Hmotnostná spektrometria

Hmotnostná spektrometria (skratka MS z anglického Mass spectrometry) je metóda analytickej chémie. Hmotnostná spektrometria pracuje s delením podľa pomeru m/Q, kde m je hmotnosť a Q je náboj fragmentu. Používa sa pre určenie hmotnosti častíc, či stanovenie elementárneho zloženia vzorky alebo molekuly, a pre objasnenie chemickej štruktúry molekúl, ako sú peptidy a iné chemické zlúčeniny. Jej princíp je založený na ionizujúcich chemických zlúčeninách a merania ich hmotnosti vzhľadom na náboj.

Postup hmotnostnej spektrometrie

1. Vzorka je umiestnená do prístroja a podstúpi odparovanie.
2. Zložky vzorky sú ionizované jedným z mnohých spôsobov (napríklad dopadom elektrónového lúča), čo má za následok vytvorenie nabitých častíc – iónov.
3. Ióny sú oddelené podľa m/Q pomeru v analyzátore elektromagnetického poľa.
4. Ióny sú detegované, zvyčajne kvantitatívnou metódou.
5. Ión je spracovaný hmotnostným spektrometrom.

Hmotnostné spektrometre sa skladajú z troch modulov:

• Prvým modulom je zdroj iónov, ktorým možno previesť molekuly plynu na ióny
• Druhým modulom je hmotnostný analyzátor, ktorý triedi ióny podľa ich hmotnosti s použitím elektromagnetických polí
• Tretím modulom je detektor, ktorý meria hodnotu indikátora množstvo, a tak poskytuje dáta pre výpočet hojnosti každého iónu v reálnom čase.

Technika má kvalitatívne a kvantitatívne využitie. Patrí medzi ne identifikácia neznámych látok, určovanie izotopového zloženia prvkov v molekule a stanovenie štruktúry zlúčeniny tým, že sa pozoruje jej fragmentácia. Ďalšie použitie zahŕňa zisťovanie kvantitatívneho množstva zmesi vo vzorkách alebo štúdium základov iónov v plynnej fáze (chémia iónov a neutrálnych molekúl vo vákuu). Hmotnostná spektrometria sa bežne používa v analytických laboratóriách, ktoré študujú fyzikálne, chemické alebo biologické vlastnosti najrôznejších zlúčenín.

História

Replika prvého hmotnostného spektrometra.

Roku 1886 Eugen Goldstein pozoroval žiarenie v plyne vypúšťaného pri nízkom tlaku, ktoré prebiehalo od anódy cez kanály k perforovanej katóde. Naproti tomuto žiareniu prúdilo opačné žiarenie. Goldstein nazýval tieto kladne nabité lúče „Kanalstrahlen“ („kanálové lúče“). Wilhelm Wien zistil, že silné elektrické alebo magnetické pole odchyľuje kanálové lúče a v roku 1899 postavil zariadenie s paralelným elektrickým a magnetickým poľom, ktoré oddeľuje pozitívne lúče podľa ich m/Q pomeru. Wien objavil, že m/Q pomer závisí od povahy plynu vo výbojke. Neskôr prácu Wiena vylepšil anglický vedec Joseph J. Thomson.

Prvé použitie hmotnostnej spektrometrie na analýzu aminokyselín a peptidov bolo vykonané v roku 1958. Carl-Ove Andersson označil hlavné fragmenty iónov pozorovaných počas ionizácie metylesterov.

Niektoré z moderných techník hmotnostnej spektrometrie boli popísané Arthurom Jeffreym Dempsterom a Francisom Williamom Astonom roku 1918, respektíve roku 1919. V roku 1989 bola polovica Nobelovej ceny za fyziku udelená Hansovi Dehmeltovi a Wolfgangovi Paulovi za rozvoj techniky iónovej pasce medzi rokmi 1950 až 1960. Roku 2002 bola Nobelova cena za chémiu udelená Johnovi Bennettovi Fennovi za vývoj ionizujúceho elektro-spreja (ESI) a Kóičimu Tanakovi za rozvoj mäkkej laserovej desorpcie (SLD) a ich využitie na ionizáciu biologických makromolekúl, predovšetkým proteínov.

Súčasnosť

Ed Westcott:Operátori na hmotnostnom spektrometri Calutron počas druhej svetovej vojny, národný nukleárny bezpečnostný komplex Y-12, projekt Manhattan, Oak Ridge. Spektrometre sa používali na prípravu uránovej rudy na štiepny materiál. Počas projektu Manhattan na stavbu atómovej výbušnej zbrane ľudia pracovali v tajnosti a nemali žiadnu predstavu, k čomu ich práca na konci slúži. Gladys Owensová, žena sediaca v popredí, si uvedomila čo robila až potom, čo uvidela túto fotografiu na verejnej výstave o päťdesiat rokov neskôr.

Technológia iónového zdroja

Iónový zdroj je súčasťou hmotnostného spektrometra. Táto súčasť ionizuje materiál podľa analýzy (analytu). Ióny sú potom transportované magnetickými alebo elektrickými poľami k hmotnostnému analyzátoru. Techniky ionizácie boli kľúčom k určeniu, aké typy vzoriek môžu byť analyzované pomocou hmotnostnej spektrometrie. Elektrónová a chemická ionizácia sú používané pre plyny a pary. Pri chemickej ionizácii zdrojov je analyt ionizovaný chemickými ión-molekulami reagujúcimi počas kolízií v zdroji.

Indukčne viazaná plazma (ICP), – tento typ zdrojov sa využíva predovšetkým pre analýzu katiónov a širokú škálu typov vzoriek. U tohto typu technológie 'plameň' z plazmy, ktorý je celkovo elektricky neutrálny, ale podstatná časť jeho atómov ionizovaných vysokou teplotou, sa používa na atomizáciu daných vzoriek molekúl . Plazma je obvykle generovaná z argónu, pretože prvá ionizačná energia atómov argónu je vyššia ako prvá ionizačná energia iných prvkov, s výnimkou hélia, kyslíka, fluóru a neónu, ale nižšia ako druhá ionizačná energia všetkých, okrem elektropozitívnych kovov.

Technológia hmotnostného analyzátora

Hmotnostné analyzátory oddeľujú ióny podľa ich m/Q pomeru. Nasledujúce dva zákony sa riadia dynamikou nabitých častíc v elektrických a magnetických poliach vo vákuu:

$\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )$ (Lorentzov zákon sily)

$\mathbf {F} =m\mathbf {a}$ (Newtonov druhý pohybový zákon v nerelativistickom prípade, t. j. platí len pri rýchlosti iónov výrazne nižšiej, než je rýchlosť svetla).

F je tu sila pôsobiaca na ióny, m je hmotnosť iónov, a je zrýchlenie, Q je náboj iónu, E je elektrické pole, AVX B je vektor, vektorový súčin iónov rýchlosti a magnetické pole.

Znamienko rovnosti medzi výrazy pre vyššie uvedené sily pôsobiace na ión obnáša:

$(m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .$

Táto diferenciálna rovnica je klasickou rovnicou pohybu pre nabité častice a pri zadaných okrajových podmienkach určuje ich pohyb v závislosti na pomere m/Q.

Existuje mnoho typov hmotnostných analyzátorov: statické alebo dynamické, magnetické alebo elektrické, ale všetky fungujú podľa vyššie uvedenej diferenciálnej rovnice. Každý typ analyzátora má svoje silné a slabé stránky. Mnoho hmotnostných spektrometrov používa dva alebo viac hmotnostných analyzátorov pre tandemovú hmotnostnú spektrometriu (MS/MS). Okrem bežnejších hmotnostných analyzátorov uvedených nižšie, sú tam aj iné, určené pre zvláštne situácie.

Sektor

Sektorové pole hmotnostného analyzátora využíva elektrické a/alebo magnetické pole, ktoré ovplyvňujú cestu a/alebo rýchlosť pohybu nabitých častíc. Ako je uvedené vyššie, sektorové pole ohýba trajektóriu iónov pri prechode hmotnostným analyzátorom podľa ich m/Q pomeru, vychyľovanie viac nabitých a rýchlejšie sa pohybujúcich ľahších iónov je výraznejšie. Analyzátor môže byť použitý k výberu úzkeho rozsahu m/z pomeru alebo na skenovanie prostredníctvom série m/z, či katalogizáciu iónov v reálnom čase.

Čas letu

Analyzátor času letu používa elektrické pole k urýchleniu iónov s rovnakým potenciálom. Ak majú častice rovnaký náboj, bude kinetická energia častíc totožná, a ich rýchlosť bude závisieť iba na ich hmotnosti. Ľahšie ióny dosiahnu detektor prvé.

Kvadrupólový hmotnostný filter

Kvadrupólový hmotnostný analyzátor používa oscilujúce elektrické pole k selektívnemu stabilizovaniu alebo destabilizovaniu cesty iónov rádiovými frekvenciami (RF), elektrické pole je vytvorené zo štyroch paralelných tyčí – elektród. Iba ióny v určitom rozsahu m/Q pomeru sú predávané prostredníctvom systému kedykoľvek. Zmeny potenciálov na elektródach umožňujú široký rozsah m/z hodnoty. Kvadrupólový filter pôsobí v hmotnostnom analyzátore ako selektívny filter m/z a je úzko spojený s kvadupólovou iónovou pascou. Ďalšie variácie kvadrupolia je trojnásobné kvadrupole.

Trojnásobne kvadrupólové hmotnostné spektrometre majú tri po sebe idúce kvadrupóly usporiadané za sebou. Prvý kvadrupól sa chová ako hmotnostný filter, druhý pôsobí ako kolízny ciel, kde sú vybrané ióny rozdelené do fragmentov. Výsledné fragmenty sa analyzujú tretím kvadrupólom.

Trojdimenzionálna kvadrupólová iónová pasca

Kvadrupólová iónová pasca pracuje s rovnakými fyzikálnymi zákonmi ako kvadrupólové hmotnostne analyzátory, ale ióny sú zachytené do pasce a následne vyhodnotené. Vzorka sa ionizuje buď interne (napr. elektrónovým alebo laserovým lúčom), alebo externe, v takom prípade sú ióny často zavádzané cez otvor k takzvanému „čelu“ elektródy.

Existuje mnoho m/Q separačných a izolačných metód, ale najpoužívanejšou je hmotnostný nestabilný mód, v ktorom je potenciál rádiovej frekvencie udržiavaný tak, že orbity iónov s hmotou "a">"b", sú stabilné, kým ióny s hmotnosťou "b"<"a" sú nestabilné a sú katapultované na z-os na detektore. Tam sú tiež použité nedeštruktívne metódy analýzy.

Ióny môžu tiež byť vyhodnotené metódou rezonančnej excitácie, kedy je doplnkové oscilačné budiace napätie aplikované na čelo elektródy, a odchytenie amplitúdy napätia a/alebo frekvencie budiaceho napätia je rozmanito prenášané iónmi do rezonančného stavu v poradí podľa ich m/Q pomeru.

Valcová iónová pasca hmotnostného spektrometra je derivátom kvadrupólovej hmotnostnej spektrometrálnej iónovej pasce.

Lineárna kvadrupólová iónová pasca

Lineárna kvadrupólová iónová pasca je podobná kvadrupólovej iónovej pasci, ale tá zachytáva ióny v dvojrozmernom kvadrupólovom poli, namiesto trojdimenzionálnych kvadrupólových polí ako v 3D kvadrupólovej iónovej pasci. Príkladom lineárnej iónovej pasce je Thermo Fisher LTQ (v slovenčine známa ako „Termo Fisherová kvadrupólová lineárna pasca“).

Detektor

Posledným prvkom hmotnostného spektrometra je detektor. Zaznamenáva vyvolané alebo aktuálne prechody iónov alebo ich dopady. Detektor sa skladá z dvoch kovových dosiek, ktoré zaznamenávajú prechody iónov.

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Hmotnostní spektrometrie na českej Wikipédii (číslo revízie nebolo určené).

Chemický portál