Spektroskopi Massa (MS) ~ CHEMISTRY 35

Sejarah

Pada tahun 1886, Eugen Glodskin mengamati sinar dalam gas tidak bermuatan pada tekanan rendah yang berpindah dari anoda dan melalui chanels dalam lubang katoda, berlawanan dengan arah muatan negative sinar katoda ( yang berpindah dari katoda ke anoda). Goldstrein menyebutnya dengan muatan positif sinar anoda. “ kanalstraklen “, dalam bahasa inggris disebut ‘ canal rays ‘. Wilhelm Wien menemukan bahwa medan listrik dan medan magnet yang kuat membelokkan sinar canal, pada tahun 1899, di buatlah peralatan madan magnet dan medan listrik parallel yang dapat memisahkan sinar positif berdasarkan perbandingan muatan per massa ( Q/M ). Wiem menemukan bahwa rasio muatan per massa bergantung pada sifat gas dalam tabung tidak bermuatan, panamuan Wien dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan massa spectrograph.
Aplikasi pertama dari spektrometri massa adalah untuk ,menganalis asam amino dan peptide yang di laporkan tahun 1958. Carl-Ove Andersson mengobservasikan Ion-ion fragmen utama dalam metil ester.
Beberapa teknik modern dari massa-spectrometry di fikirkan oleh Arthur Jeffrey Dempster dan f.w Aston pada tahun 1918 dan 1919. Tahun 1989 Hains Dehmelt dan Wilfgang Paul memperoleh nobel dalam bidang fisika untuk teknik perangkat pengembangan. Hadiah nobel dalam bidang kimia di peroleh John Bennett Fenn untuk pengembangan electrospray ionization ( ESI ) dan Koichi Tanaka untuk pengembangan Sof Laser Desorphion ( SLD ) dan aplikasinya pada ionisasi makromolekul biologi seperti protein.
Kata spectrograph telah di gunakan sejak tahun 1884 sebagai “ International Scientific Vocabulary “. Akar katanya adalah gabungan dari spektrum dan phot-ograph-ic. Peralatan spektroskop di gunakan untuk mengukur rasio massa atau muatan disebut massa spektroskopi terdiri dari instrument yang dapat merekam nilai spectrum masa pada sebuah plat photographic. Spectroscopy massa sama dengan spetograph massa kecuali ion sinar yang langsung terhubung dengan layar phosphor. Konfigurasi spektoskopi massa digunakan dalam instrument ketika diinginkan bahwa efek penyesuaian dapat diobservasi dengan cepat.
Baru-baru ini kedua instrument ini digabungkan. Specthroscopy massa yang meggunakan layar phosphor diganti dengan oscilloscope agar dapat memberikan penerangan secara langsung. Pengguanaan istilah spektroscopy massa tidak di beranikan sekarang karena kumungkinan membigungkan dengan alat spectroscopy pada umumnya, oleh karena itu sekarang di gunakan istilah Massa spektrometri yang di singkat mass-spsec (MS). Thomson juga menulis bahwa spectroscope sama dengan massa spectrograf, dengan sumber ion di hubungakan secara lansung dengan layar phosphor. Akhiran-scope disini bermakna pengamatan daerah ( range ) massa.

Mekanisme umum MS

MS adalah teknik analisis yang mengukur perbandingan massa dengan muatan. MS digunakan untuk menentukan massa partikel, komposisi unsur dari suatu sampel atau molekul serta untuk menuangkan struktur kimia dari molekul, seperti peptida dan senyawa lainnya. Prinsip MS adalah pengionisasian senyawa kimia menghasilkan molekul atau fragmen molekul dan mengukur rasio massa / muatan.

Gambar 1: komponen dan proses kerja MS
Secara umum prosedur MS :

Sampel di masukkan dalam instrument MS dan mengalami penguapan.
Komponen dari sample diionisasikan ,dapat digunakan berbagai metode ,salah satunya mengenai nya dangan sinar berelectron, sehingga menghasilkan partikel bermuatan ( ion).
Ion di pisahkan berdasarkan rasio massa atau muatan dalam analizer oleh medan elektromagnetik.
Ion-ion dideteksi, metode yang di gunakan biasanya kuantitatif.
Sinyal ion diproses menjadi spectra massa.

Instrument MS terbagi 3 bagian :

Sumber ion-ion mengubah molekul sample dari fasa gas menjadi ion-ion ( memindahkan ion-ion dalam larutan menjadi fasa gas )
Massa analyzer memilih ion-ion berdasarkan massanya dengan menggunakan medan elektromagnetik.
Detektor : mengukur nilai kuantitas dan menyediakan data untuk menghitung kelimpuhan masing-masing ion.

Teknik yang di gunakan adalah kualitatif dan kuantitatif, meliputi identifikasi suatu senyawanya, menentukan komposisi isotop unsure dalam molekul dan menentukan struktur senyawa dengan mengamati fragmen-fragmen nya. Penggunaan lain, menghitung jumlah senyawa dalam sample dan mempelajari kimia ion fasa gas ( kimia ion dan neutron dalam vakum ). MS sekarang sangat umum di gunakan dalam labor analitik yang mempelajari sifat fisika atau sifat biologi dari senyawa-senyawa yang luar biasa bervariasi.
Contoh sederhana aplikasi pada mass-spect, contoh berikut mendeskripsikan operasi mass analizer yang merupakan sector penting dari MS. Sample natrium klorida dalam komponen sumber ion, di uapkan ( membentuk gas ) dan diionkan ( di rubah ke dalam partikel yang bermuatan listrik ) Ion natrium ( Na ) dan klorida (C1). Atom natrium adalah monoisotop, dengan massa sekitar 23 amu. Atom klorida dan ion terdiri dari 2 isotop dengan kelimpahan 75 % 35 amu dan 25% 27 amu. Bagian analizer terdiri dari medan magnet dan medan listrik yang menggunakan sumber ion-ion yang berpindah melalui medan ,kecepatan partikel bermuatan dapat di tingkatkan atau di turunkan ketika melalui medan listrik dan arah tersebut dapat diubah oleh medan magnet. Tingkat pembelokan pada ion-ion yang bergerak bergantung pada rasio massa atau muatan ion-ion tersebut. Ion-ion yang lebih besar massa atau muatannya lebih sulit di belokkan oleh sumber magnet dari pada ion yang massa atau muatannya kecil, sesuai dengan hukum ke 2 newton f = m.a. Arus yang melewati analizer masuk ke defector, detektor merekam kelimpahan relatif masing-masing ion. Informasi ini di gunakan untuk menghitung kelimpahan relative masing-masing tipe ion. Sehingga dapat di gunakan untuk menentukan komposisi sampel ( natrium dan klorin ) dan komposisi isotop ( perbandingan 35 C1 dan 37 C1 ).

Gambar 2: Proses kerja pemisahan ion berdasarkan massanya pada MS

Komponen MS

1. Teknologi sumber ion

Sumber ion adalah bagian MS yang berfungsi untuk mengionkan material analit. Ion kemudian di transfer oleh medan listrik dan medan magnet ke massa analizer . Karena ion sangat reaktif dan massa hidupnya singkat, pembentukan dan pemanipulasian harus di lakukan di ruang vacum, tekanan atmosfer sekitar 760 toor. Tekanan ion dapat di gunakan sekitar 10 sampai 10 torr. Pada umumnya, ionisasi di pengaruhi oleh energy sinar yang tinggi dari electron, dan pemisahan electron di capai dengan meningkatkan dan memfokuskan sinar ion, yang kemudian di bengkokkan oleh medan magnet eksternal. Ion –ion kamudian di deteksi sehingga menghasilkan informasi dan di analisis dalam computer.
Jantung spectometer adalah sumber ion ( gambar 2), disini molekul sample ( titik hitam ) di hancurkan oleh electron ( garis biru ) dikeluarkan dari filaman panas. Ini disebut sumbar EI ( electron-impact ). Gas dan sampel volatil padatan dan cairan non volatil dapat di hubungkan secara lansung. Cation dibentuk oleh pembom electron ( titik merah ) yang di dorong oleh plat repeller lain, mempunyai celah yang berbanding terbalik dengan massa tiap-tiap ion. Ion berat di belokkan lebih sulit dangan memvariasikan medan magnet, ion yang mempunyai massa berbeda dapat difokuskan untuk di lanjutkan ke defector.

Gambar 3: Proses pengionan sampel

Katika electron berenergi tinggi bertumbukan dengan molekul analit akan terjadi ionisasi dengan mengetuk salah satu electron molekul ( electron ikatan dan non ikatan ). Ini meninggalkan ion molekul ( berwarna merah gambar 3 ). Energy yang tersisa dari tumbukan dapat menyebapkan ion molekul terbagi menjadi bagian neutron ( warna hijau ) dan bagian ion yang lebih kecil ( warna pink dan orange ). Ion molekul adalah kation bebas, tetapi fragmen ion dapat berupa kation bebas ( pink ) atau karbokation ( orange ) bergantung pada sifat neutron.

Gambar 4: Fragmen – fragmen analit saat diionisasikan
Teknik ionisasi adalah kunci menentukan apakah tipe sampel yang dapat dianalisis oleh MS. ionisasi electron dan ionisasi kimia digunakan untuk gas dan uap. Dalam sumber ionisasi kimia, analit di ionisasikan oleh reaksi ion-molekul selama tumbuhan dan dua teknik yang ini sering digunakan pada sampel cairan atau padatan biologis meliputi ionisasi electrospray ( di kembangkan oleh John Fenn ) dan matrix-assisted laser desorption / ionization ( MAIDI di kembangkan oleh K. Tanaka ).
Inductively Couple Plasma ( ICP ), sumber yang digunakan untuk menganalisis kation. Plasma keseluruhannya adalah listrik netral, tetapi punya fraksi atom yang terionisasi oleh temperature tinggi, digunakan untuk mengatokan molekul sampel selanjutnya memotong electron terluar dari atom ini. Plasma biasanya dihasilkan dari gas argon, energy ionisasi pertama gas argon lebih tinggi dari ite, O,F dan Nc, tetapi lebih rendah dari energy ionisasi kedua untuk semua unsure kecuali arus logam frekuensi yag melewati coil sekeliling plasma.

2. Teknologi Penganalisis Massa ( Mass Analyzer )

Mass Analzer memisahkan ion berdasarkan perbandingan massa dengan muatan. Dua hukum dinamika muatan partikel dalam medan magnet dan medan listrik dalam vakum
F = Q ( E+V+B ) hukum lorentz
F = ma
( Hukum kedua neoton pada kasus non relative vistik, kecepatan ion lebih rendah dari kecepatan cahaya )
F adalah gaya yang dipilih untuk ion, m=massa ion
A= percepatan ion
Q= muatan ion
E= medn listrik
V X B vector kecepatan ion dan medan magnet
Persamaan disederhanakan
( M/Q ) a = E+V x B
Banyak massa analyzer yang dapat digunakan di antaranya :

Sector

Sector field mass analyzer manggunakan medan magnet dan medan listrik untuk meningkatkan kecepatan partikel bermuatan dan mengukur berdasarkan rasio massa atau muatan.
2.Time-of-flight
Menggunakan medan listrik untuk meningkatkan kecepatan ion-ion melalui pokusial sama, dan mengukur waktu yang di perlukan untuk mensapai defaktor. Jika partikel mempunyai muatan sama, energy kinetik sama dan kecepatan akan bergantung pada massa nya. Ion ringan akan mencapai defaktor terlebih dahulu.
3.Quadrupole mass filter
Menggunakan madan listrik yang bergerak-gerak untuk menstabilkan ion yang melewati medan rasio frekuensi ( rf ) quadrupole di buat 4 tangkai parallel. Hanya ion dalam batas mass atau muatan tertentu, tetapi nilai potensial terhadap muatan di biarkan tersapu dengan cepat. Quadrupole pertama bertindak sebagai massa filter dan quadrupole ke dua bertindak sebagai sel penumbuk dimana ion di pecah menjadi fragmen-fragmen. Fragmen yang di filter oleh quadrupole ke tiga yang selanjutnya dibiarkan melewati defector menghasilkan rumus fragmen ms/ms.
4.Three-dimensional qudrupole
Ion dapat juga di keluarkan dengan metode eksitasi resonansi, dimana tegangan eksitasi penggerak tambahan dipilih sebagai elektroda dan memerangkap tegangan amplitude atau frekuensi tegangan eksitasi di keluarkan untuk membawa ion-ion dalam kondisi resonansi dan di susun menurut perbandingan massa atau muatan.
5. Linear qudrupole ion trap
Sama dengan quadrupole ion trap, tapi pemerangkap ion 2 (2D)dimensi diganti dengan medan tiga dimensi ( 3 D )
3. Detektor
Unsure tarakhir dari MS adalah detector. Detector menghitung muatan yang terinduksi atau arus yang dihasilkan ketika ion dilewatkan atau mengenai suatu permukaan. Dalam scanning instrument, sinyal dihasilkan dalam detector selama scanning, dimana scanning massa dan menghitung ion sebagai m/z. menurut tipenya, beberapa tipe elektron multipileir digunakan, meliputi faradaycups dan detektor ion ke photon karena jumlah ion yang yang meninggalkan massa analizer cukup kecil, maka sering di gunakan Microchanels plate defector, defector ini terdiri dari sepasang logam pada permukaan dengan massa analizer atau daerah pemerangkap ion.
Karakteristik penganalisis

Mass Rosolving power

Adalah ukuran kemampuan membeda-badakan dua puncak yang perbedaannya kecil ( m/z )
2. Mass Accuracy
Rasio kesalahan pengukuran m/z di banding dengan kebenaran m/z biasanya di ukur dalam ppm atau mili massa unit.
3.Mass Range
Adalah batas m/z yang dapat di terima, yang di berikan oleh analizer.
4.Linear Dinamic Range
Batas yang menunjukkan bahwa sinyal ion linear dengan konsentrasi analit
4.Speed
Menunjukkan waktu awal dan akhir, percobaan di gunakan untuk menentuksn jumlah spectra per unit waktu yang dapat di hasilkan.
Spectrum massa biasanya di tampilkan sebagai grafik vertical menunjukkan rasio massa atau muatan dan horizonta menunujukkan kelimpahan relatif unsure.

Bentuk- Bentuk spectra MS