Massaspektrometria

pienoiskuva|LTQ Orbitrap XL -orbitrap-massaspektrometri. Massaspektrometri (MS) eli massaspektrografi on laite, jota käytetään positiivisten tai negatiivisten ionien alkeisvarausten ja molekyylien tai atomien massojen tutkimisessa sekä fysikaalisessa tutkimuksessa, kuten alkuaineiden isotooppijakaumien selvittämisessä. Suppeasti sanottuna massaspektrometrit ovat atomi- ja molekyylivaakoja. Ne eivät kuitenkaan suoraan mittaa atomien tai molekyylien massoja vaan näistä muodostettujen ionien massan ja varauksen suhdelukua toisin kuin termi ”massaspektrometri” voi antaa ymmärtää.

Massaspektrometrit koostuvat ionilähteestä, massa-analysaattorista ja ionien havaitsimesta. Ionilähteellä kiinteästä, nestemäisestä tai kaasumaisesta aineesta tuotetaan kaasumaisia ioneita. Ioneita voidaan erotella sitten analysaattoreilla eri tavoin kuten sähkömagneettisin kentin. Tämänlaisissa analysaattoreissa ionit erkanevat niiden eriävien liike-energioiden perusteella. Analysaattoreita voi olla perättäin useita joissa erotellut ionit lopuksi havaitaan havaitsimella. Havainnoista tehdään kuvaaja, massaspektri. Yleisen tavan mukaan massaspektrissä x-akselille asetetaan havaittujen ionien varsinaisen massa-varaus-suhteen sijaan m/z-arvot ja y-akselille ionien suhteelliset osuudet usein prosentteina.

Kaikki massaspektrometrit toimivat ainakin osin tyhjiötä lähellä olevassa hyvin matalassa paineessa eli vakuumissa. Tämä mahdollistaa ionien liikkeen laitteistossa, sillä muuten ionit törmäisivät ilman molekyyleihin ja atomeihin menettäen varauksensa, jolloin niitä ei voida havaita. Fragmentoinniksi kutsuttua tahallista molekyylien hajotusta esimerkiksi jalokaasujen avulla saatetaan kuitenkin joissain tilanteissa käyttää. Lisäksi tietynlaisissa API-ionisaattoreita () käyttävissä massaspektrometreissä ionisaatio tapahtuu ilmakehän paineessa, mutta muut vaiheet etenevät vakuumissa. Näistä kerrotaan alla kohdissa APCI ja APPI.

Historia Ensimmäisen massaspektrometrin rakensi J. J. Thomson 1912. Laitettaan hän kutsui parabola spektrografiksi. Laitteella hän sai aineiden O2, N2, CO, CO2 ja COCl2 massaspektrit, ja havaitsi negatiivisesti varautuneita ioneita (anioneja) ja monivarauksellisia ioneita. 1913 hän löysi neonin isotoopit 20 ja 22.

m/z IUPAC:n mukaan m/z (kirjoitetaan kursivoituna) on tutkitun ionin massa atomimassayksikköinä u jaettuna ionin varausluvun itseisarvolla |z| (u/|z|), eli massoja ei jaeta negatiivisilla varauksilla. m/z-arvot ovat siten arvoltaan aina positiivisia. Varausluvut puolestaan ovat alkeisvarausten monikertoja kuten +1 ja +2. m/z-arvojen on myös määritelty olevan yksiköttömiä.

Massa-varaus -suhteesta erillinen käsite m/z on luotu IUPAC:in toimesta massaspektrometriassa käytettyjen yksikköjen yhtenäistämiseksi. Määritelmä on luotu myös siksi, että oltaessa tarkkoja merkityksistä, tarkoittaa massa-varaus -suhde esimerkiksi SI-yksikköinä ilmaistuna kilogrammoja (atomimassayksiköiden sijaan) jaettuna coulombeilla (kg/C eli m/Q). m/Q-suhde voi siten myös olla negatiivinen jos tutkitut ionit ovat negatiivisia, toisin kuin m/z-arvot. Lisäksi m/Q-suhteessa ionien varaukset coulombeina mitattuina eivät ole +1 ja +2 kaltaisia alkeisvarausten monikertoja vaan alkeisvarauksia.

Yksiköttömyydestä huolimatta käytännössä m/z-arvoista voi silti laskea havaittujen ionisoituneiden atomien tai molekyylien massat kertomalla ionien m/z-arvot ionien varausten itseisarvoilla mikäli nämä varaukset tunnetaan. Isotooppien luonnollinen jakauma, protonaatiot (vety-ionien liittymiset/poistumiset) tai muut kemialliset muutokset tulee kuitenkin ottaa huomioon varausten lisäksi jos tutkitun aineen ionisoimattoman ja kemiallisesti muuntumattoman muodon massa halutaan selvittää m/z-arvoista. Massat ilmaistaan tavallisesti yhtenäistettyinä atomimassayksikköinä (u) tai daltoneina (Da) yleensä käyttäen kokonaisluvuiksi pyöristettyjä nominaalisia tai desimaalisia monoisotooppisia massoja (nämä termit on selitetty alla osiossa massojen määritelmät). u ja Da ovat yksikköinä yhtä suuret (1 u = 1 Da), joten kumpaa vain voidaan haluttaessa käyttää.

Myös thomsoneita (Th) on käytetty massaspektreissä m/z sijaan. IUPAC ei ole 2013 jälkeen suositellut thomsonien käyttöä. Th on ionin massa (Da tai u) jaettuna ionin varausluvulla (esim. +1, +2 tai -2). Thomson voi siten olla positiivinen tai negatiivinen yksikkö, toisin m/z.

Massojen määritelmät Massaspektrometriassa voidaan käyttää useita ionisoituneiden atomien ja molekyylien massan eri määritelmiä. Alla olevien esimerkkien arvot ovat pyöristettyjä arvoja kirjoitushetken (2017) tarkimmista tunnetuista isotooppien massoista. Kaikkien muiden massojen, paitsi nominaalisen massan laskemisessa ja tarkan massan määritelmässä, käytetään kemiallisesti sitoutumattomien eli yksittäisten perustilan (virittymättömien) isotooppien lepomassoja.

Nominaalinen (eng. nominal) massa lasketaan jokaisen maankuoren yleisimmän isotoopin kokonaisluvuiksi pyöristetyistä massoista. Esimerkiksi 1H = 1 u ja 16O = 16 u, joten 1H216O = 18 u.

Monoisotooppinen (eng. monoisotopic) massa lasketaan jokaisen maankuoren yleisimmän isotoopin desimaalisista massoista. Esimerkiksi 1H = 1.00783 u ja 16O = 15.99491 u, joten 1H216O = 18.01057 u.

Keskimääräinen (eng. average) massa lasketaan desimaalisilla suhteellisilla eli standardiatomipainoilla. Esimerkiksi H = 1.00784 u ja O = 15.99903 u, joten H2O = 18.01471 u. Standardiatomipainot (eng. standard atomic weight) ovat alkuaineen isotooppien massojen keskiarvoja, jotka on laskettu ottaen huomioon isotooppien suhteellinen yleisyys maankuoressa. Nämä arvot löytyvät pyöristettyinä useimmista jaksollisen järjestelmän taulukoista.

Kaikkein yleisin (eng. most abundant) massa on yleisimmän havaitun ionisoituneen isotoopin tai isotooppiyhdistelmän massa. Ionia kutsutaan pääasialliseksi ioniksi (eng. principal ion). Harvinaisempien isotooppien tilastollinen todennäköisyys olla osana molekyyliä kasvaa molekyylin kasvaessa. Siksi massaspektrissä suurin tietyn molekyylin aiheuttama havaittu piikki poikkeaa monoisotooppisesta massasta jos molekyyli on kyllin suuri. Suurissa molekyyleissä monoisotooppinen massa voi olla spektrissä näkymätön. Tämä näkyy kuvan glukagoni-esimerkissä, jossa suuri yleisin piikki peittää mitättömän pienen monoisotooppisen piikin. Glukagoni nimittäin on runsaasti atomeita.

Tarkka (eng. accurate) massa on kokeellisesti mitattu massa.

Eksakti (eng. exact) massa on valittujen isotooppien massoista laskettu teoreettinen massa. Jos molekyylissä on muita kuin yleisimpiä isotooppeja (esimerkiksi 1H sijaan 2H) kutsutaan eksaktia massaa myös isotopologiseksi (eng. isotopologue) massaksi monoisotooppisen massan sijaan.

Massavajeeksi (eng. mass defect) kutsutaan eroa monoisotooppisen ja nominaalisen massan välillä. Termi massaspektrometriassa ei siis tarkoita samaa kuin massavaje ydinfysiikassa.

Resoluutio pienoiskuva|300px|Massaspektrometrian resoluution. Piikin resoluutio laskettuna kahdesta toisiinsa osin sulautuneesta piikistä käyttäen sulautumisalueen korkeutta (vasemmalla) ja yhdestä piikistä käyttäen puoliarvoleveyttä (FWHM-arvo). Resoluutiolla (R) eli erotuskyvyllä tarkoitetaan massaspektrometrin kykyä erottaa toisistaan eri m/z omaavien ionien signaalit toisistaan. R määritellään kahdelle sulautuneelle piikille usein seuraavanlaisesti:

R = m / Δm = m1 / (m1 – m2)

Kuvassa oikealla olevan yksittäisen piikin resoluutio lasketaan piikin leveydestä korkeudelta, jossa h:n arvo on puolet H:n arvosta, eli puoliarvoleveydellä (eng. full width at half-maximum, FWHM). Vasemmalla kuvassa näkyvän h:n korkeus saa yleensä olla enimmillään 10 % H:n korkeudesta ICR-analysaattoreilla ja muilla korkean resoluution laitteilla. Arvon maksimi on tyypillisesti 50 % kvadrupoleilla, TOF-analysaattoreilla ja vastaavilla matalan resoluution laitteilla. Suurempi resoluution arvo merkitsee parempaa resoluutiota. Resoluutioon vaikuttaa käytetty analysaattori.

Massatarkkuus Massatarkkuudella (eng. mass measurement accuracy, MMA) puolestaan tarkoitetaan eroa kokeellisesti mitatun ja teoreettisesti lasketun massan välillä, eli:

MMA = mkokeellinen – mteoreettinen

Arvo ilmaistaan usein miljoonasosina (ppm), joten:

MMA = (mkokeellinen – mteoreettinen) / mteoreettinen x 106 ppm

Pienempi arvo kertoo paremmasta mittaustarkkuudesta. Mittauksia samasta näytteestä toistetaan lähes aina ja näistä lasketaan spektriin esitetty keskiarvo. Massoiksi ilmoitettuihin arvoihin liitetään yleensä toistettujen mittausten keskihajonta, eli standardipoikkeama (esim. 2 000 ± 10 u).

MMA voi kuitenkin ”siirtyä” erityisesti analysaattorin epävakauden vuoksi, jolloin usean mittauksen tekeminen ei auta. Siirtymää tapahtuu erityisesti korkean resoluution analysaattoreissa, kuten FT-ICR-laitteissa. Jos kyse on vain epävakaudesta, voidaan MMA:n arvoa pienentää laitteen kalibraation avulla. Korkean resoluution laitteet saattavat vaatia päivittäisen kalibraation.

Ionisaattorit Ionisaattorissa tapahtuvassa ionisaatiossa näytteeseen tuodaan eri tavoin energiaa, jotta se saadaan muuntumaan kaasuksi ja/tai ionisoitumaan. Siksi tutkittavat aineet voivat ionisaatiossa pilkkoutua pienemmiksi osasiksi, eli fragmentoitua. Tutkittavasta aineesta riippuen tähän voidaan pyrkiä tai tätä vältetään. Tarkoituksenmukainen fragmentaatio kuitenkin yleensä tapahtuu omassa vaiheessaan erilaisin menetelmin kuin ionisaatio. Ionisaatiomenetelmä valitaan tutkittavan näytteen mukaan. Ionisaattoreihin, jotka toimivat jatkuvalla näytesyötöllä, voidaan usein yhdistää erilaisia puhdistimia tai erottimia helpottamaan ja automatisoimaan analyysiä. Joihinkin voidaan esim. liittää kromatografi, joka erottaa näytteen eri osiin (fraktioihin) näytteessä olevien molekyylien kemiallisten ominaisuuksien avulla.

Tähän kappaleeseen ei ole lueteltu kaikkia olemassa olevia ionisaattoreita.

Elektroni-ionisaatio (EI) Elektroni-ionisaatiossa (EI) tyypillisesti kaasumainen näyte ionisoidaan sähköllä kuumennetun hehkulangan eli filamentin avulla. Langasta irtoaa elektroneja kaasuun ja kaasun osaset ionisoituvat. Menetelmä johtaa usein ionien fragmentaatioon.

Kemiallinen ionisaatio (CI) Kemiallisessa ionisaatiossa (eng. chemical ionization, CI) tuotetaan kemiallisin menetelmin ioneita kaasusta. Tämä voi tapahtua esimerkiksi protonien (H+) siirron kautta käyttämällä ionisoitunutta kaasua GH+, jotka voivat siirtää protoninsa tutkittavalle kaasumaiselle aineelle M, jolloin saadaan kaasumaisia näytteen ioneita (MH+). Elektroni-ionisaatioon verrattuna kemiallinen ionisaatio aiheuttaa vähemmän fragmentaatiota.

Kenttäionisaatio (FI) Kenttäionisaatiossa (eng. field ionization, FI) ioneita tuotetaan kaasusta tai kaasuksi kuumennetusta näytteestä vahvan sähkökentän avulla. Menetelmässä sähkökenttä muodostuu ohuen johtimen ympärille. Johtimet on päällystetty mikroskooppisen pienillä piikeillä, jotka on valmistettu esimerkiksi hiilestä tai nikkelin ja tantaalin seoksesta. Myös ohuita ja teräviä levyjä saatetaan käyttää piikkien sijaan. Näytekaasu ympäröi johdinta. Näyteosasen valenssielektronin sähkökentästä saama potentiaalienergia on niin suuri, että se saavuttaa metallin fermienergian, jolloin siitä kvanttitunneloituu elektroneja johtimeen. Tällöin näyte ionisoituu saaden positiivisen varauksen. Saamansa varauksen vuoksi ioni sinkoaa anodilta katodille ja sitten mihinkään törmäämättä katodissa olevan reiän lävitse eteenpäin massa-analysaattorille. Kenttäionisaatiossa voi muodostua MH+-ionien lisäksi M•+-radikaaleja. Menetelmä saa aikaan fragmentaatiota hyvin vähän, mutta sen heikon ionisaatiotehon vuoksi sitä käytetään lähinnä kun EI- tai CI-menetelmät eivät ionisoi tutkittavaa näytettä molekyyli-ioneiksi.

Kenttädesorptio (FD) pienoiskuva|300x300px|Kenttädesorptiossa kuumennetulta mikroskooppisia piikkejä/levyjä täynnä olevalta ja sähkövarauksen omaavalta johtimelta (musta) siirtyy johtimen sähkökentän muodostamia kationeja katodin ohitse massa-analysaattorille.