Kasutaja:Dilan069/Mass-spektroskoopia

Mass-spektroskoopia

Mass-spektroskoopia (MS) on analüütiline meetod/tehnika, mis annab meile aatomite ja molekulide masside spektri, millest koosneb uuritav aine (proov). Saadud spektri pärast kasutatakse et määrata proovi elementaalset(sõnast „element“) või isotoopilist koostist, määrata molekulide osakeste massi ja molekulide koostist.

Tüüpiline MS protseduuris esialgu ioniseeritakse proovi, milleks võib olla kas tahke aine, vedelik või gaas. Pärast ioone eraldatakse teineteisest vastavalt nende mass/laeng suhele ja detekteeritakse mehanismiga, mis on võimeline laetuid osakesi detekteerima. Signaali töötluse tulemused esitatakse spektrina, kus saab näha kui palju on osakesi iga erineva mass/laengu suhe kohta. Ning erinevad aatomid ja molekulid identifitseeritakse pärast võrreldes teatud masse ja katsest saadud masse (mass/laengu suhest saadud masse) või võrreldakse uusi ja varem saadud spektreid.

Mass-spektromeeter koosneb kolmest põhikomponendist: ioonide allikast, masside analüsaatorist ja laetud osakeste detektorist(2). Ioonide allikas ehk ionisaator konverteerib mõni koguse proovi ioonideks. On palju erinevaid ioniseerimistehnikaid, sõltuvalt aine faasist (tahke, vedel või gaas) ja sellest kui efektiivsed erinevad ioniseerimismehanismid on. Ekstrageerimissüsteem eraldab laetud osakesi proovist ning suunab neid läbi mass-analüsaatori detektori peale. Erinevate proovi fragmentide massi erinevus lubab mass-analüsaatorile sorteerida ioone vastavalt mass/laeng suhele. Detektor mõõdab kui palju igat sorti iooni on (st. Kui palju on osakesi iga konkreetse mass/laengu suhtega).

Mass-spektoskoopia annab nii kvalitatiivse, kui ka kvantitatiivse analüüsi võimalusi. Näiteks võimaldab see identifitseerida tundmatuid ühendeid, määrata elementide ja molekulite isotoobilist koostist, võimaldab ennustada ühendite struktuuri fragmentide vaatlemise kaudu. Veel kasutatakse mass-spektromeetriat, et määrata mingite konkreetsete ühendite kogust proovis. MS-at väga tihti kasutatakse analüütilistes laborites, et uurida väga erinevate ühendite keemilisi, füüsikalisi ja bioloogilisi omadusi.

Kui analüütiline meetod MS-il on palju eeliseid:

• Suurem tundlikus võrreldes teiste meetodiga, kuna mass-laenguline filter, kui analüsaator, vähendab välise keskkonna mõju.
• Väga hea meetod uute ühendite avastamiseks või oletuste kontrollimiseks.
• Annab informatsiooni elementide massi kohta.
• Võimaldab eristada isotoope ja määrata nende kogust ühendites.
• Annab ajaresolutsiooniga keemilist informatsiooni (saab jälgida ka mingite ühendite tekkimist keemilises reaktsioonis ja uuride lähteainete ja produktide koostist).

Kuigi on ka mõned puudused:

• Ei saa eristada optilisi ja geomeetrilisi isomeere ja asendusrühmade positsiooni aromaatilises tuumas o-, m- ja p- asendites.
• Kasutamisvõimalused on piiratud kui meil on tegemist süsivesinikutega, mis annavad sarnaseid ioone fragmenteerimisel.

Lihtne näide:

Järgmine näide illustreerib ühe klassikalise mass-spektromeetri tööd. Oletame et prooviks võetakse tavalise keedusoola, ehk NaCl. Ioonide allikas proovi aurustatakse ja ioniseeritakse, ning saadakse naatriumi (Na+) ja kloori (Cl-) ioone. Naatriumi ioonid on monoisotoopsed (st. et tavaliselt on Na-l ei leidu teisi isotoope) ja omavad massi 23 amü (aatom mass-ühikuid). Kloriidioonid on tavaliselt esitatud kahe isotoopina, millest ühe mass on umbes 35 amü, ning teine on 37 amü (naturaalse koostise jures on seda umbes 25%). Mass-spektromeetri analüsaatori osa sisaldab elektri- ja magnetvälju, mis mõjuvad oma jõududega nendes väljades rändavate ioonide peale (laetud osakeste peale). Sellise mõju käigus erinevate komponentide kiirus suureneb või väheneb elektriväljas, ning nende trajektoor muundub magnetväljas. Kõik need muutused sõltuvad ioonide mass-laengu suhest. Kergemad ioonid kalduvad oma esialgse liikumissuuna suhtes rohkem kui raskemad ioonid (see põhineb Newtoni teise seaduse peale, F = ma). Sellisel viisil erinevaid NaCl komponente eraldatakse teineteisest, ning detektori peale, mis omakorda loendab iga komponendi kogust. Saadud informatsiooni kasutatakse esialgse elementi, ehk proovi koostise, ning erinevate isotoopide suhete määramiseks. Näiteks me võime öelda, et proovis oli kindlasti nii kloriidi, kui ka naatriumit, ning uurida välja, et NaCl esines ka kloori kaks isotoopi ja uurida nende suhet.

Põhietapide lühike kirjeldus

Ioniseerimine

Ioonide allikas on mass-spektromeetri osa, mis ioniseerib materjale MS analüüsi käigus. Neid ioone transporditakse järgnevalt elektri- ja magnetväljade abil analüsaatori. Ioniseerimistehnikad määravad seda, mis tüüpi proovid saavad olla analüüsitud MS abil ja mängivad sellepärast suurt rolli MS-s. Elektroonset ja keemilist ionisatsiooni kasutatakse gaaside ja aurude ioniseerimiseks. Keemilise ionisatsiooni käigus proovi (analüüti) ioniseeritakse molekulide keemilise reaktsiooni ning kokkupõrgete käigus. On ka kaks tehnikat, mida tihti kasutatakse tahkete ja vedelainete ioniseerimiseks. Nendeks on elektrosprei ioniseerimine (ing. k. Electrospray ionization, leiutatud John Fenni poolt) ja Maatriks-aktiveeritud laser desorbeerimine/ioniseerimine (MALDI, Matrix Assisted Laser Desorbtion/Ionization, mille eest said Nobeli preemiad M. Karas ja F. Hillenkamp).

Masside selekteerimine

Mass-analüsaatorid eraldavad teineteisest ioone vastavalt nende mass/laengu suhele. Järgmised kaks seadust kirjeldavad laetud osakeste liikumist vaakumis elektri- ja magnetväljas: (Loretz’i jõu seadus) (Newton’i teine seadus mitterelativistlikus kujus. Selle kasutamine on õigustatud ainult juhtudel kui ioonide kiirus on tunduvalt väiksem valgusekiirusest).

Siin:

• F on jõud, mis mõjutab iooni
• m on iooni mass
• a on iooni kiirendus
• Q on iooni laeng
• E on elektrivälja tugevus
• v x B on iooni kiiruse ja magnetinduktsiooni vektorkorrutis

Võrdsustades ülalolevaid võrrandeid saame:

Selline diferentsiaalne võrrand on klassikaline võrrand laetud osakese liikumise kirjeldamiseks. Koos osakese algoleku tingimustega määrab see täielikult osakese liikumise ruumis ja ajas sõltuvalt m/Q suhest. Seepärast on mass-spektromeetrid tegelikult mass/laeng-spektromeetrid. On palju erinevat tüüpi analüsaatoreid, mis kasutavad staatilisi ja dünaamilisi elektri- ja magnetvälju, aga kõik nad töötavad ülaltoodud seaduste järgi. Igal analüsaatoril on oma eelised ja puudused. Paljud mass-spektromeetrid omavad kahte või rohkemat analüsaatorit (Tandem mass spectrometry (MS/MS)).

On mitu olulist analüsaatorite karakteristikut.

• Massi lahendusvõime (mass resolving power) on võime eristada kahte osakest väga lähedaste m/Q–ga.
• Täpsus on m/Q mõõtemääramatuse ja tegeliku m/Q suhe. Täpsust mõõdetakse tavaliselt ppm või milli mass ühikutes.
• Diaposoon näitab seda, mis ulatuses on mass-spektromeeter võimeline detekteerima osakesi.

Lineaarne dünaamiline diapasoon on ala, kus ioonide signaalid muutuvad lineaarselt analüüdi kontsentratsiooni muutumisel.

• Kiirus kirjeldab aega, mis kulub sellele et mõõtmise käigus saada ühte spektrit.

Detekteerimine

Nagu ka eelnevalt oli kirjutatud, lõppelemendiks on mass-spektromeetris detektor. Detektor salvestab kas indutseeritud laengu või voolu, mis ilmuvad, kui ioonid liikuvad mööda detektori pinda või põrkavad sellega. Skaneerimisinstrumendis signaalist, mis on saadud detektoris uuringu käigus, ning teadmisest, kus me praegu oma skaneeringutega oleme (st. mis m/Q detektor parajasti detekteerib) saadakse mass-spektrit, kui loendatud osakeste funktsiooni, mis sõltub m/Q–st. Tüüpiliselt kasutatakse mingisugust elektronkordistit, kuigi teised detektorid nagu Faradey’ silindrid ja ioon-footon detektorid on ka kasutusel. Sellepärast et osakeste arv, mis lahkub analüsaatorist on tavaliselt suhteliselt väike, siis tihti on vajalik signaali võimendamine. Mikrokanalised plaadid on tihti kasutatavad kaasaegsetetes instrumentides. Nii ka mass-spektromeetrides: detektorid koosnevad kahest plaadist, mis asetseb analüsaatori lõksupiirkonnas ja kust ioonid saavad lähedalt liikuda, kui nad võnguvad. Detektori läbimisel ioonid ei tekita otsest elektrivoolu, kuid tekitavad väikest vahelduvvoolu elektroodide vahel olevas vooluringis. Kasutatakse ka teisi detektoreid.