Massaspektrometria

Massaspektrometrian perusteita

Massaspektroskopia perustuu sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikkumiseen magneettikentässä. Tutkittava aine ionisoidaan kohdistamalla siihen säteilyä. Yleensä vain osa molekyyleistä ionisoituu ja hajoaa pienemmiksi fragmenteiksi. Varatut hiukkaset kiihdytetään sähkökentällä ja ohjataan magneettikenttään. Varatun hiukkasen liikerata kaareutuu magneettikentässä. Lentoradan säteeseen vaikuttaa magneettikentän voimakkuus, hiukkasen nopeus, massa ja varaus. Eri massaiset hiukkaset törmäävät detektorilla eri kohtiin, minkä perusteella ne voidaan tunnistaa. Jos hiukkasten nopeus ja magneettikentän voimakkuus pidetään vakiona, ja kaareutumiseen vaikuttaa vain hiukkasen massa-varaussuhde.

Massaspektrometrilaitteita on kehitelty eri tekniikoiksi sen mukaan, miten ionisointi ja massan erottelu tapahtuvat. Ionisointitavoista yleisimmät ovat EI-tekniikka eli elektronipommitus (EI, engl. electron impact) ja CI-tekniikka eli kemiallinen ionisointi (CI, engl. chemical ionization). Myös yhdistelmämenetelmiä on käytössä. Massaerottelun kolme yleisintä tekniikka ovat kvadrupoli, ioniloukku ja lentoaika-analysointi.

Korkean erotuskyvyn laitteiden tarkkuus on tuhannesosa atomimassayksikön luokkaa. Yksi atomimassayksikkö on 1,66 · 10-27 kg. Näin tarkalla laitteella voidaan määrittää ionin alkuainekoostumus ja yhdisteen moolimassa. Yhdisteen kemiallinen kaava voidaan päätellä, jos alkuaineiden suhteelliset osuudet tiedetään. Massaspektrometrian avulla voidaan seurata, millaisia reaktiotuotteita reaktiossa muodostuu, identifioida ja kvantifioida orgaanisia yhdisteitä ja määrittää alkuaineiden isotooppijakauma.

(Lähde: Orbitaali 3 (uusi LOPS2019)

Esimerkki massaspektrit dodekaanin tapauksessa

Alla on dodekaanin C12H26 massaspektri ja sen runkoisomeerien massaspektrit.


Dodekaanin moolimassa on 170. Pieni pieni kohdassa 171 tarkoittaa ns. M+1-piikkiä, jonka aiheuttaa C-13-isotooppi (näin pitkän hiiliketjun molekyylissa ko. isotoopin esiintyminen on melko todennäköistä, ko. isotooppia on luonnossa 1% hiiliatomeista). Näin ollen massaspektrien oikeanpuoleisin piikki EI aina ole yhdisteen (molekyylin) moolimassa. 

Dodekaanin isomeerien massaspektrit poikkeavat toisistaan, koska rakenteen pilkkoutuessa, siitä syntyy erilaisia rakenneosia.

2,2,4,6,6,-pentametyyliheptaanin massaspektristä on erittäin vaikeaa päätellä molekyyli-ionia (ja siten myös yhdisteen moolimassa). 

Massaspektrometriaa lukiossa

Massaspektrometrisessa määrityksessä näyte hyörystetään kaasuksi ja sitä pommitetaan elektroneilla. Osa näytteen molekyyleistä menettää elektroneja ja varautuu (syntyy ioni) tai hajoaa pienemmiksi osasiksi. Varatut hiukkaset ohjataan sähkö- ja magneettikenttään ja sieltä edelleen detektorille, ilmaisimelle. Massaspektrit kertovat pääsääntöisesti molekyylien moolimassan. Massaspektrometriaa käytetään yleensäkin erimassaisten alkuaineiden, isotooppien ja molekyylien määrittämiseen.

Käytössä olevat spektrikirjastot antavat hieman eri tavalla informaatiota. Massaspektrin rakenne riippuu olosuhteista – kuinka paljon molekyyli pilkkoutuu.

Seuraavissa kuvissa etanolin ja 1-propanolin massaspektrit (kuvat SDBS-tietokannasta, spektreissä mainittu suoraan molekyyli-ionin moolimassa).




Massaspektri ei aina anna kunnon spektripiikkiä molekyyli-ionista, koska se saattaa hajota pienemmiksi isoksi lähes täysin. Moolimassa-tieto kuitenkin ilmoitetaan, vaikka spektristä ei sitä suoraan voisi päätellä.