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:
Põhilised MS-seadme osad:
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
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: