Kasutaja:Dilan069/Mass-spektroskoopia

Mass-spektroskoopia (MS) on analüütiline meetod/tehnika, mis võimaldab tuvastada aines(proovis) sisalduvate aatomite ja molekulide masside spektri. Saadud spektrit kasutatakse, et määrata proovi elemendilist või isotoopilist koostist, määrata molekulide ja väiksemate osakeste koostist.

Tüüpilises MS protseduuris kõigepealt ioniseeritakse proovi, milleks võib olla kas tahke aine, vedelik või gaas. Seejärel eraldatakse ioone teineteisest vastavalt nende massi ja laengu suhtele ja detekteeritakse mehhanismiga, mis on võimeline laetud osakesi detekteerima. Signaali töötluse tulemused esitatakse spektrina, kus saab näha, kui palju on osakesi iga erineva massi ja laengu suhte kohta. Erinevad aatomid ja molekulid identifitseeritakse, võrreldes teatud masse ja katsest saadud masse (massi ja laengu suhtest saadud masse) või võrreldakse uusi ja varem saadud spektreid.

Mass-spektromeeter koosneb kolmest põhikomponendist: ioonide allikast, masside analüsaatorist ja laetud osakeste detektorist[1]. Ioonide allikas ehk ionisaator muundab väikse proovikoguse ioonideks. On palju erinevaid ioniseerimistehnikaid, sõltuvalt aine faasist (tahke, vedel või gaas) ja sellest, kui efektiivsed erinevad ioniseerimismehhanismid on. Ekstraheerimissüsteem eraldab laetud osakesi proovist ning suunab neid läbi mass-analüsaatori detektori peale. Proovi fragmentide masside erinevus lubab mass-analüsaatoril sorteerida ioone vastavalt massi ja laeng suhetele. Detektor mõõdab, kui palju igat sorti iooni on (st. Kui palju on osakesi iga konkreetse massi ja laengu suhetega)[2].

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. Analüütilistes laborites kasutatakse väga tihti mass-spektroskoopiat, et uurida väga erinevate ühendite keemilisi, füüsikalisi ja bioloogilisi omadusi.

Analüütilise meetodina on MS-il palju eeliseid[3]:

  • Suurem tundlikkus võrreldes teiste meetodiga, kuna mass-laenguline filter (analüsaatorina) 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 uurida lähteainete ja saaduste koostist).

Kuigi on ka mõned puudused:

Lihtne näideRedigeeri

 
Lihtsa sektor-tüüpi massianalüsaatori skeem.

Järgmine näide illustreerib ühe klassikalise mass-spektromeetri tööd. Oletame, et prooviks võetakse tavaline keedusool ehk NaCl. Ioonide allika sees proov aurustatakse ja ioniseeritakse ning saadakse naatriumi (Na+) ja kloori (Cl-) ioone. Naatriumi ioonid on monoisotoopsed (st. et tavaliselt Na-l ei leidu teisi isotoope) ja nende mass on 23 amü (aatommassühikut). Kloriidioonid on tavaliselt esitatud kahe isotoobina, 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 liikuvate ioonidele (laetud osakestele). Sellise mõju käigus erinevate komponentide kiirus suureneb või väheneb elektriväljas, ning nende trajektoor muundub magnetväljas. Kõik need muutused sõltuvad ioonide massi ja laengu suhtest. Kergemad ioonid kalduvad kõrvale oma esialgse liikumissuuna suhtes rohkem kui raskemad ioonid (see põhineb Newtoni teisel seadusel, F = ma). Sellisel viisil eraldatakse erinevaid NaCl komponente teineteisest, ning saadetakse detektori peale, mis omakorda loendab iga komponendi koguse. Saadud informatsiooni kasutatakse esialgse proovi elemendilise koostise ning erinevate isotoopide suhtete määramiseks. Näiteks me võime öelda, et proovis oli kindlasti nii kloori, kui ka naatriumit, ning uurida välja, et NaCl-is esines ka kloori kaks isotoopi ja uurida nende suhtet.

Põhietappide lühike kirjeldusRedigeeri

IoniseerimineRedigeeri

Ioonide allikas on mass-spektromeetri osa, mis ioniseerib materjale MS analüüsi käigus. Neid ioone transporditakse järgnevalt elektri- ja magnetväljade abil analüsaatorisse. Ioniseerimistehnikad määravad seda, mis tüüpi proove saab MS abil analüüsida ja mängivad sellepärast suurt rolli MS-s. Elektroonset ja keemilist ionisatsiooni kasutatakse gaaside ja aurude ioniseerimiseks. Keemilise ionisatsiooni käigus ioniseeritakse proovi (analüüti)molekulide keemilise reaktsiooni ning kokkupõrgete käigus (abil). On ka kaks tehnikat, mida tihti kasutatakse tahkete ja vedelainete ioniseerimiseks. Nendeks on elektropihustusioniseerimine (ing. k. Electrospray ionization, leiutas John Fenni[4])) ja Maatriks-aktiveeritud laser desorbeerimine/ioniseerimine (MALDI, Matrix Assisted Laser Desorbtion/Ionization, mille eest said Nobeli preemiad M. Karas ja F. Hillenkamp[5]).

Masside selekteerimineRedigeeri

Mass-analüsaatorid eraldavad teineteisest ioone vastavalt nende massi ja laengu suhtele. 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 valguse kiirusest.

Siin:

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 suhtest. Seepärast on mass-spektromeetrid tegelikult massi ja laengu 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. Paljudel mass-spektromeetritel on kaks või rohkem analüsaatorit (Tandem mass spectrometry (MS/MS)).

On mitu olulist analüsaatorite karakteristikut.

  • Massi lahutusvõime (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.
  • Diapasoon 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 ühe spektri mõõtmiseks.

DetekteerimineRedigeeri

Lõppelemendiks on mass-spektromeetris detektor. Detektor registreerib kas indutseeritud laengu või voolu, mis ilmuvad, kui ioonid liiguvad mööda detektori pinda või põrkavad vastu seda. Massispekter (loendatud osakeste funktsioonina, mis sõltub m/Q–st) saadakse skaneerimisinstrumendis signaalist, mis on saadud detektoris uuringu käigus, ning teadmisest, kus praegu skaneerimine toimub (st. mis m/Q detektor parajasti detekteerib). Tüüpiliselt kasutatakse mingisugust elektronkordistit, kuigi teised detektorid nagu Faradey silindrid ja ioon-footon detektorid on ka kasutusel. Kuna analüsaatorist lahkuvate osakeste arv on tavaliselt suhteliselt väike, on tihti vajalik signaali võimendamine. Selleks kasutatakse kaasaegsetes instrumentides mikrokanalplaate[6]. Nii ka mass-spektromeetrites: detektorid koosnevad kahest plaadist, mis asetsevad analüsaatori lõksupiirkonnas ja kust ioonid saavad lähedalt mööduda, kui nad võnguvad. Detektori läbimisel ioonid ei tekita otsest elektrivoolu, kuid tekitavad väikest vahelduvvoolu elektroodide vahel olevas vooluringis. Kasutatakse ka teisi detektoreid.[7]

ViitedRedigeeri

  1. Chhabil Dass (11 May 2007). Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry. John Wiley & Sons. lk 5. ISBN 978-0-470-11848-1. Vaadatud 28 April 2013.  Kontrolli kuupäeva väärtust kohas: |date=, |accessdate= (juhend)
  2. Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 0-9660813-2-3. 
  3. "How does a mass spectrometer work?". Chemistry Net. 
  4. 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. Bibcode:1989Sci...246...64F. PMID 2675315. doi:10.1126/science.2675315. 
  5. Karas, M.; Bachman, D.; Bahr, U.; Hillenkamp, F. (1987). "Matrix-Assisted Ultraviolet Laser Desorption of Non-Volatile Compounds". Int J Mass Spectrom Ion Proc 78: 53–68. doi:10.1016/0168-1176(87)87041-6. 
  6. F. Dubois, R. Knochenmuss, R. Zenobi, A. Brunelle, C. Deprun and Y. L. Beyec (1999). "A comparison between ion-to-photon and microchannel plate detectors". Rapid Communications in Mass Spectrometry 13 (9): 786–791. doi:10.1002/(SICI)1097-0231(19990515)13:9<786::AID-RCM566>3.0.CO;2-3. 
  7. M. A. Park, J. H. Callahan and A. Vertes (1994). "An inductive detector for time-of-flight mass spectrometry". Rapid Communications in Mass Spectrometry 8 (4): 317–322. doi:10.1002/rcm.1290080407.