Введение в масс-спектрометрию
Источник: Лаборатория доктора Хулуда Аль-Джамаля - Королевский колледж Лондона
Масс-спектрометрия — это метод аналитической химии, который позволяет и…
1. Очистка поликарбонатных трубок
- Для разложения образцов используйте поликарбонатные трубки, устойчивые к кислотным растворам. Чтобы удалить любые загрязняющие следы железа, заполните все пробирки 5 мл 0,1 М HCl.
- Поместите трубки на водяную баню на 1 час при температуре 50 °C.
- Промойте пробирки 5 мл воды Milli-Q и высушите пробирки в духовке или химической вытяжке.
2. Подготовка образцов и разложение
- Поместите 200 мкл образца в 1,8 мл концентрированной азотной кислоты (65%).
- Поместите пробирки на водяную баню на ночь при температуре 50 °C. Скорректируйте протокол, увеличив температуру, если необходимо сократить общее время пищеварения.
- Дайте трубкам остыть при комнатной температуре.
- Разбавьте образцы, добавив 8 мл воды Milli-Q, чтобы получить конечную концентрацию азотной кислоты ниже 20% (v/v).
- Центрифужные пробирки при давлении 3 000 x g в течение 10 минут для гранулирования оставшихся макроскопических остатков.
3. Подготовка инструмента
- Очистите горелку ICP с помощью ультразвука в 5% азотной кислоте в течение 15 мин. Протрите конусы 5% азотной кислотой. Замените перистальтическую трубку. Проверьте уровень масла в насосе.
- Включаем аргон и чиллер, запускаем плазму. Начните подачу жидкости в плазму и подождите, пока прибор стабилизируется, около 20 минут.
- Оптимизируйте напряжение линз. Выполняйте ежедневную проверку производительности путем измерения тестовых растворов, содержащих Mg, In и U, чтобы подтвердить чувствительность прибора ICP-MS. Измерьте Ce и Ba, где образование оксидов и дважды заряженных ионов должно оставаться ниже 3%. Проверьте массу при 8 и 220 Да, чтобы измерить фоновый сигнал.
- Теперь прибор готов к использованию.
4. Выбор пользовательского метода и списка примеров
- Выберите интересующий элемент и изотопы.
- Выберите режим сканирования в качестве скачкообразного переключения.
- Выберите время задержки 100 мс (минимум 50) с 40 развертками (минимум 15) за одно считывание. Выберите одно показание для каждой репликации и 5 повторений (минимум 3). Общее время интеграции составляет 4 000 мс. Если объем выборки ограничен, уменьшите время задержки, количество разверток и повторений, сохраняя значения выше минимальных значений, определенных выше.
- Используйте расход аммиака (NH3) со скоростью 0,7 мл/мин, чтобы избежать интерференции 40Ar16O при определении 56Fe.
- Подготовьте калибровочную кривую для выбранных элементов.
- Запустите примеры.
Масс-спектрометрия — это аналитический метод, который позволяет идентифицировать и количественно оценить неизвестные соединения в образце, а также определить их структуру.
В масс-спектрометрии ионы газовой фазы образуются из атомов или молекул в образце. Затем ионы разделяются на основе их отношения массы к заряду, обозначаемого m/z.
Это разделение позволяет определить количественную и качественную информацию об образце, такую как его масса и структура.
В этом видео будут представлены основные понятия и инструменты масс-спектрометрии, а также продемонстрировано их использование в количественном определении элементов.
Масс-спектрометр состоит из источника ионизации, масс-анализатора и детектора. В источнике ионизации соединения ионизируются, как правило, до одного положительного заряда.
Ионы могут быть сгенерированы с помощью различных методов, таких как удар электронным пучком, плазмой или лазерами, каждый из которых приводит к ряду фрагментаций, которые помогают в определении молекулярной структуры. Эти методы в общих чертах сгруппированы на «жесткую» и «мягкую» ионизацию.
Методы жесткой ионизации вызывают обширную фрагментацию, что приводит к большему количеству фрагментов меньшей массы.
Методы мягкой ионизации приводят к уменьшению фрагментации или почти ее отсутствию при высоком диапазоне молекулярных масс.
Если фрагментация слишком велика, ценная информация о структуре может быть потеряна. Если его слишком мало, малые молекулы не будут эффективно ионизироваться. Таким образом, выбор метода ионизации зависит от исследуемого аналита и желаемой степени фрагментации.
Затем ионы ускоряются в электрическом поле, когда они поступают в масс-анализатор, где они будут разделены.
Самый простой масс-анализатор представляет собой магнитный сектор, который состоит из изогнутого магнита, создающего однородное магнитное поле. Сила притяжения магнита в сочетании с центробежной силой ускоряющихся ионов заставляет их двигаться по круговой траектории через кривую.
Радиус кругового пути ионов зависит от ускоряющего напряжения, приложенного магнитного поля и отношения массы к заряду.
Напряжение и магнитное поле могут быть выбраны таким образом, чтобы через изогнутую траекторию можно было пропускать только определенные виды отношения массы к заряду. Другие ионы врезаются в стороны магнитного пути и теряются. Сканируя напряженность магнитного поля, нужные ионы достигают детектора в разное время, тем самым точно идентифицируя каждый вид.
Еще одним типом масс-анализаторов является квадрупольный масс-фильтр. Квадруполь состоит из двух пар параллельных металлических стержней, каждая пара противоположных стержней соединена электроприводом.
На пары стержней подается напряжение постоянного тока, и их потенциалы постоянно чередуются, поэтому пары всегда находятся в противофазе друг с другом.
Затем ионный пучок направляется через центр четырех стержней. Ионы движутся по штопорообразной траектории из-за постоянного притяжения и отталкивания от стержней. В зависимости от отношения массы ионов к заряду, ион либо пройдет весь путь квадруполя и достигнет детектора, либо врежется в стержни.
Теперь, когда основы масс-спектрометра описаны, давайте рассмотрим его использование в лаборатории.
Масс-спектрометр, используемый в этом эксперименте, представляет собой ионизатор с индуктивно связанной плазмой, или ICP, с квадрупольным фильтром. Прибор будет использоваться для обнаружения и количественного определения металлического компонента в образце.
Чтобы начать эксперимент, заполните все полипропиленовые пробирки 5 мл 0,1 М соляной кислоты, чтобы удалить любые загрязняющие следы железа. Поместите пробирки на водяную баню на 1 ч при 50 °C.
После инкубации промойте пробирки 5 мл деионизированной воды и высушите пробирки в духовке или химической вытяжке.
В чистые пробирки добавьте 1,8 мл концентрированной азотной кислоты и 200 ? L образца, содержащего интересующий изотоп.
Соблюдайте технику безопасности при использовании концентрированной кислоты.
Поместите трубки на водяную баню на ночь. При необходимости температуру можно увеличить, чтобы сократить время переваривания.
После того, как образец будет переварен, дайте пробиркам остыть до комнатной температуры.
Далее добавьте 8 мл деионизированной воды, чтобы разбавить образцы, и получить концентрацию азотной кислоты ниже 20%. Итоговое разведение пробы составляет 1/50. Идеальная концентрация для ПМС находится в диапазоне частей на миллиард. Центрифугируйте пробирки, чтобы удалить оставшиеся макроскопические остатки.
ICP — это метод жесткой ионизации, в котором используется связанная аргоновая плазма при температуре около 10 000 ? C, который обладает электропроводящими свойствами для ионизации молекул образца.
Начните настройку прибора с осмотра резака ICP, чтобы убедиться в его чистоте.
Затем осмотрите пробоотборник и конусы скиммера, чтобы убедиться, что они также чистые. Эти конусы позволяют отбирать только внутреннюю часть ионного пучка, генерируемого факелом ИСП, и действуют как барьер для высокого вакуума масс-спектрометра.
Проверьте давление аргона и запустите чиллер. Запустите поступление плазмы и жидкости в систему. Подождите 20 минут, чтобы система полностью прогрелась.
Далее отсасывайте стандартный тестовый раствор, который содержит различные известные элементарные стандарты. Испытуемый раствор должен быть выбран таким образом, чтобы охватывать ожидаемый диапазон масс раствора аналита.
Когда поток раствора будет установлен, инициализируйте и протестируйте прибор в соответствии с рекомендациями производителя.
Чтобы запустить прибор, сначала выберите интересующие элементы и изотопы. Затем установите режим сканирования на пиковые скачки.
Выберите пять повторений для каждого измерения. Настройте каждую репликацию так, чтобы она содержала 40 измерительных разверток, каждая из которых должна иметь время задержки 50 мс. Общее время интеграции составляет 2 000 мс на репликацию.
Подготовьте калибровочную кривую для выбранных элементов путем измерения предварительно подготовленных стандартных растворов.
Наконец, прогоните образец, в данном случае наночастицы оксида железа. Определите концентрацию железа с помощью кривой калибровки железа.
Масс-спектрометрия используется в широком спектре приложений с использованием различных методов ионизационного и массового анализа.
В этом примере для анализа высокомолекулярных белков был использован тип масс-спектрометрии мягкой ионизации, называемый матричной лазерной десорбцией ионизации времени пролета, или MALDI-TOF. При использовании MALDI молекулы стабилизируются с помощью матрицы, чтобы уменьшить фракционирование при ионизации крупных молекул.
Белковый раствор и матрикс были обнаружены на чистой пластине MALDI и высушены. Пластина MALDI была вставлена в прибор, и образец был проанализирован.
Анализ летучих и чувствительных к окислению соединений был измерен с помощью электронно-ионизационной масс-спектрометрии, метода жесткой ионизации.
Во-первых, была спроектирована система запираемых трубок для обеспечения полного опорожнения пробирки с последующей загрузкой образца под охлаждение жидким азотом.
Пробирка для отбора проб была подключена к входному порту, и образец загружался в прибор. Затем был проанализирован масс-спектр образца, в данном случае трис(трифторметил)фосфата.
Молекулярно-лучевой масс-спектрометр в сочетании с синхротронным излучением был использован для исследования электронной структуры молекул и кластеров газовой фазы.
Молекулярный пучок, интегрированный с синхротронным излучением, обеспечил метод селективной ионизации для зондирования молекул в газовой фазе.
Образец загружался в сопло, сопло перезагружалось в прибор, и пучок фотонов позволял войти в камеру.
Затем масс-спектр был собран и сравнен с данными об эффективности фотоионизации с целью определения электронной структуры молекул.
Вы только что посмотрели введение JoVE в масс-спектрометрию. Теперь вы должны понять основные инструменты масс-спектрометрии и то, как проводить базовый анализ, основанный на масс-спектрометрии.
Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the three main components of a mass spectrometer?
A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts sample compounds into gas phase ions, usually with a single positive charge. The mass analyzer separates ions based on their mass-to-charge ratio, and the detector measures the relative abundance of each ion type to generate the mass spectrum.
Q2: How do hard and soft ionization techniques differ in mass spectrometry?
Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, producing many fragments of lower mass that aid in determining molecular structure. Soft ionization techniques result in little or almost no fragmentation, preserving high molecular mass ions. The choice depends on the analyte and desired fragmentation level, as excessive fragmentation can lose structural information while insufficient ionization may fail to detect small molecules.
Q3: What is the function of a magnetic sector in a mass analyzer?
A magnetic sector uses a curved magnet to produce a homogeneous magnetic field that separates ions based on their mass-to-charge ratio. Ions travel in a circular path determined by accelerating voltage, magnetic field strength, and m/z ratio. By scanning the magnetic field, specific ions reach the detector at different times, enabling precise identification of each species.
Q4: How does a quadrupole mass filter separate ions?
A quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods with alternating direct current voltages that keep the rod pairs out of phase. Ions travel through the center in a corkscrew-like path due to constant attraction and repulsion from the rods. Depending on mass-to-charge ratio, ions either traverse the full path to reach the detector or crash into the rods and are lost.
Q5: What role does inductively coupled plasma play in mass spectrometry analysis?
Inductively coupled plasma (ICP) is a hard ionization method using argon plasma at approximately 10,000°C to ionize sample molecules. The plasma dries aerosol droplets, dissociates molecules, and removes electrons from components for detection. ICP-MS is commonly used to detect and quantify metal elements in samples, such as iron in nanoparticles, with calibration curves principles and applications guiding quantitative analysis.
Q6: Why is sample preparation important before ICP-MS analysis?
Sample preparation removes contaminating trace elements and ensures proper sample digestion. Samples are treated with hydrochloric acid to remove iron contamination, then digested in concentrated nitric acid overnight. The digested sample is diluted to achieve ideal parts-per-billion concentration range and centrifuged to remove residues, ensuring accurate detection and quantification of target elements.
Q7: What are common applications of different mass spectrometry ionization methods?
Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) is a soft ionization technique used to analyze high molecular weight proteins by stabilizing molecules with a matrix. Electron ionization is a hard ionization technique for analyzing volatile and oxidation-sensitive compounds. Synchrotron radiation coupled with molecular beam mass spectrometry selectively ionizes gas phase molecules to explore their electronic structure.