Rys. 1 Schemat spektrometru mas z analizatorem https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas
Historia spektrometrii mas rozpoczęła się wraz z badaniami wielu naukowców nad przewodzeniem prądu elektrycznego przez gazy i związanym z tym blaskiem. W 1886 r. Eugen Goldstein odkrył promieniowanie anodowe (kanalikowe), a w 1898 r. Wilhelm Wien zauważył, że promieniowanie załamane w silnym polu magnetycznym rozszczepia się na osobne wiązki. Odkrył, że gdy gaz był rozładowywany pod niskim ciśnieniem, za otworami w anodzie pojawiała się poświata. Badania takie, prowadzone przez Josepha Johna Thomsona z Cambridge University, doprowadziły do odkrycia elektronu w 1897 roku. Za te badania Thomson otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1906 roku. W 1899 roku Wilhelm Wien wprowadził urządzenie (separator wiedeński), w którym poruszające się w prostopadłym polu elektrycznym i magnetycznym jony, emitujące jony z określoną prędkością, były odchylane w samym polu magnetycznym, rozdzielając się według stosunku ładunku i masy. Wien stwierdził, że stosunek ładunku do masy zależy od rodzaju gazu w rurze. W 1911 roku Thomson ulepszył system wiedeński, zmniejszając ciśnienie i stworzył spektrograf masowy. Za pomocą spektrografii mas odkrył izotopy neonu w 1913 r.
Na początku XX wieku Thomson odkrył, że promienie katodowe (wiązki elektronów) mogą być odchylane przez pole elektrostatyczne. Urządzenie, w którym zaobserwowano to zjawisko, jest prekursorem spektrometru mas. Thomson nie ograniczył się do obserwacji uginania wiązki elektronów, ale zaczął badać uginanie wiązek różnych jonów. Badania te doprowadziły do powstania pierwszego spektrometru mas w latach 1899-1911, który Thomson nazwał spektrografem parabolicznym. W tym urządzeniu jony były wystawione na działanie równoległych pól elektrycznych i magnetycznych, co powodowało odchylenia ich trajektorii. Jony o różnych energiach charakteryzowały się różnymi odchyleniami w kierunku równoległym do linii pola, a jony o różnym pędzie w kierunku prostopadłym do linii pola. Detektorem spektrometru Thomsona była klisza 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 na istnienie izotopów.
Rys. 2 Replika spektrometru Thomsona
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas
Rys. 3 Wysokorozdzielczy spektrometr mas https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas
Po I wojnie światowej kolega Thomsona, Francis William Aston, zbudował spektrometr mas o znacznie wyższej rozdzielczości. Spektrometr ten umożliwił obserwację izotopów. Aston otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1922 roku za budowę spektrometru mas i odkrycie wielu nieradioaktywnych izotopów. W tym samym czasie Arthur Jeffrey Dempster, podobnie jak Aston, pracował nad analizatorem magnetycznym. Dempster opracował również metodę jonizacji substancji za pomocą prądu elektronowego (źródło jonów NO), która jest nadal w użyciu.
Thomson, Aston i Dempster położyli teoretyczne podstawy dla rozwoju spektrometrii mas. Dziś, ponad sto lat po pierwszych eksperymentach Thomsona, spektrometry mas są nieodzownym narzędziem w pracy fizyków, chemików, biologów i lekarzy prowadzących badania naukowe na Ziemi i w kosmosie. Spektrometry masowe są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle, wojsku, organach ścigania i innych instytucjach. Biologia molekularna jest jedną z dziedzin, które szeroko wykorzystują spektrometrię mas. Analiza wielkocząsteczkowych biopolimerów, takich jak białka i kwasy nukleinowe, nie byłaby możliwa bez łagodnych metod jonizacji – elektrorozpylania (ESI) i desorpcji laserowej wspomaganej matrycą (MALDI). W 2002 roku Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii Johnowi Fennowi i Koichi Tanace za zastosowanie metod lekkiej jonizacji w badaniu biopolimerów wielkocząsteczkowych.
Rys. 4 Spektrometr MALDI-TOP ze zwierciadłem jonowym https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektrometria_mas
Tekst i redakcja: Maciej Gdala
