Времяпролётная масс-спектрометрия¶

Времяпролётная масс-спектрометрия (англ. Time-of-Flight Mass Spectrometry, TOF-MS) — метод масс-спектрометрии, основанный на измерении времени пролёта ионов от источника до детектора. Относится к классу импульсных методов анализа, позволяя определять отношение массы иона к его заряду (m/z) с высокой точностью и чувствительностью. Времяпролётный масс-анализатор широко используется в биохимии, протеомике, фармацевтике, экологии и материаловедении благодаря своей способности анализировать молекулы с большой молекулярной массой (до нескольких сотен тысяч дальтон) и высокой скоростью регистрации спектров.

¶Принцип действия

¶Основные этапы

Времяпролётный масс-анализатор работает в импульсном режиме. Процесс включает следующие стадии:

1. Ионизация — образец переводится в газовую фазу и ионизируется (например, методами MALDI — матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация, или ESI — электроспрей-ионизация).
2. Ускорение — образовавшиеся ионы под действием электрического поля ускоряются до одинаковой кинетической энергии.
3. Пролёт — ионы попадают в бесполевую дрейфовую трубку, где движутся по инерции.
4. Детекция — время достижения детектора фиксируется для каждого иона.

¶Математическая основа

Кинетическая энергия иона, ускоренного разностью потенциалов \(U\), равна: \[ \frac{m v^2}{2} = qU \] где \(m\) — масса иона, \(v\) — скорость, \(q\) — заряд.

Время пролёта \(t\) через трубку длиной \(L\): \[ t = \frac{L}{v} = L \sqrt{\frac{m}{2qU}} \] Таким образом, \(t\) пропорционально \(\sqrt{m/z}\). Ионы с меньшей массой достигают детектора раньше; спектр строится как зависимость интенсивности сигнала от времени пролёта, пересчитанного в m/z.

¶История

¶Ранние разработки

Идея времяпролётного анализа была предложена в 1946 году американским физиком Уильямом Стивенсом (W. E. Stephens) в статье «A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion». Первый работающий прототип создан в 1948 году А. Камероном и Д. Эггерсом (США) для анализа лёгких изотопов.

¶Развитие в 1950–1980-х годах

В 1955 году Уайли и Макларен (Wiley, McLaren) разработали конструкцию с двойным ускоряющим полем, что улучшило разрешение. В 1960–1970-х годах метод применялся в основном для анализа газов и изотопов. Однако низкое разрешение (до 100–200) и ограничения по массе сдерживали его распространение.

¶Прорыв в 1990-х годах

Ключевым событием стало внедрение в 1988 году метода MALDI (Ф. Хилленкамп, М. Карас, К. Танака — Нобелевская премия 2002 года) и ESI (Дж. Фенн — Нобелевская премия 2002 года). Эти методы позволили ионизировать крупные биомолекулы (белки, пептиды, нуклеиновые кислоты) без фрагментации. В сочетании с времяпролётным анализатором они дали возможность получать масс-спектры молекул с массами до 500 000 Да и выше.

¶Современный этап

С 2000-х годов TOF-масс-спектрометры оснащаются отражателями (рефлектронами) для компенсации разброса начальных энергий ионов, что повышает разрешение до 50 000–100 000. Разработаны гибридные системы (Q-TOF, TOF-TOF), сочетающие времяпролётный анализатор с квадрупольным или ионно-циклотронным резонансом.

¶Устройство и компоненты

¶Источник ионов

• MALDI — образец смешивается с матрицей (например, α-циано-4-гидроксикоричная кислота), наносится на мишень и облучается импульсным лазером (обычно азотным, 337 нм). Ионизация происходит за счёт переноса протона от матрицы.
• ESI — раствор образца распыляется в сильном электрическом поле, образуя многозарядные ионы. Используется для анализа жидкостей.

¶Ускоряющая система

Состоит из двух или трёх электродов, создающих электрическое поле. В двухступенчатой схеме (Wiley-McLaren) первая ступень ускоряет ионы, вторая — фокусирует их по энергии. Это уменьшает разброс начальных скоростей.

¶Дрейфовая трубка

Бесполевая область длиной от 0,5 до 2 метров. Для увеличения длины эффективного пролёта без увеличения габаритов прибора применяют рефлектрон — ионное зеркало, которое отражает ионы под углом, удваивая путь.

¶Детектор

Обычно используется микроканальная пластина (MCP) или вторичный электронный умножитель (SEM). Время пролёта регистрируется с точностью до наносекунд.

¶Классификация

¶По типу ионизации

• MALDI-TOF — наиболее распространён для анализа твёрдых образцов, биополимеров.
• ESI-TOF — для жидких образцов, часто в сочетании с жидкостной хроматографией (LC-MS).
• LA-TOF — лазерная абляция для прямого анализа твёрдых материалов.

¶По конструкции

• Линейный TOF — простейшая конструкция, низкое разрешение (до 500).
• TOF с рефлектроном — разрешение до 50 000.
• Ортогональный TOF (oa-TOF) — ионы вводятся перпендикулярно оси дрейфа, что улучшает разрешение.

¶Гибридные системы

• Q-TOF — квадрупольный масс-фильтр перед TOF для селекции ионов.
• TOF-TOF — два последовательных TOF-анализатора для тандемной масс-спектрометрии (MS/MS).

¶Применение

¶Протеомика и биохимия

MALDI-TOF используется для идентификации белков по их масс-спектрам (пептид-масс-фингерпринтинг). В клинической микробиологии метод применяется для быстрой идентификации бактерий (например, системы MALDI Biotyper, VITEK MS). Время анализа — менее 10 минут.

¶Фармацевтика

ESI-TOF применяется для контроля качества лекарств, определения молекулярной массы активных веществ, метаболитов. Высокая точность (до 1 ppm) позволяет различать изотопные паттерны.

¶Экология и материаловедение

LA-TOF используется для анализа загрязнителей в почве, воде, воздухе. В полимерной химии — определение молекулярно-массового распределения.

¶Криминалистика

TOF-MS применяется для анализа взрывчатых веществ, наркотиков, токсинов. Метод позволяет работать с микроколичествами образцов (пикограммы).

¶Достоинства и недостатки

¶Преимущества

• Неограниченный диапазон масс — теоретически можно анализировать ионы любой массы (практически до 10⁶ Да).
• Высокая скорость — один спектр регистрируется за микросекунды, что позволяет проводить до 10 000 измерений в секунду.
• Простота конструкции — отсутствие магнитных полей, меньше движущихся частей.
• Высокая чувствительность — до фемтомольных количеств.

¶Недостатки

• Ограниченное разрешение — даже с рефлектроном уступает Фурье-преобразовательным масс-спектрометрам (FT-ICR, Orbitrap).
• Чувствительность к начальному разбросу энергий — требует точной калибровки и стабилизации напряжения.
• Импульсный режим — неэффективен для непрерывных потоков ионов без предварительного накопления.

¶Интересные факты

• Первый коммерческий TOF-масс-спектрометр выпущен компанией Bendix Corporation в 1956 году.
• В 2002 году Нобелевская премия по химии присуждена Дж. Фенну и К. Танаке за разработку методов ионизации, революционизировавших времяпролётную масс-спектрометрию.
• Современные TOF-приборы способны различать ионы с разницей в массе 0,001 Да, что позволяет определять элементный состав молекул.
• В космических исследованиях TOF-масс-спектрометры установлены на зондах «Розетта» (анализ кометы 67P/Чурюмова — Герасименко) и «Кассини» (анализ атмосферы Титана).

¶Критика и ограничения

Основные критические замечания связаны с невозможностью прямого анализа смесей без предварительного разделения (хроматография) и сложностью интерпретации спектров многозарядных ионов (ESI). Кроме того, для MALDI-TOF требуется подбор матрицы, что может влиять на воспроизводимость. В России метод активно развивается в научных центрах (МГУ, ИХФ РАН, НИЦ «Курчатовский институт»), но коммерческие приборы преимущественно импортные (Bruker, Shimadzu, Waters).

¶Источники

• Stephens W. E. A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion // Physical Review. — 1946. — Vol. 69, № 11–12. — P. 691.
• Wiley W. C., McLaren I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution // Review of Scientific Instruments. — 1955. — Vol. 26, № 12. — P. 1150–1157.
• Karas M., Hillenkamp F. Laser Desorption Ionization of Proteins with Molecular Masses Exceeding 10,000 Daltons // Analytical Chemistry. — 1988. — Vol. 60, № 20. — P. 2299–2301.
• Fenn J. B. et al. Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules // Science. — 1989. — Vol. 246, № 4926. — P. 64–71.
• Cotter R. J. Time-of-Flight Mass Spectrometry: Instrumentation and Applications. — American Chemical Society, 1997.
• Gross J. H. Mass Spectrometry: A Textbook. — Springer, 2017.
• ГОСТ Р 57941-2017 «Масс-спектрометры времяпролётные. Общие технические требования».