Выкарыстанне мас-спектрометраў у хіміі
Мас-спектрометр — адзін з найважнейшых аналітычных прыбораў у сучаснай хіміі. Гэты інструмент дазваляе навукоўцам «бачыць» склад узору на аснове мас яго складовых часціц, у прыватнасці, мас іонаў. Дзякуючы магчымасці ідэнтыфікаваць злучэнні, вызначаць малекулярныя структуры, вымяраць канцэнтрацыі рэчываў і нават выяўляць забруджвальнікі ў надзвычай малых колькасцях, мас-спектрометры сталі асновай розных галін хіміі: арганічнай хіміі, неарганічнай хіміі, біяхіміі, хіміі навакольнага асяроддзя, фармацэўтыкі і нават крыміналістыкі. У гэтым артыкуле коратка абмяркоўваюцца прынцыпы працы і асноўныя сферы прымянення мас-спектрометраў у хіміі, а таксама тлумачыцца, чаму гэты метад настолькі каштоўны.
Асноўныя прынцыпы мас-спектрометрыі
Мас-спектрометрыя працуе шляхам пераўтварэння малекул у іоны, а затым падзелу іонаў на аснове іх суадносін масы да зарада (m/z). Звычайна мас-спектрометр мае тры асноўныя кампаненты: крыніцу іёнаў, мас-аналізатар і дэтэктар.
1. Іянізацыя: Узор падвяргаецца ўздзеянню энергіі для ўтварэння іонаў. Існуюць розныя метады іянізацыі, у тым ліку электронная іянізацыя (EI), электрараспыляльная іянізацыя (ESI) і матрычна-асіставаная лазерная дэсорбцыя/іянізацыя (MALDI).
2. Падзел на аснове m/z: іоны прапускаюцца праз мас-аналізатар, такі як квадруполь, часапалётны (TOF), іённая пастка або арбітрап, каб падзяліць іх у адпаведнасці са значэннем m/z.
3. Дэтэкцыя: Дэтэктар вылічвае інтэнсіўнасць іонаў пры кожным значэнні m/z, ствараючы такім чынам мас-спектр у выглядзе пікаў, якія прадстаўляюць пэўныя іонаў.
Мас-спектр можна разглядаць як хімічны «адбітак пальца»: яго пікавая карціна адметная, асабліва ў спалучэнні з інфармацыяй аб фрагментацыі і метадамі падзелу, такімі як храматаграфія.
1. Ідэнтыфікацыя злучэнняў і вызначэнне малекулярнай масы
Найбольш базавае прымяненне мас-спектрометра — вызначэнне малекулярнай масы і ідэнтыфікацыя злучэнняў. Пры аналізе арганічных злучэнняў пікі, якія прадстаўляюць малекулярныя іоны або аддукты (напрыклад, [M+H]^+ у ESI), даюць непасрэдную інфармацыю аб малекулярнай масе.
На практыцы ідэнтыфікацыя звычайна ажыццяўляецца праз:
– Супастаўленне спектраў з бібліятэкамі мас-спектраў, асабліва для метадаў электронна-імпульснага аналізу лятучых злучэнняў.
– Дакладнае вызначэнне масы (высокаразрозная мас-спектрометрыя) для ацэнкі малекулярных формул на аснове вельмі дакладных значэнняў масы.
– Ізатопныя структуры (напрыклад, Cl і Br маюць характэрныя ізатопныя структуры), якія дапамагаюць вызначыць элементны склад.
Гэтая здольнасць мае вырашальнае значэнне, калі даследчыкі сінтэзуюць новыя злучэнні: перад тым, як прыступіць да далейшага аналізу, яны могуць пацвердзіць, што атрыманы прадукт мае правільную масу.
2. Вызначэнне структуры праз фрагментацыю (MS/MS)
Акрамя вымярэння масы, мас-спектрометры можна выкарыстоўваць для вывучэння малекулярнай структуры праз фрагментацыю. У некаторых метадах малекулярныя іёны могуць распадацца на меншыя фрагменты. Гэтыя заканамернасці фрагментацыі даюць падказкі аб функцыянальных групах, вугляродных шкілетах і тым, як злучаны атамы.
Метады тандэмнай мас-спектрометрыі (МС/МС) вельмі папулярныя, бо яны дазваляюць выбіраць пэўныя іоны (іоны-папярэднікі), а затым кантраляваць іх фрагментацыю для атрымання фрагментных іёнаў (іонаў-прадуктаў). З гэтага хімікі могуць:
– Вызначыць становішча пэўных груп у малекуле.
– Адрознівайце ізамеры, якія маюць аднолькавую малекулярную масу, але розную структуру.
– Аналізаваць складаныя малекулы, такія як пептыды, метабаліты або прыродныя злучэнні.
У арганічнай хіміі і біяхіміі MS/MS часта спалучаецца з алгарытмамі пошуку для інтэрпрэтацыі фрагментаў, што робіць працэс вызначэння структуры больш хуткім і сістэматычным.
3. Аналіз складаных сумесяў з дапамогай ГХ-МС і ВХ-МС
Шмат якія рэальныя хімічныя ўзоры не з'яўляюцца чыстымі злучэннямі, а даволі складанымі сумесямі. Перавага мас-спектрометрыі заключаецца ў тым, што яе можна спалучаць з такімі метадамі падзелу, як:
– ГХ-МС (газавая храматаграфія-мас-спектрометрыя) для лятучых і тэрмаўстойлівых злучэнняў, такіх як растваральнікі, вуглевадароды, некаторыя пестыцыды або араматычныя кампаненты.
– LC-MS (вадкасная храматаграфія-мас-спектрометрыя) для нелятучых або тэрмалабільных злучэнняў, такіх як лекі, метабаліты, фарбавальнікі і біямалекулы.
Храматаграфія падзяляе кампаненты сумесі на аснове іх часу ўтрымання, у той час як МС ідэнтыфікуе кожны кампанент на аснове яго мас-спектра. Гэта спалучэнне эфектыўнае, таму што:
– Змяншае перакрыццё сігналаў паміж злучэннямі.
– Дазваляе праводзіць якасны і колькасны аналіз у адной серыі.
– Павышаная адчувальнасць і селектыўнасць у параўнанні з асобнымі метадамі.
У аналітычнай хіміі ГХ-МС і вадкасны спектраспектрометр з'яўляюцца стандартамі як для руцінных, так і для навукова-даследчых выпрабаванняў.
4. Колькасная ацэнка: дакладнае вымярэнне ўтрымання рэчываў
Мас-спектрометрыя выкарыстоўваецца не толькі для «ідэнтыфікацыі» злучэнняў, але і для вымярэння іх канцэнтрацыі з высокай адчувальнасцю. У многіх выпадках МС здольная выяўляць злучэнні ў слядовых колькасцях, такіх як нанаграмы на літр або ніжэй, асабліва пры выкарыстанні селектыўных рэжымаў маніторынгу.
Колькасная ацэнка з дапамогай MS часта выкарыстоўвае:
– Унутраныя стандарты (часта мечаныя ізатопамі) для карэкцыі варыяцый ін'екцый і матрычных эфектаў.
– Калібровачная крывая для сувязі інтэнсіўнасці сігналу з канцэнтрацыяй.
– Рэжымы накіраванага выяўлення, такія як SIM/MRM (на квадруполі або трайным квадруполі), для павышэння селектыўнасці.
Гэтыя перавагі асабліва важныя ў фармацэўтычнай галіне, таксікалогіі і аналізе навакольнага асяроддзя, дзе патрабуюцца нізкія межы выяўлення і высокая дакладнасць.
5. Прымяненне ў фармацэўтычнай хіміі і распрацоўцы лекаў
У распрацоўцы лекаў мас-спектрометры выкарыстоўваюцца ад пачатковых этапаў да кантролю якасці. Напрыклад:
– Ідэнтыфікацыя і характарыстыка кандыдатаў у лекі: забеспячэнне структуры і чысціні.
– Метабалічныя даследаванні: выяўленне метабалітаў лекаў у крыві або мачы, ацэнка шляхоў біятрансфармацыі.
– Выпрабаванне стабільнасці: маніторынг прадуктаў раскладання пад уздзеяннем святла, цяпла або pH.
– Вызначэнне прымешак: выяўленне прымешак на вельмі малых узроўнях, якія могуць паўплываць на бяспеку.
LC-MS/MS з'яўляецца асабліва надзейным інструментам, паколькі ён здольны аналізаваць лекавыя злучэнні, якія часта з'яўляюцца палярнымі і складанымі, і добра працуе ў біялагічных матрыцах.
6. Хімія навакольнага асяроддзя: выяўленне забруджвальных рэчываў і кантамінантаў
Галіна хіміі навакольнага асяроддзя патрабуе метадаў, здольных выяўляць забруджвальныя рэчывы на вельмі нізкіх узроўнях. Мас-спектрометры выкарыстоўваюцца для:
– Вымярэнне пестыцыдаў, гербіцыдаў і прадуктаў іх раскладання ў вадзе і глебе.
– Выяўленне цяжкіх металаў і відаў элементаў (з дапамогай спецыяльных метадаў, такіх як ICP-MS для элементаў).
– Аналіз устойлівых арганічных злучэнняў, такіх як ПХБ, дыяксіны або ПАВ.
– Маніторынг новых забруджвальных рэчываў, такіх як фармацэўтычныя рэшткі, мікразабруджвальнікі і перфторалкільныя злучэнні.
Маючы дакладныя дадзеныя, даследчыкі могуць ацаніць крыніцы забруджвання, яго распаўсюджванне і рызыкі для здароўя і экасістэм.
7. Біяхімія і пратэоміка: аналіз вялікіх біямалекул
Метады мяккай іанізацыі, такія як ESI і MALDI, адкрываюць магчымасці для аналізу вялікіх малекул, такіх як бялкі, пептыды і алігануклеатыды. У біяхіміі мас-спектрометрыя выкарыстоўваецца для:
– Пратэоміка: ідэнтыфікацыя бялкоў у складаных сумесях, картаграфаванне посттрансляцыйных мадыфікацый (напрыклад, фасфаралявання).
– Метабаломіка: картаграфаванне профіляў метабалітаў для разумення фізіялагічных станаў або захворванняў.
– Вызначыць масу і неаднароднасць біямалекул (напрыклад, гліказіляванне).
Гэтая роля паказвае, што карыснасць мас-спектрометраў не абмяжоўваецца «чыстай» хіміяй, але і стала ключавым інструментам у малекулярных навуках аб жыцці.
8. Судовая хімія і бяспека харчовых прадуктаў
Мас-спектрометры шырока выкарыстоўваюцца ў крыміналістыцы для:
– Выяўленне наркотыкаў, новых псіхаактыўных рэчываў і іх метабалітаў.
– Аналіз атруты, алкаголю або выбуховых рэчываў.
– Праверка сапраўднасці ўзораў і адсочванне хімічных крыніц.
У галіне бяспекі харчовых прадуктаў MS дапамагае правяраць:
– Рэшткі пестыцыдаў на садавіне і гародніне.
– Забруджвальнікі, такія як меламін, мікатаксіны або забароненыя злучэнні.
– Сапраўднасць прадукту (напрыклад, спецыяльныя профілі для дыферэнцыяцыі фальсіфікацыі).
Яго перавагамі з'яўляюцца высокая селектыўнасць, пацвярджальныя магчымасці і адчувальнасць, якая адпавядае рэгулятыўным стандартам.
Выснова
Сферы прымянення мас-спектрометраў у хіміі шырокія: ад ідэнтыфікацыі злучэнняў, вызначэння малекулярнай масы, вызначэння структуры праз фрагментацыю, аналізу сумесяў з дапамогай ГХ-МС/ВХ-МС, колькаснага вызначэння ўзроўняў рэчываў да спецыялізаваных ужыванняў у фармацэўтыцы, ахове навакольнага асяроддзя, біяхіміі, крыміналістыцы і бяспецы харчовых прадуктаў. Спалучэнне высокай адчувальнасці, селектыўнасці і гнуткасці ў метадах іанізацыі і масавага аналізу робіць гэты прыбор «шматмэтавым інструментам» для хімікаў.
Пры жаданні гэты артыкул можна дадаткова развіць, дадаўшы асобныя падраздзелы па тыпах іянізацыі (EI, ESI, MALDI), тыпах мас-аналізатараў (квадрупольны, TOF, арбітрап), а таксама рэальныя прыклады з кожнай вобласці прымянення.
