Характеристики масс-спектрометров

Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость.

Скорость сканирования.Масс-анализатор пропускает ионы с определенным соотношением массы и заряда в определенное время. Для того, чтобы проанализировать все ионы по отношению их массы к заряду он должен сканировать, то есть параметры его поля должны за заданный промежуток времени пройти все значения, нужные для пропускания к детектору всех интересующих ионов. Эта скорость разворачивания поля называется скоростью сканирования и должна быть как можно больше, например, за время выхода хроматографического пика, которое может составлять несколько секунд. Самым медленным масс-анализатором является магнит, минимальное время его сканирования без особой потери чувствительности составляет доли секунды. Квадрупольный масс-анализатор может разворачивать спектр за десятые доли секунды, а ионная ловушка еще быстрее. Для обычного анализа скорости квадрупольного анализатора или ионной ловушки достаточно.

Разрешение. Наглядно разрешение можно определить, как возможность анализатора разделять ионы с соседними массами. Очень важно иметь возможность точно определять массу ионов, это позволяет вычислить атомную композицию иона или идентифицировать его путем сравнения с базой данных, сократив число кандидатов с тысяч и сотен до единиц или одного единственного. В магнитных масс-анализаторах, для которых расстояние между пиками масс-спектра не зависит от масс ионов, разрешение представляет с обой величину равную M/ΔM. Эта величина, как правило, определяется по 10 % высоте пика. Так, например, разрешение 1000 означает, что пики с массами 100.0 а.е.м. и 100.1 а.е.м. отделяются друг от друга, то есть не накладываются вплоть до 10 % высоты.

В квадрупольных анализаторах, ионных ловушках, времяпролетных анализаторах разрешение имеет другой смысл. Разрешение характеризуют по ширине пиков, величине, остающейся постоянной во всем диапазоне масс. Эта ширина пиков, обычно, измеряется на 50 % их высоты. Номинальной массой или массовым числом называют ближайшее к точной массе иона целое число в шкале атомных единиц массы. Например, масса иона водорода Н⁺ равна 1,00787 а.е.м., а его массовое число равно 1. Масс-анализаторы, которые, в основном, измеряют номинальные массы, называют анализаторами низкого разрешения.

Разрешение тесно связано с другой важной характеристикой – точностью измерения массы. Проиллюстрировать значение этой характеристики можно на простом примере. Массы молекулярных ионов азота (N₂⁺) и монооксида углерода (СО⁺) составляют 28.00615 а.е.м. и 27.99491 а.е.м., соответственно (т.е. оба характеризуются одним массовым числом 28). Эти ионы будут регистрироваться масс-спектрометром порознь при разрешении 2500, а точное значение массы даст ответ – какой из газов регистрируется. Измерение точной массы доступно на приборах с двойной фокусировкой, на тандемном квадрупольном масс-спектрометре

Динамический диапазон. Если мы анализируем смесь, содержащую 99,99 % одного соединения и 0,01% какой-либо примеси, мы должны быть уверены, что правильно определяем и то и другое. Для этого нужно иметь диапазон линейности в 4 порядка. Современные масс-спектрометры для органического анализа характеризуются динамическим диапазоном в 5-6 порядков, а масс-спектрометры для элементного анализа – в 9-12 порядков. Динамический диапазон в 10 порядков означает, что примесь в пробе будет видна даже тогда, когда она составляет 10 миллиграмм на 10 тонн.

Чувствительность.

ppm – пропроми́лле, миллионная доля каких-либо относительных величин (1∙10⁻⁶ от базового показателя). Обозначается сокращением ppm (англ. рarts per million). 1 % = 10000 ppm. Для массовых концентраций 1 ppm = 1 г/т = 1 мг/кг. Так, объёмная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет около 380 ppm, и это значит, что в каждом кубометре воздуха 380 мл (объём двух стаканов) занимает углекислый газ.

ppb – миллиардная доля, (англ. parts per billion) 10⁻⁹ от базового показателя, 1 часть от 10⁹. Это грубо равно одной капле чернил в среднем бассейне или одной секунде в 32 годах.

ppq – квадриллионная доля, (англ. parts per qdrln)10⁻¹⁵ от базового показателя, 1 часть от 10¹⁵. 10¹⁵ – миллион миллиардов. Одна квадриллионная(10⁻¹⁵) – фемто.

Чувствительность – одна из важнейших характеристик масс-спектрометров. Чувствительность это величина, показывающая какое количество вещества нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы его можно было детектировать. Чувствительность может определяться, например, минимально определяемым количеством вещества, или порогом обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хорошего хромато-масс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1 пикограмм при вводе 1 микролитра жидкости (1мкг в 1л).

Примеры. Если мы наберем специальным шприцом 1 микролитр жидкости (10^–6 литра) и выпустим ее на листок чистой белой бумаги, то при ее рассмотрении в лупу мы увидим пятнышко, равное по размерам следу от укола тонкой иглой.

Хромато-масс-спекртрометрией можно определить 1 грамм вещества (например, одну таблетку аспирина) в 1000 тонн воды (например, бассейн длиной 50 метров, шириной 10 метров и глубиной 2 метра).

Пределы обнаружения неорганических веществ еще более впечатляющие. Предел обнаружения для металлов составляет 1 ppq (одна доля на квадриллион).

Это значит, что чувствительности прибора достаточна, чтобы детектировать 1 килограмм металла (например, ртути, свинца и т.д.) растворенного в озере Байкал (при условии его перемешивания и полного растворения)!

В масс-спектрометрии изотопов, например, достаточно 800…1000 молекул диоксида углерода (СО₂, углекислый газ) чтобы получить сигнал углерода. Некоторые марки МС способны определить разницу в один изотоп среди десяти миллионов атомов.

Для достижения как можно большей чувствительности при улучшении отношения сигнала к шуму прибегают к детектированию по отдельным выбранным ионам.