Massaspektrometria

Massaspektrometri (MS) eli massaspektrografi on laite, jota käytetään positiivisten tai negatiivisten ionien alkeisvarausten ja molekyylien tai atomien massojen tutkimisessa sekä fysikaalisessa tutkimuksessa, kuten alkuaineiden isotooppijakaumien selvittämisessä. Suppeasti sanottuna massaspektrometrit ovat atomi- ja molekyylivaakoja. Ne eivät kuitenkaan suoraan mittaa atomien tai molekyylien massoja vaan näistä muodostettujen ionien massan ja varauksen suhdelukua toisin kuin termi ”"massa"spektrometri” voi antaa ymmärtää.
Massaspektrometrit koostuvat ionilähteestä, massa-analysaattorista ja ionien havaitsimesta. Ionilähteellä kiinteästä, nestemäisestä tai kaasumaisesta aineesta tuotetaan kaasumaisia ioneita. Ioneita voidaan erotella sitten analysaattoreilla eri tavoin kuten sähkömagneettisin kentin. Tämänlaisissa analysaattoreissa ionit erkanevat niiden eriävien liike-energioiden perusteella. Analysaattoreita voi olla perättäin useita joissa erotellut ionit lopuksi havaitaan havaitsimella. Havainnoista tehdään kuvaaja, "massaspektri". Yleisen tavan mukaan massaspektrissä x-akselille asetetaan havaittujen ionien varsinaisen massa-varaus-suhteen sijaan "m/z"-arvot ja y-akselille ionien suhteelliset osuudet usein prosentteina.
Kaikki massaspektrometrit toimivat ainakin osin tyhjiötä lähellä olevassa hyvin matalassa paineessa eli vakuumissa. Tämä mahdollistaa ionien liikkeen laitteistossa, sillä muuten ionit törmäisivät ilman molekyyleihin ja atomeihin menettäen varauksensa, jolloin niitä ei voida havaita. Fragmentoinniksi kutsuttua tahallista molekyylien hajotusta esimerkiksi jalokaasujen avulla saatetaan kuitenkin joissain tilanteissa käyttää. Lisäksi tietynlaisissa API-ionisaattoreita () käyttävissä massaspektrometreissä ionisaatio tapahtuu ilmakehän paineessa, mutta muut vaiheet etenevät vakuumissa. Näistä kerrotaan alla kohdissa APCI ja APPI.
Historia.
Ensimmäisen massaspektrometrin rakensi J. J. Thomson 1912. Laitettaan hän kutsui parabola spektrografiksi. Laitteella hän sai aineiden O2, N2, CO, CO2 ja COCl2 massaspektrit, ja havaitsi negatiivisesti varautuneita ioneita (anioneja) ja monivarauksellisia ioneita. 1913 hän löysi neonin isotoopit 20 ja 22.
"m/z".
IUPAC:n mukaan "m/z" (kirjoitetaan kursivoituna) on tutkitun ionin massa atomimassayksikköinä u jaettuna ionin varausluvun itseisarvolla |z| (u/|z|), eli massoja ei jaeta negatiivisilla varauksilla. "m/z"-arvot ovat siten arvoltaan aina positiivisia. Varausluvut puolestaan ovat alkeisvarausten monikertoja kuten +1 ja +2. "m/z"-arvojen on myös määritelty olevan yksiköttömiä.
Massa-varaus -suhteesta erillinen käsite "m/z" on luotu IUPAC:in toimesta massaspektrometriassa käytettyjen yksikköjen yhtenäistämiseksi. Määritelmä on luotu myös siksi, että oltaessa tarkkoja merkityksistä, tarkoittaa massa-varaus -suhde esimerkiksi SI-yksikköinä ilmaistuna kilogrammoja (atomimassayksiköiden sijaan) jaettuna coulombeilla (kg/C eli m/Q). m/Q-suhde voi siten myös olla negatiivinen jos tutkitut ionit ovat negatiivisia, toisin kuin "m/z"-arvot. Lisäksi m/Q-suhteessa ionien varaukset coulombeina mitattuina eivät ole +1 ja +2 kaltaisia alkeisvarausten monikertoja vaan alkeisvarauksia.
Yksiköttömyydestä huolimatta käytännössä "m/z"-arvoista voi silti laskea havaittujen ionisoituneiden atomien tai molekyylien massat kertomalla ionien "m/z"-arvot ionien varausten itseisarvoilla mikäli nämä varaukset tunnetaan. Isotooppien luonnollinen jakauma, protonaatiot (vety-ionien liittymiset/poistumiset) tai muut kemialliset muutokset tulee kuitenkin ottaa huomioon varausten lisäksi jos tutkitun aineen ionisoimattoman ja kemiallisesti muuntumattoman muodon massa halutaan selvittää "m/z"-arvoista. Massat ilmaistaan tavallisesti yhtenäistettyinä atomimassayksikköinä (u) tai daltoneina (Da) yleensä käyttäen kokonaisluvuiksi pyöristettyjä nominaalisia tai desimaalisia monoisotooppisia massoja (nämä termit on selitetty alla osiossa massojen määritelmät). u ja Da ovat yksikköinä yhtä suuret (1 u = 1 Da), joten kumpaa vain voidaan haluttaessa käyttää.
Myös thomsoneita (Th) on käytetty massaspektreissä "m/z" sijaan. IUPAC ei ole 2013 jälkeen suositellut thomsonien käyttöä. Th on ionin massa (Da tai u) jaettuna ionin varausluvulla (esim. +1, +2 tai -2). Thomson voi siten olla positiivinen tai negatiivinen yksikkö, toisin "m/z".
Massojen määritelmät.
Massaspektrometriassa voidaan käyttää useita ionisoituneiden atomien ja molekyylien massan eri määritelmiä. Alla olevien esimerkkien arvot ovat pyöristettyjä arvoja kirjoitushetken (2017) tarkimmista tunnetuista isotooppien massoista. Kaikkien muiden massojen, paitsi nominaalisen massan laskemisessa ja tarkan massan määritelmässä, käytetään kemiallisesti sitoutumattomien eli yksittäisten perustilan (virittymättömien) isotooppien lepomassoja.
Nominaalinen (eng. "nominal") massa lasketaan jokaisen maankuoren yleisimmän isotoopin kokonaisluvuiksi pyöristetyistä massoista. Esimerkiksi 1H = 1 u ja 16O = 16 u, joten 1H216O = 18 u.
Monoisotooppinen (eng. "monoisotopic") massa lasketaan jokaisen maankuoren yleisimmän isotoopin desimaalisista massoista. Esimerkiksi 1H = 1.00783 u ja 16O = 15.99491 u, joten 1H216O = 18.01057 u.
Keskimääräinen (eng. "average") massa lasketaan desimaalisilla suhteellisilla eli standardiatomipainoilla. Esimerkiksi H = 1.00784 u ja O = 15.99903 u, joten H2O = 18.01471 u. Standardiatomipainot (eng. "standard atomic weight") ovat alkuaineen isotooppien massojen keskiarvoja, jotka on laskettu ottaen huomioon isotooppien suhteellinen yleisyys maankuoressa. Nämä arvot löytyvät pyöristettyinä useimmista jaksollisen järjestelmän taulukoista.
Kaikkein yleisin (eng. "most abundant") massa on yleisimmän havaitun ionisoituneen isotoopin tai isotooppiyhdistelmän massa. Ionia kutsutaan pääasialliseksi ioniksi (eng. "principal ion"). Harvinaisempien isotooppien tilastollinen todennäköisyys olla osana molekyyliä kasvaa molekyylin kasvaessa. Siksi massaspektrissä suurin tietyn molekyylin aiheuttama havaittu piikki poikkeaa monoisotooppisesta massasta jos molekyyli on kyllin suuri. Suurissa molekyyleissä monoisotooppinen massa voi olla spektrissä näkymätön. Tämä näkyy kuvan glukagoni-esimerkissä, jossa suuri yleisin piikki peittää mitättömän pienen monoisotooppisen piikin. Glukagoni nimittäin on runsaasti atomeita.
Tarkka (eng. "accurate") massa on kokeellisesti mitattu massa.
Eksakti (eng. "exact") massa on valittujen isotooppien massoista laskettu teoreettinen massa. Jos molekyylissä on muita kuin yleisimpiä isotooppeja (esimerkiksi 1H sijaan 2H) kutsutaan eksaktia massaa myös isotopologiseksi (eng. "isotopologue") massaksi monoisotooppisen massan sijaan.
Massavajeeksi (eng. "mass defect") kutsutaan eroa monoisotooppisen ja nominaalisen massan välillä. Termi massaspektrometriassa ei siis tarkoita samaa kuin massavaje ydinfysiikassa.
Resoluutio.
Resoluutiolla (R) eli erotuskyvyllä tarkoitetaan massaspektrometrin kykyä erottaa toisistaan eri "m/z" omaavien ionien signaalit toisistaan. R määritellään kahdelle sulautuneelle piikille usein seuraavanlaisesti:
R = m / Δm = m1 / (m1 – m2)
Kuvassa oikealla olevan yksittäisen piikin resoluutio lasketaan piikin leveydestä korkeudelta, jossa h:n arvo on puolet H:n arvosta, eli puoliarvoleveydellä (eng. "full width at half-maximum", FWHM). Vasemmalla kuvassa näkyvän h:n korkeus saa yleensä olla enimmillään 10 % H:n korkeudesta ICR-analysaattoreilla ja muilla korkean resoluution laitteilla. Arvon maksimi on tyypillisesti 50 % kvadrupoleilla, TOF-analysaattoreilla ja vastaavilla matalan resoluution laitteilla. Suurempi resoluution arvo merkitsee parempaa resoluutiota. Resoluutioon vaikuttaa käytetty analysaattori.
Massatarkkuus.
Massatarkkuudella (eng. "mass measurement accuracy", MMA) puolestaan tarkoitetaan eroa kokeellisesti mitatun ja teoreettisesti lasketun massan välillä, eli:
MMA = mkokeellinen – mteoreettinen
Arvo ilmaistaan usein miljoonasosina (ppm), joten:
MMA = (mkokeellinen – mteoreettinen) / mteoreettinen x 106 ppm
Pienempi arvo kertoo paremmasta mittaustarkkuudesta. Mittauksia samasta näytteestä toistetaan lähes aina ja näistä lasketaan spektriin esitetty keskiarvo. Massoiksi ilmoitettuihin arvoihin liitetään yleensä toistettujen mittausten keskihajonta, eli standardipoikkeama (esim. 2 000 ± 10 u).
MMA voi kuitenkin ”siirtyä” erityisesti analysaattorin epävakauden vuoksi, jolloin usean mittauksen tekeminen ei auta. Siirtymää tapahtuu erityisesti korkean resoluution analysaattoreissa, kuten FT-ICR-laitteissa. Jos kyse on vain epävakaudesta, voidaan MMA:n arvoa pienentää laitteen kalibraation avulla. Korkean resoluution laitteet saattavat vaatia päivittäisen kalibraation.
Ionisaattorit.
Ionisaattorissa tapahtuvassa ionisaatiossa näytteeseen tuodaan eri tavoin energiaa, jotta se saadaan muuntumaan kaasuksi ja/tai ionisoitumaan. Siksi tutkittavat aineet voivat ionisaatiossa pilkkoutua pienemmiksi osasiksi, eli fragmentoitua. Tutkittavasta aineesta riippuen tähän voidaan pyrkiä tai tätä vältetään. Tarkoituksenmukainen fragmentaatio kuitenkin yleensä tapahtuu omassa vaiheessaan erilaisin menetelmin kuin ionisaatio. Ionisaatiomenetelmä valitaan tutkittavan näytteen mukaan. Ionisaattoreihin, jotka toimivat jatkuvalla näytesyötöllä, voidaan usein yhdistää erilaisia puhdistimia tai erottimia helpottamaan ja automatisoimaan analyysiä. Joihinkin voidaan esim. liittää kromatografi, joka erottaa näytteen eri osiin (fraktioihin) näytteessä olevien molekyylien kemiallisten ominaisuuksien avulla.
Tähän kappaleeseen ei ole lueteltu kaikkia olemassa olevia ionisaattoreita.
Elektroni-ionisaatio (EI).
Elektroni-ionisaatiossa (EI) tyypillisesti kaasumainen näyte ionisoidaan sähköllä kuumennetun hehkulangan eli filamentin avulla. Langasta irtoaa elektroneja kaasuun ja kaasun osaset ionisoituvat. Menetelmä johtaa usein ionien fragmentaatioon.
Kemiallinen ionisaatio (CI).
Kemiallisessa ionisaatiossa (eng. "chemical ionization", CI) tuotetaan kemiallisin menetelmin ioneita kaasusta. Tämä voi tapahtua esimerkiksi protonien (H+) siirron kautta käyttämällä ionisoitunutta kaasua GH+, jotka voivat siirtää protoninsa tutkittavalle kaasumaiselle aineelle M, jolloin saadaan kaasumaisia näytteen ioneita (MH+). Elektroni-ionisaatioon verrattuna kemiallinen ionisaatio aiheuttaa vähemmän fragmentaatiota.
Kenttäionisaatio (FI).
Kenttäionisaatiossa (eng. "field ionization", FI) ioneita tuotetaan kaasusta tai kaasuksi kuumennetusta näytteestä vahvan sähkökentän avulla. Menetelmässä sähkökenttä muodostuu ohuen johtimen ympärille. Johtimet on päällystetty mikroskooppisen pienillä piikeillä, jotka on valmistettu esimerkiksi hiilestä tai nikkelin ja tantaalin seoksesta. Myös ohuita ja teräviä levyjä saatetaan käyttää piikkien sijaan. Näytekaasu ympäröi johdinta. Näyteosasen valenssielektronin sähkökentästä saama potentiaalienergia on niin suuri, että se saavuttaa metallin fermienergian, jolloin siitä kvanttitunneloituu elektroneja johtimeen. Tällöin näyte ionisoituu saaden positiivisen varauksen. Saamansa varauksen vuoksi ioni sinkoaa anodilta katodille ja sitten mihinkään törmäämättä katodissa olevan reiän lävitse eteenpäin massa-analysaattorille. Kenttäionisaatiossa voi muodostua MH+-ionien lisäksi M•+-radikaaleja. Menetelmä saa aikaan fragmentaatiota hyvin vähän, mutta sen heikon ionisaatiotehon vuoksi sitä käytetään lähinnä kun EI- tai CI-menetelmät eivät ionisoi tutkittavaa näytettä molekyyli-ioneiksi.
Kenttädesorptio (FD).
Kenttädesorptiossa (FD) näytteitä ionisoidaan samoin kuin kenttäionisaatiossa, mutta menetelmässä näyte on kiinteä tai neste, eikä sitä muunneta kaasumaiseksi erillisessä vaiheessa. FD:ssä näyte liuotetaan nesteliuottimeen ja liuotin haihdutetaan pois säiliössä, jossa on mikroneuloilla (tai ohuilla levyillä) päällystetty johdin, joka on samanlainen kuin kenttäionisaatiossa. Liuottimen haihtuessa näyte jää mikroneulojen pinnoille. Johdinta kuumennetaan sähkövirralla, näyte sulaa ja ionisoituu. Ionit siirtyvät neulojen kärkiin, joista ionit desorptoituvat kaasuksi. Ionisaatio tapahtuu kvanttitunnelisaation kautta täysin samalla tavalla kuin kenttäionisaatiossa. Fragmentaatiota ei tapahdu FD:ssä juuri lainkaan. Osaavan käyttäjän vaativa FD on harvoin käytetty ja haastava tekniikka. FD sopii hyvin muun muassa ei-polaaristen ja suurimassaisten yhdisteiden kuten joidenkin polymeerien ionisointiin.
SIMS.
Sekundääristä ionimassaspektrometriaa (SIMS) käytetään ionisoimaan lähinnä kiinteitä aineita. Siinä primääriseksi kutsuttu kohdistettu ionisuihku ionisoi näytteen tuottaen sekundäärisiksi kutsuttuja ioneita. Matalan jännitteen ionisuihkuja käyttäviä SIMS-ionisaattoreita kutsutaan staattisiksi, sillä ne eivät vaurioita näytettä. Dynaamisissa SIMS:eissä suihkut ovat voimakkaampia ja aiheuttavat näytteen eroosiota. SIMS:ejä käytetään erityisesti johtavien pintojen tutkimiseen. Nopeaa atomipommitusta (eng. "fast atom bombardment", FAB) ja LSIMS:iä (eng. "liquid SIMS") käytetään haihtumattomaan liuottimeen liuotetun näytteen tutkimiseen ionisuihkun avulla.
Plasmadesorptio (PD).
Plasmadesorptiossa (PD) näyte asetetaan aluminoidulle nailonkalvolle, jossa se altistetaan kaliforniumin isotoopin 252 fissiotuotteille, jotka johtavat näytteen ionisoitumiseen. Matriisiavusteinen laserdesorptio (MALDI) on korvannut menetelmän lähes kokonaan.
Laserdesorptio ja MALDI.
Laserdesorptiossa (LD) näyte ionisoidaan levyltä UV- tai IR -taajuisen laserin hyvin lyhyen ja intensiivisen pulssin avulla vakuumissa. Näyte muuntuu kaasuksi ja ionisoituu. LD:n paljon yleisempi muunnelma on matriisiavusteinen laserdesorptio (eng. "matrix-assisted laser desorption", MALDI). MALDI toimii suurille, jopa 300 000 u molekyyleille. Menetelmä sopii haihtumattomille, suurille ja vesiliukoisille yhdisteille, ja sitä käytetään erityisesti monille biomolekyyleille, kuten proteiineille, hiilihydraateille ja lipideille. Näytemolekyylin hajoamista tapahtuu vähän ja MALDI:n mittaustarkkuus säilyy hyvänä runsaammissa näytteen epäpuhtauksissa kuin mitä muut yleiset menetelmät (esim. ESI) sallivat.
MALDI:ssa on yleensä tasainen metallilevy, jossa on rajattuja alueita näytteille. MALDI:n ero pelkkään LD:hen on se, että MALDI:ssa näyte on runsaan matriisiksi kutsutun aineseoksen seassa, joka näytemolekyylien sijaan absorboi laserin energian, jolloin näyte ei fragmentoidu merkittävästi. Tavallisessa LD:ssä ilman matriisia tutkittava aine fragmentoituu, erityisesti jos se on suuri ja herkkä molekyyli, kuten jokin proteiini. Matriisi koostuu yleensä näytteen molekyyleihin verrattuina pienistä orgaanisista molekyyleistä, jotka ovat kykeneviä absorboimaan laserin säteilyn ja ovat muutenkin matriisiin ominaisuuksiltaan sopivia.
Matriisi on MALDI:ssa kiinteä ja se valmistetaan liuoksesta, jossa on näytteen molekyyleihin verrattuna moninkertaisesti matriisimolekyylejä. Liuoksesta asetetaan pisara levylle, pisaran annetaan kuivua ja matriisin kiteytyä.
Näyte desorptoidaan kaasuksi vakuumissa lähettämällä siihen lyhyt laserpulssi. Kiinteästä matriisista irtoaa matriisia ja näytettä. Näyte ionisoituu todennäköisesti matriisin siirtäessä protoneita näytemolekyylille. Muitakin protonaatioon johtavia reaktioita on esitetty, mutta edellä mainittu on laajimmin hyväksytty mekanismi.
Huonosti protonoituvista aineista voidaan tuottaa positiivisia ioneita (kationeja) lisäämällä matriisiin valmistusvaiheessa vähän emästä, kupari- tai hopeakationeja. Ionisointi voidaan usein toistaa MALDI:ssa samasta kohtaa levyltä kuin aiempi ionisointi, mutta näistä saadut signaalit poikkeavat toisistaan, sillä edeltävä laserpulssi rapauttaa seosta muuttaen sen absorptio-ominaisuuksia. Tästä voi olla haittaa hyvin tarkoissa mittauksissa.
Menetelmä soveltuu hyvin TOF-analysaattoreihin (MALDI-TOF), sillä MALDI tuottaa ioneita pulsseina
MALDI:n muunnelmia ovat muun muassa SALDI (eng. "surface-activated laser desorption ionization"), AP-MALDI (eng. "atmospheric pressure") ja DIOS (eng. "desorption ionization on silicon"), jossa matriisin korvaa kiinteä ja huokoinen silikoni. DIOS:ssa on useita etuja MALDI:iin nähden: sillä kyetään havaitsemaan pienempiä molekyylejä, näytteen valmistus analyysiin on yksinkertaisempaa ja näytteen epäpuhtaudet vaikuttavat menetelmän antamien tulosten tarkkuuteen heikentävästi vielä vähemmän kuin MALDI:ssa. Menetelmää käytetään yleensä 100–3 000 u molekyylien tutkimiseen. DIOS on täydentävä tekniikka MALDI:lle, eikä sen korvaaja. AP-MALDI:ssa näytelevy on ilmakehän paineessa, jolloin näytelevyn vaihtaminen on nopeaa, sillä sitä ei tarvitse asettaa vakuumiin esimerkiksi luukkujen kautta.
Thermospray.
TSP:ssä (eng. "thermospray") suoloja sisältävä ja liuottimeen liuotettu nestemäinen näyte pumpataan kuumennettuun ohueen putkeen (kapillaariin). Näyte kuumenee kapillaarissa ja päätyy sen kautta pieneen vakuumikammioon yliäänennopeudella liikkuvana hienojakoisena suihkuna, jossa näytteen ionit ja liuotin erkanevat toisistaan. Ionien pois erottumista liuottimesta saatetaan tehostaa elektrodilla aikaansaaduin koronapurkauksin lähellä suuttimen ulostuloa. Kammion kyljessä on reikä, jonka ulkopuolella on sarja sähköisesti varattuja levyjä, joissa on reikä keskellä. Vastapuolella kammion reikää on ioneita luotaan työntävä elektrodi. Ionit työntyvät sen vaikutuksesta ohivirtaavasta suihkusta reiästä ulos ensimmäisen levyn (linssin) reiälle. Levyt kohdistavat vastaanottamansa ionit tiiviiksi suihkuksi, jonka ne kiihdyttävät jatkuvana syöttönä eteenpäin massa-analysaattorille.
ESI.
ESI tai ES (eng. "electrospray ionization") on MALDI:n ohella hyvin yleinen ionisaatiomenetelmä, jossa näyte sumutetaan ioneiksi jatkuvalla syötöllä sähkövirran avulla. Syntyvät ionit ovat monivarauksellisia, toisin kuin pulssimaisessa MALDI:ssa. ESI:n mittaustarkkuuteen vaikuttavat heikentävästi näytteen epäpuhtaudet enemmän kuin MALDI:ssa tai sen muunnelmissa.
ESI:n putkimainen suutin on varattu kyllin suurella jännitteellä, jotta siihen saadaan nesteen pintajännityksen avustamana muodostamaan Taylorin kartio, joka mahdollistaa pisaroiden muodostumisen. Jännitteen olleessa suurempi kuin nesteen pintajännitys saadaan suutin ryöpyttämään sopivan pieniä ioneita sisältäviä pisaroita. Ilman jännitettä pisaroita ei muodostu. Toinen elektrodi on vastapäätä putkisuutinta. ESI on siten sähkökemiallinen virtapiiri, jossa virtaa välittävät positiiviset tai negatiiviset ionit. Tämän vuoksi ESI:n havaitsemisherkkyys ei ole riippuvainen siihen syötetyn näytteen tilavuudesta, vaan pelkästään näytteen ionien pitoisuudesta. Pitoisuuden tulee olla sopiva ja tätä voidaan lisätä elektrolyyttien avulla. Liian suurta pitoisuutta tulee kuitenkin välttää ja usein käytännössä näytteestä joudutaan poistamaan elektrolyyttejä esimerkiksi kromatografian avulla ennen ESI:ä.
Ioneita sisältävät liuotinpisarat etenevät elektrodia kohti yleensä liuottimesta erillisen kaasuvirran (eng. "nebulizer gas") avustamana. ESI:ssä suihkua vastaan tuleva kuuma kuivauskaasu haihduttaa niistä liuotinta. Kukin pisara räjähtää pienemmiksi osiksi se ylittää Rayleighin rajan eli kun pisaran sisäinen varaus ylittää pisaran pintajännityksen energian. Sisäinen varaus johtuu ioneista ja kunkin pisaran varaus kasvaa liuottimen haihtuessa, kun ionien pitoisuus pisaroissa kasvaa. Pisarat räjähtävät pienemmiksi pisaroiksi vapauttaen samalla ioneita. Pisarat jatkavat toistuvaa räjähtelyä suihkun edetessä, kunnes pisarat ovat olemattoman pieniä. Ketjumaisen hajoamisen takia pisaroiden sanotaan hajotessaan "fissioituvan". Jotkin ionit neutraloituvat reiällisellä elektrodilla, mutta osa jatkaa matkaa massa-analysaattorille suihkuna elektrodin reiän kautta.
Ionien fissioitumiselle on kolme mallia: IEM (ion evaporation model), CRM (charge residue model) ja uusin CEM (chain-ejection model). Pienille ioneille pätevässä IEM:ssä ioneita poistuu (desorptoituu) suoraan pisaran pinnalta. Suurille ioneille, kuten proteiineille pätevässä CRM-mallissa ionit eivät poistu pisarasta, vaan liuotinta haihtuu pois pisarasta, kunnes saavutetaan pelkkiä kaasufaasin ioneita. Vuonna 2013 ehdotetussa CEM-mallissa suuret laskostumattomat polymeerit voivat osittain poistua pisaran pinnalta ja lopulta kokonaan.
ESI tuottaa monivarauksellisia ioneita. Varausten määrä on yleensä suhteellinen näytemolekyylien pinta-alaan ja siten mitä suurempia molekyylit ovat, sitä suurempi on niiden varaus. Koska "m/z"-arvo pienenee varauksen kasvaessa ("z" on ionin varaus), mahdollistavat ESI:n tuottamat monivaraukset suurten ionien tutkimisen massa-analysaattoreilla, joilla muille menetelmille liian on pieni nominaalisen massan raja. Nämä analysaattorit eivät siis kykene erottamaan kovin suuren "m/z" ioneita. Monivarauksen arvo tulee kuitenkin tuntea massan selvittämiseksi ja tämä hieman hankaloittaa ESI:n käyttöä. Siksi ionien massojen selvittämiseen käytetään kehittyneitä tietokonealgoritmeja. Lisäksi saatu spektri usein dekonvoloidaan, jossa muutetaan "m/z"-arvot massoiksi matemaattisesti spektrin tulkinnan helpottamiseksi. Dekonvolaatiossa tieto varaustilojen jakaumasta hävitetään ja saadaan tilalle spektri, jossa näkyvät vain nollavaraukset eli x-akselille saadaan massat "m/z"-arvojen sijaan.
Yksi ESI:n muunnelmista on DESI (eng. "desorption electrospray ionization").
APCI.
APCI (eng. "atmospheric pressure chemical ionization") on kemiallisen ionisaation (CI) kaltainen menetelmä, jossa ionisaatio tapahtuu maanpinnan normaalissa ilmakehän paineessa. Näyte on vesiliukoinen tai verrattain heikosti vesiliukoinen. APCI:ssa syötetään paineen avulla nestemäistä ja enimmillään 1 500 u molekyylejä sisältävää näytettä ohueksi sumumaiseksi suihkeeksi virtauskaasun (yleensä käytetään typpeä) avustamana lämmittimen ohi. Lämmitin kuumentaa suihkun, jolloin suihkun pisaroista haihtuu liuotin ja jäljelle jäävät näytemolekyylit, jotka liikkuvat koronapurkauksia tuottavan elektrodin ohitse. Elektrodilla tapahtuu virtauskaasun ja näytemolekyylien välillä kemiallinen ionisaatio. Muodostuu yhdenarvoisia ioneita, jonka jälkeen näyteionit jatkavat matkaansa massa-analysaattorille.
APPI.
APPI (eng. "atmospheric pressure photoionization") toimii kuten APCI, mutta siinä ionisaation saa aikaan UV-lampun lähettämien fotonien aiheuttama fotoionisaatio koronapurkausten sijaan. APPI:a käytetään kun APCI:n tai ESI:n avulla ei voida ionisoida tutkittuja aineita. Tilanne on tämä erityisesti silloin kun aineet ovat rasvaliukoisia.
DART.
DART:issa (eng. "direct analysis in real time") tutkitaan kiinteitä pintoja nesteissä ja kaasuissa ilman näytteen valmistelua. Fragmentaatiota ei juurikaan tapahdu. Pinta ei muunnu, sillä ionisaatio tapahtuu normaali-ilmakehän paineessa ja ilman sähköisiä jännitteitä. Kaasua kuten heliumia tai typpeä ionisoidaan, sitten neutraloidaan verkkomaisen elektrodin avulla ja tämä neutraaleja osasia sisältävä suihku ohjataan tutkittavalle pinnalle. Neutraalit osaset ionisoivat näytettä ja ilman. Ionit syötetään massa-analysaattorille.
Massa-analysaattorit.
Massa-analysaattorilla erotetaan ionisaattorin tuottamat ionit. Analysaattoreita on monenlaisia. Ne luokitellaan ionien liike-energian eroihin perustuviin sähköstaattisiin sektorianalysaattoreihin (eng. "electric sector", E tai ESA), liikemäärien eroihin perustuviin magneettisektorianalysaattoreihin (eng. "magnetic sector", B), lentoradan vakauden eroihin perustuviin kvadrupolianalysaattoreihin (eng. "quadrupole", Q), liikenopeuden eroihin perustuviin TOF-analysaattoreihin (eng. "time-of-flight"), ioniloukku- (eng. "ion trap", IT), FTICR- (eng. "fourier transform ion cyclotron resonance") sekä FT-OT-laitteisiin (eng. "fourier transform orbitrap"), joista kolmessa jälkimmäiseksi mainitussa ionien erottelu ja analyysi perustuu ionien resonanssitaajuuksien eroihin.
Tähän kappaleeseen ei ole lueteltu kaikkia olemassa olevia analysaattoreita.
Tandemi- ja hybridianalysaattorit.
Analysaattoreita voidaan yhdistää eri menetelmiä käyttäviksi ketjuiksi. Tätä kutsutaan tandemimassaspektrometriaksi (MS/MS tai MS2) ja yhdistetyistä analysaattoreista koostuvaa laitetta hybridimassaspektrometriksi. Näissä yhdistetään vähintään kaksi samanlaista tai erilaista analysaattoria. Hybridimassaspektrometrejä käytetään useisiin tarkoituksiin: rakenteen, isotooppien, fragmentoitumismekanismien, lämpökemialliseen ja korkeaa herkkyyttä vaativaan tutkimiseen.
Tandemimassaspektrometria jaetaan tila ja aika tandemi-MS:ään. "Tila tandemi-MS:ässä" ionit erotellaan fyysisesti toisistaan kahteen eri massa-analysaattorin tilaan, joista ne syötetään eteenpäin muille analysaattoreille. Tähän luokkaan kuuluvat muun muassa kvadrupoli-, TOF-sähköstaattiset- ja magneettiset analysaattorit. Näitä voidaan käytännössä liittää 3–4 analysaattorin ketjuiksi. "Aika tandemi-MS:sissä" ionit vangitaan samaan massa-analysaattorin tilaan ja ne erotellaan siinä tietyn ajanjakson aikana ja syötetään eteenpäin muille analysaattoreille. Näihin kuuluvat FTICR-, orbitrap- ja muunlaiset ioniloukkuanalysaattorit. Näitä voidaan käytännössä liittää 7–8 analysaattorin ketjuiksi, sillä ioneita ei välttämättä hävitetä ioniloukuissa, jolloin ketjun viimeisellekin analysaattorille riittää vielä ioneita.
Kvadrupoli ja multipolit.
Vuonna 1953 keksityissä kvadrupoleissa erottelu perustuu ionien lentoratojen vakauksien eroihin. Laiteessa ioneita suihkutetaan ionisaattorilta sähköisesti varattujen reiällisten levyjen (linssien) kautta, jotka keskittävät suihkun tiiviiksi.
Suihku etenee neljän keskenään täysin yhdensuuntaisen pyöreän tangon väliin. Tankojen välillä vallitsee niitä vastaan kohtisuora sähkökenttä siten, että vastakkaiset tangot ovat keskenään samassa sähköisessä potentiaalissa ja vierekkäiset toisiinsa nähden vastakkaisissa potentiaaleissa. Sähkökentän suuntaa muutetaan äkillisesti kussakin tangossa toistuvasti tietyllä taajuudella.
Sähkökenttä ajaa ionit vuorotellen kohti kutakin tankoa, jolloin ne päätyvät tankojen välissä liikkuessaan spiraalimaiseen liikkeeseen. Pienen "m/z":n omaavat ionit reagoivat sähkökenttään suuren "m/z":n omaavia ioneita voimakkaammin, jolloin ionit, joiden "m/z" on kyllin pieni, ajautuvat yhä leveämpään spiraaliliikerataan ja siten ne törmäävät tankoihin ennen poistumistaan kvadrupolista. Näin pienen "m/z":n omaavat ionit saadaan karsittua pois kvadrupolista ulos tulevasta ionisuihkusta.
Suuren "m/z":n omaavat ionit eivät keskity suihkun keskiöön alussa kuvattujen linssilevyjen jännitteiden ollessa pieniä, mutta pienen "m/z":n omaavat ionit keskittyvät. Kunnolla keskittymättömillä suuren "m/z":n omaavilla ioneilla lähtötilanteen spiraalimainen liikerata tankojen sähkökenttään päätyessään on jo niin laaja, että ne törmäävät tankoihin ennenaikaisesti.
Linssien jännitettä säätämällä ja tankojen sähkökentän voimakkuutta tai muutostaajuutta muuntamalla kvadrupolista saadaan "suodatettua" ulos vain tietyn "m/z" omaavia ioneita sisältävä ionisuihku.
Muunnelmia kvadrupoleista (Q/q) ovat muun muassa heksapolit (H/h), joissa on kuusi tankoa ja oktapolit (O/o), joissa kahdeksan tankoa, sekä muut multipolit. Näitä sisältävien tandemimassaspektrometrien nimien lyhenteissä tavallisesti isokirjaiminen Q/H/O symboloi analysaattoria, jossa on linssit ja tangot, ja q/h/o analysaattoria, jossa on vain tangot. Nämä voidaan yhdistää perättäin esimerkiksi QqQ analysaattoriksi, joista ensimmäinen jaottelee ionit fragmentoitavaksi keskimmäisessä (kts. fragmentaatiomenetelmät). Viimeinen erottelee fragmentoituja ioneita niiden "m/z" mittausta varten havaitsimella.
Orbitrap.
Orbitrap (”kiertoloukku”) on vuonna 2005 toteutettu massan analysointilaite. Ionien erottelu ja analyysi perustuu niiden resonanssitaajuuksien eroihin. Orbitrapien resoluutio on korkea ja riippuu ionien "m/z"-arvoista. Resoluutio heikkenee "m/z"-suhteen kasvaessa.
Laitteessa on tynnyrimäinen ontto elektrodi, jonka sisällä on kiinteä elektrodi, joka sieppaa ionit kiertävään liikkeeseen itsensä ympärille. Ionien kiertävä liike aiheuttaa sähkövirran muutoksia ulkoiselle elektrodille. Muutoksien yhdistyneet taajuudet muutetaan Fourierin muunnoksen avulla "m/z"-arvoiksi massapektriin.
Ionit jäävät loukkuun kiertämään elliptisiä ratoja pitkin, koska niiden sähköinen vetovoima sisäiseen elektrodiin kumoutuu niiden kiertoliikkeen inertian (jatkuvuuden) vuoksi. Ionien radat kiertävät edestakaisin elektrodia tietyllä alueella, jolloin niiden radat muistuttavat spiraalia. Edestakaiset liikkeet ovat riippumattomia ionien liikkeestä elektrodin ympäri ja kaikista muista parametreistä, paitsi ionien "m/z"-arvoista.
Elektrodien välistä jännitettä madalletaan aluksi, jotta ionit voidaan suihkuttaa kammioon. Ionien päätyessä kammioon aletaan jännitettä nostaa kunnes ionit saavuttavat halutun kiertoradan, jonka jälkeen jännitteet pidetään vakioina.
Orbitrapeissa ionisaation lähteenä käytetään muun muassa MALDI-laitteita, sillä ne tuottavat lyhyen sopivan pulssimaisen ionipaketin, mutta ESI-laitteita ei voida käyttää sellaisenaan, sillä niissä ionisuihku on jatkuvaa.
Kaikissa kaupallisissa orbitrapeissa tynnyrimäiseen kammioon saapuvat ionit jaotellaan C-loukun (trap) avulla. C-loukku koostuu yleensä suunnilleen C:n muotoon taivutetuista useista elektrodeista, joiden keskellä on tila, jota pitkin ionit pääsevät liikkumaan. Ionien saapuessa loukkuun, loukun päällimmäisiin ja alimmaisiin elektrodeihin asetetaan muuttuvat vaihtovirran aiheuttamat sähkökentät, jotka ajavat ioneita keskelle C-loukun rataa. Ionit jäävät liikkumaan tietylle alueelle loukkuun. Törmäykset loukussa olevan typen kanssa hidastavat ioneita. Kyllin suuren hidastumisen jälkeen (kun ioneilla on sopiva kineettinen energia) erisuuruiset tasavirrat asetetaan C-loukun elektrodeihin, siten että ionit sinkoavat C:n muotoisesta loukun sisäkaaresta ulos keskittyvänä suihkuna orbitrapiin.
ICR ja FTICR.
ICR (eng. "ion cyclotron resonance") on ioniloukku. Vakuumissa olevassa ICR-ioniloukussa vallitsee muuttumaton (staattinen), tasalaatuinen (homogeeninen) ja hyvin voimakas magneettikenttä, jonka suunta on lieriömäisen loukun päästä päähän. Moderneissa ICR-laitteissa kenttä on 4.3–13 teslaa ja se on saatu aikaan magneetilla, josta on tehty suprajohde nestetyppi tai -helium jäähdytyksellä. Magneettikenttä saa varautuneet ionit kiertämään lieriön halkaisijan myötäisesti kehää. Positiiviset ionit kiertävät toiseen suuntaan ja negatiiviset toiseen. Liikettä kutsutaan syklotroniliikkeeksi ja sen kiertonopeus eli taajuus riippuu magneettikentän voimakkuuden lisäksi ionien "m/z" arvoista.
Lieriömäisen loukun päissä olevat sähköjännitteellä varatut levyt estävät sähkökentällään ioneita poistumasta loukusta. Lieriön sivuilla on vastakkaisilla puolilla johtavat kiihdytinlevyt. Näihin johdetaan vaihtovirta. Tämä saa loukkuun aikaan virran taajuuden mukana muuttuvan sähkökentän, joka on kohtisuoraan suhteessa magneettikenttään. Jos sähkökentän muutostaajuus on sama kuin tietyn "m/z" ionien syklotroniliike, siirtyy kentästä energiaa näille tietyille ioneille liike-energiaksi: ionit alkavat resonoida eli värähdellä tämän taajuuden vaikutuksesta. Tällöin ionien kehämäiset liikeradat ja nopeudet kasvavat, ja ne lähestyvät lieriön sisäseinämiä. Uutta liikerataa kutsutaan magnetroniliikkeeksi.
Varhaisissa 1950-luvun laitteissa ionit törmäytettiin seinämiin, jolloin ne saivat niihin aikaan jännitteen, josta voitiin mitata massaspektri. Jännitteen suuruus oli verrannollinen ionien määrään. Mittaus tehtiin muuntamalla kiihdytinlevyjen vaihtovirran taajuutta kyllin laajan alueen halki, jolloin kunkin "m/z" ioniryhmät törmäävät vuorotellen seinämiin.
1970-luvulla kehitetyissä ja nykyisin käytetyissä Fourierin muunnosta käyttävissä ICR:issä eli FTICR:issä lieriön seinämien vastakkaisilla puolilla on ionien rataa suurentavien kiihdytinlevyjen lisäksi toiset metalliset havaitsinlevyt. Nämä havaitsevat ionien aiheuttaman sähkökentän muutoksen ionien kiertäessä läheltä havaitsinlevyjä. Ioneita ei siis törmäytetä levyihin, vaan niiden "m/z" mitataan tuhoamatta niitä.
Näissä uudemmissa laitteissa tietyn "m/z" ionien tulee kuitenkin kiertää suunnilleen samassa kohtaa yhtenä ryppäänä liikeradallaan (samassa vaiheessa, eng. "in phase"), jotta ne voidaan havaita. Jos ionit ovat liikeradallaan eri kohdissa, saavat ne aikaan samanaikaisesti sähkökentän muutoksia molemmilla havaitsinlevyillä ja sähkökentät kumoavat toistensa aikaansaamat havaitsinlevyjen sähkövirrat. Ionit saadaan kiertämään samaan ryppääseen johtamalla kiihdytinlevyihin vain hyvin lyhytaikainen vaihtovirta. Ionit ajetaan magnetroniliikkeeseen lähes samanaikaisesti ja tämä saadaan aikaan muuntamalla vaihtovirran taajuutta kyllin suuren taajuusalueen halki hyvin lyhyessä ajassa, yleensä noin yhdessä mikrosekunnissa.
Havaitsinlevyt saavat sitten laajentuneesta ionien liikeradasta mitattua yhteensulautuneen jännitemuutoskäyrän ajan funktiona. Käyrästä voidaan erottaa eri "m/z" ionien aikaan saamat jännitemuutokset Fourierin muutoksella, jolloin kukin "m/z" saadaan mitattua massaspektriin.
Nykyisten FTICR:ien erotustarkkuudet ovat erittäin korkeita ja siten ne havaitsevat erittäin pieniä ainepitoisuuksia. FTICR:t pystyvät parhaimmillaan havaitsemaan jopa 30 tseptomoolin (30*10-21 mol) määriä, eli noin 18 000 molekyyliä. Zmol tarkkuuden saavuttaminen FTICR:llä vaatii käytännössä kuitenkin tutkittavan aineen etukäteen erottelua, konsentrointia ja/tai laitteen tarkkaa optimointia.
Magneettikentän voimakkuus on ICR solussa kaikkialla mahdollisimman sama. Magneettikenttä on kuitenkin voimakkaimmillaan vain keskellä solua ja tätä kompensoidaan muuttamalla jännitettä solun eri kohdissa. Kompensointia kutsutaan kentän harmonisoinniksi.
Suurin liike ICR solussa on kiihdytinlevyjen aikaansaamaa magnetroniliikettä ωm. Pienempi liike on magneettikentän aikaansaamaa syklotroniliikettä ωc. Ioni liikkuu myös solussa pitkittäissuuntaisesti ωz. Liikkeiden taajuudet ovat ωm ≪ ωz ≪ ωc suhteessa toisiinsa.
Suurimman taajuuden syklotroniliike ωc halutaan tavallisesti mitata ja magnetroniliike ωm häiritsee tätä mittausta. ωm taajuus kasvaa ionin "m/z" kasvaessa ja johtaa resoluution huonontumiseen.
TOF.
Lentoajan (eng. "time-of-flight, TOF") analysaattorit perustuvat ionien nopeuksien eroihin. Yksinkertaisimmissa lineaarisissa TOF-analysaattoreissa (LTOF) ionisaattorilta saapuvat ionit keskitetään sähköistettyjen reiällisten levyjen avulla ohueksi virraksi ja kaikille ioneille annetaan sähkökentän avulla sama liike-energia. Sitten ionit saapuvat tilaan, jossa niihin ei vaikuteta sähkökentän avulla. Tällöin ionit alkavat erottua toisistaan massojensa perusteella. Vaikka kaikilla ioneilla on sama energia, liikkuvat suuren massan ionit pienimassaisia hitaammin. Ionit liikkuvat tunnetun pituisen matkan suoraan ja saapuvat sitten havaitsimelle. Ionien lentoaikojen ja niille annetun energian perusteella voidaan laskea niiden "m/z"-arvot havaitsimelta tulleista signaaleista.
TOF-analysaattorit on usein yhdistetty MALDI-ionisaattoriin TOF-MALDI-yhdistelmäksi, koska se sopii TOF-analysaattoriin hyvin tuottamansa lyhyen ionisuihkun ansiosta, toisin kuin esimerkiksi ESI. TOF-MALDI-massaspektrometrit kykenevät havaitsemaan parhaimmillaan yli 300 000 daltonin ioneita satojen attomoolien (10-18 mol) määrinä. Laitteet ovat siis hyvin herkkiä.
Magneettiset ja sähköstaattiset sektorianalysaattorit.
Sektorianalysaattorit luokitellaan magneettisiin (B) ja sähköstaattisiin (E) sektorianalysaattoreihin. Magneettisissa analysaattoreissa (B) ionit erotellaan magneettikentän avulla niiden liikemäärien (liikemomenttien) erojen perusteella. Erot johtuvat eriävistä "m/z-"arvoista. Ionit kiihdytetään jännitteen (V) avulla samaan nopeuteen putkeen, jossa on voimakas magneettikenttä. Kentän vaikutuksesta pienimpien "m/z" omaavien ionien liikeradat kaareutuvat eniten ja suurimpien vähiten. Putken ulostulon kohdalta tulleet ionit voidaan havaita ja niiden "m/z-"arvot laskea, jos tunnetaan magneettikentän voimakkuus ja kiihdyttimen jännite. Jännite-eroa voidaan muuttaa, jolloin kunkin eri "m/z-"ionien virrat voidaan kohdistaa paikallaan olevaan ionien havaitsimeen.
Sähköstaattiset analysaattorit (E) erottavat ionit niiden eriävien "m/z-"arvojen perusteella sähkökenttää käyttäen. Niissä on eri jännitteen omaavat eri napaiset ja kaarevat levyt, joiden väliin vakionopeuksinen ionisuihku ohjataan. Ionit eriävät toisistaan niiden liike-energian (kineettisen energian) erojen myötä eri "m/z" omaaviksi suihkuiksi, jotka voidaan havaita.
B- ja E-analysaattoreita voidaan yhdistää erilaisiksi yhdistelmiksi kuten BE, EB, BEB jne.
Fragmentaatiomenetelmät.
Fragmentaatiossa pyritään tarkoituksenmukaisesti pilkkomaan ioneita massaspektrometrissä eri menetelmin, jotta saadaan selville rakenteellista tietoa tutkittavista aineista. Fragmentaatiota käytetään usein esimerkiksi peptidien ja suurempien proteiinien tutkimuksessa ja sen avulla voidaan selvittää näiden aminohapposekvenssejä. Fragmentaatiota voidaan käyttää joissakin hybridimassaspektrometreissä.
Törmäysfragmentaatio.
Ionien törmäykset kaasun kanssa aiheuttavat ionien fragmentaatiota ja tämä pilkkoutuminen perustuu sidosvärähtelyihin. Tästä yksi menetelmä on CID. CID:ssä (eng. "collision-induced dissociation"), eli törmäysaktivoidussa dissosiaatiossa (käytetään myös nimitystä CAD) reagoimattomia jalokaasumolekyylejä tuodaan MS:n vakuumiin ja ionit törmäävät näihin pilkkoutuen. CID:ssä ionin liike-energia muuttuu ionin sisäiseksi energiaksi, kun törmäytetään samalla nopeudella liikkuvat ioni ja kaasu. Katkeaminen CID:ssä voi olla homolyyttistä (radikaaleja muodostuu) tai heterolyyttistä (ioneita muodostuu).
Reagoimattomia jalokaasuja käytetään, vaikka ne ovat keveitä verrattuna esimerkiksi happeen. Happi muodostaa radikaaleja, ja muutkin ei-jalokaasut reagoivat. Raskaat jalokaasut, kuten ksenon, ovat hyviä, sillä niillä on enemmän liike-energiaa painonsa vuoksi.
Kaasujen törmäyksiin perustuvat menetelmät ovat verrattain epätarkkoja.
Fotonifragmentaatio.
Fotonien käyttö fragmentaatiossa on spesifisempää kuin kaasujen käyttö. FTICR MS:sää käytettäessä suurimpana etuna esimerkiksi IRMPD:ssä (eng. "infrared multiphoton dissociation") CID:iin verrattuna on analyysin nopeus.
Elektronifragmentaatio.
ECD:ssä (eng. "electron-capture dissociation") fragmentoidaan matalan energian (&lt; 0.2 eV) elektronien avulla ioneita. Menetelmä on spesifinen ja toimii radikaalireaktioiden kautta, sillä ionin siepatessa yksittäisen elektronin muodostuu radikaali kationi, joka voi dissosioitua. ECD:tä käytetään monivarauksellisten positiivisten ionien fragmentointiin. ECD on yleisesti käytetty ja sopii erityisesti isoille ioneille. Matalan energian elektronit menetelmään tuo katodi.
Dissosioituminen on nopeaa muihin menetelmiin verrattuna, joten mitään varauksen siirtymiä ei ehdi tapahtua (katkeaminen on siis pitkälti sidosenergiasta riippumatonta) ja sidos katkeaa helpoiten siitä kohtaa, johon protoni on siirtynyt. Elektronit ovat kuitenkin pienempiä kuin esim. CID:ssä käytetyt jalokaasuatomit, joten törmäyksiä tapahtuu suhteessa muihin menetelmiin vähän. ECD ei sovellu ioniloukuille, koska niiden voimakas sähkökenttä vaikuttaa elektronien liikkeeseen vähentäen niiden lämpöenergiaa, jolloin ne lopulta sinkoutuvat ulos loukusta. Ioniloukuille sopii ECD:n muunnelma ETD (eng. "electron transfer dissociation").