ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Книги сотрудников факультета

Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды Москва Лебедев А.Т.

Масс-спектрометрия для анализа
объектов окружающей среды


Перевод с английского под общей редакцией А.Т. Лебедева
Москва: Техносфера, 2013. - 632с,
ISBN 978-5-94836-363-9

Современная масс-спектрометрия является наиболее чувствительным, информативным и надежным методом идентификации и количественного определения экотоксикантов любого типа в образцах объектов окружающей среды любой сложности. Хотя диапазон возможностей современной масс-спектрометрии необычайно широк, многие из них остаются неизвестными непрофессионалам. Основная цель книги - продемонстрировать, что самые разные научные задачи, стоящие перед учеными разных специальностей, могут быть решены масс-спектрометрически.

Книга предназначена, в первую очередь, для людей, работающих в смежных дисциплинах (экология, геология, биология, гидрология, медицина и т.д.), а также будет полезна студентам и аспирантам химических, физико-химических, биологических и медицинских специальностей.



Содержание

Список авторов     18
Список переводчиков     21
Предисловие к русскому изданию     22
Введение     23
   Литература     28
Глава 1. Основные принципы масс-спектрометрии  29
   1.1. Базовые аспекты     29
   1.2. Ввод образца     32
   1.3. Ионизация     33
   1.3.1. Электронная ионизация     34
   1.3.2. Химическая ионизация     35
   1.3.3. Полевая ионизация     36
   1.3.4. Ионизация электрораспылением     38
   1.3.5. Химическая ионизация и фотоионизация при атмосферном давлении     39
   1.3.6. Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация     40
   1.4. Масс-анализаторы     40
   1.4.1. Секторные приборы     40
   1.4.2. Квадрупольные приборы     44
   1.4.3. Ионные ловушки     46
   1.4.4. Времяпролетные масс-спектрометры     46
   1.4.5. Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье     47
   1.4.6. Орбитальные ловушки     48
   1.5. Детектирование ионов     49
   Литература     49
Глава 2. Газовая хроматография/масс-спектрометрия - "рабочая лошадка"
   для анализа объектов окружающей среды
 52
   2.1. Общие вопросы     52
   2.2. Типы хроматограмм с регистрацией ионного тока     53
   2.3. Скорость сбора данных     63
   2.4. Какие соединения можно анализировать методом ГХ/МС     65
   2.5. Количественный анализ     69
   2.6. Выводы     73
   Литература     73
Глава 3. Жидкостная хроматография/масс-спектрометрия - оптимальный метод
   качественного и количественного анализа загрязнений окружающей среды
 74
   3.1. Введение     74
   3.2. Методы и оборудование для мониторинга окружающей среды     75
   3.2.1. Почему для мониторинга окружающей среды используется жидкостная хроматография?     75
   3.2.2. Почему ЖХ/МС (жидкостная хроматография с масс-спектрометрическ детектором)
   используется для мониторинга окружающей среды ?
    76
   3.3. Соединение ЖХ с масс-спектрометром: проблемы и их решение     77
   3.4. Ионизация при атмосферном давлении     79
   3.5. Типы масс-спектрометров и их возможности для анализа образцов
   из объектов окружающей среды
    82
   3.5.1. Приборы с низким разрешением     82
   3.5.2. Приборы с высоким разрешением     85
   3.6. Анализ образцов     86
   3.7. Наиболее распространенные приложения     87
   3.8. Подтверждающий анализ     87
   3.9. Целевые подходы с использованием тандемной квадрупольной масс-спектрометрии     89
   3.10. Скрининговые и исследовательские методы с использованием
   масс-спектрометров типа QTOF
    95
   3.11. Почему приборы типа QTOF используются для экологического контроля?     95
   3.12. Исследовательская работа по изучению продуктов трансформации     99
   3.13. Ближайшие и долговременные перспективы     100
   Литература     101
Глава 4. Применение тандемной масс-спектрометрии для анализа
   загрязнений окружающей среды
 103
   4.1. Введение  103
   4.2. Тандемные масс-спектрометры  104
   4.2.1. Масс-спектрометрия высокого разрешения  104
   4.2.2. Тройные квадруполи  105
   4.2.3. Ионные ловушки  106
   4.2.4. Времяпролетная масс-спектрометрия (ВПМС)  108
   4.2.5. Линейные ионные ловушки  108
   4.2.6. Орбитрэп  110
   4.3. Приложения МС/МС к экологическому мониторингу  110
   4.3.1. Новые загрязняющие вещества  113
   4.3.2. Лекарственные препараты  115
   4.3.3. Пестициды и гербициды  115
   4.3.4. Аддукты ДНК и маркеры оксидативного стресса  118
   4.3.5. Поверхностно-активные вещества и красители  120
   4.3.6. Озон  120
   4.4. Заключение  121
   4.5. Замечание  122
   Литература  122
Глава 5. Использование специализированного программного обеспечения и библиотек
   масс-спектров в анализе объектов окружающей среды
 128
   5.1. Введение  128
   5.2. Базы данных масс-спектров и программы библиотечного поиска  132
   5.3. Развитие баз данных масс-спектров  133
   5.4. Базы данных масс-спектров  135
   5.5. Другие базы данных масс-спектров  137
   5.6. Выбор диапазона сканирования в случае проведения поиска
    по базам данных масс-спектров
 139
   5.7. Программное обеспечение, используемое для проведения поиска
    по базам данных масс-спектров
 140
   5.8. Пример проведения правильной идентификации с помощью программного
   обеспечения Agilent ChemStation
 142
   5.9. Пример проведения правильной идентификации с помощью программного
   обеспечения NIST MS Search
 148
   5.10. Какой алгоритм библиотечного поиска является наилучшим?  152
   5.11. Интерпретатор масс-спектров N1ST  152
   5.12. Использование базы данных масс-спектров ИЭ NIST при проведении анализа
   методом высокоэффективной жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии
 153
   5.13. База данных индексов удерживания NIST  156
   5.14. Программа для автоматического поиска компонентов и выделения
   чистых масс-спектров AMDIS
 158
   5.15. Определение точных значений m/z  162
   5.16. Дополнительное программное обеспечение, представляющее интерес для масс-
   спектрометристов, работающих в области анализа объектов окружающей среды
 164
   5.17. Заключение  168
   Литература  168
Глава 6. Передовые методы на основе ГХ/МС  170
   6.1. Режим быстрой ГХ/МС  170
   6.1.1. Оптимизация газохроматографической составляющей в условиях быстрой ГХ/МС  171
   6.1.2. Вклад масс-спектрометрической составляющей при использовании техники быстрой ГХ/МС  176
   6.2. ГХ/МС с интерфейсом ультразвуковых молекулярных пучков  179
   6.3. Двумерная газовая хроматография - масс-спектрометрия ГХ × ГХ/МС  188
   6.3.1. Принцип метода  188
   6.3.2. Преимущества метода ГХ × ГХ/МС  191
   6.4. Заключение  196
   Литература  196
Глава 7. Масс-спектрометрия в нормальных условиях (Ambient Mass Spectrometry) -
   анализ объектов окружающей среды без пробоподготовки
 198
   7.1. Введение  198
   7.2. Наиболее часто используемые методы масс-спектрометрии в нормальных условиях  200
   7.2.1. Десорбционная электрораспылительная ионизация (ДЭРИ, DES1) и ионизация
   спреем с бумаги (paper spray ionization, PSI)
 200
   7.2.2. Прямой анализ в режиме реального времени (ПАРВ, DART)  202
   7.2.3. Атмосферный зонд для анализа твердых образцов (ASAP)  203
   7.2.4. Экстракционная электрораспылительная ионизация (ЭЭРИ, EES1)  204
   7.2.5. Низкотемпературная плазма (LTP)  205
   7.2.6. Ионизация акустическим распылением в нормальных условиях - easy ambient
    sonic-spray ionization (EASI) и ионизация акустическим распылением в нормальных условиях
   с использованием эффекта Вентури (Venturi easy ambient sonic-spray ionization, V-EASI)
 206
   7.3. Применения в анализе объектов окружающей среды  208
   7.4. Заключение  215
   Литература  216
Глава 8. Масс-спектрометрия десорбционной электрораспылительной ионизации  223
   8.1. Введение  223
   8.2. Экспериментальные установки и условия  224
   8.3. Реакционная десорбция  227
   8.4. Масс-спектрометрическое изображение поверхности с помощью ДЭРИ  229
   8.5. Количественные измерения  230
   8.6. Анализ воды  232
   8.7. Анализ аэрозолей  234
   8.8. Прямой анализ  238
   Литература  239
Глава 9. Миниатюрные масс-спектрометры для анализа объектов окружающей среды  242
   9.1. Введение  242
   9.2. Основы конструкции приборов  244
   9.2.1. Методы ввода проб  244
   9.2.2. Методы ионизации  249
   9.2.3. Масс-анализаторы  254
   9.2.4. Вакуумные системы  260
   9.2.5. Детекторы  261
   9.3. Экологические приложения для миниатюрных масс-спектрометров  262
   9.3.1. Подводная масс-спектрометрия для регистрации летучих органически
   соединений (ЛОС) и растворенных в воде газов
 263
   9.3.2. Мониторинг вулканических выбросов для контроля вулканической активности  267
   9.3.3. Детектирование перфторированных соединений  270
   9.3.4. Анализ углеводородов  271
   9.3.5. Детектирование пестицидов  273
   9.3.6. Анализ полициклических ароматических углеводородов  275
   9.3.7. Детектирование примес277
   9.4. Заключение  278
   Литература  279
Глава 10. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой в экологическом анализе  288
   10.1. Введение  288
   10.2. Основы метода  289
   10.3. Преимущества и недостатки  290
   10.3.1. Спектральные интерференции  291
   10.3.2. Неспектральные интерференции (матричные эффекты)  292
   10.4. Практическое применение  293
   10.4.1. Анализ воздуха  293
   10.4.2. Анализ воды  293
   10.4.3. Анализ твердых образцов  295
   10.4.4. Установление формы нахождения элементов  296
   10.4.5. Определение изотопного состава  297
   10.4.6. Лазерный пробоотбор в ИСП-МС  299
   10.4.7. Стандартные образцы  299
   Литература  300
Глава 11. Роль масс-спектрометрии в исследовании летучих органических соединений  306
   11.1. Летучие органические загрязняющие вещества  306
   11.1.1. Происхождение летучих органических веществ и их влияние на окружающую среду  306
   11.1.2. Воздействие ЛОС на здоровье человека  307
   11.1.3. Экономический эффект биогенного загрязнения  308
   11.2. Масс-спектрометрия летучих загрязнящих веществ  309
   11.2.1. Протоколы пробоподготовки  310
   11.2.2. Реакция переноса протона  312
   11.2.3. Прямой анализ в режиме реального времени  314
   11.3. Мониторинг летучих загрязняющих веществ в обычных условиях и при пожарах.  315
   11.3.1. Определение антропогенных загрязняющих веществ  315
   11.3.2. Определение биогенных загрязняющих веществ в окружающей среде  317
   11.3.3. Влияние температуры на определение биогенных соединений  320
   11.3.4. Анализ загрязняющих веществ, выделяемых при пиролизе различных частей растений  323
   11.4. Заключение и будущее направление работы  327
   Благодарность  328
   Литература  329
Глава 12. Идентификация и количественное определение токсикологически значимых
   побочных продуктов дезинфекции воды методами масс-спектрометрии
 333
   12.1. Введение  333
   12.2. Аналитические методы идентификации и количественного определения ППД  339
   12.2.1. Методы экстракции/концентрирования  339
   12.2.2. Масс-спектрометрические методы детектирования  343
   12.2.3. Методы дериватизации  349
   12.3. Что нас ждет в будущем?  352
   Благодарность.  353
   Литература  353
Глава 13. Новые типы приоритетных загрязняющих веществ в окружающей среде  360
   13.1. Введение  360
   13.2. Масс-спектрометрия и НПЗВ  363
   13.2.1. Газовая хроматография/масс-спектрометрия  364
   13.2.2. Жидкостная хроматография/масс-спектрометрия  364
   13.3. Выводы  376
   Литература  378
Глава 14. Анализ пестицидов в образцах объектов окружающей среды современными
   методами хроматомасс-спектрометрии
 386
   14.1. Введение  386
   14.2. Анализ остаточных количеств пестицидов  388
   14.3. ГХ/МС  391
   14.4. ЖХ/МС  395
   14.5. Тенденции  400
   Благодарность  405
   Литература  405
Глава 15. Определение стойких галогенсодержащих соединений: хлорированные
   дибензо-п-диоксины и дибензофураны
 409
   15.1. Введение  409
   15.1.1. Хлорированные диоксины в окружающей среде  409
   15.1.2. Стадии ультраследового анализа объектов окружающей среды  411
   15.1.2. Почему нужна масс-спектрометрия?  412
   15.2. Подготовка проб для определения ХДД/ХДФ на следовом уровне  413
   15.2.1. Методы экстракции  413
   15.2.2. Очистка экстрактов  414
   15.2.3. Замечания по контролю качества  414
   15.3. Количественный анализ и метод изотопного разбавления  417
   15.3.1. Внутренняя и внешняя градуировка  417
   15.3.2. Особенности масс-спектрометрии с изотопным разбавлением  418
   15.3.3. Стандартные образцы и другие средства оценки эффективности  419
   15.3.4. Воспроизводимость, точность и неопределенность  420
   15.4. Газохроматографические методы  420
   15.4.1. Основные положения газовой хроматографии  420
   15.4.2. Колонки, используемые для определения ХДД/ХДФ  421
   15.5. Масс-спектрометрические методы  422
   15.5.1. Масс-спектрометрия и интегрированные ГХ/МС-системы  422
   15.5.2. Магнитные секторные приборы  424
   15.5.3. Тандемный масс-спектрометр  426
   15.5.4. Масс-спектрометр сверхвысокого разрешения  427
   15.5.5. Методы ионизации для определения ХДД/ХДФ  427
   15.5.6. Мониторинг заданных ионов (МЗИ) и мониторинг заданных реакций (МЗР)  428
   15.6. Полный набор аналитических методов для определения ХДД/ХДФ и других
   стойких галогенированных соединений
 428
   15.7. Будущее многокомпонентных методов  430
   15.7.1. Времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения  430
   15.7.2. Автоматизация методов  431
   15.7.3. Ограничения анализа  433
   Литература  434
Глава 16. Масс-спектрометрия атмосферных аэрозолей  438
   16.1. Введение  438
   16.2. Свойства аэрозолей и их воздействие на окружающую среду  438
   16.3. Приборы и их применение  443
   16.3.1. Анализ атмосферных газов  444
   16.3.2. Основные режимы работы приборов при анализе атмосферных частиц  447
   16.3.3. Времяпролетные приборы для анализа частиц, работающие в режиме онлайн  449
   16.3.4. Применение масс-спектрометров дла анализа одиночных частиц в исследованиях аэрозолей  452
   16.3.5. Многоцелевые времяпролетные приборы для анализа частиц  460
   16.3.6. Использование ионных ловушек для анализа одиночных частиц  463
   16.3.7. Масс-спектрометры для анализа ансамблей частиц  466
   16.4. Итоги и перспективы  470
   Литература  471
Глава 17. Использование масс-спектрометрии для изучения взаимодействия ДНК сэкотоксикантами  478
   17.1. Введение  478
   17.2. Источники ДНК для анализа ДНК-аддуктов  480
   17.3. Подготовка образцов  481
   17.4. Приборы для ВЭЖХ-ЭРИ/МС/МС-анализа ДНК-аддуктов  482
   17.4.1. Валидация масс-спектрометрического метода  490
   17.5. Примеры использования ВЭЖХ/МС/МС для анализа ДНК-аддуктов  491
   17.5.1. Аддукты, образующиеся при воздействии ароматических аминов  491
   17.5.2. Аддукты с нитрозаминами  492
   17.5.3. Экзоциклические аддукты ДНК  494
   17.5.4. Этанол/ацетальдегидные аддукты  494
   17.5.5. Аддукты с полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)  495
   17.5.6. ДНК-аддукты с эпоксидами  497
   17.6. Новые подходы к повышению чувствительности аналитических методов
    при анализе ДНК-аддуктов
 498
   17.6.1. Капиллярная ВЭЖХ/наноэлектроспрейная МС  499
   17.6.2. МС-анализ с использованием ВЭЖХ-наноколонок и ионизацией наноэлектроспреем  500
   17.6.3. Очистка образцов в режиме онлайн  501
   17.6.4. ЖХ/МС на микрочипах  504
   17.7. Выводы  506
   Благодарность  506
   Литература  506
Глава 18. ИЦРФП-анализ сложных органических смесей. Петролеомика  515
   18.1. Введение  515
   18.2. МС-ИЦРФП  517
   118.3. Разрешение по массе, разрешающая способность и точное измерение массы  521
   18.4. Точная масса и дефект массы  524
   18.5. Степень ненасыщенности (DBE) и Z-число  527
   18.6. Масса в шкале Кендрика и дефект масс Кендрика  528
   18.7. Визуализация данных: график масс Кендрика, диаграммы ван Кревелена, распределение
   гетероатомных классов соединений, график зависимости DBE от числа атомов углерода
 530
   18.7.1. График масс Кендрика  530
   18.7.2. Диаграммы ван Кревелена  532
   18.7.3. График распределения гетероатомных классов  533
   18.7.4. График зависимости DBE от числа атомов углерода  534
   18.8. Методы ионизации для МС-ИЦРФП-анализа сложных смесей  536
   18.9. Применение МС-ИЦРФП для решения экологических задач  537
   Литература  541
Глава 19. Применение масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения с масс-анализатором
   ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье для анализа природного
   органического вещества в объектах окружающей среды
 547
   19.1. Введение  547
   19.1.1. Значение природного органического вещества и способы его анализа  547
   19.1.2. Характеристики масс-спектров ПОВ и композиционное пространство  459
   19.1.3. Визуализация данных сложных масс-спектров  551
   19.1.4. Примеры анализа масс ПОВ  552
   19.2. Материалы и методы  553
   19.2.1. Масс-спектрометры ИЦР ПФ  553
   19.2.2. Расчет масс для молекул, содержащих С, Н, N, О, S  553
   19.3. Результаты и обсуждение  553
   19.4. Заключение  563
   Литература  563
Глава 20. Метод масс-спектрометрической визуализации (имиджинг)  568
   20.1. Введение  568
   20.2. Микрозондирование и молекулярная визуализация  568
   20.3. Визуализация пространственного распределения молекулярного состава  570
   20.4. Влияние матрицы  573
   20.5. Применение масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) в биоанализе  575
   20.6. Качество изображения и аналитический предел обнаружения  576
   120.7. МС-визуализация как метод качественного анализа  577
   20.8. МС-визуализация как точный аналитический метод  578
   20.9. Идентификация и характеристика  580
   20.10. МС-имиджинг в исследованиях объектов окружающей среды  581
   20.11. Перспективы  584
   Литература  585
Глава 21. Масс-спектрометрия изотопных отношений  587
   21.1. Введение  587
   21.2. Величина &  588
   21.3. Причины вариаций распределения стабильных изотопов в природе  588
   21.4. Масс-спектрометрия изотопных отношений в газах  590
   21.4.1. Ионизация  591
   21.4.2. Разделение по массам  592
   21.4.3. Регистрация нескольких ионов  592
   21.4.4. 17О- и HD-коррекция  593
   21.5. Оборудование для подготовки проб и интерфейсы  593
   21.5.1. Изотопный масс-спектрометр непрерывного потока  593
   21.5.2. Элементный анализатор (сжигание и высокотемпературная конверсия) -
   изотопный масс-спектрометр
 595
   21.5.3. ГХ/МСИО  595
   21.5.4. ЖХ/МСИО  596
   21.5.5. МСИО с многократными инжекциями через петлю  597
   21.6. Некоторые приложения  597
   21.6.1. Науки о Земле  597
   21.6.2. Биология и экология  599
   21.6.3. Археология и миграция людей  599
   21.6.4. Контроль лекарств и наркотиков  601
   21.6.5. Контроль допинга  601
   21.6.6. Аутентичность продуктов питания и напитков  602
   Литература  603
Дополнение 1. Основы и достижения масс-спектрометрии на основе орбитальной
ловушки ионов. Краткий обзор
 605
   Как устроена Орбитальная ловушка ионов  605
   Семейство серийных масс-спектрометров Orbitrap  608
   Современные тенденции практического использования Orbitrap  609
   Пищевая безопасность и объекты окружающей среды  610
   Заключение  611
Дополнение 2. Высокопроизводительные хроматомасс-спектрометры Shimadzu UFM:
применение для анализа объектов окружающей среды, питьевой воды, пищевой и
сельскохозяйственной продукции
 613
   Список литературы  630

Предисловие к русскому изданию

Современная масс-спектрометрия является наиболее чувствительным, информативным и надежным методом идентификации и количественного определения эко-токсикантов любого типа в образцах объектов окружающей среды любой сложности. Возможности работать с самыми разными аналитами (от химических элементов до сложнейших биомолекул) в сложнейших матрицах без предварительного разделения, действительно, ставят масс-спектрометрию в приоритетное положение по сравнению с любыми другими методами анализа. Еще одним преимуществом масс-спектрометрии является возможность получения информации о сотнях и тысячах аналитов в процессе единичного анализа одной пробы. При этом результаты масс-спектрометрических исследований позволяют делать выводы, которые подготавливают административные решения, влияющие на здоровье населения и экосистем в целом.

Бурное развитие метода в начале XXI века привело к созданию новых приборов, новых методов ионизации образцов. Появилась возможность работать с минимальной пробоподготовкой или вовсе без пробоподготовки. Популярным направлением стала масс-спектрометрия в нормальных условиях, активные работы ведутся по миниатюризации масс-спектрометров. Появление простых и чувствительных портативных масс-спектрометров, работающих при нормальных условиях, станет прорывом в аналитической химии. При снижении стоимости таких масс-спектрометров они могут стать бытовыми приборами.

Данная книга предназначена, в первую очередь, для людей, работающих в смежных дисциплинах (экология, геология, биология, гидрология, медицина и т.д.). Она состоит из 21 главы, написанной ведущими масс-спектрометристами из 12 стран мира, которые постарались в простой форме рассказать о достижениях и потенциальных возможностях метода для решения самых разнообразных экологических проблем. Хотя диапазон возможностей современной масс-спектрометрии необычайно широк, многие из них остаются неизвестными непрофессионалам. Поэтому основная цель - продемонстрировать, что самые разные научные задачи, стоящие перед учеными разных специальностей, могут быть решены масс-спектрометрически.

Оригинальное издание вышло на английском языке. Русскоязычное издание, на мой взгляд, еще более актуально, поскольку в России и в странах бывшего СССР пропаганда возможностей масс-спектрометрии крайне необходима. Хотя Всероссийское масс-спектрометрическое общество (www.vmso.ru) проводит регулярные конференции, школы, издает журнал, выпустило несколько книг, дополнительная литература, особенно учебно-научная, очень нужна русскоязычному научному сообществу. Я надеюсь, читатели (студенты, аспиранты, научные сотрудники) найдут в этом издании много интересной и полезной информации, а масс-спектрометрия станет для них неотъемлемым методом исследований.

Я надеюсь, читатели (студенты, аспиранты, научные сотрудники) найдут в этом издании много интересной и полезной информации, а масс-спектрометрия станет для них неотъемлемым методом исследований.

Лебедев А.Т.


Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору