Het spectrometrie in het woord massaspectrometrie verwijst niet naar een onderdeel van het elektromagnetisch spectrum, maar naar de op een spectrum gelijkende manier waarop de resultaten in een zogenaamd massaspectrum worden weergegeven. Dit is dus een uitzondering op de regel dat een spectrum verwijst naar een differentiatie naar golflengte; bij een massaspectrum wordt een differentiatie naar massa gemaakt.

In een massaspectrometer worden individuele moleculen van het monster in de gasfase geïoniseerd. Daarna worden de gevormde ionen versneld in een zeer precies geregeld elektrisch veld. De ionen worden vervolgens gescheiden op basis van hun massa/ladingsverhouding (m/z) waarna de detectie volgt. In een massaspectrum wordt de intensiteit van iedere m/z weergegeven.

De massa wordt in de massaspectrometrie uitgedrukt in atomaire massa eenheden: één atomaire massaeenheid is één twaalfde van de massa van een koolstofatoom, dat is ongeveer de massa van een kerndeeltje (proton of neutron).

Table of contents

1 Monstervoorbereiding 2 Ionisatie 3 Massascheiding 4 Detectie 5 Hoeveelheden 6 Fragmentatie 7 Isotopenverhouding 8 Andere toepassingen

Monstervoorbereiding

In een massaspectrometer heerst een hoog-vacuüm. Er zijn verschillende methoden om het monster in de massaspectrometer te brengen.

Wanneer een zuivere stof moet worden geanalyseerd, kan men soms volstaan met een eenvoudig inbrengen van een klein beetje van de stof in de ionisatiekamer, bijvoorbeeld door sublimatie.

Als een mengsel moet worden geanalyseerd, wordt vaak gebruik gemaakt van chromatografie om het mengsel te scheiden, en de componenten om de beurt in de massa-spectrometer te brengen. Men spreekt van GC-MS wanneer gas-chromatografie vordt gebruikt, en van HPLC-MS wanneer hoge-druk vloeistofchromatografie wordt gebruikt om het monster in componenten te scheiden. Men kan het instrument in zulke gevallen ook van de andere kant beschrijven: het is het gebruik van een massaspectrometer als detector voor een chromatografisch experiment.

Vooral wanneer HPLC wordt gebruikt moet vóór de uitstroom de massaspectrometer ingaat een groot gedeelte van de drager worden afgedampt zodat alleen het monster in zuivere vorm kan worden geanalyseerd.

Ionisatie

Een oude, eenvoudige manier om het monster te ioniseren is door het monster in de gasfase met elektronen te bombarderen. De elektronen komen uit een gloeidraad die op enige afstand van het gasvormig monster wordt opgewarmd. De elektronen worden versneld tot ca. 70 eV. Wanneer ze met deze snelheid op een molecuul van het monster botsen, kan daarbij een positief moleculair ion worden gevormd (M^+., de plus geeft de elektrische lading van het ion weer, de punt het feit dat het een radikaal-ion betreft waarin een reaktief ongepaard elektron aanwezig is).

Deze techniek voldoet goed voor eenvoudige monsters waarvan voldoende in de gasfase kan worden gekregen, en die ook niet meteen helemaal uit elkaar vallen door de ioniserende botsing. Andere oudere methoden voor ionizatie zijn de chemische ionisatie waarbij men het monster laat reageren met een positief ion, en FAB (Fast atom bombardment ofwel bombardement met snelle atomen).

Sinds ca. 1990 is gewerkt aan alternatieve ionisatiemethoden die minder eisen aan het monster stellen. Dit heeft geresulteerd in electrospray ionisatie, en de matrix assisted laser desorption ionisatie (kort MALDI). Voor deze beide technieken is in 2003 de Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt. Deze ionisatietechnieken zijn zo zacht dat zelfs miniscule monsters van zeer gevoelige eiwitten kunnen worden geanalyseerd in een massaspectrometer.

Massascheiding

De scheiding van de ionen naar snelheid kan op verschillende manieren gebeuren.

• De eenvoudigste manier om de snelheid van de ionen te kunnen detecteren is door de tijd te meten die ze doen over het afleggen van een bepaalde afstand. Dit wordt Time-of-flight massaspectrometrie genoemd. Het beste werkt deze techniek als alle ionen op hetzelfde moment worden gemaakt, zoals bij MALDI. Alle ionen die op hetzelfde moment vertrekken komen dan op verschillende tijden bij de detector aan. Het uitgangssignaal van de detector is bijna onmiddellijk een heel massaspectrum. De combinatie van MALDI ionisatie met TOF massascheiding levert de zeer populaire MALDI-TOF techniek op.
• Veel eenvoudige massaspectrometers gebruiken een elektrostatische quadrupool: vier parallelle staven waarop een gelijkspanning met daarop gesuperponeerd een radio-frequente wisselspanning wordt aangesloten. Alleen ionen met een strikt bepaalde snelheid kunnen in de lengterichting langs de quadrupool komen, de rest wordt afgebogen en komt op enig moment tegen één van de staven terecht. Een instrument met een quadrupool kan een continu-stroom aan ionen aan, maar levert op elk moment slechts een signaal van één enkele massa. Voor het maken van een spectrum worden een groot aantal metingen achter elkaar gedaan waarbij de frequentie van de wisselspanning op de quadrupool wordt veranderd en daardoor steeds een andere massa wordt geselecteerd en bij de detector gemeten.
• Door een magnetisch veld dwars op de voortbewegingsrichting van de ionen te plaatsen, worden de ionen afgebogen. De mate van afbuiging is alleen afhankelijk van de massa/snelheidsverhouding. In theorie zou men een hele rij detectoren aan het einde van de analysator kunnen plaatsen en een heel massaspectrum tegelijk opnemen. In de praktijk gebruikt men een enkele detector en moet, net als bij een quadrupool-instrument een spectrum worden opgenomen door een groot aantal metingen bij een enkele massa te maken. Dit gebeurt door de sterkte van het magnetische veld te veranderen. Een probleem bij deze techniek is de massaresolutie die kan worden behaald. Wanneer de ionen niet allemaal precies dezelfde snelheid hebben bij het binnengaan van de analysator, wordt het spectrum daardoor vervuild. Een mogelijke oplossing is het aanbrengen van een elektrostatische analysator vóór de magnetische analysator. Een transversaal elektrisch veld buigt de ionen ook af, maar de afbuiging is afhankelijk van de kinetische energie van het ion, en niet van de snelheid of massa. In de combinatie van de twee analysatoren dient de elektrostatische analyse als een filter waardoor een resolutie van 1:100.000 kan worden bereikt.
• Een compleet andere analysetechniek, FT-MS (Fourier-Transform massaspectrometrie) gebruikt een magnetisch veld waarin de ionen worden opgesloten. Een radio-puls brengt ze in resonantie. Dit resulteert in een resonantie-signaal dat in de tijd wordt gemeten. Door een Fourier-transformatie van het gemeten signaal wordt direct een heel massaspectrum geproduceerd. Deze techniek kan een heel hoge resolutie bereiken en heeft een bijzonder hoge efficiëncy.

Bij sommige systemen worden de elektronen na één stap op een fosfor gericht, waar de stroom in licht wordt omgezet. In een beeldversterker wordt het lichtsignaal daarna verder versterkt. Dit maakt het mogelijk dat de eigenlijke detector zich buiten het vervuilende instrument bevindt, en daardoor langer mee gaat.

Hoeveelheden

De hoeveelheden monster die nodig zijn voor een massaspectrum zijn erg klein. Elk individueel molecuul dat door het apparaat gaat wordt uiteindelijk geteld, en zelfs een paar honderd moleculen kunnen zo een significant signaal vormen. Bij de monstervoorbereiding en ionisatie gaat echter nog een groot gedeelte van het monster verloren. Afhankelijk van de techniek die gebruikt wordt om de massaseparatie uit te voeren kan het ook nog zo zijn dat tijdens een enkele meting slechts ionen van één bepaalde massa kunnen worden geteld, en alle andere ionen verloren gaan. Voor het maken van een volledig spectrum zijn dan een aantal tientallen tot honderdtallen metingen nodig, en daarom ook meer monster.

Al deze verliezen in ogenschouw genomen zijn normaal gesproken femtogrammen tot picogrammen van een stof nodig om een massaspectrum op te nemen.

Fragmentatie

In een eenvoudige massaspectrometer wordt vaak een enkele quadrupool analysator gebruikt, maar zeker wanneer men geïnteresseerd is in fragmentatie en een zachte ionisatiemethode wordt toegepast, worden vaak meertraps instrumenten ingezet. Men refereert naar die techniek als MS-MS, of ook wel MSⁿ met n=2 of 3 of 4.

Fragmentatie is van groot belang voor de identificatie van het monster. Verschillende somformules kunnen eenzelfde molecuulmassa geven. Zo geven bijvoorbeeld C₄H₁₀ en C₃H₆O beide een molecuulmassa van 58. Tenzij men een instrument met een zeer grote resolutie heeft kan men het onderscheid tussen de twee somformules niet maken (zie echter onder isotopenverhouding, later). Maar zelfs als de somformule vastligt, is het mogelijk dat er meerdere isomeren zijn. Het onderscheid tussen butaan, methyl-propaan, aceton en propanal, allen met een molecuulmassa van 58 kan echter met behulp van fragmentatie eenvoudig worden bepaald.

Fragmentatie in een massaspectrometer kan optreden bij de ionisatie wanneer deze hard is zoals bij een elektronen-bombardement. Alternatief kan men een klein kamertje in het instrument opnemen waar de ionen met een inert gas (vaak argon) kunnen botsen, en daardoor kunnen fragmenteren.

Bij een fragmentatie breekt normaal gesproken een enkele chemische binding in het molecuul. Wanneer in het massaspectrum van een stof met een molecuulmassa van 58 een piek optreedt bij een massa van 29 is het blijkbaar mogelijk dat het molecuul precies in tweeën breekt. Dat sluit aceton als mogelijke kandidaat uit. Op deze manier kan men aan de hand van fragmentatie een preciesere uitspraak doen over de identiteit van het monster.

Mochten de pieken in het massaspectrum niet voldoende informatie geven om het monster uniek te identificeren, dan kan men in een MS-MS instrument een verder fragmentatie-experiment uitvoeren: men kan in de eerste MS stap het fragment met een massa van 29 selecteren, en dat fragment opnieuw laten botsen met een inert gas om opnieuw fragmentatie de induceren. In het tweede instrument kan men dan een tweede orde fragment-spectrum maken om te zien wat de identiteit van het fragment-ion met massa 29 is.

Isotopenverhouding

Veel chemische elementen hebben meerdere natuurlijk voorkomende isotopen. Normaal gesproken kan men in de scheikunde geen chemische verschillen waarnemen tussen moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling (alleen het kinetisch isotoop effect). In de massaspectrometrie is het verschil tussen isotopen echter eenvoudig te zien: de massa van verschillende isotopen verschilt ongeveer een geheel aantal massa-eenheden. Verder is het zo dat men bij veel eigenschappen die voor de isotopen een klein verschil vertonen een gemiddelde meet wanneer meerdere isotopen voorkomen. Bij massaspectrometrie kijkt men naar elk molecuul individueel, en kan daardoor de individuele isotoopsamenstelling in elk molecuul zien.

Eén van de isotopen die in de massaspectrometrie van organische chemische verbindingen een grote rol speelt is ¹³C, dat 1.1% van de natuurlijke koolstof vormt. Een molecuul methaan met ¹²C en 4 waterstof atomen heeft een molecuulmassa van 16, maar 1.1% van alle methaan moleculen bevat een ¹³C atoom en heeft een massa van 17: een klein piekje naast de belangrijkste moleculaire piek. Voor butaan, C₄H₁₀ zijn er vier koolstofatomen, en is de kans ruwweg 4.4% dat één van de koolstofatomen een ¹³C atoom is: een klein piekje bij een massa van 59 naast de moleculaire piek op 58. Op deze manier kan men voor organische stoffen het aantal koolstofatomen tellen, en kan het onderscheid worden gemaakt tussen propanal en butaan: ze hebben allebei een massa van 58, maar propanal heeft drie, en butaan vier koolstofatomen.

Andere veel voorkomende isotopen zijn ¹⁸O (0.2% twee eenheden boven de normale ¹⁶O) en ³⁵Cl en ³⁷Cl, met een verhouding van 2:1.

Wanneer de isotopen van een element erg ingewikkeld worden kan dit het interpreteren van een massaspectrum bemoeilijken: lood is daarvan een voorbeeld met drie natuurlijk stabiele isotopen die, afhankelijk van de oorsprong van het erts, in verschillende verhoudingen kunnen voorkomen.

Men kan isotoopverhoudingen die verschillen tussen de verschillende mijnen ook gebruiken wanneer men de oorsprong van een materiaal zoekt. Massaspectrometrie is gevoelig genoeg om zelfs van elementen die slechts in miniscule hoeveelheden in een monster voorkomen te kunnen vaststellen wat de isotopenverhouding is. Voor de beste gevoeligheid gebruikt men voor zo'n massaspectrum een ionisatiemethode die de moleculen in het monster helemaal opbreekt in atomaire ionen; zo'n techniek is het inductief gekoppeld plasma (Engelse afkorting ICP; men spreekt over ICP-MS).

Een heel ander doel van het bepalen van nauwkeurige isotoopverhouding is het bepalen van geologische tijdschalen: radio-actief verval zorgt ervoor dat het voorkomen van verschillende isotopen afhangt van de leeftijd van het monster. Een voorbeeld is koolstof 14 datering.

Andere toepassingen

Een aantal toepassingen van de massaspectroscopie zijn inmiddels aan de orde geweest:

• Het bepalen van een molecuulstructuur.
• Het bepalen van de oorsprong van een erts.
• Datering van monsters