МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ
Масс-спектрометрия ОФС.1.2.1.1.0008.15
Вводится впервые
Метод масс-спектрометрии – метод качественного и количественного анализа лекарственных средств, основанный на прямом измерении отношений массы к числу элементарных положительных или отрицательных зарядов ионов (m / z ) в газовой фазе, полученных из испытуемого вещества. Заряд может быть обусловлен присоединением или потерей электрона, протона, катиона или аниона в зависимости от условий ионизации и состава образца. Данное отношение выражается в атомных единицах массы (а.е.м.) или в дальтонах (Да). Ионы, образовавшиеся в ионном источнике прибора, ускоряются и перед попаданием в детектор разделяются с помощью масс-анализатора. Эти процессы происходят в камере, в которой насосная система поддерживает вакуум от 10 -3 до 10 -6 Па. Сигнал, отвечающий иону, представлен несколькими пиками, соответствующими статистическому распределению различных изотопов этого иона. Такой сигнал называется изотопным профилем (для небольших молекул), а отдельный пик, представляющий наиболее распространенный изотоп для атома, — моноизотопным пиком . Результирующий масс-спектр является графиком зависимости количества различных ионов от отношения m/z . При анализе сложных молекул возникает необходимость в двух и более последовательных масс-анализаторах для расшифровки молекулярной структуры. В приборе МС/МС (MS n) (тандемный масс-спектрометр ) масс-анализаторы выстраивают последовательно друг за другом. Из ионов, разделенных в первом масс-анализаторе, отбирают неидентифицированные по своему строению частицы (родительские ионы ) и разбивают их на более мелкие фрагменты столкновением с атомами инертного газа (диссоциация, активированная соударением, — CID) или лазерным излучением. Этот процесс реализуется перед вторым масс-анализатором, при помощи которого анализируют продукты распада (дочерние ионы) .
Масс-спектрометрический анализ дает важную качественную и количественную (с использованием внешнего или внутреннего стандартов) информацию (определение молекулярных масс, структуры фрагментов определяемых молекул) с пределом обнаружения от пикомоль [пмоль (10 -12)] до фемтомоль [фмоль (10 -15)].
Разновидности метода отличаются способом ввода образца в прибор, механизмом образования ионов (типом ионного источника ) и способом разделения ионов по отношению массы к заряду (типом масс-анализатора ).
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются скорость сканирования, чувствительность, динамический диапазон, разрешение.
Масс-анализатор пропускает ионы с определенным соотношением массы и заряда (m / z ) в определенное время (кроме многоколлекторных приборов, ионно-циклотронного резонанса, орбитальной ловушки ионов). Для того чтобы проанализировать все ионы по отношению m / z , масс-анализатор должен сканировать все значения, нужные для пропускания к детектору всех интересующих ионов. Скорость развертывания поля называется скоростью сканирования, которая должна быть максимальна (соответственно, время сканирования должно быть как можно меньше), поскольку масс-спектрометр должен зарегистрировать сигнал за время выхода хроматографического пика, которое может составлять несколько секунд. При этом чем больше масс-спектров будет измерено за время выхода хроматографического пика, тем точнее будет описан хроматографический пик, и тем меньше будет вероятность пропустить его максимальное значение.
Самым медленным масс-анализатором является магнит, минимальное время сканирования которого, без особой потери чувствительности, составляет доли секунды. Квадрупольный масс-анализатор может разворачивать спектр за десятые доли секунды, ионная ловушка и линейная ионная ловушка — быстрее, а масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса — медленнее.
Любое сканирование во всех перечисленных типах масс-анализаторов является компромиссным – с увеличением скорости сканирования понижается чувствительность, т.к. меньше времени тратится на запись сигнала на каждое массовое число. Для типичных методов анализа скорости сканирования квадрупольного анализатора или ионной ловушки оказывается достаточно для получения удовлетворительных результатов. В то же время для высокопроизводительного анализа сложных молекулярных систем желательно использовать времяпролетный масс-спектрометр, который способен записывать масс-спектры со скоростью 40000 спектров в секунду.
Разрешение или разрешающая способность масс-спектрометра определяется как возможность масс-анализатора разделять ионы с близкими массами. Очень важно определить массы ионов максимально точно, это позволяет вычислить атомный состав иона или идентифицировать молекулу путем сравнения с базой данных, сократив число возможных кандидатов с тысяч и сотен до единиц или одного единственного. Для магнитных масс-анализаторов, в которых расстояние между пиками масс-спектра не зависит от масс ионов, разрешение представляет собой величину равную M/ΔM. Эта величина, как правило, определяется по 10 %-й высоте пика. Таким образом разрешение 1000 означает, что пики с массами 100,0 а.е.м. и 100,1 а.е.м. отделяются друг от друга, то есть не накладываются вплоть до 10 % высоты.
Для анализаторов, в которых расстояние между пиками меняется в рабочем диапазоне масс (чем больше масса, тем меньше расстояние), таких как квадрупольные анализаторы, ионные ловушки, времяпролетные анализаторы, разрешение (M/ΔM) имеет другой смысл: оно характеризует конкретную массу. Поэтому эти масс-анализаторы характеризуют по ширине пиков – величине, остающейся постоянной во всем диапазоне масс. Ширина пиков измеряется на уровне 50 % их высоты. Для таких приборов ширина пика на полувысоте, равная 1, является неплохим показателем и означает, что такой масс-анализатор способен различить номинальные массы, отличающиеся на атомную единицу массы практически во всем его рабочем диапазоне.
Номинальной массой или массовым числом называют ближайшее к точной массе иона целое число в шкале атомных единиц массы. Например, масса иона водорода Н + равна 1,00787 а.е.м., а его массовое число равно 1. Масс-анализаторы, которые измеряют номинальные массы, называют анализаторами низкого разрешения. Масс-спектрометры с двойной фокусировкой (магнитной и электростатической), ионно-циклотронного резонанса относятся к приборам среднего или высокого разрешения. Типичным разрешением для магнитного спектрометра является величина, превышающая 60000, а работа на уровне разрешения 10000 – 20000 является рутинной. На масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса при анализе образца с массой около 500 а.е.м. можно легко достичь разрешения 500000, что позволяет проводить измерения масс ионов с точностью до четвертого – пятого знака после запятой. Разрешения в несколько тысяч можно добиться при использовании времяпролетных масс-анализаторов; однако, исследуя образцы с большой молекулярной массой, для которых этот тип приборов имеет преимущество перед другими анализаторами, этого разрешения хватает лишь для того, чтобы измерить массу иона с точностью ± десятки а.е.м.
Разрешение масс-анализатора тесно связано с другой важной характеристикой — точностью измерения массы иона. Например, массы молекулярных ионов азота (N 2 +) и углерода монооксида (СО +) составляют 28,00615 и 27,99491 а.е.м. соответственно, оба иона характеризуются массовым числом 28. Эти ионы будут регистрироваться масс-спектрометром порознь при разрешении 2500, а измеренное точное значение массы покажет, какой из этих газов регистрируется. Измерение точной массы доступно на приборах с двойной фокусировкой, на времяпролетных масс-спектрометрах (в низкомолекулярном диапазоне) и на масс-спектрометрах ионно-циклотронного резонанса.
Динамический диапазон — соотношение максимального и минимального детектируемых сигналов. При анализе смеси, содержащей 99,99 % одного соединения или какого-либо элемента и 0,01 % какой-либо примеси, диапазон линейности должен быть четвертого порядка. Масс-спектрометры для анализа органических соединений характеризуются динамическим диапазоном в 5 – 6 порядков, а масс-спектрометры для элементного анализа – 9 – 12 порядков.
Чувствительность является одной из важнейших характеристик аналитических приборов. Обычно рассматривают связанный с чувствительностью параметр – минимальное определяемое количество вещества или порог обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хорошего хроматомасс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1∙10 -12 г при вводе 1 микролитра раствора.
Пределы обнаружения неорганических веществ методом ICP/MS (ИСП/МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой) составляют 1∙10 -15 (одна доля на квадриллион).
Фрагментированный масс-спектр является «отпечатком пальцев» химического строения. Поэтому идентичность масс-спектров однозначно свидетельствует об идентичности молекул, особенно в сочетании с использованием библиотек масс-спектров и хроматографических данных. Масс-спектр высокого разрешения позволяет определять атомный состав молекулы (брутто-формулу) по точной массе.
Количественный анализ проводится с использованием стандартных образцов в комбинации с традиционными хроматографическими методиками, причем не требуется точного воспроизведения условий хроматографирования, поскольку пик на хроматограмме идентифицируют по масс-спектру, а интегрирование по площадям пиков избранных ионов или пиков избранных реакций образования конкретного иона, как правило, позволяет количественно определять компонент при неполном разделении пиков на хроматограмме.
Масс-спектр позволяет определить молекулярную массу соединения по молекулярному иону, а во многих случаях выяснить, из каких фрагментов состоит молекула, что в сочетании с применением библиотек спектров и данными спектроскопии ЯМР дает возможность однозначно установить химическую структуру.
Избирательность в режимах SIM (мониторинг избранных ионов) и SRM (мониторинг избранных реакций) наряду с очень высокой чувствительностью позволяет использовать комбинацию ВЭЖХ и масс-спектрометрию для определения анализируемых веществ на фоне таких сложных многокомпонентных смесей, как биологические жидкости или растительные экстракты.
Масс-спектрометр состоит из следующих блоков, имеющих несколько разновидностей: системы ввода образца, ионного источника, масс-анализатора, детектора и системы обработки данных.
Первой стадией анализа является ввод образца испытуемого вещества в прибор без существенного нарушения вакуума.
Наиболее применимы системы ввода, позволяющие анализировать компоненты смеси, разделяемые при помощи соответствующего прибора, соединенного с масс-спектрометром.
При использовании подходящих капиллярных колонок возможно непосредственное введение конца колонки в ионный источник прибора без применения сепаратора.
Применяется для анализа химических соединений, имеющих температуру кипения примерно до 400 ºС.
Такая комбинация приборов особенно эффективна при анализе нелетучих полярных соединений либо термолабильных веществ. В связи с трудностью получения ионов в газовой фазе при данном методе требуется применение специальных интерфейсов: электроспрей (ESI), термоспрей (TSI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI), фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) и др., которые представляют собой самостоятельные методы ионизации и будут рассмотрены ниже.
Этот метод ввода образца заключается в том, что подвижная фаза, обычно состоящая из находящегося в сверхкритическом состоянии углерода диоксида, переходит в газообразное состояние после прохождения через нагретую заслонку, находящуюся между колонкой и ионным источником.
Элюент вводится в ионный источник, в некоторых случаях после добавления дополнительного растворителя, при этом скорость потока может достигать нескольких миллилитров в минуту. Ограничениями данного метода являются малые количества вводимого образца и необходимость использовать летучие буферные растворы.
Образец вводится в прибор через вакуумный шлюз при помощи клапана, штанги, транспортера или автосамплера, испаряется термически или в процессе десорбции с поверхности непосредственно в ионном источнике. При таком способе ввода необходимо использовать чистые образцы или иметь в виду, что полученный масс-спектр может представлять собой спектр смеси нескольких соединений.
Образец испытуемого вещества, находящийся в газообразном состоянии, ионизируют потоком электронов, энергия которых (обычно 70 эВ) больше энергии ионизации образца. При этом, кроме молекулярного иона М + , образуются осколочные ионы меньшей массы, характерные для данной молекулярной структуры. Главным ограничением данного способа является необходимость испарения образца, что делает невозможным исследование полярных, термолабильных или высокомолекулярных соединений. Электронная ионизация может быть использована в газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией и лишь в отдельных случаях – в жидкостной хроматографии.
При этом способе ионизации используется газ-реагент (метан, изобутан, аммиак, азота монооксид, азота диоксид или кислород). В спектре присутствуют ионы типа (М+Н) + , (М–Н) — , а также ионные комплексы, образованные аналитом с используемым газом-реагентом. Фрагментация при химической ионизации проявляется в меньшей степени, чем при ионизации электронным ударом.
Для термолабильных веществ используют разновидность данного метода ионизации, при которой образец, нанесенный на проволоку, очень быстро испаряется вследствие эффекта Джоуля – Томсона (десорбционная химическая ионизация).
Образец, растворенный в вязкой матрице (глицерин или м -нитробензиловый спирт), наносят на металлическую поверхность, ионизируют потоком нейтральных атомов (аргон или ксенон) или обладающими большой кинетической энергией ионами цезия. Наблюдаются ионы (М+Н) + и (М–Н) — типов или ионные комплексы, образованные средой (матрицей) и образцом. Данный тип ионизации хорошо подходит для полярных, термолабильных соединений, позволяя получать спектры молекул с массой до 10000 Да. Важно, чтобы образец был равномерно распределен в матрице, в противном случае качество спектра сильно ухудшается, а попытки количественного анализа смесей приводят к непредсказуемым результатам. Известен проточный вариант FAB, который может быть использован для жидкостной хроматографии, однако скорость потока подвижной фазы должна быть очень низкой (менее 10 мкл/мин).
Образец испаряют около вольфрамового проволочного эмиттера, покрытого микроиглами (полевая ионизация) или помещают на эту проволоку (полевая десорбция).
Электрическое поле (напряжение около 10 кВ), образуемое эмиттером, ионизирует образец. Энергия, переносимая при данных способах ионизации, составляет всего доли эВ, т.е. избыточная энергия молекулярного иона значительно ниже, чем при других способах ионизации. Кроме того, другие электроны ионизирующейся молекулы не возбуждаются, и М+ оказывается в основном (невозбужденном) электронном состоянии, и спектр зачастую представляет собой единственный пик, принадлежащий молекулярному иону.
Образец, смешанный с соответствующей средой (матрицей) и помещенный на металлическую подложку, ионизируют короткими лазерными импульсами с длиной волны от УФ- до ИК-диапазона (продолжительность импульсов может составлять от пикосекунды до нескольких наносекунд). В качестве матрицы обычно используются УФ-поглощающие органические соединения (2,5-дигидроксибензойная, синаповая кислоты, 2,6-дигидроксиацетофенон и др.). Данный способ ионизации применяется, главным образом, при анализе соединений с очень большой молекулярной массой (более 100000 Да).
Образец, растворенный в сильной минеральной кислоте (азотная кислота, хлористоводородная кислота, плавиковая кислота, царская водка и т.д.), подается в зону горения аргоновой плазмы, где при температуре в несколько тысяч градусов происходит распад образца на атомы с ионизацией. Метод применяется для определения более 70 элементов. Ввиду наличия молекулярных интерференций оптимально использовать приборы высокого разрешения или комбинированные масс-анализаторы с камерой соударений. Изотопные интерференции, как правило, могут быть разрешены математическими методами.
Образец, находящийся в растворе, вводится в источник через капилляр, на конце которого имеется потенциал порядка 5 кВ. На выходе из капилляра образуется аэрозоль из заряженных капель с высоким поверхностным зарядом. Испарение молекул растворителя из образующихся микрокапель приводит к образованию в газовой фазе однозарядных (М+Н) + , (М–Н) — или многозарядных ионов (М+nН) + n , (М–nН) — n . Скорость потока подвижной фазы при данном виде ионизации может меняться от нескольких нл/мин до 1 – 2 мл/мин. Такой способ ионизации применяют для полярных соединений. Использование электроспрея особенно эффективно для установления структуры полипептидов, белков и нуклеиновых кислот с молекулярными массами до 1000000 Да и выше. Очень хорошо электроспрей сочетается с жидкостной хроматографией и капиллярным электрофорезом.
Ионизацию образца проводят при атмосферном давлении в зоне коронного разряда, помещенной на пути подвижной фазы, которая распыляется как вследствие тепловых эффектов, так и благодаря использованию потока азота. Образуются однозарядные ионы (М+Н) + или (М–Н) — . Метод хорошо зарекомендовал себя для анализа сравнительно небольших полярных и неполярных молекул с массой менее 1200 Да. Возможность использования высоких скоростей потока подвижной фазы (до 2 мл/мин) делает этот способ ионизации идеальным для сочетания с жидкостной хроматографией.
В ионном источнике APPI используют криптоновую лампу, которая излучает фотоны с энергией 10,0 и 10,6 эВ. Эти фотонные энергии достаточны для ионизации большинства анализируемых соединений, в то время как для ионизации типичных растворителей (вода, метанол, ацетонитрил и т.д.) для обращенно-фазовой жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием необходимо излучение с большей энергией. Использование низкоэнергетичных фотонов в качестве источника ионизации приводит к получению масс-спектров, свободных от «химического шума», а также гарантирует минимальную фрагментацию ионов, позволяя идентифицировать протонированные ионы или радикальные катионы.
Кроме перечисленных разновидностей ионных источников существует целый ряд менее распространенных способов ионизации, таких как термоспрей, плазменная десорбция, лазерная абляция и др.
Масс-спектрометрия DART (Direct Analysis in Real Time) – быстрый метод получения спектров низкомолекулярных соединений в режиме on-line непосредственно во время анализа, практически не требующий пробоподготовки. Метод позволяет проводить сверхбыструю идентификацию компонентов любых твердых или жидких объектов. Процедура анализа сводится к тому, что объект вносят пинцетом (в случае твердых образцов) или палочкой (в случае жидких объектов) в ионный источник DART, где происходит испарение вещества и его ионизация с последующей регистрацией ионов масс-спектрометром. При этом образуются очень простые спектры, обычно содержащие протонированные молекулярные ионы низкомолекулярных компонентов пробы. Метод масс-спектрометрии DART применим для отслеживания полноты протекания реакций органического синтеза новых лекарственных веществ, прямого анализа компонентов смесей, разделенных на пластинке ТСХ, с ее поверхности, обнаружение фальсификатов при анализе фармацевтических субстанций и лекарственных препаратов.
Принцип действия всех масс-анализаторов основан на физических законах движения заряженных частиц, согласно которым траектория заряженных частиц в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны зависит от массы частиц. Именно в регистрирующем устройстве ионы распределяются по массам. Для увеличения разрешения на пути ионов устанавливают дополнительно электростатический анализатор. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение, что позволяет использовать их при исследовании органических соединений с высоким разрешением, при анализе изотопных соотношений, элементном анализе на предельной чувствительности.
Устройство анализатора указанного типа основано на принципе квадруполя, который представляет собой 4 стержня, на которые попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного электрического напряжения. Ионы, перемещающиеся параллельно осям этих стержней, попадают в гиперболическое поле. Возможность пропускания ионов зависит от соотношения m/z и напряжения радиочастотного поля. Изменяя напряжение поля сканируют все значения m/z в рабочем диапазоне прибора (обычно от 1 до 2000). Некоторые приборы сканируют до 4000 а.е.м.
Квадрупольные масс-спектрометры не требуют использования высоких напряжений порядка тысячи вольт, в отличие от магнитных масс-спектрометров. Это позволяет упростить конструкцию, поскольку для создания вакуума в приборе требуются меньшие размеры вакуумной камеры.
В таких анализаторах ионы распределяются по массе в бесполевом пространстве, а не за счет закономерностей движения заряженных частиц в поле (магнитном или электростатическом). Ионы из источника разгоняются электрическим полем, приобретая достаточно большую кинетическую энергию, и попадают в бесполевое пространство. На входе в это пространство все ионы имеют одинаковую кинетическую энергию и, в соответствии с формулой E = mv 2 /2, будут двигаться с разными скоростями. В зависимости от массы ионы в разное время достигнут детектора. Регистрация ионов и измерение времени при попадании в детектор позволяет рассчитать их массу.
На основе времяпролетного масс-анализатора сконструированы очень быстрые (и чувствительные) масс-спектрометры.
Времяпролетный масс-анализатор, в отличие квадрупольного анализатора, позволяет регистрировать широкий диапазон масс и измерять массы очень больших молекул, а наиболее подходящим способом ионизации оказался описанный выше метод MALDI (ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы).
Времяпролетные масс-анализаторы используют, в основном, благодаря их простоте, быстродействию и относительно невысокой стоимости.
Развитие квадрупольных анализаторов привело к созданию «ионной ловушки».
В квадрупольной ионной ловушке ионы фиксируются внутри квадруполя за счет запирающих потенциалов на входном и выходном концах ловушки. Затем при наложении изменяемой резонансной радиочастоты ионы выводятся из ловушки в соответствии с величиной m/z и регистрируются электронным умножителем. Такой механизм позволяет значительно увеличить популяцию захваченных ловушкой ионов, что ведет к расширению динамического диапазона и к улучшению чувствительности.
Ионная ловушка позволяет удерживать ионы, которые необходимы для установления строения, не акцентируясь на остальных фрагментах молекулы, при этом процесс фрагментации можно повторять многократно, до 10 – 15 раз (общепринятое обозначение MS n).
Ионы, подвергнутые действию сильного магнитного поля, движутся по круговым траекториям с частотами, которые могут быть непосредственно связаны с величинами m/z для этих ионов посредством Фурье-преобразования. Анализаторы такого типа обладают очень высокой разрешающей способностью (до 1000000 и выше), а также позволяют получать МС n спектры.
Недостатком масс-анализаторов на основе ионно-циклотронного резонанса является необходимость использования очень низкого давления (порядка 10 -7 Па) и применение сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре жидкого гелия 4,2 К.
В орбитальной ловушке ионов (Orbitrap) не используют магнитные поля (масс-спектрометр с двойной фокусировкой или ионно-циклотронного резонанса) или радиочастоты (квадрупольные ионные ловушки). Принцип работы масс-анализаторов этого типа основан на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов, которая использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы.
По аналогии с масс-анализаторами на основе ионно-циклотронного резонанса в спектрометре с орбитальной ионной ловушкой ион детектируют по наведенному значению тока на внешних электродах; частоты, соответствующие различным m/z , выделяют с помощью алгоритма Фурье-преобразования, а затем конвертируют в масс-спектр.
Орбитальная ловушка характеризуется также большей емкостью ионов. Большая емкость пространственного заряда по сравнению с ионно-циклотронной и квадрупольной ловушками позволяет достичь большей точности измерения массы (разрешение порядка 100000 на полувысоте пика), более широкого динамического диапазона и диапазона отношений величин m/z .
Ионы, разделенные анализатором, преобразуются в электрические сигналы детектирующими системами, в частности, электронным умножителем, фотоумножителем или цилиндром Фарадея. Контроль различных физических параметров, требуемых для согласованной работы всех систем прибора, обработка данных, включая калибровку, визуализацию спектров, автоматические количественные расчеты, архивирование данных, создание и использование библиотек масс-спектров, осуществляются компьютером с соответствующим программным обеспечением.
Различают три основных способа регистрации спектров: по полному ионному току (TIC); мониторинг избранного иона (SIM) или нескольких ионов (MIM); селективная регистрация избранных реакций распада иона (SRM) или нескольких ионов (MRM).
Регистрация по полному ионному току и по диссоциации, инициированной соударением, позволяют получать масс-спектры, однозначно связанные со строением конкретной молекулы.
На основе полученных таким образом спектров созданы библиотеки (базы данных), позволяющие определять структуру молекулы по эталонным спектрам.
Селективная регистрация ионов позволяет определять малые концентрации аналита на фоне сложной матрицы, а также приводит к огромному выигрышу в чувствительности: время, которое тратится на запись полного масс-спектра, при селективной регистрации используется для записи только одного или нескольких ионов.
Регистрация избранных реакций является еще более избирательным методом определения искомого соединения в сложной смеси.
Масс-спектрометр – устройство для установления масс атомов (молекул) согласно характеру перемещения их ионов в гальваническом и магнитном фонах.
Навигация:
Нейтральная частица не подвергается воздействию гальванического и магнитного поля. Тем не менее, в случае если забрать у неё либо прибавить ей один и больше электронов, в таком случае она перевоплотится в ион, вид перемещения которого в данных полях достаточно предопределяется его весом и зарядом. Определённо говоря, в масс-спектрометрах обусловливается не масса, а расположение массы к заряду. В случае если запас известный, в таком случае несомненно обусловливается массовая значимость иона, а следовательно, масса промежуточного атома и его ядра. Конструктивно, масс-спектрометры могут очень различаться друг от друга. В них могут применяться равно как статичные поля, так и меняющиеся во времени поля, магнитные либо гальванические.
Масс-спектрометр складывается с последующих ключевых элементов:
Масс-спектрометр
Концепция ХМС с комбинированным квадруполь-времяпролётным масс-спектрометром высокого разрешения с ионизацией электроспреем, дает возможность замечать и определять как ведомые компоновки и их метаболиты, так и незнакомые компоновки в размашистом спектре масс с 20 вплоть до 40 000. Несомненно (лекарственные вещества, наркотикосодержащие вещества, пестициды и др.), осуществлять совместное исследование главных и следовых частей, предопределять подлинное изотопическое отношение с целью четкого установления молекулярных формул. Меняющийся интервал при численной оценке является свыше 4 порядков. Применяется с целью численной оценки синтезов. Устройство располагает уникальными характеристиками: разрешающей возможностью более 35 000 FWHM, правильностью установления молекулярной массы меньше 0.7 ррm, высочайшей чувствительностью при наибольшем разрешении. Большой темп распознавания информации – вплоть до 60 спектров в одну секунду.
Хромато-масс-спектрометр
Научные работники в течение длительного времени разыскивали альтернативу магниту в свойстве масс-анализатора. В 1953 Вольфгангом Паулем, в дальнейшем получивший Нобелевскую премию в области физики в 1989 г., было очерчено первое устройство с квадрупольным анализатором. Формирование квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии. Магнитные масс-анализаторы требуют применения высочайших напряжений (тыс. вольт), а квадрупольные - нет, и данное упрощает их систему, наименьшие объемы вакуумной доли упрощают концепцию формирования вакуума. Масс-спектрометры стали меньше в объемах, стали легче в эксплуатации и что самое главное, гораздо экономичнее, чтобы раскрыть вероятность пользоваться данным аналитическим способом многочисленным тысячам пользователей. К минусам квадруполей принадлежат невысокое разрешение и небольшой верх наибольшей детектируемой массы (м/z~4100). Тем не менее, нынешние масс-анализаторы дают возможность осуществлять детектирование ионов с соответствием м/z~350.
Принцип действия
Квадруполь предполагает собою 4 одновременно и симметрично размещенных монополя (электроды совершенного сечения). К электродам по двое в обратной полярности подаётся обусловленное сочетание непрерывного и индукционного напряжения.
Под воздействием незначительного убыстряющего напряжения (15-25 В), ионы входят синхронно осям стержней электродов. Перед воздействием осцилирующего поля, предопределяемым электродами, они начинают двигаться вдоль осей х и у. При этом амплитуда колебаний увеличивается без перемены направленности перемещения. Ионы, чьи амплитуды доходят высочайших значимостей, нейтрализуются при столкновении с электродами. Прочную амплитуду обретают только лишь эти ионы, чьи значения м/z станут отвечать установленному соответствию U/V. Последнее дает возможность им беспрепятственно передвигаться в квадруполе и находиться в окончательном результате детектируемыми. Подобным способом, масс-диапазон фиксируется маршрутом обоюдной перемены значимостей величин U и V.
Квадрупольный масс-спектрометр
В магнитных масс-спектрометрах с целью распределения ионов в масс-анализаторах, применяют гомогенное магнитное поле. В данном случае движения форсирования ионов в гальванической область и распределения их в магнитной, могут быть изображены численно.
Магнитный масс-термоанализатор - приспособление с целью пространственного и временного распределения ионов с разными значимостями взаимоотношения массы к заряду, применяющиеся с целью распределения магнитного поля.
Исторически, первоначальным масс-анализатором был магнит. В соответствии с физическим законом, линия заряженных элементов в магнитном поле искажается, а радиус кривизны находится в зависимости от массы элементов.
Существуют разные геометрии магнитных масс-анализаторов, в каковых измеряется или радиус кривизны, или магнитное поле. Магнитные масс-спектрометры обладают высочайшим разрешением и могут применяться с абсолютно всеми типами ионизации. Невзирая на существенные плюсы нынешних пред остальными (высочайшее разрешение, большая достоверность замеров и высокий рабочий интервал масс), они располагают 2-я главными недостатками - данное оборудование огромно, как согласно объемам, так и согласно размеру цены.
Магнитный масс-спектрометр
Это простой тип масс-анализатора. Во времяпролетном масс-анализаторе ионы выпадают с источника и оказываются во времяпролетной трубе, где не имеется гальванического поля (бесполевой период). Пронесшись определенный промежуток d, ионы фиксируются сенсором ионов с прямой либо практически прямой фиксирующей поверхностью. В 1951-1971 годах, в свойстве сенсора ионов применялся второстепенный электрический умножитель «жалюзного типа», позднее использовался составной обнаружитель, применяющий 2 либо изредка 3 последовательно находящихся микроканальных пластинок.
Времяпролетный масс-термоанализатор представляется пульсирующим масс-анализатором, то есть ионы зачисляются с источника ионов во времяпролетный элемент не постоянно, а дозами, при помощи определенных интервалов времени. Подобные масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбции, при содействии матрицы, таким образом, как в этом способе ионизации, ионы кроме того возникают не постоянно, а при любом импульсе лазера.
Времяпролетный масс-спектрометр
Еще издавна масс-спектрометр оценивают как прекрасный обнаружитель для газовой хроматографии. Приобретенные с поддержкой масс-спектрометрического сенсора спектры, предоставляют подобные сведения о высококачественном составе проверки, которую не могут предоставить другие газохроматографические сенсоры. Масс-спектрометрический обнаружитель имеет огромную чувствительность, помимо этого, он уничтожает пробу, предоставляет данные о массе и распознаёт быстрее гомологи, нежели изомеры.
Высоконадежные масс-спектрометры Agilent удовлетворяют наиболее большим условиям и предельно отвечают решаемым задачам. В настоящий период производители могут представить линейки высокоточных прогрессивных масс-спектрометров для ГX и BЭЖX.
Масс-спектрометр Agilent
(масс-сиектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) – метод исследования вещества путем определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. История масс-спектрометрии ведется с основополагающих опытов Джона Томсона в начале XX в. Окончание "-метрия" термин получил после повсеместного перехода от детектирования заряженных частиц при помощи фотопластинок к электрическим измерениям ионных токов.
Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества (рис. 6.12).
Рис. 6.12.
Масс-спектрометрия в широком смысле – это наука получения и интерпретации масс-спектров, которые, в свою очередь, получаются при помощи масс-спектрометров.
Масс-спектрометр – это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, необходимый для получения масс-спектра.
Масс-спектр, как и любой спектр, в узком смысле – это зависимость интенсивности ионного тока (количества) от отношения массы к заряду (качества). Ввиду квантования массы и заряда типичный масс-спектр является дискретным. Обычно (в рутинных анализах) так оно и есть, но не всегда. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации, и вторичные процессы в масс-спектрометре могут оставлять свой след в масс-спектре. Так, ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным. Поэтому масс-спектр в широком смысле – это нечто большее, несущее специфическую информацию и делающее процесс его интерпретации более сложным и увлекательным. Ионы бывают однозарядные и многозарядные, причем как органические, так и неорганические. Большинство небольших молекул при ионизации приобретает только один положительный или отрицательный заряд. Атомы способны приобретать более одного положительного заряда и только один отрицательный. Белки, нуклеиновые кислоты и другие полимеры способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды. Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы позволяет установить ее элементный состав. Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами. Природа и человек создали поистине неисчислимое многообразие органических соединений. Современные масс-спектрометры способны фрагментировать детектируемые ионы и определять массу полученных фрагментов. Таким образом можно получать данные о структуре вещества.
Приборы, которые используются в масс-спектрометрии, называются масс-спектрометры или масс-спектрометрические детекторы. Эти приборы работают с материальным веществом, которое состоит из мельчайших частиц – молекул и атомов. Масс-спектрометры устанавливают, что это за молекулы (т.е. какие атомы их составляют, какова их молекулярная масса, какова структура их расположения) и что это за атомы (т.е. их изотопный состав). Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее, соотношение массы к заряду. Для этого используются законы движения заряженных частиц материи в магнитном или электрическом поле. Масс-спектр – это рассортировка заряженных частиц по их массам (отношениям массы к заряду).
Во-первых, для того чтобы получить масс-спектр, необходимо превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое вещество, в заряженные частицы – ионы. Этот процесс называется ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неорганических веществ. В органических веществах молекулы представляют собой определенные структуры, образованные атомами.
Во-вторых, необходимо перевести ионы в газовую фазу в вакуумной части масс-спектрометра. Глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).
Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.
Газовая фаза:
Жидкая фаза:
Твердая фаза:
В неорганической химии для анализа элементного состава
применяются жесткие методы ионизации, так как энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше, значит, и значительно более жесткие методы необходимо использовать для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы:
Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить, т.е. перевести в газовую фазу, без разложения. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры, т.е. все то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и в последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются в основном два из них – ионизация при атмосферном давлении и ее подвиды – электроспрей (ЭС), химическая ионизация при атмосферном давлении и фотоионизация при атмосферном давлении, а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ).
Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Там начинается второй этап масс-спсктромстричсского анализа – сортировка ионов по массам (точнее, по отношению массы к заряду).
Существуют следующие типы масс-анализаторов.
Разница между непрерывными и импульсными масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоком, а во вторые – порциями, через определенные интервалы времени.
Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс-спектрометры применяются, как правило, вместе с "мягкими" методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе. Наиболее распространенными конфигурациями тандемных масс-спектрометров являются квадруполь – квадрупольная и квадруполь-времяпролетная.
Последним элементом описываемого нами упрощенного масс-спектрометра является детектор заряженных частиц. Первые масс-спектрометры использовали в качестве детектора фотопластинку. Сейчас используются динодные вторично-электронные умножители, в которых ион, попадая на первый динод, выбивает из него пучок электронов, которые, в свою очередь, попадая на следующий динод, выбивают из него еще большее количество электронов и т.д. Другой вариант – фотоумножители, регистрирующие свечение, возникающее при бомбардировке ионами люминофора.
Кроме того, используются микроканальные умножители, системы типа диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства (коллекторы Фарадея).
Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений. Органические вещества в большинстве случаев представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. Например, показано, что запах жареной курицы составляют 400 компонентов (т.е. 400 индивидуальных органических соединений). Задача аналитики состоит в том, чтобы определить, сколько компонентов составляют органическое вещество, узнать, какие это компоненты (идентифицировать их) и сколько каждого соединения содержится в смеси. Для этого идеальным является сочетание хроматографии с масс-спектрометрией. Газовая хроматография как нельзя лучше подходит для сочетания с ионным источником масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом или химической ионизацией, поскольку в колонке хроматографа соединения уже находятся в газовой фазе. Приборы, в которых масс-спектрометрический детектор скомбинирован с газовым хроматографом, называются хромато-масс-спектрометрами ("Хромасс").
Многие органические соединения невозможно разделить на компоненты с помощью газовой хроматографии, но можно разделить с помощью жидкостной хроматографии. Для сочетания жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией сегодня используют источники ионизации в электроспрес и химической ионизации при атмосферном давлении, а комбинацию жидкостных хроматографов с масс-спектрометрами называют ЖХ/МС. Самые мощные системы для органического анализа, востребованные современной протеомикой, строятся на основе сверхпроводящего магнита и работают по принципу ионно-циклотронного резонанса.
Наиболее широкое распространение получил в последнее время масс-анализатор, позволяющий наиболее точно померить массу иона, и обладающий очень высоким разрешением. Высокое разрешение позволяет работать с полипротонированными ионами, образующимися при ионизации белков и пептидов в электроспрее, а высокая точность определения массы позволяет получать брутто-формулу ионов, делая возможным определять структуру последовательностей аминокислотных остатков в пептидах и белках, а также детектировать послетрансляционные модификации белков. Это сделало возможным секвенировать белки без их предварительного гидролиза на пептиды. Такой способ получил название "Top-down" протеомики. Получение уникальной информации стало возможно благодаря применению масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. В этом анализаторе ионы влетают в сильное магнитное поле и вращаются там по циклическим орбитам (как в циклотроне, ускорителе элементарных частиц). Такой масс-анализатор обладает определенными преимуществами: имеет очень высокое разрешение, диапазон измеряемых масс весьма широк, может анализировать ионы, получаемые всеми способами. Однако для своей работы он требует сильного магнитного ноля, а значит, использования сильного магнита со сверхпроводящим соленоидом, поддерживаемым при очень низкой температуре (жидкого гелия, приблизительно -270°С).
Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.
Важнейшая характеристика при анализе органических соединений – это чувствительность. Для того чтобы достигнуть как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму, прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам. Выигрыш в чувствительности и селективности при этом колоссальный, но при использовании приборов низкого разрешения приходится приносить в жертву другой важный параметр – достоверность. Использование высокого разрешения на приборах с двойной фокусировкой позволяет добиваться высокого уровня достоверности, не жертвуя при этом чувствительностью.
Для достижения высокой чувствительности можно еще использовать тандемную масс-спектрометрию, когда каждый пик, соответствующий одиночному иону, можно подтвердить масс-спектром дочерних ионов. Абсолютным рекордсменом по чувствительности является органический хромато-масс-спектрометр высокого разрешения с двойной фокусировкой.
По характеристике сочетания чувствительности с достоверностью определения компонентов следом за приборами высокого разрешения идут ионные ловушки. Классические квадрупольные приборы нового поколения имеют улучшенные характеристики благодаря ряду инноваций, примененных в них, например использованию с целью снижения шума искривленного квадрупольного префильтра, предотвращающего попадание нейтральных частиц на детектор.
Навигация:
Масс-спектрометры используются с целью определения массовых долей в атомах (молекулах), в соответствии со способом передвижения ионов атомов в электрических и магнитных фонах.
Нейтральная часть не подвергается влиянию ни электрического, ни магнитного полей. Тем не менее, в случае если захватить у неё или добавить ей один и больше электронов, тогда она перевоплотится в ион, тип передвижения коего в данных фонах довольно предопределяется его весом и заряженностью. Более точно изъясняясь, в масс-спектрометрическом оборудовании обусловливается не количество массы, а ориентированность массовой части к заряду. В случае если резерв известный, тогда бесспорно обусловливается массовая ценность иона, а таким образом, множество переходных атомом и их ядер. Если рассмотреть составляющие масс-спектрометров более детально, то они могут весьма разниться между собой. В них возможно применение в равной мере, как статичных полей, так и меняющихся во временном диапазоне полей, магнитных либо электрических.
Оборудование масс-спектрометров имеет такие составные как:
Масс-спектрометр
Концепция такого оборудования с комбинированным квадруполь-времяпролётным масс-спектрометром высокого разрешения с ионизацией при помощи электроспрея, предоставляет способ обнаруживать и предопределять как известные компоновки и их метаболиты, так и неизвестные компоновки в широком диапазоне масс с 15 вплоть до 41 000. Безусловно (лечебные препараты, наркотикосодержащие элементы, пестициды и др.), реализовывать совокупный анализ основных и следовых компонентов, определять настоящую изотопическую позицию с целью конкретного определения молекулярных формул. Изменяющийся промежуток при числовой оценке представляется больше четырёх порядков. Используется с целью числовой оценки синтезов. Приспособление обладает уникальными чертами: разрешающей перспективой более 41 000 FWHM, верностью определения молекулярной массы менее 0.8 ррm, высокой чувствительностью при максимальном разрешении. Высокая скорость определения данных – вплоть до 60 спектров в 1 секунду.
Хромато-масс-спектрометр
Научные сотрудники в процессе долгого времени разыскивали альтернативу магниту в свойстве масс-анализатора. В 1953 Вольфгангом Паулем, в будущем получившим Нобелевскую премию в сфере физики в 1989 г., было очерчено первое приспособление с квадрупольным анализатором. Развитие квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии. Магнитные масс-анализаторы требуют использования высоких напряжений (тыс. вольт), а квадрупольные - нет, и это упрощает их концепцию, минимальные размеры вакуумной части упрощают теорию образования вакуума. Масс-спектрометры стали меньше в размерах, сделались проще в эксплуатации и что наиболее существенно, значительно дешевле, чтобы открыть возможность использовать данный аналитический метод многочисленным пользователей. К минусам квадруполей относятся низкое разрешение и маленький верх максимальной детектируемой массы (м/z~4200). Тем не менее, современные масс-анализаторы предоставляют вероятность реализовывать детектирование ионов с соотношением м/z~350.
Принцип действия
Квадруполь представляет собой 4 синхронно и симметрично помещенных монополя (электроды абсолютного сечения). К электродам по парам в противоположной полярности подаётся предопределенное комбинирование постоянного и индуктивного напряжения.
Под влиянием небольшого убыстряющего напряжения (15-25 В), ионы вступают параллельно осям стержней электродов. Перед влиянием осцилирующего поля, предопределяемым электродами, они приступают перемещаться по осях х и у. При данном, отклонение колебаний возрастает без изменения ориентированности передвижения. Ионы, чьи амплитуды доходят высших значимостей, нейтрализуются при стычке с электродами. Крепкую амплитуду обретают только лишь эти ионы, чьи значения м/z будут давать ответ введенному соотношению U/V. Последнее предоставляет вероятность им свободно перемещаться в квадруполе и быть в конечном итоге детектируемыми. Аналогичным методом, масс-спектр закрепляется маршрутом взаимного изменения значимостей величин U и V.
Квадрупольный масс-спектрометр
В магнитных масс-спектрометрах с целью распределения ионов в масс-анализаторах, используют одинаковое магнитное поле. В этом случае перемещения форсирования ионов в электрической зоне и распределения их в магнитной, могут являться представлены количественно.
Магнитный масс-анализатор - устройство с целью пространственного и преходящего распределения ионов с различными значимостями отношения массы к заряду, применяющиеся с целью распределения магнитного поля.
Если заглянуть в историю развития такой аппаратуры, то начальным масс-анализатором был магнит. В согласовании с физическим законом, тенденция заряженных компонентов в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны пребывает в зависимости от массы компонентов.
Существуют различные геометрии магнитных масс-анализаторов, в каких измеряется либо радиус кривизны, либо магнитное поле. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение и могут использоваться с совершенно всеми видами ионизации. Несмотря на значительные плюсы теперешних перед прочими (высокое разрешение, большая надежность замеров и большой рабочий промежуток масс), они обладают 2-я основными изъянами - это оснащение велико, равно как в соответствии с размерами, так и согласно величине стоимости.
Магнитный масс-спектрометр
Это обычная разновидность масс-анализатора. Во времяпролетном масс-анализаторе ионы вылетают с источника и попадают в времяпролетную трубу, где не существует электрического поля (бесполевой момент). Пронесшись конкретный период, ионы закрепляются детектором ионов с прямой или почти прямой фиксирующей поверхностью. В 1955-1975 годах, в свойстве детектора ионов использовался второстепенный электрический умножитель, позже применялся составной детектор, использующий 2 или порой 3 постепенно пребывающих микроканальных пластинок.
Времяпролетный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы начисляются с источника ионов во времяпролетный компонент не беспрерывно, а порциями, при содействии установленных промежутков времени. Аналогичные масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбции, при содействии матрицы, подобным способом, равно как в данном методе ионизации, ионы помимо этого появляются не беспрерывно, а при каждом импульсе лазера.
Времяпролетный масс-спектрометр
Еще с незапамятных времен масс-спектрометр расценивают равно как превосходный детектор с целью газовой хроматографии. Полученные с помощью масс-спектрометрического детектора диапазоны, дают аналогичные данные о качественном составе контроля, которые не могут обеспечить прочие газохроматографические детекторы. Масс-спектрометрический детектор обладает большой восприимчивостью, кроме этого, он подавляет пробу, дает сведения о массе и распознаёт резче гомологи, чем изомеры.
Высоконадежные масс-спектрометры Agilent удовлетворяют максимально большим обстоятельствам и в высшей степени соответствуют решаемым задачам. В настоящий момент изготовители могут продемонстрировать линейки прецизионных современных масс-спектрометров для ГX и BЭЖX.
Масс-спектрометр Agilent
Масс-спектрометр
– прибор для определения масс атомов (молекул) по характеру движения
их ионов в электрическом и магнитном полях.
Нейтральный атом не подвержен действию электрического и магнитного
поля. Однако, если отнять у него или добавить ему один и более электронов,
то он превратится в ион, характер движения которого в этих полях будет определяться
его массой и зарядом. Строго говоря в масс-спектрометрах определяется не
масса, а отношение массы к заряду. Если заряд известен, то однозначно определяется
масса иона, а значит масса нейтрального атома и его ядра. Конструктивно
масс-спектрометры могут сильно отличаться друг от друга. В них могут использоваться
как статичные поля, так и изменяющиеся во времени поля, магнитные и/или
электрические.
Рассмотрим один из наиболее простых вариантов.
Масс-спектрометр состоит из следующих основных частей:
а
) ионного источника, где нейтральные атомы превращаются в ионы (например,
под действием нагревания или СВЧ-поля) и ускоряются электрическим полем,
б
) области постоянных электрических и магнитных полей, и в
)
приёмника ионов, определяющего координаты точек, куда попадают ионы, пересекшие
эти поля.
Из ионного источника 1 ускоренные ионы через щель 2
попадают в область 3 постоянного и однородного электрического E и
магнитного B 1 полей. Направление электрического поля задаётся
положением пластин конденсатора и показано стрелками. Магнитное поле направлено
перпендикулярно плоскости рисунка. В области 3 электрическое E и магнитное
B 1 поля отклоняют ионы в противоположные стороны и величины напряжённости
электрического поля Е и индукции магнитного поля B 1 подобраны
так, чтобы силы их действия на ионы (соответственно qЕ и qvB 1 ,
где q – заряд, а v – скорость иона) компенсировали друг друга, т.е. было
qЕ = qvB 1 . При скорости иона v = Е/B 1 он движется
не отклоняясь в области 3 и проходит через вторую щель 4, попадая в область
5 однородного и постоянного магнитного поля c индукцией B 2 . В
этом поле ион движется по окружности 6, радиус R которой определяется из
соотношения
Мv 2 /R = qvB 2 , где М – масса иона. Так как v = Е/B 1 ,
масса иона определяется из соотношения
M = qB 2 R/v = qB 1 B 2 R/E.
Таким образом, при известном заряде иона q его масса M определяется радиусом R круговой орбиты в области 5. Для расчётов удобно использовать соотношение в системе единиц, приведённой в квадратных скобках:
M[Тл] = 10 6 ZB 1 [Тл]B 2 [Тл]R[м]/E[В/м].
Если в качестве детектора ионов 7 использовать
фотопластинку, то этот радиус с высокой точностью покажет чёрная точка в
том месте проявленной фотопластинки, куда попадал пучок ионов. В современных
масс-спектрометрах в качестве детекторов обычно используют электронные умножители
или микроканальные пластинки. Масс-спектрометр позволяет определять массы
с очень высокой относительной точностью ΔМ/М = 10 -8 - 10 -7 .
Анализ масс-спектрометром смеси атомов различной массы позволяет
также определить их относительное содержание в этой смеси. В частности,
может быть установлено содержание различных изотопов какого-либо химического
элемента.
