massespektrometer

Massespektrometre finnes i mange ulike utførelser. Et moderne massespektrometer er alltid bygd opp av følgende hovedkomponenter:

• prøveinnføringssystem
• ionekilde
• masseanalysator
• detektor
• datasystem

Prøven som skal analyseres, kan være gass, væske eller fast stoff. For tradisjonelle ioniseringsteknikker må prøven omdannes til gass før den overføres til ionekilden hvor ioniseringen finner sted, for eksempel ved at prøvemolekylene bombarderes med en stråle av elektroner. Deretter ledes ionene inn i en masseanalysator som vanligvis består av et arrangement av elektriske og/eller magnetiske felter. Det er her ionene separeres ut fra forskjeller i m/z-verdi.

Det finnes forskjellige typer masseanalysatorer. De vanligste er magnetsektor-, kvadrupol-, flygetid- og ionefelleanlysator. Før ionene blir ført inn i en magnetsektoranalysator, ledes de først gjennom et elektrostatisk felt (akselerasjonsfelt) hvor de tilføres energi og deretter, ved påvirkning av elektriske felter, blir samlet til en skarp stråle som så ledes inn i et sirkelsektorformet homogent magnetfelt. I magnetfeltet avbøyes ionene, og de følger en sirkelbane hvor radiusen er avhengig av ionets m/z-verdi. Bare ioner med en bestemt baneradius vil passere rett gjennom masseanalysatorens utgangsspalte og treffe detektoren som sitter rett bak spalten.

Ved å variere magnetfeltstyrken kan man styre hvilke ioner (det vil si hvilke m/z-verdier) som vil passere spalten og deretter detekteres. Instrumentet kan dermed programmeres til å sveipe over et ønsket m/z-område. Et fullstendig sveip over alle m/z-verdiene tar vanligvis under et sekund.

Detektoren gir en elektrisk respons for hver m/z-verdi. Det finnes flere typer detektorer, inkludert mangekanalsdetektorer, som muliggjør simultan deteksjon av ionene.

For å oppnå god masseoppløsning, det vil si å kunne skille ioner med liten forskjell i m/z-verdi, benytter man en elektrostatisk analysator i tillegg til magnetsektor-masseanalysator. Slike instrumenter kalles dobbelfokuserende eller høytoppløsende instrumenter.

De forskjellige typene magnetsektor- og dobbeltfokuserende instrumenter varierer med hensyn til utformingen av avbøyningsfeltene og plasseringen av de elektriske og magnetiske feltene i forhold til hverandre. De bygges dels for å dekke et stort m/z-område og dels for å oppnå god oppløsning. Mattauchs massespektrograf og Niers massespektrometer er kjente dobbeltfokuserende instrumenter med meget høy oppløsning. Fourieromvandlingsmassespektrometer er et annet eksempel.

Foruten høy masseoppløsning er det viktig at et massespektrometer er stabilt, slik at magnetiske og elektriske felter ikke varierer med tiden eller at metalldelene i instrumentet får anledning til å krympe/vokse med varierende temperatur i lokalet. Dermed er det mulig å bestemme m/z-verdier, og dermed molekylvekter, med meget stor nøyaktighet.

Man har utviklet mange typer av ionekilder som dekker ulike analysebehov. For bestemmelse av molekylmasser er det for eksempel gunstig å velge en ionekilde som gir liten eller ingen grad av fragmentering (kun ionisering); for bestemmelse av grunnstoffer velger man ionekilder som ideelt gir en total dekomponering av prøven i frie enverdige ioner (se ICP); ved identifisering av en ukjent forbindelse velger man en ionekilde som gir relativt høy grad av fragmentering. Ved mye fragmentering fås en sikrere identifikasjon, fordi det da er mindre sannsynlig at flere molekyler har samme fragmenteringsmønster. Det finnes også dataprogrammer som kan hjelpe med strukturoppklaringen.

Signalet fra detektoren gis vanligvis i form av et massespektrum (m/z-verdi som funksjon av ionestrøm) som registreres på en skjerm. Massespekteret gir blant annet grunnlag for strukturbestemmelse av molekyler og identifisering av ukjente forbindelser. Ved kvantitative bestemmelser måler man ionestrømmen ved en gitt m/z-verdi for den aktuelle forbindelsen eller grunnstoffet.

Det første massespektroskopet, Astons massespektrograf, ble bygd av Francis W. Aston i 1919. Det var en videreutvikling av Joseph John Thomsons enkle apparat fra 1912 for bestemmelse av forholdet mellom masse og ladning av «anodestråler».

De første kommersielle instrumentene ble laget i 1940-årene og tatt i bruk i oljeindustrien. Massespektrometre spesielt beregnet på kjemiske strukturbestemmelser ble utviklet i 1950-årene. Fra ca. 1960 ble instrumenter med gasskromatograf koblet direkte med massespektrometer tatt i bruk, og et par tiår senere ble det også mulig å koble væskekromatografer (HPLC) direkte til massespektrometre.

Utvikling av nye ionekilder har gjort det mulig å stadig utvide anvendelsesområdet for massespektrometri. I de første instrumentene for organisk analyse ble elektronionisering, der prøvemolekyler i gassfase bombarderes med en stråle av elektroner, benyttet. Senere ble kjemisk ionisering (protonoverføring) og feltionisering (kontrollert elektrisk utladning) tatt i bruk for ionisering av molekyler i gassfase.

Mot slutten av 1980-årene dukket det opp to nye ioniseringsteknikker: elektrosprayionisering (ESI) og matrisestøttet laserdesorpsjon (MALDI). Ved disse ioniseringsmetodene dannes ionene direkte fra fast fase eller løsning, uten at det er nødvendig å fordampe prøven. Dermed har det blitt mulig å danne ioner av ikke-flyktige forbindelser, som proteiner, nukleinsyrer og karbohydrater. Nobelprisen i kjemi for 2002 ble tildelt John B. Fenn og Koichi Tanaka for å ha bidratt til utvikling av disse to ioniseringsteknikkene.

Det første instrumentet beregnet for uorganiske analyser ble tatt i bruk i 1950-årene. Dette instrumentet, for bestemmelse av grunnstoffer og isotoper, benyttet gnistionekilde og var tungvint og tidkrevende å bruke, fordi ionekilden måtte holdes i vakuum. Først fra ca. 1980, da instrumenter med et induktivt koblet plasma (ICP) som ionekilde ble kommersielt tilgjengelig, ble anvendelsen av massespektrometri for uorganisk analyse utbredt. ICPen holdes ved atmosfæretrykk og kan benyttes for rask bestemmelse av ca. 80 grunnstoffer og deres isotoper.

Tidligere benyttet man betegnelsen massespektrograf hvis registreringen av partikler skjedde ved hjelp av fotografiske plater, og massespektrometer hvis de ble registrert ved et elektrisk måleinstrument.

Massespektrometer, benyttet alene eller koblet med annet utstyr, har et meget stort anvendelsesområde. Det kan blant annet benyttes til å bestemme

• grunnstoffsammensetning av faste stoffer
• molekylstruktur av uorganiske, organiske og biologiske forbindelser
• sammensetningen av komplekse prøver
• struktur og sammensetning av overflater
• måling av isotopmasser og isotopforhold

Ved analyse av prøver som inneholder flere forbindelser kan massespektrometeret kombineres med en væskekromatograf (se HPLC) eller gasskromatograf, GC (se gasskromatografi) for separasjon av stoffene før innføring i massespektrometeret. Spesielt har GC-MS fått stor anvendelse for kvalitative og kvantitative analyser.

ESI og MALDI har gjort det mulig å utføre massespektrometrisk analyse av biologiske molekyler, særlig proteiner og polypeptider, og massespektrometeret har blitt en helt nødvendig del av utrustningen i moderne laboratorier for molekylærbiologi og biologisk kjemi. Det er både mulig å bestemme aminosyresekvensen i proteiner og basesekvensen i nukleinsyrer. Massespektrometri benyttes også for analyse av proteiner som er kovalent modifisert ved for eksempel fosforylering eller glykosylering. Metoden inngår i flere teknologiske plattformer som er under utvikling for hurtig og massiv analyse av genetisk variasjon mellom individer og for identifisering av proteiner i små mengder prøvemateriale.

Andre viktige anvendelsesområder er nøyaktige målinger av atommasser, isotopseparasjon og isotopmålinger, kjemiske analyser innen uorganisk kjemi, miljøovervåkning, rettstoksikologi, geokjemi, farmakologi og medisin. Massespektrometriske metoder er raske og har ekstremt lave deteksjonsgrenser. Dermed trengs det kun ørsmå prøvemengder for analyse.

• kjemi