Masena spektrometrija

Masena spektrometrija je tehnika kojom se analiziraju molekuli na temelju njihove mase (i naboja).^[1] Prvi korak pri analizi molekula je njihova jonizacija u jonizatoru. Nastali joni se provode kroz analizator, koji razdvaja jone u prostoru i/ili vremenu. Iz analizatora, joni idu na detektor gde proizvode električni signal koji se može registrovati na osciloskopu, printeru, računaru ili na nekom drugom uređaju.^[1]

Masena spektrometrija se koristi za:

određivanje sastava nepoznatog uzorka (kvalitativna analiza)
određivanje izotopskog sastava uzorka
određivanje strukture molekula na bazi njihove fragmentacije
određivanje molarne mase molekule
određivanje količine određene materije u uzorku (kvantitativna analiza)
određivanje fizičkih i hemijskih svojstava materije
proučavanje ponašanja jona u vakuumu

Jonizator

Jonizator je uređaj koji prevodi molekule u jone. Proces jonizacije obično uključuje dovođenje energije molekulu, pri čemu se izbacuje jedan ili više elektrona. Pri tom procesu može doći i do fragmentacije molekule u dva ili više fragmenata. Fragmentacija je često poželjna jer pojava fragmenata u spektru ukazuje na to od kakvih je delova sastavljen ispitivani molekul. Spajanjem pojedinih fragmenata može se dobiti struktura molekula. Najčešće se molekul fragmentira na različite načine, dok jedan deo ostane cio i u spektru daje signal s najvećom vrednosti mase. Taj jon se naziva molekulski jon i on pokazuje masu (molarnu masu) molekule.

Postoji više načina jonizacije, koji se razlikuju po količini energije koja se predaje molekulu. Metode koje predaju više energije, jače fragmentiraju molekul, pa se takve metode neće koristiti kod molekula koji se vrlo lako raspadaju ili u slučajevima kada je potreban signal molekulskog jona.

Elektronska jonizacija

Elektronska jonizacija (EI) koristi snop brzih elektrona, kojima se bombarduju molekuli u gasnoj fazi. Elektronski snop se proizvodi pomoću filamenta (katode) zagrejanog 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 efikasnost fragmentacije. Obično se koriste energije od oko 70 eV. Elektronska jonizacija obično jako fragmentira molekule analita.

Jonizacija brzim atomima i jonima

Jonizacija brzim atomima (FAB - engl. Fast Atom Bombardment), i jonizacija brzim jonima (FIB - engl. Fast Ion Bombardment) koristi brze atome ili jone (4 KeV -10 KeV) kojima se bombarduju molekule analita u datom mediju (tzv. matrici). Obično se koriste atomi/joni inertnih gasova (argon, ksenon). Kao matrica, koriste se: glicerol, tioglicerol, 3-nitrobenzilni alkohol, 18-kruna-6, nitrofenil-oktilni etar, sulfolan, dietilanolamin, trietanolamin. Ova jonizacija je blaža od elektronske jonizacije, pa je u spektru često vidljiv signal molekulskog jona.

Hemijska jonizacija

Hemijska jonizacija (CI - engl. Chemical ionization) jonizuje molekulu posredno, pomoću neke druge materije. Uzorak (u gasovitom stanju) se pomeša sa nekim drugim gasom u velikom suvišku. Na dobijenu smešu se deluje brzim elektronima, slično kao kod elektronske jonizacije. Elektroni jonizuju gas u suvišku, dok dobijeni joni reagiraju sa molekulima analita pri čemu ih jonizuju. U ovoj metodi, kao medijum se koriste gasovi kao što su: metan, amonijak, i izobutan. Ova metoda proizvodi relativno malo fragmentacije i jasno vidljivi molekulski jon.

Elektrosprej

Elektrosprej (ESI - engl. ElectroSpray Ionization) jonizacija jonizuje analit u obliku rastvora. Ova tehnika je posebno korisna u stvaranju jona iz makromolekula, jer prevladava sklonost tih molekula na fragmentiraju kada su jonizovani. Razvoj elektrosprej jonizacije za analizu bioloških makromolekula^[2] je bilo nagrađeno Nobelovom nagradom za hemiju, Džon Benet Fen 2002.^[3]

MALDI

MALDI (engl. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – matricom potpomognuta laserska desorpcija/jonizacija) je slabo invanzivna metoda za jonizaciju molekula. Kao matrica se koriste rastvor određenih materija u smeši vode i organskog rastvarača. Analit je rastvoren u matrici. Na matricu se deluje laserom, najčešće azotnim laserom. Matrica štiti analit od lasera, a njezinim isparavanjem i jonizacijom, ona prenosi deo naboja na analit, jonizujući ga. MALDI tehnika je pogodna za jonizaciju biomolekula i velikih organskih molekula.

Analizator

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

Magnetski sektorski analizator

Magnetski sektorski analizator se sastoji od magneta, između čijih polova prolaze joni. Na ulasku i izlasku iz magnetskog sektora nalaze se dve pukotine koje ograničavaju snop jona koji ulaze, odnosno onih koji izlaze iz sektora kako ne bi smetali na detektoru.

Magnetsko polje deluje na naboj u kretanju Lorencovom silom: ${\overrightarrow {F}}=q\cdot {\overrightarrow {v}}\times {\overrightarrow {B}}$

Zbog te sile, putanje jna u magnetskom polju su zakrivljene, i samo određeni joni mogu proći kroz izlaznu pukotinu i biti detektirani na detektoru. Pretraživanje po masama se provodi menjanjem jačine magnetskog polja (utiče se na radijuse zakrivljenosti putanje jona u magnetskom polju). Zbog toga je ova metoda spora, ali odlikuje se vrlo dobrim razlučivanjem.

Elektrostatički sektorski analizator; Na uređaju je uklonjen poklopac vakuumske komore i vidljive su dve zakrivljene elektrode.

Električni sektor

Električni sektor je sličan magnetskom sektoru, samo što umjesto magnetskog polja upotrebljava električno polje, a pretraživanje se obavlja promenom napona na elektrodama. Ova metoda ima vrlo dobro razlučivanje, ali je spora, kao i kod magnetskog sektora.

Kvadrupolni analizator

Kvadrupolni analizator se sastoji od četiri valjkaste paralelne elektrode. Joni se propuštaju između četiri elektrode. Na elektrode je priključen izvor naizmenične struje. Kroz analizator mogu proći samo određeni joni, a pretraživanje se provodi menjanjem frekvencije napona.

Jon ciklotronska rezonancija

Jon ciklotronska rezonancija ili FTMS (engl. Fourier Transform Mass Spectrometry) predstavlja tehniku analize jona po masama.

Uređaj se sastoji od velikog magneta koji proizvodi homogeno magnetsko polje. Unutar magnetskog polja se nalazi niz elektroda. Joni koji uđu u komoru spektrometra, kreću se u kružnim putanjama unutar komore zbog magnetskog polja. Pomoću dve elekrode, koje su postavljene okomito na smer magnetskog polja, moguće je kontrolisati položaj jona unutar komore. Na druge dve elektrode, smještene paralelno magnetskom polju primeni se naizmenična struja određene frekvencije. To naizmenično električno polje deluje na sve jone u komori, uređujući njihove putanje. Nakon završetka delovanja naizmeničnim električnim poljem, posmatra se prolazak jona pored detektorskih elektroda, koje su takođe smeštene paralelno smjeru magnetskog polja.

Signal koji se dobija sa detektorskih elektroda, sadrži informaciju o svim jonima, bez obzira na njihovu masu. Na taj signal, potrebno je primeniti matematičku operaciju - furierovu transformaciju. Tom operacijom se dobiva se maseni spektar. Ova metoda je brza i ima veliko razlučivanje, ali je i jako skupa. S obzirom da je u ovakvom instrumentu moguće manipulirati jonima, moguće je sprovoditi različita istraživanja na njima.

TOF analizator

TOF analizator (engl. Time of flight) ubrzava jone iz jonizatora pomoću homogenog električnog polja. Lakši joni se jače ubrzavaju i prvi dolaze do detektora. Pretraživanje je ostvareno kašnjenjem težih jona iz analizatora. Zbog toga je ova metoda brza, ali ima manje razlučivanje od električnog ili magnetskog sektora.

Jonska zamka

Jonska zamka je mala kutija s nekoliko elektroda na koje je doveden naizmenični napon i istosmerni napon. Jon, koji uđe u zamku oscilira u zamci kompleksnim putanjama, koje se kontrolišu elektrodama s istosmernim naponom. Ova metoda je brza i ima nisko razlučivanje.

Reference

↑ ^1,0 ^1,1 Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 0-9660813-2-3.
↑ Fenn, J. B.; Mann, M.; Meng, C. K.; Wong, S. F.; Whitehouse, C. M. (1989). „Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules”. Science 246 (4926): 64–71. DOI:10.1126/science.2675315. PMID 2675315.
↑ Markides, K; Gräslund, A. „Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2002” (PDF).

Literatura

Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 0-9660813-2-3.
Tureček, František; McLafferty, Fred W. (1993). Interpretation of mass spectra. Sausalito, Calif: University Science Books. ISBN 0-935702-25-3.
Edmond de Hoffman; Vincent Stroobant (2001). Mass Spectrometry: Principles and Applications (2nd izd.). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-48566-7.
Downard, Kevin (2004). Mass Spectrometry - A Foundation Course. Cambridge UK: Royal Society of Chemistry. ISBN 0854046097.
Siuzdak, Gary (1996). Mass spectrometry for biotechnology. Boston: Academic Press. ISBN 0-12-647471-0.
Dass, Chhabil (2001). Principles and practice of biological mass spectrometry. New York: John Wiley. ISBN 0-471-33053-1.
Gross, Jnrgen H. (2006). Mass Spectrometry: A Textbook. Berlin: Springer-Verlag. ISBN 3-540-40739-1.
Muzikar, P., et al. (2003). „Accelerator Mass Spectrometry in Geologic Research”. Geological Society of America Bulletin 115: 643–654. DOI:10.1130/0016-7606(2003)115<0643:AMSIGR>2.0.CO;2.
O. David Sparkman (2006). Mass Spectrometry Desk Reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 0-9660813-9-0.
Tuniz, C. (1998). Accelerator mass spectrometry: ultrasensitive analysis for global science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-4538-3.

Spoljašnje veze

Mass Spectrometry na Projektu Open Directory
ASMS American Society for Mass Spectrometry
TSMS Taiwan Society for Mass Spectrometry
Interactive tutorial on mass spectra Arhivirano 2014-10-23 na Wayback Machine-u National High Magnetic Field Laboratory

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

[2] Fenn, J. B.; Mann, M.; Meng, C. K.; Wong, S. F.; Whitehouse, C. M. (1989). „Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules”. Science 246 (4926): 64–71. DOI:10.1126/science.2675315. PMID 2675315.

[3] Markides, K; Gräslund, A. „Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2002” (PDF).

[1]

[2]

[3]