ) квадропольное поле, созданное между четырьмя параллельными стержнями. В любой момент времени через систему проходят только ионы в определенном диапазоне отношения массы к заряду, но изменение потенциалов на стержнях позволяет быстро сканировать широкий диапазон значений m/z, либо непрерывно, либо последовательностью дискретных шагов. Квадропольный масс-анализатор действует как масс-селективный фильтр и тесно связан с квадропольной ионной ловушкой, в особенности с линейной квадропольной ионной ловушкой, за исключением того, что он предназначен для пропуска не захваченных ионов, а не для накопления захваченных, и поэтому называется передающим квадрополем. Магнитно-усиленный квадропольный масс-анализатор включает добавление магнитного поля, приложенного либо вдоль оси, либо поперечно. Этот новый тип прибора обеспечивает дополнительное повышение производительности в отношении разрешения и/или чувствительности в зависимости от величины и ориентации приложенного магнитного поля. Распространенным вариантом передающего квадрополя является тандемный квадропольный масс-спектрометр, или "тройной квадрополь". "Тройной квадрополь" имеет три последовательных квадропольных этапа, первый из которых действует как масс-фильтр для передачи конкретного входящего иона во второй квадрополь – камеру столкновений, где этот ион может быть фрагментирован. Третий квадрополь также действует как масс-фильтр, передавая определенный фрагмент иона на детектор. Если квадрополь быстро и циклически перебирает диапазон настроек масс-фильтра, можно регистрировать полные спектры. Аналогично, тройной квадрополь может выполнять различные типы сканирования, характерные для тандемной масс-спектрометрии.

Трехмерная четырехполюсная ионная ловушка

Квадропольная ионная ловушка работает по тем же физическим принципам, что и квадропольный масс-анализатор, но ионы захватываются и последовательно извлекаются. Ионы удерживаются преимущественно в квадрупольном радиочастотном (RF) поле в пространстве, определяемом кольцевым электродом (обычно подключенным к основному RF-потенциалу) между двумя концевыми электродами (обычно подключенными к постоянному (DC) или вспомогательному переменному (AC) потенциалу). Образец ионизируется либо внутри ловушки (например, электронным или лазерным лучом), либо снаружи, в этом случае ионы часто вводятся через апертуру в концевом электроде. Существует множество методов разделения и выделения ионов по массе/заряду, но наиболее распространенным является режим неустойчивости по массе, в котором радиочастотный потенциал изменяется таким образом, что орбиты ионов с массой a > b остаются стабильными, а ионы с массой b становятся неустойчивыми и извлекаются по оси z на детектор. Также существуют неразрушающие методы анализа. Ионы могут также извлекаться методом резонансного возбуждения, при котором на концевые электроды подается дополнительное колебательное напряжение возбуждения, а амплитуда удерживающего напряжения и/или частота напряжения возбуждения изменяются для перевода ионов в резонансное состояние в соответствии с их отношением массы к заряду.

Цилиндрическая ионная ловушка

Цилиндрический ионный ловушковый масс-спектрометр (CIT) является производным от квадрапольной ионной ловушки, в котором электроды выполнены из плоских колец, а не гиперболических. Такая архитектура хорошо подходит для миниатюризации, поскольку при уменьшении размеров ловушки форма электрического поля вблизи центра ловушки – области, где удерживаются ионы – становится похожей на форму электрического поля гиперболической ловушки.

Линейная четырехполюсная ионная ловушка

Линейная четырехполюсная ионная ловушка аналогична четырехполюсной ионной ловушке, но захватывает ионы в двумерном четырехполюсном поле, в отличие от трехмерного четырехполюсного поля, используемого в 3D четырехполюсной ионной ловушке. LTQ от Thermo Fisher ("линейная ловушка квадруполя") является примером линейной ионной ловушки. Тороидальную ионную ловушку можно представить как линейный квадруполь, изогнутый и соединенный на концах, или как поперечное сечение 3D ионной ловушки, повернутое на ребро для формирования тороидальной ловушки в форме бублика. Ловушка способна хранить большие объемы ионов, распределяя их по всей кольцевой структуре. Эта тороидальная ловушка представляет собой конфигурацию, позволяющую повысить степень миниатюризации масс-анализатора ионной ловушки. Кроме того, все ионы хранятся в одном поле захвата и выбрасываются одновременно, что упрощает детектирование, которое может быть затруднено в конфигурациях с массивами из-за различий в выравнивании детекторов и точности изготовления массивов. Как и в случае с тороидальной ловушкой, линейные ловушки и 3D четырехполюсные ионные ловушки являются наиболее часто миниатюризируемыми масс-анализаторами благодаря их высокой чувствительности, устойчивости к давлению в диапазоне mTorr и возможностям тандемной масс-спектрометрии с одним анализатором (например, сканирование ионов продуктов).

Орбитрапа

Приборы Orbitrap похожи на фурье-трансформационные ионно-циклотронные резонансные масс-спектрометры (см. текст ниже). Ионы электростатически удерживаются на орбите вокруг центрального, веретенообразного электрода. Электрод ограничивает ионы таким образом, что они одновременно вращаются вокруг центрального электрода и колеблются вдоль его длинной оси. Эти колебания генерируют ток в детекторах, который регистрируется прибором. Частоты этих токов зависят от отношения массы к заряду ионов. Масс-спектры получаются путем преобразования Фурье зарегистрированных токов. Orbitrap обладает высокой точностью определения массы, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном.

Фурье-трансформационный ионный циклотроновый резонанс

Массовая спектрометрия преобразования Фурье (FTMS), или точнее, масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса преобразования Фурье, измеряет массу, обнаруживая ток изображения, создаваемый ионами, циклотронирующими в магнитном поле. Вместо измерения отклонения ионов детектором, таким как электронный умножитель, ионы вводятся в ловушку Пеннинга (статическую электромагнитную ловушку для ионов), где они фактически становятся частью электрической цепи. Детекторы, расположенные в фиксированных точках пространства, измеряют электрический сигнал ионов, проходящих мимо них во времени, генерируя периодический сигнал. Поскольку частота циклотронного вращения иона определяется его отношением массы к заряду, этот сигнал можно преобразовать, выполнив преобразование Фурье. FTMS обладает преимуществом высокой чувствительности (поскольку каждый ион "считается" несколько раз) и значительно более высоким разрешением и, следовательно, точностью. Ионный циклотронный резонанс (ICR) – более ранний метод масс-анализа, схожий с FTMS, но в нем ионы обнаруживаются традиционным детектором. Ионы, захваченные в ловушку Пеннинга, возбуждаются радиочастотным электрическим полем до тех пор, пока не сталкиваются со стенкой ловушки, где находится детектор. Ионы с разной массой разделяются по времени столкновения.

Детекторы

Последним элементом масс-спектрометра является детектор. Детектор регистрирует либо индуцированный заряд, либо ток, возникающий при прохождении иона мимо или при его столкновении с поверхностью. В сканирующем приборе сигнал, генерируемый детектором в процессе сканирования, в зависимости от положения прибора в скане (соответствующего значению m/Q), формирует масс-спектр – запись ионов как функции m/Q. Как правило, используется тот или иной тип электронного умножителя, хотя также применяются и другие детекторы, такие как чашки Фарадея и детекторы ионов в фотоны. Поскольку количество ионов, выходящих из масс-анализатора в конкретный момент времени, обычно невелико, для получения сигнала часто требуется значительное усиление. Микроканальные пластинчатые детекторы широко используются в современных коммерческих приборах. В FTMS и Orbitrap детектор состоит из пары металлических поверхностей внутри области масс-анализатора/ионной ловушки, вблизи которых ионы проходят во время колебаний. Постоянный ток не генерируется, а образуется лишь слабый переменный ток изображения в цепи между электродами. Также используются и другие индуктивные детекторы.

Тандемная масс-спектрометрия

Тандемный масс-спектрометр – это прибор, способный проводить несколько этапов масс-спектрометрии, обычно разделенных каким-либо способом фрагментации молекул. Например, один масс-анализатор может изолировать один пептид из множества, поступающих в масс-спектрометр. Затем коллизионная ячейка стабилизирует пептидные ионы во время столкновения с газом, вызывая их фрагментацию посредством коллизионно-индуцированной диссоциации (CID). Другой масс-анализатор сортирует фрагменты, образовавшиеся из пептидов. Тандемная МС также может выполняться в одном масс-анализаторе со временем, как, например, в квадрупольной ионной ловушке. Существуют различные методы фрагментации молекул для тандемной МС, включая диссоциацию, вызванную столкновением (CID), диссоциацию захвата электронов (ECD), диссоциацию передачи электронов (ETD), инфракрасную многофотонную диссоциацию (IRMPD), диссоциацию черного тела в инфракрасном диапазоне (BIRD), диссоциацию отрыва электронов (EDD) и диссоциацию, индуцированную поверхностью (SID). Важным применением тандемной масс-спектрометрии является идентификация белков. Тандемная масс-спектрометрия позволяет проводить разнообразные экспериментальные последовательности. Многие коммерческие масс-спектрометры разработаны для ускорения выполнения таких стандартных последовательностей, как мониторинг выбранных реакций (SRM), сканирование ионов-предшественников, сканирование ионов-продуктов и сканирование нейтральных потерь. В SRM первый анализатор пропускает только одну массу, а второй анализатор отслеживает несколько фрагмент-ионов, определенных пользователем, в течение более длительного времени удержания, чем это возможно при полном сканировании. Это повышает чувствительность. При сканировании ионов-продуктов первый масс-анализатор фиксируется для выбора конкретного иона-предшественника ("родительского" иона), а второй сканируется для обнаружения всех фрагментов ("продуктов" или "дочерних" ионов"), на которые он может быть фрагментирован в коллизионной ячейке. При сканировании ионов-предшественников второй масс-анализатор фиксируется для выбора конкретного фрагмент-иона ("дочернего" иона), а первый сканируется для поиска всех возможных ионов-предшественников, которые могут привести к образованию этого фрагмента. При сканировании нейтральных потерь оба масс-анализатора сканируются параллельно, но с разностью масс, соответствующей молекулярной подгруппе, представляющей интерес для исследователя. Ионы регистрируются, если они теряют эту фиксированную массу в процессе фрагментации. Это можно использовать для поиска любого соединения, способного терять определенную нейтральную группу, например, остаток сахара. Совместное использование сканирования нейтральных потерь и сканирования ионов-предшественников позволяет искать соединения с определенными структурными мотивами. Другой тип тандемной масс-спектрометрии, используемый для радиоуглеродного датирования, – это ускорительная масс-спектрометрия (AMS), которая использует очень высокие напряжения, обычно в диапазоне мегавольт, для ускорения отрицательных ионов в тандемный масс-спектрометр. База данных METLIN Metabolite and Chemical Entity Database является крупнейшим хранилищем экспериментальных данных тандемной масс-спектрометрии, полученных из стандартов. Данные тандемной масс-спектрометрии для более чем 930 000 молекулярных стандартов (по состоянию на январь 2024 года) используются не только для идентификации известных молекул, но и для идентификации неизвестных соединений с помощью поиска и анализа сходства. Все данные тандемной масс-спектрометрии получены в результате экспериментального анализа стандартов при различных энергиях столкновения и в режимах положительной и отрицательной ионизации. Однако высокие температуры (300°C), используемые в порте ввода и печи GC-MS, могут приводить к термической деградации вводимых молекул, что приводит к измерению продуктов деградации вместо интересующих молекул.

Жидкая хроматография

Аналогично газовой хроматографии с масс-спектрометрией (GC MS), жидкостная хроматография с масс-спектрометрией (LC/MS или LC MS) разделяет соединения хроматографически перед их подачей в ионный источник и масс-спектрометр. В отличие от GC MS, в LC MS в качестве подвижной фазы используется жидкость, как правило, смесь воды и органических растворителей, а не газ. Чаще всего в LC MS применяется источник ионизации электрораспылением. Другими распространенными и коммерчески доступными источниками ионов для LC MS являются химическая ионизация при атмосферном давлении и фотоионизация при атмосферном давлении. Существуют также новые методы ионизации, такие как лазерное распыление.

Капилярный электрофорезмасс-спектрометрия

Капилярный электрофорез – масс-спектрометрия (CE MS) – это метод, объединяющий разделение веществ в жидкой фазе, осуществляемое с помощью капиллярного электрофореза, и масс-спектрометрию. Обычно CE MS сочетается с электрораспылительной ионизацией.

Ионная мобильность

Массовая спектрометрия ионной подвижности (IMS/MS или IMMS) – это метод, в котором ионы сначала разделяются по времени дрейфа при прохождении через нейтральный газ под воздействием градиента электрического потенциала, прежде чем поступают в масс-спектрометр. Время дрейфа является мерой эффективного сечения столкновений иона относительно его заряда. Рабочий цикл IMS (продолжительность эксперимента) больше, чем у большинства методов масс-спектрометрии, что позволяет масс-спектрометру проводить измерения в процессе разделения ионами по подвижности. Это позволяет получать данные как о разделении по ионной подвижности, так и об отношении массы к заряду ионов, аналогично данным, получаемым в LC-MS. Рабочий цикл IMS короче, чем при жидкостной или газовой хроматографии, и поэтому его можно комбинировать с этими методами, создавая трехмерные методы анализа, такие как LC/IMS/MS.

Представления данных

Массовая спектрометрия генерирует различные типы данных. Наиболее распространенным способом представления данных является масс-спектр. Определенные типы данных, полученных с помощью масс-спектрометрии, лучше всего отображаются в виде масс-хроматограммы. К типам хроматограмм относятся селективный ионный мониторинг (SIM), общий ионный ток (TIC) и селективный мониторинг реакций (SRM), а также многие другие. Другие типы данных масс-спектрометрии хорошо представляются в виде трехмерной контурной карты. В этом формате отношение массы к заряду, m/z, откладывается по оси x, интенсивность – по оси y, а дополнительный экспериментальный параметр, например, время, – по оси z.

Анализ данных

Анализ данных масс-спектрометрии специфичен для типа эксперимента, который эти данные генерирует. Общие классификации данных имеют фундаментальное значение для понимания любых результатов. Многие масс-спектрометры работают либо в режиме отрицательных ионов, либо в режиме положительных ионов. Крайне важно знать, являются ли наблюдаемые ионы отрицательно или положительно заряженными. Это часто необходимо для определения нейтральной массы, но также дает представление о природе молекул. Различные типы источников ионов приводят к образованию различных наборов фрагментов из исходных молекул. Источник электронной ионизации генерирует множество фрагментов, преимущественно однозаряженных (1+) радикалов (с нечетным числом электронов), в то время как источник электрораспыления обычно образует нерадикальные квазимолекулярные ионы, которые часто имеют множественный заряд. Тандемная масс-спектрометрия намеренно генерирует фрагмент-ионы после источника и может существенно изменить тип данных, получаемых в ходе эксперимента. Знание происхождения образца может дать представление о молекулярном составе образца и особенностях его фрагментации. Образец, полученный в процессе синтеза или производства, вероятно, будет содержать примеси, химически связанные с целевым соединением. Грубо подготовленный биологический образец, скорее всего, будет содержать определенное количество соли, которая может образовывать аддукты с анализируемыми молекулами в некоторых анализах. Результаты также могут сильно зависеть от подготовки образца и способа его подачи/введения. Важным примером является выбор матрицы для MALDI-массивов, поскольку большая часть энергии процесса десорбции/ионизации контролируется матрицей, а не мощностью лазера. Иногда в образцы добавляют натрий или другие ионы для образования аддуктов вместо протонированных частиц. Масс-спектрометрия позволяет измерять молярную массу, молекулярную структуру и чистоту образца. Для решения каждого из этих вопросов требуется своя экспериментальная процедура; поэтому четкое определение экспериментальной цели является обязательным условием для получения корректных данных и их успешной интерпретации.

Интерпретация масс-спектров

Поскольку точная структура или пептидная последовательность молекулы определяется на основе набора масс фрагментов, интерпретация масс-спектров требует комплексного использования различных методов. Обычно первой стратегией идентификации неизвестного соединения является сравнение его экспериментального масс-спектра с библиотекой масс-спектров. Если поиск не дает совпадений, необходимо проводить ручную или программно-поддерживаемую интерпретацию масс-спектров. Компьютерное моделирование процессов ионизации и фрагментации, происходящих в масс-спектрометре, является основным инструментом для установления структуры или пептидной последовательности молекулы. Априорная структурная информация фрагментируется *in silico*, и полученный результат сравнивается с наблюдаемым спектром. Такое моделирование часто поддерживается библиотекой фрагментации, содержащей опубликованные схемы известных реакций разложения. Программное обеспечение, использующее этот подход, разработано как для малых молекул, так и для белков. Анализ масс-спектров также может выполняться с использованием спектров с высокой точностью массы. Значение отношения массы к заряду (m/z) с точностью до целых чисел может соответствовать огромному количеству теоретически возможных ионных структур; однако более точные значения массы значительно сокращают число возможных молекулярных формул. Компьютерный алгоритм, называемый генератором формул, вычисляет все молекулярные формулы, которые теоретически соответствуют заданной массе с определенной погрешностью. Недавний метод определения структуры в масс-спектрометрии, называемый «отпечатком пальца ионов-предшественников», идентифицирует отдельные элементы структурной информации путем поиска тандемных спектров исследуемой молекулы в библиотеке спектров дочерних ионов структурно охарактеризованных ионов-предшественников.

Приложения

Массовая спектрометрия имеет как качественные, так и количественные применения. К ним относятся идентификация неизвестных соединений, определение изотопного состава элементов в молекуле и установление структуры соединения по его фрагментации. Другие применения включают количественное определение содержания соединения в образце и изучение основ ионной химии газовой фазы (химии ионов и нейтральных частиц в вакууме). Масс-спектрометрия широко используется в аналитических лабораториях, изучающих физические, химические или биологические свойства разнообразных соединений. Количественное определение может быть относительным (по отношению к эталонному образцу) или абсолютным (с использованием градуировочного графика). Как аналитический метод, она обладает следующими преимуществами: повышенная чувствительность по сравнению с большинством других аналитических методов, поскольку анализатор, выступая в роли фильтра по массе и заряду, снижает фоновые помехи; высокая специфичность, обеспечиваемая характерными спектрами фрагментации для идентификации неизвестных соединений или подтверждения наличия предполагаемых веществ; информация о молекулярной массе; информация об изотопном содержании элементов; временное разрешение химических данных. К недостаткам метода относится то, что он часто не позволяет различить оптические и геометрические изомеры, а также положение заместителей в o-, m- и p-положениях ароматического кольца. Кроме того, область его применения ограничена при идентификации углеводородов, дающих сходные фрагменты ионов.

Изотопное соотношение MS: датирование и прослеживание изотопов

Массовая спектрометрия также используется для определения изотопного состава элементов в образце. Различия в массе между изотопами элемента очень малы, а менее распространенные изотопы элемента, как правило, встречаются в очень малых количествах, поэтому требуется высокочувствительный прибор. Эти приборы, иногда называемые изотопными масс-спектрометрами с отношением масс (IR MS), обычно используют один магнит для отклонения пучка ионизированных частиц к серии чашек Фарадея, которые преобразуют воздействие частиц в электрический ток. Быстрый онлайн-анализ содержания дейтерия в воде можно проводить с помощью масс-спектрометрии в потоке послесвечения (FA MS). Вероятно, наиболее чувствительным и точным масс-спектрометром для этой цели является ускорительный масс-спектрометр (AMS). Это обусловлено тем, что он обеспечивает предельную чувствительность, позволяющую измерять отдельные атомы и определять содержание нуклидов в динамическом диапазоне ~10¹⁵ относительно основного стабильного изотопа. Изотопные соотношения являются важными индикаторами различных процессов. Некоторые изотопные соотношения используются для определения возраста материалов, например, при радиоуглеродном датировании. Мечение стабильными изотопами также применяется для количественного определения белков (см. характеристику белков ниже).

Мембрано-вводная масс-спектрометрия: измерение газов в растворе

Мембранная масс-спектрометрия сочетает в себе изотопный масс-спектрометрический анализ с реакционной камерой/ячейкой, разделенной газопроницаемой мембраной. Этот метод позволяет изучать газы в процессе их образования в растворе. Он широко используется для изучения выработки кислорода фотосистемой II.

Анализ следовых газов

Некоторые методы используют ионы, созданные в специализированном источнике ионов, которые вводятся в проточную трубку или дрейфовую трубку: выбранная проточная трубка ионов (SIFT MS) и реакция переноса протонов (PTR MS) являются вариантами химической ионизации, предназначенными для анализа следовых газов в воздухе, выдыхаемом воздухе или газовом пространстве над жидкостью, с использованием точно определенного времени реакции, позволяющего рассчитывать концентрации анализируемых веществ на основе известных кинетических параметров реакции без необходимости использования внутреннего стандарта или калибровки. Другой метод, применяемый в области анализа следовых газов, – вторичная электрораспылительная ионизация (SESI MS), которая является вариантом электрораспылительной ионизации. SESI состоит из электрораспылительного шлейфа чистого подкисленного растворителя, который взаимодействует с нейтральными парами. Молекулы пара ионизируются при атмосферном давлении при передаче заряда от ионов, образованных в электрораспылителе, к молекулам. Одним из преимуществ этого подхода является его совместимость с большинством систем МСЭ ЕСИ.

Атомный зонд

Атомный зонд — это прибор, сочетающий в себе масс-спектрометрию по времени пролета и микроскопию полевого испарения для определения местоположения отдельных атомов.

Фармакокинетика

Фармакокинетика часто изучается с использованием масс-спектрометрии из-за сложного состава матрицы (часто крови или мочи) и необходимости высокой чувствительности для регистрации низких доз и данных, полученных через длительные промежутки времени. Наиболее распространенным оборудованием, используемым в этом применении, является LC-MS с тандемным масс-спектрометром с тройным квадруполем. Тандемная масс-спектрометрия обычно используется для повышения специфичности. Для количественного определения, как правило, одного фармацевтического препарата в образцах используются стандартные кривые и внутренние стандарты. Образцы представляют собой различные моменты времени, соответствующие введению фармацевтического препарата, его последующему метаболизму или выведению из организма. Пустые образцы или образцы, взятые в момент времени t=0 до введения препарата, важны для определения фонового сигнала и обеспечения целостности данных в таких сложных матрицах. Большое внимание уделяется линейности стандартной кривой, однако нередко для аппроксимации используют более сложные функции, такие как квадратичные, поскольку ответ большинства масс-спектрометров не является линейным в широком диапазоне концентраций. В настоящее время проявляется значительный интерес к использованию высокочувствительной масс-спектрометрии для исследований микродозирования, которые рассматриваются как перспективная альтернатива экспериментам на животных. Недавние исследования показали, что вторичная электрораспылительная ионизация (SESI) является эффективным методом мониторинга кинетики лекарственных средств посредством анализа выдыхаемого воздуха. Поскольку выдыхаемый воздух образуется естественным образом, можно легко получить множество точек данных. Это позволяет значительно увеличить количество собираемых данных. В исследованиях на животных данный подход с использованием SESI может снизить необходимость в жертвах животных.

Характеристика белков

Массовая спектрометрия является важным методом для характеристики и секвенирования белков. Два основных метода ионизации целых белков – электрораспылительная ионизация (ESI) и матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI). В соответствии с характеристиками и диапазоном масс доступных масс-спектрометров, для характеристики белков используются два подхода. В первом случае, целые белки ионизируются одним из двух описанных выше методов, а затем вводятся в масс-анализатор. Этот подход называют стратегией анализа белков "сверху вниз". Однако подход "сверху вниз" в значительной степени ограничен исследованиями отдельных белков с низкой пропускной способностью. Во втором случае, белки ферментативно расщепляются на более мелкие пептиды с помощью протеаз, таких как трипсин или пепсин, либо в растворе, либо в геле после электрофоретического разделения. Также используются и другие протеолитические агенты. Полученная смесь пептидов часто разделяется хроматографией перед введением в масс-анализатор. Когда характерный набор пептидов используется для идентификации белка, метод называется пептидным массовым отпечатком (PMF), а если идентификация выполняется на основе данных о последовательности, полученных в тандемной MS-анализе, то он называется de novo секвенированием пептидов. Эти процедуры анализа белков также называют подходом "снизу вверх", и они также используются для анализа распределения и локализации посттрансляционных модификаций, таких как фосфорилирование белков. Кроме того, начинает применяться и третий подход – промежуточный, "средний" подход, который включает анализ протеолитических пептидов, размер которых превышает размер типичных триптических пептидов.

Исследование космоса

В качестве стандартного метода анализа, масс-спектрометры были доставлены на другие планеты и луны. Два масс-спектрометра были отправлены на Марс программой "Викинг". В начале 2005 года миссия "Кассини-Гюйгенс" доставила специализированный прибор GC MS на борту зонда "Гюйгенс" для исследования атмосферы Титана, крупнейшего спутника планеты Сатурн. Этот прибор анализировал образцы атмосферы по траектории спуска и смог испарить и проанализировать образцы замерзшей, покрытой углеводородами поверхности Титана после посадки зонда. Эти измерения сравнивают соотношение изотопов каждого элемента с естественным соотношением на Земле. Также на борту космического аппарата "Кассини-Гюйгенс" находился ионно-нейтральный масс-спектрометр, который измерял состав атмосферы Титана и состав гейзеров Энцелада. Масс-спектрометр с термоэволюционным газоанализатором был установлен на посадочном модуле "Феникс", отправленном на Марс в 2007 году. Масс-спектрометры также широко используются в космических миссиях для измерения состава плазмы. Например, космический аппарат "Кассини" был оснащен плазменным спектрометром "Кассини" (CAPS), который измерял массу ионов в магнитосфере Сатурна.

Монитор дыхательных газов

Массовые спектрометры использовались в больницах для анализа дыхательных газов, начиная примерно с 1975 года и до конца века. Некоторые из них, вероятно, все еще в эксплуатации, но в настоящее время не производятся. В основном их можно было встретить в операционных, где они являлись частью сложной системы: образцы выдыхаемого пациентами газа, находящимися под анестезией, поступали в прибор через клапанный механизм, предназначенный для последовательного подключения до 32 палат к масс-спектрометру. Компьютер управлял всеми операциями системы. Данные, полученные с масс-спектрометра, передавались в соответствующие палаты для использования анестезиологом. Уникальной особенностью этого масс-спектрометра с магнитным сектором, возможно, была плоскость детекторов, каждый из которых был специально расположен для регистрации всех ионных видов, ожидаемых в образцах, что позволяло прибору одновременно определять концентрацию всех газов, выдыхаемых пациентом. Несмотря на то, что диапазон масс был ограничен чуть более 120 а.е.м., фрагментация некоторых более тяжелых молекул устраняла необходимость в более высоком пределе детектирования.

Подготовительная масс-спектрометрия

Основная функция масс-спектрометрии — это использование в качестве инструмента для химического анализа, основанного на обнаружении и количественном определении ионов по их отношению массы к заряду. Однако масс-спектрометрия также демонстрирует перспективность в области синтеза материалов. Метод мягкой посадки был впервые сообщен в 1977 году для реакции ионов серы с низкой энергией на поверхности свинца.