Paulina Lachowska, nr albumu 308910

Spektrometria mas

Ogólnie

Spektrometria mas (MS) jest to uniwersalna technika analityczna, zaliczana do metod spektroskopowych, której podstawą jest pomiar stosunku masy do jej ładunku elektrycznego (m/z). Pierwszy spektrometr mas został zbudowany przez J. J. Thompsona w 1911 roku.

Współcześnie istnieje wiele odmian tej techniki, z których każda posiada inne zastosowanie i wymaga stosowania aparatów o innej konstrukcji. Wszystkie te techniki są jednak oparte na jonizacji cząsteczek lub atomów, a następnie detekcji liczby i stosunku masy do ładunku (m/z) powstających jonów. Wyniki działania spektrometru mas są przedstawiane w postaci tzw. widma masowego. Częstą metodą jest sprzężenie spektrometru masy z pewnymi rodzajami chromatografów: gazowego (GC-MS) lub cieczowego (LC-MS). Spektrometr ten jest szeroko stosowany do analizy związków zarówno znanych jak i nie. W przypadku nieznanych cząsteczek pomocą służą także inne rodzaje spektroskopii np. IR lub NMR.

Spektrometria mas służy do:

• identyfikacji związków chemicznych i ich mieszanin,

• ustalania struktury związków chemicznych,

• ustalania ich składu pierwiastkowego,

• ustalania składu izotopowego analizowanych substancji, co m.in. umożliwia określenie ich źródła pochodzenia

• precyzyjnego ustalania składu złożonych mieszanin związków o wysokich masach molowych w proteomice, badaniach materiałowych i chemii polimerów.

Aparatura

Są dwa rodzaje spektrometrów mas w zależności od zdolności rozdzielczej: niskorozdzielcze i wysokorozdzielcze. Wszystkie jednak mają wspólne elementy składowe. Do wprowadzenia próbek stosuje się niektóre rodzaje chromatografów, ale w wielu przyrządach można również bezpośrednio wprowadzać próbkę do komory jonizacyjnej. Po jonizacji, gdy jony zostaną rozdzielone (w analizatorze), muszą być wykryte i zmierzone ilościowo. Typowy kolektor jonów składa się ze szczelin kolimacyjnych, kierujących do kolektora w danym momencie tylko jeden rodzaj jonów. Są one wykrywane za pomocą detektorów, a sygnał wzmacniany jest przez powielacz elektronów. Oznacza to także, że metoda wykrywania jonów zależy w pewnym stopniu od metody ich rozdziału. Ponadto prawie wszystkie współczesne spektrometry mas połączone są z komputerem, który steruje działaniem przyrządu (także chromatografu), zbiera i przechowuje dane oraz umożliwia ich wydrukowanie w postaci wykresu lub tabeli.

Rozdzielczość spektrometru mas

Rozdzielczość jest jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących spektrometr mas. Miarą rozdzielczości spektrometru jest zdolność do rozróżnienia dwóch jonów o pewnej różnicy stosunku masy do liczby ładunków elementarnych jonów (m/z). Spektrometr o rozdzielczości 1000 będzie umożliwiał rozróżnienie dwóch cząsteczek o m/z równym 1000 i 1001. Można przyjmować różne kryteria pomiaru rozdzielczości. Najczęściej uznaje się, że jeśli na widmie m/z dolina pomiędzy pikami dwóch jonów jest głębsza niż 50% wysokości pików, to są one rozróżnione. Rozdzielczość nie jest zależna tylko od konstrukcji analizatora masy. Na rozdzielczość pomiaru wpływa wiele czynników. Często w ramach jednego widma obserwuje się piki od jonów zarejestrowanych z różną rozdzielczością.

Metody jonizacji

Ogólnie techniki jonizacji można podzielić na trzy grupy: jonizacja w fazie gazowej, jonizacja połączona z desorpcją i jonizacja poprzez odparowanie.

Metody jonizacji w fazie gazowej

• Jonizacja elektronami – jonizacja przy pomocy wiązki elektronów, odbywa się w próżni. Metoda ta powoduje zwykle fragmentację badanych cząsteczek. Charakteryzuje się stosunkowo małą wydajnością – poniżej 1% cząsteczek ulega jonizacji.

• Jonizacja chemiczna – jony wytwarzane są na skutek zderzeń cząsteczek badanego związku chemicznego z jonami pierwotnymi obecnymi w źródle jonów. Jest to metoda nie powodująca fragmentacji cząsteczek (łagodna jonizacja). Jonizacja odbywa się zwykle przy ciśnieniu rzędu 60 Pa.

Desorpcyjne techniki jonizacji

• Desorpcja polem – próbkę nanosi się na metalowy emiter, na którym znajdują się mikroigły aktywujące jego powierzchnię. Bardzo wysoki gradient potencjału na ostrzach igieł powoduje oderwanie elektronu z cząsteczki próbki, a utworzony katiorodnik ulega desorpcji z emitera.

• Bombardowanie szybkimi atomami – polega na bombardowaniu cząsteczki obojętnymi atomami o wysokiej energii (zwykle 17 lub 70 eV). Cząsteczki mogą znajdować się w fazie gazowej lub być rozpuszczone w ciekłej, mało lotnej substancji (matrycy) np. glicerolu.

• Desorpcja plazmowa – wysoce specjalistyczna technika stosowana prawie wyłącznie z analizatorem czasu przelotu jonów. Podczas każdego rozpadu kalifornu 252 (²⁵²Cf) powstają dwie cząsteczki poruszające się w przeciwnych kierunkach. Jedna z nich dociera do układu elektronicznego generującego sygnał startu, druga uderza próbkę, wybijając parę jonów próbki do analizatora czasu przelotu. Z próbki desorbują jony, które są najczęściej pojedynczo, podwójnie lub potrójnie protonowymi cząsteczkami.

• Desorpcja laserowa – w której jonizacja następuje przez naświetlanie próbki silnym laserem, a zatem bombardującymi cząstkami są wysokoenergetyczne fotony. W tej metodzie trzeba również stosować analizator czasu przelotu jonów ze względu na impulsowy charakter metody.

• Desorpcja laserowa z udziałem matrycy – technika podobna do poprzedniej, w której stosuje się jonizację laserową, ale z tak dobraną energią wiązki, aby nie doprowadzać do fragmentacji cząsteczek (łagodna metoda jonizacji), lecz tylko do ich "wybijania" ze specjalnie przygotowanej matrycy. Matryca absorbuje energię lasera, która jest później przekazywana do analizowanych cząsteczek. Metoda ta jest bardzo często stosowana w badaniach nad biopolimerami i polimerami syntetycznymi.

Ewaporacyjne metody jonizacji

• Elektrorozpylanie (elektrosprej) – technika polegająca na rozpylaniu cieczy zawierającej badaną substancję z igły, do której przyłożono wysokie napięcie (zwykle 1–5 kV) pod ciśnieniem atmosferycznym. Jest to jedna z łagodnych metod jonizacji – zwykle nie powoduje fragmentacji badanych cząsteczek. Metoda ta jest bardzo często stosowana w badaniach nad wielkocząsteczkowymi biopolimerami takimi jak białka i oligonukleotydy.

• Termorozpylanie (termosprej) – jonizacja przez podgrzanie przy pomocy prądu elektrycznego roztworu zawierającego sól i analizowaną substancję wewnątrz stalowej kapilary. Gorąca substancja jest rozpylana w komorze próżniowej z prędkością naddźwiękową.

Analizatory masy

• Sektor magnetyczny – analizator ten wykorzystuje zjawisko zmiany toru lotu jonów w polu magnetycznym [stopień zakrzywienia lotu zależy od stosunku masy do ładunku (m/z) i prędkości jonu a także od parametrów pola magnetycznego]. Sektor magnetyczny charakteryzuje się stosunkowo małą rozdzielczością – mniej niż 5000 ze względu na duże różnice prędkości cząsteczek wpadających do urządzenia. Problem ten rozwiązuje się przez zastosowanie sektora elektrycznego przed sektorem magnetycznym, w którym cząsteczki są rozpędzane, dzięki czemu różnice prędkości są mniejsze.

• Kwadrupol – zbudowany z czterech symetrycznie ułożonych równoległych prętów, działa jako filtr masy – w jednym momencie przepuszcza tylko jony o określonym stosunku m/z. Dzieje się to dzięki przykładaniu do prętów prądu zmiennego o określonej częstotliwości i napięciu oraz napięcia stałego. Kwadrupol można ustawić tak, aby przepuszczał jony o szerokim lub wąskim zakresie m/z, które mogą być później poddawane dalszej analizie.

• Pułapka jonowa – pozwala na przetrzymywanie jonów na zasadzie podobnej do kwadrupola. Manipulując parametrami prądu przyłączonego do elektrod można uwięzić w pułapce jony o określonym stosunku m/z lub o szerokim zakresie m/z. Pomiaru masy dokonuje się przez uwięzienie w pułapce jonów o szerokim zakresie m/z i wyrzucanie z pułapki kolejnych grup jonów o określonym m/z. Wnętrze pułapki jonowej wypełnione jest gazem obojętnym – helem (ciśnienie rzędu 10^-1 Pa). Jeżeli jony w pułapce zostaną wzbudzone (przyspieszone), zderzenia z atomami helu spowodują fragmentację jonów. Pułapki jonowe charakteryzują się zwykle dość niewielką rozdzielczością (kilku tysięcy) oraz bardzo dużą czułością.

• Analizator czasu przelotu – jony wprowadzane do analizatora są przyspieszane przy pomocy impulsu elektrycznego i zaczynają dryfować przez komorę analizatora. Na końcu analizatora znajduje się detektor jonów połączony z urządzeniem rejestrującym czas od impulsu przyspieszającego do momentu uderzenia określonego jonu w detektor. Pomiar m/z jest oparty na fakcie, że ze wzrostem masy cząsteczkowej jonów, wydłuża się ich czas przelotu. Obecnie stosuje się często analizatory czasu przelotu ze zwierciadłem elektrostatycznym, które zwiększa rozdzielczość aparatu, ale zmniejsza zakres dopuszczalnych mas cząsteczkowych.

• Spektrometr mas z transformacją Fouriera – działa podobnie jak analizator cyklotronowego rezonansu jonowego. W analizatorze FT-ICR zastosowano bardziej wydajną metodę zbierania danych niż w ICR. Przy pomocy złożonej fali elektromagnetycznej wzbudzane są jednocześnie wszystkie jony. Na płytach detektora rejestrowany jest sygnał zawierający wiele częstotliwości charakterystycznych dla jonów o różnym m/z. Sygnał ten jest przekształcany w widmo m/z przy pomocy transformacji Fouriera.

Detektory

Zadaniem detektora w spektrometrze mas jest rejestracja jonów, przechodzących przez analizator. Najprostszym i najstarszym detektorem jonów jest płyta fotograficzna. Obecnie zostały zastąpione detektorami przekazującymi informację w postaci sygnałów elektrycznych. Sygnały te są we współczesnych spektrometrach mas przetwarzane na postać cyfrową i dalej analizowane i przechowywane z wykorzystaniem komputerów. Można wyróżnić kilka najczęściej stosowanych typów detektorów:

• Puszka Faradaya – metalowa, cylindryczna komora z otworem przez który wlatują jony. Jony wpadające do detektora trafiają na dno puszki i oddają swój ładunek. Powstający w ten sposób prąd jest mierzony.

• Powielacz elektronowy – zbudowany z serii płytek, do których przyłączono wysokie napięcie. Jony po uderzeniu w pierwszą płytkę (dynodę konwersyjną), powodują emisję elektronów. Elektrony te uderzają w kolejną płytkę (dynodę) powodując wybicie większej liczby elektronów. Z każdej, kolejnej płytki detektora wybijane jest coraz więcej elektronów – sygnał jest wzmacniany. Elektrony trafiają ostatecznie na anodę powodując przepływ prądu, który jest mierzony. W nowszych konstrukcjach powielaczy elektronowych serię dynod zastępuje się zakrzywioną zwężającą się rurą (powielacz elektronowy o dynodzie ciągłej). Elektrony uderzają wielokrotnie w ściany rury powodując emisję kolejnych elektronów. Dzięki kaskadowemu wzmocnieniu sygnału powielacze elektronowe są detektorami bardzo czułymi.

• Detektor mikrokanalikowy – zbudowany z płytki z niewielkimi (4-25 μm), zakrzywionymi otworami. Powierzchnia otworów pokryta jest półprzewodnikiem mającym zdolność emisji elektronów. Na stronie wejściowej płytki utrzymywany jest potencjał ujemny (napięcie rzędu 1 kV) w stosunku do strony wyjściowej. Jony wpadają do kanalików i zderzają się ze ścianami otworów powodując kaskadową emisję elektronów, podobnie jak w powielaczu elektronowym. Za każdym z kanalików znajduje się metalowa anoda zbierająca elektrony. Sygnał powstały w ten sposób jest mierzony.

• Detektor fotopowielaczowy – składająca się z dwóch dynod konwersyjnych (jedna dla jonów dodatnich druga dla jonów ujemnych), ekranu fluorescencyjnego i fotopowielacza. Jony wpadające do detektora uderzają w dynodę konwersyjną powodując emisję elektronów. Elektrony są kierowane na ekran fluorescencyjny przy pomocy pola elektrycznego. Po uderzeniu elektronu w ekran emitowane są fotony, które trafiają do fotopowielacza. Następuje wzmocnienie sygnału, który potem jest rejestrowany.

• Detekcja w analizatorze cyklotronowego rezonansu jonów (ICR) – Analizatory ICR są jednocześnie detektorami jonów, nie wymagają one instalacji dodatkowych detektorów.

Źródła:

1. http://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas

2. Robert M. Silverstein , Francis X. Webster, David J. Kiemle, Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN, Warszawa, 2007