Wie Massenspektrometrie Funktioniert

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Massenspektrometrie ist ein aspekt der wissenschaft, der die steroid-ära des baseballs endlich beenden könnte. Erfahren sie mehr über massenspektrometrie.

- Die Welten der analytischen Chemie und der Baseball der Major League scheinen eine Million Kilometer voneinander entfernt zu sein. In der modernen Zeit des Sports sind Atome und Moleküle jedoch fast so wichtig wie Doppelspiele und Homeruns. Wieso das? Es ist die Chemie, die es der Liga ermöglicht, Spieler, die sich des "Sportdopings" schuldig fühlen, ausfindig zu machen - Anabolika zu nehmen, um das Muskelwachstum zu fördern und Wettbewerbsvorteile zu erlangen. In der Tat lautet die Formel jedes bemerkenswerten Skandals der letzten Jahre - Mark McGwire, Barry Bonds, Alex Rodriguez - in etwa so:

  1. Ein Athlet nimmt ein leistungssteigerndes Medikament wie Methenolon (Markenname Primobolan) ein. Das Medikament wird entweder injiziert oder oral eingenommen.
  2. Während eines Drogentests wird der Athlet gebeten, etwas Urin für die Wissenschaft zu spenden.
  3. Der Urin gelangt in eine Testeinrichtung.
  4. Chemiker in der Einrichtung führen eine Urinprobe in ein Instrument ein, das wie drei miteinander verbundene Fotokopierer aussieht. Das Instrument ist ein analytisches Werkzeug, das als a bezeichnet wird Massenspektrometer. Es testet den Urin auf das Vorhandensein des Steroids oder der Chemikalien, die produziert werden, während der Körper das Steroid verarbeitet. Dieses kann Tage bis Wochen nach der letzten Dosis nachgewiesen werden, je nach Wirkstoff und Menge.
  5. Das Labor informiert die Liga über positive Ergebnisse.

Wenn die Schlagzeilen getroffen werden, konzentrieren sie sich auf den Spieler: Wann hat er angefangen, das Medikament zu nehmen? Wie lange hat er es gedauert? Hat er während der Droge irgendwelche Rekorde gebrochen? Sollten diese Aufzeichnungen umgestürzt werden? Niemand achtet sehr auf die Chemie, die oft als Fußnote behandelt wird, wenn überhaupt.

Wir sind hier, um dieses unglückliche Versehen zu korrigieren. Dieser Artikel führt Sie durch das unscheinbare, aber praktische Gebiet der Chemie Massenspektrometer. Es werden die grundlegenden wissenschaftlichen Grundlagen der Arbeit sowie einige der fortgeschrittenen Techniken untersucht, die es ermöglichen, alles von Sonnenwind über die Ausatmung eines Patienten unter Vollnarkose bis zu den Ausscheidungsprodukten von Profisportlern zu analysieren.

- Zuerst legen wir die richtige Grundlage mit einer mentalen Übung und einer kurzen Geschichtsstunde.

Massenspektrometrie-Grundlagen: Eine atomare Balance

- Die Prinzipien der Massenspektrometrie sind etwas abstrakt, beginnen wir mit einer konkreten Denkübung. Angenommen, Sie wollten einen voll beladenen Sattelzug wiegen. Der einfachste Weg wäre, das Rigg auf eine Schwerlastwaage zu fahren. Nehmen wir an, Sie wollten eines der Räder des Anhängers wiegen. Eine regelmäßige Personenwaage könnte diese Informationen liefern. Als Nächstes entscheiden Sie sich, eine Radmutter von einem der Räder zu wiegen, was nur eine gewöhnliche Küchen- oder Laborwaage erfordern würde. Stellen Sie sich schließlich vor, Sie wollten ein einzelnes Atom wiegen, das von der Oberfläche der Radmutter abgekratzt wurde. Wie würdest du es messen? Selbst die empfindlichste Laborwaage würde das Gewicht von etwas so Kleinem nicht erfassen.

Dies war die Situation, mit der Chemiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts konfrontiert waren. Dank John Daltons Atomtheorie wussten sie, dass Materie aus Atomen besteht und dass Atome eines Elements gleich sind. Aber wie sah ein Atom aus und wie viel wiegt es? Im Jahre 1897 stellte J.J. Thomson entdeckte das Elektron durch Untersuchung des Verhaltens von Kathodenstrahlender Strom von negativ geladenen Teilchen, die von der Kathode oder der negativen Elektrode stammen, in einer gasgefüllten Vakuumröhre. Ein Jahr später begann Willy Wien mit "positiven Strahlen" zu arbeiten - dem Strom von positiv geladenen Teilchen, die von der Anode ausgehen und sich zur Kathode hin bewegen. Wien beobachtete, dass ein Magnetfeld positive Strahlen ablenken kann. 1907 begann Thomson, positive Strahlen sowohl mit elektrischen als auch mit magnetischen Feldern abzulenken. Er entdeckte, dass er die Masse der Partikel bestimmen konnte, indem er misst, wie weit sie abgelenkt wurden.

1919 verbesserte Francis Aston die Methoden und Apparate von Thomson und führte zum ersten Massenspektrometer - einer Maschine, die buchstäblich Atome und Moleküle wiegt. Aston benutzte sein Spektrometer, um Hunderte von natürlich vorkommenden Isotopen zu untersuchen. Noch heute nutzen Chemiker das Massenspektrometer, um die Molekulargewichte von Elementen, Isotopen und Verbindungen zu messen. Sie verwenden es jedoch auch, um die Chemikalien in einer Probe zu identifizieren, zu bestimmen, wie viel von jeder Chemikalie in einer Probe vorhanden ist, und die Struktur komplexer Moleküle zu analysieren.

Als Nächstes betrachten wir genauer, was in einem Massenspektrometer vor sich geht.

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Die Suche nach dem Sinn

Die Massenspektrometrie ist eine der wichtigsten Techniken eines analytischen Chemikers. Leider ist dies einer von mehreren verwandten Begriffen, die zu Verwirrung führen können. Versuchen wir, diese Begriffe zu verstehen:

  • Massenspektrometer: Eine analytische Methode zur Bestimmung der chemischen Bestandteile oder Analytenin einer chemischen Probe.
  • Massenspektrometer: Das eigentliche Gerät zur Durchführung der Massenspektrometrie. Einige Massenspektrometer können auf einer Tischplatte sitzen. Andere füllen einen ganzen Raum.
  • Massenspektrum: Die Ausgabe eines Massenspektrometers. Ein Massenspektrum sieht ein bisschen aus wie ein Liniendiagramm mit Spitzen oder Spitzen unterschiedlicher Höhe.
  • Massenspektrometriker: Ein Wissenschaftler, der sich auf Massenspektrometrie spezialisiert hat.

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Ions auf den neuesten Stand bringen: Massenspektrometrie verstehen

Wie Massenspektrometrie funktioniert: funktioniert

Um die grundlegenden Prinzipien der Massenspektrometrie zu verstehen, betrachten Sie eine Person, die an einem windigen Tag auf einem Turm steht. Die Person nimmt verschiedene Bälle auf und lässt sie einzeln vom Turm fallen. Wenn jede Kugel fällt, lenkt der Wind sie entlang einer gekrümmten Bahn ab. Die Massen der Kugeln beeinflussen, wie sie fallen.Eine Bowlingkugel ist beispielsweise viel schwerer als ein Basketball und daher schwerer zu bewegen. Infolgedessen folgt eine Bowlingkugel einem anderen Weg als ein Basketball.

In einem Massenspektrometer geschieht dasselbe, außer dass Atome und Moleküle abgelenkt werden und elektrische oder magnetische Felder die Ablenkung verursachen. Dies geschieht auch in einem Schrank, der so klein wie eine Mikrowelle oder so groß wie ein Gefrierschrank sein kann. Das Gehäuse enthält drei grundlegende Teile: eine Ionisationskammer, einen Massenanalysator und einen Detektor. So funktioniert das alles.

Um durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt zu werden, müssen Atome zuerst sein ionisiertoder in geladene Teilchen umgewandelt. Dies wird erreicht, indem ein oder mehrere Elektronen weggeschlagen werden, was zu einem Teilchen mit einer positiven Nettoladung führt. Manchmal beschießen Spektrometristen eine Probe mit einem Elektronenstrahl, um die Moleküle zu ionisieren. Die ankommenden Elektronen wirken wie Billardkugeln und schlagen Elektronen in der Probe weg. Sie verwenden auch eine Technik, die als bekannt ist Elektrospray-Ionisierung, die eine Probe durch eine geladene Nadel zwingt, um Elektronen abzustreifen. In jedem Fall erzeugt dieser erste Schritt der Massenspektrometrie positive Ionen.

Als nächstes müssen sich die positiven Ionen aus der Ionisationskammer bewegen. Die Kraft, die erforderlich ist, um sie zu bewegen, stammt von einem elektrischen Feld, das von zwei Metallgittern geliefert wird. Ein Gitter ist positiv geladen und stößt die Ionen ab; der andere ist negativ geladen und zieht sie an. Da Abstoßung und Anziehung in dieselbe Richtung wirken, bewegen sich die Ionen schnell in Richtung des negativ geladenen Gitters, das mit vielen kleinen Löchern perforiert ist. Die Ionen passieren die Löcher mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Leichtere Ionen bewegen sich schneller als schwerere.

Nach den Gesetzen des Elektromagnetismus erzeugt ein sich bewegender Strom elektrisch geladener Teilchen ein Magnetfeld. Die Ionen in einem Massenspektrometer bilden keine Ausnahme. Sie erzeugen ein eigenes Magnetfeld, und dieses Magnetfeld nutzen die Wissenschaftler im wichtigsten Schritt der Spektrometrie. Wir werden im nächsten Abschnitt darauf eingehen.

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Ablenkung und Detektion von Ionen

Wie Massenspektrometrie funktioniert: Ionen

-C-Reations- und Beschleunigungsionen sind im Wesentlichen Vorbereitungsschritte für die eigentliche Arbeit der Massenspektrometrie - Massenanalyse. Die Hauptaufgabe des Massenanalysators besteht darin, ein externes Magnetfeld an die Ionen anzulegen, die die Ionisationskammer verlassen. Dieses äußere Feld interagiert mit dem Magnetfeld, das von den sich schnell bewegenden Partikeln erzeugt wird, wodurch sich der Weg jedes Partikels leicht biegt. Wie viel der Weg eines Ions ist, hängt von zwei Faktoren ab: der Masse des Ions und seiner Ladung. Leichtere Ionen und Ionen mit einer höheren Ladung werden stärker abgelenkt als schwerere Ionen und Ionen mit einer kleineren Ladung.

Chemiker kombinieren diese beiden Variablen zu einem Wert namens Masse-zu-Ladung-Verhältnis, die mathematisch als dargestellt wird m / z (oder ich). Wenn beispielsweise ein Ion eine Masse von 18 Einheiten und eine Ladung von 1+ hat, ist sein m / z-Wert 18. Wenn ein Ion eine Masse von 36 Einheiten und eine 2+ -Ladung hat, ist sein m / z-Wert ebenfalls 18 Die meisten Ionen, die sich von der Ionisationskammer zum Massenanalysator bewegen, haben ein einzelnes Elektron verloren, so dass sie eine Ladung von 1+ haben. Das bedeutet, dass der m / z-Wert der meisten Ionen, die ein Massenspektrometer durchlaufen, der Masse des Ions entspricht.

Das Nettoergebnis ist, dass jedes Ion einem von seiner Masse abhängigen Pfad folgt, wie rechts gezeigt. Der Ionenstrom A hat die leichtesten Teilchen und wird am stärksten abgelenkt. Der Ionenstrom C hat die schwersten Teilchen und wird am wenigsten abgelenkt. Die Masse der Teilchen im Ionenstrom B fällt irgendwo dazwischen. Beachten Sie, dass nur einer der Ionenströme tatsächlich den Massenanalysator durchläuft und die Detektionseinheit an der Rückseite des Geräts erreicht. Die anderen beiden Ströme treffen auf die Seite des Spektrometers und werden neutralisiert. Um alle Ionen zu analysieren, justieren Chemiker einfach die Intensität des Magnetfelds, bis jeder Strom auf den Detektor trifft.

Mit einem Computer werden die am Detektor gesammelten Daten analysiert und die Ergebnisse in einem als a bezeichneten Graphen angezeigt Massenspektrum. In den meisten Diagrammen ist die Masse - in atomaren Masseneinheiten (amu) gemessen - auf der x-Achse aufgetragen. Auf der y-Achse ist die relative Intensität aufgetragen, mit der gemessen wird, wie viele Ionen einer bestimmten Masse erfasst werden.

- Als nächstes kehren wir zu den wichtigsten Ligen zurück und erkunden, wie Massenspektrometrie verwendet wird, um den Missbrauch von Steroiden in Heimrennen aufzudecken.

Die Wissenschaft eines Skandals: Massenspektrometrie in der realen Welt

Wie Massenspektrometrie funktioniert: Ionen

Kommen wir zurück zum Urin des Baseballspielers, den wir in der Einleitung besprochen haben. In der Massenspektrometrie wird der Urin als Probe bezeichnet. Früher waren Massenspektrometer nur in der Lage, Proben, die als Gase vorhanden waren, zu analysieren, heutige Modelle können jedoch Feststoffe und Flüssigkeiten verarbeiten. Spektrometriker, in der Regel analytische Chemiker, setzen die Probe direkt in die Ionisationskammer ein oder, wenn es sich um ein komplexes Gemisch handelt, in ein anderes Gerät, das die Komponenten der Probe im ersten Durchgang trennt. Chromatographie ist der gebräuchlichste Weg, um diese anfängliche Trennung durchzuführen, und kann entweder als Gaschromatographie (GC) oder als Flüssigkeitschromatographie (LC) erfolgen. Die Chromatographie trennt die Probe in eine Reihe von Komponenten, indem die Substanz zuerst in einem Gas oder einer Flüssigkeit gelöst und dann durch ein Sekundärmaterial gedrückt wird. Eine Komponente, die in der ersten Phase löslich ist, bewegt sich langsamer als eine Komponente, die in der ersten Phase nicht löslich ist, aber in der zweiten Phase sehr löslich ist. Dadurch werden die verschiedenen Komponenten getrennt. Jeder betritt dann das Massenspektrometer zur Analyse.

Urin-Drogentests werden typischerweise durch Gaschromatographie / Massenspektrometrie (GC / MS) durchgeführt. Manchmal wird mehr als ein Massenspektrometer in einer Technik genannt Tandem-Massenspektrometrie, was im Wesentlichen dazu dient, große Ionen für eine detailliertere Analyse in kleinere Ionen zu zerlegen. All dies ist erforderlich, da Urin eine große Anzahl von Komponenten enthält, einschließlich natürlich vorkommender Steroide. Die Verwendung von GC / MS oder GC / MS / MS erkennt mehr Chemikalien und liefert zuverlässigere Ergebnisse.

Wie verwenden Chemiker Massenspektrometrie, um auf illegale Steroide zu testen? Zunächst analysieren sie mehrere bekannte Steroide, um ihre Massenspektren zu Vergleichszwecken zu erzeugen. Sie können sich auch auf Tabellen mit Massenwerten stützen, wenn sie als Referenz verfügbar sind. Als nächstes analysieren sie normalen, nicht kontaminierten Urin. Dann testen sie den Urin eines Spielers entweder mit GC / MS oder GC / MS / MS. Schließlich vergleichen sie das Massenspektrum des Spielerharns mit den Spektren von normalem Urin und bekannten Steroiden. Durch den Vergleich der Peaks in den Spektren, die Ionen verschiedener Massen repräsentieren, können Chemiker genau feststellen, welche Wirkstoffe, wenn überhaupt, im Urin vorhanden sind. Typische Ergebnisse können wie folgt aussehen.

- Beachten Sie, dass die Testprobe Spitzenwerte aufweist, die mit dem Steroidstandard übereinstimmen. Die Peaks repräsentieren Ionen, die bestimmte Elemente enthalten. Zum Beispiel die C2H3 - Das Ion hat einen anderen Peak als das OH-Ion. Auf diese Weise werden Massenspektren als "Fingerabdrücke" zur Identifizierung von Verbindungen verwendet. Als nächstes werden wir sehen, dass diese Verbindungen nicht im Urin eines Ballspielers sein müssen. Sie könnten in fast jeder erdenklichen Probe sein.

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Beyond Baseball: Andere Anwendungen der Massenspektrometrie

-Antikörpertests sind nur eine Anwendung der Massenspektrometrie. Nahezu jede wissenschaftliche Disziplin beruht auf der Analysetechnik für die reine oder angewandte Forschung. Betrachten Sie diese Beispiele:

  • Astronomen verwenden Massenspektrometrie, um die im Sonnenwind gefundenen Elemente und Isotope zu bestimmen. Beispielsweise zeigt das Massenspektrum des Sonnenwinds, dass die folgenden Elemente üblich sind: Kohlenstoff (12 amu), Sauerstoff (16 amu), Neon (20 amu), Magnesium (24 amu), Silizium (28 amu) und Eisen (56) amu).
  • Umweltwissenschaftler verwenden Massenspektrometrie zum Nachweis von Giftstoffen in kontaminierten Fischen. Sie können die Technik auch verwenden, um Menge und Art der Luftpartikel in der Atmosphäre zu messen, Daten, die zur Überwachung des Klimawandels verwendet werden können.
  • Biologen verwenden Massenspektrometrie, um die Strukturen komplexer biologischer Moleküle wie Kohlenhydrate, Proteine ​​und Nukleinsäuren zu identifizieren. Beispielsweise haben Virologen ein Spektrometer verwendet, um ein tieferes Verständnis darüber zu erlangen, wie sich das humane Immundefizienzvirus (HIV) in einer Wirtszelle zusammenfügt.
  • Anästhesisten verwenden während der Operation Massenspektrometrie, um den Stoffwechselgasaustausch ihrer Patienten zu messen. Die Technik ermöglicht es ihnen, das zu bestimmen Atemquotientoder die Menge an produziertem Kohlendioxid geteilt durch die Menge an verbrauchtem Sauerstoff, was darauf hindeutet, dass die Patientenzellen genug Sauerstoff bekommen und genügend Kohlendioxid entfernen, um gesund zu bleiben.
  • Geologen verwenden Massenspektrometrie, um Ölvorkommen durch Messung von Erdölvorläufern im Gestein zu lokalisieren. Paläontologen verlassen sich bei der Kohlenstoffdatierung auf Spektrometer, bei denen zur Bestimmung des Alters der Probe Kohlenstoff-12- und Kohlenstoff-14-Isotope in einer Probe gemessen werden müssen.

Natürlich ziehen diese Anwendungen nicht so viele Schlagzeilen an wie ein Sportstar, der positiv auf Steroid getestet wird. Solche Schlagzeilen werden möglicherweise noch häufiger, wenn sich die Techniken der Massenspektrometrie verbessern. Wissenschaftler der Purdue University und der Tsinghua University in Peking haben kürzlich einen schnelleren, empfindlicheren Test für anabole Steroide entwickelt. Der Test kombiniert Tandem-Massenspektrometrie mit einer Ionisierungstechnik, die als bekannt ist reaktive Desorptionselektrospray-Ionisierung. Mit diesen Techniken können die Wissenschaftler sieben Arten von Anabolika in einem einzelnen Urintropfen identifizieren und dies mit einer Rate von einer Probe pro Sekunde durchführen. Vielleicht wird dies letztendlich einen Nagel in den Sarg der Steroid Era des Baseballs stecken.

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