Massispektromeetria

Lihtsustatud näide

Järgnev näide kirjeldab sektor-tüüpi massianalüsaatoriga massispektromeetri tööd (teisi tüüpe on käsitletud allpool). Uuritavaks prooviks on näites naatriumkloriid (keedusool). Proov aurustatakse (viiakse gaasifaasi) ning ioniseeritakse ioonallikas (muudetakse elektriliselt laetud osakesteks). Selle tulemusena on tekkinud naatrium- (Na⁺) ja kloriid- (Cl⁺) ioonid. Naatriumi aatomid on monoisotoopsed, massiga 23 amü. Kloori aatomid ja ioonid esinevad kahe isotoobina massidega umbes 35 amü (naturaalse sisaldusega umbes 75 protsenti) ja umbes 37 amü (naturaalse sisaldusega umbes 25 protsenti). Spektromeetri analüsaatori osas on elektrilised ja magnetilised väljad, mis mõjutavad ioone välja läbimise ajal ja muudavad nende liikumise trajektoori. Iooni kõrvalekalde ulatus magnetväljas sõltub tema massi ja laengu suhtest. Magnetjõud mõjutavad kergemaid ioone tugevamini kui raskemaid (Newtoni II seaduse põhjal F=ma) ja seetõttu on nende kõrvalekalle suurem. Pärast analüsaatori läbimist liiguvad sorteeritud ioonid detektorisse, mis mõõdab iga iooni suhtelise esinemise. Seda informatsiooni kasutatakse esialgse proovi elemendilise- ja isotoopkoostise määramiseks (näiteks praegu kasutatud proovis on olemas nii naatrium kui kloor ning kloori esineb suhtes 3:1 ³⁵Cl:³⁷Cl)

Ioonide tekitamine

Ionisatsiooniallikas on massispektromeetri osa, mis ioniseerib analüüdi, misjärel transporditakse ioonid erinevate magnet- ja elektriväljadega massianalüsaatorisse. Esimesed kasutusele tulnud ja ka praegu kasutusel olevad ionisatsioonimeetodid, nagu EI ja CI, võimaldasid ioniseerida vaid gaasilisi või aurustatud proove ja kasutusala ei laienenud tahketele ja vedelatele proovidele. Kuid ionisatsioonimeetodite arenguga on saanud võimalikuks ka vedelate ja tahkete proovide ioniseerimine ja sisestamine massispektromeetri tööks vajalikku kõrgvaakumisse.
Elektronionisatsioon (EI) ja keemiline ionisatsioon (CI) on kasutusel gaaside ja aurude uurimiseks. Keemilisel ionisatsioonil ioniseeritakse analüüt ioon-molekul reaktsioonidega kokkupõrgetel keemilise molekuliga, mis on juba eelnevalt ioniseeritud. Vedelate ja tahkete proovide ioniseerimiseks on teiste hulgas kasutusel elektropihustusionisatsioon (ESI – leiutaja John Fenn) ja Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI, esialgselt leiutas sarnase tehnoloogia Soft laser desorption (SLD) Koichi Tanaka, mille eest anti ka Nobeli auhind, ning MALDIna leiutasid selle Michael Karas ja Franz Hillenkamp).
Kuna massianalüsaator vajab töötamiseks kõrgvaakumit, siis vedelate ja tahkete proovide otsene sisestamine polnud võimalik. Seetõttu laiendas nende kahe ionisatsiooniallika avastamine massispektromeetria kasutusala gaasilistelt proovidelt ka tahketele ja vedelatele proovidele.

Induktiivsidestatud plasma

Induktiivsidestatud plasma (ICP) ionisatsiooniallikaid kasutatakse peamiselt katioonide analüüsiks väga erinevates proovides, kus soovitakse läbi viia aatommassispektromeetriat. Atomiseerimiseks ja ioniseerimiseks kasutatakse selles meetodis plasma "leeki", mis on üldiselt elektriliselt neutraalne, kuid sisaldab märkimisväärset osa kõrge temperatuuri tõttu ioniseeritud aatomeid. Plasma tekitatakse tavaliselt ülipuhtast argoongaasist, kuna argooni aatomite esimene ionisatsioonienergia on suurem kui teiste elementide (v.a He, O, F ja Ne) oma, kuid madalam kui kõikide metallide (v.a kõige elektropositiivsemad) teine ionisatsioonienergia. Kuumutamine saavutatakse raadiosagedusliku vooluga, mida juhitakse läbi plasmat ümbritseva mähise.

Teised ionisatsiooniallikate tüübid

Teiste hulgas on veel meetodid nagu glow discharge, field desorption (FD), fast atom bombardment (FAB), thermospray, desorption/ionization on silicon (DIOS), Direct Analysis in Real Time (DART),atmospheric pressure chemical ionization (APCI), secondary ion mass spectrometry (SIMS), spark ionization and thermal ionization (TIMS). Ion attachment ionization on ionisatsioonimeetod, mis võimaldab fragmendivaba ioniseerimist.

Sektor-tüüpi massianalüsaatorid

Sektor-tüüpi instrument kasutab elektri- ja/või magnetvälja, et mõjutada mingil viisil laetud osakese trajektoori ja/või kiirust. Nagu ülal näidatud, mõjutavad sektor-tüüpi seadmed ioonide trajektoori nende liikumisel läbi massianalüsaatori sõltuvalt nende massi ja laengu suhtest, seejuures mõjutades rohkem laetud ja kiiremini liikuvaid väikesi ioone. Analüsaatorit on võimalik kasutada kitsa m/z vahemiku jaoks või skaneerida läbi lai m/z vahemik kõikide olemasolevate ioonide tuvastamiseks.

Lennuaja massianalüsaatorid

Lennuaja (TOF) analüsaator kasutab elektrivälja, et ioone samasuguse potentsiaaliga kiirendada ja mõõdab aega, mille jooksul ioonid detektorini jõuavad. Kui osakestel on kõigil sama laeng, siis saadud kineetilised energiad on identsed ning nende kiirused sõltuvad ainult nende massidest. Kergemad ioonid jõuavad detektorisse varem kui raskemad ioonid.