Spektrometria mas (MS, z ang. mass spectrometry) – technika analityczna zaliczana do metod spektroskopowych, której podstawą jest pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu.
Pierwszy spektrometr mas został zbudowany przez J.J. Thomsona w 1911 roku. Współcześnie istnieje wiele odmian tej techniki, z których każda ma inne zastosowanie i wymaga stosowania aparatów o innej konstrukcji. Wszystkie te techniki są jednak oparte na jonizacji cząsteczek lub atomów, a następnie zliczeniu jonów w funkcji ich stosunku masy do ładunku (m/z). Wyniki działania spektrometru mas są przedstawiane w postaci tzw. widma masowego.
thumb|Przykład widma masowego. Widmo masowe mieszaniny peptydów wykonane przy pomocy spektrometru mas ESI-Q-TOF (spektrometr tandemowy z jonizacją typu electrospray i dwoma analizatorami – kwadrupol i TOF). Oś pozioma:stosunek masy (m) do ładunku (z) jonu. Oś pionowa: liczba zliczeń danego jonu przez detektor Spektrometria mas służy do: identyfikacji związków chemicznych i ich mieszanin, ustalania struktury związków chemicznych, ustalania ich składu pierwiastkowego, ustalania składu izotopowego analizowanych substancji, co m.in. umożliwia określenie ich źródła pochodzenia precyzyjnego ustalania składu złożonych mieszanin związków o dużych masach molowych w proteomice, metabolomice, badaniach materiałowych i chemii polimerów.
Budowa i działanie spektrometru mas thumb|Schemat ideowy zasady działania spektrometru mas Niezależnie od konstrukcji i przeznaczenia, we wszystkich spektrometrach mas występują następujące elementy: źródło jonów (jonizator) – urządzenie, w którym następuje jonizacja cząsteczek przy użyciu różnorodnych technik, z których część prowadzi do pękania wiązań chemicznych, na skutek czego dochodzi do ich podziału na mniejsze fragmenty. Inne techniki powodują tylko naładowanie cząsteczek bez ich fragmentacji, analizator – w którym wcześniej powstałe jony ulegają rozdziałowi na podstawie stosunku ich masy do ładunku. detektor – urządzenie „zliczające” jony napływające z analizatora.
Działanie tradycyjnego spektrometru mas opiera się na odchylaniu strumienia jonów badanej substancji w polu magnetycznym bądź elektrycznym, dlatego analizowane cząsteczki muszą mieć ładunek elektryczny. Wewnątrz spektrometru mas panuje próżnia, dzięki czemu ruch jonów nie jest zakłócany przez zderzenia z cząsteczkami gazów i określony jest przez oddziaływanie cząstki z polem elektrycznym i magnetycznym.
Pierwszym przedziałem spektrometru mas jest źródło jonów. Urządzenie to przeprowadza substancje analizowane w spektrometrze w jony unoszące się w próżni. Zjonizowane cząsteczki przechodzą do dalszych przedziałów spektrometru mas, gdzie formowana jest wiązka jonów. Wiązka ta jest kierowana do analizatora masy.
Analizator masy rozdziela jony ze względu na stosunek ich masy do ładunku. Jony kierowane są do detektora, który zamienia w sposób ilościowy sygnał w postaci prądu jonowego na sygnał elektryczny, który jest rejestrowany przez komputer w postaci widma stosunku masy do ładunku elektrycznego (nazywanego często widmem masowym). W widmie takim na osi poziomej odłożone są stosunki mas do ładunków w thomsonach (1 Th = 1 dalton / liczba ładunków elementarnych jonu), na osi pionowej intensywności (liczba jonów zarejestrowanych przez spektrometr).
Określanie masy cząsteczek Ze stosunku masy do ładunku jonu można zwykle wywnioskować, jaka była masa cząsteczkowa analizowanego związku chemicznego lub jego fragmentu. Metody jonizacji w niektórych spektrometrach mas są tak dobrane, aby ładunek (z) był dla większości jonów równy 1, a zatem przy interpretacji widma można przyjąć, że m/z odpowiada po prostu masie cząsteczkowej jonu. Masa cząsteczkowa jednokrotnie zjonizowanego jonu jest w przybliżeniu równa masie cząsteczkowej niezjonizowanej cząsteczki tylko wtedy, gdy jonizacja jest dokonywana przez dołączenie elektronu (ze względu na bardzo małą masę elektronu). Jeśli do cząsteczki dołączany jest proton, to masa jonu jest większa od masy substancji niezjonizowanej o masę protonu (1,00727646688 Da).
Masę badanego związku chemicznego określa się, na podstawie miejsca występowania w widmie sygnału powstałego z jego niepofragmentowanego jonu, przez uwzględnienie masy cząstek jonizujących, według wzoru:
gdzie: – masa wyjściowej cząsteczki, która ulegała jonizacji bez fragmentacji – wartość odczytana widma dla niepofragmentowanego jonu, odpowiadająca stosunkowi masy analizowanej cząsteczki w daltonach do liczby ładunków elementarnych (z) które niósł z sobą jon, który wygenerował analizowany sygnał; – suma mas (w daltonach) cząstek lub jonów, które nadały ładunek poprzez przyłączenie się do wyjściowej cząsteczki (masa protonu – 1,00727646688 Da; masa elektronu około 0,00054862 Da). Jeśli jonizacja następuje na skutek oderwania cząstki to jej masy nie odejmuje się a dodaje.
Jeżeli cząstką dołączaną lub odrywaną jest elektron, jego masę można pominąć.
Przykładowo na przedstawionym wyżej diagramie pik odpowiadający m/z = 435,776 Th może pochodzić od: jonu posiadającego jeden ładunek elementarny, powstałego przez oderwanie elektronu z cząsteczki o masie 435,776 Da (masa elektronu jest pomijalnie mała), jonu posiadającego jeden ładunek elementarny wskutek przyłączenia jednego protonu, powstałego z cząsteczki o masie 435,776 − 1,007 = 434,769 Da, jonu posiadającego dwa ładunki elementarne, który powstał przez oderwanie dwóch elektronów z cząsteczki o masie 435,776 · 2 = 871,552 Da (masę dwóch elektronów pominięto), jonu posiadającego dwa ładunki elementarne wskutek oderwania jednego elektronu i przyłączenia jednego protonu, powstałego z cząsteczki o masie 435,776 · 2 − 1,007 = 870,545 Da (masę elektronu pominięto), jonu posiadającego dwa ładunki elementarne wskutek przyłączenia dwóch protonów, powstałego z cząsteczki o masie 435,776 · 2 − 1,007 · 2 = (435,776 − 1,007) · 2 = 869,538 Da.
Ustalenie dokładnej masy analizowanego związku nie jest oczywiste nawet z użyciem technik jonizacji nieprowadzących do fragmentacji. Znając warunki jonizacji oraz analizując całe widmo można jednak w pokazanym przykładzie odrzucić większość przypuszczalnych źródeł sygnału 435,776. W warunkach jonizacji przez elektrorozpylanie, która była zastosowana do otrzymania omawianego widma, powstanie jonu posiadającego dwa ładunki elementarne jest najbardziej prawdopodobne na skutek oderwania jednego elektronu i przyłączenia jednego protonu. W widmie występuje też pik przy wartości 870,553 Th, który najprawdopodobniej pochodzi od cząsteczki o masie 870,553 Da. Prezentowany tu wywód dotyczy analizy widma niewielkiej rozdzielczości, gdzie nie jest możliwe rozróżnienie pików izotopowych. Prezentowane widmo zostało zarejestrowane z rozdzielczością pozwalającą na rozróżnienie poszczególnych pików obwiedni izotopowej.
thumb|Obwiednia izotopowa peptydu o masie 859,5 Da zarejestrowana spektrometrem Q-TOF. Pierwszy pik to pik monoizotopowy. W piku tym występują tylko atomy dominujących izotopów. W cząsteczkach tworzących pik drugi występuje po jednym atomie izotopu cięższego o 1 Da od izotopu dominującego. W trzecim piku występują dwa takie atomy, a w czwartym – trzy.
Obwiednia izotopowa Większość pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie ma kilka izotopów. Zwykle jeden izotop dominuje, pozostałe występują w mniejszej ilości. Różnice w masie cząsteczek powodowane przez występowanie izotopów są widoczne na widmach masowych, co oznacza, że jeden związek chemiczny lub jego fragment tworzy na widmie kilka pików.
Wymiana jednego atomu izotopu lżejszego na cięższy w cząsteczce zmienia jej masę o różnicę między masami tych izotopów. Gdy zatem występują cząsteczki, które różnią się tylko jednym izotopem, są one widoczne w widmie w postaci dwóch pików. Gdy uwzględnić dwa izotopy jednego atomu lub izotopy dwóch atomów, w związku chemicznym występować mogą już cząsteczki o trzech różnych masach, co prowadzi do trzech sygnałów w widmie masowym. W przypadku dużych cząsteczek, takich jak białka, możliwa jest obserwacja nawet kilkudziesięciu pików izotopowych. Charakterystyczny wzór pików, albo kształt jednego piku wypadkowego powstałego ze zlania pików składowych, pochodzących od różnych form związku chemicznego zawierającego atomy różnych izotopów, nazywa się obwiednią izotopową. Dla określenia charakterystycznego wzoru pików izotopowych używa się także terminu rozkład izotopowy.
Wiedząc, jaka jest różnica pomiędzy masami podstawowych izotopów pierwiastków występujących w związku chemicznym, można określić liczbę ładunków elementarnych poszczególnych jonów. Najczęściej różnica masy pomiędzy kolejnymi izotopami jednego pierwiastka wynosi 1 Da, zatem jeśli w widmie występują piki przesunięte o 1 Th, sugeruje to, że analizowany jon posiadał pojedynczy ładunek elementarny. Jeśli przesunięcie bliskich sobie pików izotopowych wynosi 0,5 Th to znaczy to, że cała seria sygnałów w ramach tej obwiedni pochodzi od jonów, które miały podwójny ładunek elementarny.
Ogólnie, w ramach jednej obwiedni ładunek jest w przybliżeniu równy wielokrotności masy neutronu (ok. 1 Da), a kolejne piki izotopowe są przesunięte o m/z kolejnych izotopów (gdzie m jest masą izotopu). Gdy w jednym obszarze widma występują jednocześnie sygnały, których przesunięcie wynosi 1 i 0,5 Th, wskazuje to na fakt nałożenia się na siebie dwóch lub więcej obwiedni izotopowych, pochodzących od dwóch lub więcej zestawów jonów o stosunku mas 1 do 2. Takie sytuacje zdarzają się szczególnie często w analizach MALDI/TOF badających cząsteczki znacznie różniące się masą z niejednorodnych mieszanin polimerów.
Gdy warunki jonizacji pozwalają na tworzenie się jonów o dwóch różnych ładunkach, powstających ze strukturalnie jednakowych fragmentów cząsteczki, to wówczas w widmie widoczne są dwie lub więcej obwiednie izotopowe dla tych fragmentów. Bardzo komplikuje to analizę widma. Z tego względu wiele technik jonizacji stara się zapobiegać tego rodzaju sytuacji.
Większość związków organicznych, w których dominują atomy węgla, stosuje się do tej reguły i ułatwia rozpoznanie w widmie jonów wielokrotnie zjonizowanych. Wynika to z występowania węgla 12C i 13C różniących się masą o 1 Da. W przypadku gdy w związku występują znaczne ilości atomów pierwiastków posiadających izotopy różniące się masą o 2 i więcej Da (np.: chlor), wówczas analiza obwiedni izotopowych bardzo się komplikuje. Na podstawie charakterystycznej obwiedni izotopowej można często wnioskować o składzie pierwiastkowym badanego związku chemicznego. Tego typu analizy przeprowadza się zazwyczaj przy pomocy specjalistycznych programów komputerowych.
thumb|Rozdzielczość spektrometru mas. Linie niebieskie ilustrują jak wyglądałoby widmo zmierzone przez analizator o rozdzielczości nieskończenie wielkiej, linie zielona i czerwona – widmo zmierzone przez analizatory o rozdzielczości 200 i 2000 (wszystkie 3 przypadki dotyczą tej samej substancji).
Rozdzielczość spektrometru mas Rozdzielczość jest jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących spektrometr mas. Miarą rozdzielczości spektrometru jest zdolność do rozróżnienia dwóch jonów o pewnej różnicy stosunku masy do liczby ładunków elementarnych jonów (m/z). Spektrometr o rozdzielczości 1000 umożliwia rozróżnienie dwóch cząsteczek o m/z równym np. 1000 i 1001. Można przyjmować różne kryteria określenia rozdzielczości. Najczęściej uznaje się, że jeśli na widmie m/z dolina pomiędzy sąsiadującymi pikami od dwóch jonów jest głębsza niż 50% wysokości niższego piku, to są one rozróżnione.