Spektrometria mas
rok wydania: 2016
ilość stron: 362
ISBN: 978-83-7464-848-6
format: B5
Opis
Monografia to drugie gruntownie zmienione wydanie książki pt. "Spektrometria mas" (red. Piotr Suder i Jerzy Silberring, Kraków: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2006). Została przygotowana przez Katedrę Biochemii i Neurobiologii WIMiC AGH i stanowi zwarte opracowanie, ze szczególnym uwzględnieniem biologicznych zastosowań tej metody. Autorzy przedstawiają wiedzę w sposób przystępny, bez stosowania skomplikowanych równań matematycznych czy teorii, wychodząc z założenia, że najważniejsze dla użytkowników są aspekty praktyczne oraz dobór właściwych technik do rozwiązywania określonych problemów analitycznych i badawczych.
Spis treści
Przedmowa / 17
1. Wstęp / 19
Jerzy Silberring
2. Krótka historia spektrometrii mas / 23
Marek Smoluch, Jerzy Silberring
3. Podstawowe pojęcia / 27
4. Aparatura / 33
4.1. Metody jonizacji / 33
4.1.1. Jonizacja elektronami / 33
Piotr Suder, Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.1.1. Budowa źródła jonów typu EI / 33
4.1.1.2. Wprowadzanie próbki / 34
4.1.1.3. Derywatyzacja / 35
4.1.1.4. Zasada formowania jonów w źródle typu EI / 35
4.1.1.5. Fragmentacja w źródle jonów typu EI / 36
4.1.1.6. Podstawy interpretacji widm EI / 37
4.1.2. Jonizacja chemiczna / 56
Anna Bodzoń-Kułakowska, Piotr Suder
4.1.2.1. Zasada działania / 56
4.1.2.2. Jony o ładunku ujemnym / 59
4.1.2.3. Jonizacja elektronami a jonizacja chemiczna / 60
4.1.3. Techniki jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym (API) / 61
4.1.3.1. Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI) / 61
Piotr Suder
4.1.3.2. Electrospray (ESI) / 66
Piotr Suder
4.1.3.3. Nanoelectrospray (nanoESI) / 80
Piotr Suder
4.1.3.4. Desorption electrospray ionization (DESI) / 83
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.3.5. Laser ablation electrospray ionization (LAESI) / 88
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.1.4. Techniki oparte na jonizacji plazmą niskotemperaturową / 90
Marek Smoluch
4.1.4.1. Direct Analysis in Real Time (DART) / 92
4.1.4.2. Flowing Atmospheric Pressure Afterglow (FAPA) / 95
4.1.4.3. Dielectric Barrier Discharge Ionization (DBDI) / 98
4.1.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI) / 101
Przemysław Mielczarek, Agnieszka Kraj, Jerzy Silberring
4.1.5.1. Rola matrycy / 103
4.1.5.2. Interpretacja widm uzyskanych za pomocą jonizacji MALDI / 103
4.1.5.3. Jonizacja/desorpcja na porowatym krzemie (DIOS) / 105
4.1.5.4. Jonizacja/desorpcja z wykorzystaniem modyfikowanych powierzchni (SELDI) / 106
4.1.5.5. Jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana nanostrukturami (NALDI) / 107
4.1.6. Jonizacja plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-MS) / 108
Małgorzata Iwona Szynkowska, Aleksandra Pawlaczyk
4.1.6.1. Wprowadzenie / 108
4.1.6.2. Optyczna spektrometria emisyjna / 110
4.1.6.3. Plazma / 110
4.1.6.4. Mechanizm powstawania plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP) / 112
4.1.6.5. Sposoby obserwacji plazmy / 112
4.1.6.6. Wprowadzanie próbki do plazmy / 113
4.1.6.7. Proces nebulizacji próbki / 113
4.1.6.8. Proces wzbudzania plazmą sprzężoną indukcyjnie / 114
4.1.6.9. Pomiar metodą ICP-OES / 115
4.1.6.10. Pomiar metodą ICP-MS / 116
4.1.6.11. Interferencje / 118
4.1.6.12. Granica wykrywalności i precyzja metody / 123
4.1.6.13. Analizatory w spektrometrach ICP-MS / 124
4.1.7. Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (TOF-SIMS / 126
Małgorzata Iwona Szynkowska, Jacek Rogowski
4.1.7.1. Zasada działania metody TOF-SIMS / 127
4.1.7.2. Proces rozpylania powierzchni próbki (ang. sputtering process) / 128
4.1.7.3. Jonizacja (powstawanie jonów wtórnych) / 129
4.1.7.4. Budowa spektrometru TOF-SIMS / 129
4.1.7.5. Możliwości analiz TOF-SIMS / 130
4.1.7.6. Przykłady badań metodą TOF-SIMS, interpretacja wyników / 131
4.2. Analizatory / 142
4.2.1. Analizator czasu przelotu (TOF) / 142
Anna Bodzoń-Kułakowska, Anna Bierczyńska-Krzysik
4.2.1.1. Zasada działania analizatora typu TOF / 143
4.2.1.2. Liniowy tryb pracy analizatora TOF /145
4.2.1.3. Rozrzut energii kinetycznej dla jonów o tej samej masie / 146
4.2.1.4. Opóźniona ekstrakcja jonów / 147
4.2.1.5. Tryb pracy z odbiciem / 149
4.2.1.6. Analizator ortogonalny (ang. analyzer) / 150
4.2.1.7. Podsumowanie / 151
4.2.2. Analizator ruchliwości jonów (IM) / 152
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.2.1. Zasada działania analizatora IM / 152
4.2.2.2. Drift time IMS / 153
4.2.2.3. FAMIS (ang. high-field assymmetric waveform ion mobility spectrometer) / 153
4.2.2.4. TWIG (ang. travelling wave ion guides) / 155
4.2.2.5. Widmo IM / 156
4.2.2.6. Zastosowania / 157
4.2.3. Analizator kwadrupolowy (Q) / 157
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.3.1. Budowa i zasada działania analizatora kwadrupolowego / 157
4.2.3.2. Zachowanie się jonu wewnątrz kwadrupola / 160
4.2.3.3. Zmiany U i V, czyli jak tworzy się widmo / 162
4.2.3.4. Od czego zależą parametry widma? / 162
4.2.3.5. Zastosowania analizatorów kwadrupolowych / 163
4.2.3.6. Kwadrupole, heksapole i oktapole jako elementy ogniskujące (ang. ion guides) / 164
4.2.4. Pułapka jonowa (IT) / 65
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.4.1. Budowa i zasada działania pułapki jonowej / 165
4.2.4.2. Jak jony zachowują się w pułapce? / 166
4.2.4.3. Analiza jonów / 167
4.2.4.4. Tryb selektywnej destabilizacji jonów (ang. mass selective instability mode) / 167
4.2.4.5. Tryb opróżniania pułapki przy częstotliwości rezonansowej (ang. resonant ejection mode) /169
4.2.4.6. Tryb selektywnej destabilizacji jonów z modulacją osiową (ang. axial modulation) / 170
4.2.4.7. Tryb rezonansów nieliniowych (ang. nonlinear resonances) / 171
4.2.4.8. Liniowa pułapka jonowa / 171
4.2.4.9. Zastosowania / 172
4.2.5. Analizator cyklotronowy (ICR) / 173
Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk
4.2.5.1. Częstotliwość cyklotronowa / 174
4.2.5.2. Zasada działania spektrometrów mas ICR / 175
4.2.5.3. Wprowadzanie jonów do komory / 176
4.2.5.4. Płytki pułapkujące / 176
4.2.5.5. Płytki wzbudzające / 176
4.2.5.6. Płytki detekcyjne i transformacja Fouriera / 177
4.2.5.7. Właściwości FT-ICR jako analizatora m/z / 180
4.2.6. Analizator typu Orbitrap / 182
Piotr Stefanowicz, Zbigniew Szewczuk
4.2.6.1. Zasada działania, historia, podstawy fizyczne / 182
4.2.6.2. Budowa i schemat Orbitrapu / 182
4.2.6.3. Ruch ładunków w analizatorze mas / 183
4.2.6.4. Właściwości Orbitrapu jako analizatora m/z / 184
4.2.6.5. Zastosowania proteomiczne i analityczne Orbitrapu / 185
4.2.7. Spektrometry mas z sektorem magnetycznym i elektrostatycznym (B i E) / 186
Anna Bodzoń-Kułakowska
4.2.7.1. Zasada działania analizatora magnetycznego (B) / 187
4.2.7.2. Sektor elektrostatyczny (E) / 189
4.2.7.3. Spektrometry mas z sektorami: elektrostatycznym i magnetycznym / 191
4.3. Detektory jonów / 192
Piotr Suder
4.3.1. Powielacz elektronowy / 193
4.3.2. Detektor mikrokanalikowy / 193
4.3.3. Detektory typu Medipix/Timepix / 194
4.3.4. Detekcja w analizatorach ICR i Orbitrap / 196
5. Metody połączone / 198
5.1. Chromatografia gazowa w połączeniu ze spektrometrią mas (GC-MS) / 198
Anna Drabik, Agnieszka Kraj
5.1.1. Podstawy chromatografii gazowej / 198
5.1.2. Modyfikacje chemiczne (derywatyzacja) / 202
5.1.3. Dwuwymiarowa chromatografia gazowa / 205
5.2. Chromatografia cieczowa w połączeniu ze spektrometrią mas (LC-MS) / 207
5.2.1. Podstawy chromatografii cieczowej / 207
5.2.2. Detekcja w chromatografii cieczowej / 209
5.2.3. Rodzaje kolumn chromatograficznych / 211
5.2.3.1. Chromatografia w układzie odwróconych faz (ang. reversed phase, RP) / 214
5.2.3.2. Chromatografia w normalnym układzie faz (ang.normal phase, NP) / 215
5.2.3.3. Chromatografia jonowymienna (ang. strong cation exchange SCX, weak cation exchange WCX, weak anion exchange WAX i strong anion exchange SAX) / 216
5.2.3.4. Chromatografia par jonowych (ang. ion pair chromatography, IPC) / 217
5.2.3.5. Chromatografia powinowactwa (ang. affinity chromatography, AC) / 218
5.2.3.6. Sączenie molekularne (ang. size exclusion chromatography, SEC) / 219
5.2.3.7. Chromatografia chiralna (ang. chiral chromatography) / 219
5.2.3.8. Kolumny monolityczne (ang. monolithic columns) / 220
5.2.3.9. Chromatografia oddziaływań hydrofilowych (ang. hydrophilic interaction liquid chromatography, HILIC) / 220
5.2.3.10. Ultrawysokosprawna chromatografia cieczowa (ang. ultra high performance liquid chromatography, UHPLC) / 220
5.2.3.11. Wielowymiarowa chromatografia cieczowa (ang. multi-dimensional liquid chromatography, coupled-column chromatography) / 221
5.3. Elektroforeza kapilarna w połączeniu ze spektrometrią mas (CE-MS) / 222
Przemysław Mielczarek, Jerzy Silberring
5.3.1. Podstawy teoretyczne / 222
5.3.2. Rodzaje technik elektroforetycznych / 224
5.3.3. Elektroforeza kapilarna połączona z jonizacją typu electrospray / 225
5.3.3.1. Połączenie z przepływem osłonowym (ang. sheath flow interface) / 225
5.3.3.2. Połączenie bez przepływu cieczy osłonowej (ang.sheathless interface) / 226
5.3.3.3. Połączenie z kontaktem w cieczy (ang. liquid junction interface) / 227
5.3.4. Jonizacja laserowa wspomagana matrycą w połączeniu z elektroforezą kapilarną / 228
5.3.4.1. Off-line CE-MALDI-TOF / 228
5.3.4.2. Direct CE-MALDI-TOF / 229
5.3.4.3. Bezpośrednie połączenie CE-MALDI-TOF (ang. on-line CE-MALDI-TOF) / 230
5.3.5. Podsumowanie / 230
6. Metody obrazowania powierzchni / 232
Anna Bodzoń-Kułakowska
6.1. Techniki analityczne / 234
6.1.1. SIMS / 234
6.1.2. MALDI-IMS / 234
6.1.3. DESI / 236
6.2. Analiza skrawków tkanek za pomocą technik MSI / 236
6.3. Analiza pojedynczych komórek i hodowli komórkowych za pomocą technik MSI / 238
6.4. Przykłady analiz z użyciem technik MSI / 239
6.5. Łączenie różnych technik obrazowania / 241
6.6. Podsumowanie / 242
7. Tandemowa spektrometria mas / 244
Piotr Suder, Marek Noga
7.1. Zasada działania / 244
7.2. Strategie eksperymentów MS/MS / 246
7.2.1. Fragmentacja rozdzielona w przestrzeni / 246
7.2.2. Fragmentacja rozdzielona w czasie / 247
7.2.3. Fragmentacja wielokrotna / 248
7.3. Techniki fragmentacji / 249
7.3.1. Dysocjacja zderzeniowa (CID) / 250
7.3.2. Wysokoenergetyczna dysocjacja zderzeniowa (HCD) / 250
7.3.3. Technika PQD / 251
7.3.4. Rozpad z wychwytem elektronu (ECD) / 252
7.3.5. Rozpad z przeniesieniem elektronu (ETD) / 252
7.3.6. Rozpad z oderwaniem elektronu (EDD) / 254
7.3.7. Rozpad anionów z przeniesieniem elektronu (NETD) / 254
7.3.8. Fotodysocjacja wywołana promieniowaniem podczerwonym (IRMPD) / 255
7.3.9. Fotodysocjacja wywołana energią termiczną (BIRD) / 255
7.3.10. Rozpad jonów metastabilnych / 255
7.3.11. Dysocjacja indukowana kolizją z powierzchnią (SID) / 256
7.3.12. Rozpad indukowany odległym ładunkiem / 256
7.3.13. Fragmentacja wspomagana chemicznie (CAF) / 257
7.3.14. Reakcja przeniesienia protonu (PTR) jako technika towarzysząca fragmentacji ETD / 257
7.4. Praktyczne aspekty fragmentacji w typowych spektrometrach masowych / 258
7.4.1. Fragmentacja w źródle jonów / 258
7.4.2. Fragmentacja w potrójnym kwadrupolu / 259
7.4.3. Pułapki jonów / 262
7.4.4. Analizatory czasu przelotu / 264
7.4.5. Połączone analizatory czasu przelotu (tzw. TOF-TOF) / 265
7.4.6. Instrumenty hybrydowe / 266
7.4.7. Instrumenty z analizatorem typu Orbitrap / 267
7.5. Zastosowania w naukach biologicznych / 267
7.6. Fragmentacja typu SWATH / 270
8. Wysokorozdzielcza spektrometria mas / 273
Zbigniew Szewczuk, Piotr Stefanowicz
8.1. Zastosowani / 274
9. Analiza wielowymiarowego zbioru danych uzyskanego na podstawie widm masowych / 281
Aleksandra Pawlaczyk, Paulina Chęsy, Małgorzata Iwona Szynkowska, Andrzej Parczewski
9.1. Metody chemometryczne pomocne przy wizualizacji podobieństwa między próbkami / 281
9.2. Zastosowanie wybranych metod chemometrycznych na przykładzie analizy porównawczej aerozoli do nosa pochodzących od różnych producentów / 283
9.2.1 Opis badanych próbek / 283
9.2.2. Metodyka badań / 284
9.2.3. Interpretacja uzyskanych wyników / 284
9.2.4. Wnioski i podsumowanie / 288
10. Przykłady zastosowań spektrometrii mas / 291
10.1. Proteomika / 291
Anna Drabik, Tomasz Dyląg, Joanna Ner-Kluza
10.1.1. Strategia top-down / 292
10.1.2. Strategia bottom-up / 293
10.1.3. Strategia shotgun / 293
10.1.4. Podstawy sekwencjonowania peptydów / 293
10.1.5. Sekwencjonowanie de novo / 295
10.1.6. Analiza ilościowa w proteomice / 296
10.1.6.1. Odczynniki iTRAQ / 297
10.1.6.2. ICAT / 299
10.1.6.3. SILAC / 301
10.1.6.4. SILAM / 303
10.1.6.5. MCAT / 303
10.1.6.6. Techniki label-free / 304
10.2. Spektrometria mas jako narzędzie stosowane w kryminalistyce i w przeciwdziałaniu terroryzmowi / 305
Anna Drabik, Piotr Suder
10.3. Ochrona środowiska / 312
Piotr Suder
10.4. Metabolomika / 317
Grzegorz Schroeder, Piotr Młynarz, Michał Ciborowski
10.4.1. Biomarkery chorób / 318
10.4.2. Metabolom mikroorganizmów / 322
10.4.3. Żywnościomika / 323
10.5. Badania kosmosu / 325
Anna Drabik, Piotr Suder
10.5.1. Badania eksploracyjne / 325
10.5.2. Monitoring warunków życia / 327
10.6. Datowanie izotopowe / 328
Anna Drabik, Piotr Suder
10.7. Miniaturyzacja w spektrometrii mas / 330
Marek Smoluch
11. Internetowe bazy danych / 334
11.1. Literaturowe bazy danych / 334
11.2. Czasopisma naukowe / 335
11.3. Bioinformatyczne bazy danych / 336
11.3.1. Białkowe bazy danych / 336
11.3.2. Bazy struktur i funkcji białek / 337
11.3.3. Inne bazy danych / 337
11.3.4. Narzędzia bioinformatyczne / 337
12. Dodatki / 339
12.1. Jednostki ciśnienia / 339
12.2. Najczęściej występujące fragmenty w jonizacji elektronami (EI) / 339
12.3. Produkty autolizy trypsyny / 343
12.4. Enzymy stosowane w analizie białek / 344
12.5. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasowych występujących w białkach / 345
12.6. Masy cząsteczkowe i struktury reszt aminokwasów niebiałkowych / 347
12.7. Masy wybranych monosacharydów i ich pochodnych / 349
12.8. Analiza próbki zanieczyszczonej keratynami / 350
Wykaz skrótów / 353
Indeks rzeczowy / 357
Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie