Český lékopis 1997

2.2.43 Hmotnostní spektrometrie

2000

Hmotnostní spektrometrie je metoda založená na přímém měření hodnoty poměru hmotnosti a nábojového čísla (m/z) (počtu kladných a záporných iontů v plynné fázi vzniklých po ionizaci analyzované látky). Tento poměr je vyjadřován v atomových hmotnostních jednotkách (1 a.h.j. je jedna dvanáctina atomové hmotnosti izotopu uhlíku 12C) nebo v daltonech (1 Da je hmotnost vodíkového atomu).

Ionty produkované v iontovém zdroji přístroje jsou akcelerovány, a pak separovány v analyzátoru a následně detegovány v detektoru. Veškeré tyto procesy probíhají v uzavřeném prostoru, ve kterém je systémem pump udržováno vakuum 10-3 Pa až 10-6 Pa.

Ve výsledném hmotnostním spektru je vynesen relativní nadbytek r ůzných druhů přítomných iontů jako funkce poměru m/z. Signál příslušející určitému iontu je obvykle reprezentován několika píky odpovídajícími statistickému zastoupeni jednotlivých izotopů ve struktuře iontu. charakteristický soubor izotopických píků tvoří izotopický profil charakteristický pro danou strukturu. Pík reprezentující nejvíce zastoupený izotop daného atomu je nazýván monoizotopický pík.

Informace získané hmotnostní spektrometrií jsou kvalitativní (určení molekulové hmotnosti, informace o struktuře z pozorovaných fragmentových iontů) nebo kvantitativní (s použitím vnitřních nebo vnějších standardů) s dosahovanými detekčními limity řádu pikomolů až femtomolů.

Dávkování vzorku

Prvním krokem při analýze je nedávkování vzorku bez přílišného narušení vakua přístroje. Při obecné metodě tzv. přímého dávkování je roztok vzorku ve vhodném rozpouštědle s pomocí sondy přímého vstupu vnesen do prostoru iontového zdroje (v křemenném kelímku, na vlákně nebo na kovové destičce). Systém vakuových uzávěrů zajišťuje postupné snižování tlaku při zasouváni sondy, odpaření rozpouštědla mimo prostor iontového zdroje a vylučuje přímou expozici iontového zdroje atmosférickému tlaku.

Jiné způsoby dávkování umožiiují s využitím vhodného zařízení vzájemně separovat komponenty vzorku před vstupem do hmotnostního spektrometru:

Plynová chromatografie/hmomostní spektrometrie (GC-MS) - při použití vhodných kapilárních nebo mikronáplňových kolon je možno konec kolony umístit přímo do prostoru iontového zdroje bez nutnosti použití separátoru nosného plynu.

Kapalinová chromatografie/hmotnostní spektrometrie (LC-MS) - tato kombinace je obzvláště vhodná pro analýzu polárních, málo těkavých sloučenin a látek tepelně nestálých, které není možno analyzovat kombinací GC-MS. Spojení je komplikováno obtížemi při ionizaci z kapalné fáze. Mezi kapalinový chromatograf a hmotnostní spektrometr je nutno zařadit některé z dále uvedených rozhraní:

Ostatní typy rozhraní (elektrosprej, termosprej, chemická ionizace za atmosférického tlaku) jsou ve své podstatě ionizačními technikami a jsou dále popsány v odstavci věnovaném způsobům ionizace.

Chromatografie s nadkritickou fází/hmotnostní spektrometrie (SFC-MS) - mobilní fáze je většinou tvořena oxidem uhličitým udržovaným při nadkritické teplotě a tlaku. Průchodem přes vyhřívaný restriktor, který je umístěn mezi kolonou a iontovým zdrojem dochází k jejímu převedení do plynné fáze.

Kapilární elektroforéza/hmotnostní spektrometrie (CE-MS) - nosný elektrolyt s komponentami vzorku je přes vhodné rozhraní veden do hmotnostního spektrometru. K zajištění účinného transportu analyzovaných látek i při extrémně malých průtocích nosného elektrolytu separační kapilárou (řádu několika mikrolitrů za minutu) je často využíván tok pomocné kapaliny přidávané za výstupem separační kolony. Využitelnost CE-MS je do značné míry limitována velmi malým množstvím dávkovaného vzorku a nutností použití těkavých nosných elektrolytů.

Způsoby ionizace

Ionizace nárazem elektronu (EI) - vzorek převedený do plynné fáze je ionizován proudem elektronů, jejichž kinetická energie (obvykle 70 eV) je vyšší než ionizační energie analyzovaných molekul. Ve spektru je možno kromě molekulárního iontu M+ pozorovat i ionty fragmentové, které jsou charakteristické pro strukturu pozorovaných molekul. Tato technika EI ionizace je hlavně limitována nutností převedení vzorku do plynné fáze a nehodí se pro látky polární, tepelně nestálé nebo vysokomolekulární. EI ionizace je vhodná pro spojení s plynovou chromatografií/hmotnostní spektrometrií, v některých případech s kapalinovou chromatografií.

Chemická ionizace (CI) - tento způsob ionizace využívá pro přenos energie na ionizovanou molekulu vzorku tzv. reakčního plynu (methan, amoniak, oxid dusnatý a dusičitý nebo kyslík). Pro hmotností spektrum po chemické ionizaci je v závislosti na použitém reakčním plynu charakteristická přítomnost kvazimolekulárního iontu typu (M + H)+, (M - H)-, nebo popřípadě aduktových iontů vznikajících mezi vzorkem a použitým plynem. Ve srovnání s EI ionizací je obecně produkováno méně fragmentových iontů. Pro ionizaci tepelně nestálých látek je využívána varianta desorpční chemické ionizace, kdy vzorek nanesený na žhavené kovové vlákno je velmi rychle odpařen vlivem Joule-Thomsonova jevu.

Ionizace nárazem urychlených neutrálních atomů a nebo iontů (FAB fant atom borbardment, LSIMS-liquid secondary ion mass Spektrometry) - vzorek r ozpuštěný ve viskózní netěkavé matrici (např. glycerin) je nanesen na kovovou destičku a ionizován proudem urychlených neutrálních atomů (např. argonu, xenonu a nebo cesiových iontů). Při ionizaci vznikají ionty typu (M + H)+, (M - H)-, nebo ionty aduktů s vlastním vzorkem nebo matricí. Tento způsob ionizace je vhodný pro polární a tepelně nestálé látky, umožňuje i ionizaci makromolekul do hmotnosti asi 10 kDa. Pokud jsou do mobilní fáze přidány 1 % až 2 % glycerolu, je tato technika ionizace kompatibilní s kapalinovou chromatografií. Průtok mobilní fáze musí být velmi nízký, řádově jednotek μl/min. Technika FAB ionizace rovněž umožňuje analýzu látek separovaných tenkovrstvou chromatografií přímo na separační destičce, která je po nanesení tenké vrstvy matrice vložena do iontového zdroje.

Ionizace a desorpce polem (FI, FD) - vzorek převedený do plynné fáze je ionizován elektrickým polem o vysoké intenzitě v blízkostí wolframové elektrody pokryté mikrojehličkami (emitoru) (ionizace polem) nebo je vzorek nanesen na emitor (desorpce polem). K ionizaci vzorku dochází po vložení napětí mezi emitor a protielektrodu (asi 10 kV) přímo z fáze pevné. techniky FI a FD, produkující především molekulární a kvazimolekulární ionty typu M+ a (M + H)+, jsou využívány pro ionizaci málo polárních a tepelně nestálých látek.

Ionizace desorpcí laserem v přítomnosti matrice (MALDI) - vzorek ve vhodné matrici je nanesen na kovovou destičku a ionizován zářením pulzního laseru (oblast vlnových délek od UV do IČ, délka trvání pulzu od pikosekund až k nanosekundám). Tento způsob ionizace hraje klíčovou roli při analýze makromolekulárních látek s hmotností až 100 kDa a je používán nejčastěji ve spojení s průletovými hmotnostními analyzátory (TOF).

Elektrosprej (ES) - ionizace probíhá za atmosférického tlaku. Vzorky v roztoku jsou přiváděny do iontového zdroje kovovou kapilárou na jejíž konec je vloženo napětí asi 5 kV. Kapalina je rozprášena vlivem nehomogenního elektrického pole, vytvořený sprej je rychle desolvatován protiproudem horkého inertního plynu. Látky disociované v roztoku přecházejí v iontové formě přímo do plynné fáze. V závislosti na povaze analyzovaných látek jsou produkovány jednou a nebo vícenásobně nabité ionty. Průtoková rychlost kapalné fáze přicházející do elektrospreje se pohybuje v rozmezí několika μl/min až 1 ml/min. Tato technika ionizace je vhodná pro analýzu polárních, vysokomolekulárních látek do molekulových hmotností až 100 kDa. Může být spojena s kapalinovou chromatografií nebo kapilární elektroforézou. Chemická ionizace za atmosférického tlaku (APCI) - vzorek v kapalné fázi je rozprášen rychlým ohřevem a proudem inertního plynu. ionizace probíhá za atmosférického tlaku působením dostatečně intenzívního elektrického pole v okolí elektrody udržované na potenciálu několika kV a vystavené proudu spreje. Produkované ionty jsou většinou jednou nabité, typu (M + H)+, (M - H)- v závislosti na podmínkách ionizace. průtoková rychlost kapalné fáze může dosahovat až 2 ml/min, proto je technika ionizace ideální pro spojení s kapalinovou chromatografií.

Termosprej (TS) - Vzorek v mobilní fázi obsahující vodu, organické r ozpouštědlo a těkavý elektrolyt (nejčastěji octan amonný) je rozprášen průchodem kovovou kapilárou za kontrolované teploty, jejíž konec je zahříván na teplotu nad bodem varu kapalných složek roztoku. K vlastní ionizaci dochází při desolvataci vytvořeného spreje kombinovaným působením povrchového elektrostatického náboje a přítomného elektrolytu. Přijatelná průtoková rychlost kapalné fáze přicházející do termospreje se může pohybovat v rozmezí 1 ml/min až 2 ml/min. Ionty elektrolytu ionizují analyzované složky. V případě čistě organického rozpouštědla může být produkce iontů nahrazena nebo podpořena působením elektrického výboje asi 800 V. Tato technika ionizace je kompatibilní ve spojení s kapalinovou chromatografií/hmotnostní spektrometrií.

Analyzátory

Rozdíly v účinnosti hmotnostních analyzátorů jsou v zásadě dány dvěma parametry:

- rozsahem, ve kterém mohou být měřeny poměry m/z, tj. hmotnostním rozsahem,

- rozlišovací schopnosti, definovanou pro separaci dvou iontů stejné intenzity, poskytující píky s 10% překrytím, s poměry m/z lišícími se o ΔM, např. rozlišovací schopnost (M/ΔM) je 1000 s 10% překrytím, umožní rozdělit poměry m/z na 1000 a 1001 s 10% odezvou nad základní linií. Ostatně, v řadě případů (např. v kvadrupolových analyzátorech, průletových analyzátorech a iontových pastí) je rozlišovací schopnost často definována podílem molekulové hmotnosti iontu pozorovaného píku a jeho šířky v polovině jeho výšky.

Magnetické a elektrostatické analyzátory - ionty produkované v iontovém zdroji jsou urychlovány napětím V a (v závislosti na konfiguraci přístroje) fokusovány na vstup magnetického analyzátoru (magnetická indukce B) nebo elektrostatického analyzátoru (elektrostatické pole E). V magnetickém poli ionty opisují dráhu o poloměru r danou Laplaceovou rovnicí:

m/z = B2 r2 ,
2V

Aby ionty rozdílné hmotnosti dopadly na fixní místo na detektoru, je nutno v průběhu měření periodicky měnit (skenovat) hodnoty B a nebo V. Obvyklé je skenování B při konstantní hodnotě V a nebo skenování V při konstantní hodnotě B. Za magnetickým analyzátorem je obvykle umístěn elektrostatický analyzátor (elektrický sektor), který disperguje svazek procházejících iontů podle kinetických energií a umožňuje tím podstatně zvýšit rozlišovací schopnost přístroje. Maximální r ozlišeni takto uspořádaného přístroje (tzv. dvousektorového) dosahuje hodnot 10 000 až 150 000 a v mnoha případech umožňuje stanovení hodnoty poměrů (m/z) s dostatečnou přesností určit elementární složení pozorovaných iontů. Maximální analyzovatelná hmotnost jednou nabitých iontů dosahuje hodnot v r ozmezí 2 kDa až 15 kDa. Některé ionty se mohou spontánně (netastabilní přechody) nebo zprostředkovaně (kolizemi s molekulami plynné látky v tzv. kolizní cele (kolizně aktivovaná disociace - CAD) rozpadat v prostorech bez vlivu elektrického a magnetického pole mezi zdrojem iontů a detektorem. pozorování těchto rozpadů je velmi užitečné pro určení struktury látky, stejně tak pro charakterizaci specifické složky ve směsi bez předchozího dělení. Studium tohoto typu rozpadu je často realizováno s pomocí tandemové hmotnostní spektromerie. Existuje několik technik v závislosti na místě rozpadu:

- mód dceřinných iontů (určení fragmentačních cest vybraného tzv. r odičovského iontu): B/E je konstantní, (MIKES - Mass-analysed ion Kinetic spectroscopy),

- mód rodičovských iontů (určení všech iontů, které při svém rozpadu poskytnou ion o specifickém poměru m/z): B2/E je konstantní,

- mód neutrálních ztrát (detekce všech iontů odštěpujících stejný neutrální fragment): B/E(1-E/E0)1/2 je konstantní, v němž E0 je základní napětí vkládané na elektrický sektor.

Kvadrupolové filtry - jsou tvořeny čtyřmi paralelními kovovými tyčemi kruhového nebo hyperbolického průřezu. Jsou uspořádány symetricky vzhledem k trajektorii procházejících iontů, tyče orientované proti sobě jsou elektricky propojené. Potenciály vkládané na oba protější páry jsou opačné a sestávají ze stejnosměrné a střídavé složky. Ionty různých hmotností produkované v iontovém zdroji jsou postupně propouštěny přes kvadrupol změnou velikostí vkládaných napětí (poměr stejnosměrné a střídavé složky zůstává konstantní). běžný rozsah hmotností analyzovatelných iontů leží v rozsahu 1 až 2000 a.h.j., v závislosti na provedení může dosahovat maximální hodnoty až 4000 a.h.j. Kvadrupolový filtr dosahuje obecně nižší rozlišovací schopnosti než magnetický analyzátor, přesto však je možno získat monoizotopický profil jednou nabitých iontů v celém hmotnostním rozsahu. Kvadrupolové filtry je možno kombinovat a získat přístroje typu tandemových hmotnostních spektrometrů, kde jsou v sérii zařazeny tři kvadrupoly Q1, Q2 a Q3 (Q2 slouží jako kolizní cela a není pravým analyzátorem, nejčastěji používaným kolizním plynem je argon).

Nejběžnější způsoby skenování trojitého kvadrupolového přístroje jsou:

- mód dceřinných iontů: Q1 propouští vybraný r odičovský ion, který fragmentuje v kolizní cele Q2. produkty rozpadu (dceřinné ionty) jsou analyzovány v Q3.

- mód rodičovských iontů: Q3 propouští pouze ion o vybraném m/z, neboť Q1 skenuje daný hmotnostní r ozsah. Pouze ionty rozpadající se na vybraný fragment jsou detegovány.

- mód neutrálních ztrát: Q1 a Q3 jsou skenovány přes určitý hmotnostní rozsah s posunem odpovídajícím hmotnostní diferenci při odštěpení vybraného neutrálního fragmentu charakteristického pro produkt nebo pro určitou třídu látek.

Hmotnostní spektra je možno získat i s pomocí přístrojů kombinujících kvadrupolové filtry s magnetickými analyzátory nebo elektrostatickými sektory. Tyto přístroje označujeme jako hybridní hmotnostní spektrometry.

Iontová past - je funkční obdobou kvadrupolových filtrů s vytvářeným uzavřeným elektrostatickým polem. Iontová past umožňuje získat trojrozměrná spektra iontových produktů přes několik generací dceřinných iontů (MS").

lon-cyklotronová rezonance (ICR) - ionty vystavené homogennímu magnetickému poli o dostatečně velké intenzitě, se pohybují po uzavřených kruhových drahách. Jejich úhlovým rychlostem je možno s využitím algoritmu fourierovy transformace přiřadit příslušné hodnoty m/z Tento jev se nazývá ioncyklotronová rezonance. Analyzátory tohoto druhu tvořené supravodivými magnety dosahují extrémně vysoké rozlišovací schopnosti (do 1 000 000 a výše) a umožňují provádět experimenty (MS"). Zásadním požadavkem funkce ICR analyzátorů je velmi nízké vakuum řádu 10-7 Pa.

Průletové analyzátory (TOF) - ionty produkované v iontovém zdroji jsou akcelerovány napětím V v rozsahu 10 kV až 20 kV. Pak procházejí analyzátorem tvořeným tzv. letovou trubicí o délce 25 cm až 150 cm bez vlivu elektrického a magnetického pole. Doba průletu t iontu letovou trubicí k detektoru je přímo úměrná odmocnině z poměru m/z. Teoreticky je hmotnostní rozsah TOF analyzátoru neomezený, praktické limitace jsou dány typem použitého iontového zdroje (metodou ionizace nebo desorpce). TOF analyzátory jsou využívány zejména při analýze makromolekulárních látek do hmotnosti až několika set kDa. Hmotnostní spektrometry využívající TOF analyzátory jsou velmi citlivé (pro analýzu jsou postačující množství řádově jednotek pikomolů). Přesnost měření a dosažitelné rozlišení je možno výrazně zvýšit použitím elektrostatického zrcadla (reflektronu).

Sběr dat

V zásadě existují tři způsoby získávání dat.

Mód kompletního spektra - je zaznamenáván veškerý signál získaný ve zvoleném rozsahu hodnot m/z. Hmotnostní spektrum zobrazuje relativní intenzity různých druhů iontů jako funkci m/z. Získané výsledky jsou v zásadě kvalitativní. Pro rychlou identifikaci struktury reprezentované získaným hmotnostním spektrem je možno využít počítačového porovnání s referenčními knihovnami spekter.

Fragmentometrický mód [monitorování vybraného iontu - SIM (single-ion monitoring), monitorování více vybraných iontů - MIM (multiple-ion monitoring)] - je zpracován pouze signál příslušející iontu o vybraném m/z, popřípadě několika vybraným iontům charakteristickým pro zkoušenou látku. S využitím tohoto způsobu sběru dat, využívaného často pro účely kvantitativní analýzy, je možno podstatně snížit detekční limit metody. Kvantitativní nebo semikvantitativní stanovení je možno provádět s použitím interních a externích standardů (např. deuterovaných standardů). Tento typ měření není možno provádět s TOF analyzátory.

Fragmentometrický MS-MS mód (multiple reaction monitoring-MRM) - je možno specificky sledovat unimolekulární nebo bimolekulární rozpad iontů vybraného prekurzorového iontu charakteristického pro analyzovanou látku. Díky vysoké selektivitě, specifičnosti a citlivosti je tento mód mimořádně vhodný pro kvantitativní studie s použitím vhodných vnitřních standardů (např. deuterovaných standardů). Tento druh analýz je možno provádět pouze na tandemových hmotnostních spektrometrech, přístrojích s iontovou pastí nebo ICR analyzátorem.

Kalibrace

Kalibrace umožňuje přiřadit detegovanému signálu správnou hodnotu m/z. Obecně se kalibrace provádí s pomocí vhodné porovnávací látky. Je možno provádět kalibraci externí (odděleně od vlastního měření) nebo interní (kdy je porovnávací látka přidána přímo do analyzovaného vzorku. Počet iontů nebo bodů nutných pro spolehlivou kalibraci závisí na druhu použitého analyzátoru a na požadované přesnosti měření. Např. v případě magnetických analyzátorů, kdy hodnota m/z závisí exponenciálně na magnetické indukci, je nutno kalibrovat na maximální počet bodů.

Detekce signálu a zpracování výsledků

Ionty separované v analyzátoru, fokusované na detektor typu fotonásobiče a nebo elektronásobiče, poskytují elektrický signál úměrný jejich dopadajícímu počtu. Signál je dále zesílen, digitalizován a zpracován v počítači. S pomocí vhodného programového vybavení jsou kromě sběru dat zajištěny další nezbytné funkce, jako je kalibrace, rekonstrukce spekter, automatická kvantifikace, archivování a strojové vyhodnoceni spekter. Počítač kontroluje i důležité parametry související s chodem a nastavením hmotnostního spektrometru.