thumb|250px|Een eenvoudige massaspectrometer 350px|thumb|rechts|Voorbeeld van MS-spectra en MS/MS-spectra van een amide Massaspectrometrie is een veelzijdige techniek, die gebruikt kan worden voor de identificatie, kwantificatie en profilering van isotopen, moleculen en molecuulcomplexen in zeer kleine hoeveelheden van chemische en biologische mengsels.
In een massaspectrometer worden individuele moleculen van het monster, afhankelijk van de ionisatietechniek, in de gasfase dan wel de vloeibare fase geïoniseerd. In de massaspectrometer worden de hierdoor gevormde ionen versneld in een zeer precies geregeld elektrisch veld en komen vervolgens in een magnetisch veld waar ze door de lorentzkracht een cirkelvormige baan volgen. De ionen worden ruimtelijk gescheiden op basis van hun massa/ladingsverhouding (m/z) waarna de detectie volgt. In een massaspectrum wordt de intensiteit uitgezet tegen de m/z waarden.
De massa wordt in de massaspectrometrie uitgedrukt in atomaire massa-eenheden (u): één atomaire massa-eenheid is een twaalfde van de massa van een koolstofatoom, dat is ongeveer de massa van een kerndeeltje (proton of neutron).
Monstervoorbereiding In een massaspectrometer heerst een hoog-vacuüm. Er zijn verschillende methoden om het monster in de massaspectrometer te brengen.
Wanneer een zuivere stof moet worden geanalyseerd, kan men soms volstaan met een eenvoudig inbrengen van een klein beetje van de stof in de ionisatiekamer, bijvoorbeeld door sublimatie.
Als een mengsel moet worden geanalyseerd, wordt vaak gebruikgemaakt van chromatografie om het mengsel te scheiden, en de componenten om de beurt in de massaspectrometer te brengen. Men spreekt van GC-MS wanneer gaschromatografie wordt gebruikt, en van LC-MS wanneer vloeistofchromatografie wordt gebruikt om het monster in componenten te scheiden. Men kan het instrument in zulke gevallen ook van de andere kant beschrijven: het is het gebruik van een massaspectrometer als detector voor een chromatografisch experiment.
Vooral wanneer LC wordt gebruikt moet vóór de uitstroom de massaspectrometer ingaat een groot gedeelte van de drager worden afgedampt zodat alleen het monster in zuivere vorm kan worden geanalyseerd. Vroeger was dit ook zo voor GC, maar sinds de introductie van zogenaamde 'capillaire kolommen' is dit niet meer nodig, omdat voor deze kolommen een veel lager dragerdebiet nodig is (ca. 1 ml/min) wat gemakkelijk door het vacuümsysteem verwerkt kan worden. Scheiding van de drager en de te meten stof vindt bij LC-MS plaats via diverse zogenaamde 'interfaces' die tussen de LC en de massaspectrometer worden geplaatst. Voorbeelden van interfaces zijn 'Moving Belt' (tegenwoordig niet meer gebruikt), Particle Beam (sporadisch gebruikt) en 'Atmospheric Pressure Ionization', een verzamelnaam voor 'Electrospray', 'Ionspray', 'Atmospheric Pressure Ionization' en 'Atmospheric Pressure Photo Ionization'. Atmospheric Pressure Ionization is tegenwoordig de meest gebruikte ionisatietechniek voor LC-MS
Soms worden ook andere scheidingstechnieken gebruikt zoals in CE-MS, waar gebruikgemaakt wordt van capillaire elektroforese.
Ionisatie De oudste, commercieel beschikbare, manier om het monster te ioniseren is door het monster in de gasfase met elektronen te bombarderen. De elektronen komen uit een gloeidraad die op enige afstand van het gasvormig monster wordt opgewarmd. De elektronen worden versneld tot ca. 70 eV. Wanneer ze met deze snelheid op een molecuul van het monster botsen, kan daarbij een positief moleculair ion worden gevormd (M+., de plus geeft de elektrische lading van het ion weer, de punt het feit dat het een radicaalmolecule betreft waarin een reactief ongepaard elektron aanwezig is).
Deze techniek voldoet goed voor eenvoudige monsters waarvan voldoende in de gasfase kan worden gekregen, en die ook niet meteen helemaal uit elkaar vallen door de ioniserende botsing. Andere oudere methoden voor ionisatie zijn de chemische ionisatie waarbij men het monster laat reageren met een positief ion, en FAB (Fast atom bombardment ofwel bombardement met snelle atomen).
Sinds ca. 1980 is gewerkt aan alternatieve ionisatiemethoden die minder eisen aan het monster stellen. Dit heeft geresulteerd in electrospray ionisatie, en de matrix assisted laser desorption/ionisation (kort MALDI). Voor deze beide technieken is in 2002 de Nobelprijs voor de Scheikunde uitgereikt. Deze ionisatietechnieken zijn zo zacht dat zelfs minuscule monsters van zeer gevoelige eiwitten kunnen worden geanalyseerd in een massaspectrometer.
Bij MALDI wordt een matrix gebruikt. Een matrix bestaat uit de kristallen van een chemische stof, die de energie van een laserpuls opvangen en via een nog niet geheel opgehelderd proces de analyten kunnen ioniseren.
Er is ook een aantal varianten van MALDI beschikbaar, waarbij geen matrix wordt gebruikt, maar een silica oppervlak.
Massascheiding De scheiding van de ionen naar snelheid kan op verschillende manieren gebeuren. De eenvoudigste manier om de snelheid van de ionen te kunnen detecteren is door de tijd te meten die ze doen over het afleggen van een bepaalde afstand. Dit wordt Time-Of-Flight massaspectrometrie genoemd. Het beste werkt deze techniek als alle ionen op hetzelfde moment worden gemaakt, zoals bij MALDI. Alle ionen die op hetzelfde moment vertrekken komen dan op verschillende tijden bij de detector aan. Het uitgangssignaal van de detector is bijna onmiddellijk een heel massaspectrum. De combinatie van MALDI ionisatie met TOF massascheiding levert de zeer populaire MALDI-TOF techniek op. Tegenwoordig wordt Time-Of-Flight massaspectrometrie in toenemende mate gebruikt in combinatie met LC. Veel massaspectrometers gebruiken een elektrostatische quadrupool: vier parallelle staven waarop een gelijkspanning met daarop gesuperponeerd een radio-frequente wisselspanning wordt aangesloten. Alleen ionen met een strikt bepaalde snelheid kunnen in de lengterichting langs de quadrupool komen, de rest wordt afgebogen en komt op enig moment tegen een van de staven terecht. Een instrument met een quadrupool kan een continu-stroom aan ionen aan, maar levert op elk moment slechts een signaal van één enkele massa. Voor het maken van een spectrum worden een groot aantal metingen achter elkaar gedaan waarbij de frequentie van de wisselspanning op de quadrupool wordt veranderd en daardoor steeds een andere massa wordt geselecteerd en bij de detector gemeten. In de praktijk is het echter eenvoudiger om de amplitude van de wisselspanning en gelijkspanning samen te veranderen met hetzelfde effect. De quadrupool fungeert dus als massafilter. Door een magnetisch veld dwars op de voortbewegingsrichting van de ionen te plaatsen, worden de ionen afgebogen. De mate van afbuiging is alleen afhankelijk van de massa/lading (m/z). In theorie zou men een hele rij detectoren aan het einde van de analysator kunnen plaatsen en een heel massaspectrum tegelijk opnemen. In de praktijk gebruikt men een enkele detector en moet, net als bij een quadrupool-instrument een spectrum worden opgenomen door een groot aantal metingen bij een enkele massa te maken. Dit gebeurt door de sterkte van het magnetische veld te veranderen. Een probleem bij deze techniek is de massaresolutie die kan worden behaald. Wanneer de ionen niet allemaal precies dezelfde snelheid hebben bij het binnengaan van de analysator, wordt het spectrum daardoor vervuild. Een mogelijke oplossing is het aanbrengen van een elektrostatische analysator vóór de magnetische analysator. Een transversaal elektrisch veld buigt de ionen ook af, maar de afbuiging is afhankelijk van de kinetische energie van het ion, en niet van de snelheid of massa. In de combinatie van de twee analysatoren dient de elektrostatische analyse als een filter waardoor een resolutie van 1:100.000 kan worden bereikt. Tegenwoordig wordt deze techniek steeds minder gebruikt door de opkomst van onder andere de Time-of-Flight techniek. Een compleet andere analysetechniek, FT-MS (Fourier Transform - massaspectrometrie) gebruikt een magnetisch veld waarin de ionen worden opgesloten. Een radio-puls brengt ze in resonantie. Dit resulteert in een resonantie-signaal dat in de tijd wordt gemeten. Door een Fourier-transformatie van het gemeten signaal wordt direct een heel massaspectrum geproduceerd. Deze techniek kan een heel hoge resolutie bereiken en heeft een bijzonder hoge efficiëntie.
Afleiding van de m/z-relatie voor magneetsector massaspectrometers De kinetische energie van een deeltje aan het eind van het te doorlopen potentiaalverschil bedraagt
De potentiële energie van een deeltje met elektrische lading aan het begin van het te doorlopen potentiaalverschil bedraagt
Deze energieën zijn in een massaspectrometer waarin de deeltjes in stilstand beginnen aan elkaar gelijk:
oftewel
waaruit volgt dat
De kracht op een bewegend geladen deeltje in een magnetisch veld (bewegingsvlak loodrecht op magneetveld) wordt gegeven door
De middelpuntzoekende kracht nodig om in een cirkelbaan te blijven is gelijk aan
Deze twee krachten moeten aan elkaar gelijk zijn:
oftewel
en dus
Wanneer beide uitdrukkingen voor de snelheid worden gecombineerd, dan wordt volgende uitdrukking verkregen:
waaruit volgt dat
Alle enkelvoudig geïoniseerde deeltjes (met eenheidslading e = 1,60217653 × 10−19 C) krijgen dus een baan met een kromtestraal waarvoor geldt:
waarbij: m de massa van het geladen deeltje in kilogram r de kromtestraal in meter V het doorlopen potentiaalverschil in volt B de grootte van het magnetisch veld in tesla
Detectie De ionen die door de analysator komen moeten uiteindelijk worden geteld. Dit wordt gedaan door het ion te laten botsen op een doel. Uit het doelmateriaal worden zo per ion een aantal elektronen losgeslagen. Het is mogelijk om deze minuscule stroom direct te meten, maar in de meeste instrumenten worden de losgemaakte elektronen opnieuw versneld en op een nieuw doelmateriaal gericht. Uit dat tweede doel worden per ion opnieuw een aantal elektronen losgeslagen. Dit proces wordt een aantal malen herhaald zodat een signaalversterking van ca. 1 miljoen wordt verkregen. Op deze manier kan elk ion dat de detector raakt betrouwbaar worden geteld.
Bij sommige systemen worden de elektronen na één stap op een fosfor scherm gericht, waar de stroom in licht wordt omgezet. In een beeldversterker wordt het lichtsignaal daarna verder versterkt. Dit maakt het mogelijk dat de eigenlijke detector zich buiten het vervuilende instrument bevindt, en daardoor langer mee gaat.
Hoeveelheden De hoeveelheden monster die nodig zijn voor een massaspectrum zijn erg klein. Elk individueel molecuul dat door het apparaat gaat wordt uiteindelijk geteld, en zelfs een paar honderd moleculen kunnen zo een significant signaal vormen. Bij de monstervoorbereiding en ionisatie gaat echter nog een groot gedeelte van het monster verloren. Afhankelijk van de techniek die gebruikt wordt om de massaseparatie uit te voeren kan het ook nog zo zijn dat tijdens een enkele meting slechts ionen van één bepaalde massa kunnen worden geteld, en alle andere ionen verloren gaan. Voor het maken van een volledig spectrum zijn dan een aantal tientallen tot honderdtallen metingen nodig, en daarom ook meer monster.
Al deze verliezen in ogenschouw genomen zijn normaal gesproken femtogrammen tot picogrammen van een stof nodig om een massaspectrum op te nemen.
Fragmentatie In een eenvoudige massaspectrometer wordt vaak een enkele quadrupool analysator gebruikt, maar zeker wanneer men geïnteresseerd is in fragmentatie en een zachte ionisatiemethode wordt toegepast, worden vaak meertraps instrumenten ingezet. Men refereert aan die techniek als MS-MS, of ook wel MSn met n=2 of 3 of 4.