Masena spektrofotometrija

Masena spektrometrija je tehnika kojom se analiziraju molekule na temelju njihove mase i elektronskog naboja). Prvi korak pri analizi molekula je njihova ionizacija u ionizatoru. Nastali ioni se provode kroz analizator, koji ih razdvaja u prostoru i/ili vremenu. Iz analizatora, ioni idu na detektor, gdje proizvode električni signal koji se može registrirati na osciloskopu, pisaču, računaru ili na nekom drugom uređaju.^[1] Masena spektrometrija se koristi za:

određivanje strukture nepoznatog uzorka (kvalitativna analiza)
određivanje izotopskog sastava uzorka
određivanje strukture molekula promatrajući njihovu fragmentaciju
određivanje molekulskle molarne mase
određivanje količine određene tvari u uzorku (kvantitativna analiza)
određivanje fizičkih i hemijskih svojstava tvari
proučavanje ponašanja iona u vakuumu

Dijelovi masenog spektrometra

Shema jednostavnog masenog spektrometra sa analizatorom mase sektorskog tipa. Ovaj je za mjerenje omjera ugljik-dioksidnog izotopa (IRMS) kao u uglika-13 test daha ureje

Maseni spektrometar sastoji se od tri komponente: izvora iona, analizatora mase i detektora. Ionizator pretvara dio uzorka u ione. Postoji veliki broj tehnika ionizacije, ovisno o fazi (čvrsta, tekuća, plinska) uzorka i efikasnosti različitih mehanizama ionizacije za nepoznate vrste. Sistem za ekstrakciju uklanja ione iz uzorka, koji se zatim usmjeravaju kroz analizator mase u detektor . Razlike u masama fragmenata omogućavaju analizatoru mase da sortira ione prema omjeru mase i naboja. Detektor mjeri vrijednost indikatorske količine i na taj način daje podatke za izračunavanje količine svakog prisutnog iona. Neki detektori također daju prostorne informacije, naprimjer, višekanalna ploča.

Ionizator

Ionizator je uređaj koji prevodi molekule u ione. Proces ionizacije obično uključuje dovođenje molekulama energije, pri čemu se izbacuje jedan ili više elektrona. Pri tom procesu može doći i do fragmentacije molekule u dva ili više dijelova. Fragmentacija je često poželjna jer pojava fragmenata u spektru ukazuje na to od kakvih je dijelova sastavljena ispitivana molekula. Spajanjem pojedinih fragmenata može se dobiti struktura molekule. Najčešće se molekula fragmentira na različite načine, dok jedan dio ostane cijeli i u spektru daje signal s najvećom vrijednosti mase. Taj ion se naziva molekulski ion i on pokazuje masu (molarnu masu) molekule. Postoji više načina ionizacije, koji se razlikuju po količini energije koja se predaje molekuli. Metodi koji predaju više energije, jače fragmentiraju molekulu, pa se takve neće koristiti kod molekula koje se vrlo lahko raspadaju ili u slučajevima kada je potreban signal molekulskog iona.^[2]^[3]

Elektronska ionizacija

Elektronska ionizacija ili elektroionizacija (EI) koristi snop brzih elektrona, kojima se bombardiraju molekule u plinskoj fazi. Elektronski snop se proizvodi pomoću filamenta (katoda) zagrijanog na visoku temperaturu, provođenjem struje kroz njega. Elektroni koji izađu iz filamenta, ubrzavaju se prema pozitivno nabijenoj anodi. Variranjem potencijala između katode i anode, možemo varirati i energiju elektrona, a time i učinkovitost fragmentacije. Obično se koriste energije od oko 70 eV. Elektronska ionizacija obično jako fragmentira molekule analita.

Ionizacija brzim atomima i ionima

Ionizacija brzim atomima (FAB; eng. Fast Atom Bombardment), i ionizacija brzim ionima (FIB; eng. Fast Ion Bombardment) koristi brze atome ili ione (4 keV-10 keV) kojima se bombardiraju molekule analita u nekakvom mediju (tzv. matrici). Obično se koriste atomi/ioni inertnih plinova (argon, ksenon). Kao matrica, koriste se: glicerol, tioglicerol, 3-nitrobenzilni alkohol, 18-kruna-6, nitrofenil-oktilni eter, sulfolan, dietilanolamin, trietanolamin. Ova ionizacija je blaža od elektronske ionizacije, pa je u spektru često vidljiv signal molekulskog iona.^[4]

Hemijska ionizacija

Hemijska ionizacija ionizira molekulu posredno, pomoću neke druge tvari. Uzorak (u plinovitom stanju) pomiješa se sa nekim drugim plinom u velikom suvišku. Na dobivenu smjesu se djeluje brzim elektronima, slično kao kod elektronske ionizacije. Elektroni ioniziraju plin u suvišku, dok dobijeni ioni reagiraju sa molekulama analita pri čemu ih ioniziraju. U ovoj metodi, kao medij se koriste plinovi kao što su: metan, amonijak, izobutan i dr. Ovaj metod proizvodi relativno malo fragmenata i jasno vidljivih molekulskih iona.

Elektrosprej

Elektrosprejna ionizacija ionizira analit u obliku otopine. Kao otapalo, obično se koristi nekakva tvar koja je hlapljivija od analita. Otopljeni analit, stvara ione u rastvoru. Rastvor se propušta kroz kapilar u prostor pod vakuumom. Kada uđe u evakuiranu komoru, raspršuje se u aerosol, zbog odbijanja iona u rastvoru. Rastvarač isparava s kapljicama, ostavljajući ione analita. Ova tehnika se koristi za ionizaciju makromolekula, jer se one vrlo lako fragmentiraju. Za ovu tehniku, M. Karas i F. Hillenkamp^[5] dobili su Nobelovu nagradu za hemiju u 2002.

MALDI

MALDI (eng. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – matricom potpomognuta laserska desorpcija/ionizacija) je slabo invanzivni metod za ionizaciju molekula. Kao matrica se koriste rastvcori određenih tvari u smjesi vode i organskog rastvarača. Analit je rastvoren u matrici. Na matricu se djeluje laserom, najčešće dušikovim laserom. Matrica štiti analit od lasera, a njenim isparavanjem i ionizacijom, ona prenosi dio naboja na analit, ionizirajući ga. MALDI tehnika je pogodna za ionizaciju biomolekula i velikih organskih molekula.^[6]

Analizator

Analizator je uređaj koji razdvaja ione, nastale u ionizatoru po njihovoj masi i/ili naboju.

Elektrostatski sektorski analizator: Na uređaju je uklonjen poklopac vakuumske komore i vidljive su dvije zakrivljene elektrode.

Magnetski sektorski analizator

Magnetski sektorski analizator sastoji se od magneta, između čijih polova prolaze ioni. Na ulasku i izlasku iz magnetskog sektora nalaze se dvije pukotine koje ograničavaju snop iona koji ulaze, odnosno onih koji izlaze iz sektora kako nebi smetali na detektoru.

Magnetno polje djeluje na naboj u kretanju Lorentzovom silom:

{\overrightarrow {F}}=q\cdot {\overrightarrow {v}}\times {\overrightarrow {B}}

Zbog te sile, putanje iona u magnetnom polju su zakrivljene, pa samo određeni ioni mogu proći kroz izlaznu pukotinu i biti uočeni na detektoru. Pretraživanje po masama se provodi mjenjanjem jačine magnetnog polja (utiče se na radijuse zakrivljenosti iona u magnetnom polju). Zbog toga je ova metoda spora, ali odlikuje se vrlo dobrim razlučivanjem. Moguće je provoditi različita istraživanja na njima.

Reference

^ Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-2-9.
^ Fenn JB, Mann M, Meng CK, Wong SF, Whitehouse CM (oktobar 1989). "Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules". Science. 246 (4926): 64–71. Bibcode:1989Sci...246...64F. CiteSeerX 10.1.1.522.9458. doi:10.1126/science.2675315. PMID 2675315.
^ Tanaka K, Waki H, Ido Y, Akita S, Yoshida Y, Yoshida T (1988). "Protein and Polymer Analyses up to m/z 100 000 by Laser Ionization Time-of flight Mass Spectrometry". Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2 (20): 151–3. Bibcode:1988RCMS....2..151T. doi:10.1002/rcm.1290020802.
^ Bruins, A. P. (1991). "Mass spectrometry with ion sources operating at atmospheric pressure". Mass Spectrometry Reviews. 10 (1): 53–77. Bibcode:1991MSRv...10...53B. doi:10.1002/mas.1280100104.
^ Karas M, Bachman D, Bahr U, Hillenkamp F (1987). "Matrix-Assisted Ultraviolet Laser Desorption of Non-Volatile Compounds". International Journal of Mass Spectrometry. 78: 53–68. Bibcode:1987IJMSI..78...53K. doi:10.1016/0168-1176(87)87041-6.
^ Osborn DL, Zou P, Johnsen H, Hayden CC, Taatjes CA, Knyazev VD, et al. (oktobar 2008). "The multiplexed chemical kinetic photoionization mass spectrometer: a new approach to isomer-resolved chemical kinetics". The Review of Scientific Instruments (Submitted manuscript). 79 (10): 104103–104103–10. Bibcode:2008RScI...79j4103O. doi:10.1063/1.3000004. PMID 19044733.

[isbn0-9660813-2-3-1] Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-2-9.

[2] Fenn JB, Mann M, Meng CK, Wong SF, Whitehouse CM (oktobar 1989). "Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules". Science. 246 (4926): 64–71. Bibcode:1989Sci...246...64F. CiteSeerX 10.1.1.522.9458. doi:10.1126/science.2675315. PMID 2675315.

[3] Tanaka K, Waki H, Ido Y, Akita S, Yoshida Y, Yoshida T (1988). "Protein and Polymer Analyses up to m/z 100 000 by Laser Ionization Time-of flight Mass Spectrometry". Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2 (20): 151–3. Bibcode:1988RCMS....2..151T. doi:10.1002/rcm.1290020802.

[4] Bruins, A. P. (1991). "Mass spectrometry with ion sources operating at atmospheric pressure". Mass Spectrometry Reviews. 10 (1): 53–77. Bibcode:1991MSRv...10...53B. doi:10.1002/mas.1280100104.

[5] Karas M, Bachman D, Bahr U, Hillenkamp F (1987). "Matrix-Assisted Ultraviolet Laser Desorption of Non-Volatile Compounds". International Journal of Mass Spectrometry. 78: 53–68. Bibcode:1987IJMSI..78...53K. doi:10.1016/0168-1176(87)87041-6.

[6] Osborn DL, Zou P, Johnsen H, Hayden CC, Taatjes CA, Knyazev VD, et al. (oktobar 2008). "The multiplexed chemical kinetic photoionization mass spectrometer: a new approach to isomer-resolved chemical kinetics". The Review of Scientific Instruments (Submitted manuscript). 79 (10): 104103–104103–10. Bibcode:2008RScI...79j4103O. doi:10.1063/1.3000004. PMID 19044733.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]