ספקטרומטר מסה

ספקטרומטר מסה הוא מתקן המודד את היחס בין המסה למטען של חלקיקים טעונים. באמצעות מדידה זו ניתן לנתח דגימה, ולקבוע מה החומרים המרכיבים אותה. מכשיר זה הוא בעל חשיבות גדולה בכימיה אנליטית, ומשמש לזיהוי חומרים במגוון יישומים, בהם זיהוי פלילי, אבטחת איכות תעשייתית, ועוד. כמו כן המתקן משמש למחקרים בתחומים רחבים: פיזיקה גרעינית, כימיה, ביולוגיה, ארכאולוגיה ועוד.

דרך פעולה

ספקטרומטר מסות מורכב משני רכיבים עיקריים: מקור יונים המייצר את היונים אותם רוצים למדוד וגלאי (דיטקטור) המשמש למדידת המסה שלהם.

מקור יונים

ישנו מגוון רחב של מקורות יונים הנמצאים בשימוש. המקורות מתחלקים למקורות "רכים", שבהם היונים מיוצרים קרים, ולמקורות "קשים", שבהם היונים מיוצרים חמים מאוד, וכתוצאה מכך מתפרקים תוך זמן קצר.

מקורות היונים מתחלקים גם לפי סוג היונים שאותם רוצים לייצר: יונים אטומיים, צברים אטומיים, מולקולות אורגניות וכו'. דרך נוספת לסווג מקורות יונים היא על פי שיטת היינון: ניתן ליינן יונים על ידי לייזר, קרן אלקטרונים, קרן של יונים מסוג אחר, וכן על ידי שדות חשמליים חזקים. בהמשך יוזכרו כמה סוגים מהמגוון הרחב של מקורות היונים המשמשים לספקטרומטריית מסות.

ספקטרומטר מסה עם מקור יונים EI/CI

• Electron Ionization (מכונה EI) - במקור היונים מותקן תיל, בו עובר זרם חשמלי כדי לחממו, ופעולה זו גורמת לפליטת אלקטרונים (פליטה תרמיונית). האלקטרונים פוגעים במולקולות החומר הנבדק, ונוצרים יונים שליליים. שיטה זו גורמת בדרך כלל (במתחים גבוהים, לדוגמה 70 אלקטרון וולט), לאי יציבות הקשרים במולקולות החומר, ולשבירתן למספר מולקולות קטנות יותר. תבנית השבירה נקבעת על פי מבנה המולקולה - מיקום הקשרים החלשים יותר בה, זהות האטומים וכו'. תבנית השבירה משתנה בין מולקולה למולקולה, ומסייעת בקביעת זהות החומר.
• יונים אטומיים מיוצרים על פי רוב על ידי יינון של גז בלחץ נמוך על ידי אלקטרונים או על ידי לייזר.
• במקום להשתמש בגז בלחץ נמוך ניתן להשתמש במקור על קולי, המבוסס על חריר הנפתח לזמן קצר מאוד (כמה מיקרושניות), ויוצר גל הדף של גז המתפשט בלחץ גדול לתוך הריק, המתקרר לטמפרטורות נמוכות (כמה מעלות קלווין) במהלך ההתפשטות. באופן זה נוצרת אלומה צרה, במהירות של כמה אלפי מטרים לשנייה, של מולקולות קרות. מקור זה יעיל מאוד ליצירת מולקולות קרות וצברים אטומיים גדולים.
• sputter ion source הוא מקור המשמש בעיקר ליצירת יונים שליליים, ובו יונים מגז שאותו קל ליינן כגון צזיום, מואצים כלפי גוש מוצק של חומר. הרסיסים השליליים של החומר הנוצרים מההתנגשות, מואצים לכיוון ההפוך. באופן זה נוצרים מולקולות וצברים אטומיים קטנים, שליליים וחמים.
• laser ablation ion source היא שיטת ייצור יונים שבה אלומה חזקה של לייזר מפוקסת על משטח ומאדה את החומר של המשטח. כתוצאה מכך נוצרת פלזמה של יונים שנפלטו מהמשטח, ואותם ניתן להאיץ. בשיטה זאת ניתן ליצור יונים אטומיים ומולקולריים חמים מחומרים שבטמפרטורת החדר נמצאים במצב מוצק.
• MALDI - Matrix assisted laser desorbtion ion source שיטה זו, שזיכתה את ממציאה בפרס נובל לכימיה, משמשת בעיקר למולקולות אורגניות. בשיטה זו המולקולות האורגניות מודבקות על גבי חומר הנקרא מטריצה. כאשר המטריצה מוארת על ידי לייזר, היא סופחת את האנרגיה שלו; אנרגיה זו מספיקה כדי לנתק את הקשר בין המטריצה למולקולות שעליה, והמולקולות משתחררות.
• Electro spray ion source ‏(ESI) - שיטה זו שגם היא זיכתה את ממציאיה בפרס נובל, היא השיטה הנפוצה ביותר (יחד עם שיטת MALDI) לטיפול במולקולות ביולוגיות. נוזל המכיל את המולקולות מוכנס לצינורית (capillary) דקה, שבקצה שלה ישנם שדות חשמליים חזקים מאוד. בקצה הקפילרה נוצרות טיפות קטנות של הנוזל, המשתחררות לתוך הוואקום, ומתפרקות כתוצאה מהשדות החשמליים החזקים.

האנלייזר

ישנן כמה שיטות למדוד מסות של יונים.

• שימוש בשדות מגנטיים - יונים הנעים בשדה מגנטי מבצעים תנועה מעגלית שקוטרה מושפע ממהירותם (הנשלטת בעזרת עוצמת השדה החשמלי המאיץ), עוצמת השדה המגנטי, מסת החלקיק ומטענו. ככל שהיונים מהירים יותר כך הרזולוציה במסה גבוהה יותר. משום כך מאיצים יכולים לשמש בתור מכשירים עדינים מאוד למדידת מסות, וכיום זהו אחד השימושים העיקריים במאיצים מסוג ואן-דה-גרף ומאיצי טנדם , הן לפיזיקה גרעינית והן לשימושים ארכאולוגיים.
• TOF - Time of Flight - יונים מואצים לאנרגיה של כמה אלפי אלקטרון וולט, והזמן שלוקח להם להגיע לגלאי נמדד. יונים בעלי מסה גדולה יותר יקבלו מהירות נמוכה יותר, על פי הנוסחה של אנרגיה קינטית, $E={\frac {mv^{2}}{2}}$, ולכן יגיעו לגלאי בזמנים מאוחרים יותר.
• quadrupole mass selector - שיטה זו היא אולי הקלה ביותר ליישום, ובה על יונים הנעים באנרגיות נמוכות (כמה אלקטרון וולטים בודדים), מופעלים שדות חשמליים מתנדנדים בכיוון הניצב לכיוון תנועתם. התנודה של היונים תלויה במסה ובמטען שלהם, ועבור כל שילוב תדירות ועוצמה של השדות החשמליים, רק יונים בעלי יחס מסה/מטען מסוים יישארו בתוך המתקן (במסלול בורגי לאורכו). יונים בעלי יחס מסה/מטען לא מתאים לא ישמרו על מסלול אחיד, ויצאו מהמתקן, או יפגעו בקירותיו. על ידי התקנת גלאי בקצה ה-quadrupole, ניתן לספור כמה יונים יוצאים בכל זמן, וכך לדעת מה כמות היונים היחסית עבור כל יחס מסה/מטען. ניתן למדוד יחס בודד, או לבצע סריקה על כל יחסי המסה/מטען, על ידי שינוי תדירויות או עוצמות השדות החשמליים. כיוון שבשיטה זו רוב היונים "נזרקים", היא מתאימה לדגימות בעלות ריכוזי חומרים גבוהים יחסית.
• מלכודת יונים - בשיטה זאת יונים נלכדים לזמנים ארוכים, על ידי שדות חשמליים. על ידי שינוי השדות ניתן לערער את היציבות של יונים בעלי יחס מסה/מטען מסוים, ואלה יוצאים מהמלכודת ונספרים על ידי גלאי. על ידי שינוי של השדות ניתן לבצע סריקה על כל יחסי המסה/מטען. כיוון שבשיטה זו היונים מוחזקים במלכודת עד שיספרו, כמעט אין איבוד יונים, ולכן השיטה שימושית לדגימות בעלות ריכוזי חומרים נמוכים.

צימוד ספקטרומטרית מסה עם שיטות כרומטוגרפיות

שיפור למדידה פשוטה של ספקטרומטרית מסה הוא צימוד שלה עם שיטות הפרדה כרומטוגרפיות. שיפור זה יכול לאפשר בין היתר לזהות מולקולות שונות, שלא ניתן לזהותן תוך שימוש בספקטרומטר מסה לבדו או בכרומטוגרפיה בלבד.

כרומטוגרפיית גז

שיטה נפוצה ביותר היא צימוד של ספקטרומטרית מסה עם כרומטוגרפיית גז (Gas chromatography-mass spectrometry; ובקיצור GC/MS). בשיטה זו כרומטוגרף גז משמש להפרדת התרכובות, ואלו מוזנות למקור היונים. תיל מתכתי פולט אלקטרונים, המייננים את התרכובות. את היונים הללו ניתן לשבור למולקולות קטנות יותר. את היונים ושברי המולקולות מזינים לאנלייזר של ספקטרומטר המסה.

כרומטוגרפיית נוזל

צימוד של ספקטרוסקופיית מסה עם כרומגרפיית נוזל (LC/MS), בדומה לכרומטוגרפיית גז, מפריד בשלב הראשון בין התרכובות באמצעות כרומטוגרפיה, ואלו מוזנות אחרי כן למקור היונים ולספקטרומטר המסה. בשיטה זו הפזה הנעה היא נוזל, לרוב תמיסה של מים וממסים אורגניים.

שימושים

• ביולוגיה וכימיה - שלב חשוב באפיון חומרים הוא קביעת המסה שלהם. דבר זה הופך ספקטרומטריית מסות לכלי מחקר חשוב מאוד הן בכימיה והן בביולוגיה. כמו כן על ידי שימוש במקורות חמים, שבהם המולקולות האורגניות לאחר ייצורם מתפרקות, על ידי מדידה של הרכיבים השונים הנוצרים ניתן לשחזר לא רק את המסה של מולקולת האם אלא גם את המבנה שלה.
• פיזיקה גרעינית - מסה של חומרים תלויה לא רק ברכיבים שלהם, (במספר הפרוטונים והנוטרונים מהם מורכבים האטומיים), אלא גם בקשרים שביניהם. לכן מדידה מדויקת של המסות מאפשר לאפיין את המבנה של גרעינים, רמות האנרגיה שלהם, וכן למדידה של קבועים בסיסיים של הטבע. כמו כן מדידה מדויקת של המסות מאפשר להבדיל בין חומרים שונים שיש להם מסות כמעט זהות. לדוגמה ניתן להבדיל בין המסה של פחמן ארבע עשרה (פחמן המורכב משישה פרוטונים ושמונה נייטרונים), לבין המסה של חנקן ארבע עשרה (המורכב משבעה פרוטונים ושבעה נייטרונים).
• ארכאולוגיה - תארוך של עצמים ארכאולוגיים מבוסס על מדידה מדויקת של השכיחות של איזוטופים נדירים, בעלי זמני מחצית חיים ארוכים. האיזוטופ השכיח ביותר לשיטה זאת הוא פחמן ארבע עשרה.

שימושים במחקר הביולוגי

במחקר הביולוגי משתמשים בספקטרומטר מסות בעיקר לזיהוי של חלבונים בדוגמה הנתונה, בדרך כלל מדובר בזיהוי נוכחות של החלבונים הנחקרים בתאים או זיהוי מדויק של נוכחות חלבון בבנד (פס המופיע ב-SDS-Page) מסוים. היתרון המרכזי ששיטה זו מעניקה למחקר הפרוטאומי הוא היכולת לזהות מספר גדול של חלבונים בו זמנית בנוסף למודיפיקציות המופיעות על החלבון (כמו פוספורילציה, אצטילציה וכדומה). דבר זה מאפשר ללמוד על מסלולים ביולוגיים שלמים ולא רק על חלבונים אחדים מתוכם, ובאמצעות נוכחות או העדר המודיפיקציות ניתן לדעת האם החלבון פעיל (לדוגמה לאחר טיפול מסוים בתאים).

ראו גם

• מאיץ חלקיקים

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ספקטרומטר מסה בוויקישיתוף

• ספקטרומטר מסה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ספקטרומטריית מסה, דף שער בספרייה הלאומית