Analizörler

Kütle analizörleri, iyonları kütle/yük (m/z) oranlarına göre ayırmakta ve ayrılan iyonları tek bir odak noktasında toplamaktadır. Bu kısımda, iyonların hareketleri manyetik ve/veya elektriksel alan ile gerçekleşmektedir. Bu alanda hareketli yüklü bir parçacık sahip olduğu momentuma (kütle.hız) ve kinetik enerjiye bağlı olarak diğer bir yüklü parçacıktan ayrılmaktadır. Bu temel özelliklere dayanarak çalışan manyetik sektör, kuadrupol (Q), kuadrupol iyon tuzağı (QIT), uçuş zamanlı (TOF), orbitrap ve iyon siklotron rezonans (ICR) analizörleri günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kütle analizörlerinin çalışma performansı; kütle aralığı (analiz edilebilen en yüksek m/z değeri), çözünürlük (komşu iki iyonu ayırabilme yeteneği), verim (tek bir iyonizasyon işleminde oluşan ilgili iyonların oranı), doğruluk (ölçülen kütle değeri ile tam kütle değeri arasındaki fark), dinamik aralık (ölçülebilen en yüksek sinyal değerinin en düşük sinyal değerine oranı), hız (birim zamanda elde edilen spektrumların sayısı) ve hassasiyet (analitin belirli bir güven aralığında tespit edilebilen en düşük miktarı) gibi özellikler baz alınarak değerlendirilmektedir (Dass 2007, Hart-Smith ve Blanksby 2012).

Antibiyotik kalıntı analizinde genellikle kuadrupol, kuadrupol iyon tuzağı, uçuş zamanlı ve orbitrap analizörleri kullanılmaktadır. Her sistem antibiyotik kalıntı analiz uygulamaları açısından kendine özgü tasarımı, işlevi ve performansı bakımından avantajlara ve dezavantajlara sahiptir. Kuadrupol ve kuadrupol iyon tuzağı sistemleri,

Isıtıcı Isıtıcı İyon Transfer Kapileri Skimmer ESI iğnesi (needle) İyon sweep konisi ESI püskürtücü (nozzle)

27

genellikle pik yüksekliğinin yarısındaki pik genişliği (FWHM) 0.7 akb (Da) değerinde olmasından dolayı düşük çözünürlüklü kütle analizörleri iken; uçuş zamanlı ve orbitrap analizörleri orta-yüksek çözünürlüklü olup aralarında birkaç milidalton (mDa) kütle farkı bulunan iyonları ayırabilme yeteneğine sahiptir. Böylece bu analizörler ile doğru kütle ölçümleri yapılabilmektedir (Wang ve Turnipseed 2012).

Kuadrupol, laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılan bir analizördür. Bu analizör, sadece kütle analizörü olarak kullanılmamakta; sık sık iyon transfer optiği ve çarpışma hücresi (collision cell) olarak da kullanılmaktadır. Tekli kuadrupol, birbirine paralel 4 metal çubuk elektrottan oluşmaktadır. Zıt yüklü her bir metal çubuk çifti birbiriyle elektriksel olarak bağlıdır ve bir çift çubuk ile diğeri arasında radyo frekansı (RF) voltajı uygulanmaktadır. RF voltajına ilave olarak doğru akım (DC) voltajı da uygulanarak iyonların çubuklar arasından geçmesi sağlanmaktadır. Belirli voltaj oranlarında (DC/RF) sadece istenilen m/z değerindeki iyonlar detektöre ulaşmaktadır. Kütle ayrımı, elektrotlara uygulanan DC ve RF potansiyellerinin oluşturduğu yüksek frekanslı elektriksel alanda iyonların sabit titreşim hareketi ile sağlanmaktadır. Diğer iyonlar kararsız yörüngelerinden dolayı çubuklar ile çarpışmakta ve detektöre ulaşamamaktadır (Blasco ve Picó 2007, Dass 2007, Westman-Brinkmalm ve Brinkmalm 2009).

Kuadrupol iyon tuzağı (Paul tuzağı), kuadrupol analizörü ile aynı prensipte çalışmaktadır; aralarında geometrik şekil açısından fark vardır. Bu sistem, merkezde halka şeklinde metal bir elektrot ve bu elektrodun her iki tarafını kapatan hiperbolik iki elektrottan oluşan üç boyutlu bir yapıdır. Bu şekilde iyonların hapsolduğu bir alan yaratılmıştır. İyon hareketleri kuadrupol analizöründe olduğu gibi DC ve RF potansiyelleri ile sağlanmaktadır. DC potansiyelindeki artış ile birlikte istenilen m/z’ye sahip iyonlar, diğer iyonların tuzaktan ayrılması sonucunda onlardan ayrılmaktadır. Tuzağın içerisine iyonların soğuması için yaklaşık 10-3 _{tor basınçta helyum (He) gazı} gönderilmektedir. Aynı zamanda bu gaz iyonları tuzağın merkezinde tutmaktadır. Daha sonra RF potansiyelindeki artış ile birlikte de tuzağın içinde kalan iyonlar çıkarılmakta ve detektöre iletilmektedir (Dass 2007, Westman-Brinkmalm ve Brinkmalm 2009).

Tekli sistemler genel olarak EI ile çalışan GC-MS cihazlarının bir parçası olmuştur. Bunun nedeni, EI ile hedef molekülün yüksek enerjili elektronlar ile çarpışarak birçok fragmente ayrılmasıdır. Böylece analizörde istenilen kütledeki fragment ilave bir ayırma işlemine gerek kalmadan analiz edilebilmektedir. Bu analizör LC sistemi ile birlikte de kullanılabilmektedir. Ancak ESI veya APCI işlemlerinde iyonlar fragmentlere ayrılmadan moleküllerin proton kazanması veya kaybetmesi ile oluştuğundan dolayı tekli sistemler ile yapılan taramalarda molekül yapısı ile ilgili çok az bilgiye ulaşılmaktadır. Kuadrupol sistemler çözünürlük, seçicilik ve kütle doğruluğu açısından yetersiz olduğu için günümüzde tekli analizörün yerine tandem (MS/MS) veya yüksek çözünürlüklü (HR) kütle spektrometreleri kullanılmaktadır. Çünkü karmaşık yapılı matrikslerle yapılan analizlerde ilgili analitin doğru ve güvenilir bir şekilde tespit edilmesi önemlidir (Blasco ve Picó 2007, Wang ve Turnipseed 2012).

Üçlü kuadrupol (QqQ) sistemi 1978 yılında geliştirilmiştir ve günümüzde laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemde ardarda 3 tane kuadrupol analizörü bulunmaktadır. Bunlardan ilki (Q1) ve sonuncusu (Q3) kütle filtresi olarak

28

kullanılmakta; ikinci kuadrupolde ise m/z seçimi veya taraması yapılmamaktadır. İkinci kuadrupolde, ilk kuadrupolde seçilen öncü iyonun fragmentlere ayrılması gerçekleşmektedir. Bu amaçla hücreye azot (N2) veya argon (Ar) nötral gazları doldurulmaktadır. İlk ve sonuncu kuadrupollere DC ve RF uygulanılırken; ortadaki kuadrupole sadece RF uygulanarak burada oluşan tüm iyonların diğer kuadrupole geçişi sağlanmaktadır. İlk kuadrupolde istenilen m/z değerindeki öncü (precursor) iyon seçilerek ikinci kuadrupole geçmekte; buradaki gaz ile çarpışan iyonlar fragmentlerine ayrılmakta ve bu fragmentlerin hepsi üçüncü kuadrupole aktarılmaktadır. Her öncü iyonun ürün iyonlarına parçalanma enerjisi ana iyonun kimyasal yapısının farklı olmasından dolayı aynı değildir. Bu yüzden ikinci kuadrupolde çarpışma enerjisi değerinin öncü iyonlara göre optimize edilmesi önemlidir. Üçüncü kuadrupolde öncü iyona özgü oluşan ürün (product) iyonların taraması yapılıp bu iyonlar seçildikten sonra detektöre aktarılmaktadır (Blasco ve Picó 2007, Dass 2007, Westman-Brinkmalm ve Brinkmalm 2009, Wang ve Turnipseed 2012).

Şekil 2.7. Üçlü kuadrupol sistemi (Blasco ve Picó 2007)

Kuadrupol kütle analizörü kantitatif analizlerde yaygın olarak kullanılmasına rağmen, bu uygulamada her bir bileşik için uygun öncü/ürün iyonları seçilerek ve çarpışma etkili ayrışmada (CID) kullanılan çarpışma enerji değerleri belirlenerek cihaz parametrelerinin analizden önce optimize edilmesi gerekmektedir. Bu yüzden, bu aşamalar metot geliştirme uygulamalarında zaman kaybına neden olmaktadır. Ancak yüksek çözünürlüklü kütle spektrometrelerinde yapılan analizlerde ilgili parametrelerin optimizasyonu yapılmadan tam tarama gerçekleştirilebildiğinden dolayı her bir bileşik için optimizasyon ihtiyacı ortadan kalkmaktadır (Bateman vd 2009).