Introduction à la spectrométrie de masse

Introduction to Mass Spectrometry

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Analytical Chemistry

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Introduction to Mass Spectrometry

3.10: Ion-Exchange Chromatography

3.15: Cyclic Voltammetry (CV)

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13:45 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoire du docteur badria Al-Jamal – College London Kings

Spectrométrie de masse est une technique de chimie analytique qui permet l’identification des composés inconnus dans un échantillon, la quantification des matériaux connus, la détermination de la structure et les propriétés chimiques des molécules différentes.

Un spectromètre de masse est composé d’une source d’ionisation, un analyseur et un détecteur. Le processus implique l’ionisation des composés chimiques pour générer des ions. En utilisant inductivement couplé plasma (ICP), échantillons contenant des éléments d’intérêt sont introduits plasma d’argon sous forme de gouttelettes d’aérosol. Le plasma sèche l’aérosol, dissocie les molécules et un électron puis supprime les composants pour être détectée par le spectromètre de masse. Autres méthodes d’ionisation telles que l’ionisation par électrospray (ESI) et matrice assistée par désorption-ionisation laser (MALDI) sont utilisés pour analyser des échantillons biologiques. Suivant la procédure de l’ionisation, les ions sont séparées dans le spectromètre de masse selon leur rapport masse-à-charge (m/z), et l’abondance relative de chaque type d’ion est mesurée. Enfin, le détecteur consiste généralement en un multiplicateur d’électrons où la collision d’ions avec une anode en charge conduit à une cascade d’augmenter le nombre d’électrons, ce qui peut être détecté par un circuit électrique relié à un ordinateur.

Dans cette vidéo, la procédure d’analyse des ICP-MS sera décrite par la détection de ⁵⁶Fe à titre d’exemple.

Principles

ICP-MS combine une source ICP (plasma à couplage inductif) haute température avec un spectromètre de masse.

Les échantillons doivent être sous forme ionique avant d’entrer dans l’analyseur de masse afin d’être détecté. Le processus de digestion des échantillons solides consiste à l’incubation des échantillons solides en acide fort et oxydation à haute température et pour une longue période de temps selon l’analyte métallique. L’échantillon est introduit comme un aérosol dans le plasma ICP (température de 6 000 – 10 000 K) pour être convertis en atomes gazeux qui sont ionisés.

L’analyseur de masse plus couramment utilisé est le filtre de masse quadripolaire. Il fonctionne comme un filtre électrostatique qui autorise uniquement les ions d’un ratio de masse à charge unique (m/z) pour atteindre le détecteur à un moment donné. Il peut séparer jusqu’à 15 000 daltons (Da) par seconde et par conséquent est considéré comme ayant des propriétés de l’analyse simultanée de plusieurs éléments. ICP-MS est une méthode très sensible qui permet la détection d’éléments avec des concentrations inférieures à particules par milliard (ppb) et en dessous de particules par trillion (ppt) pour certains éléments.

Enfin, le système de détecteur convertit le nombre d’ions frappe le détecteur en signal électrique. À l’aide d’étalons (échantillons de concentration connue pour un certain élément), il est possible d’évaluer la concentration d’un échantillon pour un ou plusieurs éléments d’intérêt.

Procedure

1. nettoyage des Tubes en Polycarbonate

Utilisez les tubes en polycarbonate résistants aux solutions acides pour la digestion de l’échantillon. Afin d’éliminer toute trace de contamination de fer, remplissez tous les tubes avec 5 mL d’HCl 0,1 de M.
Placer les tubes dans un bain-marie pendant 1 h à 50 ° C.
Laver les tubes avec 5 mL d’eau Milli-Q et assécher les tubes dans une hotte de four ou de produit chimique.

2. préparation des échantillons et Digestion

Place 200 µL de l’échantillon en 1,8 mL d’acide nitrique concentré (65 %).
Placer les tubes dans un bain d’eau pendant une nuit à 50 ° C. Ajustez le protocole en augmentant la température si une réduction de la durée de la digestion totale est nécessaire.
Laissez que les tubes refroidissent à température ambiante.
Diluer les échantillons en ajoutant 8 mL d’eau Milli-Q pour obtenir un beuglement de concentration finale en acide nitrique 20 % (v/v).
Centrifuger les tubes à 3 000 x g pendant 10 min granuler tout résidu macroscopique restants.

3. préparation de l’Instrument

Nettoyer le flambeau de l’ICP à l’aide de sonication à 5 % d’acide nitrique pour 15 min. essuyer cônes 5 % d’acide nitrique. Changer le tuyau péristaltique. Vérifier le niveau d’huile de la pompe.
Allumez l’argon et le refroidisseur, commencer à plasma. Commencer le débit des liquides dans le plasma et attendez pour instrument à se stabiliser, environ 20 min.
Optimiser les tensions de la lentille. Desservent quotidiennement la vérification de la performance en mesurant des solutions de test contenant Mg, dans et votre pour confirmer la sensibilité de l’instrument de l’ICP-MS. Mesurer Ce et Ba où la forme oxydée et doubles ions chargés devraient rester inférieur à 3 %. Vérifier la masse à 8 et 220 Da pour mesurer le signal de fond.
L’instrument est maintenant prêt à l’emploi.

4. sélection de la méthode et la liste d’exemples de l’utilisateur

Sélectionnez l’élément et les isotopes de l’intérêt.
Sélectionnez mode de balayage comme pic de saut.
Choisir un temps de pause de 100 ms (minimum 50) avec 40 balayages (15 minimum) par la lecture. Sélectionnez une lecture par réplicat et 5 réplique (minimum 3). Le temps d’intégration totale est de 4 000 m si la quantité d’échantillon est limitée, réduire les temps de pause, nombre de balayages et de répétitions en gardant les valeurs supérieures aux valeurs minimales définies ci-dessus.
Utiliser un débit de l’ammoniac (NH₃) à 0,7 mL/min pour éviter l’interférence de ⁴⁰Ar¹⁶O sur la détermination des ⁵⁶Fe.
Préparer la courbe d’étalonnage pour les éléments de choix.
Exécuter les exemples.

Spectrométrie de masse est une technique analytique qui permet l’identification et la quantification des composés inconnus dans un échantillon et la détermination de leur structure.

En spectrométrie de masse, les ions de phase gaz proviennent les atomes ou les molécules dans un échantillon. Les ions sont alors séparées en fonction de leur rapport masse-à-charge, symbolisée par m/z.

Cette séparation permet la détermination des informations quantitatives et qualitatives sur un échantillon, comme leur masse et leur structure.

Cette vidéo va introduire les concepts de base et l’instrumentation de spectrométrie de masse et son utilisation dans la quantification de l’élément.

Un spectromètre de masse est composé d’une source d’ionisation, un analyseur de masse et un détecteur. À la source d’ionisation, les composés sont ionisés, habituellement à une charge positive simple.

Les ions peuvent être générées en utilisant diverses techniques, telles que l’impact avec un faisceau d’électrons, le plasma ou les lasers, chaque provoquant une plage de fragmentation qui aident à la détermination de la structure moléculaire. Ces méthodes sont plus ou moins regroupés en ionisation « dure » et « douce ».

Techniques d’ionisation dur provoquent fragmentation étendue, ayant pour résultat plus de fragments de plus faible masse.

Techniques d’ionisation douce entraîner une fragmentation moins, ou presque pas, avec une plage de masse moléculaire élevée.

Si la fragmentation est trop grande, structure précieuse information peut être perdue. Si c’est trop peu, petites molécules ne seront pas efficacement ionisées. La sélection d’une méthode d’ionisation dépend donc de l’analyte d’intérêt et le degré de fragmentation désiré.

Les ions sont ensuite accélérées dans un champ électrique lorsqu’ils entrent dans l’analyseur de masse, où ils seront séparés.

L’analyseur de masse plus élémentaire est un secteur magnétique, qui se compose d’un aimant courbe qui produit un champ magnétique homogène. La force d’attraction de l’aimant, ainsi que la force centrifuge de l’accélération des ions provoque leur voyage dans une trajectoire circulaire dans la courbe.

Le rayon de la trajectoire circulaire des ions dépend de la tension d’accélération, du champ magnétique appliqué et le rapport masse sur charge.

La tension et le champ magnétique sont ensuite sélectionnables pour ne permettre que certaines espèces de rapport masse-à-charge à travers la trajectoire. D’autres ions écrasement sur les côtés de la voie magnétique et sont perdues. En analysant l’intensité du champ magnétique, ions souhaitées atteint le détecteur à des moments différents, ainsi identifier chaque espèce précisément.

Un autre type d’analyseur de masse est le filtre de masse quadripolaire. Le quadripôle est constitué de deux paires de tiges métalliques parallèles, avec chaque paire de tiges adverses raccordés électriquement.

Une tension continue est appliquée pour les paires de la tige, et leur potentiel en permanence alterne donc les paires sont toujours en opposition de phase avec l’autre.

Le faisceau d’ions est alors réalisé par le Centre des quatre tiges. Les ions de voyage dans un chemin hélicoïdal, en raison de la constante attraction et la répulsion de tiges. Selon le rapport de masse à charge des ions, la volonté de l’ion Parcourez le chemin d’accès complet de la quadrupolaire et atteindre le détecteur ou va se planter dans les tiges.

Maintenant que les bases de la spectrométrie de masse ont été décrites, permet de jeter un oeil à son utilisation en laboratoire.

Le spectromètre de masse utilisé dans cette expérience est un plasma à couplage inductif, ou ICP, ioniseur, avec un filtre quadripolaire. L’instrument servira à détecter et quantifier un composant métallique dans un échantillon.

Pour commencer l’expérience, remplissez tous les tubes en polypropylène avec 5 mL d’acide chlorhydrique 0,1 M afin d’enlever toute trace de contamination de fer. Placer les tubes dans un bain-marie pendant 1 h à 50 ° C.

Après incubation, laver les tubes avec 5 mL d’eau déminéralisée et sécher les tubes dans une hotte de four ou de produit chimique.

Dans les tubes propres, ajouter 1,8 mL d’acide nitrique concentré et 200 μl de l’échantillon contenant l’isotope d’intérêt.

Suivre les consignes de sécurité lors de l’utilisation de l’acide concentré.

Placer les tubes dans un bain d’eau pendant la nuit. La température peut être augmentée pour raccourcir le temps de digestion, si nécessaire.

Après que l’échantillon a été digérée, laissez le refroidir tubes à température ambiante.

Ensuite, ajoutez 8 mL d’eau désionisée pour diluer les échantillons et pour obtenir une concentration de l’acide nitrique inférieur à 20 %. La dilution finale de l’échantillon est de 1/50. La concentration idéale pour pic est de l’ordre de parties par milliard. Centrifuger les tubes pour tout résidu macroscopique restants de granule.

ICP est une méthode d’ionisation dure qui utilise couplé plasma d’argon à environ 10 000 ° C qui est électriquement conductrices d’ioniser les molécules de l’échantillon.

Commencer l’instrument mis en place en inspectant le flambeau de l’ICP pour s’assurer qu’il est propre.

Puis, vérifiez que les cônes échantillonneur et skimmer pour s’assurer qu’ils sont également propres. Ces cônes permettent l’échantillonnage des uniquement la partie intérieure du faisceau d’ions généré par le flambeau de l’ICP et Loi constituant un obstacle pour le vide poussé du spectromètre de masse.

Vérifiez la pression de l’argon et commencer le refroidisseur. Démarrez le plasma et l’écoulement du liquide dans le système. Attendre 20 min pour le système pour se réchauffer complètement.

Ensuite, aspirez une solution de test standard, qui contient diverses normes élémentaires connues. La solution d’essai doit être sélectionnée pour couvrir la gamme massive attendue de la solution d’analyte.

Lorsque l’écoulement de la solution est établie, initialiser et tester l’instrument conformément aux directives du fabricant.

Pour faire fonctionner l’instrument, sélectionnez d’abord les éléments et isotopes d’intérêt. Puis définissez le mode de balayage au pic de saut.

Sélectionnez les cinq répétitions par mesure. Défini chaque réplicat pour contenir 40 mesure balaie, chaque balayage avec un temps de pause de 50 m le temps d’intégration totale est de 2 000 ms par réplicat.

Préparer une courbe d’étalonnage pour les éléments de choix en mesurant les solutions étalons préparées à l’avance.

Enfin, exécutez l’exemple, dans ce cas, les nanoparticules d’oxyde de fer. Déterminer la concentration de fer à l’aide de la courbe d’étalonnage de fer.

Spectrométrie de masse est utilisée dans un large éventail d’applications à l’aide de divers d’ionisation et les techniques d’analyse de masse.

Dans cet exemple, un type de spectrométrie de masse à ionisation douce, appelé matrix assisté laser desorption ionisation temps de vol ou de MALDI-TOF, a été utilisé pour analyser les protéines de poids moléculaire élevé. Avec la MALDI, les molécules sont stabilisées avec une matrice, pour diminuer le fractionnement lorsque les grosses molécules sont ionisées.

La solution protéique et la matrice ont été repérés sur la plaque MALDI propre tant séchés. La plaque MALDI a été insérée dans l’appareil, et l’échantillon analysé.

L’analyse des volatils et l’oxydation des composés sensibles a été mesurée en utilisant des électrons spectrométrie de masse, une technique d’ionisation dur.

Tout d’abord, un système de tube verrouillable a été conçu afin de permettre l’évacuation complète du tube, suivie du chargement de l’échantillon sous refroidissement par de l’azote liquide.

Le tube d’échantillon était relié à l’orifice d’entrée, et l’échantillon chargée dans l’instrument. Le spectre de masse de l’échantillon en l’occurrence tris(trifluoromethyl) phosphate, est ensuite analysé.

Un spectromètre de masse de faisceau moléculaire couplé avec le rayonnement synchrotron a été utilisé pour explorer la structure électronique des molécules de gaz phase et clusters.

Le faisceau moléculaire, intégré avec le rayonnement synchrotron, a fourni une méthode d’ionisation sélective pour sonder les molécules en phase gazeuse.

L’échantillon a été chargé dans la buse, la buse rechargé dans l’instrument, et le faisceau de photons autorisés à entrer dans la chambre.

Le spectre de masse a été ensuite recueilli et comparé aux données de l’efficacité de photoionisation afin de déterminer la structure électronique des molécules.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la spectrométrie de masse. Vous devez maintenant comprendre les instruments de base de la spectrométrie de masse et comment faire pour exécuter une analyse basée sur la spectrométrie de masse de base.

Merci de regarder !

Results

ICP-MS analyse d’échantillons contenant des nanoparticules d’oxyde de fer est indiqué ci-dessous. Une courbe d’étalonnage a été effectuée à l’aide de concentration connue de ⁵⁶Fe (Figure 1). Le coefficient de corrélation proche de 1 (R² = 0.999989) a montré la bonne relation linéaire entre la concentration de l’échantillon et l’intensité mesurée par le détecteur. Échantillons d’intérêts présentaient des valeurs au sein de la gamme d’étalonnage (Figure 2). Les concentrations calculées par le logiciel ont ensuite étaient ajustée en fonction de la dilution effectuée au cours du protocole. Le présent protocole décrit une dilution de 1/50 suite à la dilution dans de l’acide (1/10) et en Mili-Q de l’eau (1/5). Par exemple, une concentration de 51.427 µg/L a été mesurée pour le numéro de l’échantillon 51 (Figure 2). La concentration de l’échantillon initial était de 50 x plus élevé correspondant à 2,57 mg/L.

Figure 1. Courbe d’étalonnage pour ⁵⁶mesures Fe. Quatre points standards (0,01, 0,1, 1 et 10 µg/mL) montrent un coefficient de corrélation (R²) de 0.999989. Cela confirme la bonne relation linéaire entre l’intensité du signal détecté et les concentrations de référence.

Figure 2. Résultats représentatifs suite Icpms mesures sur des échantillons de nanoparticules d’oxyde de fer. La concentration de chaque échantillon dilué est calculée automatiquement selon la courbe d’étalonnage définie.

Applications and Summary

Les domaines environnementaux et géologiques représentent la première utilisation pour ICP-MS, par exemple mesurer les contaminants présents dans l’eau, dans le sol ou dans l’atmosphère. La présence de contaminants à forte concentration dans l’eau du robinet comme Fe, Cu ou Al peut être surveillée à l’aide d’ICP-MS.

Les domaines de la science médicale et médecine légale aussi utilisent la détection de l’ICP-MS. En cas de suspicion d’un empoisonnement par les métaux comme l’arsenic, échantillons tels que le sang et l’urine peuvent être analysés à l’aide d’ICP-MS. Cette technique peut également fournir des informations précieuses en cas de pathologie impliquant des problèmes métaboliques ou questions hépatologiques, ce qui entraîne l’excrétion médiocre de certains éléments.

ICP-MS permet la quantification des rejets de métaux en toutes matières. Dans la Figure 3, la concentration de Fe a été mesurée en nanoparticules et associée à leurs propriétés d’imagerie de résonance magnétique (IRM). ICP-MS permet une quantification fiable des Fe des nanoparticules différents de discriminer les nanoparticules sont les plus efficaces pour les applications d’imagerie.

Une autre application est d’étudier la biodistribution des nanoparticules associées aux métaux. La figure 4 présente la biodistribution orgue de nanoparticules d’oxyde de fer chez les souris après injection intraveineuse de contenant. Après 24 h, chaque organe a été recueilli et digéré dans l’acide nitrique concentré jusqu’à ce que la digestion complète orgue a été atteint. Les ⁵⁶concentration Fe a été quantifié par ICP-Mme résultats Voir la plus forte concentration de ⁵⁶Fe dans le foie et la rate des souris injectées avec des nanoparticules que dans les organes des animaux naïfs. Il est donc conclu que les nanoparticules s’accumulent principalement dans les organes foie et la rate.

Figure 3. Résonance magnétique imagerie mesure (MRI) de nanoparticules fonction de leur concentration en Fe. Cinq concentrations de fer ont été utilisés (0,25, 0,5, 0,75, 1 et 1,25 mM) qui ont été imagées pour leurs propriétés de MRI (taux de relaxation, R₂*).

Figure 4. Biodistribution des nanoparticules d’oxyde de fer après une injection intraveineuse chez la souris. Naïfs exemples montrent le niveau de l’organe basal du fer chez les souris non traitées. Après l’injection de nanoparticules contenant de l’oxyde de fer, la quantité de fer dans certaines augmentations de l’orgue qui est lié à l’accumulation des nanoparticules.

Transcript

Mass spectrometry is an analytical technique that enables the identification and quantification of unknown compounds within a sample, and the determination of their structure.

In mass spectrometry, gas phase ions are generated from the atoms or molecules in a sample. The ions are then separated based on their mass-to-charge ratio, symbolized by m/z.

This separation enables the determination of quantitative and qualitative information about a sample, such as their mass and structure.

This video will introduce the basic concepts and instrumentation of mass spectrometry, and demonstrate its use in element quantification.

A mass spectrometer is composed of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. At the ionization source, the compounds are ionized, usually to a single positive charge.

Ions can be generated using various techniques, such as impact with an electron beam, plasma, or lasers, each resulting in a range of fragmentations that aid in the determination of molecular structure. These methods are loosely grouped into “hard” and “soft” ionization.

Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, resulting in more fragments of lower mass.

Soft ionization techniques result in less, or almost no, fragmentation with a high molecular mass range.

If the fragmentation is too great, valuable structure information can be lost. If it’s too little, small molecules will not be efficiently ionized. Thus, the selection of an ionization method depends on the analyte of interest and the desired degree of fragmentation.

The ions are then accelerated in an electric field as they enter the mass analyzer, where they will be separated.

The most basic mass analyzer is a magnetic sector, which is composed of a curved magnet that produces a homogeneous magnetic field. The attractive force of the magnet, plus the centrifugal force of the accelerating ions causes them to travel in a circular path through the curve.

The radius of the ions circular path depends on the accelerating voltage, the applied magnetic field, and the mass-to-charge ratio.

The voltage and magnetic field can then be selected to only allow certain mass-to-charge ratio species through the curved path. Other ions crash into the sides of the magnetic pathway and are lost. By scanning the magnetic field strength, desired ions reach the detector at different times, thereby identifying each species precisely.

Another type of mass analyzer is the quadrupole mass filter. The quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods, with each pair of opposing rods electrically connected.

A direct current voltage is applied to the rod pairs, and their potentials continuously alternated so the pairs are always out of phase with the other.

The ion beam is then directed through the center of the four rods. Ions travel in a corkscrew-like path, due to the constant attraction and repulsion from the rods. Depending on the ions mass-to-charge ratio, the ion will either travel the full path of the quadrupole and reach the detector, or will crash into the rods.

Now that the basics of the mass spectrometer have been described, lets take a look at its use in the laboratory.

The mass spectrometer used in this experiment is an inductively coupled plasma, or ICP, ionizer, with a quadrupole filter. The instrument will be used to detect and quantify a metal component in a sample.

To begin the experiment, fill all polypropylene tubes with 5 mL of 0.1 M hydrochloric acid in order to remove any contaminating trace of iron. Place the tubes in a water bath for 1 h at 50 °C.

After incubation, wash the tubes with 5 mL of deionized water, and dry the tubes in an oven or chemical hood.

In the clean tubes, add 1.8 mL of concentrated nitric acid and 200 μL of sample containing the isotope of interest.

Follow safety precautions when using concentrated acid.

Place the tubes in a water bath overnight. The temperature can be increased to shorten digestion time, if necessary.

After the sample has been digested, let the tubes cool to room temperature.

Next, add 8 mL of deionized water to dilute the samples, and to obtain a nitric acid concentration below 20%. The final dilution of the sample is 1/50. The ideal concentration for ICP is in the parts-per-billion range. Centrifuge the tubes to pellet any remaining macroscopic residues.

ICP is a method of hard ionization that uses coupled argon plasma at about 10,000 °C that is electrically conductive to ionize the sample molecules.

Begin the instrument set up by inspecting the ICP torch to ensure that it is clean.

Then, inspect the sampler and skimmer cones to ensure they are also clean. These cones enable the sampling of only the inner portion of the ion beam generated by the ICP torch and act as a barrier to the high vacuum of the mass spectrometer.

Check the argon pressure and start the chiller. Start the plasma and liquid flow into the system. Wait 20 min for the system to warm up fully.

Next, aspirate a standard test solution, which contains various known elemental standards. The test solution should be selected to cover the expected mass range of the analyte solution.

When the solution flow is established, initialize and test the instrument according to the manufacturer’s guidelines.

To run the instrument, first select the elements and isotopes of interest. Then set the scan mode to peak hopping.

Select five replicates per measurement. Set each replicate to contain 40 measurement sweeps, each sweep with a dwell time of 50 ms. The total integration time is 2,000 ms per replicate.

Prepare a calibration curve for the elements of choice by measuring pre-prepared standard solutions.

Finally, run the sample, in this case, iron-oxide nanoparticles. Determine the concentration of iron using the iron calibration curve.

Mass spectrometry is used in a wide range of applications using various ionization and mass analysis techniques.

In this example, a type of soft ionization mass spectrometry, called matrix assisted laser desorption ionization time-of-flight, or MALDI-TOF, was used to analyze high molecular weight proteins. With MALDI, molecules are stabilized with a matrix, to decrease fractionation when the large molecules are ionized.

The protein solution and matrix were both spotted on the clean MALDI plate, and dried. The MALDI plate was inserted into the instrument, and the sample analyzed.

The analysis of volatile and oxidation sensitive compounds was measured using electron ionization mass spectrometry, a hard ionization technique.

First, a lockable tube system was designed in order to enable full evacuation of the tube, followed by loading of the sample under cooling by liquid nitrogen.

The sample tube was connected to the inlet port, and the sample loaded into the instrument. The mass spectrum of the sample in this case tris(trifluoromethyl) phosphate, was then analyzed.

A molecular beam mass spectrometer coupled with synchrotron radiation was used to explore the electronic structure of gas phase molecules and clusters.

The molecular beam, integrated with synchrotron radiation, provided a selective ionization method to probe molecules in the gas phase.

The sample was loaded into the nozzle, the nozzle reloaded into the instrument, and the photon beam allowed to enter the chamber.

The mass spectrum was then collected and compared to photoionization efficiency data in order to determine the electronic structure of molecules.

You’ve just watched JoVE’s introduction to mass spectrometry. You should now understand the basic instrumentation of mass spectrometry, and how to run a basic mass-spectrometry-based analysis.

Thanks for watching!