eng
Содержание
Содержание Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 9
Часть I. Масс-спектрометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Глава 1. Определения и пояснения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Аббревиатуры и единицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Глава 2. Составные части масс-спектрометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.
Источники ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1.
Газовый разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2.
Термоионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 24
2.1.3
Искровой источник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.4.
Тлеющий разряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 26
2.1.5.
Индуктивно- связанная плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.6.
Ионизация электронами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.7.
Химическая ионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.8.
Химическая ионизация при атмосферном давлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.9.
Фотоионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.10.
Многофотонная ионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.11.
Фотоионизация при атмосферном давлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.12.
Полевая ионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.13.
Полевая десорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.14.
Термоспрей . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.15.
Электроспрей (электрораспыление) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.16.
Десорбционная электрораспылительная ионизация (ДЭРИ) . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.17.
Прямой анализ в режиме реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.18.
Вторично-ионная масс-спектрометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.19.
Бомбардировка быстрыми атомами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.20.
Плазменная десорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.21.
Лазерная десорбция / ионизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.22.
Матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация . . . . . . . . . . . . 42
2.1.23.
МАЛДИ при атмосферном давлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 45
2.2.
Масс-анализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1.
Времяпролетные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.2.
Магнитные/электростатические секторные масс-спектрометры . . . . . . . . . . . 52
2.2.3.
Квадрупольные масс-фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.4.
Квадрупольные ионные ловушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.5.
Орбитальная ловушка (орбитрэп) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.6.
Масс-спектрометры ионного циклотронного резонанса с преобразованием
Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 65
2.2.7.
Ускорительная масс-спектрометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.
Детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.1.
Фотопластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.2.
Цилиндр Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.3.3.
Электронные умножители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.4.
Детекторы, расположенные в фокальной плоскости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.5.
Сцинтилляционные детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.6.
Криогенные детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.7.
Твердотельные детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3.8.
Детекторы, измеряющие наведенный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Глава 3. Тандемная масс-спектрометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1.
Тандемные масс-анализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.1.
Тандемные в пространстве масс-спектрометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.2.
Тандемные во времени масс-спектрометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1.3.
Другие конфигурации тандемных масс-спектрометров . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.
Методы активации ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1.
Фрагментация в источнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.2.
Фрагментация за пределами источника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.3.
Диссоциация, индуцированная/активированная столкновениями . . . . . . . . 104
3.2.4.
Фотодиссоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.5.
Диссоциация инфракрасным излучением абсолютно черного тела
(ДИИАЧТ) . . . 107
3.2.6.
Диссоциация при захвате электрона (ДЗЭ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.7.
Диссоциация при передаче электрона (ДПЭ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.8.
Диссоциация, индуцированная поверхностью (ДИП) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Глава 4. Методы разделения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.
Хроматография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.1.
Газовая хроматография (ГХ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.2.
Жидкостная хроматография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.1.3.
Сверхкритическая флюидная хроматография . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.
Методы разделения, управляемые электрическим полем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.1.
Спектрометрия подвижности ионов . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.2.
Электрофорез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Содержание 5
Часть II. Интерпретация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Глава 5. Введение в интерпретацию масс-спектров: органическая
химия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.1.
Базовые положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.
Системы ввода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.1.
Прямой ввод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2.
Хроматография — масс-спектрометрия . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 124
5.3.
Физические основы масс-спектрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.1.
Электронная ионизация (ИЭ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 131
5.3.2.
Основы масс-спектрометрических процессов фрагментации . . . . . . . . . . . . 133
5.3.3.
Метастабильные ионы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4.
Правила и подходы к интерпретации масс-спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.1.
Стабильность заряженных и нейтральных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.2.
Концепция локализации заряда и неспаренного электрона . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.3.
Фрагментация, удаленная от места локализации заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.5.
Практические подходы к интерпретации масс-спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.1.
Молекулярный ион . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.2.
Масс-спектрометрия высокого разрешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.5.3.
Определение элементного состава ионов по изотопным пикам . . . . . . . . . . . 161
5.5.4.
Азотное правило . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5.5.
Определение содержания изотопа 13С в природных образцах . . . . . . . . . . . . 169
5.5.6.
Расчет изотопной чистоты соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5.7.
Фрагментные ионы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.5.8.
Библиотеки масс-спектров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5.9.
Дополнительная масс-спектрометрическая информация . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5.10.
Схема фрагментации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Глава 6. Секвенирование пептидов и белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.1.
Основные концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.2.
Тандемная масс-спектрометрия пептидов и белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3.
Номенклатура пептидных фрагментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.3.1.
Номенклатура Ропсторфа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3.2.
Номенклатура Бимана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3.3.
Циклические пептиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4.
Технические аспекты и правила фрагментации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.5.
Зачем нужно секвенировать пептиды? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6.
Секвенирование de novo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.6.1.
Регистрация спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6.2.
Примеры секвенирования пептидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.6.3.
Рекомендации и особые приемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.7.
Дериватизация пептидов перед фрагментацией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.7.1.
Упрощение спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6
Содержание
6.7.2.
Маркировка стабильными изотопами . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 211
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Онлайн-учебники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Глава 7. Оптимизация чувствитель ности и специфичности
при масс-спектрометрическом протеомном анализе . . . . . . . . . . . 213
7.1.
Количественный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2.
Идентификация пептидов и белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.3.
Доля истинных результатов и относительный динамический диапазон . . . . . 219
7.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Часть III. Применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Глава 8. Допинг-контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Глава 9. Океанография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Глава 10. Приложения «-омика» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 243
10.2.
Геномика и транскриптоника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.3.
Протеомика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.4.
Метаболомика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 250
Глава 11. Наука о космосе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 252
11.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 252
11.2.
Исторический обзор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.3.
Динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
11.4.
Парадокс космической масс- спектрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.5.
Краткая история космической масс- спектрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.5.1.
Начало . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.5.2.
Линейный ВПМС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.5.3.
Изохронные ВПМС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.6.
Заключение и перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Глава 12. Биотерроризм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.1.
Что такое биотерроризм? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.2.
Некоторые исторические факты о биотерроризме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.3.
Женевский протокол 1925 года и Конвенция о биологическом оружии 1972 года
........................................................................268
12.4.
Категории биологически опасных компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.5.
Проблемы, связанные с идентификацией случаев биотерроризма . . . . . .. . . . 269
12.6.
Масс-спектрометрическая идентификация белков-биомаркеров . . . . . . . . . . 270
Содержание 7
12.7.
Разработка новых терапевтических средств и вакцин с помощью
иммунопротеомики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Глава 13. Имиджинг небольших молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
13.1.
ВИМС-имиджинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
13.2.
Биологические приложения (клетки, ткани и медикаменты) . . . . . . . . . . . . . 277
13.3.
Катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 278
13.4.
Криминалистика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.5.
Полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.6.
Перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Глава 14. Использование масс- спектрометрии в клинической химии . . . . 284
14.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
14.2.
Как масс- спектрометрия используется в клинических исследованиях? . . . . 285
14.3.
Наиболее распространенные вещества, детектируемые масс-спектрометрией . . 285
14.4.
Многокомпонентное детектирование клинических биомаркеров: история
успеха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
14.5.
Количественный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
14.6.
Пример использования масс-спектрометра в клинических исследованиях . . . 289
14.7.
Количественный анализ в клинической химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
14.7.1.
Тандемная масс-спектрометрия и сортировка (карманной мелочи) . . . . . . . 291
14.7.2.
Изотопное разбавление и количественный анализ (эксперименты
с конфетами из желе) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Глава 15. Полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
15.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 294
15.2.
Приборы, пробоподготовка и матрицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
15.3.
Анализ высокочистых полимерных образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
15.4.
Анализ полимерных образцов, в которых все цепи имеют одно и то же основное
звено . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
15.5.
Анализ полимерных смесей с разными основными звеньями . . . . . . . . . . . . 297
15.6.
Определение средней молекулярной массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Глава 16. Криминалистика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
16.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
16.2.
Анализируемые материалы и цели анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
16.3.
Пробоподготовка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 305
16.4.
Систематический токсикологический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
16.4.1.
ГХ/МС-методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
16.4.2.
ЖХ/МС-методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
16.5.
Количественный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
16.6.
Идентификация поджогов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
8
Содержание
Глава 17. Новые приложения в нейрохимии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
17.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
17.2.
Почему эта область так мало исследована? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
17.3.
Протеомика и нейрохимия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.3.1.
Синапс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 315
17.3.2.
Обучение и память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
17.3.3.
Мозг и иммунная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
17.3.4.
Стресс и страх . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.3.5.
Психиатрические заболевания и расстройства . . . . . . . . . . . . . . . 320
17.3.6.
Синдром хронической усталости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
17.3.7.
Зависимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
17.3.8.
Боль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
17.3.9.
Нейродегенеративные заболевания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
17.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Часть IV. Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Руководства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Протоколы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Журналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Форумы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Масс- спектрометрические общества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Таблицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Обзор продукции BRUKER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..353
Предисловие
За последние 20 лет масс-спектрометрия стала одним из основных методов ана-
литической химии. В особенности, это утверждение справедливо для области ис-
ледования биологических макромолекул. По своей важности масс-спектрометрия
сравнима с более традиционными подходами, такими, как электрофорез и жид-
костные методы разделения, причем масс-спектрометрия часто используется в
качестве гибридного метода − например, как ЖХ-МС.
Развитие масс-спектрометрии было во многом мотивировано открытием но-
вых способов генерации стабильных ионов и разработкой соответствующих ион-
ных источников. Методы образования ионов должны отвечать двум основным
требованиям. Во-первых, молекулы, изначально существующие в конденсиро-
ванном состоянии, жидком или твердом, должны быть переведены в газовую
фазу и, в конечном итоге, введены в вакуум анализатора. Во-вторых, первона-
чально нейтральные молекулы должны приобрести один или более зарядов для
их разделения и регистрации масс-спектрометром. Ранее, осуществление этих
двух шагов приводило к неизбежному возбуждению внутренних степеней свобо-
ды молекул с их последующей фрагментацией и, соответственно, потерей анали-
тической информации. Двумя новыми методами, доминирующими в настоящее
время в масс-спектрометрии, являются электрораспыление (ЭРИ) и матрично-
активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). Несмотря на то, что
эти методы решают проблемы перевода молекул из конденсированной фазы в га-
зовую и их ионизации различными способами, они были разработаны независи-
мо друг от друга и появились одновременно в 1988 году. Такая параллельная раз-
работка не была чистой случайностью. Основы строения макромолекул, функ-
ции биологических систем, роль ДНК и, в особенности, белков стали предметом
исследований 30 годами ранее. Для некоторой части научного сообщества стало
очевидно, что для разгадывания тайн биомолекулярных структур необходим
скачок в разработке более чувствительных и специфичных аналитических мето-
дов. С этой точки зрения масс-спектрометрия выглядела многообещающе, хотя
для большинства экспертов такой прогресс выглядел невероятным. Можно кон-
статировать, что в науке, как и в других областях человеческой деятельности,
справедливо изречение: «если есть проблема, то найдется и способ ее решения».
В этом контексте важно понимать, что изобретение ЭРИ и МАЛДИ основывает-
ся на разработках предыдущих лет, таких, как полевая десорбция, десорбция
пучками частиц и химическая ионизация в газовой фазе.
Новые механизмы ионизации вернули к жизни некоторые варианты анализа-
торов, такие, как времяпролетные приборы с аксиальной экстракцией ионов, от-
вергнутые ранее как несовершенные. В последние годы на рынке появилось мно-
жество новых высококачественных масс-спектрометров с ЭРИ и МАЛДИ иони-
зацией: времяпролетные с ортогональной экстракцией, приборы ионного
циклотронного резонанса и орбитальные ловушки. Параллельная разработка
средств быстрой обработки сигналов, анализа и аккумуляции данных также сы-
грала важную роль в развитии масс-спектрометрических технологий.
Между тем, масс-спектрометрия стала и важной частью академического об-
разования в области аналитической химии. Это можно видеть из резюме многих
студентов и аспирантов, специализирующихся в данной области. Поэтому, выход
в свет данной книги является очень своевременным. Следует поблагодарить ре-
дакторов и авторов этого труда за их усилия.
Насколько подробно студент долежен быть информирован о достижениях в
данной области науки и насколько подробной должна быть книга ? Этот вопрос
не имеет ответа ввиду разтличий между студентами и разнообразия их потреб-
ностей в знаниях. Большинство студентов будет в итоге специализироваться в
отдельных областях химии (биохимии), молекулярной или системной биологии,
а также химии полимеров. Для них масс-спектрометрия не станет предметом
углубленных исследований, а будет являться лишь одним из инструментов реше-
ния задач в области их специализации. Насколько глубоко эти исследователи
должны изучать основы масс-спектрометрии ? Снова ответ зависит от решаемой
проблемы. Для многих рутинных приложений достаточно ознакомления с руко-
водствами производителей приборов. Однако если проблема не тривиальна, то и
ее способ решения не будет простым. Масс-спектрометрия является и, скорее
всего, будет оставаться комплексным методом. Для полного раскрытия потенци-
ала масс-спектрометрии, и, в равной степени, избежания проблем, связанных с
некоторыми его недостатками, необходимо углубленное изучение механизмов
явлений и технологий метода. Надеюсь, что эта книга поможет заложить необхо-
димый фундамент знаний, а позже, при необходимости, студенты обратятся к бо-
лее специализированной литературе. В этом смысле книга будет полезной для
многих читателей.
Франц Хилленкамп
Мюнстер, Германия
2008
Часть 1
МАСС_СПЕКТРОМЕТРЫ
Введение
Первая часть этой книги посвящена обсуждению масс- спектрометрического
оборудования. Сначала будут рассмотрены основные термины и определения
(глава 1). В главе 2 будет рассмотрена конструкция масс- спектрометров и их
основных узлов. В ней мы опишем в деталях наиболее распространенные источ-
ники ионов, масс- анализаторы и детекторы. Некоторые из этих приборов редко
используются в настоящее время, но они внесли существенный вклад в историю
масс- спектрометрии и упоминаются в масс- спектрометрической литературе.
В главе 3 мы опишем различные методы фрагментации и несколько типичных
тандемных анализаторов. Глава 4 отличается от других. Методы разделения —
определенно слишком широкая область для 20 страниц. Однако, некоторые ме-
тоды разделения смесей настолько тесно связаны с масс- спектрометрией, что
всегда упоминаются как комбинированные аналитические методы, например
ГХ-МС и ЖХ-МС. В действительности почти невозможно изучать масс- спектро-
метрию без рассмотрения хотя бы одного из методов разделения. Поэтому одна
из главных целей главы 4 — облегчить знакомство читателя с масс- спектроме-
трической литературой при помощи короткого описания основных наиболее ти-
пичных методов разделения, используемых в сочетании с масс- спектрометрией.
Глава 1. Определения и пояснения
Анн Вестман- Бринкмальм
и Гуннар Бринкмальм
Целью этой главы является введение определений и краткое объяснение основ-
ных масс- спектрометрических терминов. Как и во многих других областях нау-
ки, в масс- спектрометрическом сообществе идут дебаты (порой очень жаркие)
о том, насколько корректны используемые термины и определения и что означа-
ет повседневная масс- спектрометрическая терминология. Возможно, это неиз-
бежное явление для всякой междисциплинарной бурно развивающейся области
науки. Однако в этой главе мы будем находиться в стороне от таких споров, да-
вая читателю определения, предлагаемые текущим проектом IUPAC «Стандарт-
ные определения терминов, относящихся к масс- спектрометрии» [1]. Смотрите
также «Страницу проекта масс- спектрометрических терминов и определений» [2].
Наш проект находится на конечной стадии и будет официально опубликован
в ближайшее время. Тем не менее мы иногда не будем избегать некоторых оппо-
зиционных мнений. Смотрите также главы 5 и 6 для более детального рассмотре-
ния некоторых базовых концепций масс- спектрометрии. Изучая различные гла-
вы этой книги, читатель заметит, что авторы (включая авторов этой главы) не
придерживаются строго списка рекомендуемых определений, который может
быть найден в этой книге. Это реальное отражение состояния масс- спектроме-
трической литературы. Читатель не должен быть обескуражен такой ситуацией.
Наше основное правило: «Находясь в Риме, веди себя как римлянин». Однако для
помощи читателю авторы будут давать альтернативные или дополнительные тер-
мины в соответствии с IUPAC.
Атомная единица массы (Atomic Mass Unit): см. унифицированная атомная еди-
ница массы.
Бесполевое пространство (Field Free Region): любая область ионно- оптической
системы масс- спектрометра, где ионы не подвергаются воздействию магнит-
ного или электрического поля.
Воспроизводимость определения массы (Mass precision): среднеквадратическое
отклонение для большого числа измерений массы [3].
Граничные массы (Mass Limit): предельные значения m/z, которые могут быть
зарегистрированы.
Глава 1. Определения и пояснения 13
Дальтон (Да) (Dalton (Da)): единица массы, не входящая в систему СИ, равная
унифицированной атомной единице массы. Смотрите также близкие к теме
термины: средняя масса; дальтон; молярная масса; молярный вес; моноизотоп-
ная масса; номинальная масса; унифицированная атомная единица массы.
Дефект массы (Mass Defect): разность между точной и номинальной массами.
Диапазон масс (Mass Range): интервал значений m/z, в котором масс- спектро-
метр может регистрировать ионы или записывать масс- спектр.
Димерный ион: ион, образующийся при ионизации димера или ассоциации иона
с нейтральным аналогом ([M2]+• или [M-H-M]+).
Дочерний ион (Daughter Ion): см. ион- продукт.
Интенсивность пика (Peak Intensity): высота или площадь пика в масс- спектре.
Некоторые предупреждения от авторов: высота пика и площадь пика — не
взаимозаменяемые понятия. Проанализируйте, например, как отношение
высоты пика к площади пика зависит от разрешающей способности масс-
анализатора или времени отклика детектора.
Ион- предшественник (Precursor Ion): ион, из которого в ходе реакции образуют-
ся определенные фрагменты. Реакция может быть мономолекулярной диссо-
циацией, ионно- молекулярной реакцией, изомеризацией или изменением за-
рядового состояния. Термин «родительский ион» более не используется 1.
Ион- продукт (Product Ion): ион, образовавшийся в реакции определенного иона-
предшественника. Реакция может быть мономолекулярной диссоциацией,
ионно- молекулярной реакцией или изменением зарядового состояния. Тер-
мины «фрагментные ионы» и «дочерние ионы» более не используются*.
Калибровка масс (во времяпролетной масс- спектрометрии) (Mass Calibration
(time- of- flight)): определение значений m/z по времени пролета. Обычно это
достигается использованием компьютерных систем регистрации и калибров-
кой спектра с известными значениями m/z.
m/z: символ используется для обозначения безразмерной величины, полученной
при делении массы иона в атомных единицах массы на заряд иона (без учета
знака заряда). Символ пишется прописными буквами курсивом и без пробе-
лов. Замечание 1: термин «отношение массы к заряду» используется в каче-
стве абсциссы при графическом представлении масс- спектра, хотя измеряе-
мая величина не равна отношению массы иона к его заряду. Символ m/z реко-
мендуется использовать для обозначения безразмерной величины,
являющейся независимой переменной шкалы масс. Замечание 2: предложен-
ная единица томсон (Th) не нашла большого распространения.
Комментарий: здесь авторы считают нужным подчеркнуть, что масс- анали-
затор разделяет газофазные ионы согласно отношению их масс к заряду (m/q,
смотрите формулы ниже), но ни масса, ни заряд не являются безразмерными
величинами. Z — число элементарных зарядов — безразмерная величина, что
приводит к тому, что m/z измеряется в а.е.м. или Да. Единица СИ для m/q —
1 Хотя эти термины и не рекомендованы к употреблению, они по- прежнему часто ис-
пользуются масс- спектрометристами (Здесь и далее примечания редактора перевода.)
14 Глава 1. Определения и пояснения
это килограмм/кулон (кг/Кл). Но эта величина неудобна, так как она подраз-
умевает использование фактических значений. Альтернативой могли бы
быть атомные единицы массы. Исторически использовались единицы а.е.м./е,
где е — элементарный электрический заряд. К сожалению, е — константа (ве-
личина заряда протона или электрона), а не единица измерения. В настоящее
время нет общепринятой единицы заряда в атомной системе единиц. Поэто-
му была предложена единица измерений милликен (Ми). Была также предло-
жена единица измерения для m/q: томсон (Th), где Th = а.е.м./Ми или Да/Ми.
Все эти единицы принадлежат атомной системе единиц. Все эти рассуждения
выглядят как слишком большие придирки, но все- таки непрактично, что нет
общепринятых единиц для измерения главной величины в масс- спектроме-
трии.
МС/МС (MS/MS): регистрация и изучение спектров электрически заряженных
продуктов, или предшественников иона, или ионов с выбранным значением
m/z, или предшественников ионов с заданной потерей нейтральной группы.
МС/МС также называют тандемной масс- спектрометрией.
Комментарий. Существует два различных мнения о смысле аббревиатуры
МС/МС. Один вариант — это масс- спектрометрия/масс- спектрометрия [1];
другой — масс- селекция/масс- сепарация.
Масса (Mass): см. термины: точная масса; средняя масса; дальтон; молярная мас-
са; молекулярный вес; моноизотопная масса; номинальная масса; атомная
единица массы.
Массовое число (Mass Number): число протонов и нейтронов в атоме, молекуле
или ионе.
Масс- спектр (Mass spectrum): график зависимости интенсивностей ионов как
функции их значений m/z. См. обсуждение m/z.
Масс- спектрометр (Mass Spectrometer): прибор, измеряющий значения m/z и от-
носительные интенсивности ионов. См. также обсуждение термина m/z.
Масс- спектрометрия (Mass Spectrometry): научное направление, связанное со
всеми аспектами масс- спектрометров и их использованием.
Масс- спектрометрия изотопного разбавления (Isotope Dilution Mass
Spectrometry): масс- спектрометрический метод количественного анализа,
в котором изотопно- меченый компонент используется как внутренний стан-
дарт. См. главу 14 для более детального понимания.
Масс- спектрометрия изотопных отношений (Isotope Ratio Mass spectrometry
(IRMS)): измерение относительных количеств различных изотопов химиче-
ского элемента в пробе с использованием масс- спектрометрии.
Метастабильный ион (Metastable Ion): ион, образовавшийся с внутренней энер-
гией, превышающей порог диссоциации, но со временем жизни, достаточным
для того, чтобы покинуть источник ионов. Метастабильный ион диссоцииру-
ет до детектирования.
Молярная масса (Molar Mass): масса моля химического соединения (≈ 6·1023 ато-
мов или молекул). Замечание: использование термина «молекулярный вес» не
совсем корректно, так как вес — это гравитационная сила, действующая на
Глава 1. Определения и пояснения 15
тело. Она варьируется с географическим местоположением. Исторически
этот термин используется для обозначения молярной массы, вычисленной
при помощи усреднения по всем изотопам составляющих химических эле-
ментов.
Молекулярный ион (Molecular Ion): ион, образовавшийся при потере одного или
нескольких электронов молекулой (положительный ион) или добавлением
одного или нескольких электронов к молекуле (отрицательный ион).
Молекулярный вес (Molecular Weight): см. обсуждение термина «молярная
масса».
Моноизотопная масса (Monoisotopic mass): точная масса иона, вычисленная
с помощью масс наиболее распространенных изотопов каждого элемента [1].
Данная рекомендация происходит из несколько неудачного утверждения,
сделанного Ергеем (Yergey и др., [5]) в опубликованной на эту тему статье. Он
рассматривал только элементы, у которых наиболее легкие изотопы являют-
ся и наиболее распространенными. Практические проблемы возникают для
элементов, для которых это утверждение не работает (например Fe или B).
В этой главе авторы предпочитают определение «масса иона или молекулы,
вычисленная с использованием масс легчайших изотопов каждого элемента».
Для молекул, содержащих наиболее распространенные элементы (C, H, N, O,
S) эти два определения идентичны, так как самые легкие изотопы перечис-
ленных элементов являются и самыми распространенными. Однако для дру-
гих элементов (Fe, B и др.) определения не тождественны. Цитохром C содер-
жит один атом железа. В случае если моноизотопным пиком является пик, со-
держащий наиболее распространенные изотопы, моноизотопным пиком
будет один из изобаров второго изотопного пика. Второй изотопный пик так-
же содержит изобары с одним 2H, одним 13C, одним 15N, одним 17O или одним
33S. Всего существует 6 изобаров, и только один из них истинный моноизо-
топный. При использовании определения «легчайший изотоп» первый изо-
топный пик будет истинно моноизотопным. Этот пик не будет иметь изоба-
ров, и, следовательно, его легко определить.
Мониторинг выбранных (заданных) ионов (Selected Ion Monitoring (SIM)): ре-
жим масс- спектрометра, в котором регистрируются интенсивности одного
или нескольких ионов со специфическими значениями m/z, а не весь масс-
спектр в широком массовом диапазоне 1.
Мониторинг выбранных реакций (Selected Reaction Monitoring (SRM)): реги-
страция определенных ионов- продуктов, образующихся из выбранных ио-
нов- предшественников с определенными значениями m/z при помощи двух-
или более стадийной масс- спектрометрии. Мониторинг выбранных реакций
может быть осуществлен с помощью тандемной масс- спектрометрии во вре-
мени или в пространстве. Термин «мониторинг множественных реакций» не
следует использовать 2 [1].
1 В русскоязычной литературе часто используется термин «масс- фрагментография».
2 Тем не менее этот термин часто используется.
Мониторинг нескольких реакций (Multiple Reaction Monitoring (MRM)): см. мо-
ниторинг выбранных реакций.
Многостадийная масс- спектрометрия (Multiple- Stage Mass Spectrometry (MSn)):
многостадийный отбор ионов- предшественников по m/z с последующим де-
тектированием ионов- продуктов последовательных реакций диссоциации.
Нейтральные потери (Neutral Loss): потеря незаряженных групп ионом в ходе
процесса перегруппировки или прямой диссоциации.
Номинальная масса (Nominal Mass): масса иона или молекулы, вычисленная
с использованием масс наиболее распространенных изотопов каждого эле-
мента и округленная до ближайшего целого числа. Она эквивалентна сумме
массовых чисел всех составляющих атомов.
Пример. Номинальная масса иона вычисляется сложением целых масс лег-
чайших изотопов всех элементов, входящих в эту молекулу. Номинальная
масса для H2O — это (2∙1) + 16 Да = 18 Да.
Комментарий. Та же проблема возникает для моноизотопной массы компо-
нентов, содержащих элементы типа Fe или B. См. дискуссию о моноизотоп-
ной массе.
Отношение массы к заряду (Mass- to Charge Ratio): см. обсуждение m/z.
Пик (Peak): локализованная область ионного сигнала в масс- спектре. Хотя пики
часто ассоциируются с определенными ионами, не следует смешивать поня-
тия «пик» и «ион».
Полный ионный ток, ПИТ (Total Ion Current (TIC)): сумма отдельных ионных
токов, обусловленных всеми ионами в масс- спектре.
Протонированная молекула (Protonated Molecule): ион, образовавшийся при
присоединении протона к молекуле, представляемый символом [M + H]+.
Термин «протонированный молекулярный ион» более не используется. Такое
название относится к частице с двумя зарядами. Термины «псевдомолекуляр-
ный ион» и «квазимолекулярный ион» более не используются. Следует ис-
пользовать специфический термин «протонированная молекула» или хими-
ческое описание, такое, как [M + Na]+, [M + H]+ и др. [1].
Разрешающая способность (Mass Resolving Power (m/Δm): масса пика в масс-
спектре, деленная на разность масс между пиками, при которой соседние
пики разделяются, то есть m/Δm. Следует указывать метод получения Δm и
массу m.
Разрешение по массе (Mass Resolution): минимальная разность Δm (Δm в Да или
в Δm/m, например ppm) между двумя пиками равной высоты, такая, что раз-
деление между этими пиками происходит на определенной высоте, выражен-
ной в процентах [3].
Разрешение на высоте в 10 % (Ten Percent Valley Definition): пусть два пика оди-
наковой высоты в масс- спектре имеют массы m и m + Δm и разделены на вы-
соте в 10 % от высоты пиков. Пусть разделение для похожих пиков с массой,
превышающей m, происходит на высоте, большей, чем 10 %. Тогда разреше-
ние на высоте 10 % равно m/Δm. Отношение m/Δm должно задаваться для раз-
личных значений m [4].
Комментарий: это типичный пример путаницы в определениях разрешения.
В данном случае вместо термина разрешения правильней использовать фра-
зу «разрешающая способность» (mass resolving power). Разрешающая способ-
ность — это единица, деленная на «разрешение».
Средняя масса (Average Mass): масса иона, атома или молекулы, вычисленная
с помощью масс всех изотопов каждого элемента с учетом естественной рас-
пространенности изотопов. См. также близкие к теме термины: точная мас-
са; дальтон; молярная масса; моноизотопная масса; номинальная масса; уни-
фицированная атомная единица массы.
Тандемная масс- спектрометрия (Tandem Mass spectrometry): см. МС/МС.
Томсон (Thomson (Th)): см. обсуждение m/z.
Торр (Torr): единица давления вне системы СИ. 1 торр = 1 мм рт. ст. =
= 1,33322 мбар = 133,322 Па.
а
б
Рис. 1.1. Два различных метода определения разрешения по массе и разрешающей способно-
сти. a) Определение, основанное на разделении пиков на 10 %-м уровне их высоты. Раз-
деление пиков Δm определяется как расстояние между центрами двух пиков одинако-
вой высоты, при котором пики разделяются друг от друга на высоте 10 %. Если пики
симметричные, то теоретически Δm равна ширине пика на уровне 5 % его высоты.
Данное определение наиболее точное, но непрактичное, так как обычно сложно найти
пики одинаковой высоты, хорошо разделенные в масс- спектре. б) Определение, осно-
ванное на ширине пика на половине его высоты (полуширине) (FWHM). Такую шири-
ну пика легко найти, так как требуется использовать только один пик, хорошо отделен-
ный от других. Однако в этом случае разрешение не связано напрямую с сепарацион-
ными возможностями масс- спектрометра. Для гауссового пика определение
с помощью FWHM дает разрешающую способность, приблизительно в два раза
бóльшую, чем основанная на разделении пиков на 10 %-м уровне их высоты
18 Глава 1. Определения и пояснения
Точная масса (Accurate Mass): экспериментально определенная масса иона, кото-
рая используется в формулах элементного состава. Для ионов, содержащих C,
H, N, O, P, S и галогены с массой менее 200 Да, измерения с погрешностью
5 ppm достаточно для однозначного определения элементного состава. См.
также близкие к теме термины: средняя масса; дальтон; молярная масса; мо-
ноизотопная масса; номинальная масса; унифицированная атомная единица
массы.
Точность измерения массы (Mass Accuracy): разность между измеренной и дей-
ствительной массой [3]. Может быть выражена как в абсолютных, так и в от-
носительных единицах.
Трансмиссия (Transmission): отношение числа ионов, покидающих некоторую
область масс- спектрометра, к числу ионов, поступающих в эту область.
Унифицированная атомная единица массы (Unified Atomic Mass Unit): едини-
ца массы вне системы СИ. Определяется как 1/12 массы атома 12С в его основ-
ном состоянии. Она равна ≈ 1,66∙10−27 кг. Термин «атомная единица массы»
использовать не рекомендуется, так как он не является однозначным. Этот
термин использовался для обозначения массы, измеренной относительно
одного атома 16О, или относительно массы атома кислорода, усредненной по
изотопам, или относительно одного атома 12С.
Фрагментный ион (Fragment Ion): см. термин «ион- продукт».
Фрагментные ионы (Progeny Ions): заряженные продукты серии последователь-
ных реакций, включающие в себя ионы- продукты: первое поколение ионов-
продуктов, второе поколение ионов- продуктов и т.д.
Ширина пика в масс- спектре (Δm50%) (Mass peak Width): полная ширина масс-
спектрального пика на половине его высоты (полуширина) [3].
Хроматограмма по полному ионному току (Total Ion Current Chromatogram):
хроматограмма, полученная построением зависимости полного иона тока се-
рии масс- спектров от времени удерживания. См. также экстрагированная
ионная хроматограмма.
Экстрагированная ионная хроматограмма 1 (Extracted Ion Chromatogram): хро-
матограмма, построенная как зависимость интенсивности сигнала для за-
данного m/z (или ряда значений m/z для серии масс- спектров) от времени
удерживания. См. также близкий к теме термин «хроматограмма по полному
ионному току».
Электрон- вольт (эВ) (Electron Volt (eV)): единица энергии, не входящая в систему
СИ, определяемая как энергия, приобретаемая частицей, содержащей еди-
ничный заряд, при прохождении разности потенциалов в один вольт.
1 эВ ≈ 1,6∙10−19 Дж.
Эффективность ионизации (Ionization Efficiency): отношение числа образовав-
шихся ионов к числу атомов или молекул, введенных в источник.
Эффект пространственного заряда (Space- Charge Effect): результат взаимного
отталкивания частиц с зарядами одинаковой полярности. Ведет к ограниче-
нию по току пучка заряженных частиц или пакета частиц, вызывает дополни-
1 В литературе часто используется также термин «масс- хроматограмма».
Глава 1. Определения и пояснения 19
тельное движение ионов помимо движения, обусловленного внешними
полями.
Ширина пика (Peak Width Definition): для одиночного пика однозарядного иона
с массой m разрешение может быть определено как m/Δm, где Δm — ширина
пика на высоте, составляющей часть полной высоты пика. Рекомендуется ис-
пользовать разрешение для 50 %, 5 % и 0,5 % от высоты пика. Заметьте, что
для изолированного симметричного пика, зарегистрированного на масс-
спектрометре, обеспечивающем линейность в диапазоне от 5 до 10 % высоты
пика, разрешение в 5 % эквивалентно разрешению пиков на высоте 10 %. Об-
щепринятое стандартное определение разрешения основано на Δm, взятой на
полувысоте пика [4].
Комментарий: см. комментарий к разрешению пиков на высоте 10 %.
Аббревиатуры и единицы
2- ДГЭ (2- DGE) — двумерный гель- электрофорез
а (a) — атто, 10−18
ПТ (AC) — переменный ток
УМС (AMS) — ускорительная масс- спектрометрия
ХИАД (APCI) — химическая ионизация при атмосферном давлении
ИАД (API) — ионизация при атмосферном давлении
МАЛДИ АД (AP-MALDI) — матрично- активированная лазерная десорбция /
ионизация при атмосферном давлении
ФИАД (APPI) — фотоионизация при атмосферном давлении
ТААД (ASAP) — твердотельный анализ при атмосферном давлении
ДИАЧТ (BIRD) — диссоциация излучением абсолютно черного тела
с (c) — санти, 10−2
ДАС (CAD) 1 — диссоциация, активированная столкновениями
(соударениями)
КЭ (СE) — капиллярный электрофорез
НП (CF) — непрерывный поток
ББАНП — бомбардировка быстрыми атомами при постоянном потоке
ХИ (CI) — химическая ионизация
ДИС (CID) 2 — диссоциация, индуцированная столкновениями
(соударениями)
нв (cw) — непрерывная волна
КЗЭ (CZE) — капиллярный зонный электрофорез
Да (Da) — дальтон
1 Синоним ДИС.
2 Синоним ДАС.
20 Глава 1. Определения и пояснения
ДХИАД (APDCI) — десорбционная химическая ионизация при атмосферном
давлении
ДАРТ (DART) — прямой анализ в режиме реального времени 1
Литература
1. IUPAC. Standard Definitions of Terms Relating to Mass Spectrometry — Provisional
Recommendations. 2006.
Available at http://www.iupac.org/web/ins/2003- 056- 2- 500.
2. IUPAC. Mass Spectrometry Terms and Definitions Project Page. 2007.
Available at http://www.msterms.com/wiki/index.php?title=Main_Page.
3. A. G. Marshall, C. L. Hendrickson, and S. D. Shi. «Scaling MS Plateaus with High-
Resolution FT- ICRMS». Anal. Chem., 74(2002): 252A–259A.
4. J. Incze´dy, T. Lengyel, A. M. Urc, A. Gelencse´r, and A. Hulanicki. Compendium
of Analytical Nomenclature (The Orange Book). 1997.
Available at http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/.
5. J. Yergey, D. Heller, G. Hansen, R. J. Cotter and C. Fenselau. «Isotopic Distributions
in Mass Spectra of Large Molecules». Anal. Chem., 55(1983): 353–356. 5
1 К сожалению, этот принятый термин ничего не говорит о реальной сути одного из
наиболее популярных в настоящее время методов масс- спектрометрии без предварительной
пробоподготовки.
Глава 2
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МАСС-СПЕКТРОМЕНТА
Анн Вестман- Бринкмальм
и Гуннар Бринкмальм
Масс- спектрометр состоит из трех основных частей: источника ионов, масс- ана-
лизатора и детектора. Так как масс- анализатор, детектор и большинство источ-
ников ионов требуют низкого давления, масс- спектрометр также должен быть
оснащен вакуумной системой. Кроме того, необходимо наличие системы реги-
страции сигнала, поступающего с детектора. В самом начале развития масс- спек-
трометрии запись спектров производилась на фотопластинах. Однако сейчас
почти все приборы имеют компьютерную систему регистрации. Компьютеры
также используются для обработки данных, например для идентификации бел-
ков. Как правило, в сочетании с масс- спектрометром для предварительного раз-
деления анализируемой смеси используются и другие приборы, например хрома-
тографы, работающие в онлайн- или офлайн-режимах.
В этой главе мы не будем касаться вакуумной системы и систем регистрации,
которые, тем не менее, являются жизненно важными элементами масс- спектро-
метров. Многие современные методы анализа были бы нереализуемы или их
применение было бы серьезно ограничено без компьютеров. Возможно, наиболее
яркий пример — это химический имиджинг 1.
2.1.Источники ионов
Роль источника ионов в масс- спектрометрии — получение газофазных ионов.
Атомы, молекулы или кластеры исследуемых соединений переходят в газовую
фазу и ионизируются или напрямую (как в электроспрее), или посредством ка-
скада отдельных процессов (как, например, в тлеющем разряде). Выбор источни-
ка ионов зависит от задачи. Так называемые мягкие методы ионизации способны
генерировать неразрушенные ионы больших хрупких молекул, таких как белки,
нуклеиновые кислоты и даже нековалентно связанные комплексы. Другие источ-
ники ионов, например источники тлеющего разряда и индуктивно- связанной
плазмы, атомизируют пробу. Они могут использоваться для очень точного коли-
чественного анализа и применяются, в частности, для измерения изотопных со-
отношений, определяющих географическое происхождение образца по незначи-
1 См. А.Т. Лебедев «Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды»
М.: Техносфера, 2013. - 624с.
тельным различиям в распределении изотопов. Число всевозможных источни-
ков ионов велико даже без рассмотрения их модификаций. Мы попытались
рассмотреть главные типы источников ионов, хотя для некоторых из них описа-
ние будет довольно кратким. Некоторые из описываемых источников уже не ис-
пользуются, но представляют интерес с исторической точки зрения. Некоторые
источники ионов весьма специализированны, тогда как другие весьма универ-
сальны. Классификация источников ионов иногда затруднительна, так как суще-
ствующие категории часто перекрываются. Однако основные типы могут быть
выделены. Табл. 2.1 предоставляет обзор описываемых в этой главе методов ио-
низации. Читателю не следует расстраиваться из- за сложности данной темы. Ему
следует выборочно читать части текста, представляющие в данный момент наи-
больший интерес.
Таблица 2.1. Обзор методов ионизации, описанных в главе 2
Метод Сокра-
щение
Природа иониза-
ции Тип ионов Область приложения*
Газовый разряд — Разряд Атомарные
ионы
Первый метод иониза-
ции в масс- спектроме-
трии
Термоионизация ТИ Ионизация нагре-
ванием
Атомарные
ионы
Измерение изотопных
соотношений, эле-
ментный анализ сле-
довых количеств, ана-
лиз твердых проб
Искровой источник
ионов
ИИ Разряд Атомарные
ионы
Элементный анализ
следовых количеств
в твердых пробах
Тлеющий разряд ТР Плазменный ис-
точник
Атомарные
ионы
Элементный анализ
следовых количеств
Индуктивно-
связанная плазма
ИСП Плазменный ис-
точник
Атомарные
ионы
Измерение изотопных
соотношений, эле-
ментный анализ сле-
довых количеств
Ионизация
электронами
ИЭ Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами
Молекулярные
ионы летучих
соединений
Небольшие молекулы,
ГХ-МС, создание би-
блиотек спектров
Химическая
ионизация
ХИ Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами*
Молекулярные
ионы летучих
соединений
ГХ-МС
Химическая иониза-
ция при атмосферном
давлении
ХИАД Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами*
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Небольшие молекулы,
ЖХ-МС
Фотоионизация ФИ Фотоионизация Молекулярные
ионы летучих
соединений
Небольшие молекулы,
ГХ-МС
Многофотонная
ионизация
МФИ Фотоионизация Атомные и
молекулярные
ионы
Резонансная МФИ вы-
сокоселективна, ис-
пользуется для эле-
ментного анализа сле-
довых количеств
2.1. Источники ионов 23
Метод Сокра-
щение
Природа иониза-
ции Тип ионов Область приложения*
Фотоионизация при
атмосферном
давлении
ФИАД Фотоионизация Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
ЖХ-МС, неполярные
соединения
Полевая ионизация ПИ Ионизация в силь-
ном электрическом
поле
Молекулярные
ионы летучих
соединений
Молекулярные соеди-
нения
Полевая десорбция ПД Десорбция / Иони-
зация в сильном
электрическом
поле
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Первый метод мягкой
ионизации, большие
молекулы
Термоспрей (термо-
распыление)
ТРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
ЖХ-МС
Электроспрей (элек-
трораспыление)
ЭРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
ЖХ-МС, большие мо-
лекулы
Десорбционное элек-
трораспыление
ДЭРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Прямой анализ без
пробоподготовки
Прямой анализ
в режиме реального
времени
ДАРТ Разряд Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Прямой анализ без
пробоподготовки
Вторично- ионная
масс- спектрометрия
ВИМС Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Полупроводники, ана-
лиз поверхности,
имиджинг
Бомбардировка
быстрыми атомами
ББА Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация**,
большие молекулы
Плазменная
десорбция
ПД Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Лазерная десорбция /
ионизация
ЛДИ Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Измерение изотопных
соотношений, анализ
следовых количеств
Матрично-
активированная
лазерная десорбция /
ионизация
МАЛДИ Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Матрично- активиро-
ванная лазерная де-
сорбция / ионизация
при атмосферном дав-
лении
МАЛДИ
АД
Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Столбец «Область приложения» не содержит все возможные применения.
* Все же следует подчеркнуть, что в этих методах ионизация аналитов осуществляется в ре-
зультате взаимодействия молекул с ионизированными частицами в источнике ионов.
** Метод ББА, строго говоря, не может считаться мягким, поскольку помимо молекулярных
ионов образуется широкий набор фрагментных ионов.
2.1.1. Газовый разряд
Первое упоминание о получении ионов относится к 1886 году, когда Голдштейн
обнаружил, что в газоразрядных трубках с перфорированным катодом можно
наблюдать свечение [1]. (Следует отметить, что природа этого явления так до кон-
ца и не понята.) Впоследствии Вин [2] и Томсон [3] продолжили исследование га-
зового разряда, и Томсон сконструировал первый масс- спектрограф с источни-
ком ионов на основе газового разряда [4]. В то время газоразрядный источник ио-
нов состоял из катода и анода, помещенных в заполненную газом с давлением не
более 1 торр стеклянную трубку. При подаче разности потенциалов между элек-
тродами возникал разряд и появлялись ионы. Следовательно, образовывались
пучки как ионов, так и электронов, которые могли быть детектированы при по-
мощи соответствующего оборудования. Источники на основе тлеющего разряда
(ТР) и индуктивно- связанной плазмы (ИСП) по сути происходят от источника
ионов с газовым разрядом (см. разделы 2.1.4 и 2.1.5).
2.1.2. Термоионизация
В термоионизационной масс- спектрометрии (ТИМС, также известной как масс-
спектрометрия с поверхностной ионизацией) ионы образуются при нагревании
одного или нескольких катодов. ТИ — один из наиболее старых методов иониза-
ции. Ее появление датировано 1906 годом, когда Герке и Райхенхайм получили
ионы натрия при нагревании натриевых солей, нанесенных на анод разрядной
трубки [5]. Демпстер первым использовал такую ионизацию для масс- спектроме-
трии в своем сканирующем магнитном секторном приборе в 1918 году [6]. В 1953
году Инграм и Чупка представили трехкатодный источник [7] с распространен-
ной и ныне конструкцией (рис. 2.1). В ней образец, нанесенный на внешние като-
ды, нагревается и испаряется в направлении намного более горячего центрально-
го катода. Молекулы ионизируются при соударении с этим нагретым катодом.
В такой конструкции процессы испарения и ионизации изолированы, что позво-
ляет лучше их контролировать. Эффективность ионизации может быть увеличе-
на на несколько порядков по сравнению с вариантом с одним катодом. Поэтому
Катод с пробой
Пары
образца
Ионы
Ионизирующий катод К анализатору
Катод с пробой
Рис. 2.1. Схема источника термоионизации (ТИ). Каждый катод состоит из двух контактов, со-
единенных проволокой
2.1. Источники ионов 25
даже элементы с энергией ионизации, бóльшей, чем работа выхода электрона
с поверхности катода, могут быть эффективно ионизированы. Эффективность
ионизации зависит только от химических и физических свойств поверхности ка-
тода. Поэтому минимизация загрязненности катода имеет большое значение.
В зависимости от анализируемого соединения могут образовываться как поло-
жительные, так и отрицательные ионы.
ТИ — очень точный и воспроизводимый метод измерения соотношений ста-
бильных изотопов и количественного анализа с помощью, например, масс- спек-
трометрии изотопного разбавления [8]. ТИ как непрерывный источник ионов
предпочтителен для анализаторов, работающих с непрерывными пучками,
в частности для секторных масс- спектрометров, обеспечивающих в сочетании
с термоионизационными источниками высокую воспроизводимость и точность
количественного анализа.
Примерно с 1990 года индуктивно- связанная плазма (ИСП) начала вытеснять
ТИ в области количественного элементного анализа [9]. Хотя ТИ в некоторых
случаях может обеспечивать лучшее качество анализа, ИСП — более универсаль-
ный метод ионизации, требующий к тому же меньших усилий при подготовке об-
разцов. Кроме того, преимущество ТИ как более точного метода зачастую ниве-
лируется свойствами самой пробы, например ее негомогенностью. Однако в не-
которых областях (например при анализе изотопов и в геохронологии)
термоионизация все еще используется достаточно широко.
2.1.3. Искровой источник
В 30-х годах Демпстер представил искровой источник (ИИ, также известный как
искровая ионизация или искра в вакууме) для анализа изотопов металлов, т.е.
аналитов, не ионизируемых ТИ [15, 16]. Ионы, образующиеся в искровом разряде,
имеют широкое распределение по энергиям (несколько килоэлектронвольт), так
что для получения достаточного разрешения требуется применение масс- спек-
трометров с двойной фокусировкой (см. раздел 2.2.2). Искра создает очень неста-
бильный ионный ток, делая ее использование проблематичным. Горман с колле-
гами [17] представили прибор с электрической регистрацией, содержащий кол-
лектор для контроля ионного тока, расположенный перед входом в анализатор.
В такой конструкции интенсивность сигнала после разделения по m/z может
быть откалибрована, что делает возможным количественный анализ. Начало ис-
пользованию искровых источников положил Ханней в 1954 году, когда он пред-
ставил прибор для анализа полупроводников, содержащих примеси на уровне
долей ppm [18–20].
Искровая ионизация эффективна при анализе твердых проб. В наиболее рас-
пространенной конфигурации искровой разряд в вакууме генерируется между
двумя электродами при помощи подачи переменного напряжения радиочастот-
ного диапазона амплитудой в несколько десятков киловольт. Концами электро-
дов являются анализируемые образцы (рис. 2.2). Если образец порошкообраз-
ный, то он может быть спрессован до нужной формы. Процессы в плазменном
разряде вызывают испарение, атомизацию и ионизацию материала пробы. Гене-
рируются в основном однозарядные атомарные ионы. Ионы ускоряются полем
высокой напряженности к выходной щели источника и поступают в анализатор.
26 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
Масс- спектрометрия искрового разряда используется для многоэлементного
анализа примесей в проводниках, полупроводниках и изоляторах (например,
в геологических образцах). Будучи востребованным в прошлом, искровой источ-
ник был впоследствии замещен методами плазменной ионизации (см. разде-
лы 2.1.4 и 2.1.5). Для полного обзора искровых и других источников ионов, ис-
пользующихся в масс- спектрометрии неорганических соединений, смотрите
ссылку [21].
2.1.4. Тлеющий разряд
Масс- спектрометрия тлеющего разряда (МСТР) была введена Харрисоном и Мад-
жи в 1974 году [22]. Источник ТР также используется и для других методов анали-
за: атомно- абсорбционного, атомно- эмиссионного и атомно- флуоресцентного. Ис-
точник ТР состоит из металлического катода, содержащего пробу и помещенного
на подвижный зонд, и анода в виде цилиндра из нержавеющей стали, окружающе-
го пробу (рис. 2.3). Разрядный газ (обычно аргон высокой чистоты) напускается
в источник через игольчатый клапан, расположенный на аноде. В источнике под-
держивается давление на уровне 1 мм рт. ст. Наиболее распространен источник ТР
с постоянным напряжением. Когда напряжение между электродами достаточно ве-
лико, происходит разряд. При определенном давлении, напряжении и токе получа-
ется оптимальный разряд. При использовании аргона в разряде образуются ионы
Ar+, которые ускоряются к катоду и распыляют его материал. Процесс распыления
аналогичен процессам, используемым во вторично- ионной масс- спектрометрии
(ВИМС) и бомбардировке быстрыми атомами (ББА, см. разделы 2.1.18 и 2.1.19). По-
ложительно заряженные частицы, эмитируемые с катода, немедленно возвраща-
ются на него, тогда как отрицательно заряженные ускоряются к аноду. Следова-
тельно, только нейтральные частицы проникают в зону тлеющего разряда, где они
ионизируются в основном благодаря ионизации Пеннинга, но также и электрона-
ми с помощью перезарядки. Положительно заряженные ионы, образовавшиеся
вблизи от выходной щели, покидают источник в потоке газа.
Во многих масс- спектрометрических методах атомизация и ионизация про-
ходят в один этап (например при термоионизации (ТИ), лазерной десорбции /
ионизации (ЛДИ) и ВИМС). Такое явление ведет к существенным матричным эф-
фектам, ограничивающим получение количественной информации [24]. В ТР
атомизация происходит на поверхности катода, а ионизация – в отрицательной
Ионы
К анализатору
Искровая плазма
Электроды-
пробы
Высокое
радиочастотное
напряжение
Рис. 2.2. Схема искрового источника ионов
2.1. Источники ионов 27
области разряда. Такое размежевание уменьшает матричные эффекты, а также
помогает изучить состав поверхности катода (масс- спектрометрия вторичных
нейтралей — другой метод, в котором процессы атомизации и ионизации разде-
лены; см. раздел 2.1.18). Недостатком ТР является длительное время стабилиза-
ции разряда, то есть производительность анализа невысока. В результате распы-
ления может также значительно загрязняться источник. Этот негативный мо-
мент требует тщательной чистки источника при анализе следовых количеств
аналитов.
Тлеющий разряд генерирует непрерывный пучок ионов, поэтому он лучше
всего сочетается с магнитными секторными и квадрупольными приборами, хотя
использование ионных ловушек и времяпролетных анализаторов также возмож-
но. Главное приложение ТР — многоэлементный анализ примесей в высокочи-
стых проводниках и полупроводниках. Чувствительность прибора может дости-
гать долей ppb. Изоляторы также могут анализироваться этим методом, однако
для них существует проблема накопления заряда на поверхности изолятора
в случае использования ТР с постоянным напряжением. Изоляторы могут быть
смешаны с проводящими материалами (как в ВИМС). Другой вариант — исполь-
зование ТР с переменным напряжением. Так как другие источники (например
ИСП; см. раздел 2.1.5) менее сложны с точки зрения экспериментального исполь-
зования, применение ТР ограничено. Смотрите более полные обзоры по ТР [23] и
[25], а также [21], где ТР описывается вместе с другими источниками ионов, ис-
пользуемыми для анализа изоляторов.
2.1.5. Индуктивно-связанная плазма
Аналитическое применение индуктивно- связанной плазмы (ИСП) было пред-
ставлено Хуком в 1978 году [26]. До этого события Грей в 1974 году показал, что
масс- спектры могут быть получены с помощью плазмы, образующейся при ис-
пользовании постоянного напряжения [27]. Как и ТР, ИСП первоначально была
Ионы
К анализатору
Аргон
Отталкивающий
электрод +
высокое
напряжение
Отрицательная зона
аргоновой плазмы
Темновая область
Катод-
проба
Рис. 2.3. Схема источника с тлеющим разрядом (ТР)
28 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
использована в других методах анализа, в частности в атомно- эмиссионной спек-
троскопии. В настоящее время ИСП-МС — наиболее популярный метод анализа
неорганических веществ, а его приложения включают в себя измерение изотоп-
ных соотношений и элементный анализ следовых количеств. Данный метод чув-
ствителен и универсален. Пределы обнаружения лежат в диапазоне от 1 до
100 пг/л, и даже доли пикограмма могут детектироваться. Интерфейс ввода ионов
при постоянном давлении позволяет сочетать ИСП с жидкостной хроматографи-
ей. Исключительная точность определения концентраций делает ИСП предпо-
чтительным методом для количественного анализа.
Типичный источник ИСП состоит из горелки и индуктивной катушки, во
внутрь которой впрыскивается анализируемый аэрозоль (рис. 2.4). Плазма под-
держивается с помощью энергии электромагнитного радиочастотного поля, ко-
торая передается внешнему слою, имеющему тороидальную форму. Проба в по-
токе аргона подается вдоль оси тора в его центральную часть, которая нагревает-
ся от внешнего слоя. Разделение областей подачи пробы и нагрева плазмы
означает, что проба минимально влияет на процесс поддерживания плазмы. Кро-
ме того, так как электроды не контактируют с плазмой, загрязнение от материа-
лов конструкции минимально или отсутствует совсем. Сложность использова-
ния ИСП-МС заключается в необходимости транспортировки ионов из области
атмосферного давления с температурой в 5000 К в вакуумную часть масс- анали-
затора. Проблема решается охлаждением экстрагирующего конуса, имеющего
входное отверстие менее 1 мм, потоком воды. За первым конусом на расстоянии,
оптимальном для максимального пропускания ионов во вторую вакуумную ка-
меру, располагается другой электрод с небольшим отверстием. Давление во вто-
рой камере достаточно низкое, так что в ней могут быть использованы ионно-
оптические линзы для оптимизации интенсивности сигнала.
Проба находится в плазме ~2 мс и эффективно атомизируется, а в большин-
стве случаев ионизируется. Эффективность ионизации для более чем 50 элемен-
тов составляет более 90 % [28]. В плазме образуются, как правило, однозарядные
ионы, но некоторые элементы не ионизируются из- за более высоких по сравне-
нию с аргоном энергий ионизации. Атомы некоторых элементов могут ионизиро-
ваться в двухзарядные ионы из- за низких вторых потенциалов ионизации. Так-
Ионы
Расширяющаяся
газовая струя
Конус
с отверстием
Аналитическая зона
Индуктивная
катушка
Зона
первоначального
облучения
Область индукции
Проба
Рис. 2.4. Схема источника ионов с индуктивно- связанной плазмой
же следует отметить образование оксидов для некоторых элементов. Для обеспе-
чения большей эффективности ионизации элементов с высокими энергиями
ионизации (например галогенов) аргон можно заменить гелием [29]. Вследствие
непрерывности ионного пучка, формирующегося в источниках ионов с ИСП,
предпочтительно комбинировать ИСП с магнитными секторными и квадруполь-
ными анализаторами. Существует несколько методов ввода образца в приборах
с ИСП: распыление, электрохимическое испарение, газовая хроматография, гене-
рация гидридов и лазерная абляция [30]. Лазерная абляция в сочетании с ИСП
(ЛА-ИСП) — полезный метод анализа твердых проб. В этом случае перед источ-
ником располагается ячейка абляции. Поток аргона направляется через ячейку
к источнику ионов. Проба облучается лазером, и десорбированный материал
пробы направляется потоком аргона в плазму и ионизируется. Для более полно-
го обзора ИСП и других источников ионов, применяемых для анализа неоргани-
ческих проб, смотрите ссылку [21] и главу 9.
2.1.6. Ионизация электронами
Ионизация электронами (ИЭ) впервые была продемонстрирована Демпстером
в 1921 году, который использовал ее для измерения изотопов лития и магния [31].
Современные источники на основе ионизации электронами, тем не менее, бази-
руются на конструкциях, предложенных Бликни [32] и Ниром [33, 34], работав-
ших в лаборатории профессора Дж. Т. Тэйта. В этом методе пучок электронов на-
правляется на пары исследуемых молекул.
Источник ИЭ состоит из камеры с несколькими отверстиями (рис. 2.5). Ис-
следуемые молекулы направляются в камеру. Электронный пучок формируется
при нагревании катода, затем электроны пересекают камеру и собираются на
Ионы
К анализатору
Пучок
электронов
Отражатель
Ввод
пробы
Испаритель
Коллектор
электронов
Катод
Магнит
Магнит
Рис. 2.5. Схема источника с ионизацией электронами
коллекторе. Магниты обеспечивают винтовые траектории электронов в целях
увеличения их пути и, следовательно, вероятности взаимодействия электронов
с анализируемыми молекулами. Так как масса электронов намного меньше массы
ионов, ионы не подвергаются влиянию типичного для ИЭ магнитного поля. При
взаимодействии электрона с молекулой один (или более) собственных электро-
нов удаляется из молекулы. При этом, как правило, образуется молекулярный ка-
тион- радикал. Если исследуемые молекулы имеют высокое сродство к электрону,
при присоединении электрона могут образовываться отрицательные ионы, одна-
ко использование отрицательных ионов в данном источнике имеет некоторые
ограничения. В режиме положительных ионов энергия электронов обычно со-
ставляет 70 эВ, что соответствует максимуму сечения ионизации для большин-
ства молекул [35]. Выход молекулярных ионов близок к максимуму, но в то же са-
мое время образуется широкий круг интенсивных фрагментных ионов, которые
могут быть использованы для определения структуры соединения.
Обычно ввод образца регулируется таким образом, чтобы свести к миниму-
му вероятность протекания ионно- молекулярных реакций. Даже принимая во
внимание нежелательность интенсивной фрагментации, следует отметить, что
масс- спектр ИЭ может использоваться как характеристика данной молекулы. Бо-
лее того, так как спектры ИЭ относительно воспроизводимы и не зависят от при-
бора, были созданы представительные библиотеки таких спектров, использую-
щиеся для идентификации соединений. Фрагментация может быть уменьшена
понижением энергии электронов, но при этом значительно снижается и эффек-
тивность ионизации. Источник ИЭ генерирует непрерывный пучок ионов, так
что он идеально совместим с квадрупольными и магнитными секторными при-
борами, однако и другие типы анализаторов могут использоваться. ИЭ, как пра-
вило, применяется для ГХ-МС-анализа органических молекул. Смотрите главу 5
для более подробного описания и главы 8 и 16, содержащие примеры других при-
ложений ИЭ.
2.1.7. Химическая ионизация
В 1966 году Мансон и Филд представили метод химической ионизации (ХИ), свя-
занный с использованием газа- реагента в источнике ионов с ИЭ [36–38]. Давле-
ние в источнике ХИ обычно составляет около 1 мм рт. ст., а электроны имеют
энергию, бóльшую, чем в источнике ИЭ: от 500 до 1000 эВ. В источнике ИЭ моле-
кулы или атомы анализируемого вещества ионизируются непосредственно элек-
тронами, тогда как при химической ионизации процесс протекает в два этапа:
сначала газ- реагент ионизируется электронами, а затем образовавшиеся ионы-
реагенты передают заряд исследуемым молекулам. Изначально ХИ была адапти-
рована для генерирования положительных ионов, но в 1976 году Хант с коллега-
ми применили ее для получения отрицательных ионов. Газ- реагент обычно инер-
тен по своей природе, но способен экзотермически реагировать с анализируемым
веществом. Выбор газа зависит от задачи (и режима анализа). Первоначально
в качестве газа- реагента использовался метан, ионы которого взаимодействова-
ли с молекулами пробы с образованием различных типов молекулярных или
фрагментных ионов. Преимущество ХИ перед ИЭ заключается в бóльшем выходе
2.1. Источники ионов 31
молекулярных ионов. ХИ является более мягким методом ионизации 1. Несмотря
на то, что большинство аналитов исследуется в режиме регистрации положи-
тельных ионов, образование отрицательных ионов — более селективный процесс,
обеспечивающий более высокую чувствительность анализа. Он используется,
например, при анализе сильных электрофоров методом ГХ-ХИ-МС в режиме ре-
гистрации отрицательных ионов. Недостаток ХИ заключается в необходимости
более частой чистки источника. Для более подробного ознакомления с ХИ смо-
трите ссылку [40], а для изучения анализа отрицательных ионов — ссылку [41].
Предполагается, что ХИ также играет главную роль в шлейфе при образовании
ионов в МАЛДИ (см. раздел 2.1.22). ХИ используется с теми же масс- анализатора-
ми, что и источники ИЭ.
2.1.8. Химическая ионизация при атмосферном давлении
Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД) была представлена
Хорнингом с сотрудниками в 1973 году [38, 42, 43] в сочетании с газовой хромато-
графией. Эти труды также послужили началом разработки методов ионизации
при атмосферном давлении. В 1974 году коронный разряд был впервые использо-
ван для получения ионов в сочетании с жидкостной хроматографией [44, 45]. При
ХИАД пневматический распылитель вводит жидкую пробу в источник при ат-
мосферном давлении. Капли спрея пролетают рядом с разрядным электродом,
расположенным вблизи входного отверстия в масс- спектрометр. Как и другие ис-
точники, генерирующие непрерывный поток ионов, ХИАД удачно сочетается
с магнитными секторными, квадрупольными и ортогональными времяпролет-
ными анализаторами, а также с ионными ловушками. ХИАД в значительной сте-
пени вытеснил источники с химической ионизацией при низком давлении и ча-
сто используется на приборах с ЭРИ. При работе с менее полярными и небольши-
ми молекулами ХИАД превосходит ЭРИ (см. раздел 2.1.15). Кроме того, ХИАД
толерантнее ЭРИ к присутствию в пробах солей и буферов. Смотрите главу 8 для
обзора приложений ХИАД.
2.1.9. Фотоионизация
Фотоионизация (ФИ) — термин, использующийся для фотоэффекта в газах. Фо-
тоэффект был открыт Герцем [46] и интерпретирован Эйнштейном [47]. Это явле-
ния объясняет, например, природу полярного сияния. Источник фотоиониза-
ции — это, по существу, источник ионизации электронами, в котором пучок
электронов замещен пучком фотонов.
Первые эксперименты по применению фотоионизации совместно с масс- спек-
трометрическим анализом были выполнены Дитчберном и Арнотом [48], которые
ионизировали калий излучением железной дуги. При использовании монохрома-
тора и разрядной лампы можно получить моноэнергетичный пучок фотонов в ва-
кууме [49]. Таким образом, можно измерять выход ионизации в зависимости от
энергии фотонов. Фотоионизация была предложена в качестве детектора для газо-
вой хроматографии в середине 1970-х годов [50]. Она также использовалась в жид-
костной хроматографии [51] и спектрометрии ионной подвижности [52]. Селектив-
ную ионизацию можно получить, если энергия ионизации анализируемых соеди-
1 Подробнее см. А.Т. Лебедев «Масс- спектрометрия в органической химии», 2003.
32 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
нений ниже, чем у молекул газа- носителя, и используется лампа с энергией
излучения в соответствующем диапазоне. Среди недавних приложений можно на-
звать использование синхротрона как перестраиваемого источника фотонов [53].
2.1.10. Многофотонная ионизация
При использовании для фотоионизации лазера (не путайте с лазерной десорбци-
ей / ионизацией, где лазер облучает поверхность, см. раздел 2.1.21) можно повы-
сить чувствительность и селективность. В 1970 году был выполнен первый масс-
спектрометрический анализ молекул, фотоионизированных излучением лазера
(а именно молекул H2) [54]. Через два года была впервые получена селективная
двухступенчатая ионизация рубидия [55]. Масс- спектрометрия с многофотон-
ной ионизацией появилась в конце 1970-х [56–58]. Сочетание перестраиваемого
лазера с масс- спектрометром оказалось очень полезным для изучения процессов
возбуждения и диссоциации с получением масс- спектрометрических данных
[59–62]. Вследствие импульсной природы источников многофотонной иониза-
ции их предпочтительно соединять с времяпролетными анализаторами, хотя
при использовании лазеров со свободной генерацией излучения возможна сты-
ковка и с квадруполями [63]. Многофотонная ионизация осуществляется для га-
зообразных молекул и атомов. Система ввода пробы определяется задачами. На-
пример, проба может вводиться через ГХ-интерфейс путем испарения с поверх-
ности, с помощью генерации вторичных нейтральных частиц, образующихся
при ударе первичных частиц о поверхность (см. раздел 2.1.18), или как молеку-
лярный пучок, вводимый через соответствующий интерфейс. Разнообразна и ге-
ометрия источников.
При резонансной многофотонной ионизации (РМФИ или РИ) используются
фотоны ближнего ультрафиолета [60]. В ходе ионизации первый фотон, поглоща-
емый молекулой, переводит ее в промежуточное возбужденное состояние, а вто-
рой фотон вызывает ионизацию. Такой процесс не только повышает эффектив-
ность ионизации по сравнению с нерезонансной ионизацией, но он также и высо-
коселективен. Поэтому РИ применяется для спектроскопических исследований
нейтральных частиц и кластеров. Для обзора РИ смотрите ссылки [63] и [64].
Один из методов изучения ионов выбранной энергии — пороговая иониза-
ция, при которой образуются ионы с точно определенной энергией. Эти ионы мо-
гут использоваться для исследования мономолекулярной фрагментации, ионно-
молекулярных реакций, ван- дер- ваальсовых кластеров и кластеров, связанных
водородной связью [62].
2.1.11. Фотоионизация при атмосферном давлении
Первым фотоионизацию при атмосферном давлении исследовал И.А. Ревельский
с коллегами [65, 66] 1. В целом как аналитический метод она была представлена
Робом и его сотрудниками в 2000 году [67].
Эта работа также явилась первым примером сочетания фотоионизации
с ЖХ-МС. ФИАД особенно полезна для ионизации неполярных соединений, ко-
торые практически невозможно ионизовать электроспреем или ХИАД. При
1 За это изобретение И.А. Ревельский удостоен золотой медали Всероссийского масс-
спектрометрического общества в 2011 году.
ФИАД образуются как положительные, так и отрицательные ионы. Применяют-
ся два подхода: прямая ионизация и ионизация посредством ионизующегося до-
панта, такого как толуол или ацетон, которые добавляются в пробы в избыточ-
ном количестве [67, 69] 1. Ионизация молекул пробы при ЖХ-ФИАД-МС крайне
неэффективна, так как молекулы растворителя поглощают эмитируемые фото-
ны. Ионизированный допант увеличивает эффективность посредством переноса
заряда анализируемой молекуле. Этот эффект зависит от мощности лампы: при
ее увеличении эффект допанта теряется. Источник ФИАД обычно является аль-
тернативой для приборов, сконструированных для использования ЭРИ и ХИАД.
Для обзора ФИАД смотрите ссылку [70].
2.1.12. Полевая ионизация
Полевая ионизация (ПИ) была открыта Мюллером, который наблюдал образова-
ние положительных ионов из газофазных атомов и молекул вблизи металличе-
ской поверхности, создающей сильное электростатическое поле. На основе этого
эффекта Мюллер сконструировал полевой ионный микроскоп [71]. В 1954 году
Инграм и Гомер соединили источник полевой ионизации с масс- спектрометром
[72]. ПИ осуществляется воздействием на молекулы сильного электростатическо-
го поля напряженности 107…108 В/см, что по крайней мере в 1000 раз больше на-
пряженностей полей, существующих, в частности, в источниках ВИМС или
МАЛДИ. Такая напряженность достигается с помощью, например, тонкой воль-
фрамовой проволоки, активированной бензонитрилом [73, 74] 2. Активирован-
ная проволока покрыта острыми микроиглами, усиливающими напряженность
поля вблизи проволоки. Обычно ПИ обеспечивает меньшую чувствительность,
чем ИЭ, но ПИ генерирует практически исключительно молекулярные ионы, что
классифицирует ее как мягкий метод ионизации. Следовательно, ПИ и ИЭ до-
полняют друг друга, и некоторые приборы разрабатываются под использование
обоих методов. Дамико и Баррен [75], а также Бекки с коллегами соединили ис-
точник ПИ с ГХ. Так как ПИ — источник с непрерывным пучком ионов, он хоро-
шо сочетается с квадруполями и магнитными секторными приборами.
2.1.13. Полевая десорбция
Полевая десорбция (ПД) представлена Бекки в 1969 году [76]. ПД была первым
мягким методом ионизации, позволяющим генерировать ионы нелетучих ком-
понентов, таких как небольшие пептиды [77]. Разница между ПД и ПИ заключа-
ется в способе ввода пробы. В отличие от ПИ, где ионизируемые частицы нахо-
дятся в газовой фазе, при ПД проба наносится на эмиттер и молекулы десорбиру-
ются с его поверхности. Пробу можно нанести на эмиттер путем смачивания его
в растворе исследуемого вещества. Затем эмиттер помещают в источник ионов
масс- спектрометра. Положение эмиттера, также как и его температура, критич-
ны для анализа.
1 В этом случае правильнее говорить о фотохимической ионизации при атмосферном
давлении (ФХИАД).
2 Правильнее говорить об использовании тонких углеродных игл, покрывающих эмит-
тер и образующихся при пиролизе бензонитрила. См. Дж. Чапмен «Практическая органиче-
ская масс- спектрометрия».
Следует отметить, что ПИ и ПД были вытеснены более эффективными мето-
дами ионизации, такими как МАЛДИ и ЭРИ. Для описания ПД (и ПИ) смотрите
ссылку [78].
2.1.14. Термоспрей
Блэкли и Вестал представили термоспрей как средство соединения ЖХ с типичны-
ми потоками (~1 мл/мин) с масс- спектрометром [79]. В противоположность ран-
ним ЖХ-МС-методам термоспрей успешно применялся для образования газофаз-
ных ионов нелетучих молекул. Жидкость распыляется из нагреваемого металличе-
ского капилляра и направляется в камеру низкого давления с нагретым газом.
Вследствие присутствия горячего газа небольшие капли в сформировавшей-
ся сверхзвуковой струе продолжают испаряться, в результате чего образуются га-
зофазные ионы. В этом методе необходимо использовать заряженные и полярные
соединения, а также летучие буферы. Температура испарителя критична и зави-
сит от состава растворителя. Термоспрей как непрерывный источник ионов ис-
пользуется с квадрупольными и магнитно- секторными анализаторами. В насто-
ящее время термоспрей вытеснен более стабильными и чувствительными мето-
дами, такими как ЭРИ и ХИАД. Детальный обзор метода и его приложений
читатели могут найти в ссылках [80] и [81].
2.1.15. Электроспрей (электрораспыление)
Электрораспыление (ЭРИ) было впервые представлено Доулом и его коллегами
в 1968 году [82], а в 1984 году Фенн и Ямашита соединили его с масс- спектроме-
тром [83] 1. В ЭРИ проба растворяется в полярном и летучем буфере и вводится
через иглу, находящуюся под высоким напряжением (положительным или отри-
цательным относительно входного отверстия масс- спектрометра) [83–85]. Высо-
кое напряжение (1…4 кВ) приводит к формированию конуса Тэйлора, обогащен-
ного положительными или отрицательными ионами. Поток заряженных частиц
экстрагируется из конуса Тэйлора благодаря наличию электрического поля. Кап-
ли уменьшаются в размере вследствие процесса испарения, усиленного потоком
теплого азота, сонаправленного потоку пробы (см. рис. 2.6). Ионы образуются
при атмосферном давлении и поступают через канал конической формы в об-
ласть промежуточного вакуума, а оттуда через небольшое отверстие — в область
высокого вакуума масс- анализатора. ЭРИ может работать со всеми распростра-
ненными типами анализаторов. Точный механизм образования ионов из заря-
женных капель все еще не полностью раскрыт, и существуют различные теории
этого процесса [82, 86, 87]. Пробоподготовка для ЭРИ требует только растворения
образца до подходящей концентрации в смеси воды с органическими раствори-
телями: как правило, метанолом, изопропанолом и ацетонитрилом. Небольшие
концентрации муравьиной или уксусной кислот часто используются для усиле-
ния протонирования. В режиме регистрации отрицательных ионов, чтобы ини-
1 Л.Н. Галль с сотрудниками опубликовали пионерскую работу по ЭРИ несколько раньше
Фенна (Aleksandrov M.L., Gall L.N., Krasnov V.N., Nikolaev V.I., Pavlenko V.A., Shkurov V.A. (1984).
Ion extraction from solutions at atmospheric pressures: a mass spectrometric method of analysis of
bioorganic compounds. Doklady Akademii Nauk SSSR. 277, 2: 379-383). За это изобретение Л.Н. Галль
удостоена золотой медали Всероссийского масс-спектрометрического общества в 2009 году.
2.1. Источники ионов 35
циировать депротонирование, принято добавлять растворы аммиака или лету-
чих аминов.
Чувствительность ЭРИ очень высока — пределы обнаружения для многих
пептидов составляют несколько фемтомолей или даже аттомоли. Однако чув-
ствительность ЭРИ является функцией концентрации. Например, при потоках
от 1 до 1000 мкл/мин обычные ЭРИ-источники потребляют очень много пробы.
Поэтому преимущество имеют низкие потоки. Нано- ЭРИ (или наноспрей) — это
версия с низкими скоростями потоков (20…200 нл/мин) [88, 89] соответственно,
с низким расходом пробы и значительно более высокой чувствительностью. На-
ноэлектроспрей также оказался более устойчивым к присутствию солей, чем
обычный электроспрей [88]. При соединении ЭРИ с капиллярным электрофоре-
зом были детектированы доли аттомолей (см. раздел 2.2.6). ЭРИ-МС может быть
использована для анализа полярных молекул в диапазоне от менее чем 100 Да до
масс целого вируса (более 2 МДа) [90] и даже 100 МДа (одиночный ион ДНК) [91].
Важным свойством ЭРИ является способность генерировать распределение мно-
гозарядных ионов, что позволяет использовать масс- анализаторы с ограничен-
ным диапазоном масс. Незначительные изменения условий анализа, такие как
pH, состав растворителя, концентрация солей, частичная денатурация анализи-
руемых молекул, могут изменить зарядовое распределение для больших молекул
[92, 93]. Многолинейчатый спектр многозарядных ионов делает интерпретацию
ЭРИ-спектров сложных смесей затруднительной. На практике для преобразова-
ния таких спектров в спектр единичных ионов с соответствующими молекуляр-
ными массами и нулевым зарядом используются компьютеры.
ЭРИ — чрезвычайно мягкий метод ионизации с очень незначительной фраг-
ментацией образующихся молекулярных ионов. Вследствие этого слабые связи
часто сохраняются, что позволяет изучать посттрансляционные модификации
Сопло
Конус Тэйлора
Высокое
напряжение
Поток газа
Поток
жидкости
Рис. 2.6. Схема электрораспылительного источника (ЭРИ) ионов. Перепечатано из [288] c раз-
решения John Wiley & Sons, Inc
36 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
пептидов и белков, а также нековалентно- связанные комплексы, например бел-
ково- лигандные [94–99]. Хотя ионы не фрагментируются в ходе ЭРИ, они очень
удобны для диссоциации, индуцированной столкновениями (ДИС) (см. главу 3),
так как ионы с высоким зарядом приобретают большую кинетическую энергию
[100]. Подавление ионного сигнала из- за конкурентной ионизации является глав-
ной проблемой ЭРИ, препятствующей анализу сложных смесей без предвари-
тельного хроматографического разделения. Эта проблема, а также сильная зави-
симость сигнала от экспериментальных условий, таких, как pH, состав раствори-
теля и концентрации солей, затрудняет использование ЭРИ для количественного
анализа. Однако, как и в МАЛДИ-МС, количественный анализ может быть осу-
ществлен в ограниченном диапазоне концентраций при использовании специ-
ально подобранного внутреннего стандарта известной концентрации и инфор-
мации об анализируемых пептидах и белках [101]. Сочетание ионизации при ат-
мосферном давлении c непрерывным потоком растворителя позволяет соединять
ЭРИ с другими методами разделения: жидкостной хроматографией (ЖХ, глава 4)
и капиллярным электрофорезом (КЭ, глава 4). Для обзора приложений смотрите
также главы 8, 10 и 12.
2.1.16. Äåñîðáöèîííàÿ ýëåêòðîðàñïûëèòåëüíàÿ èîíèçàöèÿ (ÄÝÐÈ)
Десорбционная электрораспылительная ионизация (ДЭРИ) была представлена
Такачем и его коллегами [102]. Само явление наблюдалось и ранее, но интерпре-
тировалось как некий «артефакт» (например, оно объяснялось тем, что анализи-
руемые ионы или ионы калибровочной смеси адсорбировались на стенках транс-
портного капилляра, что вело к появлению необъяснимых пиков в масс- спек-
трах). Идея использования электроспрея для десорбции как оригинальна, так и
проста. Метод чувствителен, причем могут быть детектированы большие моле-
кулы, например белки, а наблюдаемые ионы более- менее аналогичны образую-
щимся в процессе обычного электрораспыления.
ДЭРИ-источник состоит из иглы для спрея и коаксиальной трубки для пода-
чи газа- распылителя. На иглу, направленную на поверхность- мишень, подается
высокое напряжение (рис. 2.7). Десорбированные с поверхности ионы пробы по-
ступают во входное отверстие масс- спектрометра. Типичные расстояния между
иглой, пробой и входным отверстием составляют от нескольких миллиметров до
Проба
Ионы
Конус
с отверстием
Спрей
Газовая струя
Капилляр
для газа-
распылителя
Капилляр
для спрея
(под высоким
напряжением)
Растворитель
Азот
Рис. 2.7. Схема десорбционно- электрораспылительного источника (ДЭРИ) ионов
2.1. Источники ионов 37
нескольких сантиметров. Оптимальная геометрия зависит от пробы и размера
анализируемой области. Преимуществом ДЭРИ является тот факт, что мишенью
в принципе может быть любая поверхность, а время анализа весьма небольшое —
порядка нескольких секунд. Это означает, что экспресс- анализ может быть вы-
полнен без специальной пробоподготовки. Образец, например банкнота, поми-
дор или таблетка, могут быть помещены близко ко входу в масс- спектрометр,
а спектр может быть получен через несколько секунд. Существует множество
приложений метода, включая высокопроизводительный анализ, скрининг следо-
вых концентраций наркотиков и обнаружение других загрязнений. ДЭРИ также
обладает потенциалом для химического имиджинга [103]. Для более полного об-
зора ДЭРИ смотрите ссылки [104] и [105].
Существует несколько модификаций ДЭРИ. Если заменить электроспрейный
эмиттер на металлическую иглу и направлять пары пробы в поток коаксиально-
го газа, можно получить десорбционную химическую ионизацию при атмосфер-
ном давлении (ДХИАД) [106]. Другая версия ДЭРИ — анализ твердых проб при
атмосферном давлении (АТПАД), когда нагретая струя газа десорбирует анали-
зируемые молекулы, которые ионизируются в коронном разряде [107]. Существу-
ет также электроспрейно- ассистированная лазерная десорбция / ионизация
(ЭАЛДИ), когда испаренные лазером нейтральные частицы ионизируются заря-
женными каплями электроспрея [108].
За последние 20 лет масс-спектрометрия стала одним из основных методов ана-
литической химии. В особенности, это утверждение справедливо для области ис-
ледования биологических макромолекул. По своей важности масс-спектрометрия
сравнима с более традиционными подходами, такими, как электрофорез и жид-
костные методы разделения, причем масс-спектрометрия часто используется в
качестве гибридного метода − например, как ЖХ-МС.
Развитие масс-спектрометрии было во многом мотивировано открытием но-
вых способов генерации стабильных ионов и разработкой соответствующих ион-
ных источников. Методы образования ионов должны отвечать двум основным
требованиям. Во-первых, молекулы, изначально существующие в конденсиро-
ванном состоянии, жидком или твердом, должны быть переведены в газовую
фазу и, в конечном итоге, введены в вакуум анализатора. Во-вторых, первона-
чально нейтральные молекулы должны приобрести один или более зарядов для
их разделения и регистрации масс-спектрометром. Ранее, осуществление этих
двух шагов приводило к неизбежному возбуждению внутренних степеней свобо-
ды молекул с их последующей фрагментацией и, соответственно, потерей анали-
тической информации. Двумя новыми методами, доминирующими в настоящее
время в масс-спектрометрии, являются электрораспыление (ЭРИ) и матрично-
активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). Несмотря на то, что
эти методы решают проблемы перевода молекул из конденсированной фазы в га-
зовую и их ионизации различными способами, они были разработаны независи-
мо друг от друга и появились одновременно в 1988 году. Такая параллельная раз-
работка не была чистой случайностью. Основы строения макромолекул, функ-
ции биологических систем, роль ДНК и, в особенности, белков стали предметом
исследований 30 годами ранее. Для некоторой части научного сообщества стало
очевидно, что для разгадывания тайн биомолекулярных структур необходим
скачок в разработке более чувствительных и специфичных аналитических мето-
дов. С этой точки зрения масс-спектрометрия выглядела многообещающе, хотя
для большинства экспертов такой прогресс выглядел невероятным. Можно кон-
статировать, что в науке, как и в других областях человеческой деятельности,
справедливо изречение: «если есть проблема, то найдется и способ ее решения».
В этом контексте важно понимать, что изобретение ЭРИ и МАЛДИ основывает-
ся на разработках предыдущих лет, таких, как полевая десорбция, десорбция
пучками частиц и химическая ионизация в газовой фазе.
Новые механизмы ионизации вернули к жизни некоторые варианты анализа-
торов, такие, как времяпролетные приборы с аксиальной экстракцией ионов, от-
вергнутые ранее как несовершенные. В последние годы на рынке появилось мно-
жество новых высококачественных масс-спектрометров с ЭРИ и МАЛДИ иони-
зацией: времяпролетные с ортогональной экстракцией, приборы ионного
циклотронного резонанса и орбитальные ловушки. Параллельная разработка
средств быстрой обработки сигналов, анализа и аккумуляции данных также сы-
грала важную роль в развитии масс-спектрометрических технологий.
Между тем, масс-спектрометрия стала и важной частью академического об-
разования в области аналитической химии. Это можно видеть из резюме многих
студентов и аспирантов, специализирующихся в данной области. Поэтому, выход
в свет данной книги является очень своевременным. Следует поблагодарить ре-
дакторов и авторов этого труда за их усилия.
Насколько подробно студент долежен быть информирован о достижениях в
данной области науки и насколько подробной должна быть книга ? Этот вопрос
не имеет ответа ввиду разтличий между студентами и разнообразия их потреб-
ностей в знаниях. Большинство студентов будет в итоге специализироваться в
отдельных областях химии (биохимии), молекулярной или системной биологии,
а также химии полимеров. Для них масс-спектрометрия не станет предметом
углубленных исследований, а будет являться лишь одним из инструментов реше-
ния задач в области их специализации. Насколько глубоко эти исследователи
должны изучать основы масс-спектрометрии ? Снова ответ зависит от решаемой
проблемы. Для многих рутинных приложений достаточно ознакомления с руко-
водствами производителей приборов. Однако если проблема не тривиальна, то и
ее способ решения не будет простым. Масс-спектрометрия является и, скорее
всего, будет оставаться комплексным методом. Для полного раскрытия потенци-
ала масс-спектрометрии, и, в равной степени, избежания проблем, связанных с
некоторыми его недостатками, необходимо углубленное изучение механизмов
явлений и технологий метода. Надеюсь, что эта книга поможет заложить необхо-
димый фундамент знаний, а позже, при необходимости, студенты обратятся к бо-
лее специализированной литературе. В этом смысле книга будет полезной для
многих читателей.
Франц Хилленкамп
Мюнстер, Германия
2008
Часть 1
МАСС_СПЕКТРОМЕТРЫ
Введение
Первая часть этой книги посвящена обсуждению масс- спектрометрического
оборудования. Сначала будут рассмотрены основные термины и определения
(глава 1). В главе 2 будет рассмотрена конструкция масс- спектрометров и их
основных узлов. В ней мы опишем в деталях наиболее распространенные источ-
ники ионов, масс- анализаторы и детекторы. Некоторые из этих приборов редко
используются в настоящее время, но они внесли существенный вклад в историю
масс- спектрометрии и упоминаются в масс- спектрометрической литературе.
В главе 3 мы опишем различные методы фрагментации и несколько типичных
тандемных анализаторов. Глава 4 отличается от других. Методы разделения —
определенно слишком широкая область для 20 страниц. Однако, некоторые ме-
тоды разделения смесей настолько тесно связаны с масс- спектрометрией, что
всегда упоминаются как комбинированные аналитические методы, например
ГХ-МС и ЖХ-МС. В действительности почти невозможно изучать масс- спектро-
метрию без рассмотрения хотя бы одного из методов разделения. Поэтому одна
из главных целей главы 4 — облегчить знакомство читателя с масс- спектроме-
трической литературой при помощи короткого описания основных наиболее ти-
пичных методов разделения, используемых в сочетании с масс- спектрометрией.
Глава 1. Определения и пояснения
Анн Вестман- Бринкмальм
и Гуннар Бринкмальм
Целью этой главы является введение определений и краткое объяснение основ-
ных масс- спектрометрических терминов. Как и во многих других областях нау-
ки, в масс- спектрометрическом сообществе идут дебаты (порой очень жаркие)
о том, насколько корректны используемые термины и определения и что означа-
ет повседневная масс- спектрометрическая терминология. Возможно, это неиз-
бежное явление для всякой междисциплинарной бурно развивающейся области
науки. Однако в этой главе мы будем находиться в стороне от таких споров, да-
вая читателю определения, предлагаемые текущим проектом IUPAC «Стандарт-
ные определения терминов, относящихся к масс- спектрометрии» [1]. Смотрите
также «Страницу проекта масс- спектрометрических терминов и определений» [2].
Наш проект находится на конечной стадии и будет официально опубликован
в ближайшее время. Тем не менее мы иногда не будем избегать некоторых оппо-
зиционных мнений. Смотрите также главы 5 и 6 для более детального рассмотре-
ния некоторых базовых концепций масс- спектрометрии. Изучая различные гла-
вы этой книги, читатель заметит, что авторы (включая авторов этой главы) не
придерживаются строго списка рекомендуемых определений, который может
быть найден в этой книге. Это реальное отражение состояния масс- спектроме-
трической литературы. Читатель не должен быть обескуражен такой ситуацией.
Наше основное правило: «Находясь в Риме, веди себя как римлянин». Однако для
помощи читателю авторы будут давать альтернативные или дополнительные тер-
мины в соответствии с IUPAC.
Атомная единица массы (Atomic Mass Unit): см. унифицированная атомная еди-
ница массы.
Бесполевое пространство (Field Free Region): любая область ионно- оптической
системы масс- спектрометра, где ионы не подвергаются воздействию магнит-
ного или электрического поля.
Воспроизводимость определения массы (Mass precision): среднеквадратическое
отклонение для большого числа измерений массы [3].
Граничные массы (Mass Limit): предельные значения m/z, которые могут быть
зарегистрированы.
Глава 1. Определения и пояснения 13
Дальтон (Да) (Dalton (Da)): единица массы, не входящая в систему СИ, равная
унифицированной атомной единице массы. Смотрите также близкие к теме
термины: средняя масса; дальтон; молярная масса; молярный вес; моноизотоп-
ная масса; номинальная масса; унифицированная атомная единица массы.
Дефект массы (Mass Defect): разность между точной и номинальной массами.
Диапазон масс (Mass Range): интервал значений m/z, в котором масс- спектро-
метр может регистрировать ионы или записывать масс- спектр.
Димерный ион: ион, образующийся при ионизации димера или ассоциации иона
с нейтральным аналогом ([M2]+• или [M-H-M]+).
Дочерний ион (Daughter Ion): см. ион- продукт.
Интенсивность пика (Peak Intensity): высота или площадь пика в масс- спектре.
Некоторые предупреждения от авторов: высота пика и площадь пика — не
взаимозаменяемые понятия. Проанализируйте, например, как отношение
высоты пика к площади пика зависит от разрешающей способности масс-
анализатора или времени отклика детектора.
Ион- предшественник (Precursor Ion): ион, из которого в ходе реакции образуют-
ся определенные фрагменты. Реакция может быть мономолекулярной диссо-
циацией, ионно- молекулярной реакцией, изомеризацией или изменением за-
рядового состояния. Термин «родительский ион» более не используется 1.
Ион- продукт (Product Ion): ион, образовавшийся в реакции определенного иона-
предшественника. Реакция может быть мономолекулярной диссоциацией,
ионно- молекулярной реакцией или изменением зарядового состояния. Тер-
мины «фрагментные ионы» и «дочерние ионы» более не используются*.
Калибровка масс (во времяпролетной масс- спектрометрии) (Mass Calibration
(time- of- flight)): определение значений m/z по времени пролета. Обычно это
достигается использованием компьютерных систем регистрации и калибров-
кой спектра с известными значениями m/z.
m/z: символ используется для обозначения безразмерной величины, полученной
при делении массы иона в атомных единицах массы на заряд иона (без учета
знака заряда). Символ пишется прописными буквами курсивом и без пробе-
лов. Замечание 1: термин «отношение массы к заряду» используется в каче-
стве абсциссы при графическом представлении масс- спектра, хотя измеряе-
мая величина не равна отношению массы иона к его заряду. Символ m/z реко-
мендуется использовать для обозначения безразмерной величины,
являющейся независимой переменной шкалы масс. Замечание 2: предложен-
ная единица томсон (Th) не нашла большого распространения.
Комментарий: здесь авторы считают нужным подчеркнуть, что масс- анали-
затор разделяет газофазные ионы согласно отношению их масс к заряду (m/q,
смотрите формулы ниже), но ни масса, ни заряд не являются безразмерными
величинами. Z — число элементарных зарядов — безразмерная величина, что
приводит к тому, что m/z измеряется в а.е.м. или Да. Единица СИ для m/q —
1 Хотя эти термины и не рекомендованы к употреблению, они по- прежнему часто ис-
пользуются масс- спектрометристами (Здесь и далее примечания редактора перевода.)
14 Глава 1. Определения и пояснения
это килограмм/кулон (кг/Кл). Но эта величина неудобна, так как она подраз-
умевает использование фактических значений. Альтернативой могли бы
быть атомные единицы массы. Исторически использовались единицы а.е.м./е,
где е — элементарный электрический заряд. К сожалению, е — константа (ве-
личина заряда протона или электрона), а не единица измерения. В настоящее
время нет общепринятой единицы заряда в атомной системе единиц. Поэто-
му была предложена единица измерений милликен (Ми). Была также предло-
жена единица измерения для m/q: томсон (Th), где Th = а.е.м./Ми или Да/Ми.
Все эти единицы принадлежат атомной системе единиц. Все эти рассуждения
выглядят как слишком большие придирки, но все- таки непрактично, что нет
общепринятых единиц для измерения главной величины в масс- спектроме-
трии.
МС/МС (MS/MS): регистрация и изучение спектров электрически заряженных
продуктов, или предшественников иона, или ионов с выбранным значением
m/z, или предшественников ионов с заданной потерей нейтральной группы.
МС/МС также называют тандемной масс- спектрометрией.
Комментарий. Существует два различных мнения о смысле аббревиатуры
МС/МС. Один вариант — это масс- спектрометрия/масс- спектрометрия [1];
другой — масс- селекция/масс- сепарация.
Масса (Mass): см. термины: точная масса; средняя масса; дальтон; молярная мас-
са; молекулярный вес; моноизотопная масса; номинальная масса; атомная
единица массы.
Массовое число (Mass Number): число протонов и нейтронов в атоме, молекуле
или ионе.
Масс- спектр (Mass spectrum): график зависимости интенсивностей ионов как
функции их значений m/z. См. обсуждение m/z.
Масс- спектрометр (Mass Spectrometer): прибор, измеряющий значения m/z и от-
носительные интенсивности ионов. См. также обсуждение термина m/z.
Масс- спектрометрия (Mass Spectrometry): научное направление, связанное со
всеми аспектами масс- спектрометров и их использованием.
Масс- спектрометрия изотопного разбавления (Isotope Dilution Mass
Spectrometry): масс- спектрометрический метод количественного анализа,
в котором изотопно- меченый компонент используется как внутренний стан-
дарт. См. главу 14 для более детального понимания.
Масс- спектрометрия изотопных отношений (Isotope Ratio Mass spectrometry
(IRMS)): измерение относительных количеств различных изотопов химиче-
ского элемента в пробе с использованием масс- спектрометрии.
Метастабильный ион (Metastable Ion): ион, образовавшийся с внутренней энер-
гией, превышающей порог диссоциации, но со временем жизни, достаточным
для того, чтобы покинуть источник ионов. Метастабильный ион диссоцииру-
ет до детектирования.
Молярная масса (Molar Mass): масса моля химического соединения (≈ 6·1023 ато-
мов или молекул). Замечание: использование термина «молекулярный вес» не
совсем корректно, так как вес — это гравитационная сила, действующая на
Глава 1. Определения и пояснения 15
тело. Она варьируется с географическим местоположением. Исторически
этот термин используется для обозначения молярной массы, вычисленной
при помощи усреднения по всем изотопам составляющих химических эле-
ментов.
Молекулярный ион (Molecular Ion): ион, образовавшийся при потере одного или
нескольких электронов молекулой (положительный ион) или добавлением
одного или нескольких электронов к молекуле (отрицательный ион).
Молекулярный вес (Molecular Weight): см. обсуждение термина «молярная
масса».
Моноизотопная масса (Monoisotopic mass): точная масса иона, вычисленная
с помощью масс наиболее распространенных изотопов каждого элемента [1].
Данная рекомендация происходит из несколько неудачного утверждения,
сделанного Ергеем (Yergey и др., [5]) в опубликованной на эту тему статье. Он
рассматривал только элементы, у которых наиболее легкие изотопы являют-
ся и наиболее распространенными. Практические проблемы возникают для
элементов, для которых это утверждение не работает (например Fe или B).
В этой главе авторы предпочитают определение «масса иона или молекулы,
вычисленная с использованием масс легчайших изотопов каждого элемента».
Для молекул, содержащих наиболее распространенные элементы (C, H, N, O,
S) эти два определения идентичны, так как самые легкие изотопы перечис-
ленных элементов являются и самыми распространенными. Однако для дру-
гих элементов (Fe, B и др.) определения не тождественны. Цитохром C содер-
жит один атом железа. В случае если моноизотопным пиком является пик, со-
держащий наиболее распространенные изотопы, моноизотопным пиком
будет один из изобаров второго изотопного пика. Второй изотопный пик так-
же содержит изобары с одним 2H, одним 13C, одним 15N, одним 17O или одним
33S. Всего существует 6 изобаров, и только один из них истинный моноизо-
топный. При использовании определения «легчайший изотоп» первый изо-
топный пик будет истинно моноизотопным. Этот пик не будет иметь изоба-
ров, и, следовательно, его легко определить.
Мониторинг выбранных (заданных) ионов (Selected Ion Monitoring (SIM)): ре-
жим масс- спектрометра, в котором регистрируются интенсивности одного
или нескольких ионов со специфическими значениями m/z, а не весь масс-
спектр в широком массовом диапазоне 1.
Мониторинг выбранных реакций (Selected Reaction Monitoring (SRM)): реги-
страция определенных ионов- продуктов, образующихся из выбранных ио-
нов- предшественников с определенными значениями m/z при помощи двух-
или более стадийной масс- спектрометрии. Мониторинг выбранных реакций
может быть осуществлен с помощью тандемной масс- спектрометрии во вре-
мени или в пространстве. Термин «мониторинг множественных реакций» не
следует использовать 2 [1].
1 В русскоязычной литературе часто используется термин «масс- фрагментография».
2 Тем не менее этот термин часто используется.
Мониторинг нескольких реакций (Multiple Reaction Monitoring (MRM)): см. мо-
ниторинг выбранных реакций.
Многостадийная масс- спектрометрия (Multiple- Stage Mass Spectrometry (MSn)):
многостадийный отбор ионов- предшественников по m/z с последующим де-
тектированием ионов- продуктов последовательных реакций диссоциации.
Нейтральные потери (Neutral Loss): потеря незаряженных групп ионом в ходе
процесса перегруппировки или прямой диссоциации.
Номинальная масса (Nominal Mass): масса иона или молекулы, вычисленная
с использованием масс наиболее распространенных изотопов каждого эле-
мента и округленная до ближайшего целого числа. Она эквивалентна сумме
массовых чисел всех составляющих атомов.
Пример. Номинальная масса иона вычисляется сложением целых масс лег-
чайших изотопов всех элементов, входящих в эту молекулу. Номинальная
масса для H2O — это (2∙1) + 16 Да = 18 Да.
Комментарий. Та же проблема возникает для моноизотопной массы компо-
нентов, содержащих элементы типа Fe или B. См. дискуссию о моноизотоп-
ной массе.
Отношение массы к заряду (Mass- to Charge Ratio): см. обсуждение m/z.
Пик (Peak): локализованная область ионного сигнала в масс- спектре. Хотя пики
часто ассоциируются с определенными ионами, не следует смешивать поня-
тия «пик» и «ион».
Полный ионный ток, ПИТ (Total Ion Current (TIC)): сумма отдельных ионных
токов, обусловленных всеми ионами в масс- спектре.
Протонированная молекула (Protonated Molecule): ион, образовавшийся при
присоединении протона к молекуле, представляемый символом [M + H]+.
Термин «протонированный молекулярный ион» более не используется. Такое
название относится к частице с двумя зарядами. Термины «псевдомолекуляр-
ный ион» и «квазимолекулярный ион» более не используются. Следует ис-
пользовать специфический термин «протонированная молекула» или хими-
ческое описание, такое, как [M + Na]+, [M + H]+ и др. [1].
Разрешающая способность (Mass Resolving Power (m/Δm): масса пика в масс-
спектре, деленная на разность масс между пиками, при которой соседние
пики разделяются, то есть m/Δm. Следует указывать метод получения Δm и
массу m.
Разрешение по массе (Mass Resolution): минимальная разность Δm (Δm в Да или
в Δm/m, например ppm) между двумя пиками равной высоты, такая, что раз-
деление между этими пиками происходит на определенной высоте, выражен-
ной в процентах [3].
Разрешение на высоте в 10 % (Ten Percent Valley Definition): пусть два пика оди-
наковой высоты в масс- спектре имеют массы m и m + Δm и разделены на вы-
соте в 10 % от высоты пиков. Пусть разделение для похожих пиков с массой,
превышающей m, происходит на высоте, большей, чем 10 %. Тогда разреше-
ние на высоте 10 % равно m/Δm. Отношение m/Δm должно задаваться для раз-
личных значений m [4].
Комментарий: это типичный пример путаницы в определениях разрешения.
В данном случае вместо термина разрешения правильней использовать фра-
зу «разрешающая способность» (mass resolving power). Разрешающая способ-
ность — это единица, деленная на «разрешение».
Средняя масса (Average Mass): масса иона, атома или молекулы, вычисленная
с помощью масс всех изотопов каждого элемента с учетом естественной рас-
пространенности изотопов. См. также близкие к теме термины: точная мас-
са; дальтон; молярная масса; моноизотопная масса; номинальная масса; уни-
фицированная атомная единица массы.
Тандемная масс- спектрометрия (Tandem Mass spectrometry): см. МС/МС.
Томсон (Thomson (Th)): см. обсуждение m/z.
Торр (Torr): единица давления вне системы СИ. 1 торр = 1 мм рт. ст. =
= 1,33322 мбар = 133,322 Па.
а
б
Рис. 1.1. Два различных метода определения разрешения по массе и разрешающей способно-
сти. a) Определение, основанное на разделении пиков на 10 %-м уровне их высоты. Раз-
деление пиков Δm определяется как расстояние между центрами двух пиков одинако-
вой высоты, при котором пики разделяются друг от друга на высоте 10 %. Если пики
симметричные, то теоретически Δm равна ширине пика на уровне 5 % его высоты.
Данное определение наиболее точное, но непрактичное, так как обычно сложно найти
пики одинаковой высоты, хорошо разделенные в масс- спектре. б) Определение, осно-
ванное на ширине пика на половине его высоты (полуширине) (FWHM). Такую шири-
ну пика легко найти, так как требуется использовать только один пик, хорошо отделен-
ный от других. Однако в этом случае разрешение не связано напрямую с сепарацион-
ными возможностями масс- спектрометра. Для гауссового пика определение
с помощью FWHM дает разрешающую способность, приблизительно в два раза
бóльшую, чем основанная на разделении пиков на 10 %-м уровне их высоты
18 Глава 1. Определения и пояснения
Точная масса (Accurate Mass): экспериментально определенная масса иона, кото-
рая используется в формулах элементного состава. Для ионов, содержащих C,
H, N, O, P, S и галогены с массой менее 200 Да, измерения с погрешностью
5 ppm достаточно для однозначного определения элементного состава. См.
также близкие к теме термины: средняя масса; дальтон; молярная масса; мо-
ноизотопная масса; номинальная масса; унифицированная атомная единица
массы.
Точность измерения массы (Mass Accuracy): разность между измеренной и дей-
ствительной массой [3]. Может быть выражена как в абсолютных, так и в от-
носительных единицах.
Трансмиссия (Transmission): отношение числа ионов, покидающих некоторую
область масс- спектрометра, к числу ионов, поступающих в эту область.
Унифицированная атомная единица массы (Unified Atomic Mass Unit): едини-
ца массы вне системы СИ. Определяется как 1/12 массы атома 12С в его основ-
ном состоянии. Она равна ≈ 1,66∙10−27 кг. Термин «атомная единица массы»
использовать не рекомендуется, так как он не является однозначным. Этот
термин использовался для обозначения массы, измеренной относительно
одного атома 16О, или относительно массы атома кислорода, усредненной по
изотопам, или относительно одного атома 12С.
Фрагментный ион (Fragment Ion): см. термин «ион- продукт».
Фрагментные ионы (Progeny Ions): заряженные продукты серии последователь-
ных реакций, включающие в себя ионы- продукты: первое поколение ионов-
продуктов, второе поколение ионов- продуктов и т.д.
Ширина пика в масс- спектре (Δm50%) (Mass peak Width): полная ширина масс-
спектрального пика на половине его высоты (полуширина) [3].
Хроматограмма по полному ионному току (Total Ion Current Chromatogram):
хроматограмма, полученная построением зависимости полного иона тока се-
рии масс- спектров от времени удерживания. См. также экстрагированная
ионная хроматограмма.
Экстрагированная ионная хроматограмма 1 (Extracted Ion Chromatogram): хро-
матограмма, построенная как зависимость интенсивности сигнала для за-
данного m/z (или ряда значений m/z для серии масс- спектров) от времени
удерживания. См. также близкий к теме термин «хроматограмма по полному
ионному току».
Электрон- вольт (эВ) (Electron Volt (eV)): единица энергии, не входящая в систему
СИ, определяемая как энергия, приобретаемая частицей, содержащей еди-
ничный заряд, при прохождении разности потенциалов в один вольт.
1 эВ ≈ 1,6∙10−19 Дж.
Эффективность ионизации (Ionization Efficiency): отношение числа образовав-
шихся ионов к числу атомов или молекул, введенных в источник.
Эффект пространственного заряда (Space- Charge Effect): результат взаимного
отталкивания частиц с зарядами одинаковой полярности. Ведет к ограниче-
нию по току пучка заряженных частиц или пакета частиц, вызывает дополни-
1 В литературе часто используется также термин «масс- хроматограмма».
Глава 1. Определения и пояснения 19
тельное движение ионов помимо движения, обусловленного внешними
полями.
Ширина пика (Peak Width Definition): для одиночного пика однозарядного иона
с массой m разрешение может быть определено как m/Δm, где Δm — ширина
пика на высоте, составляющей часть полной высоты пика. Рекомендуется ис-
пользовать разрешение для 50 %, 5 % и 0,5 % от высоты пика. Заметьте, что
для изолированного симметричного пика, зарегистрированного на масс-
спектрометре, обеспечивающем линейность в диапазоне от 5 до 10 % высоты
пика, разрешение в 5 % эквивалентно разрешению пиков на высоте 10 %. Об-
щепринятое стандартное определение разрешения основано на Δm, взятой на
полувысоте пика [4].
Комментарий: см. комментарий к разрешению пиков на высоте 10 %.
Аббревиатуры и единицы
2- ДГЭ (2- DGE) — двумерный гель- электрофорез
а (a) — атто, 10−18
ПТ (AC) — переменный ток
УМС (AMS) — ускорительная масс- спектрометрия
ХИАД (APCI) — химическая ионизация при атмосферном давлении
ИАД (API) — ионизация при атмосферном давлении
МАЛДИ АД (AP-MALDI) — матрично- активированная лазерная десорбция /
ионизация при атмосферном давлении
ФИАД (APPI) — фотоионизация при атмосферном давлении
ТААД (ASAP) — твердотельный анализ при атмосферном давлении
ДИАЧТ (BIRD) — диссоциация излучением абсолютно черного тела
с (c) — санти, 10−2
ДАС (CAD) 1 — диссоциация, активированная столкновениями
(соударениями)
КЭ (СE) — капиллярный электрофорез
НП (CF) — непрерывный поток
ББАНП — бомбардировка быстрыми атомами при постоянном потоке
ХИ (CI) — химическая ионизация
ДИС (CID) 2 — диссоциация, индуцированная столкновениями
(соударениями)
нв (cw) — непрерывная волна
КЗЭ (CZE) — капиллярный зонный электрофорез
Да (Da) — дальтон
1 Синоним ДИС.
2 Синоним ДАС.
20 Глава 1. Определения и пояснения
ДХИАД (APDCI) — десорбционная химическая ионизация при атмосферном
давлении
ДАРТ (DART) — прямой анализ в режиме реального времени 1
Литература
1. IUPAC. Standard Definitions of Terms Relating to Mass Spectrometry — Provisional
Recommendations. 2006.
Available at http://www.iupac.org/web/ins/2003- 056- 2- 500.
2. IUPAC. Mass Spectrometry Terms and Definitions Project Page. 2007.
Available at http://www.msterms.com/wiki/index.php?title=Main_Page.
3. A. G. Marshall, C. L. Hendrickson, and S. D. Shi. «Scaling MS Plateaus with High-
Resolution FT- ICRMS». Anal. Chem., 74(2002): 252A–259A.
4. J. Incze´dy, T. Lengyel, A. M. Urc, A. Gelencse´r, and A. Hulanicki. Compendium
of Analytical Nomenclature (The Orange Book). 1997.
Available at http://www.iupac.org/publications/analytical_compendium/.
5. J. Yergey, D. Heller, G. Hansen, R. J. Cotter and C. Fenselau. «Isotopic Distributions
in Mass Spectra of Large Molecules». Anal. Chem., 55(1983): 353–356. 5
1 К сожалению, этот принятый термин ничего не говорит о реальной сути одного из
наиболее популярных в настоящее время методов масс- спектрометрии без предварительной
пробоподготовки.
Глава 2
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МАСС-СПЕКТРОМЕНТА
Анн Вестман- Бринкмальм
и Гуннар Бринкмальм
Масс- спектрометр состоит из трех основных частей: источника ионов, масс- ана-
лизатора и детектора. Так как масс- анализатор, детектор и большинство источ-
ников ионов требуют низкого давления, масс- спектрометр также должен быть
оснащен вакуумной системой. Кроме того, необходимо наличие системы реги-
страции сигнала, поступающего с детектора. В самом начале развития масс- спек-
трометрии запись спектров производилась на фотопластинах. Однако сейчас
почти все приборы имеют компьютерную систему регистрации. Компьютеры
также используются для обработки данных, например для идентификации бел-
ков. Как правило, в сочетании с масс- спектрометром для предварительного раз-
деления анализируемой смеси используются и другие приборы, например хрома-
тографы, работающие в онлайн- или офлайн-режимах.
В этой главе мы не будем касаться вакуумной системы и систем регистрации,
которые, тем не менее, являются жизненно важными элементами масс- спектро-
метров. Многие современные методы анализа были бы нереализуемы или их
применение было бы серьезно ограничено без компьютеров. Возможно, наиболее
яркий пример — это химический имиджинг 1.
2.1.Источники ионов
Роль источника ионов в масс- спектрометрии — получение газофазных ионов.
Атомы, молекулы или кластеры исследуемых соединений переходят в газовую
фазу и ионизируются или напрямую (как в электроспрее), или посредством ка-
скада отдельных процессов (как, например, в тлеющем разряде). Выбор источни-
ка ионов зависит от задачи. Так называемые мягкие методы ионизации способны
генерировать неразрушенные ионы больших хрупких молекул, таких как белки,
нуклеиновые кислоты и даже нековалентно связанные комплексы. Другие источ-
ники ионов, например источники тлеющего разряда и индуктивно- связанной
плазмы, атомизируют пробу. Они могут использоваться для очень точного коли-
чественного анализа и применяются, в частности, для измерения изотопных со-
отношений, определяющих географическое происхождение образца по незначи-
1 См. А.Т. Лебедев «Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды»
М.: Техносфера, 2013. - 624с.
тельным различиям в распределении изотопов. Число всевозможных источни-
ков ионов велико даже без рассмотрения их модификаций. Мы попытались
рассмотреть главные типы источников ионов, хотя для некоторых из них описа-
ние будет довольно кратким. Некоторые из описываемых источников уже не ис-
пользуются, но представляют интерес с исторической точки зрения. Некоторые
источники ионов весьма специализированны, тогда как другие весьма универ-
сальны. Классификация источников ионов иногда затруднительна, так как суще-
ствующие категории часто перекрываются. Однако основные типы могут быть
выделены. Табл. 2.1 предоставляет обзор описываемых в этой главе методов ио-
низации. Читателю не следует расстраиваться из- за сложности данной темы. Ему
следует выборочно читать части текста, представляющие в данный момент наи-
больший интерес.
Таблица 2.1. Обзор методов ионизации, описанных в главе 2
Метод Сокра-
щение
Природа иониза-
ции Тип ионов Область приложения*
Газовый разряд — Разряд Атомарные
ионы
Первый метод иониза-
ции в масс- спектроме-
трии
Термоионизация ТИ Ионизация нагре-
ванием
Атомарные
ионы
Измерение изотопных
соотношений, эле-
ментный анализ сле-
довых количеств, ана-
лиз твердых проб
Искровой источник
ионов
ИИ Разряд Атомарные
ионы
Элементный анализ
следовых количеств
в твердых пробах
Тлеющий разряд ТР Плазменный ис-
точник
Атомарные
ионы
Элементный анализ
следовых количеств
Индуктивно-
связанная плазма
ИСП Плазменный ис-
точник
Атомарные
ионы
Измерение изотопных
соотношений, эле-
ментный анализ сле-
довых количеств
Ионизация
электронами
ИЭ Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами
Молекулярные
ионы летучих
соединений
Небольшие молекулы,
ГХ-МС, создание би-
блиотек спектров
Химическая
ионизация
ХИ Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами*
Молекулярные
ионы летучих
соединений
ГХ-МС
Химическая иониза-
ция при атмосферном
давлении
ХИАД Ионизация, инду-
цированная элек-
тронами*
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Небольшие молекулы,
ЖХ-МС
Фотоионизация ФИ Фотоионизация Молекулярные
ионы летучих
соединений
Небольшие молекулы,
ГХ-МС
Многофотонная
ионизация
МФИ Фотоионизация Атомные и
молекулярные
ионы
Резонансная МФИ вы-
сокоселективна, ис-
пользуется для эле-
ментного анализа сле-
довых количеств
2.1. Источники ионов 23
Метод Сокра-
щение
Природа иониза-
ции Тип ионов Область приложения*
Фотоионизация при
атмосферном
давлении
ФИАД Фотоионизация Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
ЖХ-МС, неполярные
соединения
Полевая ионизация ПИ Ионизация в силь-
ном электрическом
поле
Молекулярные
ионы летучих
соединений
Молекулярные соеди-
нения
Полевая десорбция ПД Десорбция / Иони-
зация в сильном
электрическом
поле
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Первый метод мягкой
ионизации, большие
молекулы
Термоспрей (термо-
распыление)
ТРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
ЖХ-МС
Электроспрей (элек-
трораспыление)
ЭРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
ЖХ-МС, большие мо-
лекулы
Десорбционное элек-
трораспыление
ДЭРИ Распыление Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Прямой анализ без
пробоподготовки
Прямой анализ
в режиме реального
времени
ДАРТ Разряд Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Прямой анализ без
пробоподготовки
Вторично- ионная
масс- спектрометрия
ВИМС Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Полупроводники, ана-
лиз поверхности,
имиджинг
Бомбардировка
быстрыми атомами
ББА Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация**,
большие молекулы
Плазменная
десорбция
ПД Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная частицами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Лазерная десорбция /
ионизация
ЛДИ Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Измерение изотопных
соотношений, анализ
следовых количеств
Матрично-
активированная
лазерная десорбция /
ионизация
МАЛДИ Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Матрично- активиро-
ванная лазерная де-
сорбция / ионизация
при атмосферном дав-
лении
МАЛДИ
АД
Десорбция / иони-
зация, индуциро-
ванная фотонами
Молекулярные
ионы нелетучих
соединений
Мягкая ионизация,
большие молекулы
Столбец «Область приложения» не содержит все возможные применения.
* Все же следует подчеркнуть, что в этих методах ионизация аналитов осуществляется в ре-
зультате взаимодействия молекул с ионизированными частицами в источнике ионов.
** Метод ББА, строго говоря, не может считаться мягким, поскольку помимо молекулярных
ионов образуется широкий набор фрагментных ионов.
2.1.1. Газовый разряд
Первое упоминание о получении ионов относится к 1886 году, когда Голдштейн
обнаружил, что в газоразрядных трубках с перфорированным катодом можно
наблюдать свечение [1]. (Следует отметить, что природа этого явления так до кон-
ца и не понята.) Впоследствии Вин [2] и Томсон [3] продолжили исследование га-
зового разряда, и Томсон сконструировал первый масс- спектрограф с источни-
ком ионов на основе газового разряда [4]. В то время газоразрядный источник ио-
нов состоял из катода и анода, помещенных в заполненную газом с давлением не
более 1 торр стеклянную трубку. При подаче разности потенциалов между элек-
тродами возникал разряд и появлялись ионы. Следовательно, образовывались
пучки как ионов, так и электронов, которые могли быть детектированы при по-
мощи соответствующего оборудования. Источники на основе тлеющего разряда
(ТР) и индуктивно- связанной плазмы (ИСП) по сути происходят от источника
ионов с газовым разрядом (см. разделы 2.1.4 и 2.1.5).
2.1.2. Термоионизация
В термоионизационной масс- спектрометрии (ТИМС, также известной как масс-
спектрометрия с поверхностной ионизацией) ионы образуются при нагревании
одного или нескольких катодов. ТИ — один из наиболее старых методов иониза-
ции. Ее появление датировано 1906 годом, когда Герке и Райхенхайм получили
ионы натрия при нагревании натриевых солей, нанесенных на анод разрядной
трубки [5]. Демпстер первым использовал такую ионизацию для масс- спектроме-
трии в своем сканирующем магнитном секторном приборе в 1918 году [6]. В 1953
году Инграм и Чупка представили трехкатодный источник [7] с распространен-
ной и ныне конструкцией (рис. 2.1). В ней образец, нанесенный на внешние като-
ды, нагревается и испаряется в направлении намного более горячего центрально-
го катода. Молекулы ионизируются при соударении с этим нагретым катодом.
В такой конструкции процессы испарения и ионизации изолированы, что позво-
ляет лучше их контролировать. Эффективность ионизации может быть увеличе-
на на несколько порядков по сравнению с вариантом с одним катодом. Поэтому
Катод с пробой
Пары
образца
Ионы
Ионизирующий катод К анализатору
Катод с пробой
Рис. 2.1. Схема источника термоионизации (ТИ). Каждый катод состоит из двух контактов, со-
единенных проволокой
2.1. Источники ионов 25
даже элементы с энергией ионизации, бóльшей, чем работа выхода электрона
с поверхности катода, могут быть эффективно ионизированы. Эффективность
ионизации зависит только от химических и физических свойств поверхности ка-
тода. Поэтому минимизация загрязненности катода имеет большое значение.
В зависимости от анализируемого соединения могут образовываться как поло-
жительные, так и отрицательные ионы.
ТИ — очень точный и воспроизводимый метод измерения соотношений ста-
бильных изотопов и количественного анализа с помощью, например, масс- спек-
трометрии изотопного разбавления [8]. ТИ как непрерывный источник ионов
предпочтителен для анализаторов, работающих с непрерывными пучками,
в частности для секторных масс- спектрометров, обеспечивающих в сочетании
с термоионизационными источниками высокую воспроизводимость и точность
количественного анализа.
Примерно с 1990 года индуктивно- связанная плазма (ИСП) начала вытеснять
ТИ в области количественного элементного анализа [9]. Хотя ТИ в некоторых
случаях может обеспечивать лучшее качество анализа, ИСП — более универсаль-
ный метод ионизации, требующий к тому же меньших усилий при подготовке об-
разцов. Кроме того, преимущество ТИ как более точного метода зачастую ниве-
лируется свойствами самой пробы, например ее негомогенностью. Однако в не-
которых областях (например при анализе изотопов и в геохронологии)
термоионизация все еще используется достаточно широко.
2.1.3. Искровой источник
В 30-х годах Демпстер представил искровой источник (ИИ, также известный как
искровая ионизация или искра в вакууме) для анализа изотопов металлов, т.е.
аналитов, не ионизируемых ТИ [15, 16]. Ионы, образующиеся в искровом разряде,
имеют широкое распределение по энергиям (несколько килоэлектронвольт), так
что для получения достаточного разрешения требуется применение масс- спек-
трометров с двойной фокусировкой (см. раздел 2.2.2). Искра создает очень неста-
бильный ионный ток, делая ее использование проблематичным. Горман с колле-
гами [17] представили прибор с электрической регистрацией, содержащий кол-
лектор для контроля ионного тока, расположенный перед входом в анализатор.
В такой конструкции интенсивность сигнала после разделения по m/z может
быть откалибрована, что делает возможным количественный анализ. Начало ис-
пользованию искровых источников положил Ханней в 1954 году, когда он пред-
ставил прибор для анализа полупроводников, содержащих примеси на уровне
долей ppm [18–20].
Искровая ионизация эффективна при анализе твердых проб. В наиболее рас-
пространенной конфигурации искровой разряд в вакууме генерируется между
двумя электродами при помощи подачи переменного напряжения радиочастот-
ного диапазона амплитудой в несколько десятков киловольт. Концами электро-
дов являются анализируемые образцы (рис. 2.2). Если образец порошкообраз-
ный, то он может быть спрессован до нужной формы. Процессы в плазменном
разряде вызывают испарение, атомизацию и ионизацию материала пробы. Гене-
рируются в основном однозарядные атомарные ионы. Ионы ускоряются полем
высокой напряженности к выходной щели источника и поступают в анализатор.
26 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
Масс- спектрометрия искрового разряда используется для многоэлементного
анализа примесей в проводниках, полупроводниках и изоляторах (например,
в геологических образцах). Будучи востребованным в прошлом, искровой источ-
ник был впоследствии замещен методами плазменной ионизации (см. разде-
лы 2.1.4 и 2.1.5). Для полного обзора искровых и других источников ионов, ис-
пользующихся в масс- спектрометрии неорганических соединений, смотрите
ссылку [21].
2.1.4. Тлеющий разряд
Масс- спектрометрия тлеющего разряда (МСТР) была введена Харрисоном и Мад-
жи в 1974 году [22]. Источник ТР также используется и для других методов анали-
за: атомно- абсорбционного, атомно- эмиссионного и атомно- флуоресцентного. Ис-
точник ТР состоит из металлического катода, содержащего пробу и помещенного
на подвижный зонд, и анода в виде цилиндра из нержавеющей стали, окружающе-
го пробу (рис. 2.3). Разрядный газ (обычно аргон высокой чистоты) напускается
в источник через игольчатый клапан, расположенный на аноде. В источнике под-
держивается давление на уровне 1 мм рт. ст. Наиболее распространен источник ТР
с постоянным напряжением. Когда напряжение между электродами достаточно ве-
лико, происходит разряд. При определенном давлении, напряжении и токе получа-
ется оптимальный разряд. При использовании аргона в разряде образуются ионы
Ar+, которые ускоряются к катоду и распыляют его материал. Процесс распыления
аналогичен процессам, используемым во вторично- ионной масс- спектрометрии
(ВИМС) и бомбардировке быстрыми атомами (ББА, см. разделы 2.1.18 и 2.1.19). По-
ложительно заряженные частицы, эмитируемые с катода, немедленно возвраща-
ются на него, тогда как отрицательно заряженные ускоряются к аноду. Следова-
тельно, только нейтральные частицы проникают в зону тлеющего разряда, где они
ионизируются в основном благодаря ионизации Пеннинга, но также и электрона-
ми с помощью перезарядки. Положительно заряженные ионы, образовавшиеся
вблизи от выходной щели, покидают источник в потоке газа.
Во многих масс- спектрометрических методах атомизация и ионизация про-
ходят в один этап (например при термоионизации (ТИ), лазерной десорбции /
ионизации (ЛДИ) и ВИМС). Такое явление ведет к существенным матричным эф-
фектам, ограничивающим получение количественной информации [24]. В ТР
атомизация происходит на поверхности катода, а ионизация – в отрицательной
Ионы
К анализатору
Искровая плазма
Электроды-
пробы
Высокое
радиочастотное
напряжение
Рис. 2.2. Схема искрового источника ионов
2.1. Источники ионов 27
области разряда. Такое размежевание уменьшает матричные эффекты, а также
помогает изучить состав поверхности катода (масс- спектрометрия вторичных
нейтралей — другой метод, в котором процессы атомизации и ионизации разде-
лены; см. раздел 2.1.18). Недостатком ТР является длительное время стабилиза-
ции разряда, то есть производительность анализа невысока. В результате распы-
ления может также значительно загрязняться источник. Этот негативный мо-
мент требует тщательной чистки источника при анализе следовых количеств
аналитов.
Тлеющий разряд генерирует непрерывный пучок ионов, поэтому он лучше
всего сочетается с магнитными секторными и квадрупольными приборами, хотя
использование ионных ловушек и времяпролетных анализаторов также возмож-
но. Главное приложение ТР — многоэлементный анализ примесей в высокочи-
стых проводниках и полупроводниках. Чувствительность прибора может дости-
гать долей ppb. Изоляторы также могут анализироваться этим методом, однако
для них существует проблема накопления заряда на поверхности изолятора
в случае использования ТР с постоянным напряжением. Изоляторы могут быть
смешаны с проводящими материалами (как в ВИМС). Другой вариант — исполь-
зование ТР с переменным напряжением. Так как другие источники (например
ИСП; см. раздел 2.1.5) менее сложны с точки зрения экспериментального исполь-
зования, применение ТР ограничено. Смотрите более полные обзоры по ТР [23] и
[25], а также [21], где ТР описывается вместе с другими источниками ионов, ис-
пользуемыми для анализа изоляторов.
2.1.5. Индуктивно-связанная плазма
Аналитическое применение индуктивно- связанной плазмы (ИСП) было пред-
ставлено Хуком в 1978 году [26]. До этого события Грей в 1974 году показал, что
масс- спектры могут быть получены с помощью плазмы, образующейся при ис-
пользовании постоянного напряжения [27]. Как и ТР, ИСП первоначально была
Ионы
К анализатору
Аргон
Отталкивающий
электрод +
высокое
напряжение
Отрицательная зона
аргоновой плазмы
Темновая область
Катод-
проба
Рис. 2.3. Схема источника с тлеющим разрядом (ТР)
28 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
использована в других методах анализа, в частности в атомно- эмиссионной спек-
троскопии. В настоящее время ИСП-МС — наиболее популярный метод анализа
неорганических веществ, а его приложения включают в себя измерение изотоп-
ных соотношений и элементный анализ следовых количеств. Данный метод чув-
ствителен и универсален. Пределы обнаружения лежат в диапазоне от 1 до
100 пг/л, и даже доли пикограмма могут детектироваться. Интерфейс ввода ионов
при постоянном давлении позволяет сочетать ИСП с жидкостной хроматографи-
ей. Исключительная точность определения концентраций делает ИСП предпо-
чтительным методом для количественного анализа.
Типичный источник ИСП состоит из горелки и индуктивной катушки, во
внутрь которой впрыскивается анализируемый аэрозоль (рис. 2.4). Плазма под-
держивается с помощью энергии электромагнитного радиочастотного поля, ко-
торая передается внешнему слою, имеющему тороидальную форму. Проба в по-
токе аргона подается вдоль оси тора в его центральную часть, которая нагревает-
ся от внешнего слоя. Разделение областей подачи пробы и нагрева плазмы
означает, что проба минимально влияет на процесс поддерживания плазмы. Кро-
ме того, так как электроды не контактируют с плазмой, загрязнение от материа-
лов конструкции минимально или отсутствует совсем. Сложность использова-
ния ИСП-МС заключается в необходимости транспортировки ионов из области
атмосферного давления с температурой в 5000 К в вакуумную часть масс- анали-
затора. Проблема решается охлаждением экстрагирующего конуса, имеющего
входное отверстие менее 1 мм, потоком воды. За первым конусом на расстоянии,
оптимальном для максимального пропускания ионов во вторую вакуумную ка-
меру, располагается другой электрод с небольшим отверстием. Давление во вто-
рой камере достаточно низкое, так что в ней могут быть использованы ионно-
оптические линзы для оптимизации интенсивности сигнала.
Проба находится в плазме ~2 мс и эффективно атомизируется, а в большин-
стве случаев ионизируется. Эффективность ионизации для более чем 50 элемен-
тов составляет более 90 % [28]. В плазме образуются, как правило, однозарядные
ионы, но некоторые элементы не ионизируются из- за более высоких по сравне-
нию с аргоном энергий ионизации. Атомы некоторых элементов могут ионизиро-
ваться в двухзарядные ионы из- за низких вторых потенциалов ионизации. Так-
Ионы
Расширяющаяся
газовая струя
Конус
с отверстием
Аналитическая зона
Индуктивная
катушка
Зона
первоначального
облучения
Область индукции
Проба
Рис. 2.4. Схема источника ионов с индуктивно- связанной плазмой
же следует отметить образование оксидов для некоторых элементов. Для обеспе-
чения большей эффективности ионизации элементов с высокими энергиями
ионизации (например галогенов) аргон можно заменить гелием [29]. Вследствие
непрерывности ионного пучка, формирующегося в источниках ионов с ИСП,
предпочтительно комбинировать ИСП с магнитными секторными и квадруполь-
ными анализаторами. Существует несколько методов ввода образца в приборах
с ИСП: распыление, электрохимическое испарение, газовая хроматография, гене-
рация гидридов и лазерная абляция [30]. Лазерная абляция в сочетании с ИСП
(ЛА-ИСП) — полезный метод анализа твердых проб. В этом случае перед источ-
ником располагается ячейка абляции. Поток аргона направляется через ячейку
к источнику ионов. Проба облучается лазером, и десорбированный материал
пробы направляется потоком аргона в плазму и ионизируется. Для более полно-
го обзора ИСП и других источников ионов, применяемых для анализа неоргани-
ческих проб, смотрите ссылку [21] и главу 9.
2.1.6. Ионизация электронами
Ионизация электронами (ИЭ) впервые была продемонстрирована Демпстером
в 1921 году, который использовал ее для измерения изотопов лития и магния [31].
Современные источники на основе ионизации электронами, тем не менее, бази-
руются на конструкциях, предложенных Бликни [32] и Ниром [33, 34], работав-
ших в лаборатории профессора Дж. Т. Тэйта. В этом методе пучок электронов на-
правляется на пары исследуемых молекул.
Источник ИЭ состоит из камеры с несколькими отверстиями (рис. 2.5). Ис-
следуемые молекулы направляются в камеру. Электронный пучок формируется
при нагревании катода, затем электроны пересекают камеру и собираются на
Ионы
К анализатору
Пучок
электронов
Отражатель
Ввод
пробы
Испаритель
Коллектор
электронов
Катод
Магнит
Магнит
Рис. 2.5. Схема источника с ионизацией электронами
коллекторе. Магниты обеспечивают винтовые траектории электронов в целях
увеличения их пути и, следовательно, вероятности взаимодействия электронов
с анализируемыми молекулами. Так как масса электронов намного меньше массы
ионов, ионы не подвергаются влиянию типичного для ИЭ магнитного поля. При
взаимодействии электрона с молекулой один (или более) собственных электро-
нов удаляется из молекулы. При этом, как правило, образуется молекулярный ка-
тион- радикал. Если исследуемые молекулы имеют высокое сродство к электрону,
при присоединении электрона могут образовываться отрицательные ионы, одна-
ко использование отрицательных ионов в данном источнике имеет некоторые
ограничения. В режиме положительных ионов энергия электронов обычно со-
ставляет 70 эВ, что соответствует максимуму сечения ионизации для большин-
ства молекул [35]. Выход молекулярных ионов близок к максимуму, но в то же са-
мое время образуется широкий круг интенсивных фрагментных ионов, которые
могут быть использованы для определения структуры соединения.
Обычно ввод образца регулируется таким образом, чтобы свести к миниму-
му вероятность протекания ионно- молекулярных реакций. Даже принимая во
внимание нежелательность интенсивной фрагментации, следует отметить, что
масс- спектр ИЭ может использоваться как характеристика данной молекулы. Бо-
лее того, так как спектры ИЭ относительно воспроизводимы и не зависят от при-
бора, были созданы представительные библиотеки таких спектров, использую-
щиеся для идентификации соединений. Фрагментация может быть уменьшена
понижением энергии электронов, но при этом значительно снижается и эффек-
тивность ионизации. Источник ИЭ генерирует непрерывный пучок ионов, так
что он идеально совместим с квадрупольными и магнитными секторными при-
борами, однако и другие типы анализаторов могут использоваться. ИЭ, как пра-
вило, применяется для ГХ-МС-анализа органических молекул. Смотрите главу 5
для более подробного описания и главы 8 и 16, содержащие примеры других при-
ложений ИЭ.
2.1.7. Химическая ионизация
В 1966 году Мансон и Филд представили метод химической ионизации (ХИ), свя-
занный с использованием газа- реагента в источнике ионов с ИЭ [36–38]. Давле-
ние в источнике ХИ обычно составляет около 1 мм рт. ст., а электроны имеют
энергию, бóльшую, чем в источнике ИЭ: от 500 до 1000 эВ. В источнике ИЭ моле-
кулы или атомы анализируемого вещества ионизируются непосредственно элек-
тронами, тогда как при химической ионизации процесс протекает в два этапа:
сначала газ- реагент ионизируется электронами, а затем образовавшиеся ионы-
реагенты передают заряд исследуемым молекулам. Изначально ХИ была адапти-
рована для генерирования положительных ионов, но в 1976 году Хант с коллега-
ми применили ее для получения отрицательных ионов. Газ- реагент обычно инер-
тен по своей природе, но способен экзотермически реагировать с анализируемым
веществом. Выбор газа зависит от задачи (и режима анализа). Первоначально
в качестве газа- реагента использовался метан, ионы которого взаимодействова-
ли с молекулами пробы с образованием различных типов молекулярных или
фрагментных ионов. Преимущество ХИ перед ИЭ заключается в бóльшем выходе
2.1. Источники ионов 31
молекулярных ионов. ХИ является более мягким методом ионизации 1. Несмотря
на то, что большинство аналитов исследуется в режиме регистрации положи-
тельных ионов, образование отрицательных ионов — более селективный процесс,
обеспечивающий более высокую чувствительность анализа. Он используется,
например, при анализе сильных электрофоров методом ГХ-ХИ-МС в режиме ре-
гистрации отрицательных ионов. Недостаток ХИ заключается в необходимости
более частой чистки источника. Для более подробного ознакомления с ХИ смо-
трите ссылку [40], а для изучения анализа отрицательных ионов — ссылку [41].
Предполагается, что ХИ также играет главную роль в шлейфе при образовании
ионов в МАЛДИ (см. раздел 2.1.22). ХИ используется с теми же масс- анализатора-
ми, что и источники ИЭ.
2.1.8. Химическая ионизация при атмосферном давлении
Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД) была представлена
Хорнингом с сотрудниками в 1973 году [38, 42, 43] в сочетании с газовой хромато-
графией. Эти труды также послужили началом разработки методов ионизации
при атмосферном давлении. В 1974 году коронный разряд был впервые использо-
ван для получения ионов в сочетании с жидкостной хроматографией [44, 45]. При
ХИАД пневматический распылитель вводит жидкую пробу в источник при ат-
мосферном давлении. Капли спрея пролетают рядом с разрядным электродом,
расположенным вблизи входного отверстия в масс- спектрометр. Как и другие ис-
точники, генерирующие непрерывный поток ионов, ХИАД удачно сочетается
с магнитными секторными, квадрупольными и ортогональными времяпролет-
ными анализаторами, а также с ионными ловушками. ХИАД в значительной сте-
пени вытеснил источники с химической ионизацией при низком давлении и ча-
сто используется на приборах с ЭРИ. При работе с менее полярными и небольши-
ми молекулами ХИАД превосходит ЭРИ (см. раздел 2.1.15). Кроме того, ХИАД
толерантнее ЭРИ к присутствию в пробах солей и буферов. Смотрите главу 8 для
обзора приложений ХИАД.
2.1.9. Фотоионизация
Фотоионизация (ФИ) — термин, использующийся для фотоэффекта в газах. Фо-
тоэффект был открыт Герцем [46] и интерпретирован Эйнштейном [47]. Это явле-
ния объясняет, например, природу полярного сияния. Источник фотоиониза-
ции — это, по существу, источник ионизации электронами, в котором пучок
электронов замещен пучком фотонов.
Первые эксперименты по применению фотоионизации совместно с масс- спек-
трометрическим анализом были выполнены Дитчберном и Арнотом [48], которые
ионизировали калий излучением железной дуги. При использовании монохрома-
тора и разрядной лампы можно получить моноэнергетичный пучок фотонов в ва-
кууме [49]. Таким образом, можно измерять выход ионизации в зависимости от
энергии фотонов. Фотоионизация была предложена в качестве детектора для газо-
вой хроматографии в середине 1970-х годов [50]. Она также использовалась в жид-
костной хроматографии [51] и спектрометрии ионной подвижности [52]. Селектив-
ную ионизацию можно получить, если энергия ионизации анализируемых соеди-
1 Подробнее см. А.Т. Лебедев «Масс- спектрометрия в органической химии», 2003.
32 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
нений ниже, чем у молекул газа- носителя, и используется лампа с энергией
излучения в соответствующем диапазоне. Среди недавних приложений можно на-
звать использование синхротрона как перестраиваемого источника фотонов [53].
2.1.10. Многофотонная ионизация
При использовании для фотоионизации лазера (не путайте с лазерной десорбци-
ей / ионизацией, где лазер облучает поверхность, см. раздел 2.1.21) можно повы-
сить чувствительность и селективность. В 1970 году был выполнен первый масс-
спектрометрический анализ молекул, фотоионизированных излучением лазера
(а именно молекул H2) [54]. Через два года была впервые получена селективная
двухступенчатая ионизация рубидия [55]. Масс- спектрометрия с многофотон-
ной ионизацией появилась в конце 1970-х [56–58]. Сочетание перестраиваемого
лазера с масс- спектрометром оказалось очень полезным для изучения процессов
возбуждения и диссоциации с получением масс- спектрометрических данных
[59–62]. Вследствие импульсной природы источников многофотонной иониза-
ции их предпочтительно соединять с времяпролетными анализаторами, хотя
при использовании лазеров со свободной генерацией излучения возможна сты-
ковка и с квадруполями [63]. Многофотонная ионизация осуществляется для га-
зообразных молекул и атомов. Система ввода пробы определяется задачами. На-
пример, проба может вводиться через ГХ-интерфейс путем испарения с поверх-
ности, с помощью генерации вторичных нейтральных частиц, образующихся
при ударе первичных частиц о поверхность (см. раздел 2.1.18), или как молеку-
лярный пучок, вводимый через соответствующий интерфейс. Разнообразна и ге-
ометрия источников.
При резонансной многофотонной ионизации (РМФИ или РИ) используются
фотоны ближнего ультрафиолета [60]. В ходе ионизации первый фотон, поглоща-
емый молекулой, переводит ее в промежуточное возбужденное состояние, а вто-
рой фотон вызывает ионизацию. Такой процесс не только повышает эффектив-
ность ионизации по сравнению с нерезонансной ионизацией, но он также и высо-
коселективен. Поэтому РИ применяется для спектроскопических исследований
нейтральных частиц и кластеров. Для обзора РИ смотрите ссылки [63] и [64].
Один из методов изучения ионов выбранной энергии — пороговая иониза-
ция, при которой образуются ионы с точно определенной энергией. Эти ионы мо-
гут использоваться для исследования мономолекулярной фрагментации, ионно-
молекулярных реакций, ван- дер- ваальсовых кластеров и кластеров, связанных
водородной связью [62].
2.1.11. Фотоионизация при атмосферном давлении
Первым фотоионизацию при атмосферном давлении исследовал И.А. Ревельский
с коллегами [65, 66] 1. В целом как аналитический метод она была представлена
Робом и его сотрудниками в 2000 году [67].
Эта работа также явилась первым примером сочетания фотоионизации
с ЖХ-МС. ФИАД особенно полезна для ионизации неполярных соединений, ко-
торые практически невозможно ионизовать электроспреем или ХИАД. При
1 За это изобретение И.А. Ревельский удостоен золотой медали Всероссийского масс-
спектрометрического общества в 2011 году.
ФИАД образуются как положительные, так и отрицательные ионы. Применяют-
ся два подхода: прямая ионизация и ионизация посредством ионизующегося до-
панта, такого как толуол или ацетон, которые добавляются в пробы в избыточ-
ном количестве [67, 69] 1. Ионизация молекул пробы при ЖХ-ФИАД-МС крайне
неэффективна, так как молекулы растворителя поглощают эмитируемые фото-
ны. Ионизированный допант увеличивает эффективность посредством переноса
заряда анализируемой молекуле. Этот эффект зависит от мощности лампы: при
ее увеличении эффект допанта теряется. Источник ФИАД обычно является аль-
тернативой для приборов, сконструированных для использования ЭРИ и ХИАД.
Для обзора ФИАД смотрите ссылку [70].
2.1.12. Полевая ионизация
Полевая ионизация (ПИ) была открыта Мюллером, который наблюдал образова-
ние положительных ионов из газофазных атомов и молекул вблизи металличе-
ской поверхности, создающей сильное электростатическое поле. На основе этого
эффекта Мюллер сконструировал полевой ионный микроскоп [71]. В 1954 году
Инграм и Гомер соединили источник полевой ионизации с масс- спектрометром
[72]. ПИ осуществляется воздействием на молекулы сильного электростатическо-
го поля напряженности 107…108 В/см, что по крайней мере в 1000 раз больше на-
пряженностей полей, существующих, в частности, в источниках ВИМС или
МАЛДИ. Такая напряженность достигается с помощью, например, тонкой воль-
фрамовой проволоки, активированной бензонитрилом [73, 74] 2. Активирован-
ная проволока покрыта острыми микроиглами, усиливающими напряженность
поля вблизи проволоки. Обычно ПИ обеспечивает меньшую чувствительность,
чем ИЭ, но ПИ генерирует практически исключительно молекулярные ионы, что
классифицирует ее как мягкий метод ионизации. Следовательно, ПИ и ИЭ до-
полняют друг друга, и некоторые приборы разрабатываются под использование
обоих методов. Дамико и Баррен [75], а также Бекки с коллегами соединили ис-
точник ПИ с ГХ. Так как ПИ — источник с непрерывным пучком ионов, он хоро-
шо сочетается с квадруполями и магнитными секторными приборами.
2.1.13. Полевая десорбция
Полевая десорбция (ПД) представлена Бекки в 1969 году [76]. ПД была первым
мягким методом ионизации, позволяющим генерировать ионы нелетучих ком-
понентов, таких как небольшие пептиды [77]. Разница между ПД и ПИ заключа-
ется в способе ввода пробы. В отличие от ПИ, где ионизируемые частицы нахо-
дятся в газовой фазе, при ПД проба наносится на эмиттер и молекулы десорбиру-
ются с его поверхности. Пробу можно нанести на эмиттер путем смачивания его
в растворе исследуемого вещества. Затем эмиттер помещают в источник ионов
масс- спектрометра. Положение эмиттера, также как и его температура, критич-
ны для анализа.
1 В этом случае правильнее говорить о фотохимической ионизации при атмосферном
давлении (ФХИАД).
2 Правильнее говорить об использовании тонких углеродных игл, покрывающих эмит-
тер и образующихся при пиролизе бензонитрила. См. Дж. Чапмен «Практическая органиче-
ская масс- спектрометрия».
Следует отметить, что ПИ и ПД были вытеснены более эффективными мето-
дами ионизации, такими как МАЛДИ и ЭРИ. Для описания ПД (и ПИ) смотрите
ссылку [78].
2.1.14. Термоспрей
Блэкли и Вестал представили термоспрей как средство соединения ЖХ с типичны-
ми потоками (~1 мл/мин) с масс- спектрометром [79]. В противоположность ран-
ним ЖХ-МС-методам термоспрей успешно применялся для образования газофаз-
ных ионов нелетучих молекул. Жидкость распыляется из нагреваемого металличе-
ского капилляра и направляется в камеру низкого давления с нагретым газом.
Вследствие присутствия горячего газа небольшие капли в сформировавшей-
ся сверхзвуковой струе продолжают испаряться, в результате чего образуются га-
зофазные ионы. В этом методе необходимо использовать заряженные и полярные
соединения, а также летучие буферы. Температура испарителя критична и зави-
сит от состава растворителя. Термоспрей как непрерывный источник ионов ис-
пользуется с квадрупольными и магнитно- секторными анализаторами. В насто-
ящее время термоспрей вытеснен более стабильными и чувствительными мето-
дами, такими как ЭРИ и ХИАД. Детальный обзор метода и его приложений
читатели могут найти в ссылках [80] и [81].
2.1.15. Электроспрей (электрораспыление)
Электрораспыление (ЭРИ) было впервые представлено Доулом и его коллегами
в 1968 году [82], а в 1984 году Фенн и Ямашита соединили его с масс- спектроме-
тром [83] 1. В ЭРИ проба растворяется в полярном и летучем буфере и вводится
через иглу, находящуюся под высоким напряжением (положительным или отри-
цательным относительно входного отверстия масс- спектрометра) [83–85]. Высо-
кое напряжение (1…4 кВ) приводит к формированию конуса Тэйлора, обогащен-
ного положительными или отрицательными ионами. Поток заряженных частиц
экстрагируется из конуса Тэйлора благодаря наличию электрического поля. Кап-
ли уменьшаются в размере вследствие процесса испарения, усиленного потоком
теплого азота, сонаправленного потоку пробы (см. рис. 2.6). Ионы образуются
при атмосферном давлении и поступают через канал конической формы в об-
ласть промежуточного вакуума, а оттуда через небольшое отверстие — в область
высокого вакуума масс- анализатора. ЭРИ может работать со всеми распростра-
ненными типами анализаторов. Точный механизм образования ионов из заря-
женных капель все еще не полностью раскрыт, и существуют различные теории
этого процесса [82, 86, 87]. Пробоподготовка для ЭРИ требует только растворения
образца до подходящей концентрации в смеси воды с органическими раствори-
телями: как правило, метанолом, изопропанолом и ацетонитрилом. Небольшие
концентрации муравьиной или уксусной кислот часто используются для усиле-
ния протонирования. В режиме регистрации отрицательных ионов, чтобы ини-
1 Л.Н. Галль с сотрудниками опубликовали пионерскую работу по ЭРИ несколько раньше
Фенна (Aleksandrov M.L., Gall L.N., Krasnov V.N., Nikolaev V.I., Pavlenko V.A., Shkurov V.A. (1984).
Ion extraction from solutions at atmospheric pressures: a mass spectrometric method of analysis of
bioorganic compounds. Doklady Akademii Nauk SSSR. 277, 2: 379-383). За это изобретение Л.Н. Галль
удостоена золотой медали Всероссийского масс-спектрометрического общества в 2009 году.
2.1. Источники ионов 35
циировать депротонирование, принято добавлять растворы аммиака или лету-
чих аминов.
Чувствительность ЭРИ очень высока — пределы обнаружения для многих
пептидов составляют несколько фемтомолей или даже аттомоли. Однако чув-
ствительность ЭРИ является функцией концентрации. Например, при потоках
от 1 до 1000 мкл/мин обычные ЭРИ-источники потребляют очень много пробы.
Поэтому преимущество имеют низкие потоки. Нано- ЭРИ (или наноспрей) — это
версия с низкими скоростями потоков (20…200 нл/мин) [88, 89] соответственно,
с низким расходом пробы и значительно более высокой чувствительностью. На-
ноэлектроспрей также оказался более устойчивым к присутствию солей, чем
обычный электроспрей [88]. При соединении ЭРИ с капиллярным электрофоре-
зом были детектированы доли аттомолей (см. раздел 2.2.6). ЭРИ-МС может быть
использована для анализа полярных молекул в диапазоне от менее чем 100 Да до
масс целого вируса (более 2 МДа) [90] и даже 100 МДа (одиночный ион ДНК) [91].
Важным свойством ЭРИ является способность генерировать распределение мно-
гозарядных ионов, что позволяет использовать масс- анализаторы с ограничен-
ным диапазоном масс. Незначительные изменения условий анализа, такие как
pH, состав растворителя, концентрация солей, частичная денатурация анализи-
руемых молекул, могут изменить зарядовое распределение для больших молекул
[92, 93]. Многолинейчатый спектр многозарядных ионов делает интерпретацию
ЭРИ-спектров сложных смесей затруднительной. На практике для преобразова-
ния таких спектров в спектр единичных ионов с соответствующими молекуляр-
ными массами и нулевым зарядом используются компьютеры.
ЭРИ — чрезвычайно мягкий метод ионизации с очень незначительной фраг-
ментацией образующихся молекулярных ионов. Вследствие этого слабые связи
часто сохраняются, что позволяет изучать посттрансляционные модификации
Сопло
Конус Тэйлора
Высокое
напряжение
Поток газа
Поток
жидкости
Рис. 2.6. Схема электрораспылительного источника (ЭРИ) ионов. Перепечатано из [288] c раз-
решения John Wiley & Sons, Inc
36 Глава 2. Составные части масс- спектрометра
пептидов и белков, а также нековалентно- связанные комплексы, например бел-
ково- лигандные [94–99]. Хотя ионы не фрагментируются в ходе ЭРИ, они очень
удобны для диссоциации, индуцированной столкновениями (ДИС) (см. главу 3),
так как ионы с высоким зарядом приобретают большую кинетическую энергию
[100]. Подавление ионного сигнала из- за конкурентной ионизации является глав-
ной проблемой ЭРИ, препятствующей анализу сложных смесей без предвари-
тельного хроматографического разделения. Эта проблема, а также сильная зави-
симость сигнала от экспериментальных условий, таких, как pH, состав раствори-
теля и концентрации солей, затрудняет использование ЭРИ для количественного
анализа. Однако, как и в МАЛДИ-МС, количественный анализ может быть осу-
ществлен в ограниченном диапазоне концентраций при использовании специ-
ально подобранного внутреннего стандарта известной концентрации и инфор-
мации об анализируемых пептидах и белках [101]. Сочетание ионизации при ат-
мосферном давлении c непрерывным потоком растворителя позволяет соединять
ЭРИ с другими методами разделения: жидкостной хроматографией (ЖХ, глава 4)
и капиллярным электрофорезом (КЭ, глава 4). Для обзора приложений смотрите
также главы 8, 10 и 12.
2.1.16. Äåñîðáöèîííàÿ ýëåêòðîðàñïûëèòåëüíàÿ èîíèçàöèÿ (ÄÝÐÈ)
Десорбционная электрораспылительная ионизация (ДЭРИ) была представлена
Такачем и его коллегами [102]. Само явление наблюдалось и ранее, но интерпре-
тировалось как некий «артефакт» (например, оно объяснялось тем, что анализи-
руемые ионы или ионы калибровочной смеси адсорбировались на стенках транс-
портного капилляра, что вело к появлению необъяснимых пиков в масс- спек-
трах). Идея использования электроспрея для десорбции как оригинальна, так и
проста. Метод чувствителен, причем могут быть детектированы большие моле-
кулы, например белки, а наблюдаемые ионы более- менее аналогичны образую-
щимся в процессе обычного электрораспыления.
ДЭРИ-источник состоит из иглы для спрея и коаксиальной трубки для пода-
чи газа- распылителя. На иглу, направленную на поверхность- мишень, подается
высокое напряжение (рис. 2.7). Десорбированные с поверхности ионы пробы по-
ступают во входное отверстие масс- спектрометра. Типичные расстояния между
иглой, пробой и входным отверстием составляют от нескольких миллиметров до
Проба
Ионы
Конус
с отверстием
Спрей
Газовая струя
Капилляр
для газа-
распылителя
Капилляр
для спрея
(под высоким
напряжением)
Растворитель
Азот
Рис. 2.7. Схема десорбционно- электрораспылительного источника (ДЭРИ) ионов
2.1. Источники ионов 37
нескольких сантиметров. Оптимальная геометрия зависит от пробы и размера
анализируемой области. Преимуществом ДЭРИ является тот факт, что мишенью
в принципе может быть любая поверхность, а время анализа весьма небольшое —
порядка нескольких секунд. Это означает, что экспресс- анализ может быть вы-
полнен без специальной пробоподготовки. Образец, например банкнота, поми-
дор или таблетка, могут быть помещены близко ко входу в масс- спектрометр,
а спектр может быть получен через несколько секунд. Существует множество
приложений метода, включая высокопроизводительный анализ, скрининг следо-
вых концентраций наркотиков и обнаружение других загрязнений. ДЭРИ также
обладает потенциалом для химического имиджинга [103]. Для более полного об-
зора ДЭРИ смотрите ссылки [104] и [105].
Существует несколько модификаций ДЭРИ. Если заменить электроспрейный
эмиттер на металлическую иглу и направлять пары пробы в поток коаксиально-
го газа, можно получить десорбционную химическую ионизацию при атмосфер-
ном давлении (ДХИАД) [106]. Другая версия ДЭРИ — анализ твердых проб при
атмосферном давлении (АТПАД), когда нагретая струя газа десорбирует анали-
зируемые молекулы, которые ионизируются в коронном разряде [107]. Существу-
ет также электроспрейно- ассистированная лазерная десорбция / ионизация
(ЭАЛДИ), когда испаренные лазером нейтральные частицы ионизируются заря-
женными каплями электроспрея [108].