Spektrometria mas (MS) wykorzystuje zjawisko tworzenia się jonów próbki w fazie gazowej ( \( M \)) i polega na wyznaczeniu stosunku masy danego jonu do jego ładunku ( \( {m}{/}{z} \)) podając wykres liczebności jonów w funkcji ( \( {m}{/}{z} \)) (widmo masowe). Dokładna wartość \( {m}{/}{z} \) wskazuje na skład pierwiastkowy jonu, dzięki czemu jest możliwa analiza składu badanej próbki. W zależności od zastosowanej metody jonizacji, próbka jest przekształcana w jony molekularne, pseudomolekularne i fragmentacyjne. Jony molekularne to najczęściej kationy rodnikowe ( \( {M}{^+}{^•} \)) utworzone przez usunięcie elektronów z próbki (jony o masie równej masie cząsteczkowej związku z dokładnością do masy elektronu). Wprowadzanie elektronów do próbki w celu uzyskania jonów \( {M}{^–}{^•} \) jest stosowane sporadycznie i tylko w przypadku próbek elektroujemnych. Jony pseudomolekularne mogą być dodatnie lub ujemne, jak np. \( {[M + H]}{^+} \), \( {[M – H]}{^–} \), \( {[M + Na]}{^+} \) i \( {[M + Cl]}{^–} \) i powstają poprzez dodanie jonów \( {H}{^+} \), \( {Na}{^+} \) i \( {Cl}{^–} \) lub odłączenie jonu \( {H}{^–} \) z badanej cząsteczki. Metody jonizacji „miękkiej” generują głównie jony molekularne lub pseudomolekularne podczas gdy metody jonizacji „twardej” tworzą również jony fragmentacyjne.

Rys. 1 przedstawia przykładowe widma masowe poli(dimetylosiloksanu) i oktametylocyklotetrasiloksanu [1]. Analiza widm pokazuje, iż oba polisiloksany mają identyczne jony, ale intensywności niektórych jonów są różne. Jest to ważna informacja, ponieważ spotyka się często sytuacje, w których dwie lub więcej cząsteczek zawiera te same pierwiastki i cząsteczki, które nie mogą zostać rozróżnione w oparciu o jony fragmentacyjne, ale mogą zostać rozróżnione dzięki zależności pomiędzy intensywnościami pików dla niektórych z ich jonów. Na przykład, stosunki intensywności dla jonów przy \( {m}{/}{z} \) = 89 (jon \( {S}{i}{C}{_3}{H}{_9}{O}{^¯} \)) i 91 (jon \( {S}{i}{C}{_2}{H}{_7}{O}{_2}{^¯} \)) oraz 163 (jon \( {S}{i}{_2}{C}{_4}{H}{_1}{_3}{O}{_2}{^¯} \)) i 165 (jon \( {S}{i}{_2}{C}{_4}{H}{_1}{_3}{O}{_3}{^¯} \)) są odwrócone. Ta różnica jest odzwierciedleniem dużej zawartości \( {S}{i}{(}{C}{H}{_3}{)}{_3} \) w poli(dimetylosiloksanie) i braku \( {S}{i}{(}{C}{H}{_3}{)}{_3} \) w cyklosiloksanie.

Metody spektrometrii mas są często stosowane w analizie polimerów ze względu na ich wysoką czułość (<10 – 15 moli), selektywność (analiza mniejszych składników mieszaniny), specyficzność (dokładna masa i wzorce fragmentacji służą za odcisk palca) i szybkość (uzyskanie danych jest możliwe w ciągu kilku sekund). W zależności od stanu skupienia analizowanej próbki i metody jonizacji [2], [3], [4] wyróżnia się różne techniki MS, np.:

• stan stały – jonizacja elektronowa (EI) lub jonizacja laserem wspomagana matrycą (MALDI);
• stan ciekły – jonizacja przez rozpylanie w polu elektrycznym (ESI) lub MALDI;
• stan gazowy – jonizacja chemiczna (CI), jonizacja plazmą wzbudzaną indukcyjnie (ICP) lub EI.

Materiały lotne na ogół są jonizowane w wyniku oddziaływania ich oparów z elektronami, jonami lub silnym polem elektrycznym (metoda stosowana do jonizacji monomerów i oligomerów o małej masie). Silne pola elektryczne mogą również jonizować materiały nielotne. Jony związków nielotnych i nietrwałych termicznie mogą być desorbowane do fazy gazowej także poprzez bombardowanie odpowiednio przygotowanej próbki szybkimi atomami, jonami lub fotonami emitowanymi przez lasery oraz poprzez szybkie ogrzewanie. Alternatywnie, ciekłe roztwory można bezpośrednio przekształcić w jony w fazie gazowej za pomocą technik rozpylania.

W metodzie jonizacji elektronowej (EI – Electron Ionisation) (zob. Rys. 2 ) próbka (najczęściej o masie 10 – 1 000 Da) jest odparowywana termicznie i około 10 \( {^–}{^5} \) Torra jej par dostaje się do objętości źródła elektronów, gdzie ulega jonizacji (z wydajnością około \( 0.01\% \)) w wyniku zderzenia z wiązką elektronów (zazwyczaj o energii kinetycznej 70 eV) dając \( {M}{^+}{^•} \) (równanie ( 1 ) ), które w wyniku kolejnych konkurencyjnych dekompozycji dają pewną liczbę jonów fragmentacyjnych. A zatem widmo masowe EI zawiera sygnał od jonu molekularnego i wszystkich jonów fragmentacyjnych.

W przypadku metody jonizacji chemicznej (CI – Chemical Ionisation), próbkę i duży nadmiar (około 10 \( {^3} \) krotny) gazu buforowego ( \( {R}{H} \)) wprowadza się jednocześnie do źródła jonizującego. Próbka w stanie gazowym jest jonizowana (równania ( 3 ) – przeniesienie protonu i ( 4 ) – addycja elektrofilowa) w wyniku reakcji cząsteczek RH z jonami gazu buforowego ( \( {R}{H}{^+}{^•} \)) (równanie ( 2 ) – tworzenie jonu reagującego) powstałymi w wyniku jonizacji elektronowej.

W przypadku jonizacji polem elektrycznym (FI – Field Ionisation), próbka w stanie gazowym zbliża się do powierzchni anody o dużej krzywiźnie i o wysokim potencjale dodatnim, który jest odpowiedzialny za silne pole w pobliżu powierzchni anody (rzędu 10 \( {^7} \) V/cm). Pod wpływem tego pola, zachodzi tunelowanie kwantowe elektronu walencyjnego z próbki do powierzchni anody prowadzące do utworzenia \( {M}{^+}{^•} \). Jony \( {[M + H]}{^+} \) mogą również zostać utworzone w przypadku próbek polarnych poprzez oderwanie wodoru z powierzchni anody lub jej pobliża. Jony molekularne wytwarzane metodą FI mają niższe energie wewnętrzne niż te wytwarzane przez EI, a zatem ich zdolność do fragmentacji próbki jest mniejsza. Czasy przebywania jonów w źródłach FI i EI wynoszą odpowiednio około 10 \( {^–}{^1}{^2} \) s i 10 \( {^–}{^6} \) s. Krótszy czas przebywania jonów próbki w źródle FI eliminuje lub zmniejsza zakres przegrupowań, dzięki czemu np. izomery dające bardzo podobne widma EI można rozróżnić na podstawie ich widm FI.

W metodzie jonizacji przez desorpcję polem (FD – Field Desorption) próbka nie jest odparowywana do stanu gazowego, ale jest osadzana bezpośrednio na powierzchni emitera, która przenosi silne pole. W metodzie tej nie mam zatem konieczności ogrzewania emitera lub ogrzewa się go tylko łagodnie w celu desorpcji \( {M}{^+}{^•} \) lub \( {[M + H]}{^+} \). Aby utworzyć inne rodzaje jonów pseudomolekularnych, np. \( {[M + Na]}{^+} \) lub \( {[M + K]}{^+} \), do próbki dodaje się sole metali. Desorpcja polem prowadzi do mniej wzbudzonych jonów i często produkuje tylko jony molekularne lub pseudomolekularne, co ułatwia analizę składu. FD jest z powodzeniem stosowana do polimerów o masie cząsteczkowej do około 10 000 Da i polimerów węglowodorowych bez grup funkcyjnych, które są trudne do jonizacji innymi metodami.

W metodzie jonizacji laserem wspomaganej matrycą (MALDI — Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) próbka jest równomiernie mieszana z dużą ilością matrycy, którą stanowią lotne małocząsteczkowe związki organiczne silnie pochłaniające promieniowanie z zakresu UV lub IR i przekształcające je w energię cieplną. Najczęściej jonizację i desorpcję próbki dokonuje się za pomocą lasera azotowego emitującego długość 337 nm lub lasera CO \( {_2} \) ( \( {\lambda} \) = 9.4 i 10.6 μm). W wyniku naświetlania, nałożona na płytkę metalową niewielka część górnej zewnętrznej powierzchni matrycy (do 100 nm) nagrzewa się w ciągu kilku nanosekund i wraz z próbką odparowuje ułatwiając protonację/deprotonację cząsteczek próbki poprzez szereg procesów, takich jak ablacja i jonizacja prowadząca głównie do tworzenia pojedynczo naładowanych jonów ( \( {[M + H]}{^+} \) i \( {[M – H]}{^–} \)), co pozwala na łatwą identyfikację związków w mieszaninie. Metoda ta jest stosowana z powodzeniem do badań polimerów o masie cząsteczkowej w zakresie 500 – 1 000 000 Da.

Metoda jonizacji przez rozpylanie w polu elektrycznym (ESI — Electrospray Ionization) wymaga, aby analizowana próbka (o masie w zakresie 50 – 80 000 Da) była rozpuszczalna w rozpuszczalniku, który można elektrorozpylać, albowiem energia elektryczna jest wykorzystywana do wspomagania przeniesienie jonów próbki z roztworu do fazy gazowej, które obejmuje trzy etapy. W pierwszym etapie, ciągły strumień próbki jest przepuszczany przez kapilarę ze stali nierdzewnej lub krzemionki kwarcowej, która jest utrzymywana pod wysokim napięciem (np. 2.5 – 6.0 kV) w stosunku do ścianki komory. Generowana jest mgiełka silnie naładowanych kropelek o tej samej polaryzacji, co napięcie kapilarne. K kolejnym etapie, naładowane krople, generowane na wyjściu z elektrorozpylacza, przechodzą w dół gradientu ciśnienia i gradientu potencjału w kierunku obszaru analizatora spektrometru mas. Przy pomocy podwyższonej temperatury źródła ESI i / lub strumienia gazu suszącego (np. azotu) wielkość naładowanych kropelek jest stale zmniejszana przez odparowanie rozpuszczalnika, co prowadzi do zwiększenia gęstości ładunku powierzchniowego i zmniejszenia promienia kropli. Wreszcie, natężenie pola elektrycznego w naładowanej kropli osiąga punkt krytyczny, w którym wielokrotnie naładowane jony ( \( {[M + zH]}{^z}{^+} \), \( {[M + (z+1)H]}{^(}{^z}{^+}{^1}{^)}{^+} \), itd.) z powierzchni kropelek zostają wyrzucone do fazy gazowej.

Jonizacja wysokoenergetycznymi atomami (FAB — Fast Atom Bombardment) to metoda miękkiej jonizacji dobrze nadająca się do oznaczania dużych cząsteczek polarnych i termicznie nietrwałych. Próbkę rozpuszcza się w glicerolu, tioglicerolu lub innym nielotnym materiale, czyli w tzw. matrycy FAB, którą następnie wprowadza się do obszaru wysokiej próżni instrumentu. W obszarze tym, próbka jest wystawiana na działanie wiązki wysokoenergetycznych atomów ksenonu (Xe) lub argonu (Ar), co powoduje wyrzucenie i jonizację cząsteczek ( \( {[M + H]}{^n}{^+} \) lub \( {[M + H]}{^n}{^–} \)) z powierzchni matrycy. Przy użyciu tej techniki jonizacji można badać próbki do masy około 6 000 Da.

Fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (APPI – Atmospheric Pressure Photoionization Ionization) jest techniką jonizacji miękkiej stosowaną w połączeniu z chromatografią cieczową. W technice tej najpierw, przy wykorzystaniu chromatografii cieczowej, rozpuszczalnik (S) i próbka (M) tworzą fazę gazową, która następnie jest jonizowana w wyniku oddziaływania z fotonami emitowanymi przez źródło światła (np. lampa argonowa czy ksenonowa), a powstałe jony są wprowadzane do spektrometru mas. Podczas tego procesu zarówno próbka, jak i rozpuszczalnik mogą zostać wzbudzone, a próbka może pobierać protony z rozpuszczalnika protonowego.

Technika, w której próbka ulega bezpośredniej jonizacji (równanie ( 5 ) ) jest nazywana bezpośrednią APPI. W technice tej niektóre próbki ulegają fotojonizacji w niewielkim stopniu. W celu znacznego zwiększenia liczby generowanych jonów (najczęściej poprzez wymianę ładunku lub transfer protonów) dodaje się jednej lub kilku odpowiednich substancji (domieszek ( \( {D} \)) - substancji o potencjale jonizacji niższym niż energia fotonu emitowanego przez źródło światła i niskim powinowactwie do protonu) – mówimy wówczas o technice APPI wspomaganej domieszką (DA-APPI). Początkowo domieszka ulega jonizacji pod wpływem fotonów (równanie ( 7 ) ). Zjonizowane jony domieszki ( \( {D}{^+} \)) mogą wymieniać ładunek bezpośrednio z próbką tworząc \( {M}{^+} \) (równanie ( 8 ) ) lub przenosić uzyskany ładunek dodatni do rozpuszczalnika (równanie ( 9 ) ), który z kolei przenosi protony do próbki tworząc \( {[M + H]}{^+} \) (równanie ( 10 ) ), które dostają się do spektrometru mas.

Metoda jonizacji przez plazmę sprzężoną indukcyjnie (ICP – Inductively Coupled Plasma) opiera się na jonizacji próbki przez ekstremalnie gorącą plazmę, zwykle wytwarzaną z argonu, który przepływa przez palnik ładowany za pomocą cewki elektromagnetycznej i zapalany za pomocą jednostki Tesli, która wytwarza łuk szybkiego wyładowania przez przepływ argonu. W metodzie tej, elektrony przyspieszane zderzają się z atomami argonu, w wyniku czego atom argonu wyrzuca jeden ze swoich elektronów. Uwolnione elektrony są następnie przyspieszane przez szybko zmieniające się pole magnetyczne jednostki elektromagnetycznej. System działa, aż szybkość uwalniania elektronów zostanie zrównoważona przez szybkość rekombinacji elektronów z powstającymi jonami argonu. To generuje „kulę ognia”, która składa się głównie z atomów argonu z niewielkim procentem wolnych elektronów i jonów argonu. Przez środek plazmy przepływa gaz tworzący kanał, który jest zimniejszy niż sąsiednia plazma, ale wciąż znacznie cieplejszy niż płomień chemiczny. Próbka jest wprowadzana do kanału w postaci mgiełki (przy wykorzystaniu nebulizatora) i jonizowana.