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. Princíp hmotnostnej spektrometrie je založený na ionizujúcich chemických zlúčeninách, pri výrobe nabitých molekúl alebo fragmentov molekúl a merania ich hmotnosti vzhľadom k náboju

Postup hmotnostnej spektrometrie:

1. Vzorka je umiestnena 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 pomere 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 ako kvalitatívne a kvantitatívne využitie. Patrí medzi ne identifikácia neznámych látok, určovanie izotopového zloženia prvkov v molekule a stanovenie štruktúry zlúčeniny tým, že pozoruje jeho fragmentáciu. Ďalšie použitie zahŕňajú kvantitatívne množstvo zmesi vo vzorkách alebo štúdium základov iónov v plynnej fáze chémie (chémia iónov a neutrálnych vo vákuu). Hmotnostná spektrometria sa teraz veľmi bežne používa v analytických laboratóriách, ktoré študujú fyzikálne, chemické alebo biologické vlastnosti najrôznejších zlúčenín.

História

Replika prvého hmotnostného spektrometra.

Roku 1886, Eugen Goldstein pozoroval žiarenia v plyne vypúšťané 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“ čo v slovenčine znamená „kanálové lúče.“ Wilhelm Wien zistil, že silné elektrické alebo magnetické pole odchyľujú kanálové lúče a 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. Anglický vedec Joseph J. Thomson neskôr vylepšil prácu Wiena znížením tlaku na vytvorenie hmotnostnej spektrometrie.

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 pre vývoj ionizujúceho elektro-spreja (ESI) a Koichimu Tanakaovi za rozvoj mäkkej laserovej desorpcie (SLD) a ich využitie pre 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 práce na konci slúžia. Gladys Owensová, žena sediaca v popredí, si uvedomila čo robila až 50 rokov potom, čo uvidela túto fotografiu na verejné 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 ionizovan chemickými ión-molekulami reagujúcimi počas kolízií v zdroji.

Indukčne viazanou plazmou (ICP), zdroje sú využívané predovšetkým pre analýzu katiónov a širokú škálu typov vzoriek. U tohto typu technológie iónového zdroja, 'plameň' z plazmy, ktorý je celkovo elektricky neutrálny, ale podstatná časť jeho atómov ionizovaných na vysokou teplotou, sa používa na atomizáciu daných vzoriek molekúl a ďalší pás vonkajších elektrónov od týchto atómov. 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 riadi dynamikou nabitých častíc v elektrických a magnetických polí 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, tj platí len pri rýchlosti iónov výrazne nižšia, 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. Spolu s čiastočkami počiatočných podmienok, častice úplne určujú pohyb v priestore a čase, pokiaľ ide o pomer m/Q.

Existuje mnoho typov hmotnostných analyzátorov, statické alebo dynamické, alebo 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 hmotnosti 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 užíva elektrické a/alebo magnetického poľa, ktoré ovplyvňujú cestu a/alebo rýchlosť pohybu nabitých častíc. Ako je uvedené vyššie sektorové pole ohýba trajektóriu iónov, zatiaľ čo prejdú hmotnostným analyzátorom, podľa ich m/Q pomere, vychyľovanie viac nabitých a rýchlejšie sa pohybujúcich ľahších iónov je výraznejšia. Analyzátor môže byť použitý k výberu úzkeho rozsahu m/z pomeru alebo skenovanie prostredníctvom série m/z, k 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 častice totožná, a ich rýchlosť bude závisieť iba na ich hmotnosti. Ľahšie ióny dosiahnu detektora prvý.

Štvorpólový hmotnostný filter

Štvorpólový hmotnostný analyzátor používa oscilujúce elektrické pole k selektívnemu stabilizovaniu alebo destabilizovaniu cesty iónov prechádzajúcimi rádiovými frekvenciami (RF), elektrické pole je vytvorené zo štyroch paralelných tyčí - elektród. Iba ióny v určitom rozsahu m/Q pomere sú predávané prostredníctvom systému kedykoľvek, ale zmeny potenciálov na elektródach umožňujú široký rozsah m/z hodnoty, ktoré sa prehnali rýchlo, a to buď kontinuálne, alebo v postupnosti. Štvorpólový filter pôsobí v hmotnostnom analyzátore ako selektívny filter m/z a je úzko spojený s kvadupólovou iónovou pascou. Ďalšie variácie štvorpolia je trojnásobné štvorpole.

Trojnásobne štvorpólové 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 štvorpólová iónová pasca

Štvorpólová iónová pasca pracuje rovnakými fyzikálnymi zákonmi ako štvorpólové hmotnostne analyzátory, ale ióny sú zachytené do pasce a následne vyhodnotené. Ióny sú v pasci hlavného štvorpólového poľa rádiovej frekvencie, v priestore ohraničeného kruhom (zvyčajne pripojene k hlavnému potenciálu rádiovej frekvencie) medzi dvoma elektródami. 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 orbita 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 ióny do rezonančného stavu v poradí podľa ich m/Q pomere.

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

Lineárna štvorpólová iónová pasca

Lineárna štvorpólová iónová pasca je podobná štvorpólovej iónovej pasci, ale tá zachytáva ióny v dvojrozmernom štvorpólovom poli, namiesto trojdimenzionálnych štvorpólových poliach ako v 3D štvorpólové iónove pasce. Thermo Fisher LTQ (v slovenčine známa ako „Termo Fisherová štvorpólová lineárna pasca“) je príkladom lineárnej iónovej pasce.

Fourierova transformácia ión-cyklotrónovej rezonancie

Fourierova transformácia hmotnostnej spektrometrie (FTMS) je opatrenie, ktoré zachytia obraz súčasne vytvorených iónov v magnetickom poli v reálnom čase. Miesto merania vychýlenia iónov s detektorom, ióny sú odvedené do Penningovej pasce (statická elektromagnetická iónová pasca). Detektory na pevných pozíciách v priestore meria elektrický signál iónov, ktoré prejdú blízko nich v priebehu doby, počas periodického signálu.

Iónová cyklotrónová rezonancia (ICR) je staršia technika hmotnostnej analýzy, táto technika je podobná FTMS okrem toho, že ióny sú detegované s tradičným detektorom. Ióny chytené v Penningovej pasci sú vybudené RF elektrickým poľom, ako dopadnú na steny pasce, kde sa nachádza detektor. Ióny rôznej hmotnosti sú rozdelené podľa času vplyvu.

Detektor

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

Zdroj

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