Jonizacja poprzez przyłączanie w spektrometrii mas

Szczegóły: Opublikowano: 18. April 2026

Spektrometria masowa (ang. Mass Spectrometry, MS) to technika analityczna pozwalająca na dokładny pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego jonu, co, przy znanym ładunku jonu pozwala obliczyć masę z dokładnością do pojedynczych atomów. Podstawowym warunkiem zastosowania spektrometrii mas jest posiadanie przez badane cząsteczki ładunku. Cząsteczka musi być jonem! Jeśli próbka zawiera cząsteczki obojętne należy nadać im ładunek poprzez jonizację.

W przypadku jonizacji polegającej na protonacji lub deprotonacji masa mierzona w spektrometrze będzie powiększona lub pomniejszona o masę protonu lub protonów przyłączonych lub odłączanych od cząsteczki analizowanej substancji. Jony tworzą się pod wpływem bombardowania substancji elektronami, atomami, jonami.

Techniki jonizacji

Etapem milowym w zastosowaniu spektrometrii mas w badaniach struktury i funkcji białek było wynalezienie metod łagodnej jonizacji. Przy wysokiej dokładności pomiarów wymaga niewielkich ilości i objętości próbki białka.

Spektrometria mas z jonizacją poprzez przeniesienie protonu (PTR-MS)

Spektrometria mas z jonizacją poprzez przeniesienie protonu (PTR-MS, z ang. Proton Transfer Reaction - Mass Spectrometry) to technika analityczna zaliczana do metod spektroskopowych, w których stosuje się pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu (m/z). Urządzenie PTR-MS to spektrometr mas, w którym jonizacja zachodzi poprzez reakcję przeniesienia protonu na cząsteczkę badanej substancji (analitu).

Zasada działania PTR-MS opiera się na wykorzystaniu reakcji jonów hydroniowych H3O+, z cząsteczkami oznaczanych substancji (analitów). W wyniku działania elektronów na cząsteczki wody powstaje szereg jonów, stanowiących potencjalne źródło jonów hydroniowych. Powstały w ten sposób strumień jonów hydroniowych kierowany jest do specjalnej komory, w której następuje reakcja wymiany protonu między nimi a molekułami oznaczanych analitów, obecnych w próbce gazowej, dostarczanej do urządzenia.

Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu

Powyższej reakcji ulegają jednak jedynie te związki, dla których powinowactwo do protonu (PA, ang. proton affinity) jest większe niż dla cząsteczki wody (691 kJ/mol). Związki, które mają mniejsze PA, nie ulegają protonowaniu i nie są widoczne w metodzie PTR-MS. Należą do nich podstawowe gazy, z których składa się powietrze (O2, N2, CO2 i Ar) oraz większość innych związków nieorganicznych. Z kolei większość związków organicznych ulegają protonowaniu - do wyjątków należą np. alkany, etylen i acetylen.

Dzięki temu, że w technice PTR-MS nie są wykrywane gazy nieorganiczne, bardzo dobrze nadaje się ona do określania zawartości śladowych ilości lotnych związków organicznych w powietrzu. PTR-MS ma zastosowanie m.in. w:

medycynie - np. analiza powietrza wydychanego przez człowieka pod kątem wykrywania substancji mogących stanowić markery chorób układu oddechowego czy innych narządów.
biotechnologii.
ochronie środowiska - np. określaniu stanu powietrza atmosferycznego.
produkcji żywności - np. ocena przydatności wybranych produktów spożywczych.

MALDI (Laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana matrycą)

Laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana matrycą (MALDI) jest najbardziej znaną i najczęściej stosowaną metodą do badania nielotnych, wielkocząsteczkowych, delikatnych cząsteczek biologicznych. Klasyczna procedura MALDI rozpoczyna się od powlekania analitu roztworem matrycy. Mieszaninę sporządza się z dużym naddatkiem molowym związku matrycowego (stosunek 1:1000-1:100 000), aby mógł on efektywnie ochronić molekuły przed destrukcyjnym działaniem promieniowania.

Po odparowaniu rozpuszczalnika i współkrystalizacji matrycy i analitu gotową do pomiaru próbkę umieszcza się we wnętrzu spektrometru i poddaje się ją krótkim impulsom lasera. Matryca silnie absorbuje wyemitowane promieniowanie i na skutek powstałej energii termicznej odparowuje z powierzchni razem z analizowaną substancją (desorpcja). W fazie gazowej dochodzi do dysocjacji matrycy i tworzenia się jonów (głównie H+, Na+, K+), które łączą się z cząsteczkami analitu i matrycy - zachodzi jonizacja. Naładowane cząsteczki są przyspieszane w polu elektrycznym i trafiają do detektora.

Do tradycyjnych związków matrycowych używanych w MALDI należą substancje organiczne posiadające wysoki współczynnik absorpcji UV, tj. krystaliczne pochodne kwasu benzoesowego (DHB) i cynamonowego (SA, CHCA) oraz jonowe kwasy i zasady. Najczęściej obserwowanymi jonami na widmach MALDI są pojedynczo naładowane dodatnie ([M+H]+, [M+Na]+, [M+K]+) i ujemne jony molekularne [M-H]- , natomiast jony wielokrotnie naładowane typu [M+nH]n+ i [nM+H]+ są spotykane rzadziej.

Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją

SALDI (Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization)

W roku 1995 Sunner i Chen rozwinęli badania nad nieorganicznymi matrycami do analiz metodą LDI. Dostrzegli duży potencjał chemicznie obojętnych cząstek grafitu i wykorzystali je do identyfikacji peptydów i białek. Zapoczątkowali tym samym wdrożenie nanomateriałowych powierzchni w miejsce konwencjonalnych, kłopotliwych matryc organicznych. Nanomateriałami określa się regularne struktury złożone z jednostek nie przekraczających 100 nm. Posiadają one szereg właściwości, które pozwoliły na sprzężenie z LDI:

Wysoki współczynnik absorpcji promieniowania lasera.
Duży stosunek powierzchni do objętości.
Prosta procedura przygotowania próbki.
Homogeniczny rozkład analitu.
Połączenie z analitem w oparciu o fizyczne i chemiczne powinowactwo.

Krystaliczne powierzchnie spełniają taką samą rolę jak matryce w MALDI, ale mechanizmy odpowiadające za desorpcję i jonizację są zgoła inne. Wzbudzenie powierzchni przebiega na zasadzie wytworzenia pary elektron-dziura (półprzewodniki) lub przez zajście powierzchniowego rezonansu plazmonowego, a efektywność zależy od jej budowy morfologicznej, stopnia porowatości oraz wielkości nanocząstek.

DIOS (Desorption/Ionization on Silicon)

Technika ta jest jedną z najczęściej stosowanych metod w identyfikacji peptydów, węglowodorów, kwasów i soli organicznych, związków metaloorganicznych. Porowate płytki krzemowe uzyskuje się na drodze elektrochemicznego wytrawiania krystalicznego krzemu w alkoholowym roztworze kwasu fluorowodorowego. Dostosowanie kształtu, wielkości i głębokości porów jest istotnym zadaniem, gdyż wpływa na przebieg procesu.

Optymalne wyniki uzyskuje się przy średnicy porów 50-100 nm i głębokości 400-700 nm. Powstające w wyniku wytrawiania reszty Si-H czynią warstwę silnie hydrofobową i są dobrym źródłem protonów potrzebnych do jonizacji. Niekiedy powłokę poddaje się aktywacji poprzez zastąpienie grup silanowych resztami silanolowymi (Si-OH), które wspomagają jonizację. Porowaty krzem posiada dużą powierzchnię aktywną do łączenia się z analitem i nie generuje sygnałów pochodzących od tła, co stwarza doskonałe warunki do analizy niskocząsteczkowych związków.

Obrazowanie tkanek zwierzęcych przy pomocy spektrometrii mas MSI

Istotą obrazowania jest wizualizacja rozkładu przestrzennego związków pochodzenia biologicznego i syntetycznego w badanym materiale biologicznym. Zestaw danych otrzymany metodą MSI jest wynikiem powiązanych ze sobą składowych, wśród których wyróżniamy: położenie punktu na powierzchni (x,y), stosunek masy do ładunku (m/z) oraz intensywność (I).

Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza

Energia pochodząca z lasera powoduje przejście cząsteczek biologicznych w stan gazowy, gdzie ulegają jonizacji i rozdzielane są zgodnie z ich stosunkiem m/z w spektrometrze masowym. Do separacji zjonizowanych cząstek najczęściej stosuje się analizator czasu przelotu ToF (ang. Time of Flight). Niezwykle atrakcyjnym aspektem obrazowania jest jego efektywność. Już podczas jednego eksperymentu jesteśmy w stanie uzyskać szczegółowe, rzetelne informacje na temat lokalizacji cząsteczek, istniejących modyfikacji potranslacyjnych, a także ustalić skład ilościowy danego związku.

Zastosowanie

Metody LDI sprzężone ze spektrometrią mas z powodzeniem znajdują zastosowanie w badaniu budowy i występowania syntetycznych związków chemicznych i molekuł wchodzących w skład złożonych układów biologicznych tj. tkanki, krew, osocze, mocz.

Tabela porównawcza technik jonizacji

Technika	Analizowane substancje	Zastosowanie
PTR-MS	Lotne związki organiczne	Medycyna, biotechnologia, ochrona środowiska, produkcja żywności
MALDI	Białka, peptydy, węglowodory, DNA	Analiza biomolekuł
SALDI	Peptydy, białka	Analiza biomolekuł z użyciem nanomateriałów
DIOS	Peptydy, węglowodory, kwasy organiczne, sole organiczne	Identyfikacja związków organicznych
MSI	Leki, metabolity, węglowodany, białka, peptydy, lipidy, polimery	Obrazowanie rozkładu przestrzennego związków w tkankach

tags: #jonizacja #poprzez #przylaczanie