Kaip Veikia Masių Spektrometrija

{h1}

Masinė spektrometrija yra mokslo aspektas, galutinai galintis baigti beisbolo steroidų erą. Sužinokite apie masių spektrometriją.

- Panašu, kad analitinės chemijos ir pagrindinės lygos beisbolo pasauliai yra nutolę milijoną mylių. Tačiau šiuolaikinėje sporto epochoje atomai ir molekulės tapo beveik tokios pat svarbios kaip dvigubi žaidimai ir bėgimai namuose. Kaip tai? Tai chemija, leidžianti lygai išnaikinti žaidėjus, kaltus dėl „sporto dopingo“ - vartojant anabolinius steroidus, siekiant skatinti raumenų augimą ir įgyti konkurencinį pranašumą. Tiesą sakant, kiekvieno pastebimo pastaraisiais metais kilusio skandalo formulė - Markas McGwire'as, Barry Bondsas, Alexas Rodriguezas - eina maždaug taip:

  1. Sportininkas vartoja veiksmingumą gerinantį vaistą, pavyzdžiui, methenoloną (prekės pavadinimas Primobolan). Vaistas yra švirkščiamas arba geriamas.
  2. Atsitiktinio narkotikų tyrimo metu sportininko prašoma paaukoti dalį savo šlapimo mokslui.
  3. Šlapimas keliauja į tyrimo įstaigą.
  4. Įstaigos chemikai šlapimo mėginį įdeda į prietaisą, kuris atrodo kaip trys kartu sujungti kopijavimo aparatai. Priemonė yra analitinė priemonė, vadinama a masių spektrometras. Šlapime tiriama, ar nėra steroidų ar gaminamų chemikalų, nes kūnas apdoroja steroidą; tai gali būti aptinkama dienomis ar savaitėmis po paskutinės dozės, atsižvelgiant į vaistą ir jo kiekį.
  5. Laboratorija praneša lygai apie teigiamus rezultatus.

Kai antraštės skamba, jos koncentruojasi į žaidėją: kada jis pradėjo vartoti narkotiką? Kiek laiko jis užtruko? Ar vartodamas narkotikus jis sulaužė rekordus? Ar tuos įrašus reikėtų panaikinti? Niekas nekreipia daug dėmesio į chemiją, kuri dažnai traktuojama kaip išnaša, jei išvis.

Mes čia norime ištaisyti tą apgailėtiną priežiūrą. Šis straipsnis paaiškins jus apie nereikalingą, bet patogų chemijos lauką, vadinamą masių spektrometrija. Bus tiriami pagrindiniai moksliniai principai darbe, taip pat keletas pažangių metodų, leidžiančių išanalizuoti viską, pradedant saulės vėjeliu ir baigiant paciento iškvėpimais atliekant bendrą anesteziją ir baigiant profesionalių sportininkų ekskrementiniais produktais.

Pirmiausia padėkime tinkamą pagrindą protiniam pratimui ir trumpai istorijos pamokai.

Masių spektrometrijos pagrindai: atominis balansas

- Masinės spektrometrijos principai yra šiek tiek abstraktūs, todėl pradėkime nuo konkrečių protinių pratimų. Tarkime, jūs norėjote pasverti pilnai pakrautą traktoriaus priekabą. Lengviausias būdas būtų vairuoti platformą sunkiasvorių sunkvežimių skalėje. Dabar tarkime, kad norėjote pasverti vieną iš priekabos ratų. Įprasta vonios kambario skalė galėtų pateikti šią informaciją. Toliau jūs nuspręsite pasverti veržlės veržlę iš vieno rato, kuriai nereikėtų nieko daugiau, nei įprasta virtuvės ar laboratorijos skalė. Galiausiai įsivaizduokite, kad norėjote pasverti vieną atomą, nubraižytą nuo veržlės paviršiaus. Kaip tai pamatytumėte? Net ir jautriausias laboratorinis svarstyklės neregistruotų tokio mažo svorio.

Tokia padėtis, su kuria susidūrė chemikai, XX amžiaus pradžioje. John Dalton atominės teorijos dėka jie žinojo, kad materija yra sudaryta iš atomų ir kad vieno elemento atomai yra vienodi. Bet kaip atrodė atomas ir kiek jis svėrė? 1897 metais J.J. Thomsonas atrado elektroną tirdamas katodo spinduliai, neigiamai įkrautų dalelių srautas, einantis iš katodo, arba neigiamas elektrodas, į vakuuminį vamzdelį, užpildytą dujomis. Po metų Willy Wienas pradėjo dirbti su „teigiamaisiais spinduliais“ - teigiamai įkrautų dalelių srautu, kuris išsiskiria iš anodo ir juda katodo link. Wien pastebėjo, kad magnetinis laukas gali nukreipti teigiamus spindulius. Tada, 1907 m., Thomsonas pradėjo nukreipti teigiamus spindulius tiek elektriniu, tiek magnetiniu lauku. Jis atrado, kad galėtų nustatyti dalelių masę išmatuodamas, kaip toli jos buvo nukreiptos.

1919 m. Pranciškus Astonas patobulino Thomsono metodus ir aparatus ir sukūrė pirmąjį masės spektrometrą - mašiną, kuri pažodžiui sveria atomus ir molekules. Astonas savo spektrometru tyrė šimtus natūralių izotopų. Šiandien chemikai vis dar naudoja masių spektrometrą, norėdami išmatuoti elementų, izotopų ir junginių molekulinius svorius. Jie taip pat naudoja ją cheminėms medžiagoms mėginyje identifikuoti, kiekvienos cheminės medžiagos kiekiui mėginyje nustatyti ir sudėtingų molekulių struktūrai išanalizuoti.

Toliau atidžiau pažvelgsime į tai, kas vyksta masių spektrometro viduje.

Prasmės paieška

Masės spektrometrija yra viena iš svarbiausių analizuojančio chemiko metodų. Deja, tai vienas iš kelių susijusių terminų, kurie gali sukelti painiavą. Pabandykime įprasminti šias sąvokas:

  • Masių spektrometrija: Analizės metodas, naudojamas cheminėms sudedamosioms dalims nustatyti, arba analitės, cheminiame mėginyje.
  • Masės spektrometras: Tikrasis prietaisas, naudojamas masių spektrometrijai atlikti. Kai kurie masių spektrometrai gali sėdėti ant stalo. Kiti užpildo visą kambarį.
  • Masės spektras: Masės spektrometro išėjimas. Masės spektras atrodo panašus į linijų grafiką su skirtingo aukščio smaigaliais ar smailėmis.
  • Masinis spektrometristas: Mokslininkas, kuris specializuojasi masių spektrometrijoje.

Didinti jonus iki greičio: suprasti masių spektrometriją

Kaip veikia masių spektrometrija: masės

- Norėdami suprasti pagrindinius masinės spektrometrijos principus, apsvarstykite asmenį, stovintį bokšto viršuje, vėjuotą dieną. Asmuo paima įvairius rutulius ir numeta juos po vieną iš bokšto. Krentant kiekvienam rutuliui vėjas nukreipia jį išlenktu keliu. Rutulių masė įtakoja tai, kaip jie krenta. Pavyzdžiui, boulingo kamuolys yra daug sunkesnis nei krepšinis, todėl sunkiau judėti. Dėl to boulingo kamuolys eina kitu keliu nei krepšinis.

Masių spektrometre vyksta tas pats įvykis, išskyrus tai, kad deformuoti atomai ir molekulės yra deformuoti, o elektrinį ar magnetinį laukus sukelia deformacija. Tai taip pat vyksta spintelėje, kuri gali būti tiek maža, kiek mikrobangų krosnelė, arba tokia didelė, kaip krūtinės šaldiklis. Spintelę sudaro trys pagrindinės dalys: jonizacijos kamera, masės analizatorius ir detektorius. Štai kaip viskas veikia.

Atomai, kad būtų nukreipti elektriniu ar magnetiniu lauku, pirmiausia turi būti jonizuotas, arba virsta įkrautomis dalelėmis. Tai atliekama nuplėšiant vieną ar daugiau elektronų, o tai lemia dalelę, kurios grynasis teigiamas krūvis yra. Spektrometristai kartais bombarduoja mėginį elektronų spinduliu, kad jonizuotų molekules. Įeinantys elektronai veikia kaip biliardo rutuliai, išmušdami elektronus iš mėginio. Jie taip pat naudoja techniką, žinomą kaip elektros purškimo jonizacija, kuris verčia mėginį per įkrautą adatą pašalinti elektronus. Bet kuriuo atveju šis pirmasis masių spektrometrijos žingsnis sukuria teigiamus jonus.

Toliau teigiami jonai turi išsikelti iš jonizacijos kameros. Joms judėti reikalinga jėga atsiranda iš elektrinio lauko, kurį tiekia du metaliniai tinkleliai. - vienas tinklas yra teigiamai įkrautas ir atstumia jonus; kitas yra neigiamai įkrautas ir juos traukia. Kadangi atstūmimas ir traukimas veikia ta pačia kryptimi, jonai greitai juda link neigiamai įkrauto tinklelio, kuris yra perforuotas su daugybe mažyčių skylių. Jonai praeina per skylutes skirtingu greičiu. Lengvesni jonai keliauja greičiau nei sunkesni.

-Pagal elektromagnetizmo dėsnius, judanti elektra įkrautų dalelių srovė sukurs magnetinį lauką. Jonai masės spektrometre nėra išimtis. Jie sukuria savo magnetinį lauką, ir būtent šiuo magnetiniu lauku mokslininkai pasinaudoja svarbiausiame spektrometrijos žingsnyje. Mes pateiksime tai kitame skyriuje.

Jonų nukreipimas ir aptikimas

Kaip veikia masių spektrometrija: masės

-C-pakartotiniai ir spartinantys jonai iš esmės yra parengiamieji žingsniai į realų masės spektrometrijos darbą - masinė analizė. Pagrindinis masės analizatoriaus darbas yra išoriniam magnetiniam laukui pritaikyti jonus, išeinančius iš jonizacijos kameros. Šis išorinis laukas sąveikauja su greitai judančių dalelių sukuriamu magnetiniu lauku, todėl kiekvienos dalelės kelias po truputį lenkiasi. Kiek jonų kelias kreivis, priklauso nuo dviejų veiksnių: jonų masės ir jo krūvio. Lengvesni jonai ir jonai, turintys didesnį krūvį, nukreipiami labiau nei sunkesni ir mažesnio krūvio jonai.

Chemikai sujungia šiuos du kintamuosius į reikšmę, vadinamą masės ir krūvio santykis, kuris matematiškai pavaizduotas kaip m / z (ar aš). Pavyzdžiui, jei jonų masė yra 18 vienetų, o krūvis yra 1+, jo m / z vertė yra 18. Jei jonų masė yra 36 vienetai, o krūvis yra didesnis nei 2, jo m / z vertė taip pat yra 18 Daugelis jonų, judančių iš jonizacijos kameros į masės analizatorių, prarado vieną elektroną, todėl jų krūvis yra 1+. Tai reiškia, kad daugumos jonų, praeinančių per masės spektrometrą, m / z vertė yra tokia pati kaip jonų masės.

Bendras rezultatas yra tas, kad kiekvienas jonas eina keliu, priklausomu nuo jo masės, kaip parodyta dešinėje. Jonų srautas A turi lengviausias daleles ir yra labiausiai nukreiptas. Jonų srautas C turi sunkiausias daleles ir yra mažiausiai nukreiptas. Dalelių masė jonų sraute B patenka kažkur tarp jų. Atkreipkite dėmesį, kad tik vienas iš jonų srautų iš tikrųjų praeina per masės analizatorių ir pasiekia aptikimo bloką prietaiso gale. Kiti du srautai patenka į spektrometro šoną ir yra neutralizuojami. Norėdami išanalizuoti visus jonus, chemikai tiesiog sureguliuoja magnetinio lauko intensyvumą, kol kiekviena srovė pasiekia detektorių.

Duomenims, surinktiems detektoriuje analizuoti ir rezultatams diagramoje, vadinamoje a, naudoti kompiuteris masių spektras. Daugelyje grafikų masė, išmatuota atominės masės vienetais (amu), pažymėta x ašyje. Santykinis intensyvumas, matuojantis, kiek jonų aptinkama tam tikroje masėje, pažymėtas y ašyje.

- Vėliau grįšime į pagrindines lygas ir išnagrinėsime, kaip naudojama masių spektrometrija siekiant atskleisti piktnaudžiavimą steroidais namuose valdomuose šlakeliuose.

Skandalo mokslas: realaus pasaulio masių spektrometrija

Kaip veikia masių spektrometrija: spektrometrija

- Grįžkime prie pagrindinio futbolininko šlapimo, kurį aptarėme įvade. Masinės spektrometrijos metu šlapimas būtų vadinamas mėginiu. Kadaise masių spektrometrai galėjo analizuoti tik pavyzdžius, kurie egzistavo kaip dujos, tačiau šių dienų modeliai gali apdoroti kietąsias medžiagas ir skysčius. Spektrometristai, paprastai analitikai chemikai, mėginį įpila tiesiai į jonizacijos kamerą arba, jei tai sudėtingas mišinys, į kitą prietaisą, kuris pirmiausia padalija mėginio sudėtines dalis. Chromatografija yra dažniausias šio pradinio atskyrimo būdas ir gali vykti kaip dujų chromatografija (GC) arba skysčių chromatografija (LC). Chromatografija padalija mėginį į keletą komponentų, pirmiausia ištirpinant medžiagą dujose ar skystyje, po to verčiant per antrinę medžiagą. Komponentas, tirpus pirmoje fazėje, judės lėčiau nei komponentas, kuris netirpsta pirmoje fazėje, bet labai gerai tirpsta antroje fazėje. Dėl to įvairūs komponentai atsiskiria. Tada kiekvienas įvedamas į masės spektrometrą.

-Šlapimas su šlapimu paprastai atliekamas dujų chromatografijos / masės spektrometrijos (GC / MS) būdu. Kartais technikoje, vadinamoje, naudojamas daugiau nei vienas masės spektrometras tandeminė masių spektrometrija, kuris iš esmės veikia skaidydamas didelius jonus į mažesnius jonus, kad būtų išsamesnė analizė. Visa tai būtina, nes šlapime yra daug komponentų, įskaitant natūraliai esančius steroidus. Naudojant GC / MS arba GC / MS / MS aptinkama daugiau cheminių medžiagų ir gaunami patikimesni rezultatai.

Kaip chemikai naudoja masės spektrometriją norėdami patikrinti, ar nėra nelegalių steroidų? Pirma, jie analizuoja kelis žinomus steroidus, kad būtų galima palyginti jų masės spektrus. Jie taip pat gali pasikliauti masės verčių lentelėmis, jei jas galima rasti. Tada jie analizuoja normalų, neužterštą šlapimą. Tada jie tiria žaidėjo šlapimą, naudodamiesi GC / MS arba GC / MS / MS. Pagaliau jie lygina iš žaidėjo šlapimo pagamintą masės spektrą su normalaus šlapimo ir žinomų steroidų spektru. Palyginę spektro smailę, atspindinčią įvairių masių jonus, chemikai gali tiksliai nustatyti, kokių vaistų, jei tokių yra, yra šlapime. Tipiški rezultatai gali atrodyti žemiau pateikti.

- Atkreipkite dėmesį, kad tiriamojo mėginio smailės sutampa su steroidų standartu. Smailės žymi jonus, turinčius tam tikrus elementus. Pavyzdžiui, C2H3 - jonų smailė bus kitokia nei OH jonų. Tokiu būdu masių spektrai naudojami kaip „pirštų atspaudai“ junginiams identifikuoti. Toliau pamatysime, kad tie junginiai neturi būti kamuolio žaidėjo šlapime. Jų gali būti beveik bet kokiame pavyzdyje.

Be beisbolo: kitos masės spektrometrijos programos

- Narkotikų testavimas yra tik viena masinės spektrometrijos programa. Beveik kiekviena mokslo disciplina remiasi grynųjų ar taikomųjų tyrimų analizės metodais. Apsvarstykite šiuos pavyzdžius:

  • Astronomai naudoja masės spektrometriją saulės vėjo elementams ir izotopams nustatyti. Pavyzdžiui, saulės vėjo masinis spektras rodo, kad šie elementai yra bendri: anglis (12 amu), deguonis (16 amu), neonas (20 amu), magnis (24 amu), silicis (28 amu) ir geležis (56). amu).
  • Aplinkosaugos mokslininkai naudoja masės spektrometriją, norėdami nustatyti užterštų žuvų toksinus. Jie taip pat gali naudoti metodą, kad išmatuotų ore esančių dalelių kiekį ir pobūdį atmosferoje, duomenis, kurie gali būti naudojami stebint klimato pokyčius.
  • Biologai naudoja masės spektrometriją, kad nustatytų sudėtingų biologinių molekulių, tokių kaip angliavandeniai, baltymai ir nukleorūgštys, struktūras. Pavyzdžiui, virusologai panaudojo spektrometrą, kad geriau suprastų, kaip žmogaus imunodeficito virusas (ŽIV) kaupiasi šeimininko ląstelėje.
  • Anesteziologai operacijos metu naudoja masės spektrometriją, kad išmatuotų savo pacientų metabolinę dujų apykaitą. Ši metodika leidžia jiems nustatyti kvėpavimo takų koeficientas, arba gaminamo anglies dioksido tūris padalytas iš sunaudoto deguonies tūrio, o tai rodo, kad paciento ląstelės gauna pakankamai deguonies ir pašalina pakankamai anglies dioksido, kad išliktų sveiki.
  • Geologai naudoja masės spektrometriją naftos telkiniams nustatyti, matuojant naftos pirmtakus uolienose. Ir paleontologai pasikliauja anglies nustatymo spektrometrais, kuriems nustatyti reikia išmatuoti anglies-12 ir anglies-14 izotopus mėginyje, kad būtų galima nustatyti mėginio amžių.

-Žinoma, tos programos nepritraukia tiek daug antraščių, kaip sporto žvaigždė, kuri teigiamai vertina steroidų vartojimą. Tobulėjant masinės spektrometrijos metodams, tokios antraštės gali tapti dar dažnesnės. Purdue universiteto ir Tsinghua universiteto Pekinas mokslininkai neseniai sukūrė greitesnį, jautresnį anabolinių steroidų testą. Testas sujungia tandeminę masių spektrometriją su jonizacijos technika, vadinama reaktyviosios desorbcijos elektros purškimo jonizacija. Naudodamiesi šiais būdais, mokslininkai gali identifikuoti septynias anabolinių steroidų rūšis viename šlapimo laše ir atlikti tai vieno mėginio per sekundę greičiu. Galbūt tai pagaliau uždės nagą į beisbolo „Steroid Era“ karstą.


Vaizdo Papildas: .




Tyrimas


Kas Yra Šrapnelis?
Kas Yra Šrapnelis?

Pasinerkite Į Mėlyną Banginį Naudodamiesi Nauja Virtualios Realybės Patirtimi
Pasinerkite Į Mėlyną Banginį Naudodamiesi Nauja Virtualios Realybės Patirtimi

Mokslas Naujienos


Mažas Terrapinas Pralenkia Jauną Liūtą Laukiniame Vaizdo Įraše
Mažas Terrapinas Pralenkia Jauną Liūtą Laukiniame Vaizdo Įraše

„Cameron'S Dive“ Stumia Stūmiklį Būsimiems Giliavandeniams Tyrinėjimams
„Cameron'S Dive“ Stumia Stūmiklį Būsimiems Giliavandeniams Tyrinėjimams

Kaip Veikia Svajonės
Kaip Veikia Svajonės

Maorių Artefaktai Nurodo Į Ankstyvąją Polinezijos Gyvenvietę Naujojoje Zelandijoje
Maorių Artefaktai Nurodo Į Ankstyvąją Polinezijos Gyvenvietę Naujojoje Zelandijoje

Valentino Burbulas: 9 Romantiški Faktai Apie Šampaną
Valentino Burbulas: 9 Romantiški Faktai Apie Šampaną


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com