Kütle spektrometresinin temel bileşenleri

Temel olarak iyon kaynağı, analizör ve dedektör gibi 3 temel kısımdan oluşan bir kütle spektrometresinin temel bileşenlerini aşağıdaki şekilde sıralamak mümkündür.

• Bir gaz kromatografisi ya da direk ekleme probu gibi analiz edilecek bileşenleri cihaza sokacak bir aygıt,

• Numune moleküllerinden iyonlar üretecek bir kaynak (iyon kaynağı),

• Çeşitli iyonları kütle/yük oranlarına göre ayıracak bir ve ya daha fazla sayıda analizör,

• Son analizörden çıkan iyonları sayacak ve çokluklarını ölçecek bir dedektör, • Cihazı kontrol eden ve verileri işleyerek uygun bir kütle spektrumu çıkartan bir

Sözü edilen bu bileşenlerin bir diyagram üzerindeki gösterimi Şekil 4.6’da verilmiş olup bu bileşenlerden yalnızca taşıdıkları önem nedeniyle iyon kaynağı, analizör ve dedektör kısımları ile ilgili bilgiler sunulacaktır.

Şekil 4.6: Bir kütle spektrometresinin temel bileşenler

4.4.2.1. İyon kaynağı

İyon kaynağı, kütle spektrometresi ile analizi sırasında analitlerin iyonize edilmesini sağlayan bir spektrometre parçasıdır. İyon kaynaklarında iyonizasyon sonucunda elde edilen iyonlar bir manyetik ya da elektrik alanlar yardımıyla kütle analizörüne taşınırlar.

Kütle spekrometrisinde kullanılan iyon kaynaklarında, analiz edilecek numunelerin spektrometrede analizi öncesi iyonize edilmesi sağlanır ve bu amaçla birçok iyonizasyon tekniği kullanılır. Bu tekniklerdeki en önemli etkenler iyonizasyon sürecinde transfer edilen içsel enerji ve iyonize edilecek analitin fizikokimyasal özellikleridir. Bazı iyonizasyon teknikleri çok fazla enerjiktirler ve bu nedenle aşırı parçalanma olayına neden olurlar. Diğer bazı türler ise daha yumuşaktırlar ve

yalnızca moleküler türler üretirler. Elektron iyonizasyonu ve kimyasal iyonizasyon yalnızca gaz faz iyonizasyonu için uygulanabilir tekniklerdir ve bu nedenle uygulanabilirlikleri yeterli derecede uçucu ve termal olarak stabil bileşenlerle sınırlıdır. Ancak birçok bileşen termal olarak kararsız yapıdadır ya da yeteri kadar buhar basıncına sahip değildirler. Bu bileşenlerin iyonları direkt olarak kondense olmuş halden gaz faza çekilmiş olmalıdır. Bu direkt iyon kaynakları sıvı faz ve katı faz iyon kaynakları olarak ikiye ayrılır. Sıvı faz iyon kaynaklarında analit bir çözelti içerisinde bulunur ve analit nebulizasyon ile çeşitli vakum aşamalarından geçirilerek spekrometreye alınır. Elektrosprey, termosprey ve atmosferik basınç kimyasal iyonizasyon teknikleri bu tür içerisinde yer alır. Katı faz iyon kaynaklarında analit uçucu olmayan bir tortu içerisinde bulunur. Bu tortu katı ya da akışkan bir sıvı olabilecek bir matrisin sık bir şekilde girişini içeren çeşitli hazırlık metotlarıyla oluşturulur. Ardından bu tortu, tortu yüzeyinin yakınında iyonları desorbe eden fotonlar ya da enerjik partüküller tarafından ışınlanır. Bu iyonlar bir elektrik alanla toplanıp analizöre doğru odaklandırılırlar. MALDI (matrix-assisted laser desorption), ikincil iyon kütle spektrometrisi, alan iyonizasyonu ve plazma desorpsiyonu gibi iyonizasyon teknikleri bu prensip ile çalıştırılır.

İyon kaynakları; nötral bir molekülün elektron çıkarma, elektron yakalama, protanasyon, deprotanasyon, ekleme ya da kondense olmuş bir fazdan gaz faza yüklü iyonların transferi gibi işlemlerle iyonize edilmesiyle elde edilen iyonlar üreten aparatlardır.

4.4.2.2. Kütle analizörü

İyonizasyon süreçleri sonucunda üretilen iyonların analiz edilebilmeleri için kütlelerine göre bir ayrıma tabi tutulmaları gerekir ve bu ayrımı yapan pek çok kütle analizör çeşidi mevcuttur. Tarayıcı analizörler belirli bir zaman aralığında farklı kütlelere sahip iyonları başarılı bir şekilde iletirler ve bu tip analizörler organik analizlerde sıkça kullanılırlar. Bu analizörler ya manyetik alanlarında belirli bir zamanda yalnızca belirlenmiş m/z oranına sahip iyonların geçişine izin veren uçuş tüpü bulunan manyetik sektör instrümanları ya da quadrupole instrümanlarıdır. Kütle analizörlerinin çoğu tarayıcı analizörler olmasına rağmen dispersif manyetik

analizör, uçuş zamanı kütle analizörü, iyon tuzağı ya da iyon siklotron rezonans gibi bazı instrümanlar tüm iyonların eş zamanlı olarak iletimine imkan verirler. Uçuş zamanı kütle analizörü bir yığın içerisinde üretilecek iyonların varlığını gerektirir ve bu nedenle darbeli lazer kaynaklar için uygundur. Geçmişte sadece GC/MS sistemlerinde kullanılan iyon tuzağı günümüzde yüksek performanslı kütle spektrometrelerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Fourier dönüşümünün kullanıldığı iyon siklotron rezonans kütle spektrometreleri yüksek kütleler ve yüksek çözünürlüklerde çok duyarlıdır. Bunun yanında günümüzde tandem kütle spektrometreler (MS/MS) gibi çeşitli analizörlerin birlikte kullanıldığı sistemlerde mevcuttur.

Bir analizörün karakteristiğini belirleyen 3 temel unsur; üst kütle sınırı, iletim ve çözünürlüktür. Üst kütle sınırı ölçülebilecek en yüksek m/z değerini tanımlar ve bu değer taşınmakta olan z = 1 gibi temel yük seviyesindeki bir iyon için thomson ya da atomik kütle birimi (u) cinsinden belirtilir. İletim; dedektöre ulaşan iyon sayısı ile iyon kaynağında üretilen iyonların sayısının birbirlerine olan oranıdır. Çözünürlük gücü ise küçük bir kütle farkına sahip iki ayrık sinyali oluşturabilme kapasitesi olarak tanımlanır (Hoffmann and Stroobant, 2002).

4.4.2.2.1 Kütle çözünürlüğü

Bir kütle spektrometresinin iyon ayırma gücü kütle çözünürlüğü olarak tanımlanır ve Denklem 4.57’de verilen şekilde saptanır. Bu denklikte R; sistemin çözünürlüğü, m; iyonun kütlesi, ∆m ise spektrumdaki çözümlenebilir iki pikin kütle farkı olarak tanımlanır.

R = m / ∆m (4.57)

Kütle analizörünün farklı iyonlara spesifik bir m/z değeri atama yetisi sistemin çözünürlük gücü olarak nitelendirilir. Örneğin 4000 amu bölgesindeki 1 amu farka sahip iki iyonun ayrılabilmesi için gereken çözünürlük gücü (4000/4001-4000) 4000’dir. Tek odaklı kütle analizörleri ve quadrupole kütle analizörlerinin

çözünürlük güçleri 5000 civarındadır. Bu değer çift odaklı kütle spektrometrelerinde daha yüksektir.

Çözünürlüğün standart bir tanımlama olarak uygulanması için pek çok araştırmacı % 10 vadi tanımlama metodunu kullanır. Bu metotta komşu iki pikin yüksekliklerinin (pik tepesinden pik tabanına) , bu iki pikin birleşme noktasından tabana kadar olan yüksekliğin en az 10 katı olması istenir. Bu durumu Şekil 4.7’de verilen şematik gösterim ile daha iyi anlamak mümkündür.

Şekil 4.7: Kütle çözünürlük değerinin saptanması

4.4.2.3. Kütle dedektörü

Kütle spektrometresinde iyonizasyon süreçleri sonunda elde edilen iyon demeti kütle analizörünü geçtikten sonra bir dedektör tarafından ölçülür ve kullanılabilir bir sinyale dönüştürülür. İki genel kategoriye ayrılabilecek farklı tipte dedektörler mevcuttur. Fotografik plakalar ve Faraday silindirleri dedektör tarafından yakalanan yüklerin direkt olarak ölçümünü sağlarken, elektron ya da foton çoğaltıcı dedektörler ve dizi dedektörler sinyalin yoğunluğunu arttırır.

Kullanılan ilk spektrometrelerde analizörün arkasına yerleştirilen fotografik plakalarda ortak bir m/z oranına göre ayrılmış iyonlar, plakayı aynı yerde yakalarlar. Bir kalibrasyon eğrisi m/z oranlarının ve kütlelerin saptanmasına izin verir. Faraday silindirlerinde ise iyonlar yüklerinden kurtuldukları silindirin iç kısmına girer.

% 100

Burada oluşan deşarj akımı bir yükseltici tarafından yükseltilerek ölçülür. Günümüzde elektron çoğaltıcılar pozitif ya da negatif iyonları tutan plaka tarafından (çevirme dinotu) çeşitli ikincil partüküllerin oluşmasının sağlandığı bir dedektör şeklinde kullanılır. Bu ikincil partüküller pozitif iyonlar, negatif iyonlar, elektronlar ya da nötral yapıları içerebilir. Bu partüküller ardıl dinot elektron çoğaltıcıya doğru hareketlendirilirler. Partüküller duvarlarla çarpışırken elektronları kopartacak yeterli enerjiyle katoda hareket ederler. Kopan elektronlar elektron çoğaltıcıdan geçer, tekrar duvarlara çarpar ve daha fazla elektron üretilmesini sağlarlar. Oluşturulan bu elektron şelalesi elektron çoğaltıcının sonunda ölçülebilir bir akıma neden olur. Elektron çoğaltıcıları ömrü zayıf vakum ve aşırı yüzey aşınması gibi nedenlerle 1-2 yıl ile sınırlıdır. Foton çoğaltıcılarda pozitif ve negatif iyonların ölçümüne izin veren iki iki ayrı çevirme dinotu mevcuttur ve ömürleri elektron çoğaltıcılardan daha uzundur. Ancak sağladıkları sinyal yükseltme gücü elektron çoğaltıcılardan 100 ila 1000 kat daha azdır (Hoffmann and Stroobant, 2002).