Massispektromeetria

Massispektromeetria (MS) on analüütilise keemia meetod, millega on võimalik mõõta osakeste massi ja elektrilaengu suhet (m/z, kus m on iooni mass, z on iooni laeng).

Seda meetodit kasutatakse osakeste molekulmasside määramiseks, proovi või molekuli elemendilise koostise määramiseks ning peptiidide või teiste keemiliste ühendite struktuuri välja selgitamiseks. 
Massispektromeetria põhimõte seisneb keemiliste ühendite ioniseerimises, et tekitada laetud molekulid või molekulide fragmendid, ning nende massi ja laengu suhte määramises.

Massispektromeetrilise analüüsi protseduur:

proov sisestatakse massispektromeetria aparatuuri ja aurustatakse;
ühendid ioniseeritakse mõne ioniseerimismeetodiga (näiteks elektronionisatsioon EI), mille tulemusena tekivad laetud osakesed (ioonid);
ioonid eraldatakse analüsaatoris elektromagnet- või magnetväljade abil sõltuvalt nende massi ja laengu suhtest;
ioonid detekteeritakse mõne kvantitatiivse meetodiga;
saadud signaalist koostatakse massispekter.

Põhilised MS-seadme osad:

proovisisestusliides, mille erinevad vormid võivad olla gaasilise, vedela ja tahke aine massispektromeetria seadmesse sisestamiseks;
vaakumsüsteem, mis on hädavajalik massispektromeetria aparatuuri tööks;
ionisatsiooniallikas, mis tekitab gaasifaasis olevatest molekulidest ioonid, et neid oleks võimalik lahutada nende massi ja langu suhtest lähtuvalt (vedelate ja tahkete proovide korral viib lahuses või tahkes lahuses olevad ioonid gaasifaasi);
massianalüsaator eraldab elektromagnet- või magnetväljas ioonid nende massi ja laengu suhte järgi;
tajur mõõdab tekkinud signaalide tugevust ja võimaldab andmetest välja arvutada iga iooni esinemise hulga;
signaalitöötlus võimaldab luua massispektri, kus on kajastatud tuvastatud ioonide jaotus.

Meetodit kasutatakse nii kvalitatiivseteks kui ka kvantitatiivseteks uuringuteks. Kasutusaladeks on näiteks tundmatute ühendite identifitseerimine, molekuli isotoopse koostise määramine, struktuuri uurimine molekuli fragmentatsiooni jälgides. Rakendusteks on veel mõne ühendi kvantitatiivse sisalduse määramine proovis või gaasifaasi keemia (ioonide ja molekulide keemia vaakumis) alustalade uurimine. Praegu on massispektromeetria igapäevases kasutuses analüütilise keemia laborites, mis uurivad suure hulga erinevate ühendite füüsikalisi, keemilisi ja bioloogilisi omadusi.

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.

Massi selekteerimine

Massianalüsaatorid eraldavad ioonid sõltuvalt nende massi ja laengu suhtest. Erinevaid massianalüsaatoreid on palju ja kõik kasutavad kas staatilisi või dünaamilisi magneti- või elektrivälju. Igal analüsaatoritüübil on omad tugevused ja nõrkused. Paljud massispektromeetrid kasutavad korraga kaht või rohkemat massianalüsaatorit, et teostada tandemmassisspektromeetriat (MS/MS). Lisas alltoodud tavalisematele analüsaatoritele on kasutusel ka spetsiifilisteks situatsioonideks disainitud analüsaatorid.

Mitmete tähtsate analüsaatorite karakteristikute hulka kuuluvad

lahutusvõime, mis näitab, kas analüsaator on võimeline eristama kaht pisut erineva massi ja laengu suhtega iooni piiki massispektris;
massitäpsus on analüüdi mõõdetud massi ja laengu väärtuse ja tõelise massi ja laengu suhte suhe. Tavaliselt mõõdetakse seda ppm-des;
massivahemik on massi ja laengu suhete vahemik, mida on selle analüsaatoriga võimalik mõõta;
lineaarne dünaamiline ala on ala, kus iooni signaal on lineaarses suhtes analüüdi kontsentratsiooniga;
kiirus näitab üheks mõõtmiseks kuluvat aega ja spektrite hulka, mida on võimalik ühes ajaühikus registreerida.

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.

Fourier' teisendusega massianalüsaator

FT-ICR MS-i korral suletakse Ioonid magnetvälja mõjualasse elektriliselt laetud plaatide keskele, kus nad tiirlevad magnetvälja mõjul sagedusel, mis on omane nende massi ja laengu suhtele. Mõõtmiseks ergastatakse selles ioonlõksus olevad ioonid magnetvälja jõujoontega risti ja perioodiliselt võnkuva elektriväljaga suuremale tiirlemise raadiusele (cyclotron radius). Ergastamine põhjustab ka kõikide ioonide ühes faasis liikuma hakkamise. Kuid kuna tiirlemise sagedus sõltub iooni massi- laengu suhtest, siis koos liikumine lakkab peaaegu kohe ja koos liikuma jäävad vaid sama massi ja laengu suhtega ioonid. 
Fourier' teisendusega massispektromeetria (FT-ICR MS) erineb tugevalt teistest massispektromeetria tehnoloogiatest: 
Ioonid tuvastatakse mitte tajuriga põrkudes nagu elektronkordistis, vaid hoopis mõõtes elektrilist signaali, mis tekib fikseeritud detektorplaatidel, kui ioonid tiirlemise käigus plaatidest lähedalt mööduvad. Möödumise käigus tekitavad ioonid plaatidel perioodilise signaali, mis koosneb superpositsioonis olevatest siinuslainetest ja mida nimetatakse kui free induction decay, transient või interferogramm;
FTMS on suure tundlikkusega, kuna igat iooni loetakse rohkem kui korra, sellest tulenevalt ka parema resolutsiooni ja täpsusega.

Vaata ka 
 Kvadrupool mass-spektromeetri tööpõhimõtte animatsioon
 Vedelikkromatograafia-massispektromeetria

Viited

Kasutatud kirjandus
Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Nieman, Timothy A. "Principles of Instrumental Analysis" Fift edition, Chapter 20, lk 498–534
Lambert, Joseph B.; Shurvell, Herbert F.; Lightner, David; Coocs, R. Graham "Introduction to Organic Spectroscopy" Part IV, lk 315–398

Analüütiline keemia