Hvordan Massespektrometri Virker

{h1}

Massespektrometri er et aspekt af videnskab, der endelig kunne sætte den steroide æra af baseball til en ende. Lær om massespektrometri.

-Den analytiske kemi og store liga-baseball synes at være en million miles fra hinanden. Men i den moderne æra af sporten er atomer og molekyler blevet næsten lige så vigtige som dobbeltspil og hjemmebane. Hvordan det? Det er kemi, der gør det muligt for ligaen at snyde spillere, der er skyldige i "sportsdoping" - tager anabole steroider for at fremme muskelvækst og få en konkurrencemæssig fordel. Faktisk går formlen om enhver bemærkelsesværdig skandal de seneste år - Mark McGwire, Barry Bonds, Alex Rodriguez - sådan noget:

  1. En atlet tager et præstationsfremmende lægemiddel som methenolon (mærke Primobolan). Lægemidlet injiceres eller tages oralt.
  2. Under en tilfældig lægemiddelprøve bliver atleten bedt om at donere nogle af hans urin til videnskaben.
  3. Urinen rejser til en testfacilitet.
  4. Kemikere i anlægget indfører en urinprøve i et instrument, der ligner tre kopimaskiner forbundet sammen. Instrumentet er et analytisk værktøj kendt som a massespektrometer. Det tester urinen for tilstedeværelsen af ​​steroidet eller kemikalierne, der produceres, når kroppen behandler steroidet, som kan detekteres i dage til uger efter den sidste dosis afhængigt af lægemidlet og mængden.
  5. Lab informerer ligaen om positive resultater.

Når overskrifterne rammer, fokuserer de på spilleren: Hvornår begyndte han at tage stoffet? Hvor længe tog han det? Har han brudt nogen optegnelser, mens han var på stoffet? Skal disse poster væltes? Ingen betaler meget opmærksomhed på kemi, som ofte behandles som en fodnote, hvis overhovedet.

Vi er her for at rette op på det uheldige tilsyn. Denne artikel vil lede dig gennem det beskedne men praktiske felt af kemi kendt som massespektrometri. Den vil udforske de grundlæggende videnskabelige principper på arbejdspladsen samt nogle af de avancerede teknikker, der gør det muligt at analysere alt fra solvinden til udånding af en patient under generel anæstesi til ekskretionsprodukter fra professionelle atleter.

- Først, lad os lægge det rette fundament med en mental øvelse og en kort historieleksjon.

Massespektrometri Basics: En Atombalance

- Principerne bag massespektrometri er noget abstrakte, så lad os starte med en konkret mental øvelse. Antag at du ønskede at veje en fuldt lastet traktor-trailer. Den nemmeste måde ville være at køre riggen til en tung lastbil skala. Lad os nu sige, at du ønskede at veje en af ​​trailernes hjul. En regelmæssig badeværelsesskala kunne give denne information. Dernæst beslutter du at veje en fugemøtrik fra et af hjulene, hvilket ikke kræver noget mere end et almindeligt køkken eller lab skala. Endelig forestil dig, at du ønskede at veje et enkelt atom skrabet fra overfladen af ​​lugmøtrikken. Hvordan ville du måle det? Selv den mest følsomme laboratoriebalance ville ikke registrere vægten af ​​noget så lille.

Dette var situationen, der konfronterede kemikere i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Takket være John Daltons atomteori vidste de, at der var tale om atomer, og at atomer af et element var ens. Men hvordan så et atom ud, og hvor meget var det i vejen? I 1897, J.J. Thomson opdagede elektronen ved at studere opførelsen af katodestrålerstrømmen af ​​negativt ladede partikler med oprindelse ved katoden eller negativ elektrode i et gasfyldt vakuumrør. Et år senere begyndte Willy Wien at arbejde med "positive stråler" - strømmen af ​​positivt ladede partikler, der stammer fra anoden og bevæger sig mod katoden. Wien observerede, at et magnetfelt kunne afbøde positive stråler. Derefter begyndte Thomson i 1907 at afbøje positive stråler med både elektriske og magnetiske felter. Han opdagede, at han kunne bestemme partiklernes masse ved at måle, hvor langt de blev afbøjet.

I 1919 forbedrede Francis Aston på Thomson's metoder og apparater, hvilket førte til det første massespektrometer - en maskine, som bogstaveligt taler vejede atomer og molekyler. Aston brugte sit spektrometer til at studere hundredvis af naturligt forekommende isotoper. I dag bruger kemikere stadig massespektrometeret til at måle molekylvægten af ​​elementer, isotoper og forbindelser. Men de bruger også den til at identificere kemikalierne i en prøve, bestemme hvor meget af hvert kemikalie der er til stede i en prøve og analysere strukturen af ​​komplekse molekyler.

Dernæst tager vi et nærmere kig på, hvad der foregår inde i et massespektrometer.

-

Søgen efter mening

Massespektrometri er en af ​​de analytiske kemikers vigtigste teknikker. Desværre er det en af ​​flere relaterede udtryk, som kan forårsage forvirring. Lad os forsøge at forstå disse vilkår:

  • Massespektrometri: En analytisk teknik anvendt til at bestemme de kemiske bestanddele, eller analytter, i en kemisk prøve.
  • Massespektrometer: Den egentlige enhed plejede at udføre massespektrometri. Nogle massespektrometre kan sidde på en bordplade. Andre fylder et helt rum.
  • Massespektrum: Udgangen af ​​et massespektrometer. Et massespektrum ser lidt ud som en linjediagram med pigge eller toppe af forskellige højder.
  • Massespektrometrist: En videnskabsmand, der specialiserer sig i massespektrometri.

-

At få ioner op til hastighed: Forståelse af massespektrometri

Hvordan Massespektrometri virker: virker

- For at forstå de grundlæggende principper for massespektrometri, overvej en person, der står øverst på et tårn - på en blæsende dag. Personen opfanger forskellige bolde og slipper dem, en efter en, fra tårnet. Når hver bold falder, afleder vinden den langs en buet sti. Ballernes masser påvirker, hvordan de falder.En bowlingkugle er for eksempel meget tungere end en basketball og er derfor sværere at flytte. Som følge heraf følger en bowlingkugle en anden vej end en basketball.

I et massespektrometer sker det samme, medmindre det er atomer og molekyler, der afbøjes, og det er elektriske eller magnetiske felter, der forårsager afbøjningen. Det sker også i et skab, der kan være så lille som en mikrobølgeovn eller så stor som en kistefryser. Skabet indeholder tre grundlæggende dele: et ioniseringskammer, en massanalysator og en detektor. Sådan fungerer det hele.

At blive afbøjet af elektriske eller magnetiske felter, atomer skal først være ioniseret, eller omdannet til ladede partikler. Dette opnås ved at banke væk en eller flere elektroner, hvilket resulterer i en partikel med en netto positiv ladning. Spektrometriste bombarder undertiden en prøve med en stråle af elektroner for at ionisere molekylerne. De indkommende elektroner virker som billardkugler og baner elektroner i prøven. De bruger også en teknik kendt som elektrospray ionisering, som tvinger en prøve gennem en ladet nål til at fjerne elektronerne. På samme måde producerer dette første trin med massespektrometri positive ioner.

Dernæst skal de positive ioner flytte ud af ioniseringskammeret. Den kraft, der kræves for at bevæge dem, kommer fra et elektrisk felt, der leveres af to metalgitter. Et net er positivt opladet og afviser ionerne; den anden er negativt ladet og tiltrækker dem. Fordi afstødningen og tiltrækningen virker i samme retning, bevæges ionerne hurtigt mod det negativt ladede gitter, som er perforeret med mange små huller. Ionerne passerer gennem hullerne ved forskellige hastigheder. Lysere ioner rejser hurtigere end tungere.

- Ifølge elektromagnetiske love vil en bevægende strøm af elektrisk ladede partikler generere et magnetfelt. Ionerne i et massespektrometer er ingen undtagelse. De producerer et eget magnetfelt, og det er dette magnetfelt, som forskere udnytter i det vigtigste spektrometristrin. Vi kommer til det i næste afsnit.

-

Afbøjning og detektion af ioner

Hvordan Massespektrometri virker: eller

-C-reagerende og accelererende ioner er i det væsentlige forberedende skridt til det ægte arbejde med massespektrometri - masseanalyse. Hovedanalysatorens hovedopgave er at anvende et eksternt magnetfelt til de ioner, der forlader ioniseringskammeret. Dette eksterne felt interagerer med magnetfeltet, der frembringes af de hurtigt bevægelige partikler, hvilket gør hver parts parti til at bøje en smule. Hvor meget en ions kurvekurver afhænger af to faktorer: ionens masse og dens ladning. Lysere ioner og ioner med større ladning afbøjes mere end tungere ioner og ioner med mindre ladning.

Kemister kombinerer disse to variabler i en værdi kaldet masse-til-ladningsforhold, som er repræsenteret matematisk som m / z (eller mig). For eksempel, hvis en ion har en masse på 18 enheder og en ladning på 1+, er dens m / z-værdi 18. Hvis en ion har en masse på 36 enheder og en 2 + ladning, er dens m / z-værdi også 18. De fleste ioner, der bevæger sig fra ioniseringskammeret til massanalysatoren, har mistet en enkelt elektron, så de har en ladning på 1+. Det betyder, at m / z-værdien af ​​de fleste ioner, der passerer gennem et massespektrometer, er det samme som ionens masse.

Nettoresultatet er, at hver ion følger en vej afhængig af dens masse, som vist til højre. Ion strøm A har de letteste partikler og afbøjes mest. Ion strøm C har de tungeste partikler og er mindst afbøjet. Massen af ​​partiklerne i ionstrøm B falder et sted imellem. Bemærk, at kun en af ​​ionstrømmene passerer gennem massanalysatoren og når detektionsenheden bag på enheden. De to andre strømme rammer spektrometerets side og neutraliseres. For at analysere alle ionerne justerer kemikere simpelthen intensiteten af ​​magnetfeltet, indtil hver strøm streger detektoren.

En computer bruges til at analysere data indsamlet på detektoren og vise resultater i en graf kendt som a massespektrum. På de fleste grafer er massen målt i atommasseenheder (amu) - plottet på x-aksen. Relativ intensitet, som måler hvor mange ioner af en given masse der er påvist, er plottet på y-aksen.

-Up næste skal vi vende tilbage til de store ligaer og undersøge, hvordan massespektrometri bruges til at afsløre steroidmisbrug i hjemmebane sluggere.

Videnskaben om en skandale: Real-World Mass Spectrometry

Hvordan Massespektrometri virker: hvordan

-Let kommer tilbage til baseballspillerens urin, som vi diskuterede i introduktionen. I massespektrometri vil urinen blive kaldt en prøve. En gang imellem var massespektrometre kun i stand til at analysere prøver, der eksisterede som gasser, men nutidens modeller kan klare faste stoffer og væsker. Spektrometriste, sædvanligvis analytiske kemikere, indsætter prøven direkte i ioniseringskammeret eller, hvis det er en kompleks blanding, i en anden enhed, der udfører en første passage adskillelse af prøveens komponenter. Kromatografi er den mest almindelige måde at gennemføre denne indledende adskillelse på og kan forekomme som enten gaschromatografi (GC) eller væskekromatografi (LC). Kromatografi adskiller prøven i en række komponenter ved først at opløse stoffet i en gas eller en væske og derefter tvinge den gennem et sekundært materiale. En komponent, der er opløselig i den første fase, vil bevæge sig langsommere end en komponent, der ikke er opløselig i den første fase, men meget opløselig i anden fase. Som et resultat bliver de forskellige komponenter adskilt. Hver enkelt indleder derefter massespektrometeret til analyse.

Urugentestprøvning udføres typisk ved hjælp af gaskromatografi / massespektrometri (GC / MS). Nogle gange bruges mere end et massespektrometer i en kaldet teknik tandem massespektrometri, som i grunden virker at opdele store ioner i mindre ioner for mere detaljeret analyse. Alt dette er påkrævet, fordi urin indeholder et stort antal komponenter, herunder naturligt forekommende steroider. Brug af GC / MS eller GC / MS / MS registrerer flere kemikalier og giver mere pålidelige resultater.

Hvordan bruger kemikere massespektrometri til at teste for ulovlige steroider? For det første analyserer de flere kendte steroider for at producere deres massespektre til sammenligningsformål. De kan også stole på massetabeller, hvis de er tilgængelige som reference. Dernæst analyserer de normal, uforurenet urin. Derefter tester de en spillers urin med enten GC / MS eller GC / MS / MS. Endelig sammenligner de massespektret produceret fra spillerens urin med spektrene af normal urin og kendte steroider. Ved at sammenligne toppene på spektrene, som repræsenterer ioner af forskellige masser, kan kemikere identificere præcis, hvilke stoffer der er til stede i urinen. Typiske resultater kan se dem som vist nedenfor.

Bemærk, at testprøven har toppe, der stemmer overens med steroidstandarden. Toppen repræsenterer ioner indeholdende visse elementer. For eksempel er C2H3 - ionen vil have en anden højde end OH-ionet. På denne måde anvendes massespektre som "fingeraftryk" for at identificere forbindelser. Fremover ser vi, at disse forbindelser ikke behøver at være i en boldspillerens urin. De kunne være i næsten enhver prøve tænkelig.

-

Beyond Baseball: Andre anvendelser af massespektrometri

-Drugtest er blot en anvendelse af massespektrometri. Næsten hver videnskabelig disciplin er afhængig af den analytiske teknik til ren eller anvendt forskning. Overvej disse eksempler:

  • Astronomer bruger massespektrometri til at bestemme de elementer og isotoper, der findes i solvinden. For eksempel viser massespektret for solvinden, at følgende elementer er almindelige: kulstof (12 amu), oxygen (16 amu), neon (20 amu), magnesium (24 amu), silicium (28 amu) og jern (56 amu).
  • Miljøforskere bruger massespektrometri til at detektere toksiner i forurenet fisk. De kan også bruge teknikken til at måle mængden og arten af ​​luftbårne partikler i atmosfæren, data der kan bruges til at overvåge klimaændringer.
  • Biologer bruger massespektrometri til at identificere strukturerne af komplekse biologiske molekyler, såsom kulhydrater, proteiner og nukleinsyrer. For eksempel har virologer brugt et spektrometer for at få en dybere forståelse for, hvordan den humane immunsvigtvirus (HIV) samler sig i en værtscelle.
  • Anæstesiologer bruger massespektrometri under operationen til måling af deres metaboliske gasudveksling. Teknikken gør det muligt for dem at bestemme respiratorisk kvotient, eller mængden af ​​kuldioxid produceret divideret med mængden af ​​ilt, der forbruges, hvilket indikerer, at patientens celler får nok ilt og eliminerer tilstrækkelig carbondioxid til at forblive sund.
  • Geologer bruger massespektrometri til at lokalisere olieaflejringer ved at måle petroleumsprecursorer i sten. Og paleontologer stole på spektrometre til carbon dating, hvilket kræver måling af carbon-12 og carbon-14 isotoper i en prøve for at bestemme prøveens alder.

- Selvfølgelig tiltrækker disse applikationer ikke så mange overskrifter som en sportsstjerne, der tester positivt til steroid brug. Sådanne overskrifter kan blive endnu mere almindelige, da teknikkerne for massespektrometri forbedres. Forskere ved Purdue University og Tsinghua University i Beijing har for nylig udviklet en hurtigere, mere følsom test for anabolske steroider. Testen kombinerer tandem massespektrometri med en ioniseringsteknik kendt som reaktiv desorption elektrospray ionisering. Ved hjælp af disse teknikker kan forskerne identificere syv typer anabolske steroider i en enkelt dråbe urin og gøre det med en hastighed på en prøve pr. Sekund. Måske vil dette endelig sætte en søm i kisten af ​​baseballens Steroid Era.

-


Video Supplement: Præsentation af MSC ApS og af MSCi Aps (dansk version, SD).




Forskning


Sådan Overlever Du Et Jordskælv
Sådan Overlever Du Et Jordskælv

Forsvandt Et Overgivet 'Ghost Ship'?
Forsvandt Et Overgivet 'Ghost Ship'?

Videnskab Nyheder


Klimaændringer Kører Disse Søde Bjergkritikere Ud Af Deres Hjem
Klimaændringer Kører Disse Søde Bjergkritikere Ud Af Deres Hjem

Low-Carb Diets Imperile Mennesker Tilbøjelige Til Hjertesygdom
Low-Carb Diets Imperile Mennesker Tilbøjelige Til Hjertesygdom

Hvad Er Forskellen Mellem Tylenol Og Aspirin?
Hvad Er Forskellen Mellem Tylenol Og Aspirin?

Magt Korrumperer Ikke, Undersøgelse Foreslår
Magt Korrumperer Ikke, Undersøgelse Foreslår

Denne Højsæson, Forbrugernes Krav Om Menneskelig Hævet Mad (Op-Ed)
Denne Højsæson, Forbrugernes Krav Om Menneskelig Hævet Mad (Op-Ed)


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com