Φασματομετρία μάζας

Η Φασματομετρία μάζας (MS) είναι μια αναλυτική τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του λόγου μάζας προς το φορτίο του ιόντος. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ως φάσμα μάζας, ένα διάγραμμα έντασης ως συνάρτηση του λόγου μάζας προς φορτίο. Η φασματομετρία μάζας χρησιμοποιείται σε πολλά διαφορετικά πεδία και εφαρμόζεται σε καθαρά δείγματα καθώς και σε σύνθετα μείγματα. Το φάσμα μάζας είναι ένας τύπος γραφικής παράστασης του σήματος ιόντων ως συνάρτησης του λόγου μάζας προς φορτίο. Αυτά τα φάσματα χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της στοιχειώδους ή ισοτοπικής υπογραφής ενός δείγματος, των μαζών των σωματιδίων και των μορίων, και για την αποσαφήνιση της χημικής ταυτότητας ή δομής των μορίων και άλλων χημικών ενώσεων. Σε μια τυπική διαδικασία MS, ένα δείγμα, το οποίο μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο, ιονίζεται, για παράδειγμα βομβαρδίζοντάς το με μια δέσμη ηλεκτρονίων. Αυτό μπορεί να προκαλέσει τη διάσπαση ορισμένων μορίων του δείγματος σε θετικά φορτισμένα θραύσματα, ή απλώς να φορτιστούν θετικά χωρίς να κατακερματιστούν. Αυτά τα ιόντα (θραύσματα) διαχωρίζονται στη συνέχεια σύμφωνα με τον λόγο μάζας προς φορτίο, για παράδειγμα επιταχύνοντάς τα και υποβάλλοντάς τα σε ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο: ιόντα του ίδιου λόγου μάζας προς φορτίο θα υποστούν την ίδια εκτροπή . Τα ιόντα ανιχνεύονται από έναν μηχανισμό ικανό να ανιχνεύει φορτισμένα σωματίδια, όπως ένας πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων. Τα αποτελέσματα εμφανίζονται ως φάσματα της έντασης του σήματος των ανιχνευόμενων ιόντων ως συνάρτηση του λόγου μάζας προς φορτίο. Τα άτομα ή τα μόρια στο δείγμα μπορούν να αναγνωριστούν συσχετίζοντας γνωστές μάζες (π.χ. ένα ολόκληρο μόριο) με τις μάζες που ταυτοποιήθηκαν ή μέσω ενός χαρακτηριστικού σχεδίου κατακερματισμού.

Ιστορία του φασματόμετρου μάζας

Αντίγραφο του τρίτου φασματομέτρου μάζας του F.W. Aston

Το 1886, ο Ευγένιος Γκολντστάιν παρατήρησε ακτίνες σε εκκενώσεις αερίου υπό χαμηλή πίεση που ταξίδευαν μακριά από την άνοδο και μέσω καναλιών σε μια διάτρητη κάθοδο, αντίθετη από την κατεύθυνση των αρνητικά φορτισμένων καθοδικών ακτίνων (που ταξιδεύουν από την κάθοδο στην άνοδο). Ο Γκολντστάιν ονόμασε αυτές τις θετικά φορτισμένες "καναλικές ακτίνες". Ο Βίλχελμ Βιν ανακάλυψε ότι ισχυρά ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία εκτρέπουν τις καναλικές ακτίνες και, το 1899, κατασκεύασε μια συσκευή με κάθετα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που χώριζε τις θετικές ακτίνες σύμφωνα με το λόγο φορτίου προς μάζα τους (Q/ Μ). Ο Βιν διαπίστωσε ότι η αναλογία φορτίου προς μάζα εξαρτιόταν από τη φύση του αερίου στον σωλήνα εκκένωσης. Ο Άγγλος επιστήμονας Τζόζεφ Τζον Τόμσον αργότερα βελτίωσε το έργο του Βιν μειώνοντας την πίεση για τη δημιουργία του φασματογράφου μάζας.

Φασματόμετρα μάζας Calutron χρησιμοποιήθηκαν στο Σχέδιο Μανχάταν για εμπλουτισμό του ουρανίου.

Η λέξη φασματογράφος είχε γίνει μέρος του διεθνούς επιστημονικού λεξιλογίου από το 1884. Οι πρώιμες συσκευές φασματομετρίας που μετρούσαν την αναλογία μάζας προς φορτίο ιόντων ονομάζονταν φασματογράφοι μάζας που αποτελούνταν από όργανα που κατέγραφαν ένα φάσμα τιμών μάζας σε φωτογραφικό πιάτο. Ένα φασματοσκόπιο μάζας είναι παρόμοιο με ένα φασματογράφο μάζας εκτός από το ότι η δέσμη των ιόντων κατευθύνεται σε μια οθόνη φωσφόρου. Μια διαμόρφωση φασματοσκοπίου μάζας χρησιμοποιήθηκε σε πρώιμα όργανα όταν ήταν επιθυμητό να παρατηρηθούν γρήγορα τα αποτελέσματα των προσαρμογών. Μόλις το όργανο ρυθμίστηκε σωστά, τοποθετήθηκε μια φωτογραφική πλάκα και εκτέθηκε. Ο όρος φασματοσκόπιο μάζας συνέχισε να χρησιμοποιείται παρόλο που ο άμεσος φωτισμός μιας οθόνης φωσφόρου αντικαταστάθηκε από έμμεσες μετρήσεις με παλμογράφο. Η χρήση του όρου φασματοσκοπία μάζας πλέον αποθαρρύνεται λόγω της πιθανότητας σύγχυσης με το φως φασματοσκοπίας. Η φασματομετρία μάζας συχνά συντομεύεται ως mass-spec ή απλά ως MS. Οι σύγχρονες τεχνικές φασματομετρίας μάζας επινοήθηκαν από τους Arthur Jeffrey Dempster και F.W. Aston το 1918 και το 1919 αντίστοιχα. Τα Φασματόμετρα μάζας τομέα, γνωστά ως calutrons αναπτύχθηκαν από τον Έρνεστ Ορλάντο Λόρενς και χρησιμοποιήθηκαν για τον διαχωρισμό των ισότοπων του ουρανίου κατά τη διάρκεια του σχεδίου Μανχάταν. Τα φασματόμετρα μάζας Calutron χρησιμοποιήθηκαν για τον εμπλουτισμό του ουρανίου στο Oak Ridge του Τένεσι κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Το 1989, το μισό Βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε στους Hans Dehmelt και Wolfgang Paul για την ανάπτυξη της τεχνικής παγίδας ιόντων στις δεκαετίες του 1950 και του 1960. Το 2002, το Βραβείο Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε στον John Bennett Fenn για την ανάπτυξη του ιοντισμού ηλεκτροψεκασμού (electrospray ionization (ESI)) και στον Koichi Tanaka για την ανάπτυξη εκρόφησης με μαλακό λέιζερ (soft laser desorption (SLD)) και η εφαρμογή τους στον ιοντισμό βιολογικών μακρομορίων, ιδιαίτερα πρωτεϊνών.

Μέρη ενός φασματόμετρου μάζας

Σχήματα απλού φασματομέτρου μάζας με αναλυτή μάζας τύπου τομέα. Αυτό είναι για τη μέτρηση των αναλογιών ισοτόπων του διοξειδίου του άνθρακα (Φασματομετρία μάζας αναλογίας ισοτόπων (Isotope ratio mass spectrometry (IRMS)) όπως στον έλεγχο αναπνοής ουρίας άνθρακα-13.

Ένα φασματόμετρο μάζας αποτελείται από τρία στοιχεία: μια πηγή ιόντων, έναν αναλυτή μάζας και έναν ανιχνευτή. Η πηγή ιόντων μετατρέπει ένα τμήμα του δείγματος σε ιόντα. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία τεχνικών ιοντισμού, ανάλογα με τη φάση (στερεή, υγρή, αέρια) του δείγματος και την αποτελεσματικότητα των διάφορων μηχανισμών ιοντισμού για τα άγνωστα είδη. Ένα σύστημα εξαγωγής αφαιρεί ιόντα από το δείγμα, τα οποία στη συνέχεια στοχεύουν μέσω του αναλυτή μάζας και στον ανιχνευτή. Οι διαφορές στις μάζες των θραυσμάτων επιτρέπουν στον αναλυτή μάζας να ταξινομήσει τα ιόντα με βάση την αναλογία μάζας προς φορτίο. Ο ανιχνευτής μετρά την τιμή μιας ποσότητας δείκτη και έτσι παρέχει δεδομένα για τον υπολογισμό της αφθονίας κάθε ιόντος που υπάρχει. Ορισμένοι ανιχνευτές δίνουν επίσης χωρικές πληροφορίες, π.χ. μια πολυκάναλη πλάκα.

Θεωρητικό παράδειγμα

Τα ρεύματα των ταξινομημένων ιόντων περνούν από τον αναλυτή στον ανιχνευτή, ο οποίος καταγράφει τη σχετική αφθονία κάθε τύπου ιόντων. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της σύνθεσης των χημικών στοιχείων του αρχικού δείγματος (δηλαδή ότι και το νάτριο και το χλώριο υπάρχουν στο δείγμα) και η ισοτοπική σύνθεση των συστατικών του (αναλογία του ³⁵Cl προς το ³⁷Cl). Στη συνέχεια περιγράφεται η λειτουργία ενός αναλυτή μάζας φασματομέτρου, ο οποίος είναι του τύπου τομέας. (Άλλοι τύποι αναλυτών εξετάζονται παρακάτω.) Θεωρήστε ένα δείγμα χλωριούχου νατρίου (επιτραπέζιο αλάτι). Στην πηγή ιόντων, το δείγμα εξατμίζεται (μετατρέπεται σε αέριο) και ιοντίζεται (μετατρέπεται σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια), δηλαδή σε ιόντα νατρίου (Na⁺) και ιόντα χλωρίου (Cl⁻) ιόντα. Τα άτομα και τα ιόντα νατρίου είναι μονοϊσοτοπικά, με μάζα περίπου 23 u. Τα άτομα και τα ιόντα χλωρίου διατίθενται σε δύο σταθερά ισότοπα με μάζες περίπου 35 u (σε φυσική αφθονία περίπου 75 τοις εκατό) και περίπου 37 u (σε φυσική αφθονία περίπου 25 τοις εκατό). Το τμήμα του αναλυτή του φασματόμετρου περιέχει πεδία ηλεκτρικό και μαγνητικό, τα οποία ασκούν δυνάμεις στα ιόντα που ταξιδεύουν μέσα από αυτά τα πεδία. Η ταχύτητα ενός φορτισμένου σωματιδίου μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί ενώ διέρχεται από το ηλεκτρικό πεδίο και η κατεύθυνσή του μπορεί να αλλάξει από το μαγνητικό πεδίο. Το μέγεθος της εκτροπής της τροχιάς του κινούμενου ιόντος εξαρτάται από την αναλογία μάζας προς φορτίο. Τα ελαφρύτερα ιόντα εκτρέπονται από τη μαγνητική δύναμη περισσότερο από τα βαρύτερα ιόντα (με βάση τον δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, F = ma). Τα ρεύματα ταξινομημένων ιόντων περνούν από τον αναλυτή στον ανιχνευτή, ο οποίος καταγράφει τη σχετική αφθονία κάθε τύπου ιόντων. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της σύνθεσης χημικών στοιχείων του αρχικού δείγματος (δηλαδή ότι και το νάτριο και το χλώριο υπάρχουν στο δείγμα) και η ισοτοπική σύνθεση των συστατικών του (αναλογία ³⁵Cl προς ³⁷Cl).

Δημιουργία ιόντων

Πηγή επιφανειακού ιοντισμού στον γραμμικό επιταχυντή του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne

Η πηγή ιόντων είναι το τμήμα του φασματόμετρου μάζας που ιοντίζει το υπό ανάλυση υλικό (την αναλυόμενη ουσία). Στη συνέχεια, τα ιόντα μεταφέρονται με μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο στον αναλυτή μάζας. Οι τεχνικές ιονισμού ήταν το κλειδί για τον προσδιορισμό των τύπων δειγμάτων που μπορούν να αναλυθούν με φασματομετρία μάζας. Ο ιοντισμός ηλεκτρονίων και ο χημικός ιονισμός χρησιμοποιούνται για αέρια και ατμούς. Σε πηγές χημικού ιονισμού, η αναλυόμενη ουσία ιονίζεται με χημικές αντιδράσεις ιόντων-μορίων κατά τη διάρκεια συγκρούσεων στην πηγή. Δύο τεχνικές που χρησιμοποιούνται συχνά με υγρά και στερεά βιολογικά δείγματα περιλαμβάνουν τον ιονισμό με ηλεκτροψεκασμό ) και τον ιοντισμό εκρόφησης με λέιζερ υποβοηθούμενο από μήτρα (matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI), που αναπτύχθηκε από τον K. Tanaka

Σκληρός και μαλακός ιοντισμός (Hard ionization and soft ionization)

Τετραπολικό φασματόμετρο μάζας και πηγή ιόντων ηλεκτροψεκασμού που χρησιμοποιούνται για την πρώιμη εργασία του Fenn

Στη φασματομετρία μάζας, ο ιοντισμός αναφέρεται στην παραγωγή ιόντων αέριας φάσης κατάλληλων για ανάλυση στον αναλυτή μάζας ή σε φίλτρο μάζας. Ο ιοντισμός λαμβάνει χώρα στην πηγή των ιόντων. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες πηγές ιόντων. Που καθεμιά τους έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα για συγκεκριμένες εφαρμογές. Για παράδειγμα, ο ιοντισμός με ηλεκτρόνια (EI) δίνει υψηλό βαθμό κατακερματισμού, αποδίδοντας εξαιρετικά λεπτομερή φάσματα μάζας τα οποία όταν αναλυθούν επιδέξια μπορούν να παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για δομική διαλεύκανση/χαρακτηρισμό και να διευκολύνουν την αναγνώριση άγνωστων ενώσεων σε σύγκριση με φασματικές βιβλιοθήκες μάζας που λαμβάνονται. υπό τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας. Ωστόσο, ο EI δεν είναι κατάλληλος για σύζευξη με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC), δηλ. για υγρή χρωματογραφία–φασματομετρία μάζας (LC-MS), καθώς σε ατμοσφαιρική πίεση, τα νήματα που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρονίων καίγονται γρήγορα. Έτσι, ο ΕΙ συνδέεται κυρίως με αέρια χρωματογραφία (GC), δηλ. GC-MS, όπου ολόκληρο το σύστημα βρίσκεται υπό υψηλό κενό. Οι τεχνικές σκληρού ιοντισμού είναι διεργασίες που προσδίδουν υψηλές ποσότητες υπολειμματικής ενέργειας στο υποκείμενο μόριο προκαλώντας μεγάλους βαθμούς κατακερματισμού (δηλαδή η συστηματική ρήξη των δεσμών δρα για την απομάκρυνση της περίσσειας ενέργειας, αποκαθιστώντας τη σταθερότητα στο προκύπτον ιόν). Τα προκύπτοντα ιόντα τείνουν να έχουν m/z χαμηλότερα από το μοριακό ιόν (εκτός από την περίπτωση μεταφοράς πρωτονίων και μη συμπεριλαμβανομένων των κορυφών ισοτόπων). Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα σκληρού ιοντισμού είναι ο ιοντισμός με ηλεκτρόνια (ΕΙ). Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν τον γρήγορο βομβαρδισμό ατόμων (fast atom bombardment (FAB)), τον χημικό ιονισμό (chemical ionization (CI)), τον χημικό ιονισμό υπό ατμοσφαιρική πίεση (atmospheric-pressure chemical ionization (APCI)), τον φωτοϊονισμό υπό ατμοσφαιρική πίεση (atmospheric-pressure photoionization (APPI)), τον ιοντισμό με ηλεκτροψεκασμό (electrospray ionization (ESI)), τον ιοντισμό από ηλεκτροψεκασμό με εκρόφηση (desorption electrospray ionization (DESI)) και τον ιοντισμό εκρόφησης με λέιζερ υποβοηθούμενο από μήτρα (matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)). Ο μαλακός ιονισμός αναφέρεται στις διεργασίες που προσδίδουν λίγη υπολειμματική ενέργεια στο υποκείμενο μόριο και ως εκ τούτου καταλήγουν σε μικρό κατακερματισμό. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν τον γρήγορο βομβαρδισμό ατόμων (FAB), τον χημικό ιοντισμός (CI), τον χημικό ιοντισμό υπό ατμοσφαιρική πίεση (APCI), τον φωτοϊοντισμό υπό ατμοσφαιρικής πίεσης (APPI), τον ιοντισμό με ηλεκτροψεκασμό (ESI), ιοντισμό από ηλεκτροψεκασμό με εκρόφηση (DESI) και ιοντισμό εκρόφησης με λέιζερ υποβοηθούμενο από μήτρα (MALDI).

Επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα

Επαγωγικά συζευγμένη πηγή ιόντων πλάσματος

Οι πηγές επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (Inductively coupled plasma (ICP)) χρησιμοποιούνται κυρίως για ανάλυση κατιόντων μιας ευρείας σειράς τύπων δειγμάτων. Σε αυτήν την πηγή, ένα πλάσμα που είναι συνολικά ηλεκτρικά ουδέτερο, αλλά του οποίου έχει ιοντιστεί ένα σημαντικό κλάσμα των ατόμων του από υψηλή θερμοκρασία, χρησιμοποιείται για να ψεκάσει εισαγόμενα μόρια δείγματος και για να απογυμνώσει περαιτέρω τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από αυτά τα άτομα. Το πλάσμα παράγεται συνήθως από αέριο αργό, καθώς η πρώτη ενέργεια ιοντισμού των ατόμων αργού είναι υψηλότερη από την πρώτη από οποιαδήποτε άλλα στοιχεία εκτός από He, F και Ne, αλλά είναι παράλληλα χαμηλότερη από τη δεύτερη ενέργεια ιοντισμού όλων εκτός από τα πιο ηλεκτροθετικά μέταλλα. Η θέρμανση επιτυγχάνεται με ένα ρεύμα ραδιοσυχνότητας που περνά μέσα από ένα πηνίο που περιβάλλει το πλάσμα.

Φασματομετρία μάζας φωτοϊοντισμού

Ο φωτοϊοντισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα που επιδιώκουν να χρησιμοποιήσουν τη φασματομετρία μάζας ως μέσο επίλυσης μηχανισμών χημικής κινητικής και διακλάδωσης ισομερών προϊόντων Σε τέτοιες περιπτώσεις, ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας, είτε με ακτίνες Χ είτε με υπεριώδη ακτινοβολία, χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει σταθερά αέρια μόρια σε ένα φέρον αέριο He ή Ar. Σε περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται μια πηγή φωτός συγχρότρου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια ρυθμίσιμη ενέργεια φωτονίου για την απόκτηση μιας καμπύλης απόδοσης φωτοιοντισμού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με την αναλογία φορτίου m/z προς τα μοριακά και ιοντικά είδη δακτυλικών αποτυπωμάτων. Πιο πρόσφατα ο φωτοϊοντισμός υπό ατμοσφαιρική πίεση (APPI) αναπτύχθηκε για να ιονίζει μόρια κυρίως ως εκροές συστημάτων LC-MS.

Ιοντισμός περιβάλλοντος

Ορισμένες εφαρμογές για ιοντισμό περιβάλλοντος περιλαμβάνουν περιβαλλοντικές εφαρμογές καθώς και κλινικές εφαρμογές. Σε αυτές τις τεχνικές, τα ιόντα σχηματίζονται από μια πηγή ιόντων έξω από το φασματόμετρο μάζας. Η δειγματοληψία γίνεται εύκολα καθώς τα δείγματα δεν χρειάζονται προηγούμενο διαχωρισμό ή προετοιμασία. Μερικά παραδείγματα τεχνικών ιοντισμού περιβάλλοντος είναι ιοντισμός από ηλεκτροψεκασμό με εκρόφησης (Desorption electrospray ionization (DESI)), δευτερογενής ιοντισμός με ηλεκτροψεκασμό (Secondary electrospray ionization (SESI)), ιοντισμός ηλεκτροψεκασμού με αφαίρεση με λέιζερ (Laser ablation electrospray ionization (LAESI), χημικός ιοντισμός εκρόφησης υπό ατμοσφαιρική πίεση (desorption atmospheric-pressure chemical ionization (DAPCI)) και φωτοϊοντισμός εκρόφησης υπό ατμοσφαιρική πίεση (desorption atmospheric pressure photoionization (DAPPI)) μεταξύ άλλων.

Άλλες τεχνικές ιοντισμού

Άλλες τεχνικές ιοντισμού περιλαμβάνουν εκκένωση αίγλης (λάμψης) (glow discharge), εκρόφηση πεδίου (field desorption (FD)), γρήγορο βομβαρδισμό ατόμων (fast atom bombardment (FAB)), θερμοψεκασμό, εκρόφηση/ιοντισμός σε πυρίτιο (desorption/ionization on silicon (DIOS)), άμεση ανάλυση σε πραγματικό χρόνο (Direct Analysis in Real Time (DART)), χημικό ιονισμό υπό ατμοσφαιρική πίεση (atmospheric pressure chemical ionization (APCI)), φασματομετρία μάζας δευτερογενούς ιόντος (secondary ion mass spectrometry (SIMS)), ιοντισμός με σπινθήρα (spark ionization) και θερμικό ιοντισμό (thermal ionization TIMS).

Επιλογή μάζας

Οι αναλυτές μάζας διαχωρίζουν τα ιόντα σύμφωνα με την αναλογία μάζας προς φορτίο. Οι ακόλουθοι δύο νόμοι διέπουν τη δυναμική των φορτισμένων σωματιδίων στο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο στο κενό:

$\mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )$ (Δύναμη Λόρεντζ);

$\mathbf {F} =m\mathbf {a}$ (Δεύτερος νόμος του Νεύτωνα για την κίνηση στη μη σχετικιστική περίπτωση, δηλαδή ισχύει μόνο σε ταχύτητα ιόντων πολύ μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός).

Εδώ το F είναι η δύναμη που εφαρμόζεται στο ιόν, το m είναι η μάζα του ιόντος, το a είναι η επιτάχυνση, το Q είναι το φορτίο του ιόντος, το E είναι το ηλεκτρικό πεδίο και το v × B είναι το διανυσματικό γινόμενο της ταχύτητας του ιόντος και του μαγνητικού πεδίου Εξισώνοντας τις παραπάνω εκφράσεις για τη δύναμη που εφαρμόζεται στο ιόν προκύπτει:

$(m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .$

Αυτή η εξίσωση είναι η κλασική εξίσωση κίνησης για φορτισμένα σωματίδια. Μαζί με τις αρχικές συνθήκες του σωματιδίου, καθορίζει πλήρως την κίνηση του σωματιδίου στο χώρο και στο χρόνο ως m/Q. Έτσι τα φασματόμετρα μάζας θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως "φασματόμετρα μάζας προς φορτίο". Κατά την παρουσίαση δεδομένων, είναι σύνηθες να χρησιμοποιείται το (επίσημα) χωρίς διάσταση m/z, όπου z είναι ο αριθμός των στοιχειωδών φορτίων (e) στο ιόν ( z=Q/e). Αυτή η ποσότητα, αν και ονομάζεται ανεπίσημα αναλογία μάζας προς φορτίο, με μεγαλύτερη ακρίβεια αντιπροσωπεύει την αναλογία του αριθμού μάζας και του αριθμού φορτίου, z. Υπάρχουν πολλοί τύποι αναλυτών μάζας, που χρησιμοποιούν είτε στατικά είτε δυναμικά πεδία, και μαγνητικά ή ηλεκτρικά πεδία, αλλά όλοι λειτουργούν σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση. Κάθε τύπος αναλυτή έχει τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία του. Πολλά φασματόμετρα μάζας χρησιμοποιούν δύο ή περισσότερους αναλυτές μάζας για διαδοχική φασματομετρία μάζας (MS/MS). Εκτός από τους πιο κοινούς αναλυτές μάζας που αναφέρονται παρακάτω, υπάρχουν και άλλοι σχεδιασμένοι για ειδικές καταστάσεις. Υπάρχουν πολλά σημαντικά χαρακτηριστικά του αναλυτή. Η διακριτική ικανότητα μαζών είναι το μέτρο της ικανότητας διάκρισης δύο κορυφών με ελαφρώς διαφορετικά m/z. Η ακρίβεια μάζας είναι ο λόγος του σφάλματος μέτρησης m/z προς το πραγματικό m/z. Η ακρίβεια μάζας συνήθως μετριέται σε μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) ή χιλιοστά μονάδα μάζας. Το εύρος μάζας είναι το εύρος m/z που μπορεί να αναλυθεί από έναν δεδομένο αναλυτή. Το γραμμικό δυναμικό εύρος είναι το εύρος στο οποίο το σήμα ιόντων είναι γραμμικό με τη συγκέντρωση αναλυόμενης ουσίας. Η ταχύτητα αναφέρεται στο χρονικό πλαίσιο του πειράματος και τελικά χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του αριθμού των φασμάτων ανά μονάδα χρόνου που μπορούν να δημιουργηθούν.

Τομεακά μέσα

Φασματόμετρο μάζας τομέα ThermoQuest AvantGarde

Ένας αναλυτής μάζας τομέα πεδίου χρησιμοποιεί ένα στατικό ηλεκτρικό ή/και μαγνητικό πεδίο για να επηρεάσει τη διαδρομή και/ή την ταχύτητα των φορτισμένων σωματιδίων με κάποιο τρόπο. Όπως φαίνεται παραπάνω, τα τομεακά μέσα κάμπτουν τις τροχιές των ιόντων καθώς περνούν μέσα από τον αναλυτή μάζας, σύμφωνα με τις αναλογίες μάζας προς φορτίο, εκτρέποντας περισσότερο τα πιο φορτισμένα και πιο γρήγορα κινούμενα, ελαφρύτερα ιόντα. Ο αναλυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή στενού εύρους m/z ή για σάρωση ενός εύρους m/z για την καταγραφή των ιόντων που υπάρχουν.

Χρόνος πτήσης

Ο αναλυτής χρόνου πτήσης (time-of-flight (TOF)) χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό πεδίο για να επιταχύνει τα ιόντα μέσω της ίδιας τάσης και στη συνέχεια μετρά το χρόνο που χρειάζονται για να φτάσουν στον ανιχνευτή. Εάν όλα τα σωματίδια έχουν το ίδιο φορτίο, η κινητική ενέργεια τους θα είναι ταυτόσημη και η ταχύτητα τους θα εξαρτώνται μόνο από τη μάζα τους. Τα ιόντα με μικρότερη μάζα θα φτάσουν πρώτα στον ανιχνευτή. Εάν τα ιόντα δεν ξεκινούν με ταυτόσημες κινητικές ενέργειες, τότε ορισμένα ιόντα ενδέχεται να υστερούν σε σχέση με τα ιόντα υψηλότερης κινητικής ενέργειας μειώνοντας την ανάλυση. Οι γεωμετρίες ανακλαστικών (Reflectron) χρησιμοποιούνται συνήθως για τη διόρθωση αυτού του προβλήματος. Εξαιτίας αυτού, ιόντα με την ίδια αναλογία m/z θα φτάσουν στον ανιχνευτή σε διάφορες χρονικές στιγμές, γεγονός που διευρύνει τις κορυφές που εμφανίζονται στην γραφική παράσταση μέτρησης έναντι m/z, αλλά γενικά δεν θα αλλάξει την κεντρική θέση των κορυφών, καθώς η αρχική ταχύτητα των ιόντων είναι γενικά κεντραρισμένη στο μηδέν. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, η εστίαση με χρονική καθυστέρηση/καθυστερημένη εξαγωγή έχει συνδυαστεί με το TOF-MS. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, ακόμη και σωματίδια με τα ίδια m/z μπορούν να φτάσουν σε διαφορετικούς χρόνους στον ανιχνευτή, επειδή έχουν διαφορετικές αρχικές ταχύτητες. Η αρχική ταχύτητα συχνά δεν εξαρτάται από τη μάζα του ιόντος και μετατρέπεται σε διαφορά στην τελική ταχύτητα. Εξαιτίας αυτού, ιόντα με την ίδια αναλογία m/z θα φτάσουν στον ανιχνευτή σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, γεγονός που διευρύνει τις κορυφές που εμφανίζονται στην γραφική παράσταση μέτρησης έναντι m/z, αλλά γενικά δεν θα αλλάξει την κεντρική θέση των κορυφών, καθώς η αρχική ταχύτητα των ιόντων είναι γενικά κεντραρισμένη στο μηδέν. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, η εστίαση με χρονική καθυστέρηση/καθυστερημένη εξαγωγή έχει συνδυαστεί με την TOF-MS.

Τετραπολικό φίλτρο μάζας

Οι τετραπολικοί αναλυτές μάζας χρησιμοποιούν ταλαντευόμενα ηλεκτρικά πεδία για να σταθεροποιήσουν ή να αποσταθεροποιήσουν επιλεκτικά τις διαδρομές των ιόντων που διέρχονται από ένα τετραπολικό πεδίο ραδιοσυχνοτήτων (RF) που δημιουργείται μεταξύ τεσσάρων παράλληλων ράβδων. Μόνο τα ιόντα σε ένα συγκεκριμένο εύρος αναλογίας μάζας/φορτίου περνούν από το σύστημα ανά πάσα στιγμή, αλλά οι αλλαγές στα δυναμικά στις ράβδους επιτρέπουν την ταχεία σάρωση ενός μεγάλου εύρους τιμών m/z, είτε συνεχώς, είτε διαδοχικά σε διακριτά βήματα. Ένας τετραπολικός αναλυτής μάζας δρα ως επιλεκτικό φίλτρο μάζας και σχετίζεται στενά με την τετραπολική παγίδα ιόντων, ιδιαίτερα τη γραμμική τετραπολική παγίδα ιόντων που εκτός από το ότι έχει σχεδιαστεί για να περνούν τα μη παγιδευμένα ιόντα αντί να συλλέγει τα παγιδευμένα, και είναι για το λόγο αυτό που αναφέρεται ως τετραπολική μετάδοση. Ένας μαγνητικά ενισχυμένος τετραπολικός αναλυτής μάζας περιλαμβάνει την προσθήκη ενός μαγνητικού πεδίου, είτε εφαρμόζεται αξονικά, είτε εγκάρσια. Αυτός ο νέος τύπος οργάνου οδηγεί σε πρόσθετη βελτίωση της απόδοσης όσον αφορά την ανάλυση και/ή την ευαισθησία ανάλογα με το μέγεθος και τον προσανατολισμό του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Ομοίως, ένα τριπλό τετράπολο μπορεί να κατασκευαστεί για την εκτέλεση διαφόρων τύπων σάρωσης που είναι χαρακτηριστικοί της διαδοχικής φασματομετρίας μάζας. Μια κοινή παραλλαγή της τετραπολικής μετάδοσης είναι το τριπλό τετραπολικό φασματόμετρο μάζας. Το "τριπλό τετραπολικό" έχει τρία διαδοχικά τετραπολικά στάδια, το πρώτο λειτουργεί ως φίλτρο μάζας για τη μετάδοση ενός συγκεκριμένου εισερχόμενου ιόντος στον δεύτερο τετράπολο, έναν θάλαμο σύγκρουσης, όπου αυτό το ιόν μπορεί να σπάσει σε θραύσματα. Το τρίτο τετράπολο λειτουργεί επίσης ως φίλτρο μάζας, για να μεταφέρει ένα συγκεκριμένο ιόν θραύσματος στον ανιχνευτή. Εάν ένα τετράπολο είναι κατασκευασμένο να περνά γρήγορα και επαναλαμβανόμενα μέσα από μια σειρά ρυθμίσεων φίλτρου μάζας, μπορούν να αναφερθούν πλήρη φάσματα. Ομοίως, ένα τριπλό τετραπολικό μπορεί να κατασκευαστεί για την εκτέλεση διαφόρων τύπων σάρωσης που είναι χαρακτηριστικοί της διαδοχικής φασματομετρίας μάζας.

Παγίδες ιόντων

Τρισδιάστατη τετραπολική παγίδα ιόντων

Η τετραπολική παγίδα ιόντων λειτουργεί με τις ίδιες φυσικές αρχές με τον τετραπολικό αναλυτή μάζας, αλλά τα ιόντα παγιδεύονται και εκτινάσσονται διαδοχικά. Τα ιόντα παγιδεύονται σε ένα κυρίως τετραπολικό πεδίο RF, σε ένα χώρο που ορίζεται από ένα ηλεκτρόδιο δακτυλίου (συνήθως συνδεδεμένο με το κύριο δυναμικό RF) μεταξύ δύο ηλεκτροδίων τελικού καλύμματος (συνήθως συνδεδεμένα με συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα ή βοηθητικά δυναμικά εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος). Το δείγμα ιονίζεται είτε εσωτερικά (π.χ. με δέσμη ηλεκτρονίων ή λέιζερ), είτε εξωτερικά, οπότε τα ιόντα εισάγονται συχνά μέσω ενός ανοίγματος σε ένα ηλεκτρόδιο τελικού καλύμματος. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι διαχωρισμού και απομόνωσης μάζας/φορτίου, αλλά η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη είναι η κατάσταση αστάθειας μάζας στην οποία το δυναμικό ραδιοσυχνοτήτων αυξάνεται έτσι ώστε η τροχιά των ιόντων με μάζα a > b είναι σταθερά ενώ τα ιόντα με μάζα b γίνονται ασταθή και εκτινάσσονται στον άξονα z σε έναν ανιχνευτή. Υπάρχουν επίσης μέθοδοι μη καταστροφικής ανάλυσης. Τα ιόντα μπορούν επίσης να εκτοξευθούν με τη μέθοδο διέγερσης συντονισμού, όπου μια συμπληρωματική τάση διέγερσης ταλάντωσης εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια του τελικού καλύμματος και το πλάτος της τάσης παγίδευσης ή/και η συχνότητα της τάσης διέγερσης μεταβάλλεται για να φέρει τα ιόντα σε κατάσταση συντονισμού σύμφωνα με τον λόγο μάζας/φορτίου

Κυλινδρική παγίδα ιόντων

Το φασματόμετρο μάζας κυλινδρικής παγίδας ιόντων (cylindrical ion trap (CIT)) είναι ένα παράγωγο της τετραπολικής παγίδας ιόντων, όπου τα ηλεκτρόδια σχηματίζονται από επίπεδους δακτυλίους και όχι από ηλεκτρόδια υπερβολικού σχήματος. Η αρχιτεκτονική προσφέρεται για μικρογραφία επειδή καθώς μειώνεται το μέγεθος μιας παγίδας, το σχήμα του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στο κέντρο της παγίδας, η περιοχή όπου παγιδεύονται τα ιόντα, σχηματίζει ένα σχήμα παρόμοιο με αυτό μιας υπερβολικής παγίδας.

Γραμμική τετραπολική παγίδα ιόντων

Μια γραμμική τετραπολική παγίδα ιόντων είναι παρόμοια με μια τετραπολική παγίδα ιόντων, αλλά παγιδεύει ιόντα σε ένα δισδιάστατο τετραπολικό πεδίο, αντί για ένα τρισδιάστατο τετραπολικό πεδίο όπως σε μια τρισδιάστατη τετραπολική παγίδα ιόντων. Το Thermo Fisher's LTQ ("γραμμική τετραπολική παγίδα") είναι ένα παράδειγμα της γραμμικής παγίδας ιόντων. Μια σπειροειδής παγίδα ιόντων μπορεί να απεικονιστεί ως ένα γραμμικό τετράπολο καμπυλωμένο γύρω και συνδεδεμένο στα άκρα, ή ως διατομή μιας τρισδιάστατης παγίδας ιόντων που περιστρέφεται στην άκρη για να σχηματίσει την παγίδα σε σχήμα δακτυλίου. Η παγίδα μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλους όγκους ιόντων κατανέμοντάς τους σε όλη τη δακτυλιοειδή δομή παγίδας. Αυτή η σπειροειδής παγίδα είναι μια διαμόρφωση που επιτρέπει την αυξημένη σμίκρυνση ενός αναλυτή μάζας παγίδας ιόντων. Επιπλέον, όλα τα ιόντα αποθηκεύονται στο ίδιο πεδίο παγίδευσης και εκτινάσσονται μαζί απλοποιώντας την ανίχνευση που μπορεί να περιπλέκεται με τις διαμορφώσεις συστοιχιών λόγω διακυμάνσεων στην ευθυγράμμιση του ανιχνευτή και στη μηχανική επεξεργασία των συστοιχιών. Όπως και με τη σπειροειδή παγίδα, οι γραμμικές παγίδες και οι τρισδιάστατες τετραπολικές παγίδες ιόντων είναι οι πιο συχνοί μικροσκοπικοί αναλυτές μάζας λόγω της υψηλής ευαισθησίας τους, της ανοχής στην πίεση mTorr και των δυνατοτήτων τους για διαδοχική φασματομετρία μάζας με έναν αναλυτή (π.χ. σαρώσεις ιόντων προϊόντων).

Τροχιακή παγίδα (Orbitrap)

Αναλυτής μάζας τροχιακής παγίδας

Τα όργανα τροχιακής παγίδας είναι παρόμοια με τα φασματόμετρα μάζας συντονισμού κυκλοτρονίων ιόντων με μετασχηματισμό Φουριέ (βλ. κείμενο παρακάτω). Τα ιόντα παγιδεύονται ηλεκτροστατικά σε μια τροχιά γύρω από ένα κεντρικό ηλεκτρόδιο σε σχήμα ατράκτου. Το ηλεκτρόδιο περιορίζει τα ιόντα έτσι ώστε και τα δύο να περιφέρονται γύρω από το κεντρικό ηλεκτρόδιο και να ταλαντώνονται εμπρός και πίσω κατά μήκος του μακρού άξονα του κεντρικού ηλεκτροδίου. Αυτή η ταλάντωση δημιουργεί ένα ρεύμα εικόνας στις πλάκες του ανιχνευτή που καταγράφεται από το όργανο. Οι συχνότητες αυτών των ρευμάτων εικόνας εξαρτώνται από τις αναλογίες μάζας προς φορτίο των ιόντων. Τα φάσματα μάζας λαμβάνονται με τον μετασχηματισμό Φουριέ των καταγεγραμμένων ρευμάτων εικόνας. Οι τροχιακές παγίδες έχουν υψηλή ακρίβεια μάζας, υψηλή ευαισθησία και καλό δυναμικό εύρος.

Συντονισμός κυκλοτρονικών ιόντων με μετασχηματισμό Φουριέ

Φασματόμετρο μάζας με συντονισμό κυκλοτρονικών ιόντων και μετασχηματισμό

Η φασματομετρία μάζας με μετασχηματισμό Φουριέ (Fourier-transform mass spectrometry (FTMS)), ή ακριβέστερα φασματομετρία μάζας με συντονισμό κυκλοτρονίων ιόντων και μετασχηματισμό Φουριέ, μετρά τη μάζα ανιχνεύοντας το ρεύμα εικόνας που παράγεται από ιόντα κυκλοτρονίων παρουσία μαγνητικού πεδίου. Αντί να μετράται η εκτροπή των ιόντων με έναν ανιχνευτή όπως ένας πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων, τα ιόντα εγχέονται σε παγίδα Penning (στατικό ηλεκτρικό/μαγνητικό ιοντοπαγίδας), όπου ουσιαστικά αποτελούν μέρος ενός κυκλώματος. Οι ανιχνευτές σε σταθερές θέσεις στο χώρο μετρούν το ηλεκτρικό σήμα των ιόντων που περνούν κοντά τους με την πάροδο του χρόνου, παράγοντας ένα περιοδικό σήμα. Δεδομένου ότι η συχνότητα του κύκλου ενός ιόντος καθορίζεται από την αναλογία μάζας προς φορτίο, αυτή μπορεί να είναι από αποσυνέλιξη εκτελώντας έναν μετασχηματισμό Φουριέ στο σήμα. Το FTMS έχει το πλεονέκτημα της υψηλής ευαισθησίας (καθώς κάθε ιόν "μετράται" περισσότερες από μία φορές) και πολύ υψηλότερη ανάλυση και επομένως ακρίβεια. Ο συντονισμός κυκλοτρονικών ιόντων (Ion cyclotron Resonance (ICR)) είναι μια παλαιότερη τεχνική ανάλυσης μάζας παρόμοια με το FTMS εκτός από το ότι τα ιόντα ανιχνεύονται με έναν παραδοσιακό ανιχνευτή. Τα ιόντα που παγιδεύονται σε μια παγίδα Penning διεγείρονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο ραδιοσυχνοτήτων μέχρι να προσκρούσουν στο τοίχωμα της παγίδας, όπου βρίσκεται ο ανιχνευτής. Τα ιόντα διαφορετικής μάζας αναλύονται ανάλογα με το χρόνο κρούσης.

Ανιχνευτές

Ένας συνεχής ανιχνευτής πολλαπλασιαστή σωματιδίων δυνόδων

Το τελικό στοιχείο του φασματόμετρου μάζας είναι ο ανιχνευτής. Ο ανιχνευτής καταγράφει είτε το φορτίο που επάγεται, είτε το ρεύμα που παράγεται όταν ένα ιόν περνά ή προσπίπτει σε μια επιφάνεια. Σε ένα όργανο σάρωσης, το σήμα που παράγεται στον ανιχνευτή κατά τη διάρκεια της σάρωσης σε σχέση με το σημείο που βρίσκεται το όργανο στη σάρωση (σε τι m/Q) θα παράγει ένα φάσμα μάζας, μια εγγραφή ιόντων ως συνάρτηση του m/Q. Συνήθως, χρησιμοποιείται κάποιος τύπος πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων, αν και χρησιμοποιούνται και άλλοι ανιχνευτές, συμπεριλαμβανομένων των κυπέλων Φαρεντέι (Faraday cups) και των ανιχνευτών ιόντων σε φωτόνια (ion-to-photon detectors). Επειδή ο αριθμός των ιόντων που εγκαταλείπουν τον αναλυτή μάζας σε μια συγκεκριμένη στιγμή είναι συνήθως αρκετά μικρός, συχνά απαιτείται σημαντική ενίσχυση για να ληφθεί ένα σήμα. μικροκαναλικών ανιχνευτών πλακών που χρησιμοποιούνται συνήθως στα σύγχρονα εμπορικά όργανα. No direct current is produced, only a weak AC image current is produced in a circuit between the electrodes. Other inductive detectors have also been used. Στα FTMS και στις τροχιακές παγίδες (Orbitraps), ο ανιχνευτής αποτελείται από ένα ζεύγος μεταλλικών επιφανειών εντός της περιοχής αναλυτή μάζας/παγίδας ιόντων, όπου τα ιόντα περνούν μόνο κοντά καθώς ταλαντώνονται. Δεν παράγεται συνεχές ρεύμα, παράγεται μόνο ένα ασθενές ρεύμα εικόνας εναλλασσομένου ρεύματος σε ένα κύκλωμα μεταξύ των ηλεκτροδίων. Έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί και άλλοι επαγωγικοί ανιχνευτές

Διαδοχική φασματομετρία μάζας

Διαδοχική φασματομετρία μάζας για βιολογικά μόρια χρησιμοποιώντας ESI ή ιοντισμός εκρόφησης με λέιζερ υποβοηθούμενος από μήτρα (MALDI)

Ένα διαδοχικό φασματόμετρο μάζας είναι ικανό για πολλαπλούς γύρους φασματομετρίας μάζας, που συνήθως διαχωρίζονται από κάποια μορφή κατακερματισμού μορίων. Για παράδειγμα, ένας αναλυτής μάζας μπορεί να απομονώσει ένα πεπτίδιο από πολλά που εισέρχονται σε ένα φασματόμετρο μάζας. Στη συνέχεια, ένας δεύτερος αναλυτής μάζας σταθεροποιεί τα πεπτιδικά ιόντα ενώ συγκρούονται με ένα αέριο, προκαλώντας τον θραύση τους με επαγόμενη διάσπαση μέσω σύγκρουσης (collision-induced dissociation (CID)). Στη συνέχεια, ένας τρίτος αναλυτής μάζας ταξινομεί τα θραύσματα που παράγονται από τα πεπτίδια. Η διαδοχική φασματοφωτομετρία μάζας μπορεί επίσης να γίνει σε έναν μόνο αναλυτή μάζας με την πάροδο του χρόνου, όπως σε μια τετραπολική παγίδα ιόντων. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για θραύση των μορίων στη διαδοχική MS, μεταξύ των οποίων: η επαγόμενη διάσπαση μέσω σύγκρουσης (collision-induced dissociation (CID)), διάσπαση με σύλληψη ηλεκτρονίων (electron capture dissociation (ECD)), διάσπαση με μεταφορά ηλεκτρονίων (electron transfer dissociation ETD), διάσπαση με πολλαπλά φωτόνια υπερύθρων (infrared multiphoton dissociation (IRMPD)), διάσπαση με υπέρυθρη ακτινοβολία μαύρου σώματος (blackbody infrared radiative dissociation (BIRD)), διάσπαση με απόσπαση ηλεκτρονίων (electron-detachment dissociation (EDD)) και επαγόμενη διάσπαση με επιφάνεια (surface-induced dissociation (SID)). Μια σημαντική εφαρμογή που χρησιμοποιεί τη διαδοχική φασματομετρία μάζας είναι η αναγνώριση πρωτεΐνης. Η διαδοχική φασματομετρία μάζας επιτρέπει μια ποικιλία πειραματικών ακολουθιών. Πολλά εμπορικά φασματόμετρα μάζας έχουν σχεδιαστεί για να επιταχύνουν την εκτέλεση τέτοιων ακολουθιών ρουτίνας όπως η παρακολούθηση επιλεγμένης αντίδρασης (selected reaction monitoring (SRM)) και η σάρωση πρόδρομων ιόντων. Στην SRM, ο πρώτος αναλυτής επιτρέπει τη διέλευση μόνο μιας μάζας και ο δεύτερος αναλυτής παρακολουθεί για πολλαπλά ιόντα θραύσματος που ορίζονται από τον χρήστη. Η SRM χρησιμοποιείται συχνότερα με όργανα σάρωσης όπου το δεύτερο συμβάν ανάλυσης μάζας είναι περιορισμένου κύκλου λειτουργίας. Αυτά τα πειράματα χρησιμοποιούνται για την αύξηση της εξειδίκευσης της ανίχνευσης γνωστών μορίων, ιδίως σε φαρμακοκινητικές μελέτες. Η σάρωση πρόδρομου ιόντος αναφέρεται στην παρακολούθηση για μια συγκεκριμένη απώλεια από το πρόδρομο ιόν. Ο πρώτος και ο δεύτερος αναλυτής μάζας σαρώνουν όλο το φάσμα όπως διαιρείται από μια τιμή m/z που ορίζει ο χρήστης. Αυτό το πείραμα χρησιμοποιείται για την ανίχνευση συγκεκριμένων μοτίβων σε άγνωστα μόρια. Ένας άλλος τύπος διαδοχικής φασματομετρίας μάζας που χρησιμοποιείται για τη χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα είναι η φασματομετρία μάζας με επιταχυντή (accelerator mass spectrometry (AMS)), η οποία χρησιμοποιεί πολύ υψηλές τάσεις, συνήθως στην περιοχή mega-volt, για να επιταχύνει αρνητικά ιόντα σε έναν τύπο διαδοχικού φασματοφωτομέτρου μάζας. Η Βάση δεδομένων μεταβολιτών και χημικών οντοτήτων METLIN είναι το μεγαλύτερο αποθετήριο πειραματικών δεδομένων διαδοχικής φασματομετρίας μάζας που αποκτήθηκαν από πρότυπα. Τα δεδομένα διαδοχικής φασματομετρίας μάζας σε περισσότερα από 850.000 μοριακά πρότυπα παρέχονται για τη διευκόλυνση της αναγνώρισης χημικών οντοτήτων από τα πειράματα διαδοχικής φασματομετρίας μάζας. Εκτός από την αναγνώριση γνωστών μορίων, είναι επίσης χρήσιμα για την ταυτοποίηση αγνώστων μορίων χρησιμοποιώντας την αναζήτηση/ανάλυση παρόμοιων μορίων.. Όλα τα δεδομένα διαδοχικής φασματομετρίας μάζας προέρχονται από την πειραματική ανάλυση προτύπων σε πολλαπλές ενέργειες σύγκρουσης και σε θετικούς και αρνητικούς τρόπους ιοντισμού.

Κοινές διαμορφώσεις και τεχνικές φασματόμετρου μάζας

Όταν ένας συγκεκριμένος συνδυασμός πηγής, αναλυτή και ανιχνευτή γίνεται συμβατικός στην πράξη, μπορεί να προκύψει ένα ακρωνύμιο για να τον προσδιορίσει συνοπτικά. Ένα παράδειγμα είναι το MALDI-TOF, το οποίο αναφέρεται σε συνδυασμό μιας πηγής με ιοντισμό λέιζερ με έναν αναλυτή μάζας χρόνου πτήσης. Άλλα παραδείγματα περιλαμβάνουν φασματομετρία μάζας με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα (inductively coupled plasma mass spectometry (ICP-MS)), φασματομετρία μάζας με επιταχυντή (accelerator mass spectrometry (AMS)), φασματομετρία μάζας με θερμικό ιοντισμό (thermal ionization-mass spectrometry (TIMS)) και φασματομετρία μάζας με πηγή σπινθήρα (spark source mass spectrometry (SSMS)). Ορισμένες εφαρμογές της φασματομετρίας μάζας έχουν αναπτύξει προσωνύμια που αν και αυστηρά μιλώντας φαίνεται να αναφέρονται σε μια ευρεία εφαρμογή, στην πράξη έχουν καταλήξει να υποδηλώνουν έναν συγκεκριμένο ή έναν περιορισμένο αριθμό διαμορφώσεων οργάνων. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η φασματομετρία μάζας αναλογίας ισοτόπων (isotope-ratio mass spectrometry (IRMS)), η οποία αναφέρεται στην πράξη στη χρήση περιορισμένου αριθμού αναλυτών μάζας που βασίζονται σε τομείς. Αυτό το όνομα χρησιμοποιείται για να αναφέρεται τόσο στην εφαρμογή όσο και στο όργανο που χρησιμοποιείται για την εφαρμογή.

Τεχνικές διαχωρισμού σε συνδυασμό με φασματομετρία μάζας

Μια σημαντική βελτίωση στην ανάλυση και τον προσδιορισμό μάζας στη φασματομετρία μάζας είναι η χρήση της σε συνδυασμό με χρωματογραφία και άλλες τεχνικές διαχωρισμού.

Αέρια χρωματογραφία

Ένας αέριος χρωματογράφος (δεξιά) απευθείας συζευγμένος με ένα φασματόμετρο μάζας (αριστερά)

Ένας κοινός συνδυασμός είναι αέρτια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (GC/MS ή GC-MS). Σε αυτή την τεχνική, ένας αέριος χρωματογράφος χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό διαφορετικών ενώσεων. Αυτό το ρεύμα διαχωρισμένων ενώσεων τροφοδοτείται διαδικτυακά στην πηγή ιόντων, ένα μεταλλικό νήμα στο οποίο εφαρμόζεται τάση. Αυτό το νήμα εκπέμπει ηλεκτρόνια που ιοντίζουν τις ενώσεις. Τα ιόντα μπορούν στη συνέχεια να τεμαχιστούν περαιτέρω, αποδίδοντας προβλέψιμα μοτίβα. Άθικτα ιόντα και θραύσματα περνούν στον αναλυτή του φασματόμετρου μάζας και τελικά ανιχνεύονται.Ωστόσο, οι υψηλές θερμοκρασίες (300°C) που χρησιμοποιούνται στη θύρα (και στον φούρνο) έγχυσης GC-MS μπορούν να οδηγήσουν σε θερμική αποικοδόμηση των εγχυόμενων μορίων, με αποτέλεσμα τη μέτρηση των προϊόντων αποδόμησης αντί για τα πραγματικα μόρια που ενδιαφέρουν.

Υγρή χρωματογραφία

Στο Μουσείο Τέχνης της Ινδιανάπολης ένας συντηρητής εκτελεί υγρή χρωματογραφία–φασματομετρία μάζας

Παρόμοια με την αέρια χρωματογραφία MS (GC-MS), η υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (LC/MS ή LC-MS) διαχωρίζει τις ενώσεις χρωματογραφικά πριν εισαχθούν στην πηγή ιόντων και στο φασματόμετρο μάζας. Διαφέρει από το GC-MS στο ότι η κινητή φάση είναι υγρή, συνήθως ένα μείγμα νερού και οργανικών διαλυτών, αντί για αέριο. Συνηθέστερα, μια πηγή ιοντισμού ηλεκτροψεκασμού χρησιμοποιείται στην LC-MS. Άλλες δημοφιλείς και εμπορικά διαθέσιμες πηγές ιόντων LC-MS είναι ο χημικός ιοντισμός υπό ατμοσφαιρική πίεση και ο φωτοϊονισμός υπό ατμοσφαιρική πίεση. Υπάρχουν επίσης μερικές νέες τεχνικές ιονισμού όπως ο ψεκασμός με λέιζερ.

Τριχοειδής ηλεκτροφόρηση – φασματομετρία μάζας

Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση-φασματογραφία μάζας (CE-MS) είναι μια τεχνική που συνδυάζει τη διαδικασία διαχωρισμού υγρών της τριχοειδούς ηλεκτροφόρησης με τη φασματομετρία μάζας. Η CE-MS συζεύγνυται συνήθως με ιοντισμό ηλεκτροψεκασμού.

Κινητικότητα ιόντων

Η φασματομετρία κινητικότητας ιόντων-φασματομετρία μάζας (Ion mobility spectrometry-mass spectrometry (IMS/MS ή IMMS)) είναι μια τεχνική όπου τα ιόντα διαχωρίζονται πρώτα με τον χρόνο μετατόπισης μέσω κάποιου ουδέτερου αερίου κάτω από μια εφαρμοσμένη βαθμίδα ηλεκτρικού δυναμικού πριν εισαχθούν σε ένα φασματόμετρο μάζας. Ο χρόνος μετατόπισης είναι ένα μέτρο της ακτίνας σε σχέση με το φορτίο του ιόντος. Ο κύκλος λειτουργίας του IMS (ο χρόνος κατά τον οποίο λαμβάνει χώρα το πείραμα) είναι μεγαλύτερος από τις περισσότερες φασματομετρικές τεχνικές μάζας, έτσι ώστε το φασματόμετρο μάζας να μπορεί να κάνει δειγματοληψία κατά τη διάρκεια του διαχωρισμού του IMS. Αυτό παράγει δεδομένα σχετικά με το διαχωρισμό IMS και την αναλογία μάζας προς φορτίο των ιόντων με τρόπο παρόμοιο με την υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας. Ο κύκλος λειτουργίας του IMS είναι σύντομος σε σχέση με τους διαχωρισμούς υγρής χρωματογραφίας ή αέριας χρωματογραφίας και μπορεί έτσι να συζευχθεί με τέτοιες τεχνικές, παράγοντας τριπλούς τρόπους όπως LC/IMS/MS.

Δεδομένα και ανάλυση

Φάσμα μάζας ενός πεπτιδίου που δείχνει την ισοτοπική κατανομή

Αναπαραστάσεις δεδομένων

Η φασματομετρία μάζας παράγει διάφορους τύπους δεδομένων. Η πιο κοινή αναπαράσταση δεδομένων είναι το φάσμα μάζας. Ορισμένοι τύποι δεδομένων φασματομετρίας μάζας αντιπροσωπεύονται καλύτερα ως χρωματογράφημα μάζας. Οι τύποι χρωματογραφημάτων περιλαμβάνουν επιλεγμένη παρακολούθηση ιόντων (SIM), συνολικό ρεύμα ιόντων (total ion current (TIC)) και επιλεγμένη παρακολούθηση αντίδρασης (selected reaction monitoring (SRM)), μεταξύ πολλών άλλων. Άλλοι τύποι δεδομένων φασματομετρίας μάζας αντιπροσωπεύονται καλά ως τρισδιάστατος χάρτης περιγράμματος. Σε αυτήν τη μορφή, η μάζα προς το φορτίο, m/z βρίσκεται στον άξονα x, η ένταση στον άξονα y και μια πρόσθετη πειραματική παράμετρος, όπως ο χρόνος, καταγράφεται στον άξονα z.

Ανάλυση δεδομένων

Η ανάλυση δεδομένων φασματομετρίας μάζας είναι συγκεκριμένη για τον τύπο του πειράματος που παράγει τα δεδομένα. Οι γενικές υποδιαιρέσεις δεδομένων είναι θεμελιώδεις για την κατανόηση οποιωνδήποτε δεδομένων. Πολλά φασματόμετρα μάζας λειτουργούν είτε σε "λειτουργία αρνητικών ιόντων", είτε σε "λειτουργία θετικών ιόντων". Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε αν τα παρατηρούμενα ιόντα είναι αρνητικά ή θετικά φορτισμένα. Αυτό είναι συχνά σημαντικό για τον προσδιορισμό της ουδέτερης μάζας, αλλά δείχνει επίσης κάτι για τη φύση των μορίων. Διαφορετικοί τύποι πηγής ιόντων έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές σειρές θραυσμάτων που παράγονται από τα αρχικά μόρια. Μια πηγή ιοντισμού ηλεκτρονίων παράγει πολλά θραύσματα και ως επί το πλείστον μονοφορτισμένες (1-) ρίζες (μονός αριθμός ηλεκτρονίων), ενώ μια πηγή ηλεκτροψεκασμού παράγει συνήθως μη ριζικά οιονεί μοριακά ιόντα που είναι συχνά πολλαπλά φορτισμένα. Η διαδοχική φασματομετρία μάζας παράγει σκόπιμα ιόντα θραυσμάτων μετά την πηγή και μπορεί να αλλάξει δραστικά το είδος των δεδομένων που επιτυγχάνονται από ένα πείραμα. Η γνώση της προέλευσης ενός δείγματος μπορεί να παρέχει πληροφορίες για τα συστατικά μόρια του δείγματος και τον κατακερματισμό τους. Ένα δείγμα από μια διαδικασία σύνθεσης/κατασκευής θα περιέχει πιθανώς ακαθαρσίες που σχετίζονται χημικά με το συστατικό του στόχου. Ένα ακατέργαστα παρασκευασμένο βιολογικό δείγμα πιθανότατα θα περιέχει μια ορισμένη ποσότητα άλατος, το οποίο μπορεί να σχηματίσει σύμπλοκα με τα μόρια της αναλυόμενης ουσίας σε ορισμένες αναλύσεις. Τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την προετοιμασία του δείγματος και τον τρόπο εκτέλεσης/εισαγωγής του. Ένα σημαντικό παράδειγμα είναι το ζήτημα του ποια μήτρα χρησιμοποιείται για την κηλίδωση MALDI, καθώς μεγάλο μέρος της ενέργειας του γεγονότος εκρόφησης/ιοντισμού ελέγχεται από τη μήτρα και όχι από την ισχύ του λέιζερ. Μερικές φορές τα δείγματα εμπλουτίζονται με νάτριο ή άλλο είδος που μεταφέρει ιόντα για να παράγει προϊόντα προσθήκης και όχι πρωτονιωμένα είδη. Η φασματομετρία μάζας μπορεί να μετρήσει τη μοριακή μάζα, τη μοριακή δομή και την καθαρότητα του δείγματος. Κάθε μία από αυτές τις ερωτήσεις απαιτεί διαφορετική πειραματική διαδικασία. Επομένως, ο επαρκής ορισμός του πειραματικού στόχου είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη συλλογή των κατάλληλων δεδομένων και την επιτυχή ερμηνεία τους.

Ερμηνεία φασμάτων μάζας

Φάσμα μάζας ιοντισμού ηλεκτρονίων τολουολίου

Εφόσον η ακριβής δομή ή πεπτιδική αλληλουχία ενός μορίου αποκρυπτογραφείται μέσω του συνόλου των μαζών θραυσμάτων, η ερμηνεία των φασμάτων μάζας απαιτεί συνδυασμένη χρήση διαφόρων τεχνικών. Συνήθως η πρώτη στρατηγική για την αναγνώριση μιας άγνωστης ένωσης είναι η σύγκριση του πειραματικού φάσματος μάζας της με μια βιβλιοθήκη φασμάτων μάζας. Εάν δεν προκύψουν αντιστοιχίες από την αναζήτηση, τότε χρεριάζεται χειροκίνητη ερμηνεία ή πρέπει να εκτελεστεί ερμηνεία φασμάτων μάζας με τη βοήθεια λογισμικού. Η προσομοίωση σε υπολογιστή του ιοντισμού και των διεργασιών κατακερματισμού που λαμβάνουν χώρα στο φασματόμετρο μάζας είναι το κύριο εργαλείο για την εκχώρηση δομής ή πεπτιδικής αλληλουχίας σε ένα μόριο. Μια δομική πληροφορία εκ των προτέρων κατακερματίζεται in silico και το μοτίβο που προκύπτει συγκρίνεται με το παρατηρούμενο φάσμα. Μια τέτοια προσομοίωση συχνά υποστηρίζεται από μια βιβλιοθήκη κατακερματισμού που περιέχει δημοσιευμένα μοτίβα γνωστών αντιδράσεων αποσύνθεσης. Έχει αναπτυχθεί λογισμικό που επωφελείται από αυτήν την ιδέα τόσο για μικρά μόρια όσο και για πρωτεΐνες. Η ανάλυση φασμάτων μάζας μπορεί επίσης να είναι φάσματα με ακριβή μάζα. Μια τιμή αναλογίας μάζας προς φορτίο (m/z) με μόνο ακέραια ακρίβεια μπορεί να αντιπροσωπεύει έναν τεράστιο αριθμό θεωρητικά πιθανών δομών ιόντων. Ωστόσο, ακριβέστεροι αριθμοί μάζας μειώνουν σημαντικά τον αριθμό των υποψηφίων μοριακών τύπων. Ένας αλγόριθμος υπολογιστή που ονομάζεται γεννήτρια τύπων υπολογίζει όλους τους μοριακούς τύπους που θεωρητικά ταιριάζουν σε μια δεδομένη μάζα με καθορισμένη ανοχή. Μια πρόσφατη τεχνική για την αποσαφήνιση δομής στη φασματομετρία μάζας, που ονομάζεται δακτυλικό αποτύπωμα πρόδρομου ιόντος (precursor ion fingerprinting), προσδιορίζει μεμονωμένα κομμάτια δομικών πληροφοριών πραγματοποιώντας μια αναζήτηση των διαδοχικών φασμάτων του υπό διερεύνηση μορίου έναντι μιας βιβλιοθήκης φασμάτων των παραγόμενων ιόντων των δομικά χαρακτηρισμένων πρόδρομων ιόντων.

Εφαρμογές

Ανάλυση σωματιδίων με φασματομετρία μάζας λέιζερ σε ερευνητικό αεροσκάφος μεγάλου ύψους της NASA

Η φασματομετρία μάζας έχει τόσο ποιοτικές όσο και ποσοτικές χρήσεις. Αυτές περιλαμβάνουν την ταυτοποίηση άγνωστων ενώσεων, τον προσδιορισμό της ισοτοπικής σύνθεσης των στοιχείων σε ένα μόριο και τον προσδιορισμό της δομής μιας ένωσης παρατηρώντας τον κατακερματισμό της. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν τον ποσοτικό προσδιορισμό της ποσότητας μιας ένωσης σε ένα δείγμα ή τη μελέτη των θεμελιωδών στοιχείων της χημείας ιόντων της αέριας φάσης (η χημεία των ιόντων και των ουδέτερων ενώσεων στο κενό). Η φασματομετρία μάζας χρησιμοποιείται πλέον συχνά σε αναλυτικά εργαστήρια που μελετούν τις φυσικές, χημικές ή βιολογικές ιδιότητες μιας μεγάλης ποικιλίας ενώσεων. Η ποσοτικοποίηση μπορεί να είναι σχετική (αναλύεται σε σχέση με ένα δείγμα αναφοράς) ή απόλυτη (αναλύεται χρησιμοποιώντας μια τυπική μέθοδο καμπύλης). Ως αναλυτική τεχνική διαθέτει διακριτά πλεονεκτήματα όπως: αυξημένη ευαισθησία έναντι των περισσότερων άλλων αναλυτικών τεχνικών επειδή ο αναλυτής, ως φίλτρο μαζας-φορτίου, μειώνει τις παρεμβολές υποβάθρου. Εξαιρετική εξειδίκευση από χαρακτηριστικά μοτίβα κατακερματισμού για τον εντοπισμό αγνώστων ή την επιβεβαίωση της παρουσίας ύποπτων ενώσεων. Πληροφορίες για τη σχετική μοριακή μάζα. Πληροφορίες για την ισοτοπική αφθονία των στοιχείων, Προσωρινά επιλυμένα χημικά δεδομένα. Μερικά από τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι συχνά αποτυγχάνει να διακρίνει μεταξύ οπτικών και γεωμετρικών ισομερών και των θέσεων του υποκαταστάτη σε θέσεις o-, m- και p- σε έναν αρωματικό δακτύλιο. Επίσης, το πεδίο εφαρμογής της είναι περιορισμένο στον εντοπισμό υδρογονανθράκων που παράγουν παρόμοια κατακερματισμένα ιόντα.

Λόγος ισοτόπων MS: χρονολόγηση και ανίχνευση ισοτόπων

Φασματόμετρο μάζας για τον προσδιορισμό της αναλογίας ισοτόπων ¹⁶O/¹⁸O και ¹²C/¹³C σε βιογενές ανθρακικό άλας

Η φασματομετρία μάζας χρησιμοποιείται επίσης για τον προσδιορισμό της σύστασης ισοτόπων των στοιχείων σε ένα δείγμα. Οι διαφορές στη μάζα μεταξύ των ισοτόπων ενός στοιχείου είναι πολύ μικρές και τα λιγότερο άφθονα ισότοπα ενός στοιχείου είναι συνήθως πολύ σπάνια, επομένως απαιτείται ένα πολύ ευαίσθητο όργανο. Αυτά τα όργανα, που μερικές φορές αναφέρονται ως φασματόμετρα μάζας αναλογίας ισοτόπων (IR-MS), συνήθως χρησιμοποιούν έναν μόνο μαγνήτη για να κάμψουν μια δέσμη ιοντισμένων σωματιδίων προς μια σειρά από κύπελλα Φαρεντέι που μετατρέπουν τις κρούσεις σωματιδίων σε ηλεκτρικό ρεύμα. Μια γρήγορη ανάλυση της περιεκτικότητας δευτερίου σε νερό μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας ρέουσας μεταλάμψης, (flowing afterglow mass spectrometry (FA-MS)). Πιθανώς το πιο ευαίσθητο και ακριβές φασματόμετρο μάζας για το σκοπό αυτό είναι το φασματόμετρο μάζας με επιταχυντή (AMS). Αυτό συμβαίνει επειδή παρέχει απόλυτη ευαισθησία, ικανή να μετρήσει μεμονωμένα άτομα και να μετρήσει νουκλεΐδια με δυναμικό εύρος ~10¹⁵ σε σχέση με το κύριο σταθερό ισότοπο. Οι αναλογίες ισοτόπων είναι σημαντικοί δείκτες μιας ποικιλίας διεργασιών. Ορισμένες αναλογίες ισοτόπων χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ηλικίας των υλικών, για παράδειγμα, όπως στη χρονολόγηση άνθρακα. Η επισήμανση με σταθερά ισότοπα χρησιμοποιείται επίσης για την ποσοτικοποίηση των πρωτεϊνών. (δείτε χαρακτηρισμός πρωτεΐνης παρακάτω)

Φασματομετρία μάζας με εισαγωγή μεμβράνης: μέτρηση αερίων σε διάλυμα

Η φασματομετρία μάζας με εισαγωγής μεμβράνης συνδυάζει την αναλογία ισοτόπων MS με ένα θάλαμο αντίδρασης/κύτταρο που διαχωρίζεται από μια διαπερατή από αέρια μεμβράνη. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει τη μελέτη των αερίων καθώς αυτά εξελίσσονται σε διάλυμα. Αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για τη μελέτη της παραγωγής οξυγόνου από το φωτοσύστημα II.

Ανάλυση ιχνών αερίων

Πολλές τεχνικές χρησιμοποιούν ιόντα που δημιουργούνται σε μια αποκλειστική πηγή ιόντων που εγχέεται σε ένα σωλήνα ροής ή σε ένα σωλήνα ολίσθησης: η φασματομετρία μάζας με σωλήνα ροής επιλεγμένων ιόντων (selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS)) και η φασματομετρία μάζας με αντίδραση μεταφοράς πρωτονίου (Proton-transfer-reaction mass spectrometry|proton transfer reaction (PTR-MS)), είναι παραλλαγές του χημικού ιοντισμού αφιερωμένες στην ανάλυση ιχνών αερίων στον αέρα, στην αναπνοή ή στο κενό του πάνω μέρους υγρού χρησιμοποιώντας καλά καθορισμένο χρόνο αντίδρασης που επιτρέπει υπολογισμούς των συγκεντρώσεων της αναλυόμενης ουσίας από τη γνωστή κινητική αντίδρασης χωρίς την ανάγκη εσωτερικού προτύπου ή βαθμονόμησης. Μια άλλη τεχνική με εφαρμογές στο πεδίο ανάλυσης ιχνών αερίων είναι ο δευτερογενής ιοντισμός με ηλεκτροψεκασμό (secondary electrospray ionization-mass spectometry SESI-MS), η οποία είναι μια παραλλαγή του ιοντισμού με ηλεκτροψεκασμό. Ο SESI αποτελείται από ένα νέφος ηλεκτροψεκασμού καθαρού οξινισμένου διαλύτη που αλληλεπιδρά με ουδέτερους ατμούς. Τα μόρια ατμού ιοντίζονται σε ατμοσφαιρική πίεση όταν το φορτίο μεταφέρεται από τα ιόντα που σχηματίζονται στον ηλεκτροψεκασμό, στα μόρια. Ένα πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι είναι συμβατή με τα περισσότερα συστήματα ESI-MS.

Ανάλυση υπολειμματικών αερίων

Ένας ανιχνευτής ατόμου (atom probe) είναι ένα όργανο που συνδυάζει φασματομετρία μάζας χρόνου πτήσης και μικροσκοπία εξάτμισης πεδίου για να χαρτογραφήσει τη θέση μεμονωμένων ατόμων.

Φαρμακοκινητική

Η φαρμακοκινητική μελετάται συχνά με χρήση φασματομετρίας μάζας λόγω της πολύπλοκης φύσης της ουσίας (συχνά αίμα ή ούρα) και της ανάγκης για υψηλή ευαισθησία για την παρατήρηση δεδομένων χαμηλής δόσης και μεγάλου χρονικού σημείου. Τα πιο κοινά όργανα που χρησιμοποιούνται σε αυτήν την εφαρμογή είναι το υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (LC-MS) με φασματόμετρο μάζας τριπλού τετραπόλου. Η διαδοχική φασματομετρία μάζας χρησιμοποιείται συνήθως για πρόσθετη εξειδίκευση. Οι τυπικές καμπύλες και τα εσωτερικά πρότυπα χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση συνήθως ενός μόνο φαρμακευτικού προϊόντος στα δείγματα. Τα δείγματα αντιπροσωπεύουν διαφορετικά χρονικά σημεία καθώς ένα φαρμακευτικό προϊόν χορηγείται και στη συνέχεια μεταβολίζεται ή απομακρύνεται από το σώμα. Τα τυφλά ή t=0 δείγματα που λαμβάνονται πριν από τη χορήγηση είναι σημαντικά για τον προσδιορισμό του ιστορικού και τη διασφάλιση της ακεραιότητας των δεδομένων με τέτοιους πολύπλοκα δείγματα. Δίνεται μεγάλη προσοχή στη γραμμικότητα της τυπικής καμπύλης. Ωστόσο, δεν είναι ασυνήθιστο να χρησιμοποιείται η προσαρμογή καμπύλης με πιο σύνθετες συναρτήσεις, όπως οι τετραγωνικές, καθώς η απόκριση των περισσότερων φασματόμετρων μάζας είναι μικρότερη από γραμμική σε μεγάλες περιοχές συγκεντρώσεων. Υπάρχει επί του παρόντος σημαντικό ενδιαφέρον για τη χρήση φασματομετρίας μάζας πολύ υψηλής ευαισθησίας για μελέτες μικροδοσολογίας, οι οποίες θεωρούνται μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στο πειράματα σε ζώα. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι ο δευτερογενής ιοντισμός με ηλεκτροψεκασμό (SESI) είναι μια ισχυρή τεχνική για την παρακολούθηση της κινητικής του φαρμάκου μέσω ανάλυσης αναπνοής. Επειδή η αναπνοή παράγεται φυσικά, πολλά σημεία δεδομένων μπορούν να συλλεχθούν εύκολα. Αυτό επιτρέπει στον αριθμό των συλλεγόμενων σημείων δεδομένων να αυξηθεί σημαντικά. Σε μελέτες ζώων, αυτή η προσέγγιση SESI μπορεί να μειώσει τη θυσία των ζώων. Στους ανθρώπους, η μη επεμβατική ανάλυση της αναπνοής SESI-MS μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη της κινητικής των φαρμάκων σε εξατομικευμένο επίπεδο.

Χαρακτηρισμός πρωτεϊνών

Η φασματομετρία μάζας είναι μια σημαντική μέθοδος για τον χαρακτηρισμό και την αλληλουχία των πρωτεϊνών. Οι δύο κύριες μέθοδοι για τον ιοντισμό ολόκληρων πρωτεϊνών είναι ο ιοντισμός με ηλεκτροψεκασμό (ESI) και ο ιοντισμός εκρόφησης με λέιζερ υποβοηθούμενος από μήτρα (MALDI). Σύμφωνα με την απόδοση και το εύρος μάζας των διαθέσιμων φασματόμετρων μάζας, χρησιμοποιούνται δύο προσεγγίσεις για τον χαρακτηρισμό των πρωτεϊνών. Στην πρώτη, οι άθικτες πρωτεΐνες ιοντίζονται με οποιαδήποτε από τις δύο τεχνικές που περιγράφονται παραπάνω και στη συνέχεια εισάγονται σε έναν αναλυτή μάζας. Αυτή η προσέγγιση αναφέρεται ως στρατηγική ανάλυσης πρωτεϊνών "από πάνω προς τα κάτω". Ωστόσο, η προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό σε μελέτες απλής πρωτεΐνης χαμηλής απόδοσης. Στη δεύτερη προσέγγιση, οι πρωτεΐνες χωνεύονται ενζυματικά σε μικρότερα πεπτίδια χρησιμοποιώντας πρωτεάση όπως θρυψίνη ή πεψίνη, είτε σε διάλυμα είτε σε γέλη μετά από ηλεκτροφορητικό διαχωρισμό. Χρησιμοποιούνται επίσης και άλλοι πρωτεολυτικοί παράγοντες. Η συλλογή των πεπτιδικών προϊόντων συχνά διαχωρίζεται με χρωματογραφία πριν από την εισαγωγή στον αναλυτή μάζας. Όταν χρησιμοποιείται το χαρακτηριστικό μοτίβο των πεπτιδίων για την αναγνώριση της πρωτεΐνης, η μέθοδος ονομάζεται δακτυλικό αποτύπωμα μάζας πεπτιδίων (peptide mass fingerprinting (PMF)), εάν η ταυτοποίηση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τα δεδομένα αλληλουχίας που προσδιορίζονται στη διαδοχική φασματομετρία μάζας η ανάλυση ονομάζεται πεπτιδική αλληλούχιση εκ νέου (de novo peptide sequencing). Αυτές οι διαδικασίες ανάλυσης πρωτεϊνών αναφέρονται επίσης ως η προσέγγιση "από κάτω προς τα πάνω (bottom-up)" και έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση της κατανομής και της θέσης των μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων όπως η φωσφορυλίωση στις πρωτεΐνες. Μια τρίτη προσέγγιση αρχίζει επίσης να χρησιμοποιείται, αυτή η ενδιάμεση προσέγγιση "μεσαίας προς τα κάτω" περιλαμβάνει την ανάλυση πρωτεολυτικών πεπτιδίων που είναι μεγαλύτερα από το τυπικό τρυπτικό πεπτίδιο.

Εξερεύνηση διαστήματος

Το διαστημικό σκάφος Phoenix της NASA αναλύει ένα δείγμα εδάφους από την τάφρο "Rosy Red" με το φασματόμετρο μάζας (TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer)

Ως τυπική μέθοδος ανάλυσης, τα φασματόμετρα μάζας έχουν φτάσει σε άλλους πλανήτες και φεγγάρια. Δύο μεταφέρθηκαν στον Άρη από το πρόγραμμα Βίκινγκ. Στις αρχές του 2005, η αποστολή Κασσίνι-Χόιχενς παρέδωσε ένα εξειδικευμένο όργανο GC-MS στον ανιχνευτή Χόιχενς μέσω της ατμόσφαιρας του Τιτάνα, του μεγαλύτερου δορυφόρου του πλανήτη Κρόνου. Αυτό το όργανο ανέλυσε ατμοσφαιρικά δείγματα κατά μήκος της τροχιάς καθόδου του και ήταν σε θέση να εξατμίσει και να αναλύσει δείγματα της παγωμένης και καλυμμένης με υδρογονάνθρακες επιφάνειας του Τιτάνα μόλις προσγειώθηκε ο αισθητήρας. Αυτές οι μετρήσεις συγκρίνουν την αφθονία των ισοτόπων κάθε σωματιδίου συγκριτικά με τη φυσική αφθονία της γης. Επίσης στο διαστημικό σκάφος Κασσίνι-Χόιχενς βρισκόταν ένα φασματόμετρο μάζας ιόντων και ουδέτερων ουσιών που έπαιρνε μετρήσεις της ατμοσφαιρικής σύνστασης του Τιτάνα καθώς και της σύστασης των λοφίων του Εγκέλαδου. Ένα φασματόμετρο μάζας με αναλυτή θερμικών και παραγόμενων αερίων μεταφέρθηκε από το διαστημικό σκάφος Phoenix που εκτοξεύτηκε το 2007. Τα φασματόμετρα μάζας χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε διαστημικές αποστολές για τη μέτρηση της σύνθεσης του πλάσματος. Για παράδειγμα, το διαστημόπλοιο Κασσίνι μετέφερε το φασματόμετρο πλάσματος Cassini (CAPS), που μέτρησε τη μάζα των ιόντων στη μαγνητόσφαιρα του Κρόνου.

Παρακολούθηση αναπνευστικών αερίων

Τα φασματόμετρα μάζας χρησιμοποιήθηκαν στα νοσοκομεία για την ανάλυση αναπνευστικών αερίων από το 1975 περίπου έως το τέλος του αιώνα. Μερικά πιθανώς εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται, αλλά κανένα δεν κατασκευάζεται αυτήν τη στιγμή. Βρέθηκαν κυρίως στο χειρουργείο και αποτελούσαν μέρος ενός πολύπλοκου συστήματος, στο οποίο δείγματα αναπνευστικών αερίων από ασθενείς που υποβάλλονταν σε αναισθησία μεταφέρονταν στο όργανο μέσω ενός μηχανισμού βαλβίδας σχεδιασμένου να συνδέει διαδοχικά έως και 32 δωμάτια. στο φασματόμετρο μάζας. Ένας υπολογιστής κατεύθυνε όλες τις λειτουργίες του συστήματος. Τα δεδομένα που συλλέγονταν από το φασματόμετρο μάζας παραδίδονταν σε μεμονωμένα δωμάτια για χρήση από τον αναισθησιολόγο. Η μοναδικότητα αυτού του φασματόμετρου μάζας μαγνητικού τομέα μπορεί να ήταν το γεγονός ότι ένα επίπεδο ανιχνευτών, ο καθένας τοποθετημένος σκόπιμα για να συλλέξει όλα τα είδη ιόντων που αναμένονταν να υπάρχουν στα δείγματα, επέτρεπε στο όργανο να αναφέρει ταυτόχρονα όλα τα αέρια που αναπνέει ο ασθενής. Αν και το εύρος μάζας περιοριζόταν σε ελαφρώς πάνω από 120 u, ο κατακερματισμός μερικών από τα βαρύτερα μόρια καταργούσε την ανάγκη για υψηλότερο όριο ανίχνευσης.

Προπαρασκευαστική φασματομετρία μάζας

Η κύρια λειτουργία της φασματομετρίας μάζας είναι ως εργαλείο για χημικές αναλύσεις που βασίζονται στην ανίχνευση και την ποσοτικοποίηση των ιόντων σύμφωνα με την αναλογία μάζας προς φορτίο. Ωστόσο, η φασματομετρία μάζας δίνει επίσης υποσχέσεις και για τη σύνθεση υλικών. Η μαλακή προσγείωση ιόντων χαρακτηρίζεται από εναπόθεση ανέπαφων ειδών σε επιφάνειες με χαμηλές κινητικές ενέργειες, γεγονός που αποκλείει τον κατακερματισμό του προσπίπτοντος είδους. Η τεχνική μαλακής προσγείωσης αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1977 για την αντίδραση ιόντων χαμηλής ενέργειας που περιέχουν θείο σε μια επιφάνεια μολύβδου.

Βιβλιογραφία

• Tureček, František· McLafferty, Fred W. (1993). Interpretation of mass spectra. Sausalito, Calif: University Science Books. ISBN 978-0-935702-25-5. 
• de Hoffman, Edmond· Stroobant, Vincent (2001). Mass Spectrometry: Principles and Applications (2nd έκδοση). John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-48566-7. 
• Downard, Kevin (2004). Mass Spectrometry – A Foundation Course. Cambridge UK: Royal Society of Chemistry. ISBN 978-0-85404-609-6. 
• Siuzdak, Gary (1996). Mass spectrometry for biotechnology. Boston: Academic Press. ISBN 978-0-12-647471-8. 
• Dass, Chhabil (2001). Principles and practice of biological mass spectrometry. New York: John Wiley. ISBN 978-0-471-33053-0. 
• «Accelerator Mass Spectrometry in Geologic Research». Geological Society of America Bulletin 115: 643–654. 2003. doi:10.1130/0016-7606(2003)115<0643:AMSIGR>2.0.CO;2. ISSN 0016-7606. Bibcode: 2003GSAB..115..643M. https://semanticscholar.org/paper/f6b5cd328279e540706e5c6dbbb96046250d8216. 
• «100 years of mass spectrometry: Perspectives and future trends». Rev. Mod. Phys. 87 (1): 113–135. 2015. doi:10.1103/RevModPhys.87.113. Bibcode: 2015RvMP...87..113M. 
• Sobott, Frank (2014). Biological Mass Spectrometry. Boca Raton: Crc Pr I Llc. ISBN 978-1439895276. 
• Sparkman, O. David (2006). Mass Spectrometry Desk Reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-9-8. 
• Watson, J. Throck· Sparkman, O. David (2007). Introduction to Mass Spectrometry: Instrumentatio, Applications, and Strategies for Data Interpretation (4th έκδοση). Chichester: Jonh Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-51634-8. 
• Tuniz C (1998). Accelerator mass spectrometry: ultrasensitive analysis for global science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-4538-8. 
• «Advances in ultrasensitive mass spectrometry of organic molecules». Chemical Society Reviews 42 (12): 5299–322. June 2013. doi:10.1039/c3cs35389c. PMID 23471277. 
• Calmes, Jordan (2011). Mass spec : the biography of a scientific instrument (MS). Massachusetts Instite of Technology. hdl:1721.1/68473. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Mass Spectrometry στο Curlie
• Interactive tutorial on mass spectra National High Magnetic Field Laboratory
• Mass spectrometer simulation An interactive application simulating the console of a mass spectrometer
• Realtime Mass Spectra simulation Tool to simulate mass spectra in the browser