Einführung in die Massenspektrometrie

Quelle: Labor von Dr. Khuloud Al-Jamal - Kings College London

Massenspektrometrie ist eine analytische Chemie-Technik, die die Identifizierung von unbekannten Verbindungen innerhalb einer Stichprobe, die Quantifizierung der bekannten Materialien, die Bestimmung der Struktur und chemische Eigenschaften von verschiedenen Molekülen ermöglicht.

Ein Massenspektrometer besteht aus einer Ionisierung Quelle, ein Analysator und einem Detektor. Der Prozess umfasst die Ionisierung der chemischen Verbindungen zu Ionen erzeugt. Wenn mit induktiv gekoppelten Plasma (ICP), werden Proben, die Elemente von Interesse in Argon-Plasma als Aerosol Tröpfchen eingeführt. Das Plasma trocknet das Aerosol, distanziert sich die Moleküle und dann entfernt ein Elektron aus der Komponenten von Massenspektrometer detektiert werden. Anderen Ionisation Methoden wie Elektrospray-Ionisation (ESI) und Matrix assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI) dienen zur Analyse biologischer Proben. Nach dem Verfahren der Ionisation Ionen in das Massenspektrometer entsprechend ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/Z) getrennt sind, und die relative Häufigkeit der einzelnen Ionen gemessen. Schließlich besteht der Detektor häufig in ein Elektronen-Vervielfacher, wo die Kollision von Ionen mit einer geladenen Anode führt zu einer Kaskade von Erhöhung der Anzahl der Elektronen, die durch einen elektrischen Stromkreis verbunden mit einem Computer erkannt werden kann.

In diesem Video wird das Verfahren der ICP-MS-Analyse durch den Nachweis von ⁵⁶Fe als Beispiel beschrieben.

ICP-MS verbindet eine Hochtemperatur-ICP (induktiv gekoppelten Plasma) Quelle mit einem Massenspektrometer.

Proben müssen in Ionenform vor dem Eintritt in die Masse Analysator um erkannt zu werden. Die Verdauung fester Proben besteht darin, die Inkubation von festen Proben in starken und oxidierende Säure bei hohen Temperaturen und für einen längeren Zeitraum je nach Metall Analyt. Die Probe wird als Aerosol in der ICP-Plasma (Temperatur von 6.000-10.000 K) eingeführt, um in gasförmige Atome umgewandelt werden, die ionisiert werden.

Die am häufigsten verwendete Masse Analyzer ist das Quadrupol-Massenfilter. Es funktioniert wie ein Elektrofilter, die erlaubt nur Ionen von einer einzigen Masse-Ladungs-Verhältnis (m/Z), den Detektor zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erreichen. Es kann bis zu 15.000 Dalton (Da) pro Sekunde trennen und gilt daher als gleichzeitige Multi-Elementaranalyse Eigenschaften haben. ICP-MS ist eine sehr empfindliche Methode, die ermöglicht die Erkennung von Elementen mit Konzentrationen unter Teilchen pro Milliarde (ppb), und unten Teilchen pro Billion (ppt) für bestimmte Elemente.

Schließlich wird das Detektorsystem die Zahl der Ionen, die auffällig des Detektors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Mithilfe von Kalibrierstandards (Proben bekannter Konzentration für ein bestimmtes Element) ist es möglich, die Konzentration einer Probe für ein oder mehrere Elemente des Interesses zu beurteilen.

1. Reinigung von Polycarbonat Rohre

1. Verwenden Sie Polycarbonat Rohre resistent gegen sauren Lösungen für Probe Verdauung. Um keine kontaminierenden Spuren von Eisen zu entfernen, füllen Sie alle Rohre mit 5 mL 0,1 M HCl.
2. Platz Rohre in einem Wasserbad für 1 h bei 50 ° C.
3. Waschen Sie die Rohre mit 5 mL Milli-Q Wasser und trocknen Sie der Rohre in einem Ofen oder chemische Haube.

2. Probieren Sie Vorbereitung und Verdauung

1. Platz 200 µL der Probe in 1,8 mL konzentrierter Salpetersäure (65 %).
2. Legen Sie Rohre in einem Wasserbad bei 50 ° c über Nacht Stellen Sie das Protokoll durch Erhöhung der Temperatur, wenn eine Verkürzung der gesamten Verdauung benötigt wird.
3. Lassen Sie die Rohre bei Raumtemperatur abkühlen.
4. Verdünnen Sie die Proben durch Zugabe von 8 mL Wasser Milli-Q, eine endgültige Salpetersäure Konzentration Balg 20 % (V/V) zu erhalten.
5. Zentrifugieren Sie Rohre bei 3.000 x g für 10 min. zu makroskopischen verbleibenden Rückstände Pellets.

3. Vorbereitung des Instruments

1. Reinigen Sie die ICP-Fackel mit Ultraschall in 5 % Salpetersäure für 15 min. Wischen Kegel mit 5 % Salpetersäure. Die peristaltische Schläuche zu ändern. Überprüfen Sie die Pumpe Ölstand.
2. Schalten Sie die Argon und Kühler, starten Sie Plasma zu. Starten Sie Flüssigkeitsstrom in Plasma und Instrument zur Stabilisierung, ca. 20 min warten.
3. Objektiv-Spannungen zu optimieren. Laufen täglich Performance-Check durch die Messung der Testlösungen mit Mg, In, und Ihr, die Empfindlichkeit des ICP-MS-Gerätes zu bestätigen. Ce und Ba wo Oxid Form und doppelt geladene Ionen unter 3 bleiben sollte % zu messen. Überprüfen Sie die Masse auf 8 und 220 Da das Hintergrundsignal messen.
4. Das Gerät ist nun betriebsbereit.

4. Auswahl des Benutzers Methode und Beispielliste

1. Select-Element und Isotope von Interesse.
2. Wählen Sie Scan-Modus als Gipfel-hopping.
3. Wählen Sie eine Verweilzeit von 100 ms (mindestens 50) mit 40 fegt (mindestens 15) pro Lesung. Wählen Sie eine Lesung pro replizieren und 5 repliziert (mindestens 3). Vollständige Integration ist 4.000 Frau wenn Probenmenge begrenzt ist reduzieren Verweilzeit, Anzahl der Sweeps und Wiederholungen halten die Werte höher als die oben definierten Mindestwerte.
4. Verwenden Sie einen Durchfluss von Ammoniak (NH₃) bei 0,7 mL/min, zur Vermeidung von Interferenzen von ⁴⁰Ar¹⁶O auf die Bestimmung der ⁵⁶Fe.
5. Die Elemente der Wahl Eichkurve vorbereiten.
6. Laufen Sie die Proben.

ICP-MS-Analyse von Proben mit Eisenoxid-Nanopartikel ist unten dargestellt. Eine Standardkurve wurde mit bekannter Konzentration von ⁵⁶Fe (Abbildung 1) durchgeführt. Der Korrelationskoeffizient in der Nähe 1 (R² = 0.999989) zeigte die gute lineare Beziehung zwischen der Probe Konzentrationen und die Intensität durch den Detektor gemessen. Proben von Interessen zeigten Werte im Bereich Kalibrierung (Abbildung 2). Lagen die Konzentrationen von der Software berechnet dann die Verdünnung durchgeführt während des Protokolls angepasst. Das vorliegende Protokoll beschrieben eine Verdünnung von 1/50 folgen die Verdünnung in Säure (1/10) und Wasser in Mili-Q (1/5). Beispielsweise wurde eine Konzentration von 51.427 µg/L für die Probennummer 51 (Abbildung 2) gemessen. Die Konzentration der ursprünglichen Probe war 50 x höhere entspricht 2,57 mg/L.

Abbildung 1: Eichkurve für ⁵⁶Fe Messungen. Vier standard-Punkte (0,01, 0,1, 1 und 10 µg/mL) zeigen einen Korrelationskoeffizienten (R²) von 0.999989. Dies bestätigt die gute lineare Beziehung zwischen der Signalintensität erkannt und die Konzentrationen der Referenz.

Abbildung 2: Repräsentative Ergebnisse nach ICP-MS-Messungen an Eisenoxid-Nanopartikel-Proben. Die Konzentration der einzelnen verdünnten Probe wird automatisch berechnet, entsprechend der definierten Kalibrierkurve.

Die ökologischen und geologischen Felder stellen die erste Verwendung für ICP-MS z. B. Verunreinigungen im Wasser, im Boden oder in der Atmosphäre zu messen. Das Vorhandensein von Kontaminanten in hoher Konzentration im Leitungswasser wie Fe, Cu oder Al kann mit ICP-MS überwacht werden.

Die medizinische und forensische Wissenschaft Felder verwenden auch ICP-MS-Detektion. Bei Verdacht auf eine Metallvergiftung wie Arsen können Proben wie Blut und Urin mit ICP-MS analysiert werden. Diese Technik kann auch wertvolle Informationen bei Pathologie mit metabolischen Bedenken oder Hepatological Probleme, was die Armen Ausscheidung bestimmter Elemente liefern.

ICP-MS erlaubt die Quantifizierung von Metallen in jedem Material. In Abbildung 3war die Konzentration von Fe in Nanopartikel gemessen und in Bezug auf ihre Eigenschaften Magnetresonanz-Bildgebung (MRI). ICP-MS bietet eine zuverlässige Quantifizierung der Fe von verschiedenen Nanopartikeln zu unterscheiden welche Nanopartikel für imaging-Anwendung die am effizientesten sind.

Eine weitere Anwendung ist die Bioverteilung von Nanopartikeln verbunden mit Metallen zu studieren. Abbildung 4 zeigt die Orgel Bioverteilung von Nanopartikeln mit Eisenoxid bei Mäusen nach intravenöser Injektion. Um 24 Uhr war jedes Organ gesammelt und verdaut in konzentrierter Salpetersäure bis volle Orgel Verdauung erreicht wurde. Die ⁵⁶Fe-Konzentration wurde durch ICP-MS.-Ergebnisse zeigen höhere Konzentration von ⁵⁶Fe in Leber und Milz für Mäuse injiziert mit Nanopartikeln als in Organen von naiven Tiere quantifiziert. Daher wurde der Schluss gezogen, dass Nanopartikel vor allem in Leber und Milz Organen ansammeln.

Abbildung 3. Magnetic Resonance imaging (MRI) Messung von Nanopartikeln Funktion ihrer Fe-Konzentration. Fünf Konzentrationen von Eisen wurden verwendet (0,25, 0,5, 0,75, 1 und 1,25 mM), wurden für ihre MRI Eigenschaften abgebildet (Entspannung Rate, R₂*).

Abbildung 4. Bioverteilung von Eisenoxid-Nanopartikeln nach intravenöser Injektion bei Mäusen. Naive Beispiele zeigen die basalen Organebene von Eisen in den unbehandelten Mäusen. Nach der Injektion von Nanopartikeln mit Eisenoxid, die Menge des Eisens in bestimmten Organ erhöht die Anhäufung von Nanopartikeln zugeordnet ist.