質量分析への紹介

Analytical Chemistry

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Overview

ソース: 研究所の博士 Khuloud アル ・ ジャマール - キングス カレッジ ロンドン

質量分析法は、サンプル内の未知の化合物、知られていた材料の数量、構造の決定と異なった分子の化学的性質の同定を可能にする分析化学技術です。

質量分析計は、イオン源、アナライザー、および検出器で構成されます。プロセスには、イオンを生成する化合物のイオン化が含まれます。誘導結合プラズマ (ICP)、目的の要素を含む試料は、エアロゾル液滴としてアルゴン プラズマに導入されます。プラズマは、エアロゾルを乾燥、分子を分離し、質量分析計によって検出される部品から電子を削除します。エレクトロ スプレー イオン化 (ESI) やマトリックスなどの他のイオン化法支援レーザー脱離イオン化 (MALDI) 生物学的試料を分析に使用します。イオン化手順イオンの質量電荷比 (m/z) によると質量分析計で区切られ、各イオンの相対的な豊かさを測定します。最後に、検出器は一般的荷電陽極イオンの衝突が、コンピューターに接続されている電気回路で検出できる電子の数を増やすことの連鎖につながる電子乗算器で構成されます。

このビデオでは、例として56Fe の検出による誘導結合プラズマ質量分析の手順を説明します。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 分析化学の基本. 質量分析への紹介. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

誘導結合プラズマ質量は質量分析計による高温 icp (誘導結合プラズマ) を組み合わせたものです。

サンプルは、イオンとして検出されるために質量分析器に入る前にする必要があります。固体試料の消化過程に強くて酸化酸金属試料に応じて長時間、高温で固体試料の孵化にで構成されています。イオン化する気体原子に変換する ICP プラズマ (6,000-10,000 K の温度) にエーロゾルとしてサンプルを導入します。

最も一般的に使用される質量分析器、四重極質量フィルターです。それだけ与えられた時間で検出器に到達する単一の質量電荷比 (m/z) のイオンができる静電フィルターとして働きます。1 秒あたり 15,000 ダルトン (Da) まで分離することができ、したがって同時多元素分析のプロパティを持つと見なされます。誘導結合プラズマ質量粒子 10億分の 1 以下の濃度を持つ要素の検出を可能にする非常に敏感な方法である (ppb) ごとの粒子下兆 (ppt) 特定の要素。

最後に、検出器システムは、検出器を電気信号に印象的なイオンの数値を変換します。校正基準 (特定の要素のための濃度既知のサンプル) を使用して、1 つまたは複数の要素のためのサンプルの濃度を評価することが可能です。

Procedure

1. ポリカーボネート管の洗浄

  1. サンプル消化のためポリカーボネート チューブ耐酸性溶液を使用します。鉄の汚染痕跡を除去するために 5 ml の 0.1 M HCl のすべてのチューブを入力します。
  2. 50 ° C で 1 時間湯せんにチューブを配置します。
  3. 5 mL のミリ Q 水でチューブを洗浄し、乾燥オーブンまたは化学フードにチューブ。

2. 試料調製及び消化

  1. 濃硝酸 (65%) の 1.8 mL のサンプルの場所 200 μ L。
  2. 一晩で 50 ° C の水浴中にチューブを配置します。全体の消化時間の短縮が必要な場合、温度の上昇によってプロトコルを調整します。
  3. チューブは、室温で冷却させてください。
  4. サンプルを希釈するには、取得の最終の硝酸濃度以下 20% (v/v) にミリ Q 水 8 mL を追加します。
  5. 任意の残りの巨視的残留物をペレットに 10 分間 3,000 x g でチューブを遠心します。

3. 計測器の準備

  1. 5% 硝酸で 15 分ワイプ コーン 5% 硝酸の超音波を使用してトーチをクリーンアップします。ぜん動流路内の配管を変更します。ポンプのオイルレベルをチェックします。
  2. アルゴンとチラーをオンに、プラズマを開始します。プラズマに液体の流れを開始し、安定させるため、約 20 分に楽器を待ちます。
  3. レンズ電圧を最適化します。毎日、Mg を含む試料を測定することによりパフォーマンス チェックを実行、誘導結合プラズマ質量計測器の感度を確認します。測定 Ce と Ba 酸化物形態とダブルのイオンが 3% 以下残る必要があります。バック グラウンド信号を測定する 8 と 220 の Da で質量を確認します。
  4. 計測器は、使用する準備が整いました。

4. ユーザーのメソッドとサンプル リストの選択

  1. 要素および同位体に関する関心を選択します。
  2. ピーク ホッピングとしてスキャン モードを選択します。
  3. 読み取りごと 40 スイープ (最小 15) と滞留時間 100 ms (最小 50) を選択します。あたりを読んで選択し、5 (最小 3) を複製します。合計の積分時間は、4,000 さんサンプルの量が限られている場合減らす滞留時間、スイープと上定義されている最小値よりも高い値を保持する複製の数です。
  4. アンモニア (NH3) の流量を 0.7 mL/分で40Ar16O 56Fe の定量における干渉を避けるために使用します。
  5. 選択した要素の検量線を準備します。
  6. サンプルを実行します。

質量分析法は、同定と未知の化合物、サンプル内の定量化とその構造の定量を可能にする分析手法です。

質量分析法、原子または分子のサンプルからガス相のイオンが生成されます。イオン m/z に象徴される、その質量電荷比に基づいて分離されます。

この分離によって、質量や構造など、サンプルについての定量的及び定性的情報の決定です。

このビデオは基本的な概念と、質量の計測を紹介し、要素数量での使用をデモンストレーションします。

質量分析計は、イオン源、質量分析器および探知器で構成されます。イオン源で化合物はイオン、通常単一の正電荷に。

イオンは、各フラグメントは、分子構造の決定を支援の範囲で生じるレーザーやプラズマ、電子ビームへの影響などのさまざまな技術を使用して生成できます。これらのメソッドは、「ハード」と「ソフト」イオン化に緩く分類されます。

ハードのイオン化技術より低い固まりのより多くの断片に生じる大規模な断片化を引き起こします。

ソフトなイオン化法は高分子質量範囲が少ない、あるいはほとんどない断片化の結果します。

断片化が多すぎる場合は、貴重な構造情報が失われます。それはあまりにも少ない、小さな分子は効率的にイオンないです。このように、イオン化法の選択は、関心と断片化の所望の程度の試料に依存します。

彼らが区切られた、質量分析器に入るイオンは、電界で加速しました。

最も基本的な質量分析計は、磁気セクター、均一な磁界を発生する湾曲した磁石で構成されているです。磁石の引力と遠心力加速イオンの曲線を円形のパスで旅行するそれらが発生します。

イオンの円軌道の半径は、加速電圧、印加磁場、質量電荷比によって異なります。

電圧や磁場は、曲線のパスを特定の質量電荷比種のみを許可する選択できます。他のイオンは磁気の細道の両側にクラッシュして失われます。別の回でそれにより目的イオン達する検出器をスキャニングし、磁場の強さ、それぞれの種を正確に識別します。

別のタイプの質量分析計は、四重極質量フィルターです。四極子は、相手の棒を電気的に接続の各ペアに並列の金属棒の 2 つのペアで構成されます。

ロッドのペアに直流電圧を印し、そのポテンシャル継続的に交互にペアが他の段階から常に。

イオンビーム、次に 4 つの棒の中心を指示します。イオンは一定の魅力とロッドからの反発のためのコルク抜きのようなパスで旅行します。イオンはイオン質量電荷比に応じて、旅行、四重極の完全なパスと、検出器に到達または棒に衝突するでしょう。

今では質量分析計の基本が記載されているは、研究室での使用を見てみましょうことができます。

この実験で使用される質量分析計は、誘導結合プラズマ、または ICP、四重極フィルターとイオナイザーです。計測器は、検出し、試料中の金属成分を定量化に使用されます。

テストを開始するには、鉄の汚染痕跡を除去するために 0.1 M 塩酸 5 ml すべてポリプロピレン チューブを記入します。50 ° C で 1 時間湯せんにチューブを配置します。

インキュベーション後、5 mL の脱イオン水でチューブを洗浄し、オーブンまたは化学フードに管を乾燥します。

クリーン チューブで 1.8 mL 濃硝酸と関心の同位体を含んでいるサンプルの 200 μ L を追加します。

高濃度の酸を使用する場合安全上の注意に従ってください。

一晩水お風呂でチューブを配置します。必要な場合、消化時間を短縮する温度を大きくできます。

サンプルが消化された後は、部屋の温度にチューブ涼しいを許可しなさい。

次に、8 mL の脱イオン水サンプルを希釈して、硝酸濃度が 20% 以下を追加します。サンプルの最終的な希釈は 1/50 です。ICP の最適濃度は部品-10億につき範囲内です。任意の残りの巨視的残留物をペレットにチューブを遠心します。

ICP は、法を使用して、ハードのイオン化結合アルゴン プラズマ導電性サンプル分子をイオン化するためにある約 10,000 の ° c です。

機器が ICP トーチを調べることによってクリーンであることを確認するように設定を開始します。

その後、サンプラーとスキマー コーンもクリーンであることを確認を確認します。これらの錐体は、質量分析計の高真空への障壁としてトーチと法により生成されたイオンの内側の部分のみのサンプリングを有効にします。

アルゴン圧をチェックし、冷凍機を始めます。プラズマ ・液体の流れ、システムを起動します。システムが完全にウォーム アップするための 20 分を待ちます。

次に、様々 な知られている元素の標準を含んでいる標準的なテスト ソリューションを吸い出しなさい。テスト ソリューションを選択すると、試料溶液の予想される質量範囲をカバーする必要があります。

ソリューション フローを確立すると、初期化し、製造元のガイドラインに従って機器をテストします。

楽器を実行すると、要素および同位体に関する関心をまず選択します。その後、ホッピングのピークにスキャン モードを設定します。

測定あたり 5 つの複製を選択します。掃引測定 40、総統合時間 50 ms の滞留時間を持つ各スイープを含む各複製を複製あたり 2,000 ms 設定。

選択の要素の検量線を準備するには、事前に用意された標準溶液を測定します。

最後に、サンプル、この場合、酸化鉄ナノ粒子を実行します。鉄の検量線を利用する鉄の濃度を決定します。

質量分析法は、様々 なイオン化と質量分析技術を使用してアプリケーションの広い範囲で使用されます。

この例では MALDI-TOF、やと呼ばれるマトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型のソフトなイオン化質量分析法のタイプは高分子量蛋白質を分析する使用されました。MALDI と大きな分子がイオン化すると分別を減らすため、マトリックス分子が安定します。

タンパク質溶液とマトリックスが両方きれいな MALDI プレートの発見し、乾燥します。MALDI プレートが、計測器に挿入された、サンプルを分析しました。

揮発性及び酸化機密性の高い化合物の分析は、電子イオン化質量分析法、ハードのイオン化法を用いて測定しました。

まず、ロック可能な管システムは、液体窒素による冷却下でサンプルの読み込みに続いてチューブの避難を可能にするために設計されました。

サンプル チューブは、入口ポートに接続されていた、サンプルが楽器に読み込まれます。質量スペクトルのサンプルの場合 tris(trifluoromethyl) リン酸を分析しました。

シンクロトロン放射光と相まって分子線質量分析計は、ガス相の分子種とクラスターの電子構造の解明を使用されました。

シンクロトロン放射光と統合、分子線には、気相分子をプローブする選択的なイオン化法が用意されています。

サンプルが読み込まれた、計測器にノズルにノズルが再読み込みし、光子ビームがチャンバーに入ること。

質量スペクトルが収集し、分子の電子構造を決定するために光イオン化効率データと比較します。

ゼウスの質量分析法の概要を見てきただけ。今、質量分析の基本的な計測および基本的な質量分析法を用いた解析を実行する方法を理解する必要があります。

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Results

酸化鉄ナノ粒子を含む試料の誘導結合プラズマ質量分析を以下に示します。標準的な曲線は、既知濃度56Fe (図 1) を使用して行った。1 に近い相関係数 (R2 = 0.999989) サンプルの濃度と検出器によって測定される強度の良い線形関係を示した。利益のサンプルは、(図 2) の校正範囲値を示した。当時はソフトウェアが計算濃度希釈プロトコル中に実施に合わせて調整。現在のプロトコル説明 1/50 次の酸の希釈の希釈 (1/10) で、ミリ Q 水 (1/5)。たとえば、サンプル数 51 (図 2) の 51.427 μ g/L の濃度を測定しました。元のサンプルの濃度が高い 2.57 mg/l. に対応する x 50

Figure 1
図 1。検 56Fe 測定。4 つの標準的なポイント (0.01、0.1、1、10 μ g/mL) は、0.999989 の相関係数 (R2) を表示します。これは、検出信号強度と参照の濃度と良い相関を確認します。

Figure 2
図 2。ICP-MS 測定を次酸化鉄ナノ粒子サンプルの代表的な結果。各希釈サンプルの濃度は定義された校正曲線に従って自動的に計算されます。

Applications and Summary

環境・地質分野は、icp-ms など汚染物質の存在水、土壌や大気を測定する最初の使用を表します。Fe、Cu、Al などの水道水に高濃度の汚染物質の存在は、ICP-MS を使用して監視できます。

医学と法医学科学分野はまた ICP-MS 検出を使用します。砒素などの金属中毒の疑いの場合、ICP-MS を使用して血液や尿などの試料を分析できます。この手法は、代謝の懸念や、特定の要素の悪い排泄量の結果 hepatological 問題を含む病理学の場合の貴重な情報を提供できます。

ICP-MS では、任意の材料で金属の定量化をことができます。図 3Fe の濃度だったナノ粒子を測定し、磁気共鳴画像 (MRI) のプロパティに関連。誘導結合プラズマ質量は, ナノ粒子、イメージング アプリケーションの最も効率的な差別に異なるナノ粒子の Fe の信頼性の定量化を提供します。

別のアプリケーションは、関連付けられている金属ナノ粒子の生体内分布を検討することです。静脈注射したマウスの酸化鉄を含有するナノ粒子の生体臓器内分布を図 4に示します。24 h で、各器官は収集され完全器官消化を達成するまで濃硝酸で消化します。56Fe 濃度の56Fe 肝臓と素朴な動物の臓器よりもナノ粒子を注入したマウスの脾臓での濃度が高くなるほど ICP さん結果を定量化を行った。したがって、ナノ粒子がほとんどが肝臓と脾臓の臓器に蓄積されることがわかった。

Figure 3
図 3。磁気共鳴イメージング (MRI) ナノ粒子の Fe 濃度の関数の測定。5 鉄の濃度の使用 (0.25、0.5、0.75、1、および 1.25 mM) その MRI の特性をイメージしました (緩和率、R2*)。

Figure 4
図 4。マウスの静脈内注入に続く酸化鉄ナノ粒子の体内。素朴なサンプルは、未処理のねずみで鉄の基底臓器レベルを表示します。酸化鉄ナノ粒子の蓄積に関連付けられている特定の器官の増加中の鉄の量を含有するナノ粒子を注入します。

1. ポリカーボネート管の洗浄

  1. サンプル消化のためポリカーボネート チューブ耐酸性溶液を使用します。鉄の汚染痕跡を除去するために 5 ml の 0.1 M HCl のすべてのチューブを入力します。
  2. 50 ° C で 1 時間湯せんにチューブを配置します。
  3. 5 mL のミリ Q 水でチューブを洗浄し、乾燥オーブンまたは化学フードにチューブ。

2. 試料調製及び消化

  1. 濃硝酸 (65%) の 1.8 mL のサンプルの場所 200 μ L。
  2. 一晩で 50 ° C の水浴中にチューブを配置します。全体の消化時間の短縮が必要な場合、温度の上昇によってプロトコルを調整します。
  3. チューブは、室温で冷却させてください。
  4. サンプルを希釈するには、取得の最終の硝酸濃度以下 20% (v/v) にミリ Q 水 8 mL を追加します。
  5. 任意の残りの巨視的残留物をペレットに 10 分間 3,000 x g でチューブを遠心します。

3. 計測器の準備

  1. 5% 硝酸で 15 分ワイプ コーン 5% 硝酸の超音波を使用してトーチをクリーンアップします。ぜん動流路内の配管を変更します。ポンプのオイルレベルをチェックします。
  2. アルゴンとチラーをオンに、プラズマを開始します。プラズマに液体の流れを開始し、安定させるため、約 20 分に楽器を待ちます。
  3. レンズ電圧を最適化します。毎日、Mg を含む試料を測定することによりパフォーマンス チェックを実行、誘導結合プラズマ質量計測器の感度を確認します。測定 Ce と Ba 酸化物形態とダブルのイオンが 3% 以下残る必要があります。バック グラウンド信号を測定する 8 と 220 の Da で質量を確認します。
  4. 計測器は、使用する準備が整いました。

4. ユーザーのメソッドとサンプル リストの選択

  1. 要素および同位体に関する関心を選択します。
  2. ピーク ホッピングとしてスキャン モードを選択します。
  3. 読み取りごと 40 スイープ (最小 15) と滞留時間 100 ms (最小 50) を選択します。あたりを読んで選択し、5 (最小 3) を複製します。合計の積分時間は、4,000 さんサンプルの量が限られている場合減らす滞留時間、スイープと上定義されている最小値よりも高い値を保持する複製の数です。
  4. アンモニア (NH3) の流量を 0.7 mL/分で40Ar16O 56Fe の定量における干渉を避けるために使用します。
  5. 選択した要素の検量線を準備します。
  6. サンプルを実行します。

質量分析法は、同定と未知の化合物、サンプル内の定量化とその構造の定量を可能にする分析手法です。

質量分析法、原子または分子のサンプルからガス相のイオンが生成されます。イオン m/z に象徴される、その質量電荷比に基づいて分離されます。

この分離によって、質量や構造など、サンプルについての定量的及び定性的情報の決定です。

このビデオは基本的な概念と、質量の計測を紹介し、要素数量での使用をデモンストレーションします。

質量分析計は、イオン源、質量分析器および探知器で構成されます。イオン源で化合物はイオン、通常単一の正電荷に。

イオンは、各フラグメントは、分子構造の決定を支援の範囲で生じるレーザーやプラズマ、電子ビームへの影響などのさまざまな技術を使用して生成できます。これらのメソッドは、「ハード」と「ソフト」イオン化に緩く分類されます。

ハードのイオン化技術より低い固まりのより多くの断片に生じる大規模な断片化を引き起こします。

ソフトなイオン化法は高分子質量範囲が少ない、あるいはほとんどない断片化の結果します。

断片化が多すぎる場合は、貴重な構造情報が失われます。それはあまりにも少ない、小さな分子は効率的にイオンないです。このように、イオン化法の選択は、関心と断片化の所望の程度の試料に依存します。

彼らが区切られた、質量分析器に入るイオンは、電界で加速しました。

最も基本的な質量分析計は、磁気セクター、均一な磁界を発生する湾曲した磁石で構成されているです。磁石の引力と遠心力加速イオンの曲線を円形のパスで旅行するそれらが発生します。

イオンの円軌道の半径は、加速電圧、印加磁場、質量電荷比によって異なります。

電圧や磁場は、曲線のパスを特定の質量電荷比種のみを許可する選択できます。他のイオンは磁気の細道の両側にクラッシュして失われます。別の回でそれにより目的イオン達する検出器をスキャニングし、磁場の強さ、それぞれの種を正確に識別します。

別のタイプの質量分析計は、四重極質量フィルターです。四極子は、相手の棒を電気的に接続の各ペアに並列の金属棒の 2 つのペアで構成されます。

ロッドのペアに直流電圧を印し、そのポテンシャル継続的に交互にペアが他の段階から常に。

イオンビーム、次に 4 つの棒の中心を指示します。イオンは一定の魅力とロッドからの反発のためのコルク抜きのようなパスで旅行します。イオンはイオン質量電荷比に応じて、旅行、四重極の完全なパスと、検出器に到達または棒に衝突するでしょう。

今では質量分析計の基本が記載されているは、研究室での使用を見てみましょうことができます。

この実験で使用される質量分析計は、誘導結合プラズマ、または ICP、四重極フィルターとイオナイザーです。計測器は、検出し、試料中の金属成分を定量化に使用されます。

テストを開始するには、鉄の汚染痕跡を除去するために 0.1 M 塩酸 5 ml すべてポリプロピレン チューブを記入します。50 ° C で 1 時間湯せんにチューブを配置します。

インキュベーション後、5 mL の脱イオン水でチューブを洗浄し、オーブンまたは化学フードに管を乾燥します。

クリーン チューブで 1.8 mL 濃硝酸と関心の同位体を含んでいるサンプルの 200 μ L を追加します。

高濃度の酸を使用する場合安全上の注意に従ってください。

一晩水お風呂でチューブを配置します。必要な場合、消化時間を短縮する温度を大きくできます。

サンプルが消化された後は、部屋の温度にチューブ涼しいを許可しなさい。

次に、8 mL の脱イオン水サンプルを希釈して、硝酸濃度が 20% 以下を追加します。サンプルの最終的な希釈は 1/50 です。ICP の最適濃度は部品-10億につき範囲内です。任意の残りの巨視的残留物をペレットにチューブを遠心します。

ICP は、法を使用して、ハードのイオン化結合アルゴン プラズマ導電性サンプル分子をイオン化するためにある約 10,000 の ° c です。

機器が ICP トーチを調べることによってクリーンであることを確認するように設定を開始します。

その後、サンプラーとスキマー コーンもクリーンであることを確認を確認します。これらの錐体は、質量分析計の高真空への障壁としてトーチと法により生成されたイオンの内側の部分のみのサンプリングを有効にします。

アルゴン圧をチェックし、冷凍機を始めます。プラズマ ・液体の流れ、システムを起動します。システムが完全にウォーム アップするための 20 分を待ちます。

次に、様々 な知られている元素の標準を含んでいる標準的なテスト ソリューションを吸い出しなさい。テスト ソリューションを選択すると、試料溶液の予想される質量範囲をカバーする必要があります。

ソリューション フローを確立すると、初期化し、製造元のガイドラインに従って機器をテストします。

楽器を実行すると、要素および同位体に関する関心をまず選択します。その後、ホッピングのピークにスキャン モードを設定します。

測定あたり 5 つの複製を選択します。掃引測定 40、総統合時間 50 ms の滞留時間を持つ各スイープを含む各複製を複製あたり 2,000 ms 設定。

選択の要素の検量線を準備するには、事前に用意された標準溶液を測定します。

最後に、サンプル、この場合、酸化鉄ナノ粒子を実行します。鉄の検量線を利用する鉄の濃度を決定します。

質量分析法は、様々 なイオン化と質量分析技術を使用してアプリケーションの広い範囲で使用されます。

この例では MALDI-TOF、やと呼ばれるマトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型のソフトなイオン化質量分析法のタイプは高分子量蛋白質を分析する使用されました。MALDI と大きな分子がイオン化すると分別を減らすため、マトリックス分子が安定します。

タンパク質溶液とマトリックスが両方きれいな MALDI プレートの発見し、乾燥します。MALDI プレートが、計測器に挿入された、サンプルを分析しました。

揮発性及び酸化機密性の高い化合物の分析は、電子イオン化質量分析法、ハードのイオン化法を用いて測定しました。

まず、ロック可能な管システムは、液体窒素による冷却下でサンプルの読み込みに続いてチューブの避難を可能にするために設計されました。

サンプル チューブは、入口ポートに接続されていた、サンプルが楽器に読み込まれます。質量スペクトルのサンプルの場合 tris(trifluoromethyl) リン酸を分析しました。

シンクロトロン放射光と相まって分子線質量分析計は、ガス相の分子種とクラスターの電子構造の解明を使用されました。

シンクロトロン放射光と統合、分子線には、気相分子をプローブする選択的なイオン化法が用意されています。

サンプルが読み込まれた、計測器にノズルにノズルが再読み込みし、光子ビームがチャンバーに入ること。

質量スペクトルが収集し、分子の電子構造を決定するために光イオン化効率データと比較します。

ゼウスの質量分析法の概要を見てきただけ。今、質量分析の基本的な計測および基本的な質量分析法を用いた解析を実行する方法を理解する必要があります。

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