Калькулятор мас-спектрометрії
Мас-спектрометрія (МС, MS - Mass Spectrometry) - це аналітичний метод ідентифікації та кількісного визначення речовин за співвідношенням маси до заряду іонів (m/z). Принцип методу: молекули іонізуються, іони розділяються у магнітному або електричному полі залежно від m/z, детектуються. Історія: перший мас-спектрометр створений Джозефом Джоном Томсоном (1912, відкриття ізотопів неону), розвинутий Френсісом Астоном (1919, Нобелівська премія 1922). Сучасна біологічна мас-спектрометрія отримала поштовх завдяки м'якій іонізації: ESI (електроспрей, John Fenn, 2002) та MALDI (матрична лазерна десорбція, Koichi Tanaka, 2002) - обидва Нобелівські премії. МС поєднують з хроматографією: ГХ-МС (GC-MS) для летких сполук, РХ-МС (LC-MS, ВЕРХ-МС) для полярних та нелетких молекул. Типи аналізаторів: квадруполь (Q), іонна пастка (IT), час-пролітний (TOF), орбітрап, FT-ICR (найвища роздільна здатність > 1 000 000). Тандемна МС (MS/MS, MS^n) - фрагментація батьківських іонів для структурного аналізу. Режими моніторингу: SIM (Selected Ion Monitoring) для чутливості, MRM/SRM (Multiple/Selected Reaction Monitoring) для специфічності. Роздільна здатність R = m/Δm (здатність розділяти близькі маси). Точність визначення маси: низька (±0.5 Da, одиничний квадруполь), середня (±0.01 Da, TOF), висока (±1 ppm, орбітрап, FT-ICR). МС застосовується у протеоміці (ідентифікація білків), метаболоміці, фармацевтиці, токсикології, геохімії. Наш калькулятор допомагає обчислювати m/z, молекулярні маси з урахуванням ізотопів, інтерпретувати мас-спектри.
Калькулятор мас-спектрометрії
Співвідношення маса/заряд (m/z)
1 Да (дальтон) = 1 а.о.м. (атомна одиниця маси)
Для [M+H]+: z=1, [M+2H]2+: z=2
Основні формули мас-спектрометрії
Співвідношення маса/заряд
m/z = M / z
де:
m/z - співвідношення маса/заряд (Томсон, Th, або Да/e)
M - маса іону (дальтони, Да)
z - заряд іону (кількість елементарних зарядів, безрозмірне)
Примітка: на мас-спектрі вісь X - m/z, вісь Y - відносна інтенсивність (%)
де:
m/z - співвідношення маса/заряд (Томсон, Th, або Да/e)
M - маса іону (дальтони, Да)
z - заряд іону (кількість елементарних зарядів, безрозмірне)
Примітка: на мас-спектрі вісь X - m/z, вісь Y - відносна інтенсивність (%)
Молекулярна маса адуктів
[M+H]+: m/z = M + 1.0078
[M-H]−: m/z = M - 1.0078
[M+Na]+: m/z = M + 22.9898
[M+K]+: m/z = M + 38.9637
[M+NH₄]+: m/z = M + 18.0338
[M+2H]2+: m/z = (M + 2×1.0078) / 2
де M - точна молекулярна маса нейтральної молекули
[M-H]−: m/z = M - 1.0078
[M+Na]+: m/z = M + 22.9898
[M+K]+: m/z = M + 38.9637
[M+NH₄]+: m/z = M + 18.0338
[M+2H]2+: m/z = (M + 2×1.0078) / 2
де M - точна молекулярна маса нейтральної молекули
Роздільна здатність (Resolution)
R = m / Δm
де:
m - маса піку
Δm - ширина піку на половині висоти (FWHM, Full Width at Half Maximum)
або Δm - різниця мас двох піків при 50% valley definition
Приклад: m = 1000 Да, FWHM = 0.5 Да → R = 2000
Класифікація МС за роздільною здатністю:
- Низька: R < 1000 (одиничний квадруполь)
- Середня: R = 1000-10000 (TOF, Q-TOF)
- Висока: R = 10000-100000 (орбітрап, FT-ICR)
- Надвисока: R > 100000 (FT-ICR)
де:
m - маса піку
Δm - ширина піку на половині висоти (FWHM, Full Width at Half Maximum)
або Δm - різниця мас двох піків при 50% valley definition
Приклад: m = 1000 Да, FWHM = 0.5 Да → R = 2000
Класифікація МС за роздільною здатністю:
- Низька: R < 1000 (одиничний квадруполь)
- Середня: R = 1000-10000 (TOF, Q-TOF)
- Висока: R = 10000-100000 (орбітрап, FT-ICR)
- Надвисока: R > 100000 (FT-ICR)
Похибка визначення маси (Mass error)
Абсолютна похибка: Δm = mексп - mтеор (Да)
Відносна похибка (ppm): Δppm = (Δm / mтеор) × 106
де:
mексп - експериментально виміряна маса
mтеор - теоретична (точна) маса
Приклад: mтеор = 500.0000 Да, mексп = 500.0025 Да
Δm = 0.0025 Да, Δppm = 5 ppm
Точність сучасних МС:
Квадруполь: ±0.1-0.5 Да
TOF: ±5-50 ppm
Орбітрап: ±1-5 ppm
FT-ICR: <1 ppm
Відносна похибка (ppm): Δppm = (Δm / mтеор) × 106
де:
mексп - експериментально виміряна маса
mтеор - теоретична (точна) маса
Приклад: mтеор = 500.0000 Да, mексп = 500.0025 Да
Δm = 0.0025 Да, Δppm = 5 ppm
Точність сучасних МС:
Квадруполь: ±0.1-0.5 Да
TOF: ±5-50 ppm
Орбітрап: ±1-5 ppm
FT-ICR: <1 ppm
Час пролітного аналізатора (TOF)
t = L × √(m/z) / √(2eV)
де:
t - час польоту (с)
L - довжина дрифтової трубки (м)
m/z - співвідношення маса/заряд
e - елементарний заряд (1.602×10-19 Кл)
V - прискорювальна напруга (В)
Легші іони летять швидше, важчі - повільніше
де:
t - час польоту (с)
L - довжина дрифтової трубки (м)
m/z - співвідношення маса/заряд
e - елементарний заряд (1.602×10-19 Кл)
V - прискорювальна напруга (В)
Легші іони летять швидше, важчі - повільніше
Ізотопне співвідношення
Вуглець: ¹²C (98.9%), ¹³C (1.1%)
Водень: ¹H (99.98%), ²H (0.02%)
Азот: ¹⁴N (99.6%), ¹⁵N (0.4%)
Кисень: ¹⁶O (99.76%), ¹⁷O (0.04%), ¹⁸O (0.20%)
Сірка: ³²S (95.0%), ³³S (0.75%), ³⁴S (4.2%)
Хлор: ³⁵Cl (75.8%), ³⁷Cl (24.2%)
Бром: ⁷⁹Br (50.7%), ⁸¹Br (49.3%)
M+1 пік (¹³C): I(M+1) / I(M) ≈ nC × 1.1%
де nC - кількість атомів вуглецю
Водень: ¹H (99.98%), ²H (0.02%)
Азот: ¹⁴N (99.6%), ¹⁵N (0.4%)
Кисень: ¹⁶O (99.76%), ¹⁷O (0.04%), ¹⁸O (0.20%)
Сірка: ³²S (95.0%), ³³S (0.75%), ³⁴S (4.2%)
Хлор: ³⁵Cl (75.8%), ³⁷Cl (24.2%)
Бром: ⁷⁹Br (50.7%), ⁸¹Br (49.3%)
M+1 пік (¹³C): I(M+1) / I(M) ≈ nC × 1.1%
де nC - кількість атомів вуглецю
Застосування мас-спектрометрії
Протеоміка
- Ідентифікація білків - bottom-up (травлення трипсином → пептиди), top-down (інтактні білки)
- Пост-трансляційні модифікації - фосфорилювання, глікозилювання, ацетилювання, убіквітинування
- Кількісна протеоміка - SILAC, iTRAQ, TMT, label-free
- Структура білків - водневий обмін (HDX-MS), зшивання (crosslinking MS)
- Білок-білкові взаємодії - афінна очистка + МС (AP-MS)
Метаболоміка
- Профілювання метаболітів - LC-MS/MS для ідентифікації та кількісного аналізу
- Ліпідоміка - класифікація та квантифікація ліпідів
- Біомаркери захворювань - сироватка крові, сеча, тканини
- Фармакокінетика - метаболізм ліків, ідентифікація метаболітів
Фармацевтика та токсикологія
- Контроль якості ліків - чистота АФС, домішки, деграданти
- Фармакокінетика - концентрація ліків у крові (TDM - therapeutic drug monitoring)
- Допінг-контроль - виявлення заборонених речовин у спорті
- Токсикологія - отрути, наркотики, пестициди (LC-MS/MS, MRM)
- Метаболічна стабільність - мікросоми печінки + МС
Хімія та матеріалознавство
- Елементний аналіз - ICP-MS (індуктивно-зв'язана плазма) для металів, ізотопів
- Аналіз полімерів - молекулярно-масовий розподіл, мономери
- Природні продукти - ідентифікація алкалоїдів, терпенів, флавоноїдів
- Геохімія - ізотопний аналіз, датування (¹⁴C, U-Pb)
Мікробіологія
- MALDI-TOF ідентифікація - експрес-ідентифікація бактерій за білковим профілем
- Антимікробна резистентність - виявлення генів стійкості
- Метаболізм мікроорганізмів - вторинні метаболіти
Клінічна діагностика
- Скринінг новонароджених - вроджені порушення метаболізму (фенілкетонурія тощо)
- Онкомаркери - ранне виявлення раку
- Гормони - стероїди, катехоламіни за LC-MS/MS
- Вітаміни - вітамін D, B12 (золотий стандарт - МС)
Практичне значення та контекст
Коротка довідка
Гаус і Лежандр розробили метод найменших квадратів на початку XIX ст. Фішер заклав основи сучасної статистики в 1920-х роках.
Де застосовується
Медицина та клінічні дослідження: аналіз ефективності препаратів, контрольні групи. Соціальні науки: опитування, вибіркові методи, аналіз даних. Бізнес та фінанси: аналіз ринків, прогнозування, контроль якості. Наука про дані (Data Science): статистика є фундаментом ML/AI.
Часті запитання (FAQ)
Як працює мас-спектрометр?
Мас-спектрометр складається з 3 основних частин:
1) Іонне джерело - перетворює молекули у іони. Типи: ESI (electrospray - м'яка іонізація для біомолекул), MALDI (матрична лазерна десорбція), EI (електронний удар - для ГХ-МС), APCI, APPI.
2) Мас-аналізатор - розділяє іони за m/z. Типи: квадруполь (Q - фільтрує певні m/z), TOF (час-пролітний - всі іони одночасно), іонна пастка (IT), орбітрап, FT-ICR.
3) Детектор - підраховує іони (електронний помножувач, MCP, Faraday cup).
Процес: зразок → іонізація → m/z сепарація → детекція → мас-спектр (графік інтенсивність vs m/z).
1) Іонне джерело - перетворює молекули у іони. Типи: ESI (electrospray - м'яка іонізація для біомолекул), MALDI (матрична лазерна десорбція), EI (електронний удар - для ГХ-МС), APCI, APPI.
2) Мас-аналізатор - розділяє іони за m/z. Типи: квадруполь (Q - фільтрує певні m/z), TOF (час-пролітний - всі іони одночасно), іонна пастка (IT), орбітрап, FT-ICR.
3) Детектор - підраховує іони (електронний помножувач, MCP, Faraday cup).
Процес: зразок → іонізація → m/z сепарація → детекція → мас-спектр (графік інтенсивність vs m/z).
Що таке тандемна мас-спектрометрія (MS/MS)?
MS/MS (або MS²) - метод фрагментації іонів для визначення структури. Схема:
1) Перший мас-аналізатор (MS1) вибирає батьківський іон (precursor ion) певного m/z
2) Камера фрагментації (collision cell) - іони стикаються з інертним газом (Ar, N₂), розпадаються
3) Другий мас-аналізатор (MS2) аналізує дочірні іони (product ions, fragments)
Типи MS/MS приладів: triple quad (QQQ), Q-TOF, ion trap, orbitrap.
Режими сканування: Product ion scan (діагностика структури), Precursor ion scan, Neutral loss scan, MRM/SRM (кількісний аналіз).
Застосування: протеоміка (секвенування пептидів), метаболоміка, фармакокінетика.
1) Перший мас-аналізатор (MS1) вибирає батьківський іон (precursor ion) певного m/z
2) Камера фрагментації (collision cell) - іони стикаються з інертним газом (Ar, N₂), розпадаються
3) Другий мас-аналізатор (MS2) аналізує дочірні іони (product ions, fragments)
Типи MS/MS приладів: triple quad (QQQ), Q-TOF, ion trap, orbitrap.
Режими сканування: Product ion scan (діагностика структури), Precursor ion scan, Neutral loss scan, MRM/SRM (кількісний аналіз).
Застосування: протеоміка (секвенування пептидів), метаболоміка, фармакокінетика.
Чому на мас-спектрі є пік M+1 та M+2?
Піки M+1, M+2 виникають через природні ізотопи елементів:
M+1: головно ¹³C (1.1% від ¹²C). Для молекули з 10 атомами C, інтенсивність M+1 ≈ 10×1.1% = 11% від M. Також ²H, ¹⁵N, ¹⁷O (менший внесок).
M+2: ³⁴S (4.2%), ¹⁸O (0.2%), ³⁷Cl (24.2% - великий!), ⁸¹Br (49.3% - майже рівний M!).
Приклади:
• C₆H₁₂O₆ (глюкоза): M+1 ≈ 6.6% (6 атомів C)
• CH₃Cl: M та M+2 у співвідношенні 3:1 (³⁵Cl:³⁷Cl = 75.8%:24.2%)
• C₆H₅Br: M та M+2 ≈ 1:1 (⁷⁹Br:⁸¹Br ≈ 50:50)
Ізотопний патерн - "відбиток пальця" молекули, допомагає підтвердити формулу.
M+1: головно ¹³C (1.1% від ¹²C). Для молекули з 10 атомами C, інтенсивність M+1 ≈ 10×1.1% = 11% від M. Також ²H, ¹⁵N, ¹⁷O (менший внесок).
M+2: ³⁴S (4.2%), ¹⁸O (0.2%), ³⁷Cl (24.2% - великий!), ⁸¹Br (49.3% - майже рівний M!).
Приклади:
• C₆H₁₂O₆ (глюкоза): M+1 ≈ 6.6% (6 атомів C)
• CH₃Cl: M та M+2 у співвідношенні 3:1 (³⁵Cl:³⁷Cl = 75.8%:24.2%)
• C₆H₅Br: M та M+2 ≈ 1:1 (⁷⁹Br:⁸¹Br ≈ 50:50)
Ізотопний патерн - "відбиток пальця" молекули, допомагає підтвердити формулу.
У чому різниця між ESI та MALDI?
ESI (Electrospray Ionization):
• Іонізація з розчину, розпилення під високою напругою
• Множинна зарядка - білки дають серію піків ([M+nH]ⁿ⁺), дозволяє аналізувати дуже великі молекули (> 100 кДа)
• Поєднується з РХ (LC-ESI-MS) - онлайн аналіз
• М'яка іонізація, мінімальна фрагментація
• Застосування: білки, пептиди, олігонуклеотиди, малі молекули
MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization):
• Іонізація з твердої фази, зразок змішаний з матрицею (α-ціано-4-гідроксикоричнева кислота)
• Зазвичай одинична зарядка ([M+H]⁺)
• Поєднують з TOF (MALDI-TOF) - швидкий аналіз
• Високошвидкісний скринінг (секунди на зразок)
• Застосування: білки, пептиди, ідентифікація бактерій, imaging MS (візуалізація тканин)
• Іонізація з розчину, розпилення під високою напругою
• Множинна зарядка - білки дають серію піків ([M+nH]ⁿ⁺), дозволяє аналізувати дуже великі молекули (> 100 кДа)
• Поєднується з РХ (LC-ESI-MS) - онлайн аналіз
• М'яка іонізація, мінімальна фрагментація
• Застосування: білки, пептиди, олігонуклеотиди, малі молекули
MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization):
• Іонізація з твердої фази, зразок змішаний з матрицею (α-ціано-4-гідроксикоричнева кислота)
• Зазвичай одинична зарядка ([M+H]⁺)
• Поєднують з TOF (MALDI-TOF) - швидкий аналіз
• Високошвидкісний скринінг (секунди на зразок)
• Застосування: білки, пептиди, ідентифікація бактерій, imaging MS (візуалізація тканин)
Що таке MRM/SRM та навіщо він потрібен?
MRM (Multiple Reaction Monitoring) або SRM (Selected Reaction Monitoring) - режим тандемної МС для високочутливого кількісного аналізу.
Принцип: Перший квадруполь (Q1) пропускає тільки батьківський іон (наприклад, m/z 500.2), в Q2 він фрагментується, третій квадруполь (Q3) пропускає тільки специфічний дочірній іон (наприклад, m/z 100.1). Детектується тільки комбінація 500.2 → 100.1 (transition, перехід).
Переваги:
• Висока селективність - подвійна фільтрація знижує фоновий шум
• Висока чутливість - LOQ до pg/ml (пікограми на мілілітр)
• Швидкість - моніторинг десятків сполук одночасно
Застосування: фармакокінетика (концентрація ліків в плазмі), допінг-контроль, токсикологія, гормони, вітаміни, пестициди в їжі.
Принцип: Перший квадруполь (Q1) пропускає тільки батьківський іон (наприклад, m/z 500.2), в Q2 він фрагментується, третій квадруполь (Q3) пропускає тільки специфічний дочірній іон (наприклад, m/z 100.1). Детектується тільки комбінація 500.2 → 100.1 (transition, перехід).
Переваги:
• Висока селективність - подвійна фільтрація знижує фоновий шум
• Висока чутливість - LOQ до pg/ml (пікограми на мілілітр)
• Швидкість - моніторинг десятків сполук одночасно
Застосування: фармакокінетика (концентрація ліків в плазмі), допінг-контроль, токсикологія, гормони, вітаміни, пестициди в їжі.
Чому мас-спектрометрія так важлива для протеоміки?
МС революціонізувала протеоміку через унікальні можливості:
1. Ідентифікація білків (bottom-up):
Білок → травлення трипсином → пептиди → LC-MS/MS → секвенування пептидів (по фрагментах) → пошук у базі даних (MASCOT, Sequest) → ідентифікація білка.
2. Кількісний аналіз:
• Label-free (без міток) - порівняння інтенсивностей піків
• SILAC - важкі ізотопи (¹³C, ¹⁵N) в культурі клітин
• iTRAQ, TMT - хімічні мітки на пептидах (мультиплексування до 16 зразків)
3. ПТМ (пост-трансляційні модифікації):
Фосфорилювання (+80 Да), ацетилювання (+42 Да), глікозилювання (різні) - критично для розуміння функції білків.
4. Структура: HDX-MS (водневий обмін показує гнучкість), crosslinking MS (білок-білкові контакти).
Без МС протеоміка була б неможливою - секвенування Едмана занадто повільне для тисяч білків.
1. Ідентифікація білків (bottom-up):
Білок → травлення трипсином → пептиди → LC-MS/MS → секвенування пептидів (по фрагментах) → пошук у базі даних (MASCOT, Sequest) → ідентифікація білка.
2. Кількісний аналіз:
• Label-free (без міток) - порівняння інтенсивностей піків
• SILAC - важкі ізотопи (¹³C, ¹⁵N) в культурі клітин
• iTRAQ, TMT - хімічні мітки на пептидах (мультиплексування до 16 зразків)
3. ПТМ (пост-трансляційні модифікації):
Фосфорилювання (+80 Да), ацетилювання (+42 Да), глікозилювання (різні) - критично для розуміння функції білків.
4. Структура: HDX-MS (водневий обмін показує гнучкість), crosslinking MS (білок-білкові контакти).
Без МС протеоміка була б неможливою - секвенування Едмана занадто повільне для тисяч білків.
📁 Категорія: Хімія