Spektrometria mas - ebook

WSTĘP – KILKA SŁÓW O MNIE I O TEJ KSIĄŻCE

W dobie wszechobecnego, ogólnodostępnego Internetu zdobycie potrzebnej informacji może wydawać się bardzo łatwe. Wystarczy, że wpiszemy odpowiednią frazę do wyszukiwarki i… – no właśnie – czy na pewno otrzymamy tę informację, na której nam zależy, i czy jest ona prawdziwa? Konieczna jest weryfikacja, porównanie różnych źródeł, co zawsze zabiera czas, a nie zawsze daje pozytywne rezultaty. Dlatego też za wcześnie jeszcze na ogłaszanie końca książek – drukowanych czy e-booków – jako źródła informacji. Książki są pisane – najczęściej – przez specjalistów, którzy znają temat, a ponadto są poddawane wnikliwej recenzji, więc informacje w nich zawarte są zweryfikowane. Oczywiście z książkami jest niemal tak samo jak z komputerami czy telefonami komórkowymi – z chwilą pojawienia się w sprzedaży stają się przestarzałe…. Na szczęście to „niemal” oznacza, że przynajmniej podstawy danej dziedziny opisane w książce pozostają aktualne.

Swoją przygodę ze spektrometrią mas rozpocząłem w 1989 r., kiedy po powrocie ze stażu podoktorskiego otrzymałem propozycję pracy w Zespole Spektrometrii Mas Instytutu Chemii Organicznej PAN. Do tej pory zajmowałem się syntezą organiczną, ale zawsze interesowały mnie metody spektroskopowe, więc propozycję przyjąłem. Zespołem, który, nawiasem mówiąc, nie miał ani jednego spektrometru mas, kierowała dr Elżbieta Baranowska. Udało się jej przekonać dyrekcję Instytutu co do celowości zakupu spektrometru mas i w 1991 r. został zakupiony klasyczny spektrometr magnetyczny o podwójnym ogniskowaniu mało znanej niemieckiej firmy AMD Intectra GmbH. Ten przyrząd funkcjonował w naszym laboratorium przez 20 lat – rekord godny podziwu. Na nim właśnie, pod kierunkiem dr Baranowskiej, zdobywałem swoje pierwsze doświadczenia w spektrometrii mas. W 1992 r., po przejściu dr Baranowskiej na emeryturę, zostałem kierownikiem zespołu. W miarę upływu lat Zespół Spektrometrii Mas wzbogacał się o kolejne spektrometry wykorzystujące różne metody jonizacji i analizy masy jonów. Pojawiły się także zestawy GC-MS i LC-MS, czyli złożone z chromatografu gazowego lub cieczowego sprzężonego ze spektrometrem mas. Jak okaże się w trakcie lektury tego podręcznika, dobrze wyposażone laboratorium musi dysponować co najmniej kilkoma różnymi typami spektrometrów mas, ponieważ w tej dziedzinie nie ma przyrządów uniwersalnych, które nadawałyby się do badania wszystkich rodzajów próbek. Równocześnie Zespół rozrastał się personalnie i – oprócz pomiarów serwisowych – rozpoczął także badania naukowe w dziedzinie spektrometrii mas, zarówno samodzielnie, jak i we współpracy z innymi jednostkami naukowymi.

W 1995 r. rozpocząłem wykłady ze spektrometrii mas dla doktorantów IChO PAN. Materiały do nich były zamieszczane na stronach internetowych Instytutu i wkrótce – bez mojej wiedzy i zgody – rozpowszechniły się w Sieci. Może dzięki temu zaczęto zapraszać mnie do prowadzenia wykładów ze spektrometrii mas w różnych uczelniach i instytutach naukowych, co robię do tej pory. W 2008 r. zaprzestałem prowadzenia wykładu monograficznego ze spektrometrii mas w IChO PAN, a zamiast niego zacząłem prowadzić wykłady na temat łącznego wykorzystania nowoczesnych metod spektralnych do ustalania budowy związków organicznych. Materiały do tego wykładu są dostępne na stronach internetowych IChO PAN.

W miarę zdobywania wiedzy i doświadczenia w obszarze praktycznej spektrometrii oraz nabywania umiejętności przekazywania tego słuchaczom moich wykładów, postanowiłem wykorzystać opracowane przeze mnie materiały wykładowe i napisać na ich podstawie podręcznik do spektrometrii mas. W 2019 r., w którym rozpocząłem pracę nad książką, na polskim rynku wydawniczym był dostępny jeden nowoczesny podręcznik do spektrometrii mas, napisany przez zespół autorów pod redakcją P. Sudera, A. Bodzoń-Kułakowskiej i J. Silberringa> wydany przez Wydawnictwa AGH w 2016 r. Uznałem, że warto spróbować przedstawić spektrometrię mas w inny sposób, kładąc większy nacisk na praktyczne zagadnienia związane z pomiarami widm masowych różnych próbek oraz interpretację tych widm na podstawie licznych przykładów. Na ile mi się to udało, oceni Czytelnik.

Zdecydowałem się rozpocząć książkę od krótkiego wprowadzenia historycznego, gdyż właśnie minęło 100 lat od pierwszych prac, których wynikiem było uzyskanie czegoś, co można już było nazwać widmem masowym. Treść tego rozdziału nie jest konieczna do zrozumienia materiału zawartego w książce, ale – moim zdaniem – warto wiedzieć, jak rozwijała się spektrometria mas.

Drugi rozdział można traktować jako wprowadzenie do spektrometrii mas. Dla osób, które już coś wiedzą na temat tej dziedziny, będzie to przypomnienie posiadanej wiedzy, natomiast nowicjusze zapoznają się z podstawowymi pojęciami i terminami. Szczególną uwagę warto zwrócić na często niewłaściwie wyjaśniany, pozornie trywialny problem masy cząsteczkowej i tego, jak wpływa ona na postać widma masowego.

Zagadnienia poruszone w trzech kolejnych rozdziałach można znaleźć w każdym podręczniku spektrometrii mas. Dotyczą one metod jonizacji, metod analizy masy jonów oraz detekcji jonów, rejestracji i przetwarzania wyników. W tych rozdziałach starałem się zwrócić uwagę na fizyczne i chemiczne podstawy wykorzystywanych metod oraz zakresy ich zastosowania. Powodzenie pomiaru widma masowego zależy przede wszystkim od wyboru właściwej metody jonizacji, więc powinniśmy wiedzieć, jakie metody są odpowiednie do badania naszych próbek i jak interpretować uzyskane wyniki – nawet wówczas, gdy oddajemy próbki do zbadania specjalistom w laboratorium spektrometrii mas. Z kolei od tego, jakie wyniki są nam potrzebne, zależy wybór analizatora masy. Jeśli chcemy uzyskać dokładny pomiar masy w celu wyznaczenia lub potwierdzenia wzoru sumarycznego badanego związku, musimy zastosować spektrometr o wysokiej zdolności rozdzielczej. Natomiast jeśli badamy makrocząsteczki o bardzo dużych masach, potrzebny nam będzie spektrometr z analizatorem masy, który umożliwi taki pomiar.

W rozdziale 6. opisałem podstawy pomiarów, w których spektrometr mas jest połączony bezpośrednio z chromatografem gazowym lub cieczowym. Starałem się w szczególności pokazać, że spektrometr mas to nie tylko kolejny typ detektora, który można podłączyć do chromatografu, ale przede wszystkim narzędzie do bardzo zaawansowanej analizy jakościowej (oczywiście ilościowej też!) złożonych mieszanin pochodzenia zarówno naturalnego, jak i syntetycznego.

Rozdział 7. należy do najważniejszych w tej książce. Opisałem w nim podstawy wykonywania pomiarów widm masowych oraz interpretacji uzyskanych wyników. Jest to wiedza niezbędna zarówno analitykom obsługującym bezpośrednio spektrometry mas, jak i klientom laboratoriów MS. Do prawidłowego zinterpretowania uzyskanych wyników jest potrzebna wiedza na temat sposobu wykonania pomiaru. Dlatego też informacje zawarte w tym rozdziale uważam za niezwykle istotne.

Jeśli na podstawie pomiarów MS chcemy dowiedzieć się czegoś o budowie cząsteczek badanych związków, musimy poznać podstawy zjawiska fragmentacji jonów. Są one opisane w rozdziale 8. Rozdział o takiej treści coraz rzadziej pojawia się w podręcznikach do spektrometrii mas, co nie oznacza, że jest to wiedza bezużyteczna. W Laboratorium Spektrometrii Mas Instytutu Chemii Organicznej PAN od wielu lat wykorzystujemy spektrometrię mas sprzężoną z chromatografią gazową i cieczową do wykrywania i identyfikacji zanieczyszczeń w lekach, półproduktach do ich syntezy, a także w wielu innych produktach czynnych biologicznie. Ze względu na śladowe ilości tych zanieczyszczeń, jedyną metodą badania ich struktury jest analiza fragmentacji. Wiedza na temat jej mechanizmów jest tu niezbędna. Oczywiście osoby, które wykorzystują spektrometrię mas tylko do potwierdzenia masy cząsteczkowej badanego związku lub do oznaczeń ilościowych znanych związków, niewiele z tego rozdziału skorzystają, ale przecież nigdy nie wiadomo, z jakimi problemami analitycznymi mogą zetknąć się w przyszłości….

Ostatnim z kluczowych rozdziałów tej książki jest rozdział 9., w którym zostały przedstawione wybrane zastosowania spektrometrii mas do analizy związków naturalnych. Jest to obecnie niezwykle obszerna dziedzina wiedzy, dlatego też z konieczności musiałem dokonać pewnego wyboru. Ponieważ na polskim rynku księgarskim jest dostępna książka pt. „Proteomika i metabolomika” pod redakcją A. Kraj, A. Drabik i J. Silberringa, więc postanowiłem potraktować skrótowo zastosowania techniki MS w analizie białek i metabolomice, a skoncentrować się na analizie trzech klas związków naturalnych: lipidów, cukrów oraz nukleotydów i nukleozydów. Szczególną uwagę zwracam na warunki pomiaru najlepsze dla każdej z tych klas związków oraz na to, w jaki sposób na podstawie widm fragmentacyjnych wnioskować jak najwięcej o ich strukturze.

Rozdziały od 10. do 13. dotyczą zagadnień spektrometrii mas, z którymi przeciętny chemik – analityk lub syntetyk – spotyka się znacznie rzadziej, co nie oznacza oczywiście, że są one nieistotne. Tę część książki rozpoczynam od przedstawienia metod wykorzystania spektrometrii mas do badania przebiegu reakcji chemicznych zarówno w roztworze, jak i w fazie gazowej. Może to zainteresować chemików–organików zajmujących się syntezą i odkrywaniem nowych reakcji. W rozdziale 11. z kolei jest mowa o bardzo ciekawej metodzie badawczej – połączeniu spektrometrii ruchliwości jonów ze spektrometrią mas. W tej metodzie rozdziela się jony nie tylko ze względu na ich stosunek masy do ładunku, ale także ze względu na kształt! Metoda IM-MS rozwija się obecnie bardzo szybko i na pewno w ciągu kliku lat znajdzie liczne zastosowania w laboratoriach analitycznych.

Dwa ostatnie rozdziały są ukłonem z stronę badaczy zajmujących się analizą powierzchni – zarówno pod kątem obecności związków organicznych, jak i nieorganicznych – oraz analizą śladową metali ciężkich i innych pierwiastków w produktach, które mają trafić na rynek. Oba rozdziały są potraktowane skrótowo i mają na celu jedynie zasygnalizowanie istnienia takich technik wykorzystujących spektrometrię mas.

Książkę zamykają aneksy, w których znalazły się tablice mas atomowych i składów izotopowych pierwiastków oraz przykładowe widma związków lub mieszanin związków używanych do kalibracji spektrometrów mas, a także wykaz dostępnej literatury w dziedzinie spektrometrii mas i wybranych źródeł danych oraz programów dostępnych w Internecie.

Mam nadzieję, że ta książka przyczyni się do lepszego wykorzystania w pracy możliwości stwarzanych przez spektrometrię mas i – bardzo bym tego pragnął – zainspiruje Czytelników do własnych prac badawczych w tej dziedzinie.

Witold DanikiewiczPODZIĘKOWANIA

Powstanie tej książki stało się możliwe dzięki pracy wykonanej przez liczne grono osób związanych zarówno z Zespołem Spektrometrii Mas Instytutu Chemii Organicznej PAN w Warszawie, jak i z innych jednostek. Przez blisko 30 lat przez Zespół Spektrometrii Mas przewinęło się wielu pracowników i doktorantów, którzy wykonywali pomiary widm masowych, zarówno do celów usługowych, jak i w ramach prac badawczych. Wiele z tych widm zachowałem i wykorzystałem najpierw w swoich wykładach, a następnie w tej książce. Wszystkich pracowników i doktorantów wymienić nie sposób, ale wszystkim gorąco dziękuję. W książce wykorzystałem także wyniki pomiarów wykonanych w innych instytucjach. Dziękuję tu dr Ewelinie Wielgus z Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi oraz dr. Alexandrowi Moysie z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie. Profesorowi Zbigniewowi Postawie z Uniwersytetu Jagiellońskiego dziękuję za zgodę na wykorzystanie wyników modelowania bombardowania powierzchni jonami galu i fulerenu, a dr hab. Katarzynie Pawlak, prof. Politechniki Warszawskiej, za udostępnienie materiałów, dzięki którym powstał rozdział 13., a także za korektę tego rozdziału.

Oddzielne podziękowania należą się pracownikom firm sprzedających na polskim rynku spektrometry mas i zapewniającym serwis oraz wsparcie dla klientów: Anchem, Bruker Polska, Perlan Technologies, Shimpol, Spektrometria i Waters Polska. Materiały tych firm bardzo wzbogaciły zawartość książki. Pragnę też podziękować Mass Spectrometry Data Center z National Institute od Standards and Technology (NIST, USA) za wyrażenie zgody na wykorzystanie w książce widm masowych z biblioteki widm tej firmy. No i na koniec podziękowania należą się rzeszy twórców stron internetowych, dzięki którym było możliwe zdobycie znacznej części materiału ilustracyjnego wykorzystanego w tej książce.1
JAK ROZWIJAŁA SIĘ SPEKTROMETRIA MAS?

Spektrometria mas jako dziedzina badań naukowych i równocześnie metoda analityczna liczy sobie nieco ponad 100 lat. Jak w przypadku każdej innej dziedziny wiedzy, nie da się jednoznacznie podać daty jej powstania. Był to rozciągnięty w czasie proces, w którym uczestniczyło wielu wybitnych uczonych. W początkowym okresie rozwoju była ona domeną fizyków i właśnie fizykami byli ci, których można uważać za ojców spektrometrii mas. Niewątpliwie pierwszym z nich był John Joseph Thomson (1856–1940), angielski fizyk – laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1906 r., którą otrzymał, jak napisano w uzasadnieniu: „w uznaniu jego wielkich zasług w badaniach teoretycznych i eksperymentalnych dotyczących przewodzenia elektryczności przez gazy”. Do tych zasług należy niewątpliwie zaliczyć badania tzw. promieni katodowych i stwierdzenie, że są one cząstkami naładowanymi ujemnie o masie ponad 1000 razy mniejszej od masy atomu wodoru. Cząstki te to oczywiście elektrony (chociaż tę nazwę zaproponował kto inny), Thomson jest więc uznawany za odkrywcę elektronu. Jako pierwszy wyznaczył on także stosunek masy do ładunku elektronu.

Sir John Joseph Thomson (1856–1940)

Dla rozwoju spektrometrii mas dużo ważniejsze były jednak prace Thomsona dotyczące tzw. promieniowania anodowego, zwanego też promieniowaniem kanalikowym. Powstawało ono podczas wyładowania elektrycznego w gazie pod niskim ciśnieniem. Obecnie wiemy, że były to kationy cząsteczek lub atomów tego gazu, ale w tamtym czasie nie znano ich istoty. Thomson razem z Francisem Williamem Astonem (1877–1945), który w 1910 r. dołączył do jego zespołu, badali odchylanie promieniowania anodowego podczas przechodzenia przez równoległe pola magnetyczne i elektryczne w przyrządzie nazwanym spektrografem parabolicznym (rys. 1.1a).

Rys. 1.1. Schemat spektrografu parabolicznego Thomsona (a), widmo masowe z 1913 r., na którym po raz pierwszy zarejestrowano izotopy ²⁰Ne i ²²Ne (b)

Źródło: a) Braz. J. Phys. 1999, 29, 401 (licencja CC 4.0); https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-97331999000300002&lng=es&nrm=iso&tlng=en; b) https://digital.sciencehistory.org/works/79407z32j/viewer/zs25x960d.

W tym urządzeniu jony poruszały się po torach, których kształt zależał od stosunku ich masy do ładunku, i na kliszy fotograficznej zostawiały charakterystyczne ślady paraboliczne. W 1912 r. Thomson i Aston podczas badania neonu stwierdzili, że daje on dwie linie na fotografii (rys. 1.1b) – w ten sposób zostały po raz pierwszy odkryte izotopy pierwiastka niepromieniotwórczego (istnienie izotopów pierwiastków promieniotwórczych przewidział dwa lata wcześniej Frederick Soddy).

Po kilkuletniej przerwie spowodowanej I wojną światową, Aston kontynuował już samodzielnie rozpoczęte wcześniej badania izotopów. W tym celu skonstruował kolejne modele spektrografów mas, za pomocą których stwierdził istnienie 212 trwałych izotopów znanych pierwiastków. W 1922 r. otrzymał Nagrodę Nobla z chemii „za odkrycie, za pomocą spektrografu masowego, izotopów w dużej liczbie pierwiastków nieradioaktywnych oraz za zaproponowanie reguły liczb całkowitych”. Ta reguła głosiła, że masy atomowe izotopów pierwiastków są całkowitymi wielokrotnościami masy atomu wodoru. Obecnie wiemy, że ta reguła jest poprawna tylko w przybliżeniu, tj. dla mas zaokrąglonych do liczb całkowitych, ale w tamtym okresie była ważnym krokiem na drodze do poznania budowy atomu.

Francis William Aston (1877–1945)

W tym samym czasie za oceanem pionierskie prace w dziedzinie spektrometrii mas prowadził Arthur Jeffrey Dempster (1886–1950). Jego spektrometr mas jako pierwszy w pełni zasługiwał na tę nazwę (rys. 1.2).

Rys. 1.2. Schemat spektrometru mas A.J. Dempstera z 1921 r. i widmo masowe magnezu zarejestrowane za pomocą tego spektrometru

Źródło: http://www.nvms.nl/wp-content/uploads/2013/11/HistorischoverzichtNoeverdeBrauw.pdf; widmo oryginalnie z: Phys. Rev. 1921, 18, 415.

Jony były wytwarzane w wyniku ogrzewania próbki wspomaganego bombardowaniem elektronami, prawie tak, jak we współczesnych źródłach jonów EI. Rozdział jonów ze względu na stosunek masy do ładunku odbywał się w polu magnetycznym wytwarzanym przez elektromagnes – to rozwiązanie jest nadal stosowane. Jony były rejestrowane w tzw. kubku Faradaya, a zebrany ładunek elektryczny był mierzony za pomocą elektrometru listkowego. Dzięki temu można było uzyskać wyniki ilościowe takie jak na rysunku 1.2. W 1935 r. Dempster odkrył izotop uranu ²³⁵U – brzemienne w skutkach odkrycie, które doprowadziło 10 lat później do skonstruowania bomby atomowej.

Identyfikacja trwałych izotopów wszystkich znanych pierwiastków, dokładny pomiar ich masy oraz wyznaczanie ich proporcji zakończyło w połowie lat 30. XX wieku pierwszy – „fizyczny” – etap rozwoju spektrometrii mas. W literaturze naukowej można znaleźć informację, że wkrótce potem Aston podczas jednego z wykładów stwierdził, że spektrometria mas spełniła swoją rolę i zaniknie jako obszar badań. Tak to bywa, gdy uczony bawi się w proroka… Pod koniec lat 30. i w latach 40. XX wieku rozpoczął się gwałtowny rozwój spektrometrii mas jako metody analitycznej. Równocześnie rozwijała się technika próżniowa, która jest nieodłącznie związana ze spektrometrią mas. Warto poświęcić jej parę słów.

Aby jony podczas przelotu przez spektrometr nie zderzały się z cząsteczkami gazu, musi w nim panować odpowiednio niskie ciśnienie, przynajmniej rzędu 10–4–10–5 mbar (więcej na ten temat – patrz rozdz. 2.1). Pionierzy spektrometrii mas – Thomson i Aston korzystali z napędzanej ręcznie tzw. pompy rtęciowej Gaedego. Uzyskanie odpowiedniej próżni było uciążliwe i czasochłonne. W 1913 r. Wolfgang Gaede skonstruował rtęciową pompę dyfuzyjną, którą w następnych latach udoskonalili inni badacze, przede wszystkim zastępując rtęć wysokowrzącymi olejami. Był to przełom w technice próżniowej, ponieważ dzięki tej pompie stało się możliwe uzyskiwanie próżni rzędu nawet 10⁷–10–8 mbar i to w dużych przestrzeniach. Pompy dyfuzyjne ciągle jeszcze można spotkać w spektrometrach mas i innej aparaturze naukowej, chociaż od lat 70. XX wieku zaczęły rozpowszechniać się pompy turbomolekularne, które obecnie są stosowane w niemal wszystkich dostępnych na rynku spektrometrach mas. Zarówno pompy dyfuzyjne, jak i turbomolekularne wymagają zastosowania pomp próżni wstępnej. Są to najczęściej rotacyjne pompy olejowe, a ostatnio coraz częściej bezolejowe, pozwalające na uzyskanie ciśnienia rzędu 10–2 mbar.

Projekt Manhattan

Zanim spektrometry mas stały się szeroko stosowaną aparaturą naukową i analityczną w różnych gałęziach przemysłu, w historii ich rozwoju miał miejsce ciekawy, ale mało znany epizod. W 1938 r. niemieccy fizycy Otto Hahn i Fritz Strassman okryli zjawisko rozszczepienia jądra uranu. Dalsze badania, prowadzone zarówno w Niemczech, jak i Stanach Zjednoczonych, wykazały, że powinno być możliwe skonstruowanie bomby atomowej – broni, która mogłaby rozstrzygnąć wynik toczącej się właśnie II wojny światowej. Głównym problemem na drodze do skonstruowania bomby atomowej była konieczność uzyskania kilkudziesięciu kilogramów izotopu uranu-235, bo tylko jego jądra ulegają rozszczepieniu. Tymczasem jego zawartość w naturalnym uranie wynosi zaledwie 0,72%. Na początku 1942 r. Ernest Lawrence, wynalazca cyklotronu, wykazał, że urządzenie będące zmodyfikowanym cyklotronem, a tak naprawdę bardzo dużym spektrometrem mas, może posłużyć do preparatywnego rozdzielania izotopów uranu 235 i 238. Schemat tego urządzenia, nazwanego kalutronem (Calutron od California University Cyclotron) pokazano na rysunku 1.3.

W źródle jonów były wytwarzane jony U+ w wyniku bombardowania elektronami par tetrachlorku uranu. Jony ²³⁵U+ i ²³⁸U+ były rozdzielane w polu magnetycznym i trafiały do dwóch kolektorów, gdzie ulegały rozładowaniu na powierzchni grafitu. Po przepuszczeniu przez kalutron odpowiedniej ilości UCl₄, urządzenie otwierano i ręcznie wydobywano zebrany uran-235. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość kalutronu, rozdziału izotopów uranu dokonywano w dwóch etapach. W pierwszym uzyskiwano produkt wzbogacony do ok. kilkunastu procent ²³⁵U, a w drugim – do 88% ²³⁵U, co było już czystością wystarczającą do wyprodukowania bomby atomowej – głównego celu powołanego do tego Projektu Manhattan.

Aby uzyskać wystarczającą ilość uranu-235, w latach 1942–1944 zbudowano ponad tysiąc kalutronów zgrupowanych w zestawy po 96 sztuk (fotografia na rys. 1.3). W połowie 1945 r. uzyskano wystarczającą ilość materiału rozszczepialnego (rozdział w kalutronach nie był jedynym stosowanym sposobem wydzielania izotopu ²³⁵U), aby można było skonstruować bombę atomową. W lipcu odbył się pierwszy test tej nowej broni, a 6 sierpnia 1945 r. pierwsza bomba atomowa spadła na Hiroszimę.

Rys. 1.3. Schemat kalutronu i fotografia zestawu 96 kalutronów zbudowanego w ramach Projektu Manhattan

Źródło: schemat: źródło oryginalne: archiwa Oak Ridge National Laboratory; źródło kopii rysunku: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1997, 8, 943 https://www.nvms.nl/wp-content/uploads/2013/11/HistorischoverzichtNoeverdeBrauw.pdf zdjęcie: James Edward Westcott – http://historyinphotos.blogspot.com.au/2013/10/james-edward-westcott.html (domena publiczna).

Jak to się często zdarza, technologia opracowana do celów militarnych znalazła następnie zastosowania cywilne. Część kalutronów działała także po wojnie i działa do tej pory. Służą one do preparatywnego rozdzielania izotopów do celów naukowych i medycznych. W ciągu 50 lat od zakończenia wojny dokonano w nich rozdzielenia ponad 50 pierwiastków, uzyskując ok. 250 czystych izotopów, niektóre w ilościach kilogramowych.

Rozwój analizatorów masy jonów

Spektrometry mas skonstruowane przez Astona i Dempstera nadawały się dobrze do głównego celu, do którego zostały skonstruowane, czyli do identyfikacji i pomiaru masy i względnych zawartości izotopów pierwiastków chemicznych. Jednak już pod koniec lat 30. XX wieku zaczęto sobie zdawać sprawę z tego, że spektrometry mas mogą być wykorzystane także do innych celów, przede wszystkim do badania związków chemicznych, w tym – związków organicznych.

Niewątpliwie milowym krokiem na drodze do upowszechnienia spektrometrii mas jako metody analitycznej było wprowadzenie na rynek pod koniec 1942 r. pierwszego komercyjnego spektrometru mas przez amerykańską firmę Consolidated Electrical Engineering (CEC).

Rys. 1.4. Pierwszy komercyjny spektrometr mas: CEC Model 21-101 firmy Consolidated Electrical Engineering (USA)

Źródło: Wikimedia Commons, Science History Institute (licencja CC BY-SA 3.0).

Podstawą do zbudowania tego spektrometru były urządzenia skonstruowane przez Dempstera (rys. 1.2). Warto wiedzieć, że głównym motorem napędzającym rozwój spektrometrii mas w latach 40. i 50. XX wieku było zapotrzebowanie na szybkie analizy paliw dla burzliwie rozwijającego się przemysłu petrochemicznego.

Oprócz wspomnianego spektrometru firmy CEC, na rynku pojawiły się w tamtym czasie także spektrometry mas innych firm. Ich główną wadą było jednak stosunkowo powolne skanowanie – ze względu na zjawisko histerezy magnetycznej analizatory wykorzystujące elektromagnesy nie nadawały się do szybkiego skanowania, a wykorzystanie w tym celu zmian napięcia przyspieszającego jony ograniczało się do bardzo wąskich zakresów mas. Dlatego też już w latach 40. pojawiły się pierwsze konstrukcje spektrometrów wykorzystujących analizator czasu przelotu (TOF), a w latach 50. firma Bendix Corporation (USA) rozpoczęła produkcję szeregu modeli spektrometrów wyposażonych w ten analizator. Takie spektrometry mogły w ciągu sekundy zarejestrować nawet 10 000 widm, ale ze względu na brak odpowiednio szybkich rejestratorów można je było oglądać tylko na ekranie oscyloskopu, a uzyskanie trwałej kopii wymagało zrobienia zdjęcia ekranu. Po wprowadzeniu do użytku analizatora kwadrupolowego w latach 60. analizatory TOF praktycznie zniknęły z rynku, by tryumfalnie powrócić w latach 90. Jest o tym mowa dalej.

Rys. 1.5. Spektrometr mas z analizatorem czasu przelotu MA-2 firmy Bendix Corporation (USA)

Źródło: https://digital.sciencehistory.org/works/c821gk120 (domena publiczna).

Innym bodźcem do konstruowania coraz lepszych i szybszych spektrometrów mas stało się wynalezienie w 1954 r. pierwszego chromatografu gazowego. Już w następnym roku Roland S. Gohlke i Fred W. McLafferty zbudowali pierwszy zestaw GC-MS, czyli połączenie spektrometru mas (z analizatorem TOF) z chromatografem gazowym. Technika GC-MS szybko zdobywała sobie coraz to nowe obszary zastosowań, ale prawdziwy przełom w jej spopularyzowaniu nastąpił dzięki skonstruowaniu po koniec lat 50. przez zespół profesora Wolfganga Paula analizatora kwadrupolowego. Ten prosty i tani typ analizatora masy okazał się idealny do współpracy z chromatografem gazowym, dzięki czemu w latach 60. pojawiło się na rynku wiele konstrukcji zestawów GC-MS różnych firm. Do dnia dzisiejszego zestawy GC-MS, w których spektrometr mas jest wyposażony w analizator kwadrupolowy, są najpopularniejszymi urządzeniami tego typu.

Równolegle z rozwojem zastosowań analitycznych spektrometrii mas, przede wszystkim w przemyśle naftowym i chemicznym, rozwijały się badania naukowe związane z tą techniką. Prace zespołów Alfreda Niera i Josepha Mattaucha doprowadziły do skonstruowania spektrometrów mas o wysokiej zdolności rozdzielczej. Największą popularność zyskały spektrometry o tzw. geometrii Niera-Johnsona, w których wykorzystano analizator elektryczny i magnetyczny. Dzięki komorze zderzeń umieszczonej pomiędzy źródłem jonów a sektorem elektrycznym (patrz rozdz. 4.2) stało się możliwe badanie ścieżek fragmentacji jonów. Szybko okazało się, że jeszcze większe możliwości daje tzw. odwrotna geometria Niera-Johnsona, w której elektromagnes jest umieszczony przed sektorem elektrycznym. W tej konfiguracji można było umieścić komorę zderzeń także między magnesem a sektorem elektrycznym, uzyskując w ten sposób dodatkowy, bardzo skuteczny tryb pomiaru jonów fragmentacyjnych określany akronimem MIKES (Mass-analyzed Ion-Kinetic-Energy Spectrometry). Spektrometry tego typu swego czasu zdominowały rynek spektrometrów mas stosowanych do celów naukowych. Ich najbardziej zaawansowanym technicznie przedstawicielem był spektrometr ZAB-2F i jego różne modyfikacje (rys. 1.6).

Rys. 1.6. Spektrometr mas typu ZAB-2F firmy VG

Źródło: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~bl5/facility/zab_hist1.html.

Spektrometry magnetyczne o podwójnym ogniskowaniu były wykorzystywane przez wiele lat nie tylko do badań jonów w fazie gazowej, ale też do celów analitycznych. W połączeniu z chromatografem gazowym służyły do oznaczania na poziomie ppb (części na miliard) dioksyn i polichlorowanych bifenyli. Do tych analiz potrzebny był spektrometr o wysokiej zdolności rozdzielczej i możliwości śledzenia wybranych jonów w tym trybie. Dopiero niedawno opracowano inne metody oznaczania dioksyn, które nie wymagały już wysokiej zdolności rozdzielczej, co spowodowało praktycznie zniknięcie z rynku spektrometrów magnetycznych o podwójnym ogniskowaniu. Na początku 2020 r. już tylko jedna firma na świecie oferowała ten typ spektrometru.

Spektrometry magnetyczne o podwójnym ogniskowaniu dobrze nadawały się do badań fragmentacji jonów, ale były duże i kosztowne. W 1978 r. został skonstruowany pierwszy spektrometr mas, w którym połączono szeregowo trzy analizatory kwadrupolowe: pierwszy i trzeci były analizatorami masy, natomiast drugi służył jako komora zderzeń do wywoływania fragmentacji jonów (patrz rozdz. 4.8). Przyrząd ten, nazwany potrójnym kwadrupolem, jest obecnie jednym z najczęściej spotykanych spektrometrów mas w laboratoriach analitycznych. W latach 90. pojawiła się na rynku jego modyfikacja, w której zastąpiono trzeci kwadrupol analizatorem czasu przelotu o wysokiej zdolności rozdzielczej. Uzyskano w ten sposób spektrometr łączący w sobie możliwości badania fragmentacji jonów i dokładnego pomiaru ich masy. Tego typu spektrometry nazywane Q-TOF są obecnie również bardzo szeroko rozpowszechnione i ciągle powstają ich nowe konstrukcje.

Zwróćmy uwagę, że częścią spektrometru Q-TOF jest analizator czasu przelotu o wysokiej zdolności rozdzielczej. Jak było napisane wyżej, analizatory TOF przez dość krótki czas w latach 50. były szeroko stosowane, ale nierozwiązanym problemem była rejestracja widm. Przełom w tej dziedzinie nastąpił na początku lat 90. XX wieku. Złożyły się na to dwa czynniki: szybki rozwój elektroniki i zakończenie „zimnej wojny”. Dzięki odprężeniu w stosunkach międzynarodowych „do cywila” trafiły urządzenia stosowane uprzednio tylko do celów militarnych, w tym bardzo szybkie przetworniki analogowo-cyfrowe, pracujące z częstościami powyżej 1 GHz. Równocześnie komputery osiągnęły wydajność pozwalającą na przetwarzanie i rejestrowanie ogromnego strumienia danych dostarczanych przez te przetworniki. Możliwość rejestracji widm uzyskiwanych za pomocą analizatora TOF spowodowała szybki rozwój tego urządzenia, dzięki czemu powstały konstrukcje typu V i W (patrz rozdz. 4.4) o wysokiej zdolności rozdzielczej. W rezultacie w latach 90. pojawiły się spektrometry mas wyposażone w wysokorozdzielczy analizator TOF – samodzielny lub połączony z analizatorem kwadrupolowym.

We wszystkich opisanych wyżej analizatorach masy rozdział jonów ze względu na stosunek ich masy do ładunku odbywał się podczas przelotu wiązki jonów przez analizator. Nie jest to jednak jedyna metoda analizy masy jonów. Już w drugiej połowie lat 50. XX wieku Wolfgang Paul, twórca analizatora kwadrupolowego, skonstruował urządzenie nazwane kwadrupolową pułapką jonową. W pułapce jonowej jony poruszają się w ograniczonej przestrzeni i przez dobór parametrów pracy pułapki, czyli wartości i częstości napięcia elektrycznego doprowadzonego do jej elektrod, można je w selektywny sposób wypuszczać z pułapki i rejestrować (patrz rozdz. 4.5). Za osiągnięcia w dziedzinie konstruowania pułapek jonowych Wolfgang Paul otrzymał w 1989 r. Nagrodę Nobla.

Wolfgang Paul (1913–1993)

Źródło: https://www.mediatheque.lindau-nobel.org/laureates/paul.

Jeszcze inne podejście do analizy masy jonów zaproponowali w 1974 r. Melvin B. Comisarow i Alan G. Marshall. Wykorzystali oni znane od co najmniej 20 lat zjawisko jonowego rezonansu cyklotronowego (ICR) i skonstruowali spektrometr mas, w którym jony poruszały się po kołowych trajektoriach w komorze ICR, a pomiar stosunku ich masy do ładunku odbywał się za pomocą rejestracji napięć zmiennych generowanych przez ruch jonów, przetwarzanych następnie z wykorzystaniem transformacji Fouriera na widmo masowe (patrz rozdz. 4.6). Spektrometry FT-ICR są produkowane do tej pory, ale przez tylko jedną firmę na świecie. Przez pewien czas były wykorzystywane do badania reakcji jonów w fazie gazowej, a także do badania struktury białek. To ostatnie zastosowanie wynikało z bardzo wysokiej zdolności rozdzielczej tych przyrządów. Niestety, spektrometry FT-ICR są bardzo drogie i równocześnie koszty ich utrzymania są wysokie ze względu na konieczność stosowania ciekłego helu w elektromagnesie nadprzewodzącym.

Kres popularności spektrometrów FT-ICR przyniósł w 1999 r. nowy wynalazek rosyjskiego fizyka Aleksandra Makarowa. Opracował on matematyczne podstawy konstrukcji zupełnie nowego typu analizatora masy, który skomercjalizowała w 2005 r. firma Thermo Scientific pod nazwą handlową „Orbitrap”. W tym urządzaniu jony poruszają się w zamkniętej komorze o skomplikowanym kształcie, a rejestracja sygnału odbywa się na tej samej zasadzie, co w spektrometrze FT-ICR (patrz rozdz. 4.7). Spektrometry wyposażone w analizator Orbitrap charakteryzują się bardzo wysoką zdolnością rozdzielczą, porównywalną z osiąganą przez FT-ICR, a dzięki dużo prostszej konstrukcji i braku magnesu nadprzewodzącego są dużo tańsze, także w eksploatacji.

Na zakończenie tej części historii spektrometrii mas warto jeszcze wspomnieć o technice IM-MS, czyli połączeniu spektrometrii ruchliwości jonów ze spektrometrią mas. Różne próby połączenia tych dwóch metod separacji jonów były prowadzone od lat 70. XX wieku, ale dopiero w 2006 r. firma Waters wypuściła na rynek pierwszy komercyjny spektrometr tego typu. Spektrometria ruchliwości jonów opiera się na ich rozdziale ze względu nie tylko na ich masę, ale także kształt, dzięki czemu świetnie uzupełnia możliwości spektrometrii mas, ponieważ umożliwia rozdzielanie jonów izomerycznych. Obecnie już kilka firm ma swojej ofercie spektrometry IM-MS. Jest o tym mowa w rozdz. 11.

Rozwój metod jonizacji

Wprowadzona przez Dempstera w 1918 r. jonizacja elektronowa (EI) była przez wiele lat jedyną praktyczną metodą jonizacji związków organicznych. Konstrukcje źródeł jonów EI były oczywiście rozwijane i modyfikowane, ale zasada pozostała ta sama: jonizacja następowała w wyniku bombardowania gazowej próbki wiązką elektronów. Jednak tą metodą nie można zarejestrować jonu molekularnego, czyli wyznaczyć masy, bardzo wielu związków organicznych. Dopiero w 1966 r. Munson i Field zaprezentowali metodę nazwaną jonizacją chemiczną (CI). Dzięki niej stało się możliwe uzyskiwanie jonów molekularnych (ściślej: pseudomolekularnych – patrz rozdz. 3.2) związków, których nie dało się zaobserwować w jonizacji elektronowej. W dalszym ciągu jednak próbkę przed jonizacją należało odparować, co oczywiście uniemożliwiało wykonanie analizy próbek nielotnych, w tym większości biomolekuł. Pewnym postępem było wprowadzenie w 1973 r. przez Baldwina i McLafferty’ego metody nazwanej bezpośrednią jonizacją chemiczną (DCI), dzięki której można było jonizować próbki stałe. Zakres stosowalności tej metody był jednak niewielki.

Rozwijająca się intensywnie biochemia potrzebowała lepszych metod jonizacji, dzięki którym można byłoby badać peptydy, białka, cukry, kwasy nukleinowe i wiele innych ważnych grup związków. Pierwszą metodą jonizacji, która okazała się skuteczna w badaniu biomolekuł, była desorpcja plazmą wprowadzona przez Macfarlane’a i Torgersona w 1976 r. Czynnikiem jonizującym była tu wiązka produktów rozpadu promieniotwórczego izotopu kalifornu-252 (²⁵²Cf), którą bombardowano stałą próbkę. Ta metoda nie znalazła jednak szerszego zastosowania ze względu na trudności techniczne i niezbyt wysoką skuteczność. W 1980 r. Michel Barber zaproponował nowy sposób jonizacji nielotnych próbek, który został nazwany bombardowaniem szybkimi atomami (FAB). W tej metodzie roztwór próbki w nielotnej cieczy, zwanej matrycą, był bombardowany wiązką atomów ksenonu (patrz rozdz. 3.7.1). W ten sposób można było zjonizować związki o masach rzędu kilku tysięcy daltonów. Szybko okazało się, że łatwiej jest bombardować roztwór próbki przyspieszonymi jonami np. cezu. Ta metoda została nazwana spektrometrią jonów wtórnych z użyciem ciekłej matrycy (LSIMS – patrz rozdz. 3.7.1). Warto wspomnieć, że jonizację w wyniku bombardowania stałych próbek związków nieorganicznych jonami (SIMS) badano już w latach 30. Po rozmaitych modyfikacjach technika SIMS jest stosowana do tej pory w badaniach przede wszystkim próbek nieorganicznych. Do badania związków organicznych lepsze okazało się zastosowanie ciekłej matrycy. Techniki FAB i LSIMS były stosowane aż do lat 90. XX wieku, kiedy zostały wyparte przez elektrosprej i metody pokrewne.

Inną metodą jonizacji, która do czasu wprowadzenia do użytku elektrospreju cieszyła się pewną popularnością, był termosprej (termorozpylanie) wprowadzony w połowie lat 80. W tej metodzie do źródła jonów wprowadzano roztwór próbki ogrzany do wysokiej temperatury. Z utworzonej mieszaniny drobnych kropelek i par rozpuszczalnika oraz próbki uwalniały się jony powstające najczęściej w wyniku przyłączenia kationu amonowego (sól amonowa musiała być składnikiem roztworu próbki). W innych wariantach tej metody wytwarzano jony za pomocą wiązki elektronów lub w wyniku wyładowania elektrycznego. Była to pierwsza w miarę skuteczna metoda jonizacji umożliwiająca współpracę spektrometru mas z chromatografem cieczowym, ale nadawała się tylko do analizy związków o niezbyt dużych masach cząsteczkowych i dość szybko przeszła do historii.

Druga połowa lat 80. XX wieku przyniosła naukowcom i analitykom wykorzystującym spektrometrię mas dwie metody jonizacji, które obecnie – oprócz najstarszej, ale ciągle popularnej metody jonizacji elektronowej – są stosowane najczęściej. Mowa tu o elektrospreju (ESI) i desorpcji/jonizacji laserowej wspomaganej matrycą (MALDI). Badania elektrospreju jako zjawiska fizycznego były prowadzone już w latach 60., ale dopiero badania zespołu Johna Fenna w połowie lat 80. uczyniły z niego niezwykle wszechstronną i skuteczną metodę jonizacji nawet bardzo dużych, polarnych związków organicznych. ESI współpracowało też znakomicie z chromatografem cieczowym. W kolejnych latach powstawały coraz to doskonalsze konstrukcje źródeł ESI i proces ten trwa do dziś. Więcej informacji na ten znajduje się w rozdz. 3.3.

Rys. 1.7. Spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym i źródłem jonów ESI skonstruowanym przez zespół J. Fenna

Źródło: Wikimedia Commons, Jeff Dahl (licencja CC BY-SA 3.0).

Technika jonizacji MALDI okazała się z kolei doskonałą metodą jonizacji cząsteczek o masach sięgających 1·10⁶ Da. Próby zastosowania lasera jako źródła energii w procesie jonizacji w spektrometrii mas były czynione już wcześniej, ale dopiero w połowie lat 80. Franz Hillenkamp i Michael Karas zaobserwowali, że zmieszanie stałej próbki z substancją absorbującą promieniowanie lasera – którą nazwano matrycą – bardzo poprawia wydajność jonizacji. W tym samym czasie Koichi Tanaka pracujący w firmie Shimadzu – japońskim producencie aparatury naukowej – wykazał, że wykorzystanie jako matrycy ciekłej gliceryny z nanocząstkami metalicznego kobaltu umożliwia zarejestrowanie widma białka o masie ok. 34 tys. Da. Za to osiągnięcie otrzymał on w 2002 r. Nagrodę Nobla z chemii razem z Johnem Fennem, którego uhonorowano za wykorzystanie elektrospreju do rejestracji widm makrocząsteczek. Można tu mówić o pewnej niesprawiedliwości historii, ponieważ metodyka zastosowana przez Tanakę nigdy nie weszła do użytku, natomiast stałe matryce zaproponowane przez Hillenkampa i Karasa są obecnie powszechnie stosowane. Techniki jonizacji z wykorzystaniem lasera są ciągle rozwijane i modyfikowane. Więcej informacji na ten temat znajduje się w rozdziale 3.6.1.

Jonizacja elektrosprej, mimo licznych zalet, nie nadawała się jednak do analizy związków o niskiej polarności. Dlatego też w latach 90. rozpowszechniły się dwie metody komplementarne w stosunku do ESI: jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI) i fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (APPI). Są one opisane w rozdz. 3.4 i 3.5.

Początek XXI wieku przyniósł rozwój metod desorpcyjnych. Do znanej i szeroko stosowanej techniki MALDI doszły takie metody jak DART (Direct Analysis in Real Time) czy DESI (Desorption Electrospray). Ich wspólną cechą jest możliwość jonizacji związków znajdujących na powierzchni ciała stałego pod ciśnieniem atmosferycznym w sposób nieniszczący. Te i inne stosowane obecnie metody jonizacji są szczegółowo opisane w rozdz. 3.

Rejestracja widm masowych i ich przetwarzanie

W obecnych czasach, kiedy powszechnie dostępne są wydajne komputery, trudno jest zrozumieć problemy, z którymi borykali się twórcy podstaw spektrometrii mas. Pierwsze widma masowe były rejestrowane bezpośrednio na kliszach fotograficznych (rys. 1.1). Wprowadzenie do użytku spektrometrów skanujących wyposażonych w detektor jonów, którym początkowo był tzw. kubek Faradaya, a następnie powielacz elektronowy (patrz rozdz. 5), wymusiło opracowanie metod rejestracji widm. Rozwój elektroniki, w tamtych czasach opartej na lampach elektronowych, umożliwił skonstruowanie różnego typu rejestratorów elektromechanicznych, w których widmo było zapisywane pisakiem na taśmie papierowej. Ta metoda miała jednak ograniczone zastosowanie ze względu na małą szybkość działania i niski zakres dynamiczny. Dla niektórych typów bardzo szybko działających analizatorów masy, takich jak analizator czasu przelotu, jedynym sposobem obserwacji widma było zastosowanie oscyloskopu, a trwały zapis widma uzyskiwało się fotografując ekran.

W późniejszych, ale jeszcze przedkomputerowych czasach stosowano szeroko rejestratory, w których widmo zapisywano na taśmie pokrytej emulsją czułą na nadfiolet. Widmo było „rysowane” promieniem światła nadfioletowego sterowanym przez czuły galwanometr zwierciadłowy, a ściślej przez 3 galwanometry o różnej czułości. Dzięki temu na taśmie były rysowane 3 widma o stosunku intensywności 1 : 10 : 100, co bardzo poprawiało zakres dynamiczny. Taki typ rejestracji widm był powszechnie stosowany jeszcze w latach 80. XX wieku (rys. 1.8).

Rys. 1.8. Widmo masowe zarejestrowane na taśmie czułej na promieniowanie UV

Źródło: ze zbiorów autora.

Sytuacja uległa radykalnej zmianie wraz z rozpowszechnieniem komputerów – najpierw stacji roboczych, potem komputerów osobistych. Obecnie każdy spektrometr mas współpracuje z komputerem, który służy nie tylko do rejestracji i przetwarzania widm, ale też do sterowania spektrometrem.

I co dalej?

Obecnie, czyli na początku lat 20. XXI wieku, spektrometria mas jest już dojrzałą metodą analityczną i powszechnie stosowanym narzędziem badawczym w wielu dziedzinach nauki – nie tylko w chemii, ale przede wszystkim w biochemii i biotechnologii oraz inżynierii materiałowej. Spośród wielu typów analizatorów masy na rynku dominują analizatory kwadrupolowe i analizatory czasu przelotu oraz układy tandemowe i hybrydowe zbudowane z tych analizatorów. Stale rozwija się Orbitrap, który jest niewątpliwie techniką perspektywiczną. Od 25 lat nie pojawiła się żadna nowa metoda analizy jonów, ale nie oznacza to, że możliwości w tym zakresie się skończyły. Dodajmy jeszcze, że od kilku lat rozwija się technika łącząca spektrometrię ruchliwości jonów ze spektrometrią mas, a zakres zastosowań tej metody ciągle nie jest wystarczająco zbadany.

Jeśli chodzi o techniki jonizacji, to dominują dwie – najstarsza z nich – jonizacja elektronowa (EI), uzupełniana często jonizacją chemiczną (CI) oraz jedna z najnowszych, czyli elektrosprej (ESI), i metody komplementarne: jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI) i fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (APPI). Ważną rolę odgrywa też laserowa desorpcja/jonizacja z udziałem matrycy (MALDI). Szybko rozwijają się także metody desorpcyjne z powierzchni ciała stałego, a także metody obrazowania powierzchni z wykorzystaniem spektrometrii mas.

Bardzo szeroko rozpowszechnione są obecnie techniki analityczne, w których spektrometr mas jest detektorem chromatografu gazowego lub cieczowego. Te urządzenia są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie jest konieczne wykrywanie i oznaczanie ilościowe najróżniejszych związków chemicznych, często w bardzo małych stężeniach.

Tak więc 100 lat rozwoju uczyniło ze spektrometrii mas jedną z dominujących obecnie metod analitycznych i nic nie wskazuje na to, że jakakolwiek inna metoda mogłaby jej zagrozić.