Massespektrometri

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
SIMS massespektrometer, modell IMS 3f.
Orbitrap massespektrometer.

Massespektrometri (MS) er en analytisk teknikk som brukes til å måle forholdet mellom masse og ladning av ioner. Resultatene presenteres vanligvis som et massespektrum, et intensitetsdiagram som en funksjon av forholdet mellom masse og ladning. Massespektrometri brukes i mange forskjellige felt og brukes på rene prøver så vel som komplekse blandinger.

Et massespektrum er et plott av ionesignalet som en funksjon av forholdet mellom masse og ladning. Disse spektrene brukes til å bestemme den elementære eller isotopiske signaturen til en prøve, massene av partikler og molekyler, og for å belyse den kjemiske identiteten eller strukturen til molekyler og andre kjemiske forbindelser.

I en typisk MS-prosedyre ioniseres en prøve, som kan være fast, væske eller gass, for eksempel ved å bombardere den med en elektronstråle. Dette kan føre til at noen av prøvenes molekyler fragmenteres i positivt ladede fragmenter eller bare blir positivt ladede uten fragmentering. Disse ionene (fragmentene) blir deretter separert i henhold til deres masse-til-ladnings-forhold, for eksempel ved å akselerere dem og underkaste dem et elektrisk eller magnetisk felt: ioner med samme masse-til-ladningsforhold vil gjennomgå samme mengde avbøyning.[1] Ionene blir oppdaget av en mekanisme som er i stand til å oppdage ladede partikler, for eksempel en elektronmultiplikator. Resultatene vises som spektra av signalintensiteten til oppdagede ioner som en funksjon av forholdet mellom masse og ladning. Atomer eller molekyler i prøven kan identifiseres ved å korrelere kjente masser (f.eks. Et helt molekyl) til de identifiserte massene eller gjennom et karakteristisk fragmenteringsmønster.

Historie[rediger | rediger kilde]

Kopi av J.J. Thomsons tredje massespektrometer

I 1886 observerte Eugen Goldstein stråler i gassutladning under lavt trykk som gikk bort fra anoden og gjennom kanaler i en perforert katode, motsatt retning av negativt ladede katodestråler (som beveger seg fra katode til anode). Goldstein kalte disse positivt ladede anodestrålene "Kanalstrahlen"; standard oversettelsen av dette begrepet til engelsk er "canal rays". Wilhelm Wien fant at sterke elektriske eller magnetiske felt avbøyde kanalstrålene og konstruerte i 1899 en enhet med vinkelrette elektriske og magnetiske felt som skilte de positive strålene i henhold til forholdet mellom ladning og masse (Q/m). Wien fant at forholdet mellom ladning og masse var avhengig av naturen til gassen i utløpsrøret. Den engelske forskeren J. J. Thomson forbedret senere Wien-arbeidet ved å redusere trykket for å lage massespektrografen.

Calutron massespektrometre ble brukt i Manhattanprosjektet for uranberikelse.

Ordet spektrograf var blitt en del av det internasjonale vitenskapelige ordforrådet innen 1884.[2][3] Tidlige spektrometriinnstrumenter som målte masse-til-ladnings-forholdet til ioner ble kalt massespektrografier som besto av instrumenter som registrerte et spektrum av masseverdier på en fotografisk plate.[4][5] Et massespektroskop ligner et massespektrograf, bortsett fra at ionestrålen er rettet mot en fosforskjerm.[6] En massespektroskopkonfigurasjon ble brukt i tidlige instrumenter når det var ønskelig at effekten av justeringer raskt ble observert. Når instrumentet var riktig justert, ble en fotografisk plate satt inn og eksponert. Begrepet massespektroskop fortsatte å bli brukt selv om direkte belysning av en fosforsikt ble erstattet av indirekte målinger med et oscilloskop.[7] Bruken av begrepet massespektroskopi frarådes nå på grunn av muligheten for forveksling med lysspektroskopi.[1][8] Massespektrometri forkortes ofte som MS.[1]

Moderne teknikker for massespektrometri ble utviklet av Arthur Jeffrey Dempster og F.W. Aston i henholdsvis 1918 og 1919.

Sektormassespektrometere kjent som calutron ble utviklet av Ernest O. Lawrence og brukt til å skille isotopene av uran under Manhattanprosjektet.[9] Calutron massespektrometre ble brukt til uranberikelse ved Oak Ridge, Tennessee Y-12-anlegget som ble etablert under andre verdenskrig.

I 1989 ble halvparten av Nobelprisen i fysikk tildelt Hans Dehmelt og Wolfgang Paul for utviklingen av ionefangerteknikken på 1950- og 1960-tallet.

I 2002 ble Nobelprisen i kjemi tildelt John Bennett Fenn for utvikling av elektrosprayionisering (ESI) og Koichi Tanaka for utvikling av myk laser desorpsjon (SLD) og deres anvendelse på ionisering av biologiske makromolekyler, spesielt proteiner.[10]

Delene til ett massespektrometer[rediger | rediger kilde]

Skematisk av et enkelt massespektrometer med sektoranalyse. Denne er for måling av karbondioksidisotopforhold (IRMS) som i karbon-13 urea-pustetest

Et massespektrometer består av tre komponenter: en ionekilde, en masseanalysator og en detektor. Ionekilden konverterer en del av prøven til ioner. Det er et bredt utvalg av ioniseringsteknikker, avhengig av fasen (fast, væske, gass) i prøven og effektiviteten til forskjellige ioniseringsmekanismer for det ukjente speciet. Et ekstraksjonssystem fjerner ioner fra prøven, som deretter målrettes gjennom masseanalysatoren og inn i detektoren. Forskjellene i massene av fragmentene gjør at masseanalysatoren kan sortere ionene etter deres masse-til-ladnings-forhold. Detektoren måler verdien av en indikatormengde og tilveiebringer data for å beregne overflodene for hvert ion som er tilstede. Noen detektorer gir også romlig informasjon, for eksempel en flerkanalsplate.

Teoretisk eksempel[rediger | rediger kilde]

Følgende eksempel beskriver driften av en spektrometer masseanalysator, som er av sektor typen. Vurder en prøve av natriumklorid. I ionkilden blir prøven fordampet (omgjort til gass) og ionisert (transformert til elektrisk ladede partikler) til natrium (Na+) og klorid (Cl) ioner. Natriumatomer og ioner er monoisotopiske, med en masse på ca. 23 u. Kloridatomer og ioner kommer i to isotoper med masser på omtrent 35 u (med en naturlig overflod på omtrent 75 prosent) og omtrent 37 u (med en naturlig overflod på omtrent 25 prosent). Analysatordelen av spektrometeret inneholder elektriske og magnetiske felt, som utøver krefter på ioner som beveger seg gjennom disse feltene. Hastigheten til en ladet partikkel kan økes eller reduseres mens den passerer gjennom det elektriske feltet, og retningen kan endres av magnetfeltet. Størrelsen på nedbøyningen av det bevegelige ionets bane avhenger av dets masse-til-ladningsforhold. Lettere ioner blir avbøyd av den magnetiske kraften mer enn tyngre ioner (basert på Newtons andre bevegelseslov, F = ma). Strømmene av sorterte ioner går fra analysatoren til detektoren, som registrerer den relative overflod av hver iontype. Denne informasjonen brukes til å bestemme den kjemiske grunnstoffsammensetningen i den opprinnelige prøven (dvs. at både natrium og klor er til stede i prøven) og den isotopiske sammensetningen av bestanddelene (forholdet mellom 35Cl og 37Cl).

Danne ioner[rediger | rediger kilde]

Ioniseringen kan skje på flere måter, men den vanligste metoden er at prøven bestråles av høyenergetiske elektroner som slår andre elektroner ut av sine orbitaler og dermed ioniserer molekylene i materialet man skal undersøke til kationer.

Det er viktig at prøvene er i ioneform da de deretter skal akselereres i et elektrisk felt før de forsvinner ut gjennom en spalte i en metallplate og inn i masseanalysatoren. I masseanalysatoren passerer ionene et magnetisk felt, ofte i lagt i en bue, som skanner med varierende styrke og stor hastighet. I enden av området med magnetfeltet vil det være en liten åpning. Avhengig av massen på ionene vil noen gå videre mens andre treffer veggen inne i magnetboksen. Ved å sammenlikne magnetfeltstyrken med tidspunktet partiklene treffer detektoren kan en beregne størrelsen.

Det finnes flere teknikker for masseanalyseringen, de fleste har liknende virkemåter.

Kvadropol masseanalysatoren bruker derimot elektrisk spenning for å skille partiklene ved å la de oscillere mellom fire poler, to anoder og to katoder. Den består av fire ca. 10-15 cm lange staver og to like poler er plassert i motstående hjørner. Hver partikler oscillerer stabilt ved en bestemt spenning, og vil dermed gå igjennom. Spenningen scannes hurtig opp og ned og ved å sammenligne spenning med deteksjon finnes massen på alle ionene som er tilstede.

En del av partiklene som blir bombardert med elektroner i ioniseringskammeret vil også spaltes opp i en eller flere mindre deler. Disse delene vil også akselereres om de er kationiske, og dermed også detekteres av detektoren. Dette er en stor fordel for bruk av massespektrometri, fordi det gjør det mulig å skille flere stoffer fra hverandre, for eksempel stoffer med samme molekylvekt, men med ulik sammensetning og eller struktur. Forskjellige stoffer vil som regel spaltes i forskjellige deler, og vil dermed gi et «fingeravtrykk» på detektoren, som er unikt for dette stoffet; massespektret. Det kan opparbeides bibliotek med massespektrene fra kjente stoffer. Disse bibliotekene kan så brukes til å identifisere ukjente stoffer ut ifra hvilket massespekter de har.

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ a b c Sparkman, O. David (2000). Mass spectrometry desk reference (1st ed utg.). Pittsburgh, Pa.: Global View Pub. ISBN 0-9660813-2-3. OCLC 43988538. 
  2. ^ «Definition of spectrograph». Merriam Webster. Besøkt 13.06.2008. 
  3. ^ Mass Spectrometry: A Foundation Course (engelsk). Cambridge: Royal Society of Chemistry. 2007. ISBN 978-0-85404-609-6. doi:10.1039/9781847551306. 
  4. ^ Squires, Gordon (1998). «Francis Aston and the mass spectrograph». Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. 23: 3893–3900. doi:10.1039/a804629h. Besøkt 24. mai 2021. 
  5. ^ Downard, Kevin M. (Juni 2007). «Francis William Aston: The Man Behind the Mass Spectrograph». European Journal of Mass Spectrometry. 3 (engelsk). 13: 177–190. ISSN 1469-0667. doi:10.1255/ejms.878. Besøkt 24. mai 2021. 
  6. ^ Sir J. J. Thomson, O. M. (1913). Rays Of Positive Electricity (English). 
  7. ^ Siri, William (August 1947). «A Mass Spectroscope for Analysis in the Low Mass Range». Review of Scientific Instruments. 8 (engelsk). 18: 540–545. ISSN 0034-6748. doi:10.1063/1.1740998. Besøkt 24. mai 2021. 
  8. ^ Price, Phil (August 1991). «Standard definitions of terms relating to mass spectrometry». Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 4. 2: 336–348. ISSN 1044-0305. doi:10.1016/1044-0305(91)80025-3. Besøkt 24. mai 2021. 
  9. ^ Parkins, William E. (Mai 2005). «The Uranium Bomb, the Calutron, and the Space-Charge Problem». Physics Today. 5 (engelsk). 58: 45–51. ISSN 0031-9228. doi:10.1063/1.1995747. Besøkt 24. mai 2021. 
  10. ^ «The Nobel Prize in Chemistry 2002». NobelPrize.org (engelsk). Besøkt 24. mai 2021. 

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • Tureček, František; McLafferty, Fred W. (1993): Interpretation of mass spectra. Sausalito, Calif: University Science Books. ISBN 0-935702-25-3.
  • Edmond de Hoffman; Stroobant, Vincent (2001): Mass Spectrometry: Principles and Applications (2. utg.). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-48566-7.
  • Wilson K., Walker J (2005): Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular Biology (6. utg.). Cambridge University Press

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]