Масс-спектрометрия аэрозолей - Википедия - Aerosol mass spectrometry

Анализ частиц NOAA с помощью прибора лазерной масс-спектрометрии на борту высотного исследовательского самолета NASA WB-57.

Аэрозольная масс-спектрометрия это применение масс-спектрометрии к анализу состава аэрозоль частицы.[1] Аэрозольные частицы определяются как твердые и жидкие частицы, взвешенные в газе (воздухе), с диапазоном размеров от 3 нм до 100 мкм в диаметре.[2] и производятся из естественных и антропогенных источников с помощью множества различных процессов, включая взвешенное ветром и сжигание ископаемого топлива и биомассы. Анализ этих частиц важен из-за их серьезного воздействия на глобальное изменение климата, видимость, региональное загрязнение воздуха и здоровье человека.[2][3] Аэрозоли имеют очень сложную структуру, могут содержать тысячи различных химических соединений в одной частице, и их необходимо анализировать как по размеру, так и по химическому составу в режиме реального времени или автономно.

Автономная масс-спектрометрия выполняется на собранных частицах.[2] в то время как он-лайн масс-спектрометрия выполняется для частиц, вводимых в режиме реального времени.[4]

История

В литературе Древнего Рима есть жалобы на грязный воздух, в то время как в 1273 году жители Лондона обсуждали запрет сжигания угля для улучшения качества воздуха. Однако измерение и анализ аэрозолей стали применяться только во второй половине XIX века.[5]

В 1847 г. Анри Беккерель представил первую концепцию частиц в воздухе в своем эксперименте с ядрами конденсации, и его идеи были подтверждены в более поздних экспериментах Кулиера в 1875 году. Эти идеи были расширены между 1880-1890 годами метеорологом. Джон Эйткен который продемонстрировал фундаментальную роль пылевых частиц в образовании облаков и туманов. Метод Эйткена для анализа аэрозолей состоял из подсчета и определения размера частиц, установленных на предметном стекле, с помощью микроскопа. Состав частиц определялся их показатель преломления.[5]

В 1920-х годах измерения аэрозолей с использованием простого микроскопического метода Эйткена стали более обычным явлением, поскольку медицинские организации начали признавать негативное воздействие промышленных аэрозолей и пыли на здоровье. Технологические и инструментальные достижения, включая улучшенные фильтры, привели к усовершенствованию методов измерения аэрозолей в 1960-х годах. Внедрение поликарбонатных фильтров, называемых нуклеопоровые фильтры, улучшили сбор, хранение и транспортировку образцов без нарушения физического и химического состояния частиц.[5]

На разработку и совершенствование методов измерения аэрозолей в режиме онлайн ушло немного больше времени, чем в автономных. Только в 1973 году Дэвис разработал и запатентовал прибор для масс-спектрометрии одиночных частиц в реальном времени (RTSPMS). Установка очень похожа на сегодняшнюю систему AMS, где образец вводится через небольшой стальной капилляр в область источника ионов. Образец будет ионизироваться после удара по горячей рениевой нити. Образовавшиеся ионы разделялись в магнитном секторе и регистрировались электронным умножителем. Метод мог ионизировать только элементы с потенциалом ионизации ниже работы выхода нити накала (~ 8 эВ), обычно щелочные и щелочноземельные металлы. Инструмент действительно давал единичное разрешение до отношения массы к заряду 115. Инструмент RTSPMS имел эффективность пропускания / обнаружения частиц 0,2-0,3%.[6] Дэвис использовал прибор RTSPMS для исследования образцов калибровочных аэрозолей, окружающего лабораторного воздуха и источников аэрозолей. Большинство его исследований было сосредоточено на неорганических солях, созданных в лаборатории. Анализируя окружающий воздух, Дэвис обнаружил значительное увеличение содержания свинца в конце дня, что, как было установлено, связано с выбросами автомобилей.[2][3][5][6] Эта разработка была первым шагом к современным онлайн-инструментам.

Следующим крупным достижением в технологическом усовершенствовании, которое произошло в 1970-х годах, было в 1976 году Стоффелем, разработавшим метод RTSPMS с магнитным сектором, который имел масс-спектрометрию с прямым входом (DIMS), также известную как масс-спектрометрия с входом частиц (PIMS).[6] Прибор PIMS был первым, у которого было прямое впускное отверстие с дифференциальной накачкой, состоящее из капилляра из нержавеющей стали, за которым следовали скиммер и конический коллиматор, который фокусирует образец в пучок частиц, который попадает в область ионизации. Этот тип впускной системы - это то, что сегодня используют современные интерактивные масс-спектрометры. В 1982 году Синха и Фредландер разработали анализ частиц с помощью масс-спектрометрии (PAMS), этот метод был первым, который включил оптическое обнаружение частиц с последующей лазерной десорбцией / ионизацией (LDI) в методе RTSPMS. До этого момента все методы RTSPMS использовали поверхностную десорбцию / ионизацию (SDI), которая состояла из нагретого металла, который ионизировал образцы.[6] Метод LDI включает в себя воздействие на образец непрерывной волны, при которой частица поглощает фотоны и подвергается десорбции и ионизации одним и тем же импульсом. LDI имеет несколько преимуществ перед SDI для онлайн-масс-спектрометрии одиночных частиц, так как с момента своего создания он был основным методом ионизации для RTSPMS.[6]Последний крупный шаг в развитии RTSPMS был сделан в 1994 г. Кимберли А. Пратер. Пратер разработал аэрозольную времяпролетную масс-спектрометрию (ATOFMS), этот метод был первым, который позволил одновременно измерять размер и состав отдельных частиц в воздухе. Этот метод отличался от предыдущих в том, что вместо использования ненадежного метода использования интенсивности светорассеивающего сигнала для измерения размера частиц в этом методе используется система с двумя лазерами, которая позволяет определять аэродинамические размеры.[6]

Не в сети

Схема каскадный ударник

Автономный метод является более старым, чем он-лайн, и включает химический анализ проб аэрозолей, собранных традиционно на фильтрах или с помощью каскадных импакторов (показаны справа) в полевых условиях и проанализированных обратно в лаборатории. Каскадные ударные элементы собирают частицы, когда они проходят через ряд ударных пластин, и разделяют их в зависимости от размера. Образцы аэрозоля анализируются путем сочетания методов предварительного разделения с масс-спектрометрией. Преимущество этого метода по сравнению с отбором проб в режиме онлайн заключается в большей молекулярной и структурной специализации. Большее молекулярное и структурное видообразование связано с предварительным разделением.[6] Существует много различных типов приборов, используемых для анализа из-за различных типов и комбинаций методов ионизации, разделения и массового обнаружения. Ни одна комбинация не является лучшей для всех образцов, и поэтому в зависимости от необходимости анализа используются разные приборы.

Наиболее часто используемый метод ионизации для автономного прибора - это электронная ионизация (EI), который представляет собой метод жесткой ионизации, при котором для ионизации образца используется 70 эВ, что вызывает значительную фрагментацию, которую можно использовать при поиске в библиотеке для идентификации соединений. Метод разделения, с которым обычно сочетается EI, - это газовая хроматография (ГХ), где в ГХ частицы разделяются по их температурам кипения и полярности с последующей экстракцией растворителем образцов, собранных на фильтрах.[2] Альтернативой экстракции твердых частиц на фильтрах на основе растворителя является использование термической экстракции (TE) -GC / MS, в которой используется печь, соединенная с входом ГХ, для испарения аналита пробы во входное отверстие ГХ. Этот метод чаще используется, чем экстракция на основе растворителя, поскольку он более чувствителен, устраняет необходимость в растворителях и может быть полностью автоматизирован.[7] Чтобы увеличить разделение частиц, GC может быть объединен с времяпролетным (TOF) -MS, которое представляет собой метод разделения масс, который разделяет ионы в зависимости от их размера. Другой метод, который использует EI, - это масс-спектрометрия изотопного отношения (IR-MS). Этот прибор включает в себя анализатор магнитного сектора и детекторную матрицу с фарадеевским коллектором и разделяет ионы на основе их изотопного состава. Изотопное содержание углерода, водорода, азота и изотопное содержание кислорода становятся локально обогащенными или истощенными в результате различных атмосферных процессов.[6] Эта информация помогает определить источник аэрозолей и их взаимодействие.

ЭУ - универсальный метод ионизации, но он вызывает чрезмерную фрагментацию, поэтому его можно заменить химическая ионизация (CI), который является гораздо более мягким методом ионизации и часто используется для определения молекулярного иона. Одним из методов ионизации, в котором используется ХИ, является химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI). В APCI ионизация происходит при атмосферном давлении с ионами, образующимися в результате коронного разряда на спреях растворителя, и она часто сочетается с высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), который обеспечивает качественное определение полярных и ионных соединений в собранных атмосферных аэрозолях.[6] Использование APCI позволяет отбирать образцы фильтров без необходимости использования растворителей для экстракции. APCI обычно подключается к счетверенному масс-спектрометру.

Для автономного масс-спектрометра часто используются другие методы ионизации. индуктивно связанная плазма (ПМС). ICP обычно используется в элементном анализе следов металлов и может использоваться для определения источника частиц и их воздействия на здоровье.[4][8]

Существует также ряд методов мягкой ионизации, доступных для более детальной оценки молекулярного состава аэрозольных частиц, таких как ионизация электрораспылением, что приводит к меньшей фрагментации соединений в аэрозоле. Эти методы полезны только в сочетании с масс-спектрометром высокого или сверхвысокого разрешения, таким как FTICR-MS или Орбитальная ловушка, так как требуется очень высокое разрешение, чтобы различать большое количество присутствующих соединений.

В сети

Интерактивная масс-спектрометрия была разработана для решения некоторых ограничений и проблем, возникающих при автономном анализе, таких как испарение и химические реакции частиц в фильтрах в течение длительного времени анализа. Интерактивная масс-спектрометрия решает эти проблемы за счет сбора и анализа аэрозольных частиц в реальном времени. Онлайн-инструменты очень портативны и позволяют исследовать пространственную изменчивость.[9] Эти портативные инструменты можно разместить на многих различных платформах, таких как лодки, самолеты и мобильные платформы (например, автомобильные прицепы). Пример этого показан на рисунке в начале с приборами, прикрепленными к самолету. Как и в автономном режиме, в масс-спектрометрии в режиме онлайн используется множество различных типов инструментов, которые можно разделить на два типа; приборы, которые измеряют химический состав ансамбля частиц (измерение объема), и приборы, которые измеряют химический состав отдельных частиц (измерение отдельных частиц). Таким образом, исходя из аналитических потребностей, для анализа аэрозольных частиц используются различные приборы.

Массовое измерение

Вообще говоря, приборы для измерения объема термически испаряют частицы перед ионизацией, и существует несколько различных способов проведения испарения и ионизации. Основным прибором, который используется для массовых измерений, является аэрозольный масс-спектрометр Aerodyne (AMS).

Аэрозольный масс-спектрометр

Схема аэрозольного масс-спектрометра Aerodyne (AMS)

Aerodyne AMS обеспечивает масс-спектрометрический анализ аэрозолей в режиме реального времени для определения массовой концентрации неогнеупорных компонентов (например, органических веществ, сульфатов, нитратов и аммония) с определенным размером.[10] Термин неогнеупорный относится к видам, которые быстро испаряются при 600 ° C в условиях вакуума (например, органические вещества, NH4НЕТ3 и (NH4)2ТАК4.[11] Схема типичного AMS показана на рисунке справа. Aerodyne AMS состоит из трех секций; Входное отверстие для аэрозоля, камера для определения размера частиц и камера для обнаружения частиц. Входное отверстие для аэрозоля имеет входное отверстие, ограничивающее поток, диаметром около 100 мкм. Попадая в камеру, образец проходит через систему аэродинамических фокусирующих линз, которая состоит из нескольких линз с отверстиями, которые устанавливаются в порядке уменьшения внутреннего диаметра.[12] Линза фокусирует частицы в узкий пучок частиц.

Теперь луч проходит через камеру для определения размера частиц, где измеряется аэродинамический диаметр частиц. Камера определения размера частиц состоит из пролетной трубы, поддерживаемой при (~ 10−5 торр). Вход в полетную трубу представляет собой механический прерыватель, который используется для модуляции пучка частиц; затем, используя фиксированную длину трубки и детектирование прибытия на конец с временным разрешением, можно определить скорости частиц. Используя скорость, получают диаметр частицы.[12] Когда пучок частиц выходит из пролетной трубы, он попадает в камеру определения состава частиц. В этом сечении частицы сталкиваются с нагретым вольфрамовым элементом (~ 600 ° C). В этом вольфрамовом элементе неогнеупорные компоненты пучка частиц мгновенно испаряются, а затем ионизируются ЭУ. После ионизации образец можно анализировать с помощью четырехкратного (Q), времяпролетного (ToF) или высокоразрешающего (HR) -ToF масс-анализатора.[3][9][11][12]

Одночастичные измерения

Вообще говоря, приборы для измерения одиночных частиц десорбируют частицы по одной с помощью импульсного лазера. Этот процесс называется лазерной десорбцией / ионизацией (LDI) и является основным методом ионизации, используемым для одночастичных измерений. Основным преимуществом использования LDI перед термодесорбцией является возможность анализировать как неогнеупорные, так и тугоплавкие (например, минеральная пыль, сажа) компоненты атмосферных аэрозолей. Лазерное испарение обеспечивает точное срабатывание лазера, когда отдельные частицы пролетают через зону испарения, и поэтому системы называют масс-спектрометрами одиночных частиц (SPMS). Сообщалось о нескольких версиях SPMS, включая аэрозольный времяпролетный масс-спектрометр (AToFMS), лазерный масс-анализатор частиц в воздушном состоянии (LAMPAS), анализ частиц с помощью лазерного масс-спектрометра (PALMS), быстрый однократный анализ. масс-спектрометр частиц (RSMS), масс-спектрометр биоаэрозолей (BAMS) b194 Steele et al., 2003), масс-спектрометр наноаэрозолей (NAMS), времяпролетный масс-спектрометр одночастичной лазерной абляции (SPLAT), одиночный масс-спектрометр аэрозольных частиц (SPAMS) и времяпролетный масс-спектрометр аэрозольных частиц с лазерной абляцией (LAAP-ToF-MS).[13] Среди наиболее распространенных из этих приборов - времяпролетный масс-спектрометр аэрозолей (AToFMS).

Времяпролетный масс-спектрометр аэрозоля

Схема аэрозольного времяпролетного масс-спектрометра (ATOFMS)

AToFMS позволяет определять состояние перемешивания или распределение химических веществ в отдельных частицах. Эти состояния перемешивания важны для определения воздействия аэрозолей на климат и здоровье человека. Схема типичного AToFMS показана справа. Общая структура инструментов ATOF: отбор проб, калибровка и область масс-анализатора. Впускная система аналогична AMS за счет использования той же аэродинамической фокусирующей линзы, но имеет меньшие отверстия из-за анализа отдельных частиц. В области калибровки частица проходит через первый твердотельный лазер непрерывного действия, который генерирует начальный импульс рассеянного света. Затем частица проходит через второй лазер, ортогональный первому, и производит импульс рассеянного света. Свет обнаруживается фотоумножитель (PMT), согласованный с каждым лазером. Используя время прохождения между двумя зарегистрированными импульсами и фиксированное расстояние, вычисляют скорость и размер каждой частицы. Затем частицы проходят через область масс-анализатора, где ионизируются импульсным лазером LDI, который синхронизируется с частицей, когда она достигает центра области извлечения ионов. После ионизации положительные ионы ускоряются в направлении положительной части ToF, а отрицательные ионы ускоряются в направлении отрицательной части ToF, где они обнаруживаются.[4]

Приложения

Область науки и измерений аэрозолей, особенно масс-спектрометрии аэрозолей, сильно выросла за последние пару десятилетий. Его рост отчасти объясняется универсальностью инструментов, он имеет возможность анализировать размер частиц и химический состав, а также выполнять измерения в объеме и отдельных частицах. Универсальность аэрозольных масс-спектрометров позволяет использовать их для множества различных приложений как в лаборатории, так и в полевых условиях. На протяжении многих лет масс-спектрометры аэрозолей использовались для чего угодно, от определения источников выбросов, воздействия на человека загрязняющих веществ, переноса излучения и микрофизики облаков. В большинстве этих исследований использовалась мобильность AMS, и они проводились в городских, удаленных, сельских, морских и лесных средах по всему миру. AMS также были развернуты на мобильных платформах, таких как корабли, мобильные лаборатории и самолеты.[3]

Одно недавнее исследование выбросов в 2014 году было проведено двумя исследовательскими самолетами НАСА: DC-8 и P-3B, которые были оснащены аэрозольными приборами (AMS). Самолеты были отправлены для проведения анализа атмосферных проб на объектах добычи и модернизации нефтеносных песков около Ft. Макмеррей, Альберта, Канада. Целью исследования было проверить выбросы от объектов и определить, соответствуют ли они требованиям. Результаты исследования показали, что по сравнению с оценками ежегодных выбросов лесных пожаров в Канаде, нефтеносные пески являются второстепенным источником количества аэрозолей, аэрозольной массы, твердых органических веществ и черного углерода.[14]

Масс-спектрометрия аэрозолей также нашла свое применение в области анализа фармацевтических аэрозолей благодаря своей способности обеспечивать измерения размера частиц и химического состава в реальном времени. Люди, страдающие хроническими респираторными заболеваниями, обычно получают свои лекарства с помощью дозированного ингалятора под давлением (pMDI) или ингалятора сухого порошка (DPI). В обоих методах лекарство доставляется непосредственно в легкие путем ингаляции. В последние годы стали доступны ингаляционные продукты, которые доставляют два типа лекарств в одной дозе. Исследования показали, что два ингалятора для лекарств обеспечивают улучшенный клинический эффект по сравнению с тем, который достигается при одновременном введении двух препаратов из двух отдельных ингаляторов. С помощью AToFMS было определено, что пригодные для вдыхания частицы в продукте DPI и продукте pMDI состояли из совместно связанных активных фармацевтических ингредиентов, что является причиной усиленного действия двух ингаляторов лекарственных средств.[3][15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нэш, Дэвид Дж .; Баер, Томас; Джонстон, Мюррей В. (2006). «Аэрозольная масс-спектрометрия: вводный обзор». Международный журнал масс-спектрометрии. 258 (1–3): 2–12. Bibcode:2006IJMSp.258 .... 2N. Дои:10.1016 / j.ijms.2006.09.017. ISSN  1387-3806.
  2. ^ а б c d е Pratt, Kerri A .; Пратер, Кимберли А. (2012). «Масс-спектрометрия атмосферных аэрозолей - Последние разработки и приложения. Часть I: Автономные методы масс-спектрометрии». Обзоры масс-спектрометрии. 31 (1): 1–16. Bibcode:2012MSRv ... 31 .... 1P. Дои:10.1002 / mas.20322. ISSN  0277-7037. PMID  21442634.
  3. ^ а б c d е Канагартна, М.Р .; Джейн, Дж. (2007). «Химические и микрофизические характеристики атмосферных аэрозолей с помощью аэрозольного масс-спектрометра Aerodyne». Обзоры масс-спектрометрии. 26 (2): 185–222. Bibcode:2007MSRv ... 26..185C. Дои:10.1002 / mas.20115. ISSN  0277-7037. PMID  17230437.
  4. ^ а б c Pratt, Kerri A .; Пратер, Кимберли А. (2012). «Масс-спектрометрия атмосферных аэрозолей - Последние разработки и приложения. Часть II: Методы масс-спектрометрии в режиме онлайн». Обзоры масс-спектрометрии. 31 (1): 17–48. Bibcode:2012MSRv ... 31 ... 17P. Дои:10.1002 / mas.20330. ISSN  0277-7037. PMID  21449003.
  5. ^ а б c d Спурный, Кветослав (1999). Аналитическая химия аэрозолей. Лондон: Lewis Publishers. С. 3–19. ISBN  9781566700405.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я Благородный, Кристрофер (2000). «Масс-спектрометрия отдельных частиц в реальном времени: исторический обзор химического анализа аэрозолей за четверть века». Обзоры масс-спектрометрии. 19 (4): 248–274. Bibcode:2000MSRv ... 19..248N. Дои:10.1002 / 1098-2787 (200007) 19: 4 <248 :: AID-MAS3> 3.0.CO; 2-I. PMID  10986694.
  7. ^ Хейс, Майкл Д .; Лаврих, Ричард Дж. (2007). «Разработки в области прямой термоэкстракционной газовой хроматографии-масс-спектрометрии тонкодисперсных аэрозолей». Тенденции TrAC в аналитической химии. 26 (2): 88–102. Дои:10.1016 / j.trac.2006.08.007.
  8. ^ Suess, Дэвид Т .; Пратер, Кимберли А. (1999). «Масс-спектрометрия аэрозолей». Химические обзоры. 10 (99): 3007–3036. Дои:10.1021 / cr980138o. ISSN  0009-2665. PMID  11749509.
  9. ^ а б Pratt, Kerri A .; Пратер, Кимберли А. (2012). «Масс-спектрометрия атмосферных аэрозолей - Последние разработки и приложения. Часть II: Методы масс-спектрометрии в режиме онлайн». Обзоры масс-спектрометрии. 31 (1): 17–48. Bibcode:2012MSRv ... 31 ... 17P. Дои:10.1002 / mas.20330. ISSN  0277-7037. PMID  21449003.
  10. ^ Ласкин, Александр; Ласкин Юлия; Низкородов, Сергей А. (2012). «Масс-спектрометрические подходы к химическим характеристикам атмосферных аэрозолей: критический обзор последних достижений». Экологическая химия. 9 (163): 163. Дои:10.1071 / EN12052.
  11. ^ а б Heringa, M. F .; ДеКарло, Питер Ф .; Chirico, R .; и другие. (2011). «Исследования первичных и вторичных твердых частиц в различных дровяных устройствах для сжигания с помощью времяпролетного масс-спектрометра аэрозолей высокого разрешения». Атмосферная химия и физика. 11 (12): 5945–5957. Bibcode:2011ACP .... 11.5945H. Дои:10.5194 / acp-11-5945-2011.
  12. ^ а б c Джейн, Джон Т .; Leard, Danna C .; Чжан, Сюэфэн (2000). «Разработка аэрозольного масс-спектрометра для анализа размеров и состава субмикронных частиц». Аэрозольная наука и технологии. 33 (1–2): 49–70. Bibcode:2000AerST..33 ... 49J. Дои:10.1080/027868200410840. ISSN  0278-6826.
  13. ^ Ли, Юн Цзе; Солнце, Еле; Чжан, Ци; Ли, Сюэ; Ли, Мэй; Чжоу, Чжэнь; Чан, Чак К. (июнь 2017 г.). «Химическая характеристика атмосферных твердых частиц в Китае в реальном времени: обзор». Атмосферная среда. 158: 270–304. Bibcode:2017AtmEn.158..270L. Дои:10.1016 / j.atmosenv.2017.02.027.
  14. ^ Хауэлл, С. (2014). "Оценка выбросов твердых частиц в атмосферу при переработке нефтеносных песков Атабаски". Атмосферная химия и физика. 14 (10): 5073–5087. Bibcode:2014ACP .... 14.5073H. Дои:10.5194 / acp-14-5073-2014.
  15. ^ Новый, Энтони; Prime, Дэйв; Зомер, Симеоне (2008). «Обнаружение и оценка совместной ассоциации в частицах вдыхаемого лекарственного средства с использованием аэрозольной времяпролетной масс-спектрометрии». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. 22 (23): 3873–3882. Bibcode:2008RCMS ... 22.3873N. Дои:10.1002 / RCM.3774. PMID  19003851.

дальнейшее чтение

  • Хартонен, Кари; Лайтинен, Тотти; Риеккола, Марья-Лийса (2011). «Современные приборы для масс-спектрометрии аэрозолей». Тенденции TrAC в аналитической химии. 30 (9): 1486–1496. Дои:10.1016 / j.trac.2011.06.007. ISSN  0165-9936.

внешняя ссылка