Hmotnostná spektrometria

Iónový zdroj je súčasťou hmotnostného spektrometra. Táto súčasť ionizuje materiál podľa analýzy (analytu). Ióny sú potom transportované magnetickými alebo elektrickými poľami k hmotnostnému analyzátoru. Techniky ionizácie boli kľúčom k určeniu, aké typy vzoriek môžu byť analyzované pomocou hmotnostnej spektrometrie. Elektrónová a chemická ionizácia sú používané pre plyny a pary. Pri chemickej ionizácii zdrojov je analyt ionizovaný chemickými ión-molekulami reagujúcimi počas kolízií v zdroji.

Indukčne viazaná plazma (ICP), – tento typ zdrojov sa využíva predovšetkým pre analýzu katiónov a širokú škálu typov vzoriek. U tohto typu technológie 'plameň' z plazmy, ktorý je celkovo elektricky neutrálny, ale podstatná časť jeho atómov ionizovaných vysokou teplotou, sa používa na atomizáciu daných vzoriek molekúl . Plazma je obvykle generovaná z argónu, pretože prvá ionizačná energia atómov argónu je vyššia ako prvá ionizačná energia iných prvkov, s výnimkou hélia, kyslíka, fluóru a neónu, ale nižšia ako druhá ionizačná energia všetkých, okrem elektropozitívnych kovov.

Hmotnostné analyzátory oddeľujú ióny podľa ich m/Q pomeru. Nasledujúce dva zákony sa riadia dynamikou nabitých častíc v elektrických a magnetických poliach vo vákuu:

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$ (Lorentzov zákon sily)

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$ (Newtonov druhý pohybový zákon v nerelativistickom prípade, t. j. platí len pri rýchlosti iónov výrazne nižšiej, než je rýchlosť svetla).

F je tu sila pôsobiaca na ióny, m je hmotnosť iónov, a je zrýchlenie, Q je náboj iónu, E je elektrické pole, AVX B je vektor, vektorový súčin iónov rýchlosti a magnetické pole.

Znamienko rovnosti medzi výrazy pre vyššie uvedené sily pôsobiace na ión obnáša:

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

Táto diferenciálna rovnica je klasickou rovnicou pohybu pre nabité častice. Spolu s čiastočkami počiatočných podmienok, častice úplne určujú pohyb v priestore a čase, pokiaľ ide o pomer m/Q.

Existuje mnoho typov hmotnostných analyzátorov: statické alebo dynamické, magnetické alebo elektrické, ale všetky fungujú podľa vyššie uvedenej diferenciálnej rovnice. Každý typ analyzátora má svoje silné a slabé stránky. Mnoho hmotnostných spektrometrov používa dva alebo viac hmotnostných analyzátorov pre tandemovú hmotnostnú spektrometriu (MS/MS). Okrem bežnejších hmotnostných analyzátorov uvedených nižšie, sú tam aj iné, určené pre zvláštne situácie.

Sektorové pole hmotnostného analyzátora využíva elektrické a/alebo magnetické pole, ktoré ovplyvňujú cestu a/alebo rýchlosť pohybu nabitých častíc. Ako je uvedené vyššie, sektorové pole ohýba trajektóriu iónov pri prechode hmotnostným analyzátorom podľa ich m/Q pomeru, vychyľovanie viac nabitých a rýchlejšie sa pohybujúcich ľahších iónov je výraznejšie. Analyzátor môže byť použitý k výberu úzkeho rozsahu m/z pomeru alebo na skenovanie prostredníctvom série m/z, či katalogizáciu iónov v reálnom čase.

Analyzátor času letu používa elektrické pole k urýchleniu iónov s rovnakým potenciálom. Ak majú častice rovnaký náboj, bude kinetická energia častíc totožná, a ich rýchlosť bude závisieť iba na ich hmotnosti. Ľahšie ióny dosiahnu detektor prvé.

Štvorpólový hmotnostný analyzátor používa oscilujúce elektrické pole k selektívnemu stabilizovaniu alebo destabilizovaniu cesty iónov rádiovými frekvenciami (RF), elektrické pole je vytvorené zo štyroch paralelných tyčí – elektród. Iba ióny v určitom rozsahu m/Q pomeru sú predávané prostredníctvom systému kedykoľvek. Zmeny potenciálov na elektródach umožňujú široký rozsah m/z hodnoty. Štvorpólový filter pôsobí v hmotnostnom analyzátore ako selektívny filter m/z a je úzko spojený s kvadupólovou iónovou pascou. Ďalšie variácie štvorpolia je trojnásobné štvorpole.

Trojnásobne štvorpólové hmotnostné spektrometre majú tri po sebe idúce kvadrupóly usporiadané za sebou. Prvý kvadrupól sa chová ako hmotnostný filter, druhý pôsobí ako kolízny ciel, kde sú vybrané ióny rozdelené do fragmentov. Výsledné fragmenty sa analyzujú tretím kvadrupólom.

Štvorpólová iónová pasca pracuje s rovnakými fyzikálnymi zákonmi ako štvorpólové hmotnostne analyzátory, ale ióny sú zachytené do pasce a následne vyhodnotené. Vzorka sa ionizuje buď interne (napr. elektrónovým alebo laserovým lúčom), alebo externe, v takom prípade sú ióny často zavádzané cez otvor k takzvanému „čelu“ elektródy.

Existuje mnoho m/Q separačných a izolačných metód, ale najpoužívanejšou je hmotnostný nestabilný mód, v ktorom je potenciál rádiovej frekvencie udržiavaný tak, že orbity iónov s hmotou "a">"b", sú stabilné, kým ióny s hmotnosťou "b"<"a" sú nestabilné a sú katapultované na z-os na detektore. Tam sú tiež použité nedeštruktívne metódy analýzy.

Ióny môžu tiež byť vyhodnotené metódou rezonančnej excitácie, kedy je doplnkové oscilačné budiace napätie aplikované na čelo elektródy, a odchytenie amplitúdy napätia a/alebo frekvencie budiaceho napätia je rozmanito prenášané iónmi do rezonančného stavu v poradí podľa ich m/Q pomeru.

Valcová iónová pasca hmotnostného spektrometra je derivátom štvorpólovej hmotnostnej spektrometrálnej iónovej pasce.

Lineárna štvorpólová iónová pasca je podobná štvorpólovej iónovej pasci, ale tá zachytáva ióny v dvojrozmernom štvorpólovom poli, namiesto trojdimenzionálnych štvorpólových polí ako v 3D štvorpólovej iónovej pasci. Príkladom lineárnej iónovej pasce je Thermo Fisher LTQ (v slovenčine známa ako „Termo Fisherová štvorpólová lineárna pasca“).

Posledným prvkom hmotnostného spektrometra je detektor. Zaznamenáva vyvolané alebo aktuálne prechody iónov alebo ich dopady. Detektor sa skladá z dvoch kovových dosiek, ktoré zaznamenávajú prechody iónov.