Organická analýza - Hmotnostní spektrometrie (Analyzátory, Detektory, Vákuum)

6 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

6.2 Konstrukce hmotnostního spektrometru

• 6.2.2 Analyzátory

  • 6.2.2.1 Magnetický analyzátor (B)
  • 6.2.2.2 Elektrostatický analyzátor (ESA, E)
  • 6.2.2.3 Spektrometry s dvojitou fokusací
  • 6.2.2.4 Kvadrupól (Q)
  • 6.2.2.5 Sférická iontová past (3D-IT)
  • 6.2.2.6 Lineární iontová past (LIT)
  • 6.2.2.7 Průletový analyzátor (TIME-OF-FLIGHT, TOF)
  • 6.2.2.8 Iontová cyklotronová rezonance s Fourierovou transformací (FT-ICR)
  • 6.2.2.9 Orbitrap

• 6.2.3 Detektory

• 6.2.4 Vakuový systém

  • 6.2.4.1 Mechanické vývěvy

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Analyzátory

Pro rozdělení jednotlivých iontů podle jejich poměru hmotnosti a náboje m/z (označovaného též jako efektivní hmotnost) slouží analyzátory, které využívají čtyř základních fyzikálních principů:

1. odchýlení trajektorie v magnetickém a elektrickém poli (sektorové analyzátory)

2. oscilace v elektrickém poli vytvářeném kombinací stejnosměrného a vysokofrekvenčního střídavého napětí (kvadrupól, sférická iontová past, lineární iontová past)

3. měření doby letu (analyzátor doby letu)

4. absorpce energie při cykloidálním pohybu v elektrickém (orbitrap) nebo magnetickém poli (iontová cyklotronová rezonance)

Důležitou charakteristikou analyzátorů je rozlišení (resolution), které je definováno buď pomocí dvou píků hmotností m₁ a m₂ stejné výšky nacházejících se ve spektru vedle sebe s překryvem ve výši 10 %, nebo na základě jednoho píku pomocí jeho hmotnosti m a šířky píku ∆m, nejčastěji v polovině výšky (FWHM – Full Width at Half of Maximum). Pro gaussovské píky platí, že 𝑅𝐹𝑊𝐻𝑀⁄𝑅 = 1,8.

MAGNETICKÝ ANALYZÁTOR (B)

Magnetický analyzátor je tvořen výsečí homogenního magnetického pole generovaného elektromagnetem, které mění trajektorii iontů o určitý úhel. Ionty o hmotnosti m s nábojem z jsou před vstupem do analyzátoru urychleny elektrickým polem s napětím V.

2 THETA: Magnetický sektor

ELEKTROSTATICKÝ ANALYZÁTOR (ESA, E)

Elektrostatický analyzátor je tvořen dvěma sférickými deskovými elektrodami připojenými ke zdroji vysokého napětí V.

ANALYZÁTORY S DVOJITOU FOKUSACÍ

Většina iontových zdrojů generuje ionty s jistým rozptylem kinetických energií, takže pomocí magnetického analyzátoru nelze získat hmotnostní spektrum s vyšším rozlišením. Tento problém řeší zařazení elektrostatického sektoru (E) před magnetický analyzátor (B). Ve spektrometrech je používáno několik geometrií typu EB:

1. Geometrie Nier-Johnsonova používá 90° elektrostatický a 60° magnetický sektor, výstupní paprsek je stále zaostřen pro daný poloměr r. Geometrie je vhodná pro skenovací spektrometry.
2. Reverzní Nier-Johnsonova má magnetický sektor předřazený před elektrostatickým sektorem (geometrie BE).
3. Geometrie Mattauch-Herzogova používá 31,8° elektrostatický a 90° magnetický sektor. Výstupní paprsek je zaostřen do jedné fokální roviny pro všechny hmotnosti. Uspořádání je vhodné pro záznam spektra na fotografickou desku nebo pomocí multikanálového detektoru.
4. Geometrie podle Matsudy má 85° elektrostatický sektor následovaný 72,5° magnetickým sektorem. Pro speciální účely jsou využívány i vícesektorové analyzátory geometrie např. EBE, BEB, EBEB apod.

KVADRUPÓL (Q)

Kvadrupólový hmotnostní analyzátor byl poprvé popsán roku 1953 [30]. Konstrukčně je poměrně jednoduchý – je tvořen čtyřmi paralelními tyčemi kruhového nebo hyperbolického průřezu. Dráha letu iontů je v tomto analyzátoru ovlivňována pouze v rovině kolmé na tyče, ve směru rovnoběžně s tyčemi ionty uchovávají kinetickou energii udělenou jim před vstupem do kvadrupólu. Vždy dvě protilehlé tyče jsou vodivě spojeny a je na ně vkládáno radiofrekvenční napětí V se superponovanou stejnosměrnou složkou U; poměr těchto dvou napětí se při skenu udržuje konstantní. Kvadrupól pracuje jako filtr, kterým mohou projít jen ionty o určitém poměru m/z, přičemž propouštěná hmotnost (resp. m/z) je lineárně závislá na elektrickém potenciálu elektrod. Jeho změnou je tak umožněno jednoduché a rychlé skenování přes zvolený rozsah m/z. Funkci kvadrupólu si lze představit tak, že ionty po vlétnutí mezi tyče začnou v důsledku elektrostatického přitahování a odpuzování opisovat šroubovice. Průměr této šroubovice se buď nezvyšuje – tyto ionty jsou na stabilní trajektorii, procházejí kvadrupólem a dopadají na detektor, nebo se zvyšuje, a tyto ionty pak dopadnou na tyče kvadrupólu nebo prolétnou prostorem mezi nimi.

2 THETA: Schéma kvadrupólu.jpg

SFÉRICKÁ IONTOVÁ PAST (3D-IT)

Sférická iontová past (před objevem lineární iontové pasti označovaná pouze jako iontová past), někdy též kvadrupólová iontová past, byla navržena paralelně s kvadrupólem jako alternativní uspořádání elektrod [31]. Nicméně jako hmotnostně spektrometrický analyzátor začala být využívána až po objevu možnosti uvedení iontů na nestabilní trajektorie [32]. Kvadrupólová iontová past je tvořena třemi elektrodami s hyperbolickými povrchy; jedna je prstencová a dvě jsou krycí. Ty jsou opatřeny otvory pro vstup a výstup iontů. Vnitřní prostor iontové pasti uzavřený zmíněnými elektrodami je typicky poměrně malý – přes 1 ml. Na prstencovou elektrodu se vkládá základní radiofrekvenční napětí, které uvnitř pasti vytváří kvadrupolární elektrické pole. Na krycí elektrody je pak dle potřeby vkládáno pomocné radiofrekvenční napětí sloužící různým účelům. Do iontové pasti se kontinuálně přivádí malé množství helia, které slouží ke koliznímu chlazení po napuštění iontů nebo k jejich kolizní aktivaci v režimu tandemové hmotnostní spektrometrie.

Sférická iontová past se vyznačuje několika slabinami, které je zapotřebí mít na zřeteli při jejím využívání:

• Náchylnost ke vzniku prostorového náboje je dána malým vnitřním objemem tohoto zařízení.

• Efektivita záchytu iontů při napouštění je dosti malá – pouze asi 5 % iontů vstupujících do iontové pasti je zachyceno na stabilních trajektoriích.

• Při skenování by ionty měly opustit prostor iontové pasti výstupním otvorem a dopadnout na konverzní dynodu.

• Pravidlo 70:30 praví, že při MS/MS je v pasti možno stabilizovat fragmenty s hmotnostní o 70 % menší než zvolený prekurzor.

2 THETA: Sférická iontová past průřez

LINEÁRNÍ IONTOVÁ PAST (LIT)

Lineární iontová past (někdy též označovaná jako dvourozměrná nebo 2D-iontová past) je v podstatě kvadrupól, který je schopen uchovávat ionty. Ve směru radiálním je toho dosaženo využitím „Rf-only“ modu (tj. na tyče kvadrupólu je vkládáno pouze radiofrekvenční napětí, bez stejnosměrné složky), ve směru axiálním (rovnoběžně s tyčemi kvadrupólu) se k omezení pohybu iontů využívá stejnosměrné napětí, vkládané buď na vstupní a výstupní kruhovou elektrodu nebo na segmenty tyčí kvadrupólu. V prvním případě se využívá axiálního vypuzení iontů z pasti [33], v druhém případě je ejekce radiální přes podlouhlé štěrbiny ve středních segmentech dvou protilehlých elektrod [34]. V obojím případě se toho dosahuje zvyšováním amplitudy radiofrekvenčního napětí vkládaného na tyče kvadrupólu, u segmentovaného kvadrupólu pouze na střední segment.

ANALYZÁTOR DOBY LETU (TIME-OF-FLIGHT, TOF)

Princip separace iontů na základě doby letu je znám již od roku 1946 [35]. Konstrukčně je TOF velmi jednoduchý, jedná se o evakuovanou trubici bez pole, nicméně k přesnému určení hodnoty m/z na základě velmi krátkých dob letu iontů je zapotřebí kvalitní elektroniky. Proto se dlouhou dobu tento analyzátor využíval pouze omezeně, až v posledních zhruba třech desítkách let lze pozorovat výraznou změnu.

IONTOVÁ CYKLOTRONOVÁ REZONANCE S FOURIEROVOU TRANSFORMACÍ (FT-ICR)

Tento analyzátor, poprvé popsaný roku 1974 [37], je výjimečný dosahovaným rozlišením (až řádu 106), ale i velikostí, pořizovacími a provozními náklady, požadavky na kvalitu vakua i nároky na obsluhu. Měřící cela umístěná v silném magnetickém poli B generovaném elektromagnety udržovanými v supravodivém stavu pomocí kapalného helia sestává ze 4 segmentů; vždy dva protilehlé jsou shodné – vysílač E a přijímač D. Ionty přivedené do této cely začnou v silném magnetickém poli vykonávat kruhový pohyb s tzv. cyklotronovou frekvencí.

ORBITRAP

Orbitrap je nejnovějším přírůstkem mezi hmotnostně spektrometrickými analyzátory; odborné veřejnosti byl představen roku 2000 [38]. Sestává ze dvou elektrod: vnější soudečkovité a vnitřní vřetenovité. Na tyto dvě elektrody je vkládáno napětí 3,5 – 5 kV, přičemž vnější elektroda bývá uzemněná. Dávka iontů je asymetricky přivedena do prostoru mezi elektrodami, ionty začnou opisovat kruhové dráhy, přičemž frekvence oscilace podél osy z je charakteristická pro každý poměr m/z. Oscilující ionty generují ve snímacích elektrodách proud, jehož frekvence nese informaci o poměru m/z a amplituda o množství iontů. Fourierovou transformací se pak záznam překlopí z domény časové do domény frekvenční.

Detektory

Detektory slouží k převodu intenzity iontového toku na elektricky měřitelnou a zpracovatelnou veličinu. V přístrojích pro organickou hmotnostní spektrometrii se používají následující typy detektorů:

• Elektronásobič s kontinuální dynodou (continuous dynode electron multiplier, CEM, channeltron) je většinou skleněná trubice s vrstvou polovodivého PbO uvnitř. Vysoké napětí vkládané na polovodivou vrstvu vytváří potenciálový gradient (elektrické pole) podél trubice. Ion dopadající na polovodičovou vrstvu z ní vyrazí elektron, který je urychlený elektrickým polem a při dopadu na stěnu z ní vyrazí alespoň dva elektrony, a tento jev se opakuje po celé délce trubice. Toto zařízení se vyznačuje vysokou citlivostí a krátkou časovou konstantou, ale relativně krátkou životností.

• Elektronásobič s diskrétními dynodami má rovněž vysokou citlivost a relativně malou časovou konstantu. Proti channeltronu a MCP detektoru má dlouhou životnost. Dosahované zesílení závisí na napájecím napětí, řádově bývá 10⁶. Paralelně je možné měřit v analogovém režimu (signály s vysokou intenzitou) a v režimu čítání impulzů.

• Mikrokanálková destička (Microchannel plate detector, MCP) je vyrobena z vysoce odporového materiálu (nejčastěji skla) obvykle 1 mm silného o průměru 1–10 cm s velkým počtem (až miliony) drobných trubiček (microchannels) s průměrem přibližně 10 µm.

2 THETA: Mikrokanálková destička

Vakuový systém

Vzniká-li v nějakém uzavřeném prostoru podtlak zpravidla menší než 100 Pa, hovoříme o vakuu v daném prostoru. Stupeň vakua není terminologicky ustálen, rozlišujeme však nízké vakuum (předvakuum cca do 0,1 Pa), vysoké vakuum (do 10⁻⁴ Pa) a ultravysoké vakuum (od 10⁻⁶ Pa). Podle kinetické teorie plynů je tlak v nádobě způsoben nárazy molekul, případně atomů plynu, na její stěny. Čím menší je tedy tlak v nádobě, tím méně molekul nebo atomů plynu je přítomno. To je velmi důležité pro správnou funkci hmotnostních analyzátorů a detektorů iontů, případně i některých iontových zdrojů hmotnostních spektrometrů. V těchto přístrojích se pohybují ionty po poměrně dlouhých drahách řádu decimetrů až metrů a každá srážka s molekulou plynu v nádobě přístroje vyvolá ztrátu energie a rozptyl částic. Střední volná dráha těchto částic je definovaná jako aritmetický střed velkého počtu délek drah částice mezi dvěma po sobě následujícími srážkami.

MECHANICKÉ VÝVĚVY

Nejrozšířenější mechanickou vývěvou je rotační olejová vývěva. Vývěvu tvoří dutý ocelový válec, ve kterém se otáčí válcový píst s osou rotace posunutou proti ose válce. V pístu se nachází drážka, do které jsou zasunuty dvě ocelové planžety roztahované proti stěně válce ocelovou pružinou, takže neustále přiléhají ke stěně. Ty působí jako písty a tlačí molekuly plynu ve směru otáčení. Celé těleso válce je ponořeno do speciálního minerálního oleje s nízkou tenzí par, který působí jako vakuové těsnění a mazivo. Rotační olejová vývěva může pracovat proti atmosférickému tlaku a používá se hlavně na vytvoření nízkého vakua cca 10¯¹ Pa a předvakua pro další čerpání.

Molekulární vývěva je podobná svou konstrukcí rotační olejové vývěvě, ale asymetricky umístěný rotor nemá žádné planžety a molekulám čerpaného plynu je předán impuls ve směru čerpání rychle se pohybujícím pevným povrchem. Otáčky rotoru tohoto čerpadla jsou extrémně vysoké (16-20 000 ot/min), rotor musí být dokonale vyvážený a jeho hřídel je uložený v magnetické levitaci. Mezní tlak je kolem 10¯⁴ Pa, čerpací rychlost je malá.

Turbomolekulární vývěva pracuje na stejném principu, jen s tím rozdílem, že molekuly plynu jsou odráženy ve směru čerpání pomocí rotoru s lopatkami. Tento typ vývěvy je velmi náročný na výrobu a tudíž drahý, ale dokáže čerpat od velmi nízkého vakua až do hodnot řádu 10¯¹¹ Pa, čerpací rychlost je do tisíců l/s, vakuum je velmi čisté. Molekulární vývěva nemůže pracovat proti atmosférickém tlaku, protože lopatky rotoru by se silným třením o čerpaný plyn zahřály a zničily, proto je používána v kombinaci s primární vývěvou (např. olejová rotační).

První 2 obrázky zleva - Rotační olejová vývěva (1-stator; 2-rotor; 3,4,5-části komory; 6,7-lopatky; 8-pružina; 9-výstupní ventil; 10-zachycovač oleje;11-filtr; 12,13-boční kryty; 14-osa; 15-hladina oleje), dále je Molekulární vývěva (1-stator; 2-rotor; 3,4,5-pracovní mezera) a na posledním obrázku je vyobrazen Rotor a stator turbomolekulární vývěvy.

2 THETA: Mechanické vývěvy