ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2008, том 63, № 12, с. 1236-1264
= ОБЗОРЫ
УДК 543.51
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
В НАЧАЛЕ XXI ВЕКА
© 2008 г. А. Т. Лебедев*, В. Г. Заикин**
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет
119992 Москва, Ленинские горы, 1/3 **Институт нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский просп., 29 Поступила в редацию 25.05.2006 г.
В последние 15-20 лет масс-спектрометрия вышла на первые роли в качестве метода качественного анализа и количественного определения самых разнообразных веществ - от изотопов химических элементов до синтетических полимеров, белков, нуклеиновых кислот. Метод позволяет работать как с индивидуальными соединениями, так и со сложнейшими смесями, содержащими сотни и тысячи соединений. Он непревзойден по чувствительности, информативности и экспрессности. В обзоре представлены современные достижения масс-спектрометрии, включая методы ионизации, разделения ионов, а также разнообразные варианты ее применения в различных областях науки и деятельности человека.
Если считать годом рождения масс-спектрометрии 1901, когда немецкий физик В. Кауфман создал первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения "катодных лучей", метод совсем недавно отметил свой вековой юбилей. Символичным оказалось присуждение Нобелевской премии в области химии в 2002 двум масс-спектрометристам - Джону Фенну и Коичи Танаке. Конечно, эта премия никак не была приурочена к юбилею, а явилась признанием тех революционных перемен в масс-спектрометрии, которыми ознаменовалось последнее десятилетие прошлого века, в частности, благодаря вкладу этих ученых. Самым важным результатом этих перемен стал стремительный прорыв масс-спектрометрического метода в область исследований термически лабильных, нелетучих, высокополярных и высокомолекулярных соединений, которые ранее были недоступны прямому масс-спектрометрическому анализу. Но особенно существенным стало активное проникновение масс-спектрометрии в различные науки о жизни, позволившее детально исследовать самые разные биологические полимеры (белки и пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы) и даже целые микроорганизмы, что до сих пор было практически недоступно не только масс-спектрометрии, но и другим методам исследования. Этому успеху способствовало создание новых уникальных способов ионизации, разделения и детектирования ионов и широкомасштабное внедрение компьютерной техники. Параллельно создавалась новая и совершенствовалась традиционная аппаратура, позволяющая значительно улучшить основные характеристики метода (чувствительность, экспрессность, разрешающую способность, воспроизводимость, уровень автоматизации). И сейчас все более глубо-
кое проникновение в исследование жизни клетки диктует разработку новых модификаций масс-спек-трометрических методов, их комбинаций с другими методами, улучшение аналитических показателей, удешевление и миниатюризацию приборной техники. Практически по любой из названных выше характеристик масс-спектрометрия сейчас превосходит подавляющее большинство других методов анализа.
Трудно назвать раздел знаний, в котором бы не использовалась масс-спектрометрия. Наиболее эффективно она применяется сейчас в разных областях физики и особенно химии, начиная от неорганической и кончая биоорганической химией, биохимией (протеомика и др.), биофизикой и медицинской химией (фармакология, токсикология, допинг-контроль), геохимией, нефтехимией. Нельзя переоценить успехи масс-спектрометрии в решении многих практических, в том числе и производственных задач. Это клиническая медицина, пищевая промышленность, геология, космические исследования, криминалистика, охрана окружающей среды, гигиена и санитария, археология, контроль промышленных процессов, обороноспособность, промышленное разделение и исследование радиоактивных изотопов, антитеррористическая деятельность и многое-многое другое. Отметим основные достоинства масс-спектрометрии, существенно отличающие ее от других методов исследования и анализа.
- Метод позволяет определять молекулярную массу соединения, которая является его важнейшей индивидуальной характеристикой. На основании точной массы, полученной с использованием масс-спектрометрии высокого разрешения можно определить элементный состав соединений даже без вы-
I, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
JiLi
51
105
77
J_L_
_L
148
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
150
m/z
Рис. 1. Масс-спектр электронной ионизации бутирофенона.
деления их из смесей, не прибегая к традиционным методам элементного анализа.
- Современные масс-спектрометры позволяют устанавливать молекулярные массы сверхтяжелых молекул. Зарегистрированный на сегодня рекорд составляет 110000000 дальтон.
- Набор осколочных ионов, образующихся при распаде исходных молекул, обеспечивает информацию о структуре исследуемого вещества. Для идентификации и установления структуры соединений можно использовать как компьютерные библиотеки масс-спектров, так и проводить "ручную" интерпретацию спектров с учетом известных закономерностей фрагментации.
- Масс-спектрометрия обладает феноменальной чувствительностью и во многих случаях может быть применена в количественном анализе. Для исследования на стандартном оборудовании необходимо 10-12 г или 10-14 M индивидуального соединения. Достигнутые рекорды чувствительности - 10-18 г или 10-21 M, т.е. речь идет о нескольких сотнях молекул определяемого соединения в пробе.
- Масс-спектрометрия обеспечивает уникальную возможность прямого анализа сложнейших смесей органических соединений (до нескольких тысяч компонентов) с помощью комбинации газовой, жидкостной хроматографии, капиллярного электрофореза или их многомерных вариантов с масс-спектрометрией в режиме реального времени. Методы тандемной масс-спектрометрии при анализе смесей порой вообще не требуют применения дополнительной разделительной техники.
- С учетом важнейшей структурной и количественной информации, получаемой из масс-спектров, и автоматизации метод обеспечивает высочайшую скорость анализа. Например, использование время-пролетного анализатора со скоростью регистрации до 500 спектров/с позволяет за 8-10 мин провести качественное и количественное определение 150 приоритетных органических загрязняющих веществ.
Интерпретация масс-спектрометрических данных зачастую оказывается проще по сравнению с интерпретацией в других спектральных методах. Во
многих случаях для установления структуры соединения достаточно обычных химических знаний. Примером может служить спектр электронной ионизации, представленный на рис. 1. Самый тяжелый ион, зарегистрированный прибором, имеет массу 148 дальтон. Это молекулярная масса соединения. Масс-спектрометрия высокого разрешения дает его точную массу 148.0888 дальтон, что соответствует элементному составу С10Н12О. Небольшое количество пиков фрагментных ионов свидетельствует об их сравнительно высокой устойчивости и выгодности образования, что обычно характерно для ароматических соединений. Интенсивные пики ионов с m/z 105 и 77 почти однозначно указывают на присутствие в составе фрагмента C6H5CO-, что подтверждается также присутствием пика иона с m/z 51 и отсутствием пика иона с m/z 91 [C6H5CH2]+. Оставшиеся 43 единицы массы могут быть обусловлены только пропильной или изопро-пильной группой. Пик иона с m/z 120 свидетельствует об отщеплении из молекулярного иона молекулы этилена, что возможно только в случае про-пильного заместителя. Таким образом, на рис. 1 представлен спектр бутирофенона.
Идентификация сравнительно простых соединений по их масс-спектрам сейчас легко производится с помощью компьютеров, являющихся неотъемлемой частью современных масс-спектрометров. Последние версии коммерческих компьютерных библиотек содержат несколько сот тысяч спектров, что позволяет идентифицировать изучаемое соединение в считанные секунды. Наиболее эффективной для использования в масс-спектрометрии с электронной ионизацией является масс-спектральная библиотека NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library, очередная версия которой NIST05 выпущена в 2005 г. В нее включено 190825 спектров для 163198 соединений. Кроме того, она содержит 120786 литературных и оценочных величин газохроматографиче-ских индексов удерживания для 25728 соединений, а также 5191 спектр МС/МС для 1920 исходных ионов. Для удобства работы в комплект библиотеки входят программы анализа спектров, изотопный калькулятор, интерпретатор масс-спектров, а так-
(а) (б)
цом в процессе МАЛДИ: а) до лазерного импульса, б) после лазерного импульса.
же улучшенная программа АМБК для деконволю-ции и обработки данных ГХ/МС.
Как уже было отмечено выше, очень важные события в масс-спектрометрии произошли в последние 15-20 лет, когда были созданы и стали активно использоваться так называемые "мягкие" способы перевода трудно летучих, полярных, термически нестабильных, высокомолекулярных органических соединений в ионное газообразное состояние. Вместе с тем традиционные способы ионизации, такие как электронная ионизация, химическая ионизация, фотоионизация в разных вариантах по-прежнему остаются в арсенале исследователей. Рамки данного обзора не позволяют подробно рассмотреть все многообразие масс-спектрометрических методов и их применение. Будут обсуждены только некоторые наиболее интересные и перспективные результаты, достигнутые за последнее время.
СОВРЕМЕННЫЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Масс-спектрометрия основана на ионизации молекул, обычно сопровождающейся их распадом, и анализе всей совокупности образующихся ионов путем разделения их по отношению массы т к заряду г. Помимо ионного источника и анализатора ионов масс-спектрометры снабжены системами детектирования ионов, сбора и обработки данных. Насчитываются уже десятки способов превращения молекул в газофазные ионизованные состояния, основанные на самых разных физических принципах, а также несколько типов анализаторов масс. Реализация различных комбинаций устройств этих двух типов приводит к большому разнообразию масс-спектраль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.