Kvadrupólový hmotnostní spektrometr

Kapalinový chromatograf s hmotnostním spektrometrem pracujícím na principu doby letu v kombinaci s kvadrupolovým analyzátorem (qTOF). Umožňuje měření v tzv. vysokém rozlišení a slouží zejména k tzv. necílové analýze biologicky aktivních látek (např. nepovolená léčiva a rostlinné toxiny) v potravinách v laboratoři SZPI v Praze.

Kvadrupólový hmotnostní spektrometr je druh analyzátoru ve hmotnostní spektrometrii. Skládá ze čtyř navzájem rovnoběžných válců,[1] které vytvářejí kvadrupól, jenž slouží jako hmotnostní analyzátor, součást hmotnostního spektrometru, která odděluje jednotlivé ionty na základě poměru hmotnosti a náboje (m/z). Ionty jsou v kvadrupólových spektrometrech oddělovány na základě stability svých drah v oscilujících elektrických polích přiváděných na tyče.[1]

Stavba přístroje

Kvadrupól je tvořen čtyřmi navzájem rovnoběžnými kovovými tyčemi. Dvojice proti sobě umístěných tyčí jsou elektricky propojeny a mezi dvojicemi je vytvořeno vysokofrekvenční střídavé napětí. Ionty se pohybují mezi tyčemi směrem dolů. Do detektoru se při určitém napětí dostanou pouze ionty s určitými hodnotami poměru hmotnosti a náboje, ostatní ionty se pohybují po nestabilních drahách a srážejí se s tyčemi; tím se oddělují ionty s konkrétními hodnotami m/z, které lze měnit změnami napětí.[1] Matematicky lze tento jev vyjádřit Mathieuovou diferenciální rovnicí.[2]

Dráha iontu v kvadrupólovém hmotnostním spektrometru

Nejvhodnějším tvarem tyčí je hyperbola. Válcové tyče s určitým poměrem průměru ke vzájemným vzdálenostem mohou mít vlastnosti velmi podobné hyperbolickým a lze je poměrně snadno vyrobit. Malé odchylky od tohoto poměru mohou výrazně zhoršit rozlišení. Mírné odchylky v tomto poměru u zařízení od různých výrobců způsobují odlišné provozní vlastnosti spektrometrů. Vyrábějí se i kvadrupólové hmotnostní spektrometry s tyčemi, které mají tvar skutečné hyperboly.

Vícenásobné kvadrupóly a ostatní varianty

Spojení kvadrupólového analyzátoru s analyzátorem doby letu

Je možné zapojit za sebe tři kvadrupólové hmotnostní spektrometry, čímž se vytvoří trojitý kvadrupólový hmotnostní spektrometr. První (Q1) a třetí (Q3) kvadrupól slouží jako hmotnostní filtry, zatímco prostřední (q2) jako kolizní buňka, která obsahuje radiofrekvenční kvadrupól využívající Ar, He nebo N2 o nízkém tlaku (~ Pa, ~30 eV) k dosahování srážek, které způsobují disociace vybraných iontů z  Q1. Vzniklé fragmenty jsou přemístěny do Q3, kde jsou analyzovány.

Tímto způsobem lze zkoumat fragmenty použitelné pro stanovení struktury tandemovou hmotnostní spektroskopií. Q1 lze například použít jako 'filtr' pro ionty léčiva o známých hmotnostech, které se tvoří v 2. Třetí kvadrupól (Q3) může zkoumat široké rozmezí m/z a tím získávat údaje o četnosti jednotlivých fragmentů, což umožňuje určit strukturu původních molekul.

Toto uspořádání kvadrupólových hmotnostních spektrometrů navrhl Jim Morrison z LaTrobovy univerzity v Austrálii za účelem výzkumu fotodisociace iontů v plynné fázi.[3] První takový spektrometr vyvinul na Michiganské státní univerzitě Christie Enke a student Richard Yost ke konci 70. let 20. století.[4]

Kvadrupóly mohou být součástmi hybridních hmotnostních spektrometrů; například sektorový hmotnostní spektrometr lze spojit s kolizním kvadrupólovým.[5]

Hmotnostně separující a kolizní kvadrupóly je možné propojit s přístroji založenými na době letu za vzniku zařízení nazývaného QTOF MS.[6][7] Používají se ve hmotnostní spektrometrii peptidů a jiných biopolymerů.[8]

Je známa obdoba kvadrupólového spektrometru nazývaná monopól, která pomocí dvojice elektrod vytváří čtvrtinu kvadrupólu.[9] Jedna elektroda je kruhová a druhá má tvar písmene V. Výkonnost je nižší než u kvadrupólu.

Vylepšení výkonnosti kvadrupólového hmotnostního spektrometru lze dosáhnout zabudováním zdroje magnetického pole do přístroje. Pomocí magnetických polí různě orientovaných vůči QMS bylo dosaženo několika pokroků.[10][11]

Využití

Kvadrupólové hmotnostní spektrometry jsou velmi výhodné v případech, kdy je potřeba zkoumat konkrétní ionty, protože je lze na delší dobu přizpůsobit konkrétnímu iontu. Využívají se často v kombinaci s kapalinovou nebo plynovou chromatografií, kde slouží jako vysoce specifické detektory. Kvadrupólové hmotnostní spektrometry jsou často nepříliš nákladné a lze je použít na několik různých účelů. Jednoduché kvadrupólové hmotnostní spektrometry s elektronovou ionizací se používají k analýze plynů, diagnostice plazmatu a v SIMS systémech.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Quadrupole mass analyzer na anglické Wikipedii.

  1. ↑ a b c Edmond de Hoffmann; Vincent Stroobant. Mass Spectrometry: Principles and Applications. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2003. ISBN 978-0-471-48566-7. S. 65. 
  2. ↑ Gerald Teschl. Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems. Providence: American Mathematical Society, 2012. Dostupné online. ISBN 978-0-8218-8328-0. 
  3. ↑ J. D. Morrison. Personal reminiscences of forty years of mass spectrometry in Australia. Organic Mass Spectrometry. 1991, s. 183–194. DOI 10.1002/oms.1210260404. 
  4. ↑ R. A. Yost; C. G. Enke. Selected ion fragmentation with a tandem quadrupole mass spectrometer. Journal of the American Chemical Society. 1978, s. 2274. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2012-02-19. DOI 10.1021/ja00475a072.  Archivováno 19. 2. 2012 na Wayback Machine.
  5. ↑ G. Glish; S. McLuckey; T. Ridley; R. Cooks. A new "hybrid" sector/quadrupole mass spectrometer for mass spectrometry/mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics. 1982, s. 157. DOI 10.1016/0020-7381(82)85032-8. Bibcode 1982IJMSI..41..157G. 
  6. ↑ A. Shevchenko; A. Loboda; A. Shevchenko; W. Ens; K. G. Standing. MALDI quadrupole time-of-flight mass spectrometry: a powerful tool for proteomic research. Analytical Chemistry. 2000, s. 2132–2141. DOI 10.1021/ac9913659. PMID 10815976. 
  7. ↑ H. Steen; B. Küster; M. Mann. Quadrupole time-of-flight versus triple-quadrupole mass spectrometry for the determination of phosphopeptides by precursor ion scanning. Journal of Mass Spectrometry. 2001, s. 782–790. DOI 10.1002/jms.174. PMID 11473401. Bibcode 2001JMSp...36..782S. 
  8. ↑ Igor V. Chernushevich. An introduction to quadrupole–time-of-flight mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry. 2001, s. 849–865. DOI 10.1002/jms.207. PMID 11523084. Bibcode 2001JMSp...36..849C. 
  9. ↑ U. von Zahn. Monopole Spectrometer, a New Electric Field Mass Spectrometer. Review of Scientific Instruments. 1963, s. 1–4. DOI 10.1063/1.1718110. Bibcode 1963RScI...34....1V. 
  10. ↑ S. Syed; S. Maher; S. Mann. Quadrupole mass filter operation under the influence of magnetic field. Journal of Mass Spectrometry. 2013, s. 1325–1339. DOI 10.1002/jms.3293. PMID 24338888. Bibcode 2013JMSp...48.1325S. 
  11. ↑ S. Maher; S. Syed; D. Hughes; J. Gibson; S. Taylor. Mapping the stability diagram of a quadrupole mass spectrometer with a static transverse magnetic field applied. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2013, s. 1307–1314. DOI 10.1007/s13361-013-0654-5. PMID 23720050. Bibcode 2013JASMS..24.1307M. 

Média použitá na této stránce

Liquid chromatograph with a mass spectrometer operating on the principle of flight time in combination with a quadrupole analyzer (qTOF) in CAFIA laboratory, Czech Republic.jpg
Autor: Sarka Na kopci, Licence: CC BY-SA 4.0
Liquid chromatograph with a mass spectrometer operating on the principle of flight time in combination with a quadrupole analyzer (qTOF). It affects the measurement in the so-called high resolution and serves mainly for the so-called non-target analysis of biologically active substances (eg unauthorized drugs and plant toxins) in food, in CAFIA laboratory, Czech Republic.
Quadrupole mass analyzer.svg
Autor: Angelus, Licence: CC BY-SA 3.0
Tento vektorový obrázek byl vytvořen programem Inkscape .
Agilent 6538 Ultra High Definition (UHD) Accurate-Mass Q-TOF.jpg
Autor: Michael Pereckas from Milwaukee, WI, USA, Licence: CC BY 2.0
Pumping Down - Agilent 6538 Ultra High Definition (UHD) Accurate-Mass Q-TOF LC-MS System