Hmotnostní spektrometrie

Z Multimediaexpo.cz

Hmotnostní spektrum Toluenu

Hmotnostní spektrometrie (zkratka MS z anglického Mass spectrometry) je metoda analytické chemie. Hmotnostní spektrometrie pracuje s dělením podle poměru m/Q, kde m je hmotnost a Q je náboj fragmentu. Používá se pro určení hmotnosti částic, či stanovení elementárního složení vzorku nebo molekuly, a pro objasnění chemické struktury molekul, jako jsou peptidy a jiné chemické sloučeniny. Princip hmotnostní spektrometrie je založen na ionizujících chemických sloučeninách, výrobě nabité molekuly nebo fragmentu molekuly a měření jejich hmotnosti vzhledem k náboji. Postup hmotnostní spektrometrie:

1. Vzorek je umístěn do přístroje a podstoupí odpařování.
2. Složky vzorku jsou ionizovány jedním z mnoha způsobů (například dopadem elektronového paprsku), což má za následek vytvoření nabitých částic - iontů.
3. Ionty jsou odděleny podle m/Q poměru v analyzátoru elektromagnetického pole.
4. Ionty jsou detekovány, obvykle kvantitativní metodou.
5. Iont je zpracován hmotnostním spektrometrem.

Hmotnostní spektrometry se skládají ze tří modulů:

• Prvním modulem je zdroj iontů, jímž lze převést molekuly plynu na ionty
• Druhým modulem je hmotnostní analyzátor, který třídí ionty podle jejich hmotnosti s použitím elektromagnetických polí
• Třetím modulem je detektor, který měří hodnotu indikátoru množství, a tak poskytuje data pro výpočet hojnosti každého iontu v reálném čase.

Technika má jak kvalitativní a kvantitativní využití. Patří mezi ně identifikace neznámých látek, určování izotopového složení prvků v molekule a stanovení struktury sloučeniny tím, že pozoruje jeho roztříštěnost. Další použití zahrnují kvantitativní množství směsi ve vzorcích nebo studium základů iontů v plynné fázi chemie (chemie iontů a neutrálních ve vakuu). Hmotnostní spektrometrie se nyní velmi běžně používá v analytických laboratořích, které studují fyzikální, chemické nebo biologické vlastnosti nejrůznějších sloučenin.

Historie

Replika prvního hmotnostního spektrometru

Roku 1886, Eugen Goldstein pozoroval záření v plynu vypouštěné při nízkém tlaku, které probíhalo od anody přes kanály k perforované katodě. Naproti tomuto záření proudilo opačné záření. Goldstein nazýval tyto kladně nabité paprsky "Kanalstrahlen" což v češtině znamená "kanálové paprsky". Wilhelm Wien zjistil, že silná elektrická nebo magnetická pole odchylují kanálové paprsky a roku 1899, postavil zařízení s paralelním elektrickým a magnetickým polem, která oddělují pozitivní paprsky podle jejich m/Q poměru. Wien objevil, že m/Q poměr závisí na povaze plynu ve výbojce. Anglický vědec J.J. Thomson později vylepšil práci Wiena snížením tlaku k vytvoření hmotnostní spektrometrie.

První použití hmotnostní spektrometrie k analýze aminokyselin a peptidů bylo provedeno v roce 1958. Carl-Ove Andersson označil hlavní fragmenty iontů pozorovaných během ionizace methylesterů.

Některé z moderních technik hmotnostní spektrometrie byly popsány Arthurem Jeffreym Dempsterem a Francisem Williamem Astonem roku 1918 respektive roku 1919. V roce 1989 byla polovina Nobelovy ceny za fyziku udělena Hansy Dehmeltovi a Wolfgangu Paulovi za rozvoj techniky iontové pasti mezi lety 1950 až 1960. Roku 2002 byla Nobelova cena za chemii udělena Johnu Bennettovi Fennovi pro vývoj ionizujícího elektro-spreje (ESI) a Koichimu Tanakaovi za rozvoj jemné laserové desoprce (SLD) a jejich využití pro ionizaci biologických makromolekul, především proteinů.

Součásti

Ed Westcott: Operátoři na hmotnostním spektrometru Calutron během druhé světové války, národní nukleární bezpečnostní komplex Y-12, projekt Manhattan, Oak Ridge. Spektrometry se používaly pro přípravu uranové rudy na štěpný materiál. Během projektu Manhattan na stavbu atomové výbušné zbraně lidé pracovali v tajnosti a neměli žádnou představu, k čemu jejich práce na konci slouží.

Technologie iontového zdroje

Iontový zdroj je součástí hmotnostního spektrometru. Tato součást ionizuje materiál podle analýzy (analytu). Ionty jsou pak transportovány magnetickými nebo elektrickými poli k hmotnostnímu analyzátoru. Techniky ionizace byly klíčem k určení, jaké typy vzorků, mohou být analyzovány pomocí hmotnostní spektrometrie. Elektronová a chemická ionizace jsou používány pro plyny a páry. Při chemické ionizaci zdrojů, je analytu ionizovaného chemickými iont-molekulami reagujícími během kolizí ve zdroji.

Indukčně vázanou plazmou (ICP), zdroje jsou využívány především pro analýzu kationtů a širokou škálu typů vzorků. U tohoto typu technologie iontového zdroje, 'plamen' z plazmy, který je celkově elektricky neutrální, ale podstatná část jeho atomů ionizovaných na vysokou teplotou, se používá k atomizaci daných vzorků molekul a další pás vnějších elektronů od těchto atomů. Plazma je obvykle generována z argonu, protože první ionizační energie atomů argonu je vyšší než první ionizační energie jiných prvků, s výjimkou He, O, F a Ne, ale nižší než druhá ionizační energie všech, kromě elektropozitivních kovů.

Technologie hmotnostního analyzátoru

Hmotnostní analyzátory oddělují ionty podle jejich m/Q poměru. Následující dva zákony se řídí dynamikou nabitých částic v elektrických a magnetických polí ve vakuu:

\(\mathbf{F} = q (\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})\) (Lorentzův zákon síly)

\(\mathbf{F}=m\mathbf{a}\) (Newtonův druhý pohybový zákon v nerelativistickém případě, tj. platí pouze při rychlosti iontů výrazně nižší, než je rychlost světla).

F je zde síla působící na ionty, m je hmotnost iontů, a je zrychlení, Q je náboj iontu, E je elektrické pole, a v x B je vektor, vektorový součin iontů rychlosti a magnetické pole.

Rovnítko mezi výrazy pro výše uvedené síly působící na iont obnáší:

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

Tato diferenciální rovnice je klasická rovnice pohybu pro nabité částice. Spolu s částečkami počátečních podmínek, částice zcela určují pohyb v prostoru a čase, pokud jde o poměr m / Q.

Existuje mnoho typů hmotnostních analyzátorů, statické či dynamické, nebo magnetické či elektrické , ale všechny fungují podle výše uvedené diferenciální rovnice. Každý typ analyzátoru má své silné a slabé stránky. Mnoho hmotnostních spektrometrů používá dva nebo více hmotnostních analyzátorů pro tandemové hmotnostní spektrometrie (MS / MS). Kromě běžnějších hmotnostních analyzátorů uvedených níže, jsou tam i jiné, určené pro zvláštní situace.

Sektor

Sektorové pole hmotnostního analyzátoru užívá elektrické a/nebo magnetického pole, které ovlivňují cestu a/nebo rychlost pohybu nabitých částic. Jak je uvedeno výše sektorové pole ohýbá trajektorii iontů, zatímco projdou hmotnostním analyzátorem, podle jejich m/Q poměru, vychylování více nabitých a rychleji se pohybujících lehčích iontů je znatelnější. Analyzátor může být použit k výběru úzkého rozsahu m/z poměru nebo skenování prostřednictvím řady m/z, ke katalogizaci iontů v reálném čase.

Čas letu

Analyzátor doby letu používá elektrické pole k urychlení iontů se stejným potenciálem. Pokud mají částice stejný náboj, bude kinetická energie částice totožná, a jejich rychlost bude záviset pouze na jejich hmotnosti. Lehčí ionty dosáhnou detektoru první.

Kvadrupólový hmotnostní filtr

Kvadrupólové hmotnostní analyzátory používají oscilující elektrická pole k selektivnímu stabilizování nebo destabilizovaní cesty iontů procházejícími rádiovými frekvencemi (RF), elektrické pole je vytvořeno ze čtyř paralelních tyčí - elektrod. Pouze ionty v určitém rozsahu m/Q poměru jsou předávány prostřednictvím systému kdykoliv, ale změny potenciálů na elektrodách umožňují široký rozsah m/z hodnoty, které se přehnaly rychle, a to buď kontinuálně, nebo v posloupnosti. Kvadrupólový filtr působí v hmotnostním analyzátoru jako selektivní filtr m/z a je úzce spojen s kvadupólovou iontovou pastí. Další variací čtyř-pole je trojnásobné čtyř-pole. Trojnásobné kvadrupólové hmotnostní spektrometry mají tři po sobě jdoucí kvadrupóly uspořádány za sebou. První kvadrupól se chová jako hmotnostní filtr, druhý působí jako kolizní cela, kde jsou vybrané ionty rozděleny do fragmentů. Výsledné fragmenty jsou analyzovány třetím kvadrupólem.

Tří-dimenzionální čtyř-pole iontové pasti

Čtyř-pólová iontová past pracuje za stejných fyzikálních zákonů jako čtyř-pólové hmotnostní analyzátory, ale ionty jsou zachyceny do pasti a následně vyhozeny. Ionty jsou v pasti hlavní čtyř-pólového pole rádiové frekvence, v prostoru ohraničeného kruhu (obvykle připojena k hlavnímu potenciálu rádiové frekvence) mezi dvěma elektrodami. Vzorek je ionizován buď interně (např. elektronovým nebo laserovým paprskem), nebo externě, v takovém případě jsou ionty často zaváděny přes otvor k takzvanému "čelu" elektrody.

Existuje mnoho m/Q separačních a izolačních metod, ale nejpoužívanější je hmotnostní nestabilní mód, v němž je potenciál rádiové frekvence udržován tak, že orbita iontů s hmotou "a">"b", je stabilní, zatímco ionty s hmotností "b"<"a" jsou nestabilní a jsou katapultoval na z-osu na detektoru. Tam jsou také použity nedestruktivní metody analýzy.

Ionty mohou také být vyhozeny metodou rezonanční excitace, kdy je doplňkové oscilační budící napětí aplikováno na čelo elektrody, a odchytnutá amplituda napětí a/nebo frekvence budicího napětí je rozmanitě přenášena ionty do rezonančního stavu v pořadí podle jejich m/Q poměru.

Válcové iontové pasti hmotnostního spektrometru jsou derivátem čtyř-pólové hmotnostní spektrometrální iontové pasti.

Lineární čtyř-pólové iontové pasti

Lineární čtyř-pólová iontová past je podobná čtyř-pólové iontové pasti, ale ta zachycuje ionty v dvourozměrném čtyř-pólovém poli, místo tří-dimenzionálních čtyř-pólových polích jako v 3D čtyř-pólové iontové pasti. Thermo Fisher LTQ (v češtině známá jako "Thermo Fisherova čtyř-pólová lineární past") je příkladem lineární iontové pasti.

Fourierova transformace ion cyklotronová rezonance

Fourierova transformace hmotnostní spektrometrie (FTMS) je opatření, které zachytí obraz současně vytvořených iontů v magnetickém poli v reálném čase. Místo měření vychýlení iontů s detektorem, ionty jsou odvedeny do Penningovi pasti(statická elektrická / magnetická iontová past). Detektory na pevných pozicích v prostoru měří elektrický signál iontů, které projdou blízko nich v průběhu doby, během periodického signálu.

Iontová cyklotronová rezonance (ICR) je starší technika hmotnostní analýzy, tato technika je podobná FTMS kromě toho, že ionty jsou detekovány s tradičním detektorem. Ionty chycené v Penningově pasti jsou vybuzeny RF elektrickým polem, než dopadnou na stěny pasti, kde se nachází detektor. Ionty různé hmotnosti jsou rozděleny podle času dopadu.

Detektor

Posledním prvkem hmotnostního spektrometru je detektor. Zaznamenává vyvolané nebo aktuální průchody iontů nebo jejich dopady. Detektor se skládá ze dvou kovových desek, které zaznamenávají průchody iontů.

Reference