<1201> Spektrometri Massa


Spektrometer massa dapat digunakan untuk mengukur perbandingan massa ion terhadap muatan ion dan untuk mempelajari proses ionisasi. Selain itu, juga dimungkinkan untuk mempelajari reaksi ion dalam fase gas seperti proses dekomposisi unimolekuler dan reaksi ion molekul.

    Spektrometer massa adalah suatu instrumen yang menghasilkan berkasion dari suatu zat uji, memilih ion tersebut menjadi spektrum sesuai dengan perbandingan massa terhadap muatan (m/z) dan merekam kelimpahan relatif tiap jenis ion yang ada. Umumnya ion positif yang dipelajari, karena ion negatif yang dihasilkan dari sumber tumbukan elektron  (TE) umumnya sedikit. Dengan diperkenalkannya teknik ionisasi kimia (IK) dan tembakan atom cepat (TAC) yang keduanya dapat menghasilkan ion negatif yang banyak, maka perhatian terhadap analisis ion negatif meningkat.

    Secara umum, spektrometer massa terdiri dari tiga komponen utama seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah: Sumber ion untuk menghasilkan ion berbentuk gas dari zat uji; penganalisis untuk memisahkan ion menjadi komponen massa yang khas sesuai dengan perbandingan massa terhadap muatan dari ion yang ada; dan sistem detektor untuk merekam kelimpahan relatif atau intensitas tiap jenis ion yang dipisahkan. Selain itu, sistem pemasukan contoh diperlukan untuk memasukkan zat uji pada sumber ion sambil tetap mempertahankan persyaratan hampa udara yang tinggi (setara 10-6 – 10-8 torr). Seperti yang ditunjukkan pada gambar, kebanyakan instrumen dilengkapi suatu komputer untuk memudahkan penanganan sejumlah besar data yang dihasilkan.

 

   Penganalisis Penganalisis massa memisahkan massa yang berbeda dalam contoh yang terionisasi, hal ini memungkinkan penetapan massa dan akhirnya kelimpahan atau intensitas relatif tiap jenis ion dapat ditentukan. Empat dari beberapa metode yang umum digunakan adalah (1) kuadruprol (2) penganalisis magnetik, penganalisis, (3) penganalisis waktu tempuh dan (4) penganalisis alihragaman Fourier. Penganalisis elektrostatik sering digunakan bersamaan dengan penganalisis massa lainnya.

    Pada metode kuadruprol, pemisahan massa dapat terjadi dalam suatu instrumen yang terdiri dari 4 batang koaksial, idealnya tiap batang mempunyai potongan melintang hiperbolik, tetapi dalam praktek batang sirkuler yang umum digunakan. Dua batang yang berlawanan mempunyai potensial listrik yang tetap (U), dua lainnya mempunyai potensial bolak balik frekuensi radio (V,?). Di bawah pengaruh medan listrik ini, semua ion (kecuali satu massa tertentu) dalam berkas ion dibelokkan ke arah sisi dan lenyap; massa terpilih (yang ditetapkan dengan cara mengatur U,V,?) dibiarkan melewati batang-batang. Oleh karena semua nilai m/z lainnya ditolak kecuali satu yang terpilih, maka kadang-kadang penganalisis disebut penyaring massa. Teori menyatakan bahwa massa ion yang tinggi memerlukan waktu yang lebih lama untuk melewati penganalisis, akibatnya mempunyai lebih banyak kesempatan untuk fragmentasi maupun bertumbukan dengan molekul gas tersisa, kepekaan berkurang dengan meningkatnya massa: fenomena ini disebut diskriminasi massa dan merupakan sifat dasar dari penganalisis kuadoprol.

    Dengan adanya medan magnetik yang tegak lurus terhadap gerakan berkas ion positif, tiap ion mengalami suatu gaya pada sudut 90° (siku) terhadap arah gerak maupun arah medan magnet dan karena itu berkas ion tadi dibelikkan. Gerakan tersebut dinyatakan oleh persamaan:

 

 

m adalah massa dalam satuan massa atom; z adalah jumlah muatan listrik; H adalah kekuatan medan magnet dalam Gauss; r adalah jari-jari lintasan ion dalam cm; dan V adalah tegangan akselerasi. Spektrum massa dihasilkan dengan merubah kekuatan medan magnet dan mendeteksi ion yang melewati celah keluar pada saat difokuskan.

    Dalam penganalisis waktu tempuh, pemisahan ion  dengan massa yang berbeda berdasarkan pada pemberian energi yang sama kepada semua ion. Oleh karena itu ion dengan massa yang berbeda, mempunyai kecepatan yang berbeda. Jika ion melewati jarak tertentu, waktu tempuh jarak tersebut akan bervariasi sesuai dengan massanya.  Massa yang lebih ringan bergerak lebih cepat dan mencapai detektor dalam jangka waktu yang lebih pendek. Waktu tempuh diberikan oleh rumus :

 

 

t (f) adalah waktu tempuh dalam detik; m dan z adalah sama dengan yang telah diuraikan sebelumnya. Oleh karena itu, waktu tempuh berbagai ion adalah sebanding dengan akar kuadrat dari perbandingan massa terhadap muatan ion.

    Spektrometer massa alihragaman Fourier (SMAF) adalah teknik yang didasarkan pada gerakan siklotron ion dalam medan magnet yang beragam. Dalam medan magnet dengan kerapatan B, ion dipaksa bergerak dalam orbit yang sirkuler (siklotron). Frekuensi sudut, ?, dari gerakan siklotron diberikan oleh persamaan :

 

 

Dalam spektrometer massa resonansi siklotron, orbit siklotron dapat diperluas dengan menempatkan ion pada medan listrik bolak-balik. Jika frekuensi dari pembangkit sinyal sesuai dengan frekuensi siklotron, ion dipercepat secara teratur mencapai radius yang makin lama makin besar hingga terjadi suatu gerakan koheren (dari sejumlah ion) sesuai dengan sejumlah energi kinetik yang bermakna. Setelah eksitasi dihentikan, ion siklotronik menaikkan arus bolak-balik tertentu pada elektrode-elektrode yang kemudian diperkuat. Analisis frekuensi terhadap sinyal penerima menghasilkan massa dari ion yang terlibat dengan ketepatan tinggi. Oleh karena itu, alihragaman Fourier dari sinyal yang waktunya hanya sebentar menghasilkan spektrum frekuensi untuk komputasi  spektrum massa.

    Teknik ionisasi Ion positif dapat dihasilkan dengan melewatkan berkas elektron, melalui gas pada tekanan lebih kurang 10-4 sampai  10-6 mmHg.  Dapat juga digunakan tekanan yang berbeda dengan tekanan diatas, tetapi rentang tekanan tersebut adalah yang paling umum. Energi berkas elektron umumnya terkendali. Jika energi berkas elektron lebih besar dari potensial ionisasi gas, elektron dapat menyebabkan ionisasi dan/atau fragmentasi molekul gas yang ditunjukkan sebagai berikut :

 

 

    Sumber jenis ini disebut sumber tumbukan elektron (TE). Elektron umumnya diemisikan dari filamen tungsten atau rhenium yang dipanaskan.

    Ion yang dibentuk dalam bejana ionisasi dipercepat melalui celah keluar dari sumber menuju daerah penganalisis oleh suatu medan penolakan/ penarikan yang sebagian ditetapkan oleh penetrasi medan melalui celah keluar sumber dan sebagian lagi oleh potensial kecil yang diberikan pada lempeng penolak ion dalam bejana ionisasi. Ion selanjutnya dipercepat oleh medan yang jauh lebih besar antara bejana ionisasi dan celah keluar sumber, celah terakhir berada pada potensial dasar.

    Konversi suatu spektrometer massa menjadi modus ion negatif  adalah mudah, dan alat modern dirancang untuk melaksanakan prosedur itu secara otomatik pada pemilihan parameter tunggal. Secara teoritis, semua yang diperlukan adalah membalikkan arah semua tegangan dan medan percobaan. Ion negatif juga dibentuk dalam berbagai proses ionisasi di atas, sedangkan pemasukan contoh dengan penampang melintang penangkapan elektron yang tinggi menghasilkan pembentukan ion negatif yang berlimpah. Karena itu, seringkali dibuat turunan multi-halida dari senyawa uji.

    Spektrum massa ion negatif telah berhasil digunakan dalam analisis pestisida karena strukturnya sesuai dengan teknik ini.

    Dalam sumber ionisasi medan (IM) ion terbentuk dalam medan elektrostastik kuat yang terbentuk pada ujung kawat elektrode yang dialiri tegangan tinggi. Ion yang terbentuk dari molekul yang berada pada ujung kawat hampir semua adalah ion induk. Sumber tidak digunakan secara luas tetapi sangat bermanfaat untuk mempelajari molekul yang sangat tidak stabil atau campuran yang sangat kompleks dan dalam mempelajari  reaksi permukaan.

    Desorpsi medan (DM) dapat dianggap sebagai perluasan ionisasi medan, perbedaan utamanya adalah bahwa contoh dilapiskan pada ujung pengemisi ion medan dan ionisasi terjadi dari fase padat. Teknik ini memerlukan pengalaman untuk memperoleh hasil yang dapat dipercaya. Spektrum massa yang terutama  terdiri dari ion molekular dapat direkam dari senyawa yang sangat tidak mudah menguap dan tidak stabil terhadap panas.

    Ionisasi kimia (IK) adalah teknik ionisasi sekunder yang populer, dan kebanyakan instrumen baru dilengkapi dengan fasilitas ini.

    Dalam ionisasi kimia, gas pereaksi pada tekanan lebih kurang 0.1 sampai 10 torr dimasukkan pada sumber dan teronisasi. Pada tekanan ini, terjadi reaksi molekul-ion dan terjadi reaksi lebih lanjut ion gas pereaksi primer. Gas pereaksi yang paling umum digunakan adalah metana, isobutana, dan amonia. Reaksi yang khas untuk metana ditunjukkan oleh persamaan berikut ini :

 

CH5+ merupakan asam kuat Bronsted dan dapat memindahkan proton kepada kebanyakan senyawa organik sebagai berikut :

 

CH5+ + M ? MH+ + CH4

 

    Dengan metana, ion molekul terprotonasi (MH+) yang terbentuk mula-mula dapat mempunyai energi yang cukup untuk terionisasi lebih lanjut.

    Dengan metode tembakan atom cepat (TAC) menggunakan berkas atom netral yang cepat untuk menembaki contoh, karena itu persyaratan pertama teknik ini adalah berkas atom yang bergerak cepat, diarahkan dengan tepat pada contoh sasaran, yang dilarutkan dalam matriks cair yang tidak menguap. Hal ini relatif mudah dan metode untuk menghasilkan berkas atom tersebut telah dikembangkan dengan baik. Penembak ion digunakan untuk menghasilkan berkas ion xenon yang mengalami pertukaran muatan dalam sel penumbuk dengan gas xenon cepat yang diperlukan. Prosesnya disimpulkan pada persamaan berikut:

 

Xe ? Xe+ + e?

 

Xe+ + Xe ? Xe + Xe+

 

Tanda panah di bawah menunjukkan bahwa partikel bergerak cepat.

    Karena teknik tembakan atom cepat (TAC) adalah teknik analisis permukaan, penyiapan contoh dalam rangka mengoptimalkan kondisi permukaan adalah sangat penting. Jika contoh dilapiskan pada ‘probe’ melalui penguapan larutan, berkas ion contoh yang dihasilkan sering tidak tetap. Sering dihasilkan ion antara. Kecenderungan pembentukan ion antara (M + Na) dan (M + K) mempunyai beberapa analagi dalam desorpsi medan (DM), terutama dalam ionisasi golongan gula. Fenomena ini dimanfaatkan untuk membantu dalam ionisasi senyawa golongan ini. Permukaan contoh sering diberikan larutan natrium klorida untuk meningkatkan jumlah ion antara. Pemanasan contoh selama analisis kadang-kadang dapat meningkatkan ion yang dihasilkan.

    Penekanan jumlah ion contoh mungkin disebabkan oleh destruksi permukaan contoh dan diperlukan cara untuk terus menerus memperbaharui permukaan contoh selama analisis yang dapat dilakukan dengan melarutkan contoh dalam cairan tidak menguap yang sesuai dan dengan melapiskan campuran pada ‘probe’. Dengan cara lain, umur contoh lebih lama 1 jam dalam sumber ion telah menjadi kenyataan dan jangkauan senyawa yang dapat diuji dengan tembakan atom cepat (TAC) sangat diperluas. Umur contoh yang panjang  dan kepekaan tinggi menjadikan tembakan atom cepat (TAC) suatu teknik spektrum massa yang penting untuk menghasilkan spektrum massa dari bahan belum diketahui, bahan yang sulit ditangani, bahan biokimia dan juga memberikan identifikasi tanpa keraguan dari rumus elemen bahan melalui penetapan massa yang akurat. Keuntungan lain dari TAC adalah dalam penetapan struktur berdasarkan pada ion fragmen dalam spektrum.

    Cara pemasukan contoh Contoh dimasukkan ke dalam bejana ionisasi dalam bentuk gas atau uap. Karena banyak contoh berbentuk gas atau cairan pada suhu ruang dan tekanan atmosfir, diperlukan suatu sistem penanganan contoh dan rangkaian yang memungkinkan masuknya contoh ke sumber ion.

    Untuk menghasilkan berkas molekular secara langsung dari zat padat dalam sistem hampa udara dapat dilakukan secara mudah dengan pemanasan contoh padat dalam krus pada suhu yang cukup tinggi. Beberapa “probe” atau”catridge” yang terdapat di pasaran dapat digunakan tergantung pada jenis instrumen dan tujuan penggunaan.

    Instrumen analitik yang lain digunakan sebagai tempat pemasukan contoh ke dalam spektrometer massa. Yang paling populer dan berhasil pertama kali dikembangkan dalam spektrometer massa adalah gabungan dari kromatografi gas dan spektometer massa (KG/MS). Gabungan instrumen ini dianggap berhasil karena yang keluar dari kromatografi gas dalam keadaan uap dan masalah utamanya hanya terletak pada keharusan menghilangkan secara selektif  gas pembawa yang tidak diinginkan.

    Kombinasi kromatograf cair dengan spektrometer massa (KC/SM) adalah masalah yang lebih sulit. Sekalipun kromatografi cair merupakan instrumen pemisah yang bermanfaat, pelarut pengeluasi yang banyak digunakan sering kali adalah pelarut yang cukup polar, kompleks dan relatif tidak mudah menguap. Meskupun demikian, gabungan kedua instrumen dapat dilakukan dan instrumen KC/MS tersedia di pasaran.

    Pada akhirnya, hampir semua dari berbagai gabungan antara spektrometer massa yang merupakan sistem tempat pemasukan contoh dengan spektrometer massa lain (SM/MS) telah dikembangkan dan dipelajari misalnya; TOF dengan sektor magnetik, dua sektor magnetik, kuadoprol dengan sektor magnetik dan lain-lain. Penggunaan teknik ini paling berhasil untuk analisis campuran. Juga telah digunakan untuk analisis struktur yang memerlukan pengionan terhadap molekul yang akan ditetapkan dengan teknik yang terutama menghasilkan ion induk, kemudian ion induk ini dimasukkan ke dalam spektrometer massa kedua untuk mempelajari pola fragmentasi.

    Analisis data dan interpretasi Walaupun molekul umumnya bermuatan netral, jika satu elektron diambil atau ditambahkan, akan menghasilkan ion molekuler. Massa ion ini adalah bobot molekul dari molekul yang diteliti. Selanjutnya, seringkali dimungkinkan untuk menentukan massaa ion ini secara akurat dengan ketepatan yang cukup untuk dapat menghitung rumus empiris dari senyawa. Massa yang akurat dapat ditetapkan pada resolusi yang tinggi baik oleh pengukuran melalui penatahan atau mencocokkan puncak zat.

    Ion fragmen dihasilkan dari ion-ion molekular melalui berbagai proses pemecahan ikatan. Terdapat banyak pustaka yang membahas kaitan antara pola pemecahan ikatan (pola fragmen) dengan struktur molekuler. Korelasi spektrum massa dan struktur molekul dibahas untuk steroid, aromatik, alifatik dan akhir-akhir ini juga untuk senyawa kompleks yang berasal dari bioteknologi.

    Spektrum massa seringkali sangat kompleks dan tidak semua ion dapat dipisahkan dengan spektrometer massa. Batas kemampuan instrumen untuk memisahkan dua ion yang massanya sangat berdekatan disebut daya pisah dari instrumen. Definisi ini menyatakan daya pisah dari suatu spektrometer masssa adalah nomor nilai massa tertinggi pada tempat puncak-puncak dengan bobot molekul berdekatan dan tinggi  yang sama mempunyai suatu “lembah” diantaranya seharga 10% dari tinggi puncak. Dalam spektrometer massa, resolusi rendah mencakup rentang lebih kurang 100 hingga 2000, resolusi sedang 2000 hingga 10.000 dan resolusi tinggi lebih besar dari 10.000.

    Analisis kuantitatif dalam spektrometer massa umumnya dilakukan dengan salah satu dari dua cara. Yang pertama adalah pemantauan secara ion selektif. Dalam tehnik ini, sekelompok ion yang diinginkan difokuskan tersendiri pada detektor dan diukur. Baik kepekaan maupun selektifitas ditingkatkan melalui teknik ini.

    Teknik kuantitatif kedua yang terkenal adalah pengenceran isotop. Metode ini dapat dilaksanakan melalui penggunaan isotop yang reaktif atau stabil, penggunaan isotop yang stabil lebih disukai untuk spektrometri massa. Teknik pengenceran isotop mempunyai keuntungan yang unik, bahwa tidak perlu untuk memperoleh kembali seluruh bahan asal yang dianalisis untuk mendapatkan informasi kuantitatif yang diinginkan. Teknik ini telah berhasil diterapkan dalam mempelajari bahan biologik, sering dalam kombinasi dengan KG/SM atau KC/SM.