Химийн салбарт массын спектрометрийн хэрэглээ
Массын спектрометр нь орчин үеийн химийн хамгийн чухал аналитик багажуудын нэг юм. Энэхүү хэрэгсэл нь эрдэмтдэд дээжийн найрлагыг түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн масс, ялангуяа ионуудын масс дээр үндэслэн "харах" боломжийг олгодог. Нэгдлүүдийг тодорхойлох, молекулын бүтцийг тодорхойлох, бодисын концентрацийг хэмжих, тэр ч байтугай маш бага хэмжээгээр бохирдуулагчийг илрүүлэх чадвартай тул массын спектрометрүүд нь органик хими, органик бус хими, биохими, хүрээлэн буй орчны хими, эм зүй, тэр ч байтугай шүүх эмнэлгийн янз бүрийн салбарын гол тулгуур болсон. Энэхүү нийтлэлд химийн салбарт массын спектрометрийн ажиллах зарчим, гол хэрэглээний талаар товч авч үзэх бөгөөд энэ техник яагаад ийм үнэ цэнэтэй болохыг тайлбарлах болно.
Массын спектрометрийн үндсэн зарчмууд
Массын спектрометр нь молекулуудыг ион болгон хувиргаж, дараа нь ионуудыг масс-цэнэг (m/z) харьцаагаар нь ялгах замаар ажилладаг. Ерөнхийдөө массын спектрометр нь гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэгтэй: ионы эх үүсвэр, массын анализатор, илрүүлэгч.
1. Ионжуулалт: Дээжийг ион үүсгэхийн тулд энергиэр цэнэглэдэг. Электрон ионжуулалт (EI), Электро шүршигч ионжуулалт (ESI), Матрицын тусламжтайгаар лазер десорбци/ионжуулалт (MALDI) зэрэг янз бүрийн ионжуулалтын аргууд байдаг.
2. m/z дээр суурилсан ялгалт: Ионуудыг квадрупол, нислэгийн хугацаа (TOF), ионы хавх, эсвэл Orbitrap зэрэг массын анализатороор дамжуулж, m/z утгын дагуу ялгадаг.
3. Илрүүлэлт: Илрүүлэгч нь м/з утга бүрт ионы эрчимийг тооцоолж, улмаар тодорхой ионуудыг төлөөлдөг оргилуудын хэлбэрээр массын спектр үүсгэдэг.
Массын спектрийг химийн "хурууны хээ" гэж үзэж болно: түүний оргил хээ нь өвөрмөц бөгөөд ялангуяа хроматографи зэрэг хуваагдлын мэдээлэл болон ялгах аргуудтай хослуулсан үед онцгой байдаг.
1. Нэгдлүүдийг тодорхойлох ба молекулын массыг тодорхойлох
Массын спектрометрийн хамгийн үндсэн хэрэглээ бол молекулын массыг тодорхойлох, нэгдлүүдийг тодорхойлох явдал юм. Органик нэгдлүүдийн шинжилгээнд молекулын ион эсвэл нэмэлтүүдийг төлөөлдөг оргилууд (жишээлбэл, ESI дахь [M+H]^+) нь молекулын массын талаарх шууд мэдээллийг өгдөг.
Практикт таних тэмдгийг ихэвчлэн дараах байдлаар хийдэг.
– Спектрийг массын спектрийн сангуудтай тохируулах, ялангуяа дэгдэмхий нэгдлүүд дээрх EI техникүүдэд.
– Өндөр нарийвчлалтай массын утга дээр үндэслэн молекулын томъёог тооцоолохын тулд массыг нарийн тодорхойлох (өндөр нарийвчлалтай MS).
– Элементийн найрлагыг тодорхойлоход тусалдаг изотопын хэв маяг (жишээ нь Cl ба Br нь онцлог изотопын хэв маягтай).
Судлаачид шинэ нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэх үед энэ чадвар маш чухал юм: цаашдын шинжилгээ хийхээсээ өмнө үүссэн бүтээгдэхүүн нь зөв масстай эсэхийг баталгаажуулж чадна.
2. Хэсэгчилсэн бүтцийг тайлбарлах (MS/MS)
Массыг хэмжихээс гадна массын спектрометрийг молекулын бүтцийг хуваагдмал байдлаар судлахад ашиглаж болно. Зарим аргуудад молекулын ионууд жижиг хэлтэрхий болж задарч болно. Эдгээр хуваагдлын хэв маяг нь функциональ бүлгүүд, нүүрстөрөгчийн араг яс, атомууд хэрхэн холбогдсон талаарх сэжүүрийг өгдөг.
Тандем масс спектрометрийн (MS/MS) аргууд нь тодорхой ионуудыг (прекурсор ионууд) сонгож, дараа нь хяналттай хуваагдмал байдлыг ашиглан фрагмент ионуудыг (үйлдвэрлэлийн ионууд) үүсгэх боломжийг олгодог тул маш их алдартай. Үүнээс химич нар дараахь зүйлийг хийж чадна:
– Молекул дахь тодорхой бүлгүүдийн байрлалыг тодорхойлох.
– Ижил молекул масстай боловч өөр өөр бүтэцтэй изомеруудыг ялгаж сур.
– Пептид, метаболит эсвэл байгалийн нэгдлүүд зэрэг нарийн төвөгтэй молекулуудыг шинжлэх.
Органик хими ба биохимийн салбарт MS/MS-ийг хайлтын алгоритмуудтай хослуулан хэлтэрхийг тайлбарладаг бөгөөд энэ нь бүтцийг тодорхойлох үйл явцыг илүү хурдан, илүү системчилсэн болгодог.
3. GC-MS болон LC-MS-тэй нийлмэл хольцын шинжилгээ
Олон бодит химийн дээж нь цэвэр нэгдлүүд биш, харин нарийн төвөгтэй холимог юм. Массын спектрометрийн давуу тал нь үүнийг дараахь ялгах аргуудтай хослуулж болно.
– Уусгагч, нүүрсустөрөгч, тодорхой пестицид, эсвэл үнэртүүлэгч бүрэлдэхүүн хэсгүүд зэрэг дэгдэмхий болон термостотвортой нэгдлүүдийг тодорхойлох GC-MS (Хийн хроматографи-Масс спектрометр) арга.
– Эм, метаболит, будагч бодис, биомолекул зэрэг дэгдэмхий бус эсвэл термолабил нэгдлүүдийг тодорхойлох LC-MS (Шингэн хроматографи-Масс спектрометр).
Хроматографи нь хольцын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хадгалах хугацаанд нь үндэслэн ялгадаг бол MS нь бүрэлдэхүүн хэсэг бүрийг түүний массын спектр дээр үндэслэн тодорхойлдог. Энэ хослол нь дараах шалтгааны улмаас хүчтэй байдаг.
– Нэгдлүүдийн хоорондох дохионы давхцлыг бууруулдаг.
– Нэг цувралд чанарын болон тоон шинжилгээ хийх боломжийг олгодог.
– Ганц техниктэй харьцуулахад мэдрэг чанар болон сонгомол чанар нэмэгдсэн.
Аналитик химийн хувьд GC-MS болон LC-MS нь ердийн болон судалгааны туршилтын аль алиных нь стандарт юм.
4. Тоон үзүүлэлт: Бодисын агууламжийг нарийвчлалтай хэмжих
Массын спектрометрийг зөвхөн нэгдлүүдийг "тодорхойлох" төдийгүй тэдгээрийн концентрацийг өндөр мэдрэмжтэйгээр хэмжихэд ашигладаг. Олон тохиолдолд MS нь нэгдлүүдийг ул мөрийн түвшинд, тухайлбал литр тутамд нанограмм эсвэл түүнээс бага түвшинд, ялангуяа сонгомол хяналтын горимыг ашиглах үед илрүүлэх чадвартай.
MS-ээр тоон үзүүлэлтийг ихэвчлэн ашигладаг:
– Тарилгын хэлбэлзэл болон матрицын нөлөөллийг засах дотоод стандартууд (ихэвчлэн изотопоор тэмдэглэгдсэн).
– Дохионы эрчимийг концентрацитай холбох тохируулгын муруй.
– Сонголт сайтай байдлыг нэмэгдүүлэхийн тулд SIM/MRM (дөрвөлжин эсвэл гурвалсан дөрвөн тулгуурт) зэрэг чиглэл илрүүлэх горимууд.
Эдгээр ашиг тус нь ялангуяа бага илрүүлэлтийн хязгаар, өндөр нарийвчлал шаарддаг эм зүй, хор судлал, хүрээлэн буй орчны шинжилгээнд чухал ач холбогдолтой юм.
5. Эмийн хими ба эмийн нээлтийн хэрэглээ
Эмийн хөгжилд массын спектрометрийг эхний үе шатнаас чанарын хяналт хүртэл ашигладаг. Жишээлбэл:
– Эмийн нэр дэвшигчдийг тодорхойлох, шинж чанарыг тодорхойлох: бүтэц, цэвэр байдлыг хангах.
– Бодисын солилцооны судалгаа: цус эсвэл шээсэнд эмийн метаболит илрүүлэх, биотрансформацийн замыг үнэлэх.
– Тогтвортой байдлын туршилт: гэрэл, дулаан эсвэл рН-ийн нөлөөгөөр задралын бүтээгдэхүүнийг хянах.
– Хольцыг тодорхойлох: аюулгүй байдалд нөлөөлж болох маш бага түвшинд байгаа хольцыг илрүүлэх.
LC-MS/MS нь ихэвчлэн туйлширсан, нарийн төвөгтэй байдаг эмийн нэгдлүүдийг шинжлэх чадвартай бөгөөд биологийн матрицуудад сайн ажилладаг тул найдвартай хэрэгсэл юм.
6. Байгаль орчны хими: Бохирдуулагч ба бохирдуулагчийг илрүүлэх
Байгаль орчны химийн салбарт бохирдуулагч бодисыг маш бага түвшинд илрүүлэх чадвартай техник шаардлагатай. Массын спектрометрийг дараахь зүйлд ашигладаг.
– Ус, хөрсөнд агуулагдах пестицид, гербицид болон тэдгээрийн задралын бүтээгдэхүүнийг хэмжих.
– Хүнд металл болон элементийн төрөлжилтийг илрүүлэх (элементүүдэд зориулсан ICP-MS гэх мэт тодорхой аргуудаар).
– ПХБ, диоксин эсвэл ПАХ зэрэг удаан эдэлгээтэй органик нэгдлүүдийн шинжилгээ.
– Эмийн үлдэгдэл, бичил бохирдуулагч, перфторалкил нэгдлүүд зэрэг шинээр гарч ирж буй бохирдуулагчдыг хянах.
Нарийн мэдээлэл ашиглан судлаачид бохирдлын эх үүсвэр, тархалт, эрүүл мэнд, экосистемд учирч болзошгүй эрсдлийг үнэлж чадна.
7. Биохими ба протеомик: Том биомолекулуудыг шинжлэх нь
ESI болон MALDI зэрэг зөөлөн ионжуулалтын аргууд нь уураг, пептид, олигонуклеотид зэрэг том молекулуудын шинжилгээнд үүд хаалгыг нээж өгдөг. Биохимийн салбарт массын спектрометрийг дараахь зүйлд ашигладаг.
– Протеомик: нарийн төвөгтэй холимог дахь уургуудыг тодорхойлох, орчуулгын дараах өөрчлөлтийг (жишээлбэл, фосфоржуулалт) зураглах.
– Метаболомикс: физиологийн нөхцөл байдал эсвэл өвчнийг ойлгохын тулд метаболитын профайлыг зураглах.
– Биомолекулуудын масс ба олон янз байдлыг (жишээ нь гликозилизаци) тодорхойлох.
Энэ үүрэг нь масс спектрометрийн ашиг тус нь зөвхөн "цэвэр" химигээр хязгаарлагдаагүй, харин молекулын амьдралын шинжлэх ухааны гол хэрэгсэл болж байгааг харуулж байна.
8. Шүүхийн шинжилгээний хими ба хүнсний аюулгүй байдал
Масс спектрометрийг дараах зорилгоор шүүх эмнэлгийн практикт өргөн ашигладаг.
- Мансууруулах бодис, сэтгэцэд нөлөөлөх шинэ бодис, тэдгээрийн метаболитуудыг илрүүлэх.
– Хор, архи, тэсрэх бодисын шинжилгээ.
– Дээжийн жинхэнэ эсэхийг баталгаажуулах болон химийн эх үүсвэрийг мөрдөх.
Хүнсний аюулгүй байдлын хувьд MS нь дараахь зүйлийг шалгахад тусалдаг.
– Жимс, хүнсний ногооны пестицидийн үлдэгдэл.
– Меламин, микотоксин эсвэл хууль бус нэгдлүүд зэрэг бохирдуулагч бодисууд.
– Бүтээгдэхүүний жинхэнэ байдал (жишээ нь хуурамч байдлыг ялгах тодорхой профайлууд).
Үүний давуу талууд нь өндөр сонгомол чанар, баталгаажуулах чадвар, зохицуулалтын стандартад нийцсэн мэдрэмж юм.
Дүгнэлт
Массын спектрометрийг химийн салбарт өргөн хүрээнд ашигладаг: нэгдлүүдийг тодорхойлох, молекулын массыг тодорхойлох, бутархайгаар дамжуулан бүтцийг тодруулах, GC-MS/LC-MS ашиглан хольцын шинжилгээ хийх, бодисын түвшинг тоон үзүүлэлтээр тодорхойлохоос эхлээд эм зүй, хүрээлэн буй орчин, биохими, шүүх эмнэлгийн шинжилгээ, хүнсний аюулгүй байдлын чиглэлээр мэргэшсэн хэрэглээ хүртэл. Ионжуулалт болон массын шинжилгээний аргуудын өндөр мэдрэмж, сонгомол чанар, уян хатан байдлын хослол нь энэхүү багажийг химичдийн хувьд "олон зориулалттай хэрэгсэл" болгодог.
Хэрэв хүсвэл энэ өгүүллийг ионжуулалтын төрөл (EI, ESI, MALDI), массын анализаторын төрөл (квадрупол, TOF, Orbitrap), мөн хэрэглээний талбар бүрээс бодит ертөнцийн жишээнүүдийн талаарх тодорхой дэд бүлгүүдээр цаашид хөгжүүлж болно.
