Весы для молекул: масс-спектрометрия

22.12.2009 Наука и жизнь

Спортивный мир ожидает очередное потрясение: в глубокой тайне был создан новый стероид, что делает из спортсмена сверхчеловека
Как это нашли
Принцип работы весов-спектрометров Электростатический и магнитный сектора в устройстве с двойной фокусировкой. В щели фокусируются ионы, вылетающие из источника не только в различных направлениях, но и с различными энергиями

Квадрупольный анализатор. Ионы с выбранным отношением массы (m) к заряду (z) проходят на протяжении оси анализатора и попадают в детектор, а ионы с другими отношениям m/z сталкиваются со стержнями либо вылетают за пределы рабочего пространства

Быть может, в недалеком будущем привычные всем нам пропускные устройства для проверки пассажиров станут значительно «умнее». Представьте, проходит человек около детектора, легкое дуновение ветерка трогает его одежды — и скоро у работы безопасности уже имеется информация о том, имел ли данный пассажир дело с какими-нибудь страшными веществами.

Пробные образцы таких детекторов так чувствительны, что способны найти следы химического соединения, даже в том случае, если от него осталось всего пара молекул.Весы для молекул: масс-спектрометрия А сделаны они на базе весов-спектрометра — прибора, что может различать молекулы по массе и определять процентное содержание каждого сорта молекул в примере вещества.

По сути, весов-спектрометр — это прецизионные электромагнитные весы, на которых возможно «взвешивать» атомы с точностью до 10−31 грамма. Как раз именно поэтому изобретению в двадцатых годах прошлого века были изучены изотопы всех известных химических элементов, а в то время, когда любопытство ученых было в достаточной мере удовлетворено, наступила очередь прикладных задач.

В сороковые годы в лабораториях Окриджа весов-спектрометр использовался при разделении изотопов урана для первой ядерной бомбы, и тогда же показались первые гражданские потребители этих устройств — нефтяные концерны. Они применяли весов-спектрометры для количественного анализа смеси органических газов.

Принцип действия

Современные весов-спектрометры без сомнений правильнее и идеальнее собственных предшественников столетней давности, но фундаментальный принцип их работы остается неизменным, а конструкция, как и сто лет назад, включает три главных элемента: ионизатор, детектор и анализатор.

Сперва молекулы нужно ионизовать, другими словами отнять у них хотя бы одного электрона. Потому, что электрон в тысячи (а время от времени и в десятки тысяч) раз легче молекулы, ионизация фактически не воздействует на ее массу. По окончании ионизатора частицы попадают в анализатор, что представляет собой вакуумную камеру с электрическими и магнитными полями. Ионы разгоняют электрическим полем, а после этого направляют в магнитное поле, где траектория заряженной частицы искривляется.

Все частицы движутся в одном и том же поле, а между собой они различаются массой и электрическим зарядом. Чем больше заряд, тем посильнее возможно разогнать ион и тем легче развернуть его магнитом, но чем больше его масса, тем тяжелее это сделать из-за инерции. Какую энергию купит частица, какова будет ее степень и скорость искривления траектории, зависит от отношения массы и величины поля частицы к ее заряду.

В случае если высказать предположение, что при ионизации с каждой молекулы удалось сорвать лишь по одному электрону (как значительно чаще и происходит), все ионы будут однозарядными и темперамент их перемещения будет зависеть лишь от массы. Чем тяжелее ион, тем тяжелее его «развернуть» и тем меньше будет кривизна его траектории. Окажется, что частицы с различными весами будут в буквальном смысле разлетаться в различные стороны.

На последней стадии необходимо зарегистрировать эти ионы каким-нибудь детектором заряженных частиц, к примеру фотопластинкой либо вторично-электронным умножителем. Поставив в подходящем месте последовательность детекторов, мы заметим, что частицы с различной массой (но с однообразным зарядом) попадут в различные детекторы. Сейчас выстроим график: по горизонтали отложим координату детектора, зарегистрировавшего ион, а по вертикали — количество этих ионов.

У нас окажется весов-спектр — картина, похожая на спектр излучения: чем больше отличие в весах, тем дальше точки попадания отстоят друг от друга, а чем больше в данное место прилетает частиц, тем больше сигнал и выше соответствующий пик.

В действительности в современных совокупностях употребляется лишь один детектор. На него при конкретном значении поля фокусируются ионы определенной массы. Неспешно меняя величину поля, возможно направлять в детектор попеременно различные ионы и регистрировать их.

Компьютер вычисляет по значениям поля соответствующие веса, сравнивает с БД и сооружает весов-спектр.

Первые испытания

В последовательности основателей весов-спектрометрии первым стоит имя открывателя электрона сэра Джозефа Джона Томсона. В то время, в конце позапрошлого века, многие физики деятельно изучали электрические разряды в газах. Прежде всего их интересовали появлявшиеся наряду с этим заряженные частицы.

Поставив последовательность остроумных опытов, Томсон смог выяснить параметры отрицательно заряженных частиц (каковые мы сейчас знаем как электроны), а позже занялся положительно заряженными — ионами. Для изучения ионов ему было нужно собрать отдельную установку. Томсон разместил катод с отверстиями в середине стеклянной трубки, за ним — магнит, и вдобавок дальше за трубкой — фотопластинку.

Положительно заряженные ионы различных химических соединений, пребывавших в трубке, летели к катоду, через отверстия попадали в магнитное поле и в итоге оставляли следы в различных местах фотопластинки. По координатам частиц на фотопластинке и известным значениям поля Томсон вычислил отношение весов ионов к их зарядам и отметил на фотографиях траектории ионов водорода, атомарного и молекулярного кислорода, углекислого и угарного газа, неона и ртути. Так началась эра весов-спектрометрии.

Лишний вес

По окончании Первой Мировой изучения Томсона продолжил его помощник Фрэнсис Уильям Астон. Усовершенствованный прибор, что Астон назвал весов-спектрографом, разрешал не только заметить линии, соответствующие частицам с различными весами, но и владел достаточной точностью для определения количественных соотношений между ними.

Больше всего Астона и его работников поразило то, что ядерные веса всех легких элементов, выраженные в относительных единицах, с необычной точностью соответствовали целым числам. Приняв массу атома кислорода за 16 единиц, для углерода взяли значение 12, для азота — 14 и т. д. Для тяжелых элементов, с ядерным весом более 30, это «правило целого числа» начинало легко нарушаться, но самым необычным выяснилось значение ядерной массы водорода — не 1, а 1,008.

Причем точность весов-спектрографа была такова, что эту, на первый взгляд малого, отличие не было возможности списать на неточность измерений. Первым, кто осознал важность, а основное — суть данной странности, был сам Астон. Согласно его точке зрения, данный экспериментальный факт подтверждал не что иное, как энергии и взаимный переход массы, предсказанный теорией относительности: в то время, когда пара протонов (ядер водорода) соединяются, образуя второй элемент, часть их массы переходит в энергию, и в итоге масса, к примеру, гелия выясняется немного меньше суммы весов составляющих его частиц.

«Результаты, полученные посредством весов-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе — сообщил Астон в собственной Нобелевской лекции в первой половине 20-ых годов XX века. — Мы можем быть совсем уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы обязана провалиться сквозь землю Быть может, будущие исследователи откроют какой-нибудь метод освобождения данной энергии, что разрешит ее применять. Тогда человечество возьмёт в собственный распоряжение такие возможности, каковые превосходят любую фантазию».

Астон подкрепил собственные слова цифрами. По его расчетам, сделанным на базе весов-спектрометрических теории и измерений относительности, в случае если целый водород, содержащийся всего в 9 граммах воды, перевоплотить в гелий, выделится энергия в размере 200 000 кВт/час, чего по современным меркам достаточно для освещения простой муниципальный квартиры в течение нескольких лет. Теперь-то мы совершенно верно знаем, что именно такие ядерные реакции — источник солнечной энергии, но руководить ею люди могут лишь в режиме термоядерной бомбы, в противном случае говоря, пока еще вовсе не могут.

Так опыты с газоразрядными лампами разрешили физикам сделать далеко идущие выводы о основных особенностях материи, а заодно создать превосходный прибор — весов-спектрометр.

Квадрупольные весов-спектрометры

С возникновением новых способов детектирования вместе с фотопластинками неспешно ушло в прошлое и придуманное Астоном наименование — весов-спектрограф. На смену пришли современные весов-спектрометры, каковые в большинстве собственном сохранили в качестве главного элемента магнитное поле. Весов-спектрометры с магнитом остаются непревзойденными по чувствительности, и, не обращая внимания на высокие энергозатраты и огромные размеры, им нет альтернативы в том месте, где нужна высокая точность.

Поиски более компактного и экономного ответа привели в середине 50-х годов доктора наук Вольфганга Пола и его работников из университета Бонна к созданию весов-спектрометра без магнитного поля — квадрупольного анализатора с переменным электрическим полем. Таковой анализатор складывается из четырех стержней, на пары противоположных стержней подается радиочастотное переменное напряжение и дополнительно — постоянное напряжение между парами.

В зависимости от частоты и величин напряжения к детектору между стержнями движутся лишь ионы с определенным отношением массы к заряду, а остальные вылетают наружу. Конструкция была вправду компактной и весьма практичной.

Миниатюрный квадрупольный весов-спектрометр был изготовлен специально для обеспечения безопасности космонавтов интернациональной космической станции, среди них и при работе в открытом космосе. Это устройство размером с коробку для обуви и весом 2,3 кг может непрерывно осуществлять контроль утечки аммиака, азота, ракетного горючего, кислорода, воды и различных вторых веществ.

Кто стремительнее

Еще до квадруполя, во второй половине 40-ых годов двадцатого века, сотрудник университета Пенсильвании Уильям Стефенс придумал второй метод сортировки молекул по массе без магнита — времяпролетный весов-спектрометр. В нем остался лишь маленький участок электрического поля для разгона ионов,

а главную часть занимало бесполевое пространство. Принцип действия этого прибора был превосходно несложен: тяжелые ионы тяжелее разогнать из-за их инерции, а следовательно, они, имея меньшую скорость по окончании разгона и двигаясь медленнее в дрейфовом пространстве без поля, прилетают к детектору позднее легких. В случае если вычислять, что все ионы заряжены одинаково, время в пути будет прямо пропорционально квадратному корню из массы.

Сперва в детектор прилетят легкие ионы, после этого те, что потяжелее, и в последнюю очередь — самые тяжелые. Таковой прибор был несложнее (не смотря на то, что и имел меньшую точность, чем магнитный) и дешевле, а к тому же владел огромным быстродействием, потому, что целый спектр ионов в широком диапазоне весов регистрировался за один проход и не требуется было тратить время на постепенное трансформацию поля.

Посредством времяпролетного весов-спектрометра в 1985 году был открыт целый класс новых веществ — фуллерены. К тому времени уже было как мы знаем, что в парах углерода присутствуют кластеры — молекулы, складывающиеся из различного числа атомов углерода (до 24). Благодаря весов-спектрометрам удалось различить эти кластеры и выяснить их массы. В то время, когда от паров перешли к изучению углеродной плазмы, направляемой в поток гелия, на весов-спектрах стали видны молекулы из большего числа атомов, а также С60 и С70.

А при определенных режимах создания плазмы пик, соответствующий С60, стал многократно выше всех остальных, что свидетельствовало об устойчивости этого соединения. Так были обнаружены необыкновенные молекулы в форме футбольного мяча, складывающиеся из 60 атомов углерода, за что первооткрывателям фуллеренов во второй половине 90-ых годов XX века была присуждена Нобелевская премия по химии.

Щекотливый подход

Воистину бесконечная сфера применения весов-спектрометрии — анализ сложных органических веществ, без которого немыслима биология и современная медицина. Но это произошло лишь по окончании появления новых способов ионизации. Так как для весов-спектрометрического анализа необходимо взять свободные ионы, соответственно, испарить вещество. Большая часть биологических молекул не выносит для того чтобы насилия над собой и распадается под действием больших температур, сопровождающих процесс испарения.

Исходя из этого для них изобрели более щекотливые методы превращения в свободные ионы. Один из них — ионизация электрораспылением. Раствор вещества под давлением поступает в железный капилляр, на что подано высокое напряжение (3−4 кВ). Из узкого носика капилляра выдавливаются капли, каковые, будучи очень сильно заряженными, распадаются, теряя по пути молекулы растворителя, а напряжение подбирается так, что в весов-спектрометр попадают по большей части ионы биомолекул.

Второй способ, называющиеся «матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация», еще более умный. Изучаемый пример наносится на матрицу из намерено подобранного вещества, талантливого действенно поглощать лазерное излучение. При стремительном нагреве этого «бутерброда» лазерным импульсом молекулы примера ионизуются, не успевая распасться на части.

Благодаря новым методам ионизации весов-спектрометрия биомолекул с применением относительно несложных и недорогих квадрупольных и времяпролетных весов-спектрометров стала активно использоваться на практике — при разработке новых лекарственных препаратов, определении следов психотропных и наркотических веществ, изучениях ДНК, белков и других субстанций. Существуют целые банки данных, благодаря которым возможно идентифицировать органическое вещество по его составляющим, найденным в весов-спектрометре.

Весьма плодотворным выяснилось сочетание весов-спектрометрии и другого физико-химического способа, предназначенного для анализа и разделения смесей — хроматографии. Сперва посредством хроматографа выделяют компоненты смеси и после этого по отдельности направляют их на вход весов-спектрометра. Подобными устройствами оснащены лаборатории допинг-контроля.

Посредством хромато-весов-спектрометров определяют содержание анаболических стероидов, анальгетиков, диуретиков, кортикостероидов и стимуляторов. Как бы ни старался спортсмен, для которого медаль дороже собственного здоровья, скрыть потребление стероидов, ему это не удастся сделать — современный весов-спектрометр способен отыскать в крови либо моче кроме того миллиардную долю этих запрещенных препаратов. Действительно, тут идет необычная борьба: кто-то синтезирует новые средства для допинга, а кто-то пробует их найти, и без для того чтобы инструмента, как весов-спектрометр, последними, вероятнее, эта гонка была бы проиграна.

На все случаи судьбы

В наши дни разные применения весов-спектрометрии вышли за рамки неповторимых проектов, а дабы обрисовать способы ионизации масс-и многочисленные конструкции анализаторов, не хватило бы и целого номера издания. Портативные хромато-весов-спектрометры имеется на вооружении американской армии в Ираке. Они разрешают найти незначительные следы реагентов химического оружия и употребляются для предварительного анализа окружающей обстановки.

Точные устройства для весов-спектрального анализа покупают таможенные работы — это метод шепетильно осуществлять контроль состав нефтепродуктов и определять происхождение нефти практически с точностью до скважины, потому, что изотопный состав неповторим для каждого месторождения.

Современный весов-спектрометр может занимать экспериментальный зал либо помещаться в небольшой коробке на столе, содержать сверхпроводящий магнит либо обходиться вовсе без магнитного поля. Чувствительность этих устройств поражает воображение. Достаточно миллиграмма органического загрязнителя на тонну воды, дабы весов-спектрометр усомнился в ее качестве, а неорганической примеси — и того меньше.

Парадоксально, но высокая чувствительность может сама стать источником неприятностей: к примеру, при проверке пассажиров ничтожные следы наркотиков, случайно попавшие на финансовые купюры, смогут быть найдены на руках совсем добропорядочного гражданина! Но, это задача уже другого сорта, и, имея в собственном распоряжении таковой превосходный инструмент, как весов-спектрометр, человек точно сможет ее решить.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№22, август 2004).

Случайные записи:

Масс-спектрометрия -сколько весит молекула


Похожие статьи, которые вам понравятся: