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질량 분광법 소개

Overview

출처: 쿠라우드 알 자말 박사 연구소 - 킹스 칼리지 런던

질량 분석법은 시료 내에서 알려지지 않은 화합물의 식별, 공지된 물질의 정량화, 구조의 결정 및 상이한 분자의 화학적 특성을 가능하게 하는 분석 화학 기술이다.

질량 분광계는 이온화 소스, 분석기 및 검출기로 구성됩니다. 이 과정은 이온을 생성하기 위해 화학 화합물의 이온화를 포함한다. 유도 결합 플라즈마(ICP)를 사용하는 경우 관심 요소를 포함하는 샘플이 에어로졸 방울로 아르곤 플라즈마에 도입됩니다. 플라즈마는 에어로졸을 건조시키고 분자를 해리한 다음 질량 분광계에 의해 검출되는 성분으로부터 전자를 제거합니다. 전기분무(ESI) 및 매트릭스 보조 레이저 탈광 이온화(MALDI)와 같은 다른 이온화 방법은 생물학적 샘플을 분석하는 데 사용된다. 이온화 절차에 따라, 이온은 질량 대전율(m/z)에 따라 질량 분광계로 분리되고, 각 이온 타입의 상대적 풍부도가 측정된다. 마지막으로, 검출기는 일반적으로 전하 양극을 가진 이온의 충돌이 컴퓨터에 연결된 전기 회로에 의해 검출될 수 있는 증가하는 수의 전자의 폭포로 이끌어 내는 전자 승수로 이루어져 있습니다.

이 비디오에서, ICP-MS 분석의 절차는 예를 들어 56Fe의 검출에 의해 설명될 것이다.

Principles

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ICP-MS는 고온 ICP(유도 결합 플라즈마) 소스를 질량 분광계와 결합합니다.

시료는 검출되기 위해서는 질량 분석기로 들어가기 전에 이온 형태로 이루어져야 합니다. 고체 시료의 소화 과정은 고체 시료의 배양으로 고온에서 강하고 산화산을 고온에서 산화하고 금속 해석에 따라 장기간 에 이어져 있습니다. 이 샘플은 이온화되는 기체 원자로 변환되는 ICP 플라즈마(6,000-10,000 K의 온도)로 에어로졸로 도입됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 질량 분석기는 쿼드러폴 질량 필터입니다. 단일 질량 대전율(m/z)의 이온만 주어진 시간에 검출기에 도달할 수 있는 정전기 필터로 작동합니다. 초당 최대 15,000개의 달톤(Da)을 분리할 수 있으므로 동시 다원소 분석 특성을 갖는 것으로 간주됩니다. ICP-MS는 10억 달러(ppb) 미만의 입자와 특정 요소에 대해 1조 달러(ppt) 미만의 입자를 가진 원소를 검출할 수 있는 매우 민감한 방법입니다.

마지막으로 검출기 시스템은 검출기를 치는 이온 수를 전기 신호로 변환합니다. 교정 표준(특정 요소에 대한 알려진 농도의 샘플)을 사용하여 관심 있는 하나 또는 여러 요소에 대한 샘플의 농도를 평가할 수 있다.

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Procedure

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1. 폴리 카보네이트 튜브 의 청소

  1. 시료 소화를 위해 산성 용액에 강한 폴리카보네이트 튜브를 사용하십시오. 철의 오염 흔적을 제거하기 위해 모든 튜브를 0.1 M HCl5m로 채웁니다.
  2. 50 °C에서 1 시간 동안 수조에 튜브를 놓습니다.
  3. 5mL의 밀리-Q 물로 튜브를 씻고 오븐이나 화학 후드로 튜브를 건조시다.

2. 샘플 준비 및 소화

  1. 농축 된 질산 (65%)의 1.8 mL에 200 μL의 샘플을 놓습니다.
  2. 50 °C에서 하룻밤 동안 수조에 튜브를 놓습니다. 전체 소화 시간의 감소가 필요한 경우 온도를 증가시켜 프로토콜을 조정합니다.
  3. 튜브를 실온에서 식힙니다.
  4. 최종 질산 농도 벨로우 20 % (v /v)를 얻기 위해 밀리-Q 물의 8 mL을 추가하여 샘플을 희석.
  5. 원심분리기 튜브는 3,000 x g에서 10분 동안 남은 거시적 잔류물을 펠릿합니다.

3. 악기 준비

  1. 초음파를 사용하여 ICP 토치를 5 % 질산으로 15 분 동안 청소하십시오. 5% 질산으로 콘을 닦아냅니다. 연동 튜브를 변경합니다. 펌프 오일 레벨을 확인합니다.
  2. 아르곤과 냉각기를 켜고 플라즈마를 시작합니다. 플라즈마로 액체 흐름을 시작하고 약 20 분, 악기가 안정화 될 때까지 기다립니다.
  3. 렌즈 전압을 최적화합니다. MG, In 및 ICP-MS 계측기의 감도를 확인하기 위해 Mg, In 및 귀가가 포함된 테스트 솔루션을 측정하여 일일 성능 검사를 실행합니다. 산화물 형태와 이중 충전 이온이 3 % 미만으로 유지되어야하는 Ce및 Ba를 측정합니다. 배경 신호를 측정하려면 질량을 8 및 220 Da에서 확인합니다.
  4. 이제 계측기를 사용할 준비가 되었습니다.

4. 사용자의 방법 및 샘플 목록 선택

  1. 관심 있는 요소및 동위원소를 선택합니다.
  2. 스캔 모드를 피크 호핑으로 선택합니다.
  3. 독서당 40스윕(최소 15개)으로 100ms(최소 50)의 거주 시간을 선택합니다. 복제당 판독값 1개, 복제 5개(최소 3개)를 선택합니다. 총 통합 시간은 4,000ms입니다. 샘플 양이 제한되면 거주 시간, 스윕 수 및 복제하여 위에 정의된 최소 값보다 값을 높게 유지합니다.
  4. 암모니아(NH3)의 유량을 0.7mL/분에서 사용하여 56Fe의판정에 40Ar16O의 간섭을 피한다.
  5. 선택한 요소에 대한 교정 곡선을 준비합니다.
  6. 샘플을 실행합니다.

질량 분석법은 시료 내에서 알려지지 않은 화합물의 식별 및 정량화를 가능하게 하는 분석 기법이며, 이들의 구조의 결정이다.

질량 분석에서, 가스 상 이온은 샘플에서 원자 또는 분자로부터 생성된다. 그런 다음 이온은 m/z로 상징되는 질량 대 전하 비율에 따라 분리됩니다.

이러한 분리를 통해 질량 및 구조와 같은 샘플에 대한 정량적 및 질적 정보를 측정할 수 있습니다.

이 비디오는 질량 분석의 기본 개념과 계측을 소개하고 요소 정량화에서의 사용을 보여줍니다.

질량 분광계는 이온화 소스, 질량 분석기 및 검출기로 구성됩니다. 이온화 소스에서 화합물은 일반적으로 단일 양성 전하로 이온화됩니다.

이온은 전자 빔, 플라즈마 또는 레이저와의 충격과 같은 다양한 기술을 사용하여 생성될 수 있으며, 각각 분자 구조의 측정을 돕는 다양한 단편화를 초래합니다. 이러한 메서드는 느슨하게 "하드" 및 "소프트" 이온화로 그룹화됩니다.

단단한 이온화 기술은 광범위한 단편화를 일으켜 질량이 더 많이 생성됩니다.

소프트 이온화 기술은 높은 분자 질량 범위로 단편화를 적게 또는 거의 없음으로 초래합니다.

조각화가 너무 크면 귀중한 구조 정보를 잃어 버릴 수 있습니다. 너무 작으면 작은 분자가 효율적으로 이온화되지 않습니다. 따라서, 이온화 방법의 선택은 관심의 동화및 원하는 정도의 단편화에 달려 있다.

그런 다음 이온이 질량 분석기를 입력할 때 전기장에서 가속되어 분리됩니다.

가장 기본적인 질량 분석기는 동질 자기장을 생성하는 곡선 자석으로 구성된 자기 섹터입니다. 자석의 매력적인 힘, 가속 이온의 원심력은 곡선을 통과하는 원형 경로로 이동하게 합니다.

이온 원형 경로의 반지름은 가속 전압, 적용된 자기장 및 질량 대 전하 비율에 따라 달라집니다.

그런 다음 전압과 자기장을 선택하여 곡선 경로를 통해 특정 질량 대 전하 비율 종만 허용할 수 있습니다. 다른 이온은 자기 통로의 측면에 충돌하고 손실됩니다. 자기장 강도를 스캔함으로써 원하는 이온은 서로 다른 시간에 검출기에 도달하여 각 종을 정확하게 식별합니다.

또 다른 유형의 질량 분석기는 쿼드러폴 질량 필터입니다. 쿼드러폴은 평행 금속 막대 의 두 쌍으로 구성되어 있으며, 각 상대 막대 쌍은 전기적으로 연결되어 있습니다.

직전류 전압이 로드 쌍에 적용되고, 그 전위는 지속적으로 번갈아 가며 쌍이 항상 다른 단계와 위상이 없습니다.

그런 다음 이온 빔은 네 개의 막대의 중심을 통해 전달됩니다. 이온은 봉에서 일정한 매력과 반발로 인해 코르크 스크류와 같은 경로로 여행합니다. 이온 질량 대 충전 비율에 따라 이온은 쿼드러폴의 전체 경로를 이동하여 검출기에 도달하거나 막대에 충돌합니다.

이제 질량 분광계의 기본이 설명되었으므로 실험실에서의 사용을 살펴 볼 수 있습니다.

이 실험에 사용되는 질량 분광계는 쿼드러폴 필터가 있는 교배결합 플라즈마 또는 ICP, 이온제입니다. 계측기는 시료의 금속 성분을 감지하고 정량화하는 데 사용됩니다.

실험을 시작하려면 모든 폴리프로필렌 튜브를 0.1M 염산5m로 채우면 오염된 철의 흔적을 제거하십시오. 튜브를 50°C에서 1시간 동안 수조에 놓습니다.

인큐베이션 후 5mL의 탈이온수로 튜브를 씻고 오븐이나 화학 후드로 튜브를 건조시다.

깨끗한 튜브에서, 관심의 동위 원소를 포함하는 샘플의 농축 된 질산과 200 μL의 1.8 mL을 추가합니다.

농축산을 사용할 때안전 예방조치를 따르십시오.

튜브를 하룻밤 동안 수조에 놓습니다. 필요한 경우 소화 시간을 단축하기 위해 온도를 높일 수 있습니다.

시료를 소화한 후 튜브를 실온으로 식힙니다.

다음으로, 시료를 희석하고 20% 미만의 질산 농도를 얻기 위해 8mL의 탈이온화된 물을 첨가한다. 샘플의 최종 희석은 1/50입니다. ICP에 이상적인 농도는 10억 개당 부품에 있습니다. 나머지 거시적 잔류물을 펠렛하기 위해 튜브를 원심 분리합니다.

ICP는 시료 분자를 이온화하기 위해 전기적으로 전도성인 약 10,000°C에서 결합된 아르곤 플라즈마를 사용하는 하드 이온화 방법입니다.

ICP 토치를 검사하여 기기설정을 시작하여 깨끗한지 확인합니다.

그런 다음 샘플러와 스키머 콘을 검사하여 깨끗이 유지되도록 합니다. 이러한 콘은 ICP 토치에 의해 생성된 이온 빔의 내부 부분만 샘플링할 수 있으며 질량 분광계의 높은 진공에 대한 장벽역할을 한다.

아르곤 압력을 확인하고 냉각기를 시작합니다. 플라즈마와 액체 흐름이 시스템으로 유입됩니다. 시스템이 완전히 따뜻해지도록 20분 기다립니다.

다음으로, 다양한 알려진 원소 표준을 포함하는 표준 테스트 솔루션을 흡인. 테스트 솔루션은 아닐바이트 솔루션의 예상 질량 범위를 커버하도록 선택해야 합니다.

솔루션 흐름이 설정되면 제조업체의 지침에 따라 계측기를 초기화하고 테스트합니다.

계측기를 실행하려면 먼저 관심 있는 요소와 동위원소를 선택합니다. 그런 다음 스캔 모드를 최대 호핑으로 설정합니다.

측정당 5개의 복제를 선택합니다. 각 복제를 40개의 측정 스윕을 포함하도록 설정하며, 각 스윕은 50ms의 거주 시간으로 설정합니다. 총 통합 시간은 복제당 2,000ms입니다.

미리 준비된 표준 솔루션을 측정하여 선택한 요소에 대한 교정 곡선을 준비합니다.

마지막으로, 이 경우, 철 산화질소 나노 입자, 샘플을 실행합니다. 철 보정 곡선을 사용하여 철의 농도를 결정합니다.

질량 분석법은 다양한 이온화 및 질량 분석 기술을 사용하여 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.

이 예에서, 매트릭스 보조 레이저 탈광 이온화 비행 시간, 또는 MALDI-TOF라고 불리는 연이온화 질량 분석법의 유형이 고분자 단백질을 분석하는 데 사용되었다. MALDI를 사용하면 분자가 매트릭스로 안정화되어 큰 분자가 이온화 될 때 분획을 감소시감소시 분자가 안정화됩니다.

단백질 용액과 매트릭스는 모두 깨끗한 MALDI 플레이트에서 발견되었고 건조하였다. MALDI 플레이트는 계측기로 삽입되었고 샘플을 분석하였다.

휘발성 및 산화 에 민감한 화합물의 분석은 전자 이온화 질량 분광법, 하드 이온화 기술을 사용하여 측정되었다.

첫째, 잠금 튜브 시스템은 튜브의 완전한 배출을 가능하게 하기 위해 설계되었으며, 이어서 액체 질소에 의한 냉각 하에서 시료를 적재하였다.

샘플 튜브는 입구 포트에 연결되었고, 샘플은 계측기안에 적재되었다. 이 경우 샘플의 질량 스펙트럼트리스(trifluoromethyl) 인산염은, 그 후 분석하였다.

싱크로트론 방사선과 결합된 분자 빔 질량 분광계는 가스 상 분자 및 클러스터의 전자 구조를 탐구하는 데 사용되었습니다.

싱크로트론 방사선과 통합된 분자 빔은 가스 상에서 분자를 탐사하는 선택적 이온화 방법을 제공했습니다.

샘플은 노즐에 로드되었고, 노즐은 계측기로 재장전되었고, 광자 빔은 챔버에 들어갈 수 있었다.

질량 스펙트럼은 분자의 전자 구조를 결정하기 위해 광화 효율 데이터와 비교하여 수집되었다.

당신은 단지 대량 분광에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 질량 분석의 기본 계측과 기본 질량 분석 기반 분석을 실행하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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산화질소 나노입자를 함유한 시료의 ICP-MS 분석은 다음과 같습니다. 표준 곡선은 56Fe(도1)의공지된 농도를 사용하여 수행하였다. 상관계계수는 1(R2 = 0.999989)에 가까우며 검출기에 의해 측정된 시료 농도와 강도 간의 양호한 선형 관계를 나타냈다. 관심 표본은 교정 범위 내에서 값을나타냈다(그림 2). 소프트웨어에 의해 계산된 농도는 프로토콜 중에 수행된 희석에 따라 조정되었다. 본 프로토콜은 산희석(1/10) 및 밀리-Q 물(1/5)에 따른 희석을 1/50으로 기술하였다. 예를 들어, 51.427 μg/L의 농도는 샘플 번호51(도 2)에대해 측정되었다. 원래 샘플의 농도는 2.57 mg/L에 해당하는 50배 더 높았다.

Figure 1
그림 1. 56Fe 측정을 위한 교정 곡선. 4개의 표준점(0.01, 0.1, 1 및 10 μg/mL)은 0.999989의 상관계수(R2)를 나타낸다. 이것은 검출된 신호 강도와 참조 의 농도 사이의 좋은 선형 관계를 확인합니다.

Figure 2
그림 2. 산화철 나노입자 샘플에 대한 ICP-MS 측정에 따른 대표적인 결과. 각 희석된 샘플의 농도는 정의된 교정 곡선에 따라 자동으로 계산됩니다.

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Applications and Summary

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환경 및 지질 학적 분야는 예를 들어 물, 토양 또는 대기에 존재하는 오염 물질을 측정하는 ICP-MS에 대한 첫 번째 사용을 나타냅니다. Fe, Cu 또는 Al과 같은 수돗물에 고농도로 오염 물질의 존재는 ICP-MS를 사용하여 모니터링할 수 있습니다.

의료 및 법의학 분야는 ICP-MS 감지도 사용합니다. 비소와 같은 금속 중독의 경우 ICP-MS를 사용하여 혈액 및 소변과 같은 샘플을 분석 할 수 있습니다. 이 기술은 또한 특정 요소의 나쁜 배설의 결과로 신진 대사 관심사 또는 간과 적 문제를 관련시키는 병리학의 경우에 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다.

ICP-MS는 모든 재료의 금속을 정량화할 수 있습니다. 도 3에서,Fe의 농도는 나노입자로 측정되었고 자기 공명 영상(MRI) 특성과 관련이 있었다. ICP-MS는 이미징 응용 분야에서 가장 효율적인 나노 입자를 구별하기 위해 다른 나노 입자의 Fe의 신뢰할 수있는 정량화를 제공합니다.

또 다른 응용 프로그램은 금속과 관련된 나노 입자의 생체 분포를 연구하는 것입니다. 도 4는 정맥 주사다음 마우스에서 산화철을 함유하는 나노입자의 장기 생체 분포를 제시한다. 24h에서, 각 기관은 전체 기관 소화가 달성될 때까지 농축 된 질산에서 수집및 소화되었다. 56Fe 농도는 ICP-MS에 의해 정량화되었다. 결과는 순진한 동물의 장기보다 나노 입자로 주입 된 마우스에 대한 간 및 비장에서 56Fe의 높은 농도를 보여줍니다. 따라서 나노 입자가 주로 간 및 비장 기관에 축적되어 있다고 결론을 내렸습니다.

Figure 3
그림 3. 자기 공명 화상 진찰 (MRI) 그들의 Fe 농도의 나노 입자 기능의 측정. 5개의 철분 농도(0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25mMMM)가 MRI 특성(이완률, R2*)에대해 이미지화되었다.

Figure 4
그림 4. 생쥐의 정맥 주사에 따른 산화철 나노입자의 생체 분포. 순진한 견본은 처리되지 않은 마우스에 있는 철의 기저 기관 수준을 보여줍니다. 산화철을 함유하는 나노입자의 주입에 따라, 특정 장기의 철의 양은 나노입자의 축적과 관련이 있다.

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