TÖMEGSPEKTROMETRIA (Mass Spectrometry, MS) ALAPJAI

        A tömegspektrometria napjaink egyik leghatékonyabb analitikai módszere. Fõképpen megbízható minõségi és mennyiségi információkat szolgáltat a mintákról (alkalmas technikával mérve), de alkalmazzák energetikai folyamatok, ionizációs energiák mérésekor és egyes disszociációs állandók meghatározásakor is. Hátránya, hogy egy típus kivételével a detektálási folyamat destruktív.

            A tömegspektrometria még a korai részecskesugárzási vizsgálatokból bontakozott ki, úgy mint katód - anód-, csõsugár vagy radioaktív sugárzás vizsgálatokból. Elsõnek Thomsonnak sikerült olyan berendezést készítenie, amivel anódsugarak részecskéit szét tudta választani, és tömegük szerint azonosította õket. Készüléke a parabola tömegspektrográf volt, ami a mai tömegspektrométereknek is az alapja. Elve az erõk mozgató hatásának tömegtõl való függése. Ha megfelelõen vékony ionnyalábot két mágnespofa által keltett mágneses térbe engedünk be, akkor ott az ionok a jobbkéz szabály szerint eltérülnek. Sajnos nemcsak a tömegüktõl, hanem az energiájuktól is függõ mértékben, ezért így még nincs tömeg szerinti szétválasztás. Ha azonban a mágnesekre kondenzátorlemezeket is helyezünk, és villamos teret is gerjesztünk, akkor egy a mágnes által adott eltérítésre merõleges eltérítést is kapunk, ami nem függ a tömegtõl, csak a részecskék energiájától (1. ábra).

1. ábra

A mágnes eltérítését x iránynak, a kondenzátorét y-nak tekintve, a térbe belépõ töltéssel rendelkezõ részecske gyorsuláskomponensei:

,ahol a_x mágneses tér által keltett gyorsulás, a_y villamos tér által keltett gyorsulás, F_m a mágneses erõ, F_e a villamos erõ, m az ion tömege, v a haladási sebessége az erõterekben, B a mágneses tér indukciója, E a villamos térerõsség, e pedig a részecske töltése. Amennyiben z a terekben megtett út, és t az átfutási idõ, akkor

A sebességet kiküszöbölve parabola egyenletét kapjuk, innen szármaik a parabola tömegspektrográf elnevezés.

A tömeg szerinti szétválasztáshoz biztosítani kell azt, hogy a vizsgálandó ionnyaláb ne ütközzön útközben más részecskékkel, mert az ütközések során nyert kinetikus energiák meghamisítanák a szétválasztást, rontanák a felbontást. A mai nagyfelbontású készülékek ezért nagyvákuumban mûködnek (10-5 mbar alatti nyomáson), és amennyiben nincsen bennük minta, elérik az ultravákuumot is (<10-7 mbar). Ehhez nagyteljesítményû turbómolekuláris szivattyúk szükségesek. Az igen nagy nyomáskülönbségek miatt mindig kapcsolt szivattyúzást alkalmaznak, tehát a nagyvákuumpumpák elõterét kisebb elõvákuumpumpák szívják. Ez azért szükséges, hogy a nagyvákuumpumpák ne túl nagy nyomáskülönbségek ellen dolgozzanak, és elérjék a legnagyobb teljesítményhez szükséges optimális fordulatszámot.

Ahhoz, hogy az ionnyaláb belépjen abba a térbe, ahol szeparáljuk, kell adni neki egy belépési sebességet, azaz fel kell gyorsítani, sõt ahhoz, hogy nyaláb legyen, fókuszálni is kell. Ezeket a feladatokat látja el az ionoptikai rész, ami rések sorozatából áll. Ezeken a réseken potenciálesés van, ez gyorsítja a töltéssel rendelkezõ részecskéket, a rések pedig, csakúgy mint a fénybõl, az ionokból is kiválasztanak egy összetartó nyalábot. Mára már egy különálló egység végzi az analizálandó ionok ionnyalábbá alakítását, ezt hívják ionforrásnak. Régebben igen nagy probléma volt az, hogy a mintából reprezentatív ionnyalábot alakítsanak ki, mert egyetlen ionizáció nem alkalmas minden anyag megfelelõ ionizálására. A céltól függõen más és más vizsgálatra alkalmas ionforrásokat fejlesztettek ki, így ma minden típusú minta ionizálása elvégezhetõ az alkalmas ionforrás megválasztásával.

Az elõzõ részben bemutatott Thomson féle tömegspektrométer tulajdonképpen csak a tömeg szerinti szeparáló rész, amit ma analizátornak neveznek. Csakúgy, mint az ionforrásokból, mára az analizátorokból is számtalan fajta alakult ki más és más célra. Vannak gyorsabbak, egyszerûen kezelhetõek, mint például a kvadrupólok, vannak bonyolultabbak, nagyobb méretûek, mint a nagyfelbontású készülékek, és vannak mikro méretûek, amiket az ûrben, vagy az orvostudományban használnak fel.

Thomson még nem rendelkezett olyan teljesítményû számítógépekkel, mint mi, ezért ö az ionsugarakat egyszerûen fotografikusan, fotolemezekkel detektálta. Ez azonban nem túl megbízható módszer (mégis használata bizonyos geometriájú készülékek esetén indokolt, például a szikraionforrással kapcsolt spektrométerek esetén), ezért más lehetõségeket is kerestek: Faraday-kalitkát, elektronsokszorozókat. A mérések igen nagyszámú adatát eleinte egyszerûbb adathordozókra rögzítették, mint például lyukszalag. Ez nem volt elég gyors és nagykapacitású módszer, a kiértékelések is igen sok idõt és türelmet vettek igénybe. Igazán gyümölcsözõ és gyors módszerré akkor vált a tömegspektrometria, amikor összekapcsolták a rohamosan fejlõdõ számítógépes technikával. Ez ugyanis igen nagyszámú adat igen gyors rögzítésére és kezelésére alkalmas.

Napjaink tömegspektrométerei

           A mai tömegspektrométerek is mind az erõk mozgató hatásának tömegtõl való függésén alapulnak, csak eltérõ kivitelezésûek, teljesítményûek, méretûek és árúak.

Általános jellemzésükben elmondható, hogy mintaadagolóból, ionforrásból, analizátorból, detektorból, regisztrálóegységbõl és vákuumrendszerbõl állnak. A mérés folyamata során a minta egy részét a mintaadagolón át az ionforrásba engedjük. Ott a mintára jellemzõ ionnyaláb képzõdik, ez belép az analizátorba, itt szétválasztódik, majd a detektorba csapódik.

A becsapódások intenzitásait regisztráljuk és ezeket értékeljük ki, ezek szolgáltatják a tömegspektrumot. A tömegspektrum tartalmazza az egyes tömegértékekhez tartozó intenzitásokat is (2. ábra).

(2. ábra)

Az etil 2 - allil - 3 - ketobutirát tömegspektruma ( m/z a részecskék fajlagos tömege )

A detektorba csapódnak be az ionok, ami lehet fotolemez (ma már ritkább), ilyenkor a fényesség reprezentálja a jel erõsségét. Lehet elektromosan mért (ez a gyakoribb), ilyenkor az egyes tömegekhez tartozó feszültség értékek jelentik a jelek intenzitását. Amennyiben a legnagyobb intenzitású jelet 100%-nak tekintik, és a többi jelet erre normálják, karakterisztikus tömegspektrumról beszélnek, mert ezek úgy jellemzõek az egyes anyagokra, mint az emberekre az ujjlenyomatuk. A minta ugyanis csak bizonyos tömegeknél adhat jelet, mert a molekulák tömege adott, és a molekulák szétszakadásának, fragmentálódásának is vannak "szabályai", amik a kötések stabilitásától függnek. Egy tömegspektrum gyakorlatilag tömegszámoknál behúzott vonalakból áll. A vonalakat a molekulaionok, töredékionok, átrendezett ionok, izotópionok, többszörös töltésû ionok, vagy metastabilis ionok adják.