Масена спектрометрија

Масени спектрометар

Масена спектрометрија је техника којом се анализирају молекули на темељу њихове масе (и набоја). Први корак при анализи молекула је њихова јонизација у јонизатору. Настали јони се проводе кроз анализатор, који раздваја јоне у простору и/или времену. Из анализатора, јони иду на детектор где производе електрични сигнал који се може регистровати на осцилоскопу, принтеру, рачунару или на неком другом уређају.

Масена спектрометрија се користи за:

• одређивање састава непознатог узорка (квалитативна анализа)
• одређивање изотопског састава узорка
• одређивање структуре молекула на бази њихове фрагментације
• одређивање моларне масе молекуле
• одређивање количине одређене материје у узорку (квантитативна анализа)
• одређивање физичких и хемијских својстава материје
• проучавање понашања јона у вакууму
• Спаркман, О. Давид (2000). Масс спецтрометрy деск референце. Питтсбургх: Глобал Виеw Пуб. ИСБН 978-0-9660813-2-9. 

Историја

За више информација погледајте: Историја масене спектрометрије

Реплика Џ.Џ. Томсоновог трећег масеног спектрометра

Године 1886, Еуген Голдштајн је уочио зраке у гасним пражњењима под ниским притиском који су путовали далеко од аноде и кроз канале у перфорираној катоди, супротно смеру негативно наелектрисаних катодних зрака (који путују од катоде до аноде). Голдштајн је ове позитивно наелектрисане анодне зраке назвао „Kanalstrahlen”; стандардни превод овог термина на језик је „канални зраци”. Вилхелм Вин је открио да снажна електрична или магнетна поља одбијају каналне зраке и 1899. године је конструисао уређај са нормалним електричним и магнетним пољима која раздвајају позитивне зраке према њиховом односу наелектрисања и масе (Q/м). Вин је открио да однос наелектрисања и масе зависи од природе гаса у цеви инструмента. Енглески научник Џозеф Џон Томсон је касније побољшао Винов инструмент смањујући притисак, чиме је креирао масени спектрограф.

Калутронови масени спектрометри су кориштени у пројекту Манхетн за обогаћивање уранијума.

Реч спектрограф је постала део међународног научног речника до 1884. Рани спектрометријски уређаји који су мерили однос масе и наелектрисања јона названи су масеним спектрографима и састојали су се од инструмената који су снимали спектар масених вредности на фотографској плочи. Масени спектроскоп је сличан масеном спектрографу само што је сноп јона усмерен на фосфорни екран. Конфигурација масеног спектроскопа коришћена је у раним инструментима када је било пожељно да се ефекти подешавања брзо примете. Једном када је инструмент правилно подешен, уметнута је и изложена фотографска плоча. Израз масени спектроскоп наставио се употребљавати иако је директно осветљавање фосфорног екрана замењено индиректним мерењима осцилоскопом. Употреба термина масена спектроскопија је у данашње време мало заступљена због могућности конфузије са светлосном спектроскопијом. Масена спектрометрија се често скраћује као мас-спек или једноставно као МС.

Јонизатор

Јонизатор је уређај који преводи молекуле у јоне. Процес јонизације обично укључује довођење енергије молекулу, при чему се избацује један или више електрона. При том процесу може доћи и до фрагментације молекуле у два или више фрагмената. Фрагментација је често пожељна јер појава фрагмената у спектру указује на то од каквих је делова састављен испитивани молекул. Спајањем појединих фрагмената може се добити структура молекула. Најчешће се молекул фрагментира на различите начине, док један део остане цио и у спектру даје сигнал с највећом вредности масе. Тај јон се назива молекулски јон и он показује масу (моларну масу) молекуле.

Постоји више начина јонизације, који се разликују по количини енергије која се предаје молекулу. Методе које предају више енергије, јаче фрагментирају молекул, па се такве методе неће користити код молекула који се врло лако распадају или у случајевима када је потребан сигнал молекулског јона.

Електронска јонизација

Електронска јонизација (EI) користи сноп брзих електрона, којима се бомбардују молекули у гасној фази. Електронски сноп се производи помоћу филамента (катоде) загрејаног на високу температуру провођењем струје кроз њега. Електрони који изађу из филамента, убрзавају се према позитивно набијеној аноди. Варирањем потенцијала између катоде и аноде, можемо варирати и енергију електрона, а тиме и ефикасност фрагментације. Обично се користе енергије од око 70 eV. Електронска јонизација обично јако фрагментира молекуле аналита.

Јонизација брзим атомима и јонима

Јонизација брзим атомима (FAB - енгл. Fast Atom Bombardment), и јонизација брзим јонима (FIB - енгл. Fast Ion Bombardment) користи брзе атоме или јоне (4 KeV -10 KeV) којима се бомбардују молекуле аналита у датом медију (тзв. матрици). Обично се користе атоми/јони инертних гасова (аргон, ксенон). Као матрица, користе се: глицерол, тиоглицерол, 3-нитробензилни алкохол, 18-круна-6, нитрофенил-октилни етар, сулфолан, диетиланоламин, триетаноламин. Ова јонизација је блажа од електронске јонизације, па је у спектру често видљив сигнал молекулског јона.

Хемијска јонизација

Хемијска јонизација (CI - енгл. Chemical ionization) јонизује молекулу посредно, помоћу неке друге материје. Узорак (у гасовитом стању) се помеша са неким другим гасом у великом сувишку. На добијену смешу се делује брзим електронима, слично као код електронске јонизације. Електрони јонизују гас у сувишку, док добијени јони реагирају са молекулима аналита при чему их јонизују. У овој методи, као медијум се користе гасови као што су: метан, амонијак, и изобутан. Ова метода производи релативно мало фрагментације и јасно видљиви молекулски јон.

Електроспреј

Електроспреј

Електроспреј (ESI - енгл. ElectroSpray Ionization) јонизација јонизује аналит у облику раствора. Ова техника је посебно корисна у стварању јона из макромолекула, јер превладава склоност тих молекула на фрагментирају када су јонизовани. Развој електроспреј јонизације за анализу биолошких макромолекула је било награђено Нобеловом наградом за хемију, Џон Бенет Фен 2002.

MALDI

MALDI (енгл. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – матрицом потпомогнута ласерска десорпција/јонизација) је слабо инванзивна метода за јонизацију молекула. Као матрица се користе раствор одређених материја у смеши воде и органског растварача. Аналит је растворен у матрици. На матрицу се делује ласером, најчешће азотним ласером. Матрица штити аналит од ласера, а њезиним испаравањем и јонизацијом, она преноси део набоја на аналит, јонизујући га. MALDI техника је погодна за јонизацију биомолекула и великих органских молекула.

Анализатор

Анализатор је уређај који раздваја јоне, настале у јонизатору по њиховој маси и/или набоју.

Магнетски секторски анализатор

Магнетски секторски анализатор се састоји од магнета, између чијих полова пролазе јони. На уласку и изласку из магнетског сектора налазе се две пукотине које ограничавају сноп јона који улазе, односно оних који излазе из сектора како не би сметали на детектору.

Магнетско поље делује на набој у кретању Лоренцовом силом: ${\overrightarrow {F}}=q\cdot {\overrightarrow {v}}\times {\overrightarrow {B}}$

Због те силе, путање јна у магнетском пољу су закривљене, и само одређени јони могу проћи кроз излазну пукотину и бити детектирани на детектору. Претраживање по масама се проводи мењањем јачине магнетског поља (утиче се на радијусе закривљености путање јона у магнетском пољу). Због тога је ова метода спора, али одликује се врло добрим разлучивањем.

Електростатички секторски анализатор; На уређају је уклоњен поклопац вакуумске коморе и видљиве су две закривљене електроде.

Електрични сектор

Електрични сектор је сличан магнетском сектору, само што умјесто магнетског поља употребљава електрично поље, а претраживање се обавља променом напона на електродама. Ова метода има врло добро разлучивање, али је спора, као и код магнетског сектора.

Квадруполни анализатор

квадруполни анализатор

Квадруполни анализатор се састоји од четири ваљкасте паралелне електроде. Јони се пропуштају између четири електроде. На електроде је прикључен извор наизменичне струје. Кроз анализатор могу проћи само одређени јони, а претраживање се проводи мењањем фреквенције напона.

Јон циклотронска резонанција

Јон циклотронска резонанција или FTMS (енгл. Fourier Transform Mass Spectrometry) представља технику анализе јона по масама.

Уређај се састоји од великог магнета који производи хомогено магнетско поље. Унутар магнетског поља се налази низ електрода. Јони који уђу у комору спектрометра, крећу се у кружним путањама унутар коморе због магнетског поља. Помоћу две елекроде, које су постављене окомито на смер магнетског поља, могуће је контролисати положај јона унутар коморе. На друге две електроде, смјештене паралелно магнетском пољу примени се наизменична струја одређене фреквенције. То наизменично електрично поље делује на све јоне у комори, уређујући њихове путање. Након завршетка деловања наизменичним електричним пољем, посматра се пролазак јона поред детекторских електрода, које су такође смештене паралелно смјеру магнетског поља.

Сигнал који се добија са детекторских електрода, садржи информацију о свим јонима, без обзира на њихову масу. На тај сигнал, потребно је применити математичку операцију - фуриерову трансформацију. Том операцијом се добива се масени спектар. Ова метода је брза и има велико разлучивање, али је и јако скупа. С обзиром да је у оваквом инструменту могуће манипулирати јонима, могуће је спроводити различита истраживања на њима.

TOF анализатор

ТОФ анализатор (енгл. Time of flight) убрзава јоне из јонизатора помоћу хомогеног електричног поља. Лакши јони се јаче убрзавају и први долазе до детектора. Претраживање је остварено кашњењем тежих јона из анализатора. Због тога је ова метода брза, али има мање разлучивање од електричног или магнетског сектора.

Јонска замка

Јонска замка је мала кутија с неколико електрода на које је доведен наизменични напон и истосмерни напон. Јон, који уђе у замку осцилира у замци комплексним путањама, које се контролишу електродама с истосмерним напоном. Ова метода је брза и има ниско разлучивање.

Литература

• Туречек, Франтишек; МцЛаффертy, Фред W. (1993). Интерпретатион оф масс спецтра. Саусалито, Цалиф: Университy Сциенце Боокс. ИСБН 978-0-935702-25-5. 
• Хоффман, Едмонд де; Строобант, Винцент (2001). Масс Спецтрометрy: Принциплес анд Апплицатионс (2нд изд.). Јохн Wилеy анд Сонс. ИСБН 978-0-471-48566-7. 
• Доwнард, Кевин (2004). Масс Спецтрометрy - А Фоундатион Цоурсе. Цамбридге УК: Роyал Социетy оф Цхемистрy. ИСБН 978-0-85404-609-6. 
• Сиуздак, Гарy (1996). Масс спецтрометрy фор биотецхнологy. Бостон: Ацадемиц Пресс. ИСБН 978-0-12-647471-8. 
• Дасс, Цххабил (2001). Принциплес анд працтице оф биологицал масс спецтрометрy. Неw Yорк: Јохн Wилеy. ИСБН 978-0-471-33053-0. 
• Гросс, Јнрген Х. (2006). Масс Спецтрометрy: А Теxтбоок. Берлин: Спрингер-Верлаг. ИСБН 978-3-540-40739-3. 
• Музикар, П.; et al. (2003). „Accelerator Mass Spectrometry in Geologic Research”. Geological Society of America Bulletin. 115: 643—654. doi:10.1130/0016-7606(2003)115<0643:AMSIGR>2.0.CO;2. 
• O. David Sparkman (2006). Mass Spectrometry Desk Reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-9-8. 
• Tuniz, C. (1998). Accelerator mass spectrometry: ultrasensitive analysis for global science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-4538-8. 
• Kandiah M, Urban PL (jun 2013). „Advances in ultrasensitive mass spectrometry of organic molecules”. Chemical Society Reviews. 42 (12): 5299—322. PMID 23471277. doi:10.1039/c3cs35389c. 

Спољашње везе

• Mass Spectrometry на сајту Curlie
• Интерацтиве туториал он масс спецтра Натионал Хигх Магнетиц Фиелд Лабораторy
• Масс спецтрометер симулатион Ан интерацтиве апплицатион симулатинг тхе цонсоле оф а масс спецтрометер
• Реалтиме Масс Спецтра симулатион Тоол то симулате масс спецтра ин тхе броwсер