УСКОРИТЕЛЬНАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ: принципы

УСКОРИТЕЛЬНАЯ
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ:
принципы, состояние, применения
С.А. Растигеев
ИЯФ СО РАН
Ускорительная
масс-спектрометрия.
Ускорительная масс-спектрометрия (УМС или AMS ) –
современный, сверхчувствительный метод изотопного анализа
вещества.
Метод основан на «извлечении» из исследуемого образца
отдельных атомов, с последующим поштучным подсчетом
интересующих атомов.
Содержание регистрируемого, редкого изотопа в образце может
находится на уровне 10-12-10-15 относительно основного изотопа.
Для УМС-анализа необходимо всего 0.001 грамм вещества.
10-15 соответствует отношению массы одного
зерна пшеницы к весу всего урожая пшеницы
собираемому в России за год.
(урожайность пшеницы в России примерно равна 50
миллионов тонн в год. Вес зерна пшеницы пример
равен 0,05 грамм)
Только метод
ускорительной массспектрометрии
предоставляет
возможность посчитать
нужные атомы при
концентрациях 10-10 и
менее.
Методика УМС применяется к
изотопам, а не к основным
химическим элементам, поскольку
естественная концентрация основных
элементов достаточно высока и
существуют другие методы анализа
на таких уровнях содержания.
Даже содержание
золота в земной коре
5*10-7
В мире примерно 100 комплексов УМС
Большинство существующих в мире УМС комплексов
изготовлено двумя крупнейшими производителями
электростатической техники NEC и HVEE
Наибольшую известность в широких кругах общественности
ускорительная масс-спектрометрия
получила в связи с определением возраста Туринской плащаницы.
В трех УМС центрах произведено
датирование возраста плащаницы :
XIII-XIV век н.э.
(по трем кусочкам одной нитки)
Возраст плащаницы
2000 лет или 800 лет ?
Принципы работы
ускорительного масс-спектрометра
( на примере УМС ИЯФ)
Принцип работы УМС-анализатора ИЯФ
•
•
•
•
•
Выбивание ионов из образца
Отклонение основных изотопов
из ионного пучка
Ускорение ионного пучка
Очищение ионного пучка от изобар
Поштучный подсчет редкого изотопа
Атомные и молекулярные изобары радиоуглерода
14N
m/dm=84000
•
13CH, 12CH2
m/dm ~1000
•
(На каждый ион радиоуглерода приходится более 108
молекулярных изобар)
УМС ИЯФ обеспечивает надежное выделение чистого пучка
ионов радиоуглерода из сопутствующего ионного фона.
Характерные особенности УМС ИЯФ
• Сортировка ионов по энергии сразу после
разрушения молекулярных ионов 
эффективное отсеивание осколков
молекул, т.к. энергия кусков молекулы
всегда меньше энергии молекулы (в этот
момент).
• Мишень на парах магния для разрушения
молекул  локализованное место
развала молекул
• 2D времяпролетный детектор с
регистрацией момента прилета иона
надежная идентификация ионов
На УМС ИЯФ производится эффективное
отсеивание ионного фона азота ( та же масса, что
и у радиоуглерода) и другие изобарные ионы
Улучшение селекционных способностей в УМС ИЯФ достигается
за счет идей, без увеличения стоимости комплекса.
1. Селекция в высоковольтном терминале.
Тандемные ускорители с поворотом пучка в терминале всегда
позиционировались как более дешевые в сравнении с
прямолинейными.
2. Мишень на порах магния несоизмеримо дешевле газовых,
оснащенных высокопроизводительными насосами для
уменьшения выхода газа из мишени.
3. Регистрация момента прилета иона незначительно увеличивает
стоимость электроники времяпролетного телескопа.
Распылительный ионный источник
Ионный источник.
Распыление образца пучком цезия и
формирование пучка отрицательных
ионов ( моделирование на пр. SAM).
Фотография образца после распыления.
Диаметр распыляемой области
образца ≈400мкм.
В комплексе УМС ИЯФ в качестве перезарядной мишени
используется мишень
на парах магния
Магниевая мишень не ухудшает вакуум
за пределами нагреваемого объема.
Ухудшение вакуумных условий, особенно в
ускорительных трубках, вызывает увеличение
количества прошедших фоновых частиц.
Потребляемая мощность ≈50 Вт.
Последняя модификации магниевой мишени
отработала 2 года без обслуживания.
Диаметр перезарядного
канала магниевой мишени
всего 6 мм.
За годы эксплуатации УМС не отмечено ухудшения
электропрочности изоляторов .
Электропроводность напыления магнием уменьшается при взаимодействии с
остаточным газом.
Малый размер области распыления образца ( малый эмиттанс пучка) и
улучшение оптики ( режим жесткого входа в ускорительную трубку)
позволили достичь практически 100% коэффициент прохождения пучка
через тракт УМС (≈ 15% ионов перезаряжается в 3+).
Экспериментальная зависимость тока
пучка на выходе УМС от поперечного
положения магниевой мишени и
аппроксимация параболическим пучком с
диаметром основания 5 мм.
Размер пучка вдоль тракта УМС
Молекулярный фон подавляется
в УМС-анализаторе
при прохождении ионов через мишень на парах магния
Разрушение ионного пучка с зарядом 2+ :
При взаимодействии молекулярного ионного пучка с веществом происходит
разрушение молекул, Если заряд ионов 3+ и больше, то молекулы
разрушаются полностью, Если заряд меньше 3+ - частично.
14M2+
Времяпролетный телескоп
Регистрация времени попадания иона во
времяпролетный телескоп позволяет устранять
фон связанный с высоковольтными пробоями
Легкие химические элементы из графита
Для прохождения разных масс производится
перестройка фильтров УМС
Разделение радиоуглерода и азота за счет
разных ионизационных потерь при
прохождении 3 мкм пленки из Майлара.
Возможно разделение изобар ( если
необходимо, в рутинном режиме не
используется)
Дополнительные (статистически независимые)
14С к совпадению TOF12 из совпадения TOF13
Углеродная нить
Графит МПГ
Добавка к счету 14С всего
~ 1%, поскольку
эффективность 2 детектора
близка к 100%
Ионный фон
Поворот ионов
в электрическом поле
Поворот ионов
в магнитном поле
E/q
M/q
ME/q2
Часть ионов может изменить направление движения за счет рассеяния на остаточном газе.
Ионы другой энергии движутся в магнитном поле по другим траекториям.
Процессы захвата и отрыва электрона при взаимодействии ионов с остаточным
газом в электрическом поле приводят к сильному изменению энергии ионов.
Ионный фон формируется не только за счет взаимодействия
ионов с остаточным газом, но и за счет взаимодействия со
стенками вакуумного оборудования.
Отражение 25 кэВ ионов
углерода при взаимодействии с
нерж. сталью под углом 0.10 и 50.
Прохождение ионов через дипольный магнит.
Отраженные ионы 12С формируют ионный фон
за счет взаимодействия со стенкой вакуумной
камеры.
Ионы столкнувшиеся с
вакуумной камерой могут как
вернутся в систему , так и
выбить атомы других
химических элементов.
На УМС ИЯФ выделяется чистый
пучок радиоуглерода.
Разделение соседних изотопов высокой
интенсивности.
10-17
(14C/12C)
Масс-спектр на выходе УМС.
Ток углерода вытягиваемый с образца сильно зависит от качества
пробоподготовки ( графитизации) образцов
Образы очищаются от
внешних примесей,
«сжигаются» в вакууме с
добавлением кислорода,
далее углерод из
образованного
углекислого газа
каталитически
осаживается на порошке
железа. Полученный
порошок железо-углерод
прессуется в пистоны для
установки в ионный
источник УМС.
Уменьшение тока с образцов
связано с ухудшением
Фотографии : 3 наибольших и 3 наименьших тока
углерода из барабана с пробоподготовленными теплопроводности образцов и/или
неоднородностью образца.
образцами (токи отличаются на порядок).
При процедуре пробоподготовки ( графитизации) образцов
происходит загрязнение графитизированных образцов
«сторонним» углеродом.
Используется сорбент
паров воды при
графитизации
Al2O3
Используется сорбент
паров воды при
графитизации
SiO2
Графит МПГ без процедуры
графитизации
На текущий момент минимальный уровень концентрации
радиоуглерода в пробоподготовленных образца составляет 5*10-3 в
сравнении с концентрацией в живых организмах, т.е. примерно в 2.5
раза выше, чем в графите МПГ.
Для переключения между изотопами
Изменяется напряжение
электростатического поворота
в высоковольтном терминале
Изменяется напряжение
электростатических линз
Изменяется напряжение
дипольного корректора по
направлению перпендикулярному
повороту в магните
Изменяется напряжение
ионного источника
~ 80% времени - подсчет 14С
~ 15% времени - переключение между изотопами + измерение тока 13С
~ 5% времени - вращение барабана с образцами
Алгоритм УМС анализа образцов
Барабан с образцами ( 20 пользовательских 3 служебных )
Время подсчета радиоуглерода на одном обороте барабана 4 по 10 сек на образец.
Количество измерений тока 13С на одном обороте барабана 4 на образец.
Время измерения одного оборота барабана ~ 20 мин.
Частота прилета ионов радиоуглерода с современного образца ~ 50 Гц
Зависимость тока ионов 13С3+ (а), числа ионов
радиоуглерода 14С 3+ (б), и концентрации
радиоуглерода (в) от времени при УМС
анализе образцов.
Скорость
счета
радиоуглерода с углеродных
нитей примерно равна 60 Гц,
что соответствует значению
2400 . При такой скорости
счета
статистическая
точность 1% достигается за
время измерения примерно
4 оборотов барабана с
образцами. Однако, как
видно из рисунка, ток ионов
для пробоподготовленных
образцов может быть в разы
ниже, чем ток с углеродных
нитей, поэтому, обычно
полное
время
анализ
образцов на УМС ИЯФ
составляет 4 часа, что
соответствует 12 оборотам
барабана с образцами.
Контроль образцов пробоподготовленных
лабораторий НГУ от 05.10.2015
Загрязнение мертвых образцов радиоуглеродом
после пробоподготовки ~ 1%
Применения УМС
Применение УМС
•
•
•
•
•
•
•
•
•
археология
геология
биология
химия
медицина
экология
климатология
океанология
фармакология
и многие другие области науки
Забавные применения.
Проверка на подлинность
дорогостоящих вин и
коньяков.
Определение не проводит ли
кто испытания ядерного
вооружения.
Проверка органического
происхождения пищи.
Определение года рождения по
анализу зубов.
Углеродный цикл
Калибровочная кривая
Содержания радиоуглерода в атмосфере меняется за счет изменения
активности космического излучения, вариации геомагнитного поля
Земли, изменения климата и т.д.
Данная кривая получается измерением содержания радиоуглерада в
кольцах деревьев и кораллов известного возраста.
Радиоуглеродный возраст объекта
вычисляется из соотношения
изотопов в образце.
Календарный возраст объекта
вычисляется из углеродного
возраста по калибровочной кривой.
Корректность датировки.
В образцах разного возраста может содержаться
одинаковая концентрация радиоуглерода.
Образцы за последние 350 лет не могут быть корректно
датированы без дополнительной информации.
Для корректной датировки образцов
необходимо знать место их происхождения.
Радиоуглеродный возраст возраст объектов сформированных в
океане в среднем на несколько сот лет больше чем у земных
объектов.
Ядерный взрыв сопровождается мощным потоком
нейтронов - дополнительный источник образования
радиоуглерода 14С.
Испытания атомных бомб в 50-60 годы 20 века
привели к удвоению содержания радиоуглерода в
биосфере.
Биомедицинские исследования
Используются радиоуглерод, поскольку углерод содержится
в любой органике ( 21% массы человека – углерод)
• Обычная мировая практика – радиоактивность
биопрепарата должна составлять 100нКи.
• Такого количества меток (100 нКи ), с одной
стороны достаточно для мониторинга
долговременных процессов в живом
организме, с другой стороны, работы с такими
радиоактивностями можно проводить в
обычных помещениях.
В теле человека находится примерно
20 нанограмм радиоуглерода.
При радиоуглеродном анализе метод УМС на
порядки чувствительней метода подсчета числа
распадов
1 мг
современного углерода
0.8 распадов в час
6*107
атомов радиоуглерода
1 мкА
27000/час
ток углеродного пучка
ионов радиоуглерода
10000 событий -> 1 % статистическая точность
За время жизни человека распадается только 1% атомов 14С.
Нормы радиационной безопасности в России
107 Бк = 270 мкКи, т.е.
активность минимально значимая
составляет 2700 биопрепаратов по 100 нКи
Для сравнения, радоактивность 100 нКи содержится примерно
в двух ведрах картофеля.
Естественная ежегодная радиационная доза
получаемая человеком
Внутри тела человека ежесекундно происходит около 4 тысяч распадов
радиоуглерода, соответствующая естественная радиоактивность углерода
равна 100нКи.
Максимальная радиоактивность вещества, требуемого для УМС-анализа
продолжительных биомедицинских процессов , не превышает 100нКи.
Микродозирование – новый метод
тестирования лекарственных средств
Микродозирование используют на
ранних стадиях разработки
лекарственного для предварительного
изучения фармакокинетики на
добровольцах (фаза-0) перед началом
фазы-1 клинических испытаний.
Используемая микродоза выбирается
как меньшее между 1/100 ожидаемой
фармакологической дозы либо 100 мкг.
Такие малые дозы могут считаться
безопасными, для здоровья человека.
Действует в ЕС с 2004 г.
EMEA, Position Paper on Non-clinical Safety Studies to
Support Clinical Trials with a Single Microdose. Position
paper CPMP/SWP/2599, 23 June 2004.
Действует в США в 2006 г.
Food and Drug Administration US Department of Health and
Human Services Guidance for Industry Investigators and
Reviewers. Exploratory IND Studies. January 2006.
EUMAPP проект
(Европейский Союз, 20062009)
Методом микродоз исследована
фармакокинетика распространенных
препаратов:
Fexofenadine, Paracetamol,
Phenobarbital, Sumatriptan,
Propafenone, Clarithromycin, S-19812
Заключение:
Для всех исследованных препаратов,
фармакокинетика по методу микродоз
(время полувыведения t1/2,
максимальная концентрация Cmax)
совпадает с результатами клинических
испытаний. Метод микродоз может быть
использован на предварительной
стадии разработки лекарственных
препаратов
Процесс создания лекарств
•
•
•
На создание одного лекарства уходит 15 лет времени и
затрачивается примерно 1 миллиард $
92% лекарств прошедших стадию клинических испытаний
на животных не проходят даже первой стадии клинических
испытаний на людях.
Применение метода микродозирования позволит заметно
сократить время и деньги требуемые на создание лекарств.
Уникальная чувствительность УМС позволяет получать
достоверные фармакокинетические данные при приеме 1/100
от фармакологической дозы.
Необходимый для исследования вес лекарственного
препарата не превышает 100 микрограмм.
Посредством только УМС можно определять суммарную
концентрацию в образце введенного вещества и его
метаболитов.
Если требуется определить концентрацию только
введенного вещества, то УМС используется в связке с
жидкостным хроматографом.
Примеры лекарств, разработанных с
использованием УМС
GlaxoSmithKli
ne
Назальный
стероид, 2007
Novartis
Бета-адреномиметик, 2009
Bristol-Myers
Противораковый
препарат, 2007
Индакатерол
Посредством УМС можно проводить мониторинг
продолжительных во времени процессов
Период полураспада радиоуглерода составляет 5730 лет, поэтому
число 14С меток введенных в лекарственное средство не
изменяется во времени.
Пример исследования в области кардиологии
посредством УМС ( без радиоуглеродных меток)
Исследования, в Швеции позволили установить скорость регенерации
клеток сердечной мышцы (кардиомиоцитов).
В возрасте 25 лет у человека ежегодно обновляется примерно 1%
кардиомиоцитов, к 75 годам скорость регенерации клеток
сердечной мышцы уменьшается до 0.45% в год
Авторы планируют изучить процессы регенерации клеток в сердечной мышце
после инфаркта. предполагая, что после повреждения кардиомиоциты способны
восстанавливаться быстрее, чем при нормальных условиях.
Примеры исследований с использованием
УМС ИЯФ
Совместно с НГУ, ИК СОРАН, НИИ МББ
СОРАМН были проведены первые
биомедицинские исследования с
использованием УМС ИЯФ по теме:
«Развитие перспективных методик анализа биомедицинских образцов
для исследований токсичности и фармакокинетики химических
соединений с использованием сверхчувствительного метода ускорительной масс-спектрометрии»
Исследования проводились на самцах мышей линии CBA массой 23-25 г из питомника
ФГБУ «НИИ КИ» СО РАМН. Животные содержались в клетках в условиях 12-часового
режима освещения и свободного доступа к корму и воде. Перед экспериментами мыши
проходили карантин и акклиматизацию в условиях вивария в течение 7 дней. Условия
содержания животных исключали воздействие внешних факторов, способных повлиять на
качество получаемых результатов. Воздух, корм, вода и подстил не содержали токсичных
агентов.
14C- метанол объемом 20мкл вводился мышам внутрибрюшинно с радиоактивностью 20Бк на
одну мышь. После введения мышам 14С-метанола, их умерщвляли методом цервикальной
дислокации через фиксированные интервалы времени (1, 3, 10 и 24 ч), по 5 животных на
каждый интервал, отбирали исследуемые органы печень, почки и мозг. В качестве контроля
использовались интактные мыши. Отобранные органы замораживали в жидком азоте и
хранили при температуре -80оС до последующей пробоподготовки для УМС-анализа.
Радиоактивность 20 Бк эквивалентна естественной радиоактивности
½ обычного банана.
Концентрация радиоуглерода в почках мышей в зависимости
от времени после внутрибрюшинного введения метанола.
Статистический разброс
подсчета числа ионов
радиоуглерода на УМС ИЯФ
много меньше естественного
разброса для отдельных
особей, обусловленного
индивидуальными
особенностями метаболизма.
Концентрация метанола в
почках меченых и не
меченных мышей
В контрольных образцах тканей (с метанолом без 14С
меток) регистрируется примерно одинаковая
концентрация радиоуглерода, соответствующая
естественному содержанию в живых системах. Во всех
исследуемых органах мышей после введения им 14Cметанола радиоактивностью 20 Бк, концентрация
радиоуглерода в разы превышает естественную.
Содержание метанола, меченого углеродом 14C, в
разных органах мышей в зависимости от времени
после внутрибрюшинного введения
После введения 14С меченого
метанола объемом 20 мкл,
содержание метанола и его
метаболитов в печени
оставалось стабильно высоким
(400-500 мг/кг) в течение всего
исследуемого интервала
времени, тогда как в головном
мозге этот показатель к 24-ем
часам снизился до 40 мг/кг.
Кинетика элиминации
метанола и его метаболитов из
почек была замедлена по
сравнению с головным мозгом:
к 24-ем часам до уровня 100
мг/кг.
1- печень,
2- мозг,
3- почки.
Следует отметить, что принцип УМС-анализа основан на регистрации
введенных радиоуглеродных меток, фармакологическая доза не имеет
значения для УМС-анализа, поэтому используя УМС, можно проводить
исследования при дозах введенного препарата на порядки меньших, чем
предельные значения по чувствительности других методов.
Параметры фармакокинетики метанола
в мозге мышей (двухкамерная модель
аппроксимации измеренных значений )
УМС анализ на хеликобактер
Пример УМС-анализа:
Радиоуглеродный возраст донных осадков.
Образцы для УМС анализа: Калугин И.А., ИГМ СО РАН
.
Радиоуглеродный возраст донных осадков озера Ложка (Венгеровский район
Новосибирской области) в зависимости от глубины.
Небольшая статистическая погрешность позволяет детально
прорисовать временную шкалу донных осадков
8000
radiation age (years)
6000
4000
2000
0
6
7
8
altitude from H2O level (m)
9
10
Животные Новосибирска
Бизон
Age 27000 ± 750 years
Пещерный лев
Age 25000 ± 800 years
Молодой мамонт
Age 13300 ± 400 years
Бомбовый пик в дереве Новосибирска.
Экологические исследования
Радиоактивное загрязнение в Челябинской области.
Концентрация радиоуглерода в 30 раз превышает естественную.
При Новосибирском Государственном Университете
(НГУ) открылась новая лаборатория по проведению
современных исследований с использованием УМС
( и повышения эффективности использования
единственного в России УМС) в различных областях
науки: медицины ,
биологии ,
археологии и д.р.
Проведен УМС анализ
более 700 пользовательских образцов.
Заключение
В мире год от года УМС методика развивается,
расширяется область применения, растет число
УМС комплексов.
Количество УМС комплексов в мире.