SPEKTROMETRIA MAS

Replika spektrometru Thomsona

Historia spektrometrii mas zaczęła się od badań wielu uczonych nad przewodzeniem prądu elektrycznego przez gazy i towarzyszącemu mu świeceniu. W 1886 roku Eugen Goldstein odkrywa promieniowanie anodowe (kanalikowe). Obserwował on, że przeprowadzając wyładowanie w gazie pod niskim ciśnieniem, za otworkami w anodzie powstaje świecenie za tymi otworkami. Badania takie, prowadzone przez Joseph John Thomson na Uniwersytecie w Cambridge, doprowadziły do odkrycia elektronu w 1897 roku. Za te badania Thomson otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1906 roku. Wilhelm Wien w 1899 r. zademonstrował urządzenie (separator Wiena), w którym jony poruszały się w prostopadłych polach elektrycznych i magnetycznych, wydzielając jony o określonej prędkości, były odchylane w samym w polu magnetycznym rozdzielając się w zależności od stosunku ładunek do masy. Wien stwierdził, że stosunek ładunek do masy zależy od rodzaju gazu w rurze. J.J. Thomson w 1911 roku poprawił układ Wiena przez zmniejszenie ciśnienia, tworząc spektrograf masowy. Używając spektrografu masy, odkrył w 1913 roku izotopy neonu.

Na początku XX wieku Thomson zaobserwował, że promieniowanie katodowe (wiązka elektronów) może zostać odchylone przez pole elektrostatyczne. Urządzenie, w którym zaobserwowano to zjawisko, jest prekursorem spektrometru mas. Thomson nie poprzestał na obserwacji odchylenia wiązki elektronów i zaczął badać odchylenia wiązek różnych jonów. Badania te doprowadziły do powstania w latach 1899-1911 pierwszego spektrometru mas, nazwanego przez Thomsona parabola spectrograph. W urządzeniu tym jony były poddawane działaniu równoległych pól elektrycznego i magnetycznego, co powodowało odchylenie toru ich lotu. Jony o różnej energii charakteryzowały się różnym stopniem odchylenia w kierunku równoległym do linii pola, a o różnym pędzie – w kierunku prostopadłym. Detektorem spektrometru Thomsona była płyta fotograficzna lub ekran fluorescencyjny. Jony o takim samym stosunku m/z tworzyły na ekranie obraz w postaci paraboli o określonym parametrze; pojawienie się kilku parabol o różnych parametrach było dowodem istnienia izotopów.

Po I wojnie światowej współpracownik Thomsona, Francis William Aston, zbudował spektrometr mas o znacznie większej rozdzielczości. Spektrometr ten pozwolił na obserwację izotopów. Za zbudowanie spektrometru mas i odkrycie wielu niepromieniotwórczych izotopów Astonowi przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1922 roku. W tym samym czasie Arthur Jeffrey Dempster, podobnie jak Aston, udoskonalił analizator magnetyczny. Dempster opracował także stosowaną do dziś metodę jonizacji substancji za pomocą strumienia elektronów (źródło jonów EI).

Thomson, Aston i Dempster stworzyli teoretyczne podstawy do rozwoju spektrometrii mas. Dziś, ponad sto lat od pierwszych doświadczeń Thomsona, spektrometry mas są niezastąpionym narzędziem w pracy fizyków, chemików, biologów i lekarzy prowadzących badania naukowe na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej. Coraz częściej spektrometry mas są stosowane w przemyśle, wojsku, policji i innych instytucjach.

Biologia molekularna jest jedną z dziedzin intensywnie korzystających ze spektrometrii mas. Analiza wielkocząsteczkowych biopolimerów takich jak białka i kwasy nukleinowe nie byłaby możliwa bez wykorzystania łagodnych metod jonizacji – elektrorozpylania (ESI) i desorpcji laserowej z udziałem matrycy (MALDI). W roku 2002 Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii Johnowi Fennowi i Koichi Tanace za zastosowanie metod łagodnej jonizacji w badaniach wielkocząsteczkowych biopolimerów.