ספקטרומטריית מסה (Mass Spectroscopy) היא טכנולוגיה רבת-ערך שיכולה לספק כמויות אדירות של נתונים, במטרה לזהות ולכמת חומרים ספציפיים.
ספקטרומטריית מאסות מיועדת לגילוי, לקביעה ולכימות של תרכובות מדגמיות במגוון תחומים - ובהם פרוטאומיקה, מטבולומיקה, הדמיה וגליקומיקה בתעשיות המזון, התרופות והסביבה. שילוב MS עם תוכנה מתאימה וטכנולוגיית מחשב, מאפשרת אף יישומים נרחבים יותר.
מהי ספקטרומטריית מסה?
זוהי טכניקה אנליטית מורכבת בה מרכיבי המדגם מופרדים באמצעות המאסה והמטען החשמלי שלהם. שיטה זו משמשת גם לניתוח כימי כמותי ואיכותי של דגימות מתרכובות. MS משמשת לזיהוי תרכובות לא ידועות על ידי קביעת משקל מולקולרי, כימות תרכובות ידועות והבהרת התכונות המבניות והכימיות של הרכיבים המולקולריים.
מהו עיקרון הפעולה של ספקטרומטריית מאסה?
הבדיקה מייצרת ספקטרום מאסה, שהוא למעשה גרף של יחס המסה לעומת מטען חשמלי (m/z) בתרכובות הקיימות בדגימה, לצד הכמות היחסית של כל יון (אטום בעל מטען חשמלי). יונים מואצים למהירויות גבוהות ומוסטים בזוויות שונות בשדה חשמלי או מגנטי, בהתאם ליחס ה-m/z שלהם. ניתן להשתמש ביחס זה כדי לחשב את המשקל המולקולרי המדויק של הרכיבים בדגימה.
מהם הרכיבים של ספקטרומטר מאסה?
ספקטרומטר מסה פועל בכמה שלבים: הפקת יונים מהדגימה במקור היינון, הפרדת יונים אלו לפי יחס m/z, פיצול היונים וניתוחם בנתח המסה. לאחר מכן מערכת הגלאים מזהה ומעבדת את האותות החשמליים ומודדת את הכמויות.
הרכיבים במכשיר:
מקור יונים - מכונה לעתים קרובות הלב של הספקטרומטר. זה המקום בו מסירים אלקטרון או מוסיפים פרוטון, מה שנותן למולקולה מטען חיובי. מולקולות מיוננות/מומרות ליונים בשלב הגז, כך שניתן להזיז אותן ולתפעל אותן על ידי שדות חשמליים ומגנטיים חיצוניים.
מנתח - לאחר תהליך היינון, היונים מופרדים לפי המסה שלהם (יחס m/z). יש מגוון של מנתחי מסה זמינים, והם עובדים עם מערכת זיהוי יונים. מנתחי המאסה משתנים בדרישות התפעוליות שלהם, כגון מהירות פעולה ורזולוציית הפרדה.
מערכת גלאים - הגלאי יזהה את היונים המופרדים, על ידי רישום מטען היונים העוברים דרך פני השטח, ויכמת אותם. נוצר ספקטרום מסה המשרטט את יחס ה-m/z של היונים המצויים בדגימה כנגד עוצמתם (השפע היחסי). כל פסגה תואמת ליחס m/z ייחודי בדגימה, וגובה השיא מראה את השפע היחסי של הרכיבים בדגימה.
קיימים סוגים שונים של גלאי יונים, לרבות מכפילי אלקטרונים (EM), כוסות פאראדיי (FC), דינודות מכפילור וכן גלאי מערך. היונים המופרדים נמדדים, ונוצר תרשים לתיעוד השפע היחסי שלהם.
איך עובד ספקטרומטר מסה?
ספקטרומטריית מסה כוללת חמישה שלבים:
1. יינון
ייצור של יוני גז כדי לאפשר ניתוח מסה. המדגם הראשוני עשוי להיות מוצק, נוזלי או גז. אם הוא מוצק או נוזלי, הוא מאודה לגז ולאחר מכן מיונן על ידי מקור היונים. תהליך זה מתרחש בדרך כלל על ידי איבוד אלקטרון והפיכה לקטיון עם מטען +1. תא היינון נשמר בוואקום כדי למנוע אינטראקציה של מולקולות מיוננות עם מולקולות באוויר. לוח מתכת טעון חיובית, דוחף את הדגימות לחלק הבא של המכונה.
ספקטרומטרים פועלים במצב יון חיובי או יון שלילי. חשוב לדעת את ההגדרה הנכונה כדי לנתח נכון את הנתונים. שיטת היינון חיונית לפירוש ספקטרום המסה. קיימות שיטות יינון שונות, וניתן לחלק אותן לשתי קטגוריות: יינון קשה ויינון רך.
שיטות יינון קשות משתמשות בכמויות מוגזמות של אנרגיה על הדגימה במהלך היינון, וכתוצאה מכך פיצול הדגימה. שיטות יינון רכות משתמשות בפחות אנרגיה עודפת כדי ליינן את הדגימה, והתוצאה היא פיצול קטן.
קיימות מגוון שיטות יינון זמינות, והשיטה בה משתמשים תלויה במטרות הניסוי ובמאפייני המדגם.
2. האצה
בנתח המסה, היונים מואצים באמצעות הפרש פוטנציאלים וממוקדים לכדי קרן. המטרה בהאצת היונים היא לתת לכל המולקולות את אותה אנרגיה קינטית. היונים נמצאים בין לוחות מקבילים טעונים, שם הם נמשכים או נדחים בהתאם למטענם החשמלי. התאמת המטען על גבי הלוחות שולטת במהירות התאוצה.
קיימים מספר סוגים של מנתחי מאסה, לכל אחד מקום משלו בניסויים וביישומים שונים. אפשר לשלב מנתחי מסה ליצירת ספקטרומטריות מסה בפורמט של אחד אחרי השני או בצורה משולבת. כך ניתן לשפר את תוצאות הניסוי וליצור ניסויים בתפוקה גבוהה יותר.
3. הסטה
אלומת היונים תעבור דרך שדה מגנטי או חשמלי, מה שגורם לקרן הטעונה להתעקם. רכיבים קלים יותר או בעלי מטען יוני גדול יותר, יסטו בזווית גדולה יותר מאשר רכיבים כבדים יותר או בעלי מטען יוני קטן יותר.
שדות מגנטיים מסיטים יונים על סמך המטען והמסה שלהם. אם מדובר ביון כבד או יון בעל 2 מטענים חיוביים או יותר - הוא מוסט הכי פחות. יונים שמוסטים הכי הרבה נוטים להיות קלים יותר או בעלי מטען חיובי אחד בלבד.
4. איתור
קיים מגוון גלאים למדידת הזמן הדרוש לחלקיק להגיע לגלאי, ועד כמה הוא מוסט על ידי השדה החשמלי / מגנטי, מה שמספק מידע נוסף בנוסף למסה. היונים בעלי המטען והמסה הנכונים יעברו לגלאי. כאשר היון פוגע במשטח, הגלאי מתעד את המטען/הזרם המושרה.
יחס m/z מנותח באמצעות היונים שפוגעים בגלאי. מספר היונים בגילויים שונים ייספר על ידי הגלאי. האותות הללו יכולים להיות קטנים למדי, כך שניתן להשתמש במגבר אלקטרוני, בכוס פאראדיי או בגלאי יון/פוטון. הנתונים המתקבלים משורטטים כספקטרום מסה.
אם כל החלקיקים מתחילים עם אותו מטען, רכיבים קלים יותר יגיעו תחילה לגלאי מכיוון שהמהירות תלויה במסה.
5. עיבוד נתונים
ספקטרומטריית מסה מייצרת סוגים שונים של נתונים, כולל זיהוי מולקולרי, הבהרת מבנה וניתוח כמותי. הנפוץ ביותר הוא ספקטרום המסה של שפע יחסי מול יחס m/z.
ספקטרומטרים מגיעים עם תוכנה משלהם, המשמשת לעתים קרובות לעיבוד הנתונים הדרושים ולניתוח הכמויות העצומות של נתונים שנוצרו. עם זאת, למעבדות יש לעתים קרובות כמה מכשירים של ספקים רבים ושונים. משמעות הדבר היא שמדענים חייבים להכיר מספר ממשקים שונים, ולהתמודד עם האתגר של חיבור כל המידע.
בחירת תוכנת ה-MS תלויה במספר גורמים: איזה מנתח מאסה נמצא בשימוש, סוג המדגם המנותח, מטרות כלליות של הניתוח ושילוב כל הנתונים בממשק אחד.
יתרונות של ספקטרומטריית מאסה
ספקטרומטריית מסה היא טכניקה רגישה, ומאוד מדויקת ומהירה בהשוואה לטכניקות אחרות. ניתן להשתמש בה כדי לזהות ולכמת רכיבים ידועים או לאשר נוכחות של רכיבים בדגימה. כאשר ספקטרומטריית מסה מבוצעת על ידי מומחה, היא מניבה תוצאות מדויקות ביותר וניתנות לשחזור. כמו כן ניתן להשתמש בשיטה זו כדי לכמת במדויק מספר רב של מולקולות בו-זמנית.
שילוב בין ספקטרומטריית מסה עם טכניקות אחרות - כמו כרומטוגרפיית גז (GC/MS) או כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC/MS) - הופך אותה לרב-תכליתית ומדויקת ברמת הכימות שהיא מספקת. אופטימיזציה של שיטת ההכנה לשימוש משולב זה, יכולה להגביר משמעותית את הרגישות.
חסרונות ומגבלות של ספקטרומטריית מסה
כמו בכל דבר, יש גם כמה מגבלות לשיטת מדידה זו. היא עשויה להיות יקרה מכיוון שהיא דורשת חומרים וציוד ברמה משמעותית. כמו כן מדובר בטכניקה הרסנית, וכדי לקבל את התוצאות הטובות ביותר יש צורך בדגימות טהורות.
ספקטרומטריית מסה חייבת להתבצע על ידי מפעיל מיוחד, ואין מערכות רב תכליתיות של ספקטרומטרים. השיטה אינה יכולה להבדיל בין איזומרים של המולקולה עם אותו יחס m/z. כדי להפריד אננטיומרים, ייתכן שיידרשו עמודות כיראליות. השיטה גם לא מסוגלת להפריד איזומרים אופטיים וגיאומטריים, מכיוון שספקטרומטר מסה לא יכול לזהות פחמימנים המייצרים יונים דומים.
Comments