Overview
Quelle: Labor von Dr. Khuloud Al-Jamal - Kings College London
Massenspektrometrie ist eine analytische Chemie-Technik, die die Identifizierung von unbekannten Verbindungen innerhalb einer Stichprobe, die Quantifizierung der bekannten Materialien, die Bestimmung der Struktur und chemische Eigenschaften von verschiedenen Molekülen ermöglicht.
Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionisierung Quelle, ein Analysator und einem Detektor. Der Prozess umfasst die Ionisierung der chemischen Verbindungen zu Ionen erzeugt. Wenn mit induktiv gekoppelten Plasma (ICP), werden Proben, die Elemente von Interesse in Argon-Plasma als Aerosol Tröpfchen eingeführt. Das Plasma trocknet das Aerosol, distanziert sich die Moleküle und dann entfernt ein Elektron aus der Komponenten von Massenspektrometer detektiert werden. Anderen Ionisation Methoden wie Elektrospray-Ionisation (ESI) und Matrix assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI) dienen zur Analyse biologischer Proben. Nach dem Verfahren der Ionisation Ionen in das Massenspektrometer entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/Z) getrennt sind, und die relative Häufigkeit der einzelnen Ionen gemessen. Schließlich besteht der Detektor häufig in ein Elektronen-Vervielfacher, wo die Kollision von Ionen mit einer geladenen Anode führt zu einer Kaskade von Erhöhung der Anzahl der Elektronen, die durch einen elektrischen Stromkreis verbunden mit einem Computer erkannt werden kann.
In diesem Video wird das Verfahren der ICP-MS-Analyse durch den Nachweis von 56Fe als Beispiel beschrieben.
Principles
ICP-MS verbindet eine Hochtemperatur-ICP (induktiv gekoppelten Plasma) Quelle mit einem Massenspektrometer.
Proben müssen in Ionenform vor dem Eintritt in die Masse Analysator um erkannt zu werden. Die Verdauung fester Proben besteht darin, die Inkubation von festen Proben in starken und oxidierende Säure bei hohen Temperaturen und für einen längeren Zeitraum je nach Metall Analyt. Die Probe wird als Aerosol in der ICP-Plasma (Temperatur von 6.000-10.000 K) eingeführt, um in gasförmige Atome umgewandelt werden, die ionisiert werden.
Die am häufigsten verwendete Masse Analyzer ist das Quadrupol-Massenfilter. Es funktioniert wie ein Elektrofilter, die erlaubt nur Ionen von einer einzigen Masse-Ladungs-Verhältnis (m/Z), den Detektor zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erreichen. Es kann bis zu 15.000 Dalton (Da) pro Sekunde trennen und gilt daher als gleichzeitige Multi-Elementaranalyse Eigenschaften haben. ICP-MS ist eine sehr empfindliche Methode, die ermöglicht die Erkennung von Elementen mit Konzentrationen unter Teilchen pro Milliarde (ppb), und unten Teilchen pro Billion (ppt) für bestimmte Elemente.
Schließlich wird das Detektorsystem die Zahl der Ionen, die auffällig des Detektors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Mithilfe von Kalibrierstandards (Proben bekannter Konzentration für ein bestimmtes Element) ist es möglich, die Konzentration einer Probe für ein oder mehrere Elemente des Interesses zu beurteilen.
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Procedure
1. Reinigung von Polycarbonat Rohre
- Verwenden Sie Polycarbonat Rohre resistent gegen sauren Lösungen für Probe Verdauung. Um keine kontaminierenden Spuren von Eisen zu entfernen, füllen Sie alle Rohre mit 5 mL 0,1 M HCl.
- Platz Rohre in einem Wasserbad für 1 h bei 50 ° C.
- Waschen Sie die Rohre mit 5 mL Milli-Q Wasser und trocknen Sie der Rohre in einem Ofen oder chemische Haube.
2. Probieren Sie Vorbereitung und Verdauung
- Platz 200 µL der Probe in 1,8 mL konzentrierter Salpetersäure (65 %).
- Legen Sie Rohre in einem Wasserbad bei 50 ° c über Nacht Stellen Sie das Protokoll durch Erhöhung der Temperatur, wenn eine Verkürzung der gesamten Verdauung benötigt wird.
- Lassen Sie die Rohre bei Raumtemperatur abkühlen.
- Verdünnen Sie die Proben durch Zugabe von 8 mL Wasser Milli-Q, eine endgültige Salpetersäure Konzentration Balg 20 % (V/V) zu erhalten.
- Zentrifugieren Sie Rohre bei 3.000 x g für 10 min. zu makroskopischen verbleibenden Rückstände Pellets.
3. Vorbereitung des Instruments
- Reinigen Sie die ICP-Fackel mit Ultraschall in 5 % Salpetersäure für 15 min. Wischen Kegel mit 5 % Salpetersäure. Die peristaltische Schläuche zu ändern. Überprüfen Sie die Pumpe Ölstand.
- Schalten Sie die Argon und Kühler, starten Sie Plasma zu. Starten Sie Flüssigkeitsstrom in Plasma und Instrument zur Stabilisierung, ca. 20 min warten.
- Objektiv-Spannungen zu optimieren. Laufen täglich Performance-Check durch die Messung der Testlösungen mit Mg, In, und Ihr, die Empfindlichkeit des ICP-MS-Gerätes zu bestätigen. Ce und Ba wo Oxid Form und doppelt geladene Ionen unter 3 bleiben sollte % zu messen. Überprüfen Sie die Masse auf 8 und 220 Da das Hintergrundsignal messen.
- Das Gerät ist nun betriebsbereit.
4. Auswahl des Benutzers Methode und Beispielliste
- Select-Element und Isotope von Interesse.
- Wählen Sie Scan-Modus als Gipfel-hopping.
- Wählen Sie eine Verweilzeit von 100 ms (mindestens 50) mit 40 fegt (mindestens 15) pro Lesung. Wählen Sie eine Lesung pro replizieren und 5 repliziert (mindestens 3). Vollständige Integration ist 4.000 Frau wenn Probenmenge begrenzt ist reduzieren Verweilzeit, Anzahl der Sweeps und Wiederholungen halten die Werte höher als die oben definierten Mindestwerte.
- Verwenden Sie einen Durchfluss von Ammoniak (NH3) bei 0,7 mL/min, zur Vermeidung von Interferenzen von 40Ar16O auf die Bestimmung der 56Fe.
- Die Elemente der Wahl Eichkurve vorbereiten.
- Laufen Sie die Proben.
Massenspektrometrie ist eine analytische Technik, die die Identifizierung und Quantifizierung der unbekannte Verbindungen innerhalb einer Probe und die Bestimmung ihrer Struktur ermöglicht.
In der Massenspektrometrie sind Gas Phase Ionen aus den Atomen oder Molekülen in einer Probe erzeugt. Die Ionen werden dann anhand ihrer Masse-Ladungs-Verhältnis, symbolisiert durch m/Z getrennt.
Diese Trennung ermöglicht die Bestimmung der quantitativen und qualitativen Informationen über eine Probe, wie ihre Masse und Struktur.
Dieses Video wird einzuführen, die grundlegenden Konzepte und Instrumente der Massenspektrometrie und seine Verwendung in Element Quantifizierung zu demonstrieren.
Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionisierung Quelle, eine Masse Analysator und einem Detektor. An der Ionisierung Quelle sind die Verbindungen in der Regel zu einer einzigen positiven Ladung ionisiert.
Ionen können mit verschiedenen Techniken, wie z. B. Auswirkungen mit einem Elektronenstrahl, Plasma oder Laser, jedes in einer Reihe von Fragmentierungen, die Hilfe bei der Bestimmung der molekularen Struktur generiert werden. Diese Methoden sind "harte" und "weiche" Ionisation lose gruppiert.
Harte Ionisation Techniken verursachen starke Zersplitterung, wodurch mehr Fragmente geringerer Masse.
Weiche Ionisierung Techniken führen zu weniger oder fast gar keine Fragmentierung mit einem hohen molekularen Masse Bereich.
Wenn die Fragmentierung zu groß ist, kann wertvolle Informationen verloren gehen. Wenn es zu wenig ist, werden kleine Moleküle nicht effizient ionisiert. Die Auswahl einer Ionisation Methode hängt also von der Analyten von Interesse und der gewünschte Grad der Fragmentierung.
Die Ionen werden dann in einem elektrischen Feld beschleunigt, wie sie den Masse Analysator, wo sind sie getrennt werden.
Der grundlegendste Masse Analysator ist ein magnetischer Bereich, der aus einem gewölbten Magneten besteht, die ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Die anziehende Kraft des Magneten, sowie die Fliehkraft der beschleunigten Ionen bewirkt, dass sie in einer Kreisbahn durch die Kurve fahren.
Der Radius der Kreisbahn Ionen hängt von der Beschleunigungsspannung, des angelegten Magnetfeldes und der Masse-Ladungs-Verhältnis.
Die Spannung und Magnetfeld können dann ausgewählt werden, erlauben nur bestimmte Arten von Masse-Ladungs-Verhältnis durch den Kurvengang. Andere Ionen in den Seiten des magnetischen Weges abstürzen und gehen verloren. Scannt die magnetische Feldstärke, gewünschten Ionen gelangen den Detektor zu unterschiedlichen Zeiten, damit jede Art genau zu identifizieren.
Eine andere Art von Masse Analyzer ist das Quadrupol-Massenfilter. Das Quadrupol besteht aus zwei parallelen Metallstangen mit jeweils zwei gegenüberliegenden Stangen elektrisch verbunden.
Liegt eine Gleichstrom-Spannung an die Stab-Paare und ihre Potenziale ständig wechselten, so sind die Paare immer phasenverschoben miteinander.
Der Ionenstrahl wird dann durch die Mitte der vier Stäbe gerichtet. Ionen Reisen in einem Korkenzieher-wie-Weg, durch die konstante Anziehung und Abstoßung von den Stangen. Abhängig von der Ionen Masse-Ladungs-Verhältnis, das Ion wird Reisen den vollständigen Pfad der die Quadrupol und erreichen den Detektor oder stürzt in den Stäben.
Nun, da die Grundlagen des Massenspektrometers beschrieben wurden, werfen wir einen Blick auf seine Verwendung im Labor.
Das Massenspektrometer verwendet in diesem Experiment ist eine induktiv gekoppelten Plasma oder ICP, Ionisator, mit einem Quadrupol-Filter. Das Instrument wird zu erkennen und zu quantifizieren, eine metallische Komponente in einer Probe verwendet werden.
Um das Experiment zu starten, füllen Sie alle Polypropylenröhrchen mit 5 mL 0,1 M Salzsäure um kontaminierende Spuren von Eisen zu entfernen. Legen Sie die Rohre in einem Wasserbad für 1 h bei 50 ° C.
Waschen Sie nach der Inkubation die Rohre mit 5 mL entionisiertem Wasser und trocknen Sie die Rohre in einem Ofen oder chemische Haube.
Fügen Sie in den sauberen Röhren 1,8 mL konzentrierter Salpetersäure und 200 μl der Probe mit dem Isotop von Interesse.
Befolgen Sie Sicherheitsmaßnahmen, wenn konzentrierte Säure zu verwenden.
Legen Sie die Rohre über Nacht in einem Wasserbad. Die Temperatur kann erhöht werden, um Verdauung zu verkürzen, wenn nötig.
Nachdem die Probe verdaut hat, lassen Sie die Röhren auf Raumtemperatur abkühlen.
Als nächstes fügen Sie 8 mL entionisiertem Wasser um die Proben zu verdünnen und zu eine Konzentration der Salpetersäure unter 20 % zu erhalten. Die letzte Verdünnung der Probe beträgt 1/50. Die ideale Konzentration für ICP liegt im Bereich Teile pro Milliarde. Zentrifugieren Sie die Rohre, um die verbleibenden makroskopischen Rückstände pellet.
ICP ist eine Methode der harten Ionisation, die verwendet Argon-Plasma bei etwa 10.000 ° C gepaart, die auf die Probe-Moleküle zu ionisieren elektrisch leitend ist.
Beginnen Sie das Instrument einrichten durch die ICP-Fackel prüfen um sicherzustellen, dass es sauber ist.
Überprüfen Sie dann, die Sampler und Skimmer Kegel um sicherzustellen, dass sie auch sauber sind. Diese Kegel ermöglichen die Entnahme von nur der innere Teil der Ionenstrahl erzeugt durch die ICP-Fackel und Tat als ein Hindernis für die Hochvakuum des Massenspektrometers.
Überprüfen Sie den Argon-Druck und starten Sie den Kühler. Starten Sie den Plasma und Flüssigkeit fließen in das System. Warten Sie 20 Minuten bis das System vollständig aufwärmen.
Als nächstes aspirieren Sie eine standard-Test-Lösung, die verschiedenen bekannten elementaren Standards enthält. Testlösung sollte gewählt werden, um den erwarteten Massenbereich der Analyten Lösung abzudecken.
Wenn der Lösungsfluss hergestellt wird, initialisieren Sie und testen Sie das Gerät gemäß den Richtlinien des Herstellers.
Um das Gerät zu starten, wählen Sie zuerst die Elemente und Isotope von Interesse. Legen Sie den Scan-Modus auf Gipfel-hopping.
Wählen Sie aus fünf Wiederholungen pro Messung. Eingestellte jeder Replikation enthalten 40 Messung fegt, jeder Schwung mit einer Verweilzeit von 50 ms die gesamte Integrationszeit beträgt 2.000 ms pro replizieren.
Die Elemente der Wahl bereiten Sie eine Kalibrierkurve durch vorgefertigte Standardlösungen Messung vor.
Schließlich führen Sie das Beispiel in diesem Fall Eisenoxid Nanopartikeln. Bestimmen Sie die Konzentration von Eisen mit der Eichkurve Eisen.
Massenspektrometrie wird in einer Vielzahl von Anwendungen mithilfe von verschiedenen Ionisation und Masse Analysetechniken verwendet.
In diesem Beispiel wurde eine Art von weiche Ionisierung Massenspektrometrie, genannt Matrix assisted Laser Desorption Ionisation Time-of-Flight oder MALDI-TOF, zur hochmolekularen Proteine zu analysieren. Mit MALDI sind Moleküle mit einer Matrix zur Fraktionierung zu verringern, wenn die großen Moleküle ionisiert werden stabilisiert.
Die Proteinlösung und Matrix wurden sowohl auf die sauberen Teller MALDI entdeckt und getrocknet. Die MALDI-Platte wurde in das Gerät eingesteckt, und die Probe analysiert.
Die Analyse von flüchtigen und Oxidation empfindlich Verbindungen wurde mit Elektron Ionisation Massenspektrometrie, eine harte Ionisation Technik gemessen.
Zunächst wurde eine verschließbare Rohr-System entworfen, um vollständigen Evakuierung des Rohres, gefolgt durch eine Belastung der Probe unter Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu ermöglichen.
Das Probenröhrchen wurde an die Einlassstutzen angeschlossen, und die Probe in das Instrument geladen. Das Massenspektrum der Probe in diesem Fall tris(trifluoromethyl) Phosphat, wurde dann analysiert.
Ein Molekularstrahl-Massenspektrometer gekoppelt mit Synchrotronstrahlung wurde verwendet, um die elektronische Struktur von Gas Phase Molekülen und Clustern zu erkunden.
Molekularstrahl, integriert mit Synchrotronstrahlung, sofern eine selektive Ionisation-Methode, um Moleküle in der Gasphase Sonde.
Die Probe wurde geladen in die Düse, die Düse in das Gerät geladen und der Photon-Strahl den Plenarsaal betreten durfte.
Das Massenspektrum war dann gesammelt und im Vergleich zu Photoionization Effizienz Daten um die Elektronenstruktur der Moleküle zu bestimmen.
Sie habe nur Jupiters Einführung in die Massenspektrometrie beobachtet. Sie sollten nun die grundlegenden Instrumentierung der Massenspektrometrie und Gewusst wie: ausführen eine grundlegende Masse-Massenspektrometrie-basierte Analyse verstehen.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
ICP-MS-Analyse von Proben mit Eisenoxid-Nanopartikel ist unten dargestellt. Eine Standardkurve wurde mit bekannter Konzentration von 56Fe (Abbildung 1) durchgeführt. Der Korrelationskoeffizient in der Nähe 1 (R2 = 0.999989) zeigte die gute lineare Beziehung zwischen der Probe Konzentrationen und die Intensität durch den Detektor gemessen. Proben von Interessen zeigten Werte im Bereich Kalibrierung (Abbildung 2). Lagen die Konzentrationen von der Software berechnet dann die Verdünnung durchgeführt während des Protokolls angepasst. Das vorliegende Protokoll beschrieben eine Verdünnung von 1/50 folgen die Verdünnung in Säure (1/10) und Wasser in Mili-Q (1/5). Beispielsweise wurde eine Konzentration von 51.427 µg/L für die Probennummer 51 (Abbildung 2) gemessen. Die Konzentration der ursprünglichen Probe war 50 x höhere entspricht 2,57 mg/L.
Abbildung 1: Eichkurve für 56Fe Messungen. Vier standard-Punkte (0,01, 0,1, 1 und 10 µg/mL) zeigen einen Korrelationskoeffizienten (R2) von 0.999989. Dies bestätigt die gute lineare Beziehung zwischen der Signalintensität erkannt und die Konzentrationen der Referenz.
Abbildung 2: Repräsentative Ergebnisse nach ICP-MS-Messungen an Eisenoxid-Nanopartikel-Proben. Die Konzentration der einzelnen verdünnten Probe wird automatisch berechnet, entsprechend der definierten Kalibrierkurve.
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Applications and Summary
Die ökologischen und geologischen Felder stellen die erste Verwendung für ICP-MS z. B. Verunreinigungen im Wasser, im Boden oder in der Atmosphäre zu messen. Das Vorhandensein von Kontaminanten in hoher Konzentration im Leitungswasser wie Fe, Cu oder Al kann mit ICP-MS überwacht werden.
Die medizinische und forensische Wissenschaft Felder verwenden auch ICP-MS-Detektion. Bei Verdacht auf eine Metallvergiftung wie Arsen können Proben wie Blut und Urin mit ICP-MS analysiert werden. Diese Technik kann auch wertvolle Informationen bei Pathologie mit metabolischen Bedenken oder Hepatological Probleme, was die Armen Ausscheidung bestimmter Elemente liefern.
ICP-MS erlaubt die Quantifizierung von Metallen in jedem Material. In Abbildung 3war die Konzentration von Fe in Nanopartikel gemessen und in Bezug auf ihre Eigenschaften Magnetresonanz-Bildgebung (MRI). ICP-MS bietet eine zuverlässige Quantifizierung der Fe von verschiedenen Nanopartikeln zu unterscheiden welche Nanopartikel für imaging-Anwendung die am effizientesten sind.
Eine weitere Anwendung ist die Bioverteilung von Nanopartikeln verbunden mit Metallen zu studieren. Abbildung 4 zeigt die Orgel Bioverteilung von Nanopartikeln mit Eisenoxid bei Mäusen nach intravenöser Injektion. Um 24 Uhr war jedes Organ gesammelt und verdaut in konzentrierter Salpetersäure bis volle Orgel Verdauung erreicht wurde. Die 56Fe-Konzentration wurde durch ICP-MS.-Ergebnisse zeigen höhere Konzentration von 56Fe in Leber und Milz für Mäuse injiziert mit Nanopartikeln als in Organen von naiven Tiere quantifiziert. Daher wurde der Schluss gezogen, dass Nanopartikel vor allem in Leber und Milz Organen ansammeln.
Abbildung 3. Magnetic Resonance imaging (MRI) Messung von Nanopartikeln Funktion ihrer Fe-Konzentration. Fünf Konzentrationen von Eisen wurden verwendet (0,25, 0,5, 0,75, 1 und 1,25 mM), wurden für ihre MRI Eigenschaften abgebildet (Entspannung Rate, R2*).
Abbildung 4. Bioverteilung von Eisenoxid-Nanopartikeln nach intravenöser Injektion bei Mäusen. Naive Beispiele zeigen die basalen Organebene von Eisen in den unbehandelten Mäusen. Nach der Injektion von Nanopartikeln mit Eisenoxid, die Menge des Eisens in bestimmten Organ erhöht die Anhäufung von Nanopartikeln zugeordnet ist.
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