Hoe Massaspectrometrie Werkt

{h1}

Massaspectrometrie is een aspect van de wetenschap dat uiteindelijk het steroïde tijdperk van het honkbal tot een einde kon brengen. Meer informatie over massaspectrometrie.

- De werelden van analytische chemie en Major League Baseball lijken een miljoen mijlen van elkaar verwijderd te zijn. Maar in het moderne tijdperk van de sport zijn atomen en moleculen bijna net zo belangrijk geworden als dubbele spelen en homerunnen. Hoe komt het? Het is chemie die de competitie in staat stelt om spelers schuldig te verklaren aan "sportdoping" - het nemen van anabole steroïden om spiergroei te bevorderen en concurrentievoordeel te behalen. In feite gaat de formule van elk opmerkelijk schandaal in de afgelopen jaren - Mark McGwire, Barry Bonds, Alex Rodriguez - zoiets als dit:

  1. Een atleet neemt een prestatieverhogend medicijn zoals methenolone (merknaam Primobolan). Het medicijn wordt geïnjecteerd of oraal ingenomen.
  2. Tijdens een willekeurige drugtest wordt de atleet gevraagd om wat van zijn urine aan de wetenschap te doneren.
  3. De urine reist naar een testfaciliteit.
  4. Chemici in de fabriek introduceren een monster van de urine in een instrument dat lijkt op drie fotokopieerapparaten die met elkaar zijn verbonden. Het instrument is een analytisch hulpmiddel dat bekend staat als a massaspectrometer. Het test de urine op de aanwezigheid van de steroïde of chemicaliën die worden geproduceerd terwijl het lichaam de steroïde verwerkt, die kan worden gedetecteerd gedurende dagen tot weken na de laatste dosis, afhankelijk van het geneesmiddel en de ingenomen hoeveelheid.
  5. Het lab informeert de competitie over positieve resultaten.

Wanneer de krantenkoppen slaan, richten ze zich op de speler: wanneer begon hij het medicijn te nemen? Hoe lang heeft hij het geduurd? Heeft hij records gebroken tijdens het gebruik van het medicijn? Moeten die records worden vernietigd? Niemand besteedt veel aandacht aan de chemie, die vaak wordt behandeld als een voetnoot, of helemaal niet.

We zijn hier om dat ongelukkige overzicht te corrigeren. Dit artikel zal je door het bescheiden maar handige gebied van chemie leiden dat bekend staat als massaspectrometrie. Het onderzoekt de fundamentele wetenschappelijke principes op het werk, evenals enkele van de geavanceerde technieken die het mogelijk maken om alles te analyseren, van zonnewind tot de uitademing van een patiënt onder algemene anesthesie tot de uitscheidingsproducten van professionele atleten.

- Als eerste, laten we de juiste basis leggen met een mentale oefening en een korte geschiedenisles.

Massa-spectrometrie Basis: een atomaire balans

- De principes achter massaspectrometrie zijn enigszins abstract, dus laten we beginnen met een concrete mentale oefening. Stel dat u een volledig beladen-trekker-aanhanger wilde wegen. De eenvoudigste manier zou zijn om het tuig naar een zware weegbrug te brengen. Laten we nu zeggen dat je een van de wielen van de trailer wilde wegen. Een normale weegschaal zou die informatie kunnen verschaffen. Vervolgens besluit u om een ​​wielmoer van een van de wielen te wegen, waarvoor niets meer nodig is dan een gewone keuken of een laboratoriumweegschaal. Tot slot, stel je voor dat je een enkel atoom wilde wegen dat geschraapt werd van het oppervlak van de wielmoer. Hoe zou je het meten? Zelfs de meest gevoelige laboratoriumbalans zou het gewicht van zoiets kleins niet registreren.

Dit was de situatie waarmee chemici aan het begin van de 20e eeuw werden geconfronteerd. Dankzij de atoomtheorie van John Dalton wisten ze dat materie gemaakt was van atomen en dat atomen van één element hetzelfde waren. Maar hoe zag een atoom eruit en hoeveel woog het? In 1897, J.J. Thomson ontdekte het elektron door het gedrag van kathodestralen, de stroom negatief geladen deeltjes afkomstig van de kathode, of negatieve elektrode, in een gasgevulde vacuümbuis. Een jaar later begon Willy Wien te werken met "positieve stralen" - de stroom van positief geladen deeltjes die uit de anode komen en zich naar de kathode bewegen. Wien merkte op dat een magnetisch veld positieve stralen zou kunnen afbuigen. Toen, in 1907, begon Thomson positieve stralen af ​​te buigen met zowel elektrische als magnetische velden. Hij ontdekte dat hij de deeltjesmassa kon bepalen door te meten hoe ver ze waren afgebogen.

In 1919 verbeterde Francis Aston de methoden en apparatuur van Thomson, wat leidde tot de eerste massaspectrometer - een machine die letterlijk atomen en moleculen weegt. Aston gebruikte zijn spectrometer om honderden van nature voorkomende isotopen te bestuderen. Tegenwoordig gebruiken chemici nog steeds de massaspectrometer om de molecuulgewichten van elementen, isotopen en verbindingen te meten. Maar ze gebruiken het ook om de chemicaliën in een monster te identificeren, bepalen hoeveel van elke chemische stof in een monster aanwezig is en analyseren de structuur van complexe moleculen.

Vervolgens zullen we van dichterbij bekijken wat er zich afspeelt in een massaspectrometer.

-

Het zoeken naar betekenis

Massaspectrometrie is een van de belangrijkste technieken van een analytisch chemicus. Helaas is het een van verschillende verwante termen die voor verwarring kunnen zorgen. Laten we proberen deze termen duidelijk te maken:

  • Massaspectrometrie: Een analysetechniek die wordt gebruikt om de chemische bestanddelen te bepalen, of analytenin een chemisch monster.
  • Massaspectrometer: Het eigenlijke apparaat dat wordt gebruikt voor het uitvoeren van massaspectrometrie. Sommige massaspectrometers kunnen op een tafelblad zitten. Anderen vullen een hele kamer.
  • Massaspectrum: De uitvoer van een massaspectrometer. Een massaspectrum lijkt een beetje op een lijngrafiek met punten of pieken van verschillende hoogte.
  • Massaspectrometer: Een wetenschapper die is gespecialiseerd in massaspectrometrie.

-

Ionen op snelheid krijgen: inzicht in massaspectrometrie

Hoe massaspectrometrie werkt: zijn

- Om de basisprincipes van massaspectrometrie te begrijpen, overweeg een persoon die aan de top van een toren staat - op een winderige dag. De persoon pakt verschillende ballen op en laat ze een voor een uit de toren vallen. Als elke bal valt, buigt de wind hem langs een gebogen pad af. De massa's ballen beïnvloeden hoe ze vallen.Een bowlingbal is bijvoorbeeld veel zwaarder dan een basketbal en is daarom moeilijker te verplaatsen. Als gevolg daarvan volgt een bowlingbal een ander pad dan een basketbal.

In een massaspectrometer gebeurt hetzelfde, behalve dat het atomen en moleculen zijn die afgebogen worden, en het is een elektrisch of magnetisch veld dat de afbuiging veroorzaakt. Het gebeurt ook in een kast die zo klein kan zijn als een magnetron of zo groot als een diepvrieskist. De kast bevat drie basisonderdelen: een ionisatiekamer, een massa-analysator en een detector. Hier is hoe het allemaal werkt.

Om afgebogen te worden door elektrische of magnetische velden, moeten atomen dat eerst zijn geïoniseerde, of omgezet in geladen deeltjes. Dit wordt bereikt door een of meer elektronen weg te slaan, wat resulteert in een deeltje met een netto positieve lading. Spectrometristen bombarderen soms een monster met een elektronenbundel om de moleculen te ioniseren. De binnenkomende elektronen werken als biljartballen, waardoor elektronen in het monster worden weggeslagen. Ze gebruiken ook een techniek die bekend staat als electrospray ionisatie, dat een monster door een geladen naald dwingt om elektronen weg te strippen. Hoe dan ook, deze eerste stap van massaspectrometrie produceert positieve ionen.

Vervolgens moeten de positieve ionen uit de ionisatiekamer komen. De kracht die nodig is om ze te verplaatsen komt van een elektrisch veld dat wordt gevoed door twee metalen roosters. - Eén rooster is positief geladen en stoot de ionen af; de andere is negatief geladen en trekt ze aan. Omdat de afstoting en aantrekkingskracht in dezelfde richting werken, bewegen de ionen snel naar het negatief geladen raster, dat is geperforeerd met veel kleine gaatjes. De ionen passeren met verschillende snelheden door de gaten. Lichtere ionen reizen sneller dan zwaardere.

-Volgens de wetten van het elektromagnetisme zal een bewegende stroom van elektrisch geladen deeltjes een magnetisch veld genereren. De ionen in een massaspectrometer zijn geen uitzondering. Ze produceren een eigen magnetisch veld en het is dit magnetisch veld waar wetenschappers van profiteren in de belangrijkste stap van spectrometrie. We komen hier in de volgende sectie.

-

Doorbuiging en detectie van ionen

Hoe massaspectrometrie werkt: zijn

-C-reating en versnellende ionen zijn in wezen voorbereidende stappen voor het echte werk van massaspectrometrie - massa analyse. De hoofdtaak van de massa-analysator is om een ​​extern magnetisch veld toe te passen op de ionen die de ionisatiekamer verlaten. Dit externe veld interageert met het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de snel bewegende deeltjes, waardoor het pad van elk deeltje enigszins buigt. Hoeveel de kromming van een ionenpad afhangt van twee factoren: de massa van het ion en de lading ervan. Lichtere ionen en ionen met een hogere lading worden meer afgebogen dan zwaardere ionen en ionen met een kleinere lading.

Chemici combineren deze twee variabelen in een waarde die de massa-naar-charge-verhouding, dat wiskundig wordt voorgesteld als m / z (of ik). Als een ion bijvoorbeeld een massa heeft van 18 eenheden en een lading van 1+, is zijn m / z-waarde 18. Als een ion een massa van 36 eenheden en een lading van 2+ heeft, is de m / z-waarde ook 18 De meeste ionen die van de ionisatiekamer naar de massa-analysator bewegen hebben één enkel elektron verloren, dus ze hebben een lading van 1+. Dat betekent dat de m / z-waarde van de meeste ionen die door een massaspectrometer gaan, dezelfde is als de massa van het ion.

Het netto resultaat is dat elke ion een pad volgt dat afhankelijk is van zijn massa, zoals rechts wordt weergegeven. Ionenstroom A heeft de lichtste deeltjes en wordt het meest afgebogen. Ionenstroom C heeft de zwaarste deeltjes en wordt het minst afgebogen. De massa van de deeltjes in ionenstroom B valt ergens daar tussenin. Merk op dat slechts één van de ionenstromen werkelijk door de massa-analysator gaat en de detectie-eenheid aan de achterkant van het apparaat bereikt. De andere twee stromen raken de zijkant van de spectrometer en worden geneutraliseerd. Om alle ionen te analyseren, passen chemici eenvoudig de intensiteit van het magnetische veld aan totdat elke stroom de detector raakt.

Een computer wordt gebruikt om gegevens te analyseren die zijn verzameld op de detector en om resultaten weer te geven in een grafiek die bekend staat als a massaspectrum. In de meeste grafieken wordt de massa - gemeten in atomaire massa-eenheden (amu) - geplot op de x-as. Relatieve intensiteit, die meet hoeveel ionen van een bepaalde massa worden gedetecteerd, wordt uitgezet op de y-as.

- Vervolgens gaan we terug naar de grote divisies en onderzoeken we hoe massaspectrometrie wordt gebruikt om misbruik van steroïden bloot te stellen aan sluggers die thuis worden gebruikt.

The Science of a Scandal: Real-world Mass Spectrometry

Hoe massaspectrometrie werkt: massaspectrometrie

Laten we teruggaan naar de urine van de basisspeler die we in de inleiding hebben besproken. In massaspectrometrie wordt de urine een monster genoemd. Ooit waren massaspectrometers alleen in staat monsters te analyseren die bestonden als gassen, maar de modellen van vandaag kunnen vaste stoffen en vloeistoffen aan. Spectrometristen, gewoonlijk analytische chemici, voegen het monster direct in de ionisatiekamer of, als het een complex mengsel is, in een andere inrichting die een eerste doorgangscheiding van de componenten van het monster uitvoert. chromatografie is de meest gebruikelijke manier om deze initiële scheiding uit te voeren en kan voorkomen als gaschromatografie (GC) of vloeistofchromatografie (LC). Chromatografie scheidt het monster in een reeks componenten door eerst de substantie in een gas of een vloeistof op te lossen en vervolgens door een secundair materiaal te persen. Een component die oplosbaar is in de eerste fase zal langzamer bewegen dan een component die niet oplosbaar is in de eerste fase, maar zeer oplosbaar is in de tweede fase. Als gevolg hiervan worden de verschillende componenten gescheiden. Ieder komt dan de massaspectrometer binnen voor analyse.

-Het testen van geneesmiddeldruggen gebeurt meestal met behulp van gaschromatografie / massaspectrometrie (GC / MS). Soms wordt meer dan één massaspectrometer gebruikt in een techniek die wordt genoemd tandem massaspectrometrie, dat in feite werkt om grote ionen uiteen te breken in kleinere ionen voor een meer gedetailleerde analyse. Dit alles is nodig omdat urine een groot aantal componenten bevat, waaronder van nature voorkomende steroïden. Het gebruik van GC / MS of GC / MS / MS detecteert meer chemicaliën en levert betrouwbaardere resultaten op.

Hoe gebruiken chemici massaspectrometrie om te testen op illegale steroïden? Eerst analyseren ze verschillende bekende steroïden om hun massaspectra te produceren voor vergelijkingsdoeleinden. Ze kunnen ook rekenen op tabellen met massawaarden, als ze ter referentie beschikbaar zijn. Vervolgens analyseren ze normale, niet-verontreinigde urine. Vervolgens testen ze de urine van een speler met behulp van GC / MS of GC / MS / MS. Ten slotte vergelijken ze het massaspectrum geproduceerd met de urine van de speler met de spectra van normale urine en bekende steroïden. Door de pieken op de spectra, die ionen van verschillende massa's vertegenwoordigen, te vergelijken, kunnen chemici precies identificeren welke medicijnen, indien aanwezig, in de urine aanwezig zijn. Typische resultaten kunnen eruitzien als die hieronder worden getoond.

- Noteer dat het testmonster pieken heeft die overeenkomen met de steroïdenstandaard. De pieken vertegenwoordigen ionen die bepaalde elementen bevatten. Bijvoorbeeld de C2H3 - ion heeft een andere piek dan het OH-ion. Op deze manier worden massaspectra gebruikt als "vingerafdrukken" om verbindingen te identificeren. Vervolgens zullen we zien dat die verbindingen niet in de urine van een balspeler hoeven te zitten. Ze kunnen in bijna elk denkbaar monster zijn.

-

Beyond Baseball: Other Applications of Mass Spectrometry

-Drugtesten is slechts één toepassing van massaspectrometrie. Vrijwel elke wetenschappelijke discipline is afhankelijk van de analysetechniek voor zuiver of toegepast onderzoek. Overweeg deze voorbeelden:

  • Astronomen gebruiken massaspectrometrie om de elementen en isotopen te bepalen die in de zonnewind worden aangetroffen. Het massaspectrum van zonnewind onthult bijvoorbeeld dat de volgende elementen gebruikelijk zijn: koolstof (12 amu), zuurstof (16 amu), neon (20 amu), magnesium (24 amu), silicium (28 amu) en ijzer (56 amu).
  • Milieudeskundigen gebruiken massaspectrometrie om toxines in vervuilde vissen te detecteren. Ze kunnen de techniek ook gebruiken om de hoeveelheid en aard van in de lucht zwevende deeltjes in de atmosfeer te meten, gegevens die kunnen worden gebruikt om de klimaatverandering te volgen.
  • Biologen gebruiken massaspectrometrie om de structuren van complexe biologische moleculen, zoals koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren, te identificeren. Virologen hebben bijvoorbeeld een spectrometer gebruikt om een ​​dieper begrip te krijgen van hoe het humaan immunodeficiëntievirus (HIV) zich in een gastheercel verzamelt.
  • Anesthesiologen gebruiken massaspectrometrie tijdens operaties om de metabolische gasuitwisseling van hun patiënten te meten. De techniek stelt hen in staat om de ademhalingsquotiëntof het geproduceerde volume koolstofdioxide gedeeld door het volume verbruikt zuurstof, wat aangeeft dat de cellen van de patiënt voldoende zuurstof krijgen en voldoende kooldioxide verwijderen om gezond te blijven.
  • Geologen gebruiken massaspectrometrie om olieafzettingen te lokaliseren door aardolieprecursoren in steen te meten. En paleontologen vertrouwen op spectrometers voor koolstofdatering, die de meting vereist van koolstof-12 en koolstof-14 isotopen in een monster om de leeftijd van het monster te bepalen.

-Natuurlijk trekken die applicaties niet zoveel headlines aan als een sportster die positief test op steroïdengebruik. Dergelijke krantenkoppen kunnen nog algemener worden naarmate de technieken van massaspectrometrie verbeteren. Wetenschappers van Purdue University en Tsinghua University in Beijing hebben onlangs een snellere, gevoeliger test voor anabole steroïden ontwikkeld. De test combineert tandem-massaspectrometrie met een ionisatietechniek die bekend staat als reactieve desorptie electrospray ionisatie. Met behulp van deze technieken kunnen de wetenschappers zeven soorten anabole steroïden identificeren in een enkele druppel urine en dit doen met een snelheid van één monster per seconde. Misschien zal dit uiteindelijk een spijker in de kist van de Steroid Era van honkbal plaatsen.

-


Video Supplement: Massaspectrometrie.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com