Massa–lataussuhde (m/q): määritelmä, yksiköt ja sovellukset massaspektrometriassa
Massa–lataussuhde (m/q): määritelmä, yksiköt (kg/C) ja käytännön sovellukset massaspektrometriassa — selkeä opas hiukkasten erotteluun ja analyysiin.
Massa-lataussuhde on fysikaalinen suure (se on mitattavissa oleva määrä). SI-yksikkö on kg/C, joka on kilogramma jaettuna coulombilla. Joskus sen sijaan käytetään varauksen ja massan suhdetta.
Tyhjiössä kaikki hiukkaset, joilla on sama massa-varaus-suhde, liikkuvat samaa reittiä, kun ne ovat samansuuruisissa sähkö- ja magneettikentissä.
Se on tärkeää esimerkiksi massaspektrometriassa.
Merkitys ja yleinen notaatio
Massa–lataussuhdetta merkitään usein m/q tai massaspektrometriassa yleisemmin muodossa m/z, missä m on ionin massa ja z on ionin varauksen kokonaislukuarvo (varausten lukumäärä). Esimerkiksi suureen notaatio m/z = 500 tarkoittaa, että massan ja varauksen suhde on 500 yksikköä. Kun ionilla on useampi varaus (esim. proteiinit), sama kokonaismassa voi antaa erilaisia m/z-arvoja riippuen z-arvosta.
Yksiköt käytännössä
Teoreettinen SI-yksikkö on kg/C (kilogrammaa per coulomb), mutta massaspektrometriassa käytetään käytännöllisiä yksiköitä:
- m/z ilman yksikköä on yleinen tapa esittää arvo; sen tulkinta edellyttää tiedon, että z on varauksen lukumäärä.
- Dalton per varaus (Da/e tai u/e): usein ilmoitetaan m/z-arvona, jossa massayksikkö on Dalton (u) ja varaus ilmaistaan per alkiovaraus.
- Thomson (Th): yksi Thomson on määritelty usein käytännössä yhtä kuin 1 u/e (eli 1 dalton per yhden alkeisvarauksen verran). Tämä on käytännöllinen yksikkö massaspektrometriaan.
Vaikka SI-yksikkö kg/C on oikea, laboratoriokäytössä ja julkaisuissa m/z-asteikkoa esitetään tyypillisesti ilman SI-merkitsemistä tai yksikkönä Th/Da per varaus.
Miten massa–lataussuhde vaikuttaa hiukkasten liikkeeseen
Kun varatut hiukkaset liikkuvat sähkö- tai magneettikentässä, niiden rata riippuu massasta ja varauksesta. Esimerkiksi magneettikentässä kohtisuorassa kenttään oleva nopeus v aiheuttaa säteelle seuraavan riippuvuuden (kun voima on keskeinen magneettinen voima):
r = m·v / (q·B)
eli suurempi massa tai pienempi varaus (q) antaa suuremman kaarresäteen r samassa magneettikentässä B ja nopeudella v. Time-of-flight (TOF) -analyysissä puolestaan kineettinen energia qV = ½ m v² johtaa aikaan
t = L · sqrt(m / (2 q V)),
josta näkyy, että TOF-aika skaalautuu suhteessa sqrt(m/q). Näin saman m/q:n omaavat ionit saapuvat detektoreihin samalla ajalla oletetuissa olosuhteissa.
Sovellukset massaspektrometriassa
Massa–lataussuhde on perusta kaikille massaspektrometrityypeille. Esimerkkejä käytännön vaikutuksista:
- Magnettinen sektori: valikoi ionit tietyn m/q:n perusteella säteen kaarevuuden avulla.
- Quadrupole: RF- ja DC-kenttien suhteilla säädellään, mitkä m/q-arvot ovat stabiileja ja kulkeutuvat detektorille.
- TOF: mittauksen ajoituksen perusteella päätellään m/q arvot, koska t ∝ sqrt(m/q).
- Orbitrap ja FT-ICR: taajuusanalyysi antaa tarkkoja m/z-arvoja ja mahdollistaa korkean resoluution erottelun eri varaustilojen välillä.
Monissa biologisissa kokeissa samaan massa–lataussuhteeseen voi kuulua eri yhdistelmät massasta ja varauksesta (esim. kaksi kertaa varautunut ionisoitunut molekyyli näyttää puolet pienemmän m/z-arvon kuin vastaava yksittäin varautunut muoto). Tämä mahdollistaa esimerkiksi suureiden proteiinien ja peptidien analysoinnin käyttämällä monivarauksellisuutta, mutta vaatii myös dekonvoluutiota tulosten tulkinnassa.
Lisätietoa käytännöstä ja huomioita
- m/z-arvoihin liittyy usein etuliite + tai −, joka kertoo varauksen merkin (positiivinen tai negatiivinen ionisaatio).
- Mittauksen resoluutio ja tarkkuus riippuvat laiteperiaatteesta, signaalin voimakkuudesta ja kalibroinnista; esimerkiksi korkean resoluution laitteet pystyvät erottamaan lähekkäisiä m/z-peakkeja, jotka vastaavat samankaltaisia massoja mutta eri isotooppikoostumuksia tai eri varauksia.
- Ilmaisuissa on hyvä huomata ero massan yksikön (kg tai u/Da) ja varauksen yksikön (C tai e) välillä — käytännössä käytetään usein Da per alkeisvaraus (u/e), mikä on ihmislukijalle helpompi tulkita kuin SI-merkintä kg/C.
Yhteenvetona: massa–lataussuhde (m/q tai m/z) yhdistää hiukkasen massan ja varauksen siten, että se määrittää sen liikkeen sähkö- ja magneettikentissä. Se on keskeinen käsite massaspektrometriassa ja muissa laitteissa, jotka erottelevat varattuja hiukkasia massan mukaan.
Etsiä