Общие вопросы по ГХ-МС (хроматография и масс-спектрометрия)

Что такое химическая ионизация

Химическая ионизация (Chemical Ionization, CI) — это «мягкий» метод получения ионов из молекул органических соединений, элюируемых из колонки хроматографа в ионный источник масс-спектрометрического детектора. В отличие от «жесткого» метода бомбардировки молекул электронами — ионизации электронным ударом (Electron Impact, EI -), при котором происходит фрагментация молекулы на относительно большое количество ионов, при химической ионизации происходит образование ионов со значительно меньшей фрагментацией вследствие ионно-молекулярных реакций.

Соответственно этот метод имеет свои преимущества и недостатки. Основные преимущества:

• Получение информации о молекулярной массе молекулы, поскольку при химической ионизации образуется, как правило, только один молекулярный ион, масса которого равна массе анализируемой молекулы, В особенности это актуально для тех классов соединений, которые при электронном ударе фрагментируют с полным распадом молекулы на множество ионов, т.е. не образуют молекулярного иона.
• Возможность исследования не только положительных, но и отрицательных ионов, в то время как при электронном ударе практически все образующиеся ионы являются положительно заряженными. При химической ионизации могут образовываться как положительные, так и отрицательно заряженные ионы. Причем для ряда соединений образование отрицательных ионов является преимущественным процессом ионизации, что приводит к увеличению чувствительности. В результате масс-спектрометрический детектор становится аналогом электронно-захватного, но с гораздо большими возможностями. Так, например, отрицательная химическая ионизация (NCI) незаменима для высокочувствительного детектирования галагено- и нитросодержащих соединений, превосходя электронный удар в положительных ионах на 2-3 порядка по чувствительности.
Недостатки:
• масс-спектры химической ионизации малоинформативны для определения структуры молекулы и, соответственно, ее идентификации;
• масс-спектры химической ионизации плохо воспроизводимы, поскольку зависят от множества физических параметров — давления газа-реагента, температуры в источнике, конструкции источника, чистоты газа-реагента и т.д. Поэтому, а также по причине, изложенной в предыдущем пункте, невозможно использовать эти масс-спектры для составления библиотек;
• источник химической ионизации работает при повышенном давлении, создаваемом газом-реагентом, что приводит к более быстрому его загрязнению и более быстрому износу некоторых частей масс-спектрометра.
Таким образом, можно сказать, что масс-спектрометрический детектор с химической ионизацией — это скорее инструмент исследователя, в то время как детектор с электронным ударом — инструмент для проведения повседневных анализов.

Какие библиотеки спектров могут поставляться с масс-спектрометрическим детектором?

Как правило, с комплексом поставляется библиотека (база данных) масс-спектров веществ, наиболее часто встречающихся в практике, NIST’08, которая является продуктом Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology — NIST). Данный институт — это правительственная организация США, отвечающая за поддержку правительством науки и технологий, установление стандартов FIPS, в частности, стандартов, не составляющих государственной тайны. NIST — член ISO.
База данных содержит три библиотеки спектров, полученных в режиме электронной ионизации:

• основную библиотеку (mainlib — Main EI MS library), содержащую 191436 спектров;
• библиотеку спектров репликатов (replib — Replicate spectra), содержащую 28307 спектров;
• библиотеку спектров солей (nist_salts — EI Salt Library), содержащую 717 спектров

а также

• библиотеку спектров МС-МС (nist_msms MS/MS Library), содержащую 14,802 спектров;
• библиотеку индексов удерживания Ковача (Retention Index Library), содержащую 293247 значений для 44008 веществ.

Основная библиотека содержит спектры веществ, наиболее часто встречающихся в практике следующих организаций:
NIST — National Institute of Standards and Technology — Национальный институт стандартов и технологий США;
EPA — Environmental Protection Agency — Управление по охране окружающей среды;
NIH — National Institutes of Health — Национальные институты здравоохранения.
Какого-либо деления или структуризации веществ (спектров) в библиотеке не предусмотрено.
Есть поиск по названию, молекулярной массе и т.д. Также реализован автоматический поиск по полученному в результате анализа спектру.
Библиотека используется со всеми масс-спектрометрами от ведущих производителей в мире.

Кроме этой библиотеки, может быть поставлена библиотека спектров Wiley AccessPak 8th Edition, также содержащая спектры веществ, наиболее часто встречающихся в практике. В ее состав также входят и спектры из библиотеки NIST. Эта библиотека содержит 399383 спектров, в том числе 310000 спектров уникальных веществ. Но это более дорогая библиотека.
Какого-либо деления или структуризации веществ (спектров) в данной библиотеке также не предусмотрено.
При необходимости мы можем произвести поставку следующих специализированных библиотек:

• Библиотека наркотических и сильнодействующих веществ (Pfleger-Maurer-Weber library), (включает 6300 наркотических и лекарственных веществ и их метаболитов);
• Специализированная пестицидная библиотека Thermo Finnigan (776 спектров).

Можно ли выполнять на данном МСД анализ диоксинов?

Для анализа диоксинов требуется МСД более высокого разрешения, чем данный прибор, который имеет единичное разрешение по массам.

Какой круг задач можно решать на МСД?

Круг задач, выполняемых на МСД, определяется нормативными документами по использованию хромато-масс-спектрометров.

Все задачи можно систематизировать по следующим разделам:

• Экология. 
  Определение содержания вредных примесей в воздухе. Анализ возможен при условии предварительной концентрации проб. Связанные с этим процедуры включают экстракцию, конденсацию в ловушках или поглощение адсорбентами. 
  Определение содержания вредных примесей в поверхностной, подземной и питьевой водах. Позволяет установить детальный состав загрязнений и определить их количественно на уровне ПДК. Требуется предварительное концентрирование вредных примесей при извлечении их из воды. 
  Определение загрязняющих веществ в почве. Прибор позволяет идентифицировать многочисленные летучие органические соединения в почве, донных отложениях, твердых отходах и городском мусоре.
• Токсикология. Идентификация токсичных и вредных соединений и определение их концентраций в сыворотке крови и моче. Анализ лекарственных препаратов, токсикантов. Прибор позволяет исследовать распределение, метаболизм и выведение лекарственных препаратов в организме человека. Определение примесей в лекарственных препаратах.
• Криминалистика. Прибор позволяет проводить анализ состава наркотических и взрывчатых средств.
• Анализ пищевых продуктов. Возможно решение следующих задач: идентификация компонентов, определяющих вкусовые характеристики продуктов и их запах; установление путей изменения исходных компонентов, определяющих изменение вкуса и запаха продуктов, идентификация новообразованных компонентов во время хранения и в процессе термического воздействия; идентификация токсичных компонентов, возникающих или привнесенных в пищевые продукты; установление путей их возникновения и изменения в результате хранения и термического воздействия.

Гелий марки «А» или гелий марки «60»? Какой лучше?

Ответ на данный вопрос подобен ответу на вопрос о качестве питьевой воды: воду какого качества употреблять человеку в пищу?

В оригинальной документации на масс-спектрометрический детектор прописано, что при работе с МСД требуется высокочистый гелий 99,999 в качестве газа-носителя с содержанием менее, чем 1 ppm каждой из примесей – воды, кислорода и суммарно углеводородов.

По процентному содержанию гелия, этому требованию удовлетворяет гелий марки «50» или 55, но эти марки не удовлетворяют предъявляемым требованиям (не более 0,0001 %) по содержанию воды (у гелия «50» оно не более 0,0005 %, а у гелия «55» - не более 0,0003 %. Содержание воды меньше всего в гелии марки «60» (не более 0,0002 %), хотя также превышает требуемое значение в 2 раза.

Для обеспечения требований производителя в комплекте ЗИП МСД поставляется сменный фильтр-картридж для очистки газа-носителя от кислорода, влаги и органических примесей, который обеспечивает на своем выходе чистоту газа лучше, чем 99,9999 %. Замену фильтра-картриджа рекомендуется производить как минимум один раз в год, не обращая внимания на его уровень насыщения, показываемый цветовыми индикаторами. Реальный срок замены фильтра-картриджа в пределах года напрямую зависит от чистоты входного газа. Естественно, что при питании гелием марки «60» этот срок – наибольший.

Таким образом, при наличии фильтра-картриджа и при условии его ненасыщенности, вы можете работать как с гелием марки «А», так и «60». Но при работе с насыщенным фильтром или без фильтра возрастает загрязненность МСД, ухудшаются его метрологические характеристики, увеличиваются эксплуатационные затраты.

Для справки ниже в таблице приведены физико-химические показатели гелия марок «А» и «60», в том числе и ориентировочная цена.

Контролируемые физико-химические показатели
Требование к гелию по документации на МСД
Гелий очищенный марка "А"
Гелий высокой чистоты марка "60"
Отношение численных значений характеристик гелия «60» и гелия «А»

He, % не менее		99,995	99,9999
H2, % не более		0,0001	0,000005	20
N2, % не более		0,0005	0,000045	11
O2+Ar,% не более	0,0001	0,0001	0,000015	6,6
СО2 + СО, % не более		0,0002	0,00001	20
Углеводород, % не более	0,0001	0,0001	0,00001	10
Ne, % не более		0,004	0,000015	266
H2O, % не более	0,0001	0,0005	0,0002	2.5
Давление при стандартных условиях, МПа, не менее		15,0	15,0
Ориентировочная цена производителя на конец 2006 г. , руб		1805,40	3363,00	1,9

Как видим, гелий марки «60» чище гелия марки «А по содержанию кислорода и аргона в 6.6 раза, по содержанию углеводородов в 10 раз, а по содержанию воды в 2.5 раза.

"Инертный металл" против "золота", или квадруполь из какого материала выбрать?

Нередко потребители акцентируют наше внимание на своем желании иметь масс-спектрометрический детектор с "золотыми" квадрупольными стержнями. Всегда ли такое желание оправдано?

Существует два подхода к изготовлению квадрупольных стержней масс-анализатора в масс-спектрометрическом детекторе.

Подход 1. Тело стержней (обычно гиперболического сечения) изготавливается из кварцевого стекла или керамики, а для обеспечения проводящей поверхности стержней - они покрываются золотой пленкой.

Подход 2. Стержни (обычно круглого сечения) целиком изготавливаются из инертных материалов.

Каковы преимущества использования квадрупольных стержней, изготовленных из инертного металла по сравнению с стержнями, изготовленными из кварца или керамики с покрытием пленкой золота?

• При использовании в масс-спектрометре кварцевых стержней с золотым покрытием требуется постоянный прогрев квадрупольной сборки для уменьшения их загрязнения, что ведет к увеличению потребления электроэнергии. Дело в том, что такие стержни нельзя подвергать загрязнению, поскольку их нельзя чистить. Однако, несмотря на постоянный подогрев во время работы хромато-масс-спектрометра неминуемо часть ионов, отклоняющихся от пучка, попадает на стержни квадруполя, что приводит к их загрязнению, неравномерности квадрупольных электрических полей и потере чувствительности.
• Металлические стержни работают при комнатной температуре. В случае использования металлических стержней, их можно чистить и чувствительность их восстанавливается. Чистка позолоченных стержней ведет к невосстановимой деградации аналитических параметров детектора.
• Изготовление стержней квадруполя из металла требует высокой точности, что, в свою очередь, требует высокого технологического уровня. Стоимость изготовления такого квадруполя выше, чем стержней из кварца или керамики с покрытием тонкой пленкой золота.
• Позолоченные стержни хрупкие и могут быть случайно разбиты при техническом обслуживании прибора.
• Позолоченных стержней нельзя вообще касаться рукой.

В целом масс-спектрометрические детекторы обеих конструкций обладают примерно одинаковыми аналитическими возможностями, но детекторы со стержнями из инертного металла более предпочтительны с точки зрения простоты и эффективности технического обслуживания.

Так в масс-спектрометрическом детекторе DSQ стержни основного квадруполя выполнены из высококачественного инертного металла с высочайшей точностью, что обеспечивает практически бесконечный срок его службы.

Кроме того, перед основным аналитическим квадруполем в отличие от обычной схемы построения установлен квадрупольный префильтр, на который подается только радиочастотное напряжение. Это обеспечивает, с одной стороны, лучшую фокусировку пучка ионов, с другой стороны, предохраняет квадруполь от загрязнений. Эта технология является уникальной и запатентована Thermo Electron.

Стержни квадрупольного префильтра изогнуты, что препятствует попаданию нейтральных частиц из источника ионов на детектор и, соответственно, улучшению отношение сигнал/шум.

Кстати само название детектора DSQ происходит от английского Dual Stage Quadrupole - двустадийный квадруполь. 

Какой насос лучше - турбомолекулярный или диффузионный?

В поступающих к нам заявках на хромато-масс-спектрометрические комплексы потребители часто выставляют в качестве одного из требований наличие у масс-спектрометрического детектора диффузионного насоса, не подозревая при этом, что техника не стоит на месте и существует более лучший вариант - турбомолекулярный насос.

Попробуем разобраться и аргументировано ответить на вопрос: почему турбомолекулярный насос все же лучше диффузионного?

Как известно и диффузионный и турбомолекулярный насосы используются для достижения высокого вакуума в камере, где размещаются ионный источник с системой фокусирующих электрических линз, масс-анализатор с префильтром (в нашем случае - квадрупольный) и детектирующее устройство.

Можно отметить следующие преимущества при использовании турбомолекулярных насосов в сравнении с диффузионными:

• Турбомолекулярный насос по принципу своего действия является "сухим". При его работе в вакуумную систему масс-спектрометрического детектора не попадают пары масла, которые дают свой вклад в фоновый масс-спектр. В то же время при использовании диффузионного насоса пары масла загрязняют (покрывают) все внутренние поверхности масс-детектора (источника ионов, масс-анализатора, детектора) тонкой пленкой, изменяющей параметры настройки и ведущей к постепенной деградации аналитических характеристик.
• При возникновении аварийных ситуаций, связанных с внезапным отключением форвакуумного насоса, резкой разгерметизацией вакуумной системы, при использовании диффузионного насоса может произойти выброс масла в вакуумную камеру (манифолд) масс-детектора. После этого очистка внутренних поверхностей масс-спектрометра может представлять весьма сложную задачу, а в случае использования квадруполей, изготовленных из стекла или керамики с покрытием тонкой пленкой проводящего металла (например, золота), потребуется замена квадруполя.
• При использовании турбомолекулярных насосов выход на рабочий режим масс-спектрометра при включении и выключение происходит значительно быстрее.
• Диффузионный насос оборудован устройством, которое должно разогреть масло до температуры кипения. Для этого требуется время. При выключении надо ждать пока это устройство (печка) остынет.
• Масс-спектрометрический детектор с турбомолекулярным насосом потребляет меньше электроэнергии, чем детектор с диффузионным насосом.
• Турбомолекулярный насос выделяет меньшее количество тепла по сравнению с диффузионным насосом, предъявляя при этом более мягкие требования к системе охлаждения.
• Благодаря более высокой производительности турбомолекулярных насосов (250 л/сек) масс-спектрометрический детектор с таким насосом обладает лучшей чувствительностью по сравнению с детектором, в котором используется диффузионный насос тех же габаритов.

Из недостатков можно отметить лишь один:

• Срок службы диффузионных насосов больше, чем турбомолекулярных. Однако надо отметить, что он совсем не маленький и составляет более 25000 часов бесперебойной работы без дополнительного технического обслуживания.

И в заключение надо отметить, что во всех новейших моделях квадрупольных масс-спектрометрических детекторов используются турбомолекулярные насосы. Это справедливо и для хромасов DSQ от Thermo Electron, и для Shimadzu, и для Perkin Elmer, и для Varian, и даже для Agilent. 

Масс-спектрометрический детектор или масс-селективный? Как правильно? В чем различие?

Нам часто задают вопрос: в чем разница между масс-спектрометрическим детектором и масс-селективным детектором?

Для ответа на этот вопрос мы выбрали самый простой способ - обратились к известным и знаменитым энциклопедиям..

Результаты поиска по Британской Энциклопедии Britannica Online http://www.britannica.com следующие.

• для термина "mass spectrometric" (масс-спектрометрический) получен результат: 6.статей, в которых упоминается данное словосочетание
• для термина "mass spectrometer" (масс-спектрометр) получен результат: 62.статьи, в которых упоминается данное словосочетание
• для термина "mass spectral" (масс-спектральный) получен результат: 5.статей, в которых упоминается данное словосочетание
• для термина "mass selective" получен результат, вернее, полное отсутствие результата: Sorry, we were unable to find results for your search (Извините, невозможно найти результат для Вашего запроса)

Результаты поиска по Российской мега энциклопедии на портале http://mega.km.ru/search/srch.asp (или по Большой энциклопедии Кирилла и Мефодия, 2003 на компакт диске):

• для термина "масс-спектрометрия" найдено 10 статей, в том числе основная: 
  масс-спектрометрия (масс-спектроскопия), метод исследования вещества путем определения спектра масс частиц, содержащихся в веществе, и их относительного содержания (распространенности). Универсальный аналитический метод, широко применяемый в физике, химии, биологии и др.
• для термина "масс-спектрометр" найдено 6 статей, в том числе основная: 
  масс-спектрометр - прибор для разделения ионизованных атомов или молекул по их массам. Основан на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, движущихся в вакууме. Для регистрации ионных токов обычно используются усилители постоянного тока либо фотопластинки.
• для термина "масс-спектрометрический" найдена 1 статья - термин упоминается один раз в статье о российском химике Овчинникове Ю. А.
• термин "масс-селективный" - не упоминается вообще

Однако полученные результаты совсем не означают, что термин "масс-селективный" не существует. Термин есть и используется, но только применительно к масс-спектрометрическим детекторам компании Agilent Technologies Inc. Причем надо отметить, что в рекламно-информационных материалах самой компании http://www.chem.agilent.com этот термин используется наряду, а порою даже и одновременно с термином масс-спектрометрический детектор, таким образом, констатируя идентичность обоих словосочетаний. В подтверждение этого сама компания Agilent Technologies Inc. позиционирует свои хромато-масс-спектрометры, как GC/MS (Gas Chromatograph/Mass Spectrometer) system, т.е. как газовый хроматограф / масс-спектрометр системы, признавая тем самым первичность термина масс-спектрометрический.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что термины масс-спектрометрический детектор и масс-селективный детектор по своей сути обозначают один и тот тип детекторов, в которых реализован один и тот же принцип разделения ионизированных частиц., а именно масс-спектрометрический метод. Однако термин масс-спектрометрический появился раньше (до появления продукции компании Agilent Technologies Inc.), при этом является первичным, более употребляемым и общепринятым во всем мире для названия данного типа детекторов. 

Колонки какого диаметра требуются для применения в хромато-масс-спектрометрах?

Чем меньше поток газа-носителя через колонку - тем лучше работает масс-спектрометрический детектор, тем легче турбомолекулярному насосу откачивать газ-носитель гелий и тем меньше уровень загрязнений и шумов. Более того, чем больше диаметр колонки, тем хуже ее эффективность в ГХ/МС, поскольку часть ее длины работает под вакуумом.

Поэтому лучшие колонки - это колонки диаметром 0.25 мм или 0.1 мм.

Хотя конечно, в зависимости от конфигурации вакуумной системы откачки масс-спектрометрического детектора можно использовать любые колонки. Например:

• при производительности насоса 70 л/с лучше, чтобы объемная скорость газа не превышала 1 мл/мин и диаметр колонки не превышал 0.25 мм,
• при 250 л/с допустимо 2 мл/мин и даже чуть больше, а диаметр колонки не превышал 0.25 мм.
• Колонки большего диаметра не рекомендуется использовать для масс-спектрометрического детектора, поскольку возникают проблемы по созданию требуемого давления на входе колонки или откачке больших объемов гелия, элюируемых из колонки. Для моделирования давления и потоков через колонку используйте наш газовый калькулятор.

Ранее использовались различные устройства, позволяющие использовать толстые (и даже набивные) колонки на ГХ/МС - сепараторы, открытый сброс, рестрикторы - но сейчас к ним прибегают очень редко.