Hvordan fungerer et massespektrometer og hva er dets viktigste komponenter?

Massespektrometri er en viktig teknikk for å analysere atomare og molekylære strukturer ved å måle massen og sammensetningen av ioniserte partikler. Alle massespektrometre, til tross for de mange variantene og tilpasningene, har noen grunnleggende komponenter som er nødvendige for at de skal kunne fungere effektivt. Disse komponentene kan beskrives som følger:

Et massespektrometer består av fire hoveddeler: 1) et prøveinntakssystem, 2) et ioniseringssystem, 3) et elektrostatisk akselerasjonssystem, og 4) et deteksjons- og opptakssystem. For at systemet skal fungere riktig, kreves et konstant høyt vakuum gjennom hele apparatet, fra inntakssystemet til detektoren.

Prøveinntakssystemet er den første viktige komponenten. Når massespektrometri hovedsakelig er begrenset til gasser, må alle væsker eller faste stoffer omdannes til gasser før de kan analyseres. Dette gjøres i inntakssystemet, som skal være i stand til å (a) fordampe prøven og (b) føre denne prøven inn i ioniseringskammeret med en konstant hastighet. Prøven blir plassert i et relativt stort reservoar, som kan varmes opp til 350-400°C for å fordampe eventuelle væskeprøver. For å sikre nøyaktighet i analysene er det viktig at hastigheten på prøvens forflytning fra inntakssystemet til ioniseringskammeret er presis. Denne presisjonen oppnås ved å opprettholde et trykk på 30 til 50 torr i inntakssystemet, og la prøven strømme gjennom et pinhull i et konstant tempo.

Ioniseringssystemet benytter en varm filament som genererer en elektronstråle som bomber prøvpartiklene i kammeret. Denne prosessen produserer forskjellige ioner, og de ionene som har samme masse og ladning, bør bevege seg med samme hastighet når de forlater denne delen av instrumentet. Et lavt trykk i ioniseringskammeret (mellom 10^-5 og 10^-1 torr) er nødvendig for å unngå kollisjoner og rekombinasjon av fragmentene som kan oppstå på høyere energinivåer.

Partiklene som ioniseres, går videre til akselerasjonssystemet. De ioniserte partiklene får en hastighet som er funksjonell for det elektriske feltet de passerer gjennom, og en retning som avhenger av det magnetiske feltet. For å oppnå et massetil-ladnings-forhold, m/e, er det et grid-system som fungerer som et akselererende nettverk, og skaper parallelle stråler av fragmentene mens de partikler som ikke følger riktig vei, blir filtrert ut.

Når partiklene har blitt akselerert, går de gjennom et magnetisk felt. Dette magnetiske feltet tvinger partiklene til å bevege seg i en krum bane. Radiusen til denne kurven, r, er avhengig av partikkelenes masse, den akselererende spenningen, elektronens ladning og styrken på det magnetiske feltet. Det er forholdet mellom m/e og radiusen til kurven som utgjør grunnlaget for massespektrometri. For et bestemt massetil-ladnings-forhold, m/e, vil alle partikler bli fokusert på detektoren ved et bestemt påført potensial, og partiklene som ikke passerer gjennom et gitt magnetisk felt, vil bli nøytralisert.

Detektorsystemet er den siste kritiske komponenten. Elektronmultipliserende detektorer er de vanligste i dag, og de kan registrere elektriske strømmer så lave som 10^-15 A. De fungerer på en lignende måte som fotomultipliserende rør, hvor elektronene som treffes av ionene, utløser en kaskade som forsterkes flere ganger før signalet blir samlet. Denne deteksjonsprosessen gjør det mulig å registrere massespekteret av prøven. For å oppnå et fullstendig massespektrum, vil deteksjonen skje gradvis: ved at akselerasjonspotensialet først påføres høyt for å fange små og raske partikler, og etterhvert som spenningen reduseres, vil større og langsommere partikler bli detektert.

I tillegg til de enkle massespektrometerne, finnes det instrumenter med dobbel fokus som gir en høyere oppløsning ved å redusere tap av oppløsning for partikler med liten forskjell i masse. Dette gjør at fragmenter med meget små massedifferanser kan skilles, noe som for eksempel er viktig for å skille mellom isotoper som har svært like masser, som CO og N2, som begge har en masse på 28, men som har veldig små forskjeller i deres eksakte masseverdier. Et dobbeltfokusert massespektrometer kan skille disse fragmentene med en oppløsning på omtrent 30 000.

En annen viktig utvikling er bruk av kvadrupol-massespektrometeret, som først ble brukt til å separere uranisotoper, men som nå også brukes i organisk massespektrometri, spesielt når det kombineres med en gass-kromatograf. I kvadrupol-massespektrometret blir ionene fokusert gjennom en kvadrupol-massfilter bestående av fire parallelle tunger som fokuserer ionene ved hjelp av en oscillerende og variabel radiofrekvent elektrisk felt. Denne metoden gjør massespekteret lineært i forhold til de påførte spenningene.

En nøkkelkomponent for nøyaktige og pålitelige resultater fra massespektrometri er det konstante vedlikeholdet av lavt trykk gjennom hele instrumentet. Trykket i de ulike kamrene må opprettholdes på spesifikke nivåer for å sikre at analysene ikke forstyrres av uønskede kollisjoner eller rekombinasjon av partikler.

Hvordan Atomfluorescens-Spektroskopi og Kemiluminescens Brukes i Miljø- og Biomedisinsk Analyse

I de siste årene har atomfluorescens-spektroskopi (AFS) og kemiluminescens-spektroskopi (CL) blitt viktige verktøy i analytisk kjemi. Disse teknikkene er ikke bare avgjørende for miljøovervåking og biomedisinsk analyse, men har også funnet applikasjoner innen toksikologi, kromatografi, immunoassay og biosensorer.

AFS, spesielt, har vist seg å være en effektiv metode for deteksjon og kvantifisering av et bredt spekter av elementer i forskjellige matrikser som luft, vann og ulike industrielle materialer. En av de tidligste kommersielt tilgjengelige AFS-instrumentene ble beskrevet av Stockwell og kolleger. Deres system brukte en pumpe for å introdusere gassprøver til et gullbelegget sandfang som konsentrerte analytten. Fanget ble deretter varmet opp til 500 °C, og argon ble brukt til å transportere analytten til et kaldt dampcelle, hvor fluorescensen ble detektert. Dette systemet kunne analysere luftprøver på bare 5 L, med en deteksjonsgrense på 10 pg. Dette gjør det til et utmerket verktøy for sporing av kvikksølv og andre sporstoffer i miljøet.

En annen viktig applikasjon for AFS er bestemmelsen av arsen og selen ved hjelp av hydridgenerering. I denne metoden reduseres arsen (V) til arsen (III) ved hjelp av jodid, og selen (VI) omdannes til selen (IV) med saltsyre. Denne prosedyren sikrer fullstendig volatiliseringsprosess for de aktuelle analysene, og god nøyaktighet er rapportert for disse analysene. Hydridgenerering har blitt brukt med kommersielle AFS-instrumenter for å bestemme arsen og selen i vannprøver, der analysene har gitt svært pålitelige resultater.

Kadmium er et annet element som kan analyseres effektivt ved AFS, selv om kadmium ikke danner et volatilt hydrid. Ebdon og kollegaer brukte en prosedyre der kadmium reagerer med natrium-tetraetylborat for å danne et flyktig kadmiumforbindelse. Dette forbundet dekomponeres deretter i en argon-hydrogen-flamme til elementært kadmium, som kan måles ved AFS. Denne metoden har en deteksjonsgrense på 23 ng/L og gir en lineær dynamisk rekkevidde på 3,5 ordens størrelsesorden.

Analysene av elementer i nikkellegeringer er også et viktig anvendelsesområde for AFS, og flere studier har vist hvordan teknikken kan brukes til å bestemme bly og tallium i disse legeringene. Direkte fastprøveanalyse (DFS) gir flere fordeler, som økt følsomhet og redusert risiko for kontaminasjon, ettersom prøven ikke trenger å oppløses før analyse. Fordelene med DFS-metoden inkluderer en mye bedre lineær dynamisk rekkevidde og fravær av bakgrunnsforstyrrelser fra prøve-matrisen sammenlignet med grafittovnsatomiabsorpsjonsspektroskopi (GFAAS).

I tillegg til AFS, har også kemiluminescens-spektroskopi blitt et nyttig verktøy, spesielt i miljøanalyse og biomedisinske applikasjoner. CL reagerer med kjemiske stoffer for å produsere lys, og intensiteten på dette lyset er proporsjonal med konsentrasjonen av de kjemiske artene som er involvert i reaksjonen. Dette gjør CL ideelt for kvantifisering av kjemiske stoffer i både gassfase og væskefase, og har blitt mye brukt siden 1970-tallet. For å oppnå sterk CL-emisjon kreves det en reaksjon som frigjør betydelig energi, vanligvis fra en redoksreaksjon, som kan føre til at produktet dannes i et elektronisk eksitert tilstand og deretter sender ut lys.

Kemiluminescens er svært følsom og har fordelen av å kunne gi svært lave deteksjonsgrenser. Dette er spesielt nyttig for analyse av lavt konsentrerte forbindelser i komplekse matrikser som miljøprøver. Luminol og peroksidoksalater er eksempler på systemer som kan brukes til å oppnå CL, selv om de er begrenset til én enkelt bruk på grunn av bondkløyving.

Det er imidlertid viktig å merke seg at CL-genererende reaksjoner krever nøye kontroll over reaksjonsbetingelsene. Hvis reaksjonen ikke er tilstrekkelig energetisk, kan det føre til lav fluorescens og redusert nøyaktighet i målingene. Dette er en utfordring som må tas i betraktning ved design og gjennomføring av slike analyser.

Det er videre viktig å forstå at både AFS og CL ikke er universelle løsninger. For hver applikasjon er det spesifikke krav til prøvetaking, prøvebehandling og instrumentkalibrering som må vurderes for å oppnå pålitelige resultater. Spesielt er interferenser fra andre metaller eller kjemiske forbindelser som kan tilstedeværende i prøvene, et vanlig problem. For eksempel kan overganger mellom metaller som kobber (Cu) og nikkel (Ni) skape bakgrunnsstøy i målingene som må elimineres, for eksempel ved bruk av sitronsyre for å maskere deres effekter.

I mange tilfeller kreves det også at prøvene behandles før analysen for å bryte ned matrisens interferens eller for å ekstrahere de relevante analyttene, som i tilfelle med fosforanalyse i nikkellegeringer. Den rette forberedelsen av prøven er ofte like viktig som selve analysen, og ulike metoder som mikrobølgeoppløsning kan være nødvendige for å oppnå nøyaktige resultater.

Endtext