spektrometrija masa (engl. mass spectrometry, MS), instrumentalna analitička tehnika kojom se određuje sastav i struktura tvari mjerenjem zastupljenosti prethodno ioniziranih atoma i molekula u plinskoj fazi i razdvajanjem prema vrijednostima m/z, bezdimenzijskoj veličini definiranoj omjerom relativne atomske mase (ili molekulske) i nabojnoga broja pripisanoga pojedinom ionu.
Spektrometar masa
Spektrometar masa uređaj je koji se rabi u spektrometriji masa za utvrđivanje iznosa i vrste atoma ili molekula prisutnih u uzorku (→ spektrometrijski instrumenti). Uređaj radi u visokome vakuumu radi sprječavanja kolizije iona i molekula, sastoji se od četiri osnovna dijela: sustava za unošenje uzorka, ionskog izvora koji stvara ione svojstvene ispitivanom uzorku ionizacijom neutralne molekule izbijanjem elektrona, protoniranjem, deprotoniranjem, nastajanjem adukata (→ kompleksni spojevi) ili prijenosom nabijene vrste u plinsku fazu i u električnom ih polju ubrzava, analizatora kojega se rad zasniva na uporabi električnog ili magnetskog polja koje savija putanje različitih iona i tako ih razdvaja na temelju omjera njihove relativne atomske ili molekulske mase i nabojnoga broja (m/z), te detektora u kojem se razdvojeni ioni skupljaju i karakteriziraju. Detektiraju se samo ioni (električki nabijene čestice), dok se električki neutralne čestice uklanjaju prije dosezanja detektora. Kao detektori se najčešće rabe fotomultiplikatori radi pojačavanja mjernoga signala. Mijenjanjem jakosti električnog ili magnetskog polja mogu se registrirati ioni različitih masa, čime nastaje spektar masa karakterističan za određeni kemijski spoj.
U analizi složenih smjesa spektrometar masa izravno se povezuje s plinskim ili tekućinskim kromatografom (→ kromatografija), u kojem se sastojci smjese, prije analize, najprije razdvajaju (engl. liquid chromatography – mass spectrometry: metoda spektrometrije masa u kojoj je spektrometar masa povezan s tekućinskim kromatografom, akronim LC-MS). Tandemna spektrometrija masa (MS/MS, MS²) obuhvaća različite tehnike spektrometrije masa u kojima se ion određene vrijednosti m/z podvrgava dodatnoj analizi (npr. liquid chromatography – tandem mass spectrometry, akronim LC-MS/MS).
Povijest spektrometrije masa
Otkriće spektrometrije masa vezano je uza zapažanja u elektronskim cijevima potkraj XIX. st. Njemački fizičar Eugen Goldstein (1850–1930) primijetio je 1886. da zbog snopa pozitivno nabijenih čestica koje nastaju u elektronskoj cijevi i šire se od anode kroz rupičastu katodu, staklo iza nje svjetluca. Zaključio je da osim elektrona što se gibaju od katode prema anodi (katodno zračenje) postoji još jedna vrsta zračenja koje se širi u suprotnome smjeru, od anode prema katodi. Kako te zrake prolaze kroz kanale u katodi, nazvao ih je kanalnim zrakama (njem. Kanalstrahlen). Istražujući otklon katodnih i kanalnih zraka u električnom i magnetskom polju, Wilhelm Wien utvrdio je prirodu tih zraka, tj. da se prve sastoje od elektrona, a druge od pozitivnih iona, pa su njegova istraživanja bila temelj razvoja spektrometrije masa. Uvidio je da potonje imaju svojstva poput čestica pozitivnog električnog naboja te zaključio da su to pozitivni ioni plina zaostaloga u cijevi, a 1898. ustanovio je kako najveći omjer električnoga naboja i atomske mase imaju kanalne zrake koje nastaju u elektronskim cijevima s vodikom (danas se zna da je bila riječ o protonima). Konstruirao je uređaj (1899) koji se sastojao od međusobno okomitog električnog i magnetskog polja i razdvajao pozitivne ione na temelju omjera njihova električnoga naboja i atomske mase. Uređaj je unaprijedio Joseph John Thomson primijenivši fotografsku ploču kao detektor i konstruirao prvi spektrograf masa na Sveučilištu u Cambridgeu (1912) te dobio prvi spektar masa (ugljikova monoksida). Objavom djela Zrake pozitivnog elektriciteta i njihova primjena u kemijskim analizama (Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analyses, 1913) nastojao je privući pozornost što većega broja kemičara prema spektrometriji masa.
Kanadsko-američki fizičar Arthur Jeffrey Dempster (1886–1950) i Francis William Aston konstruirali su početkom XX. st. prve prototipove suvremenih spektrometara masa i dokazali da je većina kemijskih elemenata smjesa dvaju ili više izotopa. Aston je 1919. na svom uređaju dokazao da dvije komponente u neonu, koje je otkrio Thomson, pripadaju izotopima tog elementa s relativnim atomskim masama 20 i 22; Dempster je 1918. objavio otkriće izotopa magnezija, a potom dušika, litija, kalija, kalcija, cinka (1920–22) i uranija 235U (1935).
Razvojem analitičke spektrometrije masa stvorena je čvrsta osnovica za njezinu primjenu u kemiji, biotehnologiji, fizici, farmaciji i medicini. Rabe se različite vrste analizatora masa, a širu primjenu našli su analizator s dvostrukim fokusiranjem (uz magnetski analizator sadržava i električni sektor) koji su 1936. konstruirali A. J. Dempster, američki fizičar Kenneth Tompkins Bainbridge (1904–96) te austrijski fizičari Josef Mattauch (1895–1976) i Richard Herzog (1911–99), kvadrupolni analizator koji se sastoji od četiri elektrode postavljene paralelno s ionskim snopom (→ kvadrupol), a 1953. patentirali su ga njemački fizičari Wolfgang Paul i Helmut Steinwedel (1921–2004), te analizator na temelju vremena leta (engl. time of flight, akronim TOF). U analizatoru TOF-u ioni ulaze u vremenski strogo upravljanim pulsovima u evakuiranu ravnu cijev i iz nje izlijeću nakon različita vremena te udaraju u detektor, a konstruirali su ga 1948. američki kemičari Angus Ewan Cameron (1906–81) i David Frank Eggers (1922–95) pod nazivom Velocitron na temelju koncepta koji je prethodno (1946) predstavio američki fizičar William Edwards Stephens (1912–80). Za otkriće ionske stupice, analizatora u spektrometru masa kojim se ioni mogu zadržati u određenom prostoru unutar elektromagnetskoga polja, Hans Georg Dehmelt, W. Paul te Norman Foster Ramsey dobili su 1989. Nobelovu nagradu za fiziku. Prvi spektrometar masa povezan s tekućinskim kromatografom konstruiran je 1974.
U Hrvatskoj je 1959. u Laboratoriju za kemijsku kinetiku (poslije Laboratorij za kemijsku kinetiku i atmosfersku kemiju) Instituta Ruđer Bošković postavljen prvi spektrometar masa, magnetski sektorski instrument niskog razlučivanja, proizveden u Institutu Jožef Štefan u Ljubljani. Na tom su instrumentu mjerenja za prve doktorske disertacije iz područja spektrometrije masa dijelom izradili Leo Klasinc (1963) i Duško Štefanović (1968).
Primjena spektrometrije masa
Spektrometrija masa primjenjuje se za vrlo točno određivanje atomskih i molekulskih masa, elementarnoga sastava i bruto-formule kemijskih spojeva (stehiometrijski odnos pojedinih elemenata u molekuli), izotopnoga sastava i strukture njihovih molekula, tragova primjesa, u analizi ionskih i radikalskih reakcija u plinovitoj fazi, prijelaznoga stanja, pojave ionizacije i dr. Spektrometri masa rabili su se i u preparativne svrhe kada je 1942. Ernest Orlando Lawrence dizajnirao uređaj kalutron, industrijsko postrojenje za razdvajanje izotopa uranija s pomoću spektrometra masa, a rabljen je tijekom Projekta Manhattan.
Spektrometrija masa rabi se u određivanju struktura bioloških makromolekula. Omogućuje identifikaciju velikih molekula poput proteina (→ bjelančevine), što se pokazalo važnim i u ranom otkrivanju malarije i nekih vrsta tumora. Prvi je spektar masa cijelog proteina (inzulina) dobiven 1982. bombardiranjem brzim atomima (engl. fast atom bombardment, akronim FAB) što je bilo presudno u dobivanju spektara masa mnogih nehlapljivih i polarnih organskih spojeva većih relativnih molekulskih masa. Slično je bombardiranju brzim ionima, ali se ioni (najčešće ksenona ili argona) prije sudara s površinom uzorka provode kroz plinsku komoru i neutraliziraju se u brze atome.
U analizi bioloških molekula kao metode ionizacije rabe se ionizacija elektroraspršenjem (engl. electrospray ionization, akronim ESI), kemijska ionizacija (engl. chemical ionization, akronim CI) i matricom potpomognuta ionizacija laserskom desorpcijom (engl. matrix assisted laser desorption ionization, akronim MALDI). Njemački fizičar Franz Hillenkamp (1936–2014) i kemičar Michael Karas (r. 1952) otkrili su 1987. metodu MALDI koja se temelji na desorpciji analita prethodno ugrađenog u kristalnu strukturu molekula matrice (→ sorpcija). Metodu ionizacije elektroraspršenjem usavršio je John Bennett Fenn (1988). Za razvoj metoda za identifikaciju i strukturnu analizu bioloških makromolekula, Fenn i Koichi Tanaka dobili su 2002. Nobelovu nagradu za kemiju koju su podijelili s Kurtom Wüthrichom za primjenu nuklearne magnetske rezonancije u određivanju trodimenzijske strukture bioloških makromolekula.
U suvremenim se istraživanjima ukupnih bjelančevina nekog organizma (proteoma) često rabi analizator masa s orbitalnom ionskom stupicom Orbitrap (engl. orbital ion trap: orbitalna ionska stupica) koji je 1999. izumio ruski fizičar Aleksandr Aleksejevič Makarov. Sastoji se od vanjske elektrode podijeljene u dva dijela i unutarnje vretenaste elektrode oko koje se ioni gibaju i zarobljeni su zbog elektrostatskog privlačenja što ga ostvaruju s unutarnjom elektrodom. Ioni kruže oko vretenaste elektrode u eliptičnim putanjama, a također se pomiču i naprijed-natrag uzduž osi vretenaste elektrode te u konačnici njihovo gibanje u prostoru sliči zavojnicama. Frekvencija titranja iona ovisi o omjeru m/z za pojedini ion, a vrijednosti se dobivaju Fourierovom transformacijom signala.
