eng
Содержание
Благодарности ............................................................................................................ 4
Предисловие к третьему изданию ............................................................................. 13
Предисловие ко второму изданию ............................................................................ 15
Предисловие ............................................................................................................. 17
Введение ................................................................................................................... 21
Глава 1. Система ввода образца .............................................................................. 23
1.1.
Баллон напуска ........................................................................................... 23
1.2.
Прямой ввод ............................................................................................... 24
1.3.
Мембранный ввод (Membrane inlet mass spectrometry, MIMS) ................. 25
1.4.
Газовая хроматография/масс-спектрометрия ........................................... 27
1.4.1.
Ввод пробы в систему ГХ/МС .......................................................... 28
1.4.2.
Запись масс-спектров в режиме ГХ/МС .......................................... 31
1.4.3.
ГХ×ГХ/МС ........................................................................................ 37
1.5.
Жидкостная хроматография/масс-спектрометрия
(ЖХ/МС, LC/MS) ...................................................................................... 43
1.5.1.
Ленточный транспортер (Moving belt) .............................................. 46
1.5.2.
Прямой ввод жидкости (Direct liquid introduction, DLI) ................. 47
1.5.3.
Поток частиц (Particle beam) ............................................................. 48
1.5.4.
Термораспыление, термоспрей (Thermospray, TSP),
плазмораспыление, плазмаспрей (Plasmaspray) .............................. 49
1.6.
Сверхкритическая флюидная хроматография/масс-спектрометрия
(СФХ/МС) .................................................................................................. 50
1.7.
Капиллярный электрофорез/масс-спектрометрия, КЭ/МС
(Capillary electrophoresis/mass spectrometry, CE/MS) ................................. 53
1.8.
Ионная хроматография/масс-спектрометрия,
ИХ/МС (Ion chromatography/mass spectrometry, IC/MS) .......................... 54
1.9.
Атмосферный ввод ..................................................................................... 55
Глава 2. Физические основы процессов
масс-спектрометрической фрагментации ............................................................. 56
2.1.
Электронная ионизация (Electron ionization, EI) ..................................... 56
2.2.
Физические основы масс-спектрометрической фрагментации ............... 61
2.2.1.
Квазиравновесная теория ................................................................. 63
2.2.2.
Фотодиссоциация, разрешенная во времени ................................... 66
2.3.
Метастабильные ионы ............................................................................... 67
2.4.
Полуколичественная теория фрагментации ............................................. 70
6
Содержание
Глава 3. Основные правила и подходы к интерпретации
масс-спектров .......................................................................................................... 72
3.1.
Стабильность ионов и нейтральных частиц .............................................. 72
3.1.1.
Правило выброса максимального алкильного радикала ................. 74
3.1.2.
Правило Стивенсона (Стивенсона – Одье) ..................................... 76
3.1.3.
Правило четноэлектронных ионов ................................................... 78
3.1.4.
Правило степеней свободы ............................................................... 80
3.1.5.
Прочность химических связей .......................................................... 80
3.1.6.
Структурные и стереохимические факторы ..................................... 81
3.1.7.
Орто-эффект ...................................................................................... 84
3.1.8.
Масс-спектрометрия хиральных соединений .................................. 85
3.2.
Концепция локализации заряда и неспаренного электрона .................... 87
3.2.1.
Фрагментация, удаленная от места локализации заряда ................. 91
Глава 4. Практические основы интерпретации масс-спектров ............................. 93
4.1.
Молекулярный ион .................................................................................... 94
4.2.
Определение элементного состава ионов на основании
изотопных пиков ........................................................................................ 97
4.2.1.
Азотное правило ...............................................................................105
4.2.2.
Определение содержания изотопа 13С в природных
образцах ............................................................................................108
4.2.3.
Расчет изотопной чистоты соединений ..........................................109
4.3.
Область молекулярных ионов высокомолекулярных
соединений ................................................................................................111
4.4.
Фрагментные ионы ...................................................................................114
4.4.1.
Гомологические серии ионов ...........................................................114
4.4.2.
Выбросы простейших нейтральных частиц ....................................117
4.4.3.
Наиболее интенсивные пики в спектре ..........................................117
4.5.
Библиотеки масс-спектров .......................................................................118
4.6.
Использование для интерпретации дополнительной
масс-спектральной информации ..............................................................125
4.7.
Схема фрагментации .................................................................................129
Глава 5. Альтернативные методы ионизации образца ..........................................132
5.1.
Ионизация фотонами (Photoionization) ...................................................132
5.2.
Химическая ионизация (Chemical ionization, CI) ....................................133
5.3.
Химическая ионизация отрицательных ионов
(Negative ion chemical ionization, NICI) ....................................................136
5.4.
Пульсирующая химическая ионизация (Pulsed positive/negative
ion chemical ionization mass spectrometry) ..................................................138
5.5.
Десорбционная (прямая) химическая ионизация, ДХИ
(Direct (desorption) chemical ionization, DCI) ............................................138
Содержание 7
5.6.
Полевая ионизация (Field ionization, FI) ..................................................139
5.7.
Полевая десорбция (Field desorption, FD) ................................................140
5.8.
Тлеющий разряд (Glow discharge) .............................................................141
5.9.
Плазменная десорбционная масс-спектрометрия
(Plasma desorption mass spectrometry, PDMS) ............................................142
5.10.
Бомбардировка быстрыми атомами, ББА (Fast аtom bombardment,
FAB); вторичноионная масс-спектрометрия, ВИМС
(Secondary ion mass spectrometry, SIMS) ..................................................142
5.10.1.
Проточный (динамический) вариант бомбардировки
быстрыми атомами (Continuous flow or dinamic fast atom
bombardment) .................................................................................145
5.11.
Химическая ионизация при атмосферном давлении
(Atmospheric pressure chemical ionization, APCI) ....................................146
5.12.
Фотоионизация при атмосферном давлении (ФИАД)
и фотохимическая ионизация при атмосферном давлении
(ФХИАД), Atmospheric pressure photoionization (APPI),
Atmospheric pressure photochemical ionization (APPCI) ..........................148
5.13.
Ионизация электрораспылением, электроспрей (ИЭР) .......................151
5.14.
Ионизация акустическим распылением ................................................159
5.15.
Матрично активированная лазерная десорбция/ионизация
(МАЛДИ) .................................................................................................159
5.16.
Лазерная десорбционная масс-спектрометрия (Laser desorption
mass spectrometry, LDMS) ........................................................................170
Глава 6. Разделение и регистрация ионов .............................................................174
6.1.
Магнитный секторный масс-спектрометр ...............................................174
6.2.
Электростатический анализатор. Двухфокусный секторный
масс-спектрометр ......................................................................................175
6.3.
Масс-спектрометрия высокого разрешения (МСВР) .............................176
6.4.
Масс-спектрометрия с преобразованием Фурье (МСПФ) .....................180
6.5.
Квадрупольный анализатор ......................................................................185
6.6.
Ионная ловушка ........................................................................................186
6.7.
Времяпролетный анализатор ....................................................................188
6.8.
Орбитальная ловушка (Orbitrap) ...............................................................194
6.9.
Детектирование ионов ..............................................................................197
Глава 7. Тандемная масс-спектрометрия, МС/МС ..............................................202
7.1.
Активация ионов .......................................................................................203
7.1.1.
Активация соударением или диссоциация, индуцированная
(активированная) соударениями .....................................................203
7.1.2.
Диссоциация, индуцированная столкновением
с поверхностью .................................................................................207
8
Содержание
7.1.3.
Другие методы инициирования фрагментации ..............................209
7.1.3.1.
Диссоциация, активированная электронами .....................209
7.1.3.2.
Фотодиссоциация (Photodissociation) .................................212
7.1.4.
Последовательная тандемная масс-спектрометрия, МСn ..............214
7.2.
Анализаторы ионов в тандемной масс-спектрометрии ...........................217
7.2.1.
Система трех квадруполей ...............................................................217
7.2.2.
Магнитные секторные приборы ......................................................219
7.2.2.1.
Спектр кинетических энергий ионов,
проанализированных по массе (MIKES) ...........................219
7.2.2.2.
Высвобождение кинетической энергии
при фрагментации ...............................................................221
7.2.2.3.
Связанные сканирования ....................................................223
7.2.3.
Ионная ловушка ...............................................................................230
7.2.4.
Масс-спектрометрия с преобразованиями Фурье ..........................231
7.2.5.
Тандемная масс-спектрометрия. Времяпролетные
приборы ............................................................................................232
7.2.6.
Приборы продленной геометрии ....................................................234
7.2.7.
Приборы гибридной геометрии .......................................................236
7.2.8.
Орбитальные ловушки .....................................................................238
7.3.
Автоматизированные методы записи тандемных
спектров .....................................................................................................240
7.4.
Инверсия заряда ........................................................................................241
7.5.
Нейтрализация-реионизация ...................................................................242
Глава 8. Методы на основе масс-спектрометрии и родственные
масс-спектрометрии ..............................................................................................245
8.1.
Пиролитическая масс-спектрометрия .....................................................245
8.2.
Реакция переноса протона ........................................................................248
8.3.
Масс-спектрометрия выбранных ионов в потоке ....................................252
8.4.
Спектрометрия ионной подвижности ......................................................255
8.4.1.
Дрейфовая спектрометрия ионной подвижности
(drift time ion mobility spectrometer) .................................................256
8.4.2.
Спектрометрия приращения ионной подвижности .......................259
8.4.3.
Спектрометрия ионной подвижности на основе
бегущей волны (travelling-wave ion mobility spectrometry –
TWIMS) ............................................................................................260
8.4.4.
Улавливающий спектрометр ионной подвижности
(trapped ion mobility spectrometer – TIMS) ......................................261
8.4.5.
Спектрометр ионной подвижности на основе
поперечной модуляции (transversal modulation ion mobility
spectrometer – TMIMS) ....................................................................261
Содержание 9
8.4.6.
Комплексные методы с использованием ионной
подвижности ....................................................................................262
Глава 9. Масс-спектрометрия с ионизацией на воздухе
(ambient mass spectrometry) ....................................................................................266
9.1.
Методы на основе спрея ...........................................................................269
9.1.1.
Десорбционная электрораспылительная ионизация ......................269
9.1.2.
Нано-ДЭРИ ......................................................................................272
9.1.3.
Ионизация простым акустическим распылением
на воздухе .........................................................................................273
9.1.4.
Экстракционная электрораспылительная ионизация ....................276
9.1.5.
Спрей с бумаги .................................................................................278
9.1.6.
Спрей с листа ....................................................................................281
9.2.
Плазменные методы ..................................................................................284
9.2.1.
Прямой анализ в реальном времени ................................................286
9.2.2.
Низкотемпературная плазма............................................................288
9.2.3.
Десорбционная химическая ионизация при атмосферном
давлении ...........................................................................................291
9.2.4.
Масс-спектрометрия с ионизацией быстрым испарением
на воздухе .........................................................................................293
9.2.5.
Методы ионизации в плазме, индуцированной
микроволновым излучением ...........................................................295
9.2.6.
Микроплазменные варианты ионизации на воздухе ......................296
9.3.
Лазерные методы .......................................................................................298
9.3.1.
Электрораспылительная лазерная десорбция/ионизация .............299
9.3.2.
Лазерная абляция с электрораспылительной ионизацией .............300
9.3.3.
Другие лазерные методы ..................................................................300
9.4.
Методы ионизации в системе ввода .........................................................301
9.5.
Мягкое напыление на воздухе ..................................................................304
9.6.
Использование портативных масс-спектрометров ..................................305
9.7.
Методы масс-спектрометрической (молекулярной) визуализации
(imaging mass spectrometry) ........................................................................311
9.8.
Онлайн контроль хирургических операций методами МСИВ –
онконож или интеллектуальный скальпель (iKnife) ................................319
9.9.
Масс-спектрометрическая ручка – MasSpec Pen .....................................321
9.10.
Заключение ..............................................................................................323
Глава 10. Основные направления фрагментации некоторых классов
органических соединений .....................................................................................324
10.1.
Алканы .....................................................................................................324
10.2.
Алкены и диены .......................................................................................329
10.3.
Алкины .....................................................................................................333
10
Содержание
10.4.
Алициклические углеводороды ..............................................................335
10.4.1.
Циклоалкены ..................................................................................338
10.5.
Ароматические углеводороды .................................................................339
10.6.
Спирты, фенолы, тиолы ..........................................................................347
10.6.1.
Спирты ............................................................................................347
10.6.2.
Фенолы ...........................................................................................356
10.6.3.
Тиолы ..............................................................................................357
10.7.
Простые эфиры и сульфиды ...................................................................364
10.8.
Амины и фосфины ..................................................................................374
10.9.
Алкилгалогениды, арилгалогениды ........................................................383
10.10.
Карбонильные соединения ...................................................................393
10.11.
Карбоновые кислоты и их производные ..............................................408
10.12.
Нитрилы, изонитрилы, нитросоединения, гидразины,
оксимы и диазосоединения ...................................................................432
10.13.
Сульфоксиды, сульфоны, сульфокислоты ...........................................448
10.14.
Элементоорганические соединения .....................................................454
Глава 11. Биополимеры ..........................................................................................463
11.1.
Аминокислоты, пептиды, белки .............................................................463
11.1.1.
Масс-спектрометрия аминокислот ...............................................463
11.1.2.
Масс-спектрометрия пептидов ......................................................465
11.1.2.1.
Установление последовательности
аминокислотных звеньев ...................................................467
11.1.2.1.1.
Классификация фрагментных ионов ................469
11.1.2.1.2.
Концепция мобильного протона .......................472
11.1.2.1.3.
Альтернативные процессы
фрагментации .....................................................473
11.1.2.1.4.
Проблемные вопросы секвенирования
пептидов .............................................................477
11.1.2.1.5.
Масс-спектры отрицательных ионов
пептидов .............................................................482
11.1.3.
Масс-спектрометрия белков ..........................................................482
11.1.3.1.
Метод идентификации белков «снизу вверх» ...................483
11.1.3.1.1.
Пептидная карта масс ........................................484
11.1.3.1.2.
Ультракороткая протеомика ..............................485
11.1.3.1.3.
Использование МС/МС ....................................487
11.1.3.2.
Метод идентификации белков «сверху вниз» ...................488
11.1.4.
Протеомика .....................................................................................489
11.2.
Масс-спектрометрия липидов ................................................................495
11.2.1.
Триацилглицериды .........................................................................499
11.2.2.
Глицерофосфолипиды и сфинголипиды .......................................502
Содержание 11
11.2.3.
Установление положения двойных связей
в алифатических цепях ..................................................................503
11.3.
Масс-спектрометрия сахаров (углеводов) ..............................................507
11.3.1.
Номенклатура фрагментных ионов сахаров ..................................508
11.3.2.
Современные методы масс-спектрометрического
анализа сахаров ..............................................................................512
11.4.
Масс-спектрометрия нуклеиновых кислот ............................................513
11.4.1.
Масс-спектрометрия нуклеиновых оснований,
нуклеотидов и нуклеозидов ...........................................................514
11.4.2.
Масс-спектрометрия олигонуклеотидов .......................................515
11.4.3.
Масс-спектрометрическое секвенирование
олигонуклеотидов ..........................................................................518
11.4.4.
Программное обеспечение для секвенирования
олигонуклеотидов ..........................................................................521
11.4.5.
Прикладные аспекты масс-спектрометрии
нуклеиновых кислот ......................................................................523
11.5.
Метаболомика (метабономика) ..............................................................525
11.5.1.
Инструментальные аспекты метаболомики .................................526
11.5.2.
Варианты метаболомных исследований .......................................529
11.5.3.
Программное обеспечение метаболомики ...................................530
11.6.
Масс-спектрометрический анализ микроорганизмов ...........................532
11.7.
Масс-спектрометрия лигнинов ..............................................................536
Глава 12. Количественный масс-спектрометрический анализ ............................546
12.1.
Масс-хроматография ...............................................................................549
12.2.
Масс-фрагментография, мониторинг заданных ионов .........................563
12.3.
Мониторинг заданных реакций ..............................................................565
12.4.
Дериватизация аналитов .........................................................................567
12.5.
Установление количества соединения в образце по площади
хроматографического пика ....................................................................568
12.6.
Метод внешнего стандарта ......................................................................569
12.7.
Метод внутреннего стандарта .................................................................570
12.8.
Метод изотопного разбавления ..............................................................572
12.9.
Метод добавок .........................................................................................573
Глава 13. Изучение химических реакций методами
масс-спектрометрии ..............................................................................................574
13.1.
Установление структуры ионов ...............................................................575
13.2.
Контроль за протеканием химических процессов .................................577
13.3.
Исследование химических реакций в газовой фазе ...............................579
13.4.
Синтез в микрокаплях .............................................................................584
13.5.
Изучение механизмов реакций методами масс-спектрометрии ...........590
12
Содержание
Глава 14. Обобщенные задачи ................................................................................611
Глава 15. Решения задач .........................................................................................654
Приложение ............................................................................................................720
Литература ..............................................................................................................742
Список принятых и предлагаемых сокращений, русских и английских
терминов, относящихся к масс-спектрометрии .......................................................810
Предисловие к третьему изданию
Прошло десять лет с момента выхода из печати второго издания книги «Масс-
спектрометрия в органической химии», и с очевидностью назрела необходимость
обновления материала. Это связано не только с тем, что предыдущую версию
книги уже нельзя приобрести в магазинах, но и потому, что за десять лет в масс-
спектрометрии вновь произошло много интересного, включая появление новых бо-
лее мощных приборов, новых методов ионизации и тандемной масс-спектрометрии,
новых интересных приложений метода для решения вопросов химии, медицины,
экологии, протеомики и т.д. Например, измерение массы электрона [1] было
проведено в ловушке Пеннинга (Penning trap), которая при помощи комбинации
магнитных и электрических полей позволяет захватить и удерживать заряженные
частицы в определенной области пространства. В этой ловушке был «захвачен»
ион, состоящий из ядра атома углерода, масса которого уже известна с достаточно
высокой точностью, и одного электрона. Оказалось, что масса электрона состав-
ляет 0,000548579909067 единицы атомной массы, Дальтона (Дa). Помимо всех
типов биоорганических молекул масс-спектрометрия сегодня успешно работает
с металлоорганическими соединениями, интермедиатами химических процессов,
супрамолекулярными образованиями, целыми микроорганизмами.
Очень важным моментом становится терминология. За прошедшие 10 лет воз-
никло много новых методов ионизации, вариантов тандемной масс-спектрометрии.
Даже в англоязычной литературе наблюдается определенная путаница. Перевод этих
новых терминов на русский язык является еще более сложной задачей. Много оши-
бок появляется в печати, особенно когда статья написана непрофессиональными
масс-спектрометристами. В данном пособии использована терминология, согла-
сованная соответствующей комиссией Всероссийского масс-спектрометрического
общества. К сожалению, последним серьезным руководством по терминологии в
международном масс-спектрометрическом сообществе остается статья 2013 года [2].
В 2013 году стартовал проект Энциклопедии масс-спектрометрии под редакцией
Майкла Гросса и Ричарда Каприоли [3]. Десятитомное издание включает все во-
просы масс-спектрометрии, изложенные на 7000 страниц.
В жизни Всероссийского масс-спектрометрического общества важнейшим
событием стало долгожданное присуждение Лидии Николаевне Галль в 2022 году
премии Томсона, высшей награды Международного масс-спектрометрического
общества. В декабре 2022 она стала и Лауреатом медали Ривероса, главной награды
в масс-спектрометрии Латинской Америки. В 2023 году ВМСО отметило свое двад-
цатилетие, на регулярной основе проходят съезды ВМСО. В 2025 году проводится
14 Предисловие к третьему изданию
уже 12 съезд общества, на котором, кстати, в третий раз будет вручаться премия
А.А. Макарова за новые инструментальные разработки молодых ученых в области
масс-спектрометрии. Помимо этого главного мероприятия ВМСО продолжает
проводить международные конференции «Петромасс». В 2018 году 12 Конферен-
ция была организована на озере Блед в Словении, а в 2022 году 13 Конференция
прошла на острове Крит в Греции.
В 2025 году выходит уже 22 том журнала «Масс-спектрометрия», англо-
язычная версия которого ежегодно публикуется в виде 13 и 14 номеров журнала
«Journal of Analytical Chemistry». Продолжают публиковать много материалов по
масс-спектрометрии журналы «Аналитика» и «Лаборатория и производство».
Несмотря на поток монографий в мире, к сожалению, русскоязычных книг по
масс-спектрометрии практически не появилось. Кроме второго издания этого
учебника [4], можно упомянуть, пожалуй, лишь учебное пособие по аналитической
химии с главой о масс-спектрометрии [5].
В третьем издании все главы второго издания учебника [4] дополнены но-
выми материалами. Значительно доработаны гл. 1, 5, 6, 7, 8, 9, 11. Новая глава
посвящена изучению механизмов реакций органических соединений методами
масс-спектрометрии. Такую главу следовало поместить уже в предыдущие издания,
но за последнее десятилетие это направление стало крайне востребованным, и со-
временный учебник по органической масс-спектрометрии не может пройти мимо
этой тематики. Обновлены задачи для работы на семинарах и индивидуальной
подготовки. Поскольку масс-спектрометрия развивалась в последнее десятилетие,
как обычно, бурно, в третьем издании добавилось около 1000 новых ссылок. Это
не типично для учебника, а скорее является характеристикой монографии. Тем
не менее, я решился на это, поскольку размер этой книги не позволяет описать
все новые результаты в разных областях масс-спектрометрии. Думаю, читателям
будет удобно и полезно использовать эту цитируемую литературу для получения
углубленной информации об интересующих аспектах метода.
«Вся информация вселенной заложена в массе»
Р.А. Зубарев
Предисловие ко второму изданию
В 2013 году научная общественность отметила 100-летие масс-спектрометрии, за
дату рождения которой было решено принять выход в свет публикации Дж.Дж. Том-
сона «Rays of positive electricity». Это и много, и одновременно мало. Важно, что
масс-спектрометрия в начале XXI века не превратилась в изученный вдоль и по-
перек рутинный метод анализа с известными непреодолимыми недостатками и
ограничениями, а, напротив, развивается семимильными шагами.
Десять лет прошло с момента выхода в свет первого издания «Масс-спектро-
метрия в органической химии». Это очень большой период для современной науки.
Для масс-спектрометрии – это огромный период. За это время масс-спектрометрия
стала самым востребованным методом аналитической химии, с помощью которого
выполняется наибольшее число анализов. В распоряжении исследователей по-
явились не просто новые модели, а новые типы масс-спектрометров. Орбитальные
ловушки, разработанные А.А. Макаровым, о которых фирма Thermo впервые офи-
циально объявила в 2005 году, завоевали повсеместное признание исследователей и
стали наиболее желанными приборами масс-спектрометристов во всем мире. Зна-
чительней стала роль времяпролетных приборов. На базе сверхвысокого разрешения
появились новые направления науки: гуминомика, петролеомика. Потрясающие
успехи достигнуты в протеомике, метаболомике. В конце 2014 года осуществлена
посадка космического аппарата Розетта на комету Чурюмова-Герасименко. Это вы-
дающееся научное достижение. Среди оборудования Розетты важную роль играла
ROSINA – прибор для анализа ионов и нейтральных частиц, который состоит из
двух масс-спектрометров: двухфокусного магнитного секторного и рефлектрон-
ного времяпролетного. Этот факт демонстрирует важность масс-спектрометрии
для современной науки, для получения наиболее надежных экспериментальных
данных. Очень интересные результаты можно получать с помощью изотопной
масс-спектрометрии. Метод масс-спектрометрической визуализации (имиджинга)
позволяет изучать распределение искомых соединений по поверхности или всему
объему изучаемого объекта. Масс-спектрометрические методы стали широко ис-
пользоваться для диагностики самых разных заболеваний, для контроля хирурги-
ческих операций.
За 10 последних лет изменилась терминология. Введено более сотни новых
терминов, рекомендовано переименовать ряд существовавших названий. Даже
классический метод ионизации «электронный удар» теперь следует называть «элек-
тронной ионизацией». Возникло необычайно перспективное направление – масс-
спектрометрия с ионизацией на открытом воздухе. Создано несколько десятков
методов ионизации, которые позволяют работать с минимальной или вообще без
пробоподготовки. Это устраняет последний практический недостаток метода. Масс-
спектрометрия сегодня – это наиболее быстрый, селективный, чувствительный и
16 Предисловие ко второму изданию
информативный метод анализа химических и биологических соединений любой
сложности: от химических элементов до биополимеров (белки, сахара, нуклеиновые
кислоты). Можно утверждать, что, если для какого-нибудь соединения вы не можете
найти масс-спектрометрическую методику его определения, это означает только то,
что оно до сих пор не интересовало масс-спектрометристов. Существенные успехи
достигнуты в области миниатюризации. Созданы переносные масс-спектрометры
весом в несколько килограммов. В результате появились предпосылки для создания
в недалеком будущем бытовых масс-спектрометров для проверки качества пищевых
продуктов, напитков, медикаментов и т.д.
Значительные перемены произошли и в российской масс-спектрометрии.
В конце 2003 года создано Всероссийское масс-спектрометрическое общество
(ВМСО), объединившее около 600 ученых более чем из 50 регионов страны, ближ-
него и дальнего зарубежья, и ставшее полноправным членом международного
масс-спектрометрического общества (International Mass Spectrometry Foundation,
IMSF). ВМСО проведено уже 6 крупных масс-спектрометрических конференций
с международным участием, ежегодно проводятся школы по разным аспектам
масс-спектрометрии. С 2004 года в свет выходит журнал «Масс-спектрометрия»,
включенный в список ВАК, и переводящийся на английский язык в качестве еже-
годного приложения к «Журналу аналитической химии». Журнал хорошо цити-
руется, а по импакт-фактору РИНЦ в 2013 году он оказался на 2 месте среди всех
российских журналов в области химии и на 5 в области физики. Золотые медали
ВМСО за выдающиеся заслуги в масс-спектрометрии вручены российским ученым
с мировыми именами: Б.А. Мамырину, А.А. Макарову, Л.Н. Галль, И.А. Ревель-
скому, Р.А. Зубареву. Престижные Международные премии получили наши соот-
ечественники: В.Л. Тальрозе (премия Томсона), А.А. Макаров (премии Томсона,
Брюне, Американского масс-спектрометрического общества), Р.А. Зубарев (премии
Брюне и Бимана), Ю. Ласкина (премия Бимана, премия Rising Star Award from the
Women Chemists Committee of the American Chemical Society). Золотыми медалями
Питсбургской конференции в ХХI веке награждены 2 масс-спектрометра: орби-
тальная ловушка фирмы Thermo, разработанная А.А. Макаровым, и времяпролет-
ный масс-спектрометр высокого разрешения HRT фирмы LECO, разработанный
А.Н. Веренчиковым и В.Б. Артаевым. За прошедшие 10 лет активизировался выпуск
специализированной масс-спектрометрической литературы на русском языке. Вы-
шедшие монографии российских авторов и переводы зарубежных изданий были
посвящены разным направлениям масс-спектрометрии [6–12].
Таким образом, изменений и новшеств накопилось так много, что выпуск нового
существенно переработанного и дополненного учебного издания по органической
масс-спектрометрии стал необходим. Изменения коснулись практически всех глав.
Добавлены новые главы по ионизации на открытом воздухе, по родственным масс-
спектрометрии методам анализа, по масс-спектрометрии биологических соедине-
ний. В тексте использована новая терминология в соответствии с рекомендациями
ВМСО и IMSF. Большое количество иллюстративного материала позволит легче
воспринимать материал. Добавлены новые задачи, необходимые при проведении
обучающих семинаров.
«Что такое «масса», благодаря чему
она приобретает способность ока-
зывать такое влияние на душевную
жизнь индивида»?
З. Фрейд «Психология масс и анализ
человеческого «Я»»
«Теория становится материальной
силой, как только она овладевает
массами»
К. Маркс «К критике гегелевской
философии права»
Предисловие
К концу ХХ века инструментальные физико-химические методы анализа стали
неотъемлемой частью экспериментальной работы исследователя, работающего
в области естественных наук. Наиболее мощными и многоцелевыми среди них,
безусловно, являются спектроскопия ядерного магнитного резонанса и масс-
спектрометрия. Оба метода активно используются в химии, биологии, медицине,
экологии, контроле технологических процессов, криминалистике и т.д. Характе-
ризуя вновь синтезированное вещество, исследователь обязан получить и описать
его ЯМР и масс-спектры.
Говоря о достоинствах масс-спектрометрии, следует, прежде всего, отметить
ее чувствительность, экспрессность, информативность и надежность. Для полу-
чения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном
масс-спектрометре достаточно 10–9–10–10 г вещества. При необходимости про-
стого детектирования конкретного соединения в смеси порог обнаружения может
быть легко снижен до 10–12–10–14 г. Использование современного оборудования и
современных методов ионизации позволяет в некоторых случаях увеличить чув-
ствительность метода еще на несколько порядков. Таким образом, «традиционная
неразрешимая» без волшебства русская задача о «поиске иголки в стоге сена» может
быть легко решена масс-спектрометрически, а обычный масс-спектрометрический
эксперимент сравним с поиском одной иголки в нескольких миллионах стогов сена.
Для получения обычного спектра электронной ионизации индивидуального
соединения необходимо затратить 1–2 минуты, а время анализа сложной смеси
органических соединений в режиме хроматомасс-спектрометрии определяется
исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При
этом в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью современного
масс-спектрометра, остается информация о временах удерживания, площадях
пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, то есть, вводя в прибор один
микролитр сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно полу-
чить информацию о ее качественном и количественном составе. Ни один другой
метод не сочетает в себе такой экспрессности и информативности. Надежность
масс-спектрометрического анализа также очень высока, поскольку масс-спектр
является индивидуальной характеристикой конкретного вещества, отражающей
его структурные особенности.
История масс-спектрометрии насчитывает около 100 лет. Годом рождения
масс-спектрометрии можно считать 1901, когда немецкий физик В. Кауфман создал
18 Предисловие
первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных
лучей», или 1913 год, когда сэр Дж. Томсон впервые спектрально увидел изотопы
неона, или 1918 год, когда А. Демпстер сконструировал первый магнитный масс-
спектрометр с источником для электронной и термической ионизации. Тем не
менее, в течение первых 50 лет существования эта наука оставалась прерогативой
исключительно физиков и физико-химиков. Используя простейшие соединения,
масс-спектрометристы того времени успешно измеряли характеристики элементов,
атомов, молекул (энергии ионизации, прочности связей, точные массы элементов
и природную распространенность их изотопов).
Временем рождения органической масс-спектрометрии можно считать конец
40-х – начало 50-х годов прошлого века. Это было совсем недавно, поэтому, даже сей-
час, в начале ХХI века, можно лично поговорить с классиками, стоявшими у истоков
создания этой дисциплины. После Второй мировой войны возникло понимание, что
метод можно использовать не только в качестве прецезионного физико-математи-
ческого инструмента, но и в качестве удобного способа идентификации достаточно
сложных соединений по набору характеристических для них фрагментных ионов.
Знание классических химических реакций органических соединений и привлече-
ние теорий устойчивости органических ионов позволяет приписать фрагментам
конкретные структуры, делать обобщения по аналогиям фрагментации внутри
классов органических соединений. Переход на такой уровень масс-спектрометрии
резко увеличил число пользователей метода и привел к взрывному процессу раз-
вития приборного парка. Особенно важной оказалась применимость метода для
решения нефтехимических проблем. Финансовые вложения нефтяных компаний
значительно помогли быстрому инструментальному и теоретическому становлению
нового научного направления. Отличное издание [13], содержащее огромный фак-
тический материал по истории масс-спектрометрии и богато иллюстрированное
фотографиями и рисунками, вышло в свет в 2002 году под редакцией М. Грейсона
по случаю 50-летия масс-спектрометрического общества США.
Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения
двух основных проблем: идентификации и определения веществ, а также изучения
превращений ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе
в ионном источнике [14]. С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионного
циклотронного резонанса [15], систем протока после разряда [16] возможности
классического метода значительно увеличились. Соединение масс-спектрометра с
жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые
методы ионизации, в частности, «электроспрей» [17] и МАЛДИ [18], появившиеся
к концу ХХ века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганически-
ми молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые
кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы Дальтон [19].
На сегодняшний день можно проанализировать соединение практически любой
сложности. В последние годы активно ведутся исследования по анализу микроор-
ганизмов [20], по моделированию в газовой фазе химических реакций термолиза,
фотолиза, превращений, катализируемых кислотами и основаниями [21], по изуче-
нию каталитических процессов [22]. По шутливому выражению одного из «отцов»
Предисловие 19
органической масс-спектрометрии Фреда МакЛафферти, «если химическую задачу
нельзя решить с помощью масс-спектрометрии, может быть она вообще не стоит
того, чтобы на нее тратили время» [23]. Признанием важности масс-спектрометрии
для развития современной науки стало присуждение в 2002 году Нобелевской пре-
мии масс-спектрометристам Джону Фенну и Коичи Танаке.
Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и
биоорганической химии для установления структур соединений хроматомасс-спек-
трометрия стала сегодня основным методом идентификации и определения органи-
ческих загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая эко-
логия немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств
и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным
использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических
исследованиях и при проведении допинг-контроля на спортивных соревнованиях.
Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космо-
химических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии, медицины,
биологии и т.д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими
физико-химическими методами, поскольку в этом случае речь идет о простейших
характеристиках вещества: массе молекулы, ее основных фрагментов и отношении
количеств этих фрагментов относительно друг друга. Это позволяет достаточно
легко усвоить основы метода и научиться работать с масс-спектрами не только
подготовленным студентам, но и школьникам старших классов, изучающим курс
органической химии. Учитывая, что расшифровка масс-спектра может быть сродни
решению головоломки, типа «puzzle», научиться владеть этим методом настолько
же полезно, насколько просто и увлекательно.
Тем не менее, занимаясь масс-спектрометрией органических соединений уже
около 30 лет, я постоянно сталкиваюсь с ситуацией, когда даже опытные хими-
ки-органики пасуют перед масс-спектром, предпочитая извлечь необходимую
информацию о структуре с помощью других, более знакомых им методов. Объ-
яснение этому я нахожу в отсутствии учебной литературы по интерпретации масс-
спектров и в отсутствии спецкурсов по этой дисциплине в ВУЗах России. Книги
по масс-спектрометрии советских авторов, изданные в 70–80 годы прошлого века,
затрагивали отдельные аспекты органической масс-спектрометрии [24–44], причем
в качестве учебной литературы можно было бы выделить лишь пособия [29–32].
Русскоязычный читатель не был знаком и с подавляющим большинством ино-
странных изданий. За исключением фундаментальной пионерской монографии
Джона Бейнона [14] на русский язык были переведены лишь три книги [45–47], две
из которых [45, 46] относятся к 60–70 годам ХХ века. Даже замечательный учебник
Мак-Лафферти [48], претерпевший уже четыре издания, так и не переведен на рус-
ский язык. В XXI веке ситуация несколько изменилась. Прежде всего это связано с
созданием Всероссийского масс-спектрометрического общества. Его деятельность
привела к изданию и переводу современных книг по масс-спектрометрии [6–12],
а также первого издания этого учебного пособия [49].
Данное пособие направлено на решение двух основных задач: учебной и позна-
вательной. Можно знакомиться с материалом последовательно, а можно выборочно
20 Предисловие
читать конкретные главы или разделы. Большое внимание уделено именно работе с
масс-спектром, подходам к его расшифровке с извлечением максимальной струк-
турной информации. Описание основных направлений фрагментации различных
классов органических соединений (от алканов до белков и нуклеиновых кислот)
сопровождается задачами, аналогичными тем, с которыми сталкивается любой
исследователь, когда обращается к методу масс-спектрометрии в своих научных
целях. Решая эти задачи, читатель сможет закрепить теоретический материал и
успешно справляться с подобными проблемами в своей последующей научной
работе. Большое число вариантов типовых задач позволяет использовать книгу не
только для индивидуальной работы, но и для семинаров в студенческих группах.
Последнее десятилетие ХХ века ознаменовалось революционными новациями
в органической масс-спектрометрии. В данном пособии наряду с описанием клас-
сических методов ввода и ионизации образца, а также разделения и детектирования
ионов, значительное место уделено теоретическим и практическим аспектам со-
временной масс-спектрометрии: электрораспылению и другим методам стыковки
жидкостного хроматографа с масс-спектрометром, матрично активированной
лазерной десорбции/ионизации, тандемной масс-спектрометрии.
Очень важно, чтобы масс-спектрометрией владели непосредственно химики,
биологи, экологи, а не узкий круг профессиональных масс-спектрометристов. Ни-
кто не знает столь досконально свою задачу как человек, непосредственно работаю-
щий с веществом. Если он сможет правильно поставить масс-спектрометрическую
задачу и при этом владеет техникой интерпретации масс-спектров, эффективность
его работы со спектрами будет существенно выше, чем у профессионального масс-
спектрометриста, далекого от конкретной проблемы. Недостающим звеном для
правильной расшифровки может оказаться информация о производителе исходного
реактива, о побочных процессах изучаемой реакции, о примесях к реагентам, или
даже о реакции, которая ставилась в этой посуде за неделю до данного эксперимента.
Мир масс-спектрометрии удивителен и красив. Каждый год приносит новые
потрясающие открытия, появляются неординарные приложения этого метода.
Я надеюсь, читатель сможет оценить это сам.
Введение
Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключа-
ющимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим
разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отри-
цательных ионов. Следует сразу подчеркнуть, что метод слеп в отношении неза-
ряженных частиц, например, радикалов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о
молекулярной массе соединения, его составе и структуре. Масса самого тяжелого
иона в спектре, как правило, соответствует молекулярной массе анализируемого со-
единения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1).
В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов
(точнее величина отношения массы иона к его заряду), а по оси ординат – их ин-
тенсивности, т.е. относительное количество ионов данного вида. Принято выражать
интенсивность в процентах к полному ионному току (суммарной интенсивности
всех ионов в спектре) или к интенсивности максимального иона (рис. 1). В качестве
единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: угле-
родные единицы, атомные единицы массы, Дальтоны [7]. Тем не менее, поскольку
по шкале абсцисс в масс-спектрах откладывается величина отношения массы к
заряду, для обозначения этой единицы измерений используется термин Томсон
(Thomson, Th), но чаще – m/z [50].
Прошло десять лет с момента выхода из печати второго издания книги «Масс-
спектрометрия в органической химии», и с очевидностью назрела необходимость
обновления материала. Это связано не только с тем, что предыдущую версию
книги уже нельзя приобрести в магазинах, но и потому, что за десять лет в масс-
спектрометрии вновь произошло много интересного, включая появление новых бо-
лее мощных приборов, новых методов ионизации и тандемной масс-спектрометрии,
новых интересных приложений метода для решения вопросов химии, медицины,
экологии, протеомики и т.д. Например, измерение массы электрона [1] было
проведено в ловушке Пеннинга (Penning trap), которая при помощи комбинации
магнитных и электрических полей позволяет захватить и удерживать заряженные
частицы в определенной области пространства. В этой ловушке был «захвачен»
ион, состоящий из ядра атома углерода, масса которого уже известна с достаточно
высокой точностью, и одного электрона. Оказалось, что масса электрона состав-
ляет 0,000548579909067 единицы атомной массы, Дальтона (Дa). Помимо всех
типов биоорганических молекул масс-спектрометрия сегодня успешно работает
с металлоорганическими соединениями, интермедиатами химических процессов,
супрамолекулярными образованиями, целыми микроорганизмами.
Очень важным моментом становится терминология. За прошедшие 10 лет воз-
никло много новых методов ионизации, вариантов тандемной масс-спектрометрии.
Даже в англоязычной литературе наблюдается определенная путаница. Перевод этих
новых терминов на русский язык является еще более сложной задачей. Много оши-
бок появляется в печати, особенно когда статья написана непрофессиональными
масс-спектрометристами. В данном пособии использована терминология, согла-
сованная соответствующей комиссией Всероссийского масс-спектрометрического
общества. К сожалению, последним серьезным руководством по терминологии в
международном масс-спектрометрическом сообществе остается статья 2013 года [2].
В 2013 году стартовал проект Энциклопедии масс-спектрометрии под редакцией
Майкла Гросса и Ричарда Каприоли [3]. Десятитомное издание включает все во-
просы масс-спектрометрии, изложенные на 7000 страниц.
В жизни Всероссийского масс-спектрометрического общества важнейшим
событием стало долгожданное присуждение Лидии Николаевне Галль в 2022 году
премии Томсона, высшей награды Международного масс-спектрометрического
общества. В декабре 2022 она стала и Лауреатом медали Ривероса, главной награды
в масс-спектрометрии Латинской Америки. В 2023 году ВМСО отметило свое двад-
цатилетие, на регулярной основе проходят съезды ВМСО. В 2025 году проводится
14 Предисловие к третьему изданию
уже 12 съезд общества, на котором, кстати, в третий раз будет вручаться премия
А.А. Макарова за новые инструментальные разработки молодых ученых в области
масс-спектрометрии. Помимо этого главного мероприятия ВМСО продолжает
проводить международные конференции «Петромасс». В 2018 году 12 Конферен-
ция была организована на озере Блед в Словении, а в 2022 году 13 Конференция
прошла на острове Крит в Греции.
В 2025 году выходит уже 22 том журнала «Масс-спектрометрия», англо-
язычная версия которого ежегодно публикуется в виде 13 и 14 номеров журнала
«Journal of Analytical Chemistry». Продолжают публиковать много материалов по
масс-спектрометрии журналы «Аналитика» и «Лаборатория и производство».
Несмотря на поток монографий в мире, к сожалению, русскоязычных книг по
масс-спектрометрии практически не появилось. Кроме второго издания этого
учебника [4], можно упомянуть, пожалуй, лишь учебное пособие по аналитической
химии с главой о масс-спектрометрии [5].
В третьем издании все главы второго издания учебника [4] дополнены но-
выми материалами. Значительно доработаны гл. 1, 5, 6, 7, 8, 9, 11. Новая глава
посвящена изучению механизмов реакций органических соединений методами
масс-спектрометрии. Такую главу следовало поместить уже в предыдущие издания,
но за последнее десятилетие это направление стало крайне востребованным, и со-
временный учебник по органической масс-спектрометрии не может пройти мимо
этой тематики. Обновлены задачи для работы на семинарах и индивидуальной
подготовки. Поскольку масс-спектрометрия развивалась в последнее десятилетие,
как обычно, бурно, в третьем издании добавилось около 1000 новых ссылок. Это
не типично для учебника, а скорее является характеристикой монографии. Тем
не менее, я решился на это, поскольку размер этой книги не позволяет описать
все новые результаты в разных областях масс-спектрометрии. Думаю, читателям
будет удобно и полезно использовать эту цитируемую литературу для получения
углубленной информации об интересующих аспектах метода.
«Вся информация вселенной заложена в массе»
Р.А. Зубарев
Предисловие ко второму изданию
В 2013 году научная общественность отметила 100-летие масс-спектрометрии, за
дату рождения которой было решено принять выход в свет публикации Дж.Дж. Том-
сона «Rays of positive electricity». Это и много, и одновременно мало. Важно, что
масс-спектрометрия в начале XXI века не превратилась в изученный вдоль и по-
перек рутинный метод анализа с известными непреодолимыми недостатками и
ограничениями, а, напротив, развивается семимильными шагами.
Десять лет прошло с момента выхода в свет первого издания «Масс-спектро-
метрия в органической химии». Это очень большой период для современной науки.
Для масс-спектрометрии – это огромный период. За это время масс-спектрометрия
стала самым востребованным методом аналитической химии, с помощью которого
выполняется наибольшее число анализов. В распоряжении исследователей по-
явились не просто новые модели, а новые типы масс-спектрометров. Орбитальные
ловушки, разработанные А.А. Макаровым, о которых фирма Thermo впервые офи-
циально объявила в 2005 году, завоевали повсеместное признание исследователей и
стали наиболее желанными приборами масс-спектрометристов во всем мире. Зна-
чительней стала роль времяпролетных приборов. На базе сверхвысокого разрешения
появились новые направления науки: гуминомика, петролеомика. Потрясающие
успехи достигнуты в протеомике, метаболомике. В конце 2014 года осуществлена
посадка космического аппарата Розетта на комету Чурюмова-Герасименко. Это вы-
дающееся научное достижение. Среди оборудования Розетты важную роль играла
ROSINA – прибор для анализа ионов и нейтральных частиц, который состоит из
двух масс-спектрометров: двухфокусного магнитного секторного и рефлектрон-
ного времяпролетного. Этот факт демонстрирует важность масс-спектрометрии
для современной науки, для получения наиболее надежных экспериментальных
данных. Очень интересные результаты можно получать с помощью изотопной
масс-спектрометрии. Метод масс-спектрометрической визуализации (имиджинга)
позволяет изучать распределение искомых соединений по поверхности или всему
объему изучаемого объекта. Масс-спектрометрические методы стали широко ис-
пользоваться для диагностики самых разных заболеваний, для контроля хирурги-
ческих операций.
За 10 последних лет изменилась терминология. Введено более сотни новых
терминов, рекомендовано переименовать ряд существовавших названий. Даже
классический метод ионизации «электронный удар» теперь следует называть «элек-
тронной ионизацией». Возникло необычайно перспективное направление – масс-
спектрометрия с ионизацией на открытом воздухе. Создано несколько десятков
методов ионизации, которые позволяют работать с минимальной или вообще без
пробоподготовки. Это устраняет последний практический недостаток метода. Масс-
спектрометрия сегодня – это наиболее быстрый, селективный, чувствительный и
16 Предисловие ко второму изданию
информативный метод анализа химических и биологических соединений любой
сложности: от химических элементов до биополимеров (белки, сахара, нуклеиновые
кислоты). Можно утверждать, что, если для какого-нибудь соединения вы не можете
найти масс-спектрометрическую методику его определения, это означает только то,
что оно до сих пор не интересовало масс-спектрометристов. Существенные успехи
достигнуты в области миниатюризации. Созданы переносные масс-спектрометры
весом в несколько килограммов. В результате появились предпосылки для создания
в недалеком будущем бытовых масс-спектрометров для проверки качества пищевых
продуктов, напитков, медикаментов и т.д.
Значительные перемены произошли и в российской масс-спектрометрии.
В конце 2003 года создано Всероссийское масс-спектрометрическое общество
(ВМСО), объединившее около 600 ученых более чем из 50 регионов страны, ближ-
него и дальнего зарубежья, и ставшее полноправным членом международного
масс-спектрометрического общества (International Mass Spectrometry Foundation,
IMSF). ВМСО проведено уже 6 крупных масс-спектрометрических конференций
с международным участием, ежегодно проводятся школы по разным аспектам
масс-спектрометрии. С 2004 года в свет выходит журнал «Масс-спектрометрия»,
включенный в список ВАК, и переводящийся на английский язык в качестве еже-
годного приложения к «Журналу аналитической химии». Журнал хорошо цити-
руется, а по импакт-фактору РИНЦ в 2013 году он оказался на 2 месте среди всех
российских журналов в области химии и на 5 в области физики. Золотые медали
ВМСО за выдающиеся заслуги в масс-спектрометрии вручены российским ученым
с мировыми именами: Б.А. Мамырину, А.А. Макарову, Л.Н. Галль, И.А. Ревель-
скому, Р.А. Зубареву. Престижные Международные премии получили наши соот-
ечественники: В.Л. Тальрозе (премия Томсона), А.А. Макаров (премии Томсона,
Брюне, Американского масс-спектрометрического общества), Р.А. Зубарев (премии
Брюне и Бимана), Ю. Ласкина (премия Бимана, премия Rising Star Award from the
Women Chemists Committee of the American Chemical Society). Золотыми медалями
Питсбургской конференции в ХХI веке награждены 2 масс-спектрометра: орби-
тальная ловушка фирмы Thermo, разработанная А.А. Макаровым, и времяпролет-
ный масс-спектрометр высокого разрешения HRT фирмы LECO, разработанный
А.Н. Веренчиковым и В.Б. Артаевым. За прошедшие 10 лет активизировался выпуск
специализированной масс-спектрометрической литературы на русском языке. Вы-
шедшие монографии российских авторов и переводы зарубежных изданий были
посвящены разным направлениям масс-спектрометрии [6–12].
Таким образом, изменений и новшеств накопилось так много, что выпуск нового
существенно переработанного и дополненного учебного издания по органической
масс-спектрометрии стал необходим. Изменения коснулись практически всех глав.
Добавлены новые главы по ионизации на открытом воздухе, по родственным масс-
спектрометрии методам анализа, по масс-спектрометрии биологических соедине-
ний. В тексте использована новая терминология в соответствии с рекомендациями
ВМСО и IMSF. Большое количество иллюстративного материала позволит легче
воспринимать материал. Добавлены новые задачи, необходимые при проведении
обучающих семинаров.
«Что такое «масса», благодаря чему
она приобретает способность ока-
зывать такое влияние на душевную
жизнь индивида»?
З. Фрейд «Психология масс и анализ
человеческого «Я»»
«Теория становится материальной
силой, как только она овладевает
массами»
К. Маркс «К критике гегелевской
философии права»
Предисловие
К концу ХХ века инструментальные физико-химические методы анализа стали
неотъемлемой частью экспериментальной работы исследователя, работающего
в области естественных наук. Наиболее мощными и многоцелевыми среди них,
безусловно, являются спектроскопия ядерного магнитного резонанса и масс-
спектрометрия. Оба метода активно используются в химии, биологии, медицине,
экологии, контроле технологических процессов, криминалистике и т.д. Характе-
ризуя вновь синтезированное вещество, исследователь обязан получить и описать
его ЯМР и масс-спектры.
Говоря о достоинствах масс-спектрометрии, следует, прежде всего, отметить
ее чувствительность, экспрессность, информативность и надежность. Для полу-
чения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном
масс-спектрометре достаточно 10–9–10–10 г вещества. При необходимости про-
стого детектирования конкретного соединения в смеси порог обнаружения может
быть легко снижен до 10–12–10–14 г. Использование современного оборудования и
современных методов ионизации позволяет в некоторых случаях увеличить чув-
ствительность метода еще на несколько порядков. Таким образом, «традиционная
неразрешимая» без волшебства русская задача о «поиске иголки в стоге сена» может
быть легко решена масс-спектрометрически, а обычный масс-спектрометрический
эксперимент сравним с поиском одной иголки в нескольких миллионах стогов сена.
Для получения обычного спектра электронной ионизации индивидуального
соединения необходимо затратить 1–2 минуты, а время анализа сложной смеси
органических соединений в режиме хроматомасс-спектрометрии определяется
исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При
этом в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью современного
масс-спектрометра, остается информация о временах удерживания, площадях
пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, то есть, вводя в прибор один
микролитр сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно полу-
чить информацию о ее качественном и количественном составе. Ни один другой
метод не сочетает в себе такой экспрессности и информативности. Надежность
масс-спектрометрического анализа также очень высока, поскольку масс-спектр
является индивидуальной характеристикой конкретного вещества, отражающей
его структурные особенности.
История масс-спектрометрии насчитывает около 100 лет. Годом рождения
масс-спектрометрии можно считать 1901, когда немецкий физик В. Кауфман создал
18 Предисловие
первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных
лучей», или 1913 год, когда сэр Дж. Томсон впервые спектрально увидел изотопы
неона, или 1918 год, когда А. Демпстер сконструировал первый магнитный масс-
спектрометр с источником для электронной и термической ионизации. Тем не
менее, в течение первых 50 лет существования эта наука оставалась прерогативой
исключительно физиков и физико-химиков. Используя простейшие соединения,
масс-спектрометристы того времени успешно измеряли характеристики элементов,
атомов, молекул (энергии ионизации, прочности связей, точные массы элементов
и природную распространенность их изотопов).
Временем рождения органической масс-спектрометрии можно считать конец
40-х – начало 50-х годов прошлого века. Это было совсем недавно, поэтому, даже сей-
час, в начале ХХI века, можно лично поговорить с классиками, стоявшими у истоков
создания этой дисциплины. После Второй мировой войны возникло понимание, что
метод можно использовать не только в качестве прецезионного физико-математи-
ческого инструмента, но и в качестве удобного способа идентификации достаточно
сложных соединений по набору характеристических для них фрагментных ионов.
Знание классических химических реакций органических соединений и привлече-
ние теорий устойчивости органических ионов позволяет приписать фрагментам
конкретные структуры, делать обобщения по аналогиям фрагментации внутри
классов органических соединений. Переход на такой уровень масс-спектрометрии
резко увеличил число пользователей метода и привел к взрывному процессу раз-
вития приборного парка. Особенно важной оказалась применимость метода для
решения нефтехимических проблем. Финансовые вложения нефтяных компаний
значительно помогли быстрому инструментальному и теоретическому становлению
нового научного направления. Отличное издание [13], содержащее огромный фак-
тический материал по истории масс-спектрометрии и богато иллюстрированное
фотографиями и рисунками, вышло в свет в 2002 году под редакцией М. Грейсона
по случаю 50-летия масс-спектрометрического общества США.
Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения
двух основных проблем: идентификации и определения веществ, а также изучения
превращений ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе
в ионном источнике [14]. С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионного
циклотронного резонанса [15], систем протока после разряда [16] возможности
классического метода значительно увеличились. Соединение масс-спектрометра с
жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые
методы ионизации, в частности, «электроспрей» [17] и МАЛДИ [18], появившиеся
к концу ХХ века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганически-
ми молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые
кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы Дальтон [19].
На сегодняшний день можно проанализировать соединение практически любой
сложности. В последние годы активно ведутся исследования по анализу микроор-
ганизмов [20], по моделированию в газовой фазе химических реакций термолиза,
фотолиза, превращений, катализируемых кислотами и основаниями [21], по изуче-
нию каталитических процессов [22]. По шутливому выражению одного из «отцов»
Предисловие 19
органической масс-спектрометрии Фреда МакЛафферти, «если химическую задачу
нельзя решить с помощью масс-спектрометрии, может быть она вообще не стоит
того, чтобы на нее тратили время» [23]. Признанием важности масс-спектрометрии
для развития современной науки стало присуждение в 2002 году Нобелевской пре-
мии масс-спектрометристам Джону Фенну и Коичи Танаке.
Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и
биоорганической химии для установления структур соединений хроматомасс-спек-
трометрия стала сегодня основным методом идентификации и определения органи-
ческих загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая эко-
логия немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств
и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным
использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических
исследованиях и при проведении допинг-контроля на спортивных соревнованиях.
Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космо-
химических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии, медицины,
биологии и т.д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими
физико-химическими методами, поскольку в этом случае речь идет о простейших
характеристиках вещества: массе молекулы, ее основных фрагментов и отношении
количеств этих фрагментов относительно друг друга. Это позволяет достаточно
легко усвоить основы метода и научиться работать с масс-спектрами не только
подготовленным студентам, но и школьникам старших классов, изучающим курс
органической химии. Учитывая, что расшифровка масс-спектра может быть сродни
решению головоломки, типа «puzzle», научиться владеть этим методом настолько
же полезно, насколько просто и увлекательно.
Тем не менее, занимаясь масс-спектрометрией органических соединений уже
около 30 лет, я постоянно сталкиваюсь с ситуацией, когда даже опытные хими-
ки-органики пасуют перед масс-спектром, предпочитая извлечь необходимую
информацию о структуре с помощью других, более знакомых им методов. Объ-
яснение этому я нахожу в отсутствии учебной литературы по интерпретации масс-
спектров и в отсутствии спецкурсов по этой дисциплине в ВУЗах России. Книги
по масс-спектрометрии советских авторов, изданные в 70–80 годы прошлого века,
затрагивали отдельные аспекты органической масс-спектрометрии [24–44], причем
в качестве учебной литературы можно было бы выделить лишь пособия [29–32].
Русскоязычный читатель не был знаком и с подавляющим большинством ино-
странных изданий. За исключением фундаментальной пионерской монографии
Джона Бейнона [14] на русский язык были переведены лишь три книги [45–47], две
из которых [45, 46] относятся к 60–70 годам ХХ века. Даже замечательный учебник
Мак-Лафферти [48], претерпевший уже четыре издания, так и не переведен на рус-
ский язык. В XXI веке ситуация несколько изменилась. Прежде всего это связано с
созданием Всероссийского масс-спектрометрического общества. Его деятельность
привела к изданию и переводу современных книг по масс-спектрометрии [6–12],
а также первого издания этого учебного пособия [49].
Данное пособие направлено на решение двух основных задач: учебной и позна-
вательной. Можно знакомиться с материалом последовательно, а можно выборочно
20 Предисловие
читать конкретные главы или разделы. Большое внимание уделено именно работе с
масс-спектром, подходам к его расшифровке с извлечением максимальной струк-
турной информации. Описание основных направлений фрагментации различных
классов органических соединений (от алканов до белков и нуклеиновых кислот)
сопровождается задачами, аналогичными тем, с которыми сталкивается любой
исследователь, когда обращается к методу масс-спектрометрии в своих научных
целях. Решая эти задачи, читатель сможет закрепить теоретический материал и
успешно справляться с подобными проблемами в своей последующей научной
работе. Большое число вариантов типовых задач позволяет использовать книгу не
только для индивидуальной работы, но и для семинаров в студенческих группах.
Последнее десятилетие ХХ века ознаменовалось революционными новациями
в органической масс-спектрометрии. В данном пособии наряду с описанием клас-
сических методов ввода и ионизации образца, а также разделения и детектирования
ионов, значительное место уделено теоретическим и практическим аспектам со-
временной масс-спектрометрии: электрораспылению и другим методам стыковки
жидкостного хроматографа с масс-спектрометром, матрично активированной
лазерной десорбции/ионизации, тандемной масс-спектрометрии.
Очень важно, чтобы масс-спектрометрией владели непосредственно химики,
биологи, экологи, а не узкий круг профессиональных масс-спектрометристов. Ни-
кто не знает столь досконально свою задачу как человек, непосредственно работаю-
щий с веществом. Если он сможет правильно поставить масс-спектрометрическую
задачу и при этом владеет техникой интерпретации масс-спектров, эффективность
его работы со спектрами будет существенно выше, чем у профессионального масс-
спектрометриста, далекого от конкретной проблемы. Недостающим звеном для
правильной расшифровки может оказаться информация о производителе исходного
реактива, о побочных процессах изучаемой реакции, о примесях к реагентам, или
даже о реакции, которая ставилась в этой посуде за неделю до данного эксперимента.
Мир масс-спектрометрии удивителен и красив. Каждый год приносит новые
потрясающие открытия, появляются неординарные приложения этого метода.
Я надеюсь, читатель сможет оценить это сам.
Введение
Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключа-
ющимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим
разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отри-
цательных ионов. Следует сразу подчеркнуть, что метод слеп в отношении неза-
ряженных частиц, например, радикалов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о
молекулярной массе соединения, его составе и структуре. Масса самого тяжелого
иона в спектре, как правило, соответствует молекулярной массе анализируемого со-
единения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1).
В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов
(точнее величина отношения массы иона к его заряду), а по оси ординат – их ин-
тенсивности, т.е. относительное количество ионов данного вида. Принято выражать
интенсивность в процентах к полному ионному току (суммарной интенсивности
всех ионов в спектре) или к интенсивности максимального иона (рис. 1). В качестве
единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины: угле-
родные единицы, атомные единицы массы, Дальтоны [7]. Тем не менее, поскольку
по шкале абсцисс в масс-спектрах откладывается величина отношения массы к
заряду, для обозначения этой единицы измерений используется термин Томсон
(Thomson, Th), но чаще – m/z [50].