WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |

«УДК 543.226 МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ В.А. Покровский Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины, ул. Генерала ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

_

УДК 543.226

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

СИСТЕМ

В.А. Покровский

Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины,

ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина Рассмотрены специфические технические и научные проблемы масс-спектрометрии, возникающие и решаемые при исследовании наноструктурированных систем. Под этим углом зрения проведен краткий анализ тенденций развития метода и приложений массспектрометрии в мире и в Украине. Обозначены наиболее впечатляющие достижения в этой области на протяжении последних десятилетий. Приведен краткий обзор результатов, которые получены украинскими исследователями, активно использующими различные разновидности масс-спектрометрии для решения задач химии поверхности, катализа, супрамолекулярной химии, биологии и охраны окружающей среды. Особое внимание уделено методам температурнопрограммированной десобционной и лазерной десорбционно-ионизационной масс-спектрометрии наноматериалов на основе кремния.

Краткий очерк истории масс-спектрометрии Создание современной масс-спектрометрии принято связывать с именем Дж. Дж. Томсона, знаменитого физика-экспериментатора конца девятнадцатого – начала двадцатого века, который много сделал для становления современной физики в том виде, в котором она ныне существует. Он стал лауреатом Нобелевской премии по физике г. «в ознаменование огромного значения его теоретических и экспериментальных исследований электропроводности газов». За этой осторожной формулировкой Нобелевского комитета скрываются, в частности, доказательство существования электрона и прямое экспериментальное наблюдение изотопов. Для разделения изотопов Томпсоном был специально изобретен так называемый «метод парабол», позволивший непосредственно наблюдать и регистрировать изотопы инертных газов, образующиеся в газоразрядной трубке, которую, таким образом, следует считать родоначальницей всех современных масс-спектрометров. Следует отметить, однако, что с конструктивной точки зрения устройство Томсона имело мало общего с ныне используемыми приборами.

Честь сделать следующий крупный шаг в развитии масс-спектрометрии принадлежит Ф. В. Астону. В 1919 г. на чердаке собственного дома из подручных материалов ему удалось сконструировать и изготовить прибор, который уже содержал основные элементы современных масс-спектрометрических (МС) устройств. Это предопределило успех прибора и позволило получить фундаментальные результаты в исследовании изотопов. Нобелевский комитет на сей раз осознал важность проводимых МС исследований и присудил Астону Нобелевскую премию по химии 1922 г. «за открытие, с помощью его масс-спектрографа, изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и закона целых чисел».

Таким образом, масс-спектрометрия первоначально возникла и далее существовала на границе физики и химии и в качестве метода исследования внесла существенный вклад в обе эти дисциплины. Такое положение сохранилось и до настоящего времени, хотя сфера применений метода не только расширилась и в физике, и в химии, но широко Поверхность. 2010. Вып. 2(17). С. 63–93 распространилась на многочисленные области фундаментальных и прикладных исследований, результаты которых оказались особенно значительными в биологии, биохимии, медицине и охране окружающей среды. Что касается технологии и промышленности, то в настоящее время практически не существует области, где масс-спектрометрия не играла бы значительной роли, заняв в мировом аналитическом приборостроении второе место по объему продаж (после хроматографии) и продолжая наращивать свой относительный вклад.

Современный исследовательский масс-спектрометр претерпел со времени Астона существенное усложнение и теперь, в общих чертах, выглядит следующим образом (рис.1). Прибор включает в себя минимум семь элементов (часто больше), из которых подготовка пробы и интерфейс ввода функционируют при атмосферном давлении, как и система обработки данных, включающая компьютер и библиотеку масс-спектров. Все остальные события происходят в вакууме. Изучаемое вещество, подготовленное к анализу тем или иным способом, помещается в ионный источник, где молекулы, подлежащие исследованию, превращаются в ионы, которые затем фокусируются в пучок, пригодный для разделения по массам. Процесс разделения пучка ионов на компоненты с различными массами происходит в анализаторе масс, для которого изобретено и используется множество разнообразных конструкций. Разделенный по массам сигнал регистрируется, как правило, ионно-электронным умножителем с последующим накоплением сигнала. В качестве примера аналитических возможностей такого прибора на рис. 1 приведен массспектр бычьего сывороточного альбумина, включающий помимо молекулярного иона (М67 kDa) еще и следовые количества бимолекулярного иона-ассоциата с удвоенной молекулярной массой 2М, а также двух- и трехзарядные ионы БСА с кажущимися массами М/2 и М/3.

1 2 3 4 5 6 Вакуум Отн. ед. Масс-спектр БСА Пробоподготовка 1.

Интерфейс ввода 2. Масс-спектр Ионный источник 3.

Фокусировка 4.

Масс-анализатор 5.

Регистрирация 6.

Обработка 7.

Рис. 1. Современный исследовательский масс-спектрометр. Справа внизу масс-спектр бычьего сывороточного альбумина (БСА).

Таким образом, современное исследовательское МС оборудование включает несколько составных частей, сопоставимых по стоимости, и оценивается дорого (от сотен тысяч до миллионов долларов). Регулярно делаются попытки его радикального удешевления. Но это возможно только за счет уменьшение числа элементов и, соответственно, функций прибора, т. е. его узкой специализации, что целесообразно лишь при включении в технологические линии и промышленные установки.



Для исследовательских целей такая специализация совершенно неприемлема, так что в аналитическом приборостроении следует ожидать дальнейшего усложнения и удорожания МС установок – тенденция, установившаяся со времен Астона. А для того, чтобы применение столь дорогостоящего оборудования было оправданным, решаемые с его помощью задачи должны носить фундаментальный и общезначимый характер либо окупаться коммерческой выгодой.

Для примера на рис. 2 схематически показано, как с помощью МС техники производится секвенирование пептидов и других биологически важных соединений.

Тандемная масс-спектрометрия (МС/МС техника) в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) и матрично-активированной лазернодесорбционной ионизацией (МАЛДИ) Рис. 2. Устройство прибора для секвенирования пептидов (слева направо): 1- высокоэффективный жидкостный хроматограф, 2-ионный источник, 3-первый массспектрометр, 4-камера соударения, 5-второй масс-спектрометр, 6-персональный компьютер и библиотека масс-спектров, 7-напуск аргона.

Смесь биологически активных молекул, например пептидов, предварительно разделяется на компоненты высокоэффективным жидкостным хроматографом. Отдельная фракция смеси, соответствующая индивидуальному пептиду, идентифицируется по пику хроматограммы, и затем через систему ввода пробы поступает в ионный источник вакуумной камеры МС установки на анализ. Под воздействием импульсного лазерного излучения происходит ионизация индивидуального пептида, сопровождаемая его фрагментацией. Первый масс-анализатор позволяет выделить, зарегистрировать и идентифицировать молекулярный ион отобранного для исследования пептида и его стабильные фрагменты. Отобранный для секвенирования компонент масс-спектра, первичный ионфрагмент, поступает в камеру соударений, где испытывает столкновения с атомами аргона, предварительно введенными в камеру в регулируемом количестве. Проходя через камеру соударений, первичный ион-фрагмент колебательно возбуждается за счет соударений с атомами аргона, причем степень этого возбуждения может регулироваться давлением аргона в камере. В результате колебательных возбуждений первичный ионфрагмент распадается в свою очередь, а результаты его распада фиксируются вторым масс-анализатором. Во вторичном масс-спектре отсутствуют все линии, не относящиеся к первичному иону-фрагменту, а содержатся только ионы, соответствующие последовательному отщеплению от него аминокислот. Закономерности фрагментации пептидов в вакуумной камере масс-спектрометра давно и хорошо изучены (см., напр., [1]), что позволяет установить по спектру фрагментов аминокислотную последовательность пептидов значительной длины непосредственно из масс-спектра, без их предварительного модифицирования. Массовое применение этого и подобных ему МС методов позволило провести расшифровку генома человека, что явилось выдающимся достижением массспектрометрии и послужило основой многих направлений фундаментальных исследований в таких областях биологии и биохимии, как протеомика, гликомика, метаболомика и многих других.

Одним из наиболее значительных достижений последних лет в развитии техники МС эксперимента явилась разработка принципиально нового вида масс-анализатора – орбитальной ионной ловушки, получившей название «Orbitrap» [2]. Автором этой разработки является наш бывший соотечественник, выпускник МИФИ А.А. Макаров. История создания этого анализатора является классическим примером научно-коммерческого успеха: начав с фундаментальных академических разработок и опытных образцов, Макаров смог добиться внедрения соответствующих приборов в производство на одной из ведущих зарубежных фирм-производителей МС оборудования – «Thermo Fisher Scientific» в 2005 г. В настоящее время он является руководителем научноисследовательского подразделения этой фирмы, а количество выпускаемых приборов с новым масс-анализатором по состоянию на 2009 г приближается к тысяче.

За свою разработку А.А. Макаров удостоен ряда почетных наград, среди которых медаль К. Бимана Американского МС общества и медаль Всероссийского МС общества «За заслуги в развитии российской масс-спектрометрии». На 18-й Международной МС конференции 2009 г. в Бремене медаль имени К. Брюнне (выдающегося разработчика МС техники фирмы Finnigan) была вручена Макарову самим К. Брюнне. Специальный выпуск журнала Американского МС общества «Journal of the American Society for Mass Spectrometry» посвящен современным исследованиям, в которых используется массанализатор, предложенный Макаровым.

В основе действия орбитальной ионной ловушки лежит захват и удержание заряженных частиц электростатическим полем. В масс-анализаторе «Orbitrap» ионы вращаются вокруг электрода специальной сферической формы, осциллируя вдоль оси вращения с частотами, соответствующими отношению их массы к заряду m/z. Масс-спектр получают путем Фурье-преобразования сигналов, поступающих на детектор. Коммерческий успех приборов, сконструированных на этой основе, в молекулярно-биологических исследованиях обусловлен сравнительной простотой, надежностью и высокой производительностью такого анализатора в сочетании с высокой разрешающей способностью, а также возможностью его сопряжения с современными источниками ионов, использующими явление распыления растворов в вакуум (Electrospray ionization, ESI). С этим способом разделения ионов по массам связаны надежды на создание, в конечном итоге, прибора, который совмещал бы возможности, предоставляемые современными высококлассными масс-спектрометрическими установками для биохимических и биомедицинских применений метода, с высокой производительностью и относительной дешевизной получаемых результатов. Это позволило бы вывести масс-спектрометрию биомолекул на качественно новый уровень, облегчить доступ к современным методам исследования и существенно расширить сферу ее применений. Время покажет, оправданы ли эти надежды.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
 



Похожие работы:

«В книге кратко рассмотрено развитие генетики в XX веке и более детально — история генетики в СССР. Описано появление первых научных школ в Ленинграде и в Москве в 1917-1934 гг. и история первых генетических учреждений: кафедр генетики в Ленинградском и Московском университетах. Института генетики АН СССР. Изложена история лысенковщины (1935-1964 гг.), рассмотрены социально-политические и научные факторы, которые привели к подавлению генетики и выдвижению в качестве научного диктатора Т.Д....»

«1. Введение. 1.1. Об этой книге. Прежде чем приступить к написанию книги, автор попытался представить своего будущего читателя. А так как круг пользователей, хоть раз в жизни запускавших программу с названием Adobe Photoshop, достаточно широк (с уверенностью можно заключить, что о подобной программе слышали абсолютно все), в результате пришлось вообразить человека, который для работы с цифровыми изображениями выбирает самое лучшее средство. Существует достаточное количество очных, заочных и...»

«Цели и задачи изучения учебного предмета Основными целями изучения курса физики в 8 классе являются: · освоение знаний о тепловых, электрических, магнитных и световых явлениях, электромагнитных волнах; величинах, характеризующих эти явления; законах, которым они подчиняются; методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира; · овладение умениями проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, использовать...»

«А. В. Поляков ЗАЩИТА НАСЕЛЕНИЯ И ОБЪЕКТОВ ОТ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ Курс лекций В двух частях Часть 1 ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ 1 Поляков, А. В. Защита населения и объектов народного хозяйства в чрезвычайных ситуациях В 2 ч. Ч. 1. Характеристика, прогнозирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций / А. В. Поляков. В первой части учебного пособия даны классификация и краткая характеристика чрезвычайных ситуаций, рассматриваются типовые ЧС,...»

«УТВЕРЖДАЮ Декан факультета географии и геоэкологии _Е.Р. Хохлова 22 февраля 2010 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ЭКОЛОГИЯ, 2 курс 020400.62 География очная форма обучения Обсуждено на заседании кафедры Составитель: физической географии и к.г.н., доцент региональной геоэкологии Тихомирова Л.К. февраля 2010 г. Протокол № 1 Зав. кафедрой _О.А. Тихомиров Тверь 2010 2. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Цели и задачи дисциплины - формирование системы базовых знаний основных научных обобщений...»

«Аннотация Ценой огромных усилий путешественникам удалось сесть на поезд, идущий в Конингар. Через несколько дней состав подвергся нападению банды некоего Тонга Кроусола. Схватка с налетчиками получилась необычайно жестокой и кровопролитной. Во время боя погиб Олан, самый молодой член отряда. Понеся тяжелые потери, разбойники отступили в горы. Упускать врага земляне не собирались, и решили пре– следовать Тонга. Вопрос в том, удастся ли землянам настичь Кроусола. Об этих удивительных и...»

«Научные стажировки молодых химиков в крупных научных центрах России, СНГ и дальнего зарубежья (Фонд им. К.И. Замараева) Область наук: Химические Тип гранта: For studying abroad Веб-сайт: http://www.zam.catalysis.ru/block/index. Программа 2014 года: Финансовая поддержка фундаментальных исследований в области катализа и физикохимии поверхности. Научные стажировки молодых учных в крупных научных центрах России, СНГ и дальнего зарубежья Международный благотворительный научный фонд имени К.И....»

«Литературный ПОРТАЛ http://www.LitPortal.Ru Анонс Джин и Боб Байярд работают вместе уже почти полвека. Будучи психологами, они занимаются совместной клинической практикой в Калифорнии. Вырастили пятерых детей. Когда их младшему ребенку исполнилось восемнадцать лет, у них был тридцатидвухлетний непрерывный стаж воспитания детей. К этому времени на своем личном опыте они пережили большинство тех проблем, которые обсуждаются в этой книге. Джин, психотерапевт, специализируется в том, чтобы помогать...»

«СИМБИОЗ РОССИЯ 2011 Материалы IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов-биологов Воронеж, 23–27 мая 2011 Том II Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2011 УДК 57(063) ББК 28.0Я431 С37 Печатается в соответствии с решением оргкомитета конгресса при финансовой поддержке Департамента образования, науки и молодежной политики Воронежской области Г л а в н ы й р е д а к т о р В.Г. Артюхов Редакционная коллегия: В. Г. Артюхов, А....»

«АЭРОЛОГИЯ Часть II ФИЗИКА СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЫ.Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия ' для студентов университетов и гидрометеорологических вузов БИБЛИОТЕКА Ланинградского 'Гидрометеоролог, ческого Ино^тута ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО Ленинград • 1965 УДК 551.510.536 АННОТАЦИЯ В книге дано систематическое изложение современных данных о составе воздуха и его изменениях с высотой, о радиационном и тепловом режиме атмосферы, о...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.