Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Реплика третьего масс-спектрографа FW Aston .
Масс-спектрометр, используемый в NIH в 1975 году.

История масс - спектрометрия имеет свои корни в физических и химических исследованиях относительно природы материи. Изучение газовых разрядов в середине 19 века привело к открытию анодных и катодных лучей , которые оказались положительными ионами и электронами . Улучшенные возможности разделения этих положительных ионов позволили открыть стабильные изотопы элементов. Первое такое открытие было сделано с элементом неон , который, как показала масс-спектрометрия, имеет как минимум два стабильных изотопа: 20 Ne (неон с 10 протонами и 10нейтронов ) и 22 Ne (неон с 10 протонами и 12 нейтронами). Масс-спектрометры использовались в Манхэттенском проекте для разделения изотопов урана, необходимых для создания атомной бомбы . [1]

Гипотеза Праута [ править ]

Гипотеза Праута была попыткой начала XIX века объяснить свойства химических элементов, используя внутреннюю структуру атома . В 1815 году английский химик Уильям Праут заметил, что измеренные атомные веса были целыми кратными атомному весу водорода . [2] [3] Гипотеза Праута оставалась влиятельной в химии на протяжении 1820-х годов. Однако более тщательные измерения атомных весов, например, проведенные Йенсом Якобом Берцелиусом в 1828 году или Эдвардом Тернером в 1832 году, по-видимому, опровергли это. В частности, атомный весхлор , который в 35,45 раз больше, чем водород , в то время не мог быть объяснен с точки зрения гипотезы Праута. На решение этой проблемы уйдет больше века.

Канальные лучи [ править ]

Канальный луч (анодно-лучевая) трубка

В середине девятнадцатого века Юлиус Плюкер исследовал свет, излучаемый газоразрядными трубками, и влияние магнитных полей на свечение. [4] Позже, в 1869 году, Иоганн Вильгельм Хитторф изучил разрядные трубки с энергетическими лучами, исходящими от отрицательного электрода , катода. Эти лучи создавали флуоресценцию, когда попадали на стеклянные стенки трубки, а когда их прерывали твердым предметом, они отбрасывали тень.

Канальные лучи, также называемые анодными лучами , наблюдал Ойген Гольдштейн в 1886 году. Гольдштейн использовал газоразрядную трубку с перфорированным катодом . Лучи образуются в отверстиях (каналах) катода и распространяются в направлении, противоположном « катодным лучам », которые представляют собой потоки электронов . Гольдштейн назвал эти положительные лучи «Каналстрахлен» - канальные лучи .

Открытие изотопов [ править ]

В правом нижнем углу этой фотопластинки нанесены отметки для двух изотопов неона: неона-20 и неона-22.

В 1913 году, в рамках своего исследования состава лучей каналов, Дж. Дж. Томсон направил поток ионизированного неона через магнитное и электрическое поля и измерил его отклонение, поместив на его пути фотографическую пластинку. Томсон заметил на фотопластинке два пятна света (см. Изображение слева), что указывало на две разные параболы отклонения. Томсон пришел к выводу, что газ неон состоит из атомов двух разных атомных масс (неон-20 и неон-22). [5]

Студент Томсона Фрэнсис Уильям Астон [6] продолжил исследования в Кавендишской лаборатории в Кембридже, построив первый полнофункциональный масс-спектрометр, о котором было сообщено в 1919 году. [7] Он смог идентифицировать изотопы хлора (35 и 37), брома ( 79 и 81) и криптон (78, 80, 82, 83, 84 и 86), доказывая, что эти природные элементы состоят из комбинации изотопов. Использование электромагнитной фокусировки в масс-спектрографе позволило ему быстро идентифицировать не менее 212 из 287 встречающихся в природе изотопов. В 1921 году Ф. У. Астон стал членом Королевского общества. и в следующем году получил Нобелевскую премию по химии.

Его работа с изотопами также привела к формулировке правила целого числа, которое гласит, что «масса изотопа кислорода, определяемая [как 16], все другие изотопы имеют массы, которые очень близки к целым числам», правило, которое использовалось активно участвует в развитии атомной энергетики . Была измерена точная масса многих изотопов, что привело к тому, что водород имеет массу на 1% больше, чем ожидалось по средней массе других элементов. Астон размышлял о субатомной энергии и ее использовании в 1936 году.

В 1918 году Артур Джеффри Демпстер [8] сообщил о своем масс-спектрометре и установил основную теорию и конструкцию масс-спектрометров, которые используются по сей день. Исследования Демпстера на протяжении всей своей карьеры были сосредоточены вокруг масс-спектрометра и его приложений, что привело в 1935 году к открытию изотопа урана 235 U. Способность этого изотопа вызывать быстро расширяющуюся ядерную цепную реакцию деления позволила разработать атомную бомбу и ядерную энергетику .

В 1932 году Кеннет Бейнбридж разработал масс-спектрометр с разрешающей способностью 600 и относительной точностью одна часть на 10000. [9] Он использовал этот инструмент, чтобы проверить эквивалентность массы и энергии , E = mc 2 . [10]

Манхэттенский проект [ править ]

Масс-спектрометры Calutron на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Теннесси, ок. 1945 г.

Калютрона является масс - спектрометр сектор , который был использован для разделения изотопов от урана , разработанные Эрнест О. Лоуренс [11] во время Манхэттенского проекта и был похож на циклотронного изобретен Лоуренс. Его название является конкатенация из Cal. U.-tron, в честь Калифорнийского университета , учреждения Лоуренса и подрядчика лаборатории в Лос-Аламосе . [12] Они были реализованы для обогащения урана в промышленных масштабах на заводе Y-12 в Ок-Ридж, штат Теннесси. создана во время войны и обеспечила большую часть урана, используемого для ядерного оружия " Маленький мальчик " , которое было сброшено на Хиросиму в 1945 году.

Развитие газовой хроматографии-масс-спектрометрии [ править ]

Использование масс-спектрометра в качестве детектора в газовой хроматографии было разработано в 1950-х годах Роландом Гольке и Фредом Маклафферти. [13] [14] [15] Разработка доступных и миниатюрных компьютеров помогла в упрощении использования этого прибора, а также позволила значительно сократить время, необходимое для анализа образца.

Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье [ править ]

Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье была разработана Аланом Г. Маршаллом и Мелвином Б. Комизаров в Университете Британской Колумбии в 1974 году. [16] Вдохновением послужили более ранние разработки в области обычного ИЦР и ядерного магнитного резонанса с преобразованием Фурье (FT-ЯМР). спектроскопия.

Методы мягкой ионизации [ править ]

Одноквадрупольный масс-спектрометр, использованный в работе Джона Фенна , получившей Нобелевскую премию по ионизации электрораспылением

Впервые о полевой десорбционной ионизации сообщил Бекей в 1969 году. [17] При полевой ионизации электрическое поле с высоким потенциалом прикладывается к излучателю с острой поверхностью, например к бритвенному лезвию, или, чаще, к нити, от которой крошечный " усы ». Это создает очень сильное электрическое поле, в котором туннелирование электронов может привести к ионизации газообразных молекул аналита. FI дает масс-спектры с небольшой фрагментацией или без нее, с преобладанием молекулярных катион-радикалов M +. и иногда протонированные молекулы .

Химическая ионизация была разработана в 1960-х годах. [18] [19] [20] Ионизация образца (аналита) достигается взаимодействием его молекул с ионами реагентов. Анализируемое вещество ионизируется ионно-молекулярными реакциями во время столкновений в источнике. Процесс может включать перенос электрона, протона или других заряженных частиц между реагентами. Это менее энергичная процедура, чем электронная ионизация, и образующиеся ионы представляют собой, например, протонированные молекулы: [M + H] + . Эти ионы часто относительно стабильны и не склонны к фрагментации так же легко, как ионы, образующиеся при электронной ионизации .

Матричная лазерная десорбция / ионизация (MALDI) - это метод мягкой ионизации , используемый в масс-спектрометрии , позволяющий анализировать биомолекулы ( биополимеры, такие как белки , пептиды и сахара ) и большие органические молекулы (такие как полимеры , дендримеры и другие макромолекулы ), которые имеют тенденцию быть хрупкими и фрагментированными при ионизации более традиционными методами ионизации. По своему характеру он наиболее похож на ионизацию электрораспылением.как по относительной мягкости, так и по произведенным ионам (хотя это вызывает гораздо меньше многозарядных ионов). Этот термин впервые был использован в 1985 году Францем Хилленкампом , Майклом Карасом и их коллегами. [21] Эти исследователи обнаружили, что аминокислоту аланин можно было бы легче ионизировать, если бы ее смешали с аминокислотой триптофаном и облучали импульсным лазером с длиной волны 266 нм. Триптофан поглощал энергию лазера и помогал ионизировать непоглощающий аланин. Пептиды до 2843 Да пептида мелиттина могут быть ионизированы при смешивании с таким типом «матрицы». [22]

Прорыв в области лазерной десорбционной ионизации больших молекул произошел в 1987 году, когда Коити Танака из Shimadzu Corp. и его коллеги использовали то, что они назвали «методом ультратонкого металла и жидкой матрицы», который объединил частицы кобальта 30 нм в глицерине с азотом 337 нм. лазер для ионизации. [23] Используя эту комбинацию лазера и матрицы, Танака смог ионизировать биомолекулы размером с карбоксипептидазу-A, составляющую 34 472 Да. Танака получил четверть Нобелевской премии по химии 2002 года за демонстрацию того, что при правильном сочетании длины волны лазера и матрицы белок может быть ионизирован. [24]Карас и Хилленкамп впоследствии смогли ионизировать белковый альбумин 67 кДа с использованием никотиновой кислоты и лазера с длиной волны 266 нм. [25] Дальнейшие усовершенствования были реализованы за счет использования в 355 нм лазера и коричной кислоты , производных феруловой кислоты , кофейная кислота и синапиновой кислоты в качестве матрицы. [26] Доступность небольших и относительно недорогих азотных лазеров, работающих на длине волны 337 нм, и первых коммерческих инструментов, представленных в начале 1990-х годов, привлекли MALDI к растущему числу исследователей. [27] Сегодня в масс-спектрометрии MALDI используются в основном органические матрицы.

Хронология [ править ]

19 век [ править ]

1886 г.
Юджин Гольдштейн наблюдает за лучами каналов .
1898 г.
Вильгельм Вена
Вильгельм Вин демонстрирует, что лучи канала можно отклонять с помощью сильных электрических и магнитных полей. Он показывает, что отношение массы к заряду частиц имеет противоположную полярность и намного больше, чем у электрона. Он также понимает, что масса частицы аналогична массе частицы водорода.
1898 г.
Дж. Дж. Томсон измеряет отношение массы к заряду электронов.

20 век [ править ]

1901 г.
Вальтер Кауфманн использует масс-спектрометр для измерения релятивистского увеличения массы электронов.
1905 г.
Дж. Дж. Томсон начинает изучение положительных лучей.
1906 г.
Томсону присуждена Нобелевская премия по физике «в знак признания больших заслуг его теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества газами».
1913 г.
Томсон может разделять частицы с различным отношением массы к заряду . Он разделяет изотопы 20 Ne и 22 Ne и правильно определяет сигнал m / z = 11 как двухзарядную частицу 22 Ne. [28]
1919 г.
Фрэнсис Астон конструирует первый масс-спектрограф с фокусировкой по скорости с разрешающей способностью по массе 130.
1922 г.
Астону присуждена Нобелевская премия по химии «за открытие с помощью масс-спектрографа изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов, а также за провозглашение правила целых чисел».
1931 г.
Эрнест О. Лоуренс
Эрнест О. Лоуренс изобретает циклотрон .
1934 г.
Йозеф Маттаух и Ричард Херцог разрабатывают масс-спектрограф с двойной фокусировкой.
1936 г.
Артур Дж. Демпстер разрабатывает источник искровой ионизации .
1937 г.
Астон конструирует масс-спектрограф с разрешающей способностью 2000.
1939 г.
Лоуренс получает Нобелевскую премию по физике за циклотрон.
1942 г.
Лоуренс разрабатывает Калютрон для разделения изотопов урана .
1943 г.
Westinghouse продает свой масс-спектрометр и объявляет его «новым электронным методом для быстрого и точного анализа газов».
1946 г.
Уильям Стивенс представляет концепцию времяпролетного масс-спектрометра.
1954 г.
AJC Nicholson (Австралия) предлагает реакцию переноса водорода, которая станет известна как перегруппировка Маклафферти . [29]
1959 г.
Исследователи из Dow Chemical сопоставляют газовый хроматограф с масс-спектрометром.
1964 г.
Британское масс-спектрометрическое общество создано как первое специализированное общество масс-спектрометрии. Первое собрание он проводит в 1965 году в Лондоне.
1966 г.
FH Field и MSB Munson разрабатывают химическую ионизацию .
1968 г.
Малкольм Доул разрабатывает ионизацию электрораспылением.
1969 г.
HD Beckey разрабатывает полевую десорбцию .
1974 г.
Комисаров и Маршалл разрабатывают масс-спектрометрию с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье .
1976 г.
Рональд Макфарлейн и его сотрудники разрабатывают масс-спектрометрию с плазменной десорбцией .
1984
Джон Беннетт Фенн и его сотрудники используют электроспрей для ионизации биомолекул.
1985 г.
Франц Хилленкамп, Майкл Карас и его сотрудники описывают и вводят термин матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI).
1987 г.
Коичи Танака использует метод «ультратонкий металл плюс жидкая матрица» для ионизации интактных белков.
1989 г.
Вольфганг Пауль получает Нобелевскую премию по физике «за разработку техники ионных ловушек».
1999 г.
Александр Макаров представляет масс-спектрометр Orbitrap . [30]

21 век [ править ]

2002 г.

Джон Беннетт Фенн и Коити Танака удостоены четверти Нобелевской премии по химии «за разработку методов мягкой десорбционной ионизации ... для масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул».

2005 г.
Коммерциализация Orbitrap MS
2008 г.
Премия ASMS за выдающийся вклад в масс-спектрометрию

См. Также [ править ]

  • Масс-спектрометрии
  • История химии
  • История физики

Ссылки [ править ]

  1. ^ Махер, Саймон; Чжунджу, Фред PM; Тейлор, Стивен (2015). «Коллоквиум: 100 лет масс-спектрометрии: перспективы и тенденции будущего» . Ред. Мод. Phys . 87 (1): 113–135. Bibcode : 2015RvMP ... 87..113M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.87.113 .
  2. ^ Уильям Праут (1815). О связи между удельным весом тел в газообразном состоянии и массой их атомов. Анналы философии , 6: 321–330. Интернет-перепечатка. Архивировано 9 марта 2016 г. в Wayback Machine.
  3. ^ Уильям Праут (1816). Исправление ошибки в эссе о связи между удельным весом тел в их газообразном состоянии и массами их атомов. Анналы философии , 7: 111–13. Интернет-перепечатка. Архивировано 9 марта 2016 г. в Wayback Machine.
  4. ^ "Юлиус Плюкер". Энциклопедия Britannica Online Academic Edition . Энциклопедия Britannica Inc.
  5. ↑ JJ Thomson (1913), Лучи положительного электричества. Архивировано 4 ноября 2016 г., в Wayback Machine , Труды Королевского общества , A 89, 1-20 - Открытие изотопов неона.
  6. ^ Downard, К. (2009). «Фрэнсис Уильям Астон - Человек, стоящий за масс-спектрографом». Европейский журнал масс-спектрометрии . 13 (3): 177–190. DOI : 10.1255 / ejms.878 . PMID 17881785 . 
  7. Перейти ↑ Aston, FW (1919). «Спектрограф положительных лучей» . Философский журнал . 38 : 707–714. DOI : 10.1080 / 14786441208636004 .
  8. Перейти ↑ Dempster, AJ (1 марта 1918 г.). «Новый метод положительного лучевого анализа» . Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 11 (4): 316–325. Полномочный код : 1918PhRv ... 11..316D . DOI : 10.1103 / Physrev.11.316 . ISSN 0031-899X . 
  9. Перейти ↑ Audi, Georges (01.04.2006). «История нуклидных масс и их оценка». Международный журнал масс-спектрометрии . 251 (2–3): 85–94. arXiv : физика / 0602050 . Bibcode : 2006IJMSp.251 ... 85A . DOI : 10.1016 / j.ijms.2006.01.048 .
  10. Перейти ↑ Bainbridge, Kenneth T. (июль 1933 г.). «Эквивалентность массы и энергии». Phys. Ред . 44 (2): 123. Полномочный код : 1933PhRv ... 44..123B . DOI : 10.1103 / PhysRev.44.123.2 .| url = | format = | accessdate = 11-04-2008
  11. ^ «Лоуренс и его лаборатория» . LBL Newsmagazine . Лаборатория Лоуренса Беркли. 1981 . Проверено 3 сентября 2007 .[ мертвая ссылка ]
  12. ^ Паркинс, Уильям Э. (2005-05-01). «Урановая бомба, калютрон и проблема космического заряда». Физика сегодня . 58 (5): 45–51. Bibcode : 2005PhT .... 58e..45P . CiteSeerX 10.1.1.579.4119 . DOI : 10.1063 / 1.1995747 . | url = http://masspec.scripps.edu/MSHistory/timelines/time_pdf/1947_ParkinsWE.pdf%7Cformat=PDF%7Caccessdate=2007-09-01 [ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ Джонс, Марк. «Газовая хроматография-масс-спектрометрия» . Американское химическое общество . Проверено 19 ноя 2019 .
  14. ^ Gohlke, RS (1959). «Времяпролетная масс-спектрометрия и газожидкостная хроматография». Аналитическая химия . 31 (4): 535–541. DOI : 10.1021 / ac50164a024 . ISSN 0003-2700 . 
  15. ^ Gohlke, RS; Маклаферти, FW (1993). «Ранняя газовая хроматография / масс-спектрометрия» . Варенье. Soc. Масс-спектрометрия . 4 (5): 367–371. DOI : 10.1016 / 1044-0305 (93) 85001-E . PMID 24234933 . 
  16. ^ Comisarow, M (1974). «Спектроскопия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье». Письма по химической физике . 25 (2): 282–283. Bibcode : 1974CPL .... 25..282C . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (74) 89137-2 .
  17. ^ Бекей HD (1969). «Полевая ионизационная масс-спектрометрия». Исследования и разработки . 20 (11): 26.
  18. ^ Мансон MSB; Поле FH (1966). «Химическая ионизационная масс-спектрометрия. I. Общее введение». Варенье. Chem. Soc . 88 (12): 2621–2630. DOI : 10.1021 / ja00964a001 .
  19. ^ Фалес НМ, Милна GW, Пизано JJ, Brewer HB, Блюм М.С., Макконнелла Ю.Г., марка J, закон N (1972). «Биологические приложения электронной ионизации и химической ионизационной масс-спектрометрии». Недавняя прог. Horm. Res . 28 : 591–626. PMID 4569234 . 
  20. ^ Догерти RC (1981). «Масс-спектрометрия с отрицательной химической ионизацией: приложения в аналитической химии окружающей среды». Биомед. Масс-спектрометрия . 8 (7): 283–92. DOI : 10.1002 / bms.1200080702 . PMID 7025931 . 
  21. ^ Карась, М .; Bachmann, D .; Хилленкамп, Ф. (1985). "Влияние длины волны в ультрафиолетовой лазерной десорбционной масс-спектрометрии органических молекул с высоким уровнем излучения". Анальный. Chem. 57 (14): 2935–9. DOI : 10.1021 / ac00291a042 .
  22. ^ Карась, М .; Бахман, Д .; Bahr, U .; Хилленкамп, Ф. (1987). «Матричная ультрафиолетовая лазерная десорбция нелетучих соединений». Int J Mass Spectrom Ion Proc . 78 : 53–68. Bibcode : 1987IJMSI..78 ... 53K . DOI : 10.1016 / 0168-1176 (87) 87041-6 .
  23. ^ Танака, К .; Waki, H .; Ido, Y .; Акита, S .; Yoshida, Y .; Йошида, Т. (1988). «Анализ белков и полимеров до m / z 100 000 с помощью времяпролетной масс-спектрометрии с лазерной ионизацией». Масс-спектрометр Rapid Commun . 2 (20): 151–3. Bibcode : 1988RCMS .... 2..151T . DOI : 10.1002 / rcm.1290020802 .
  24. ^ Маркидес, K; Грэслунд, А. «Дополнительная информация о Нобелевской премии по химии 2002 г.» (PDF) .
  25. ^ Карась M, Hillenkamp F (1988). «Лазерная десорбционная ионизация белков с молекулярной массой более 10 000 дальтон». Анальный. Chem . 60 (20): 2299–301. DOI : 10.1021 / ac00171a028 . PMID 3239801 . 
  26. ^ Бивис RC, Хаит BT (1989). «Матричная лазерно-десорбционная масс-спектрометрия с использованием излучения 355 нм». Rapid Commun. Масс-спектрометрия . 3 (12): 436–9. Bibcode : 1989RCMS .... 3..436B . DOI : 10.1002 / rcm.1290031208 . PMID 2520224 . 
  27. ^ Карась, М .; Бахр, У. (1990). «Лазерная десорбционная ионизационная масс-спектрометрия больших биомолекул». Тенденции Анал. Chem. 9 (10): 321–5. DOI : 10.1016 / 0165-9936 (90) 85065-F .
  28. ^ "Джозеф Джон Томсон (1856-1940) Лучи положительного электричества" . Классическая химия . Проверено 1 декабря 2009 .
  29. ^ Николсон AJC (1954). «Фотохимическое разложение алифатических метилкетонов». Пер. Faraday Soc. 50 : 1067–1073. DOI : 10.1039 / tf9545001067 .
  30. ^ Интернет-архив Wayback Machine

Библиография [ править ]

  • Измерение массы: от положительных лучей к белкам, Майкл А. Грейсон (редактор) ( ISBN 0-941901-31-9 ) 
  • Махер, Саймон; Чжунджу, Фред PM; Тейлор, Стивен (2015). « Коллоквиум : 100 лет масс-спектрометрии: перспективы и тенденции будущего» . Ред. Мод. Phys . 87 : 113–135. Bibcode : 2015RvMP ... 87..113M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.87.113 .

Внешние ссылки [ править ]

  • История масс-спектрометрии - первопроходцы - Сиднейский университет Нового Южного Уэльса
  • Пять пионеров Нобелевской премии по масс-спектрометрии - Бристольский университет
  • История масс-спектрометрии - Институт Скриппса