مطياف الكتلة

The following describes the operation of a simple mass spectrometer that uses sector type. Other types are treated below.

Consider a sample of sodium chloride (table salt). In the ion source, the sample is vaporized (turned into gas) and ionized (transformed into electrically charged particles) into sodium (Na⁺) and chloride (Cl⁻) ions.

Sodium atoms and ions are monoisotopic, with a mass of about 23 daltons (symbol: Da or older symbol: u). Chloride atoms and ions come in two stable isotopes with masses of approximately 35 u (at a natural abundance of about 75 percent) and approximately 37 u (at a natural abundance of about 25 percent).

The analyzer part of the spectrometer contains electric and magnetic fields, which exert forces on ions traveling through these fields. The speed of a charged particle may be increased or decreased while passing through the electric field, and its direction may be altered by the magnetic field.

The magnitude of the deflection of the moving ion's trajectory depends on its mass-to-charge ratio. Lighter ions are deflected by the magnetic force to a greater degree than heavier ions (based on Newton's second law of motion, F = ma).

The streams of magnetically sorted ions pass from the analyzer to the detector, which records the relative abundance of each ion type. This information is used to determine the chemical element composition of the original sample (i.e. that both sodium and chlorine are present in the sample) and the isotopic composition of its constituents (the ratio of ³⁵Cl to ³⁷Cl).

Hard ionization techniques are those that impart high quantities of residual internal energy in the subject molecule, even after ionization. Part of the energy would be dissipated by rupturing chemical bonds within the ion, producing many fragmentary radicalions. The resultant ions tend to have m/z lower than the molecular ion (other than in the case of proton transfer and not including isotope peaks). The most common example of hard ionization is electron ionization (EI).

The radical ions produced after the first ionization are called second-generation product ions. The products are then directed towards the mass analyzer by a repeller electrode. The ionization process often follows predictable cleavage reactions that give rise to fragment ions which, following detection and signal processing, convey structural information about the analyte.

Conversely, soft ionization techniques are those that impart little residual energy onto the subject molecule and as such result in little fragmentation. Examples include fast atom bombardment (FAB), chemical ionization (CI), atmospheric-pressure chemical ionization (APCI), atmospheric-pressure photoionization (APPI), electrospray ionization (ESI), desorption electrospray ionization (DESI), and matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI).

In electron ionization (EI), energetic electrons are produced by a hot cathode: a wire filament heated by running electric current through it, producing energetic electrons by thermionic emission. The electrons are then accelerated towards an anode. The voltage difference between the cathode and the anode determines the energy of the electron stream.^{[11]:Ch. 3.3}

Most organic compounds have ionization energy 8-15 eV, but empirically, the efficiency of ionization is too low unless the electron beam has an energy of 50-70 eV per electron. The spectral features, including fragmentation patterns, depend on the energy setting. Conventionally for EI, the electron energy is standardized to be exactly 70 eV. Consequently, if one wishes to compare their EI-MS results against standard databases, or produce results that can be added to standard databases, one must standardize their EI electron energy to 70 eV.^{[11]:Ch. 3.3}

EI accepts as input a stream of gas from the molecular leak. The gas stream crosses the electron stream perpendicularly. The collision ionizes the gas stream. The ion stream then is accerelated by a succession of electrodes. Typically an ion carrying 1 e would be accelerated to 1-10 keV.^{[11]:Ch. 3.3}

EI has many benefits for routine mass spectrometry of small organic molecules. It is cheap and robust, with reproducible spectrograms. Databases for EI spectrograms are widely available and covers many such molecules.^{[11]:Ch. 3.3}

EI is unsuited for large molecules, such as most biomolecules. It is a hard technique, which tends to break down large molecule ions during flight, since large molecules are particularly easy to fragment. Furthermore, large molecules are hard to volatilize without being degraded by heat.^{[11]:Ch. 3.3}

In chemical ionization (CI), the analyte is ionized by a chemical reaction with an ionized reagent gas (itself ionized by some technique, such as by EI). The analyte gas and the reagent gas intersect, and react. The reaction then produces ionized analyte fragments by various mechanisms, including proton transfer, electron transfer, and adduct formation. The ion is then accelerated electrostatically, as in EI. CI ion sources are similar to EI sources, and most modern mass spectrometers can switch from EI to CI mode in minutes.^{[11]:Ch. 3.3}

To ensure efficiency, the amount of reagent is much higher than the analyte. Consequently, a large amount of reagent ions would end up in the mass analyzer. This is usually handled by only measuring the part of the spectrogram with m/z above those of the main species in the reagent ion stream.^{[11]:Ch. 3.3}

Common ionizing reagents for CI-MS include methane, ammonia, isobutane, and methanol. The proton affinity of the reagent gas and of the sample should be matched to ensure efficient ionization. If the proton affinity of the reagent gas is too high, ionization is inefficient. If the proton affinity of the reagent gas is too low, fragmentation is excessive.^{[11]:Ch. 3.3}

For example:^{[11]:Ch. 3.3}

• When the reagent is methane, the predominant reaction is proton transfer M + CH₅⁺ → (MH)⁺ + CH₄.
• When the reagent is ammonium, the predominant reaction is proton transfer M + NH₄⁺ → (MH)⁺ + NH₃.
• When the reagent is isobutane, the reaction may be proton transfer M + (CH₃)₃C⁺ → (MH)⁺ + (CH₃)₂C=CH₂ or adduct formation M + (CH₃)₃C⁺ → (M · C(CH₃)₃)⁺.
• CI can also produce negatively charged analyte ions by proton abstraction or adduct formation. For example, ionized NF₃ contains F⁻, which abstracts proton.

يُعدّ التأين بالرذاذ الكهربائي (ESI) والتأين بالرذاذ الحراري (TSI) مناسبين للجزيئات الحيوية ذات الوزن الجزيئي العالي والمركبات الأخرى غير المستقرة أو غير المتطايرة، وخاصةً في نظام LC-MS. في كلتا الحالتين، يكون المُحلَّل في محلول. يُرشّ المحلول، إما بالرذاذ الكهربائي أو الحراري، في تيار من الرذاذ، والذي يتبخر بدوره إلى تيار أيوني. وقد حلّت تقنية ESI محلّ تقنية TSI في معظم الأغراض. ^{[ 11 ] : القسم 3.3}

في تقنية TSI، يدخل المحلول إلى أنبوب شعري ساخن، مما ينتج عنه رذاذ من القطرات. يتبخر المذيب، تاركًا المواد المراد تحليلها متأينة. يمكن أن يحدث التأين نتيجة لثلاث عمليات محتملة:

• المادة المراد تحليلها موجودة بالفعل في شكل أيوني في المحلول، ويتم امتصاصها عند تبخر المذيب.
• انتقال الحمض والقاعدة. إذا كان المذيب محلولًا منظمًا ، فيمكن للمادة المراد تحليلها أن تتأين عن طريق تبادل بروتون مع المحلول المنظم. يُعد هذا النوع من التأين مناسبًا تمامًا لتقنية كروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS)، لأن السائل المستخدم في كروماتوغرافيا السائل هو في الأصل محلول منظم.
• التأين بالرش البلازمي أو التشغيل بالخيط. يتم تأيين المذيب الموجود في الرش بواسطة شعاع إلكتروني عالي الطاقة. ثم يقوم المذيب المتأين بتأيين المادة المراد تحليلها كيميائياً.

في تقنية التأين بالرذاذ الإلكتروني (ESI)، يدخل المحلول إلى أنبوب شعري مُعرَّض لجهد عالٍ (عادةً 2-5 كيلو فولت)، مُنتجًا رذاذًا إلكترونيًا في حجرة مُسخَّنة في مواجهة تيار معاكس من غاز مُجفِّف (عادةً النيتروجين). يؤدي هذا إلى تبخير جزيئات المذيب. تزداد كثافة الشحنة على القطرة أثناء تبخرها، حتى تتغلب الطاقة الكهروستاتيكية على طاقة التوتر السطحي، مما يؤدي إلى انفجار القطرة. تتكرر هذه العملية، لتنتهي بتيار أيوني خالٍ من المذيب. يمكن أن يحدث التأين عن طريق: ^{[ 11 ] : القسم 3.3}

• تركيز الشحنة في القطرات أثناء التبخر.
• العمليات الكهروكيميائية الناجمة عن الجهد الكهروستاتيكي للشعيرة الدموية.

على عكس تقنية التأين بالرش الحراري (TSI)، قد تحمل أيونات المادة المُحللة الناتجة عن تقنية التأين بالرش الإلكتروني (ESI) شحنة مختلفة عن تلك التي تحملها المادة نفسها في المحلول. بمعنى آخر، قد تتحول المادة المُحللة الموجودة طبيعيًا على شكل M ⁺ في المحلول إلى سلسلة من الأيونات تحتوي على خليط من M ⁺ وM2 ⁺ وM3 ⁺ ، إلخ. يمكن للجزيئات الكبيرة أن تحمل شحنة كبيرة. تستطيع البروتينات النموذجية حمل العديد من البروتونات نظرًا لوجود سلاسل جانبية من الأحماض الأمينية القاعدية، مما ينتج عنه قمم عند m/z = 600-2000 للبروتينات ذات الوزن الجزيئي الذي يبلغ حوالي 200,000 دالتون. وهذا أمر مفيد، لأنه يعني أن الأيون لن يتجاوز حدود m/z في أجهزة تحليل الكتلة النموذجية. ^{[ 11 ] : القسم 3.3}

Desorption ionization (DI) is a family of ionization techniques. The main examples are secondary-ion mass spectrometry (SIMS), fast atom bombardment (FAB), and matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI). In DI, the sample is dissolved or dispersed in a matrix, and bombarded by a high-energy (1-10 keV) beam of ions (SIMS), neutral atoms (FAB), or photons (MALDI). The beam ionizes and expels (desorbs) some sample molecules off the matrix. The ion is then accelerated electrostatically, as in EI.^{[11]:Sec. 3.3}

The matrix should be nonvolatile and relatively inert, so that it would not react with the analyte. It should also be a good electrolyte to allow ion formation. Ionized fragments of the matrix itself forms usually have ${\displaystyle m/z\lesssim 600}$, so the spectrogram usually filters out that segment.^{[11]:Sec. 3.3}

SIMS and FAB are quite similar. SIMS uses an ion beam, usually Ar⁺ or Cs⁺. FAB uses a neutral atom beam, usually Ar or Xe. For SIMS and FAB, if the matrix compound is more acidic than the analyte, then predominantly (M + H)⁺ forms formed, and conversely (M − H)⁻. Also possibly forming (M + Na)⁺, (M + K)⁺, etc, if the matrix is contaminated incidentally (adventitiously) by sodium, potassium, etc. Typical matrix materials include glycerol, thioglycerol, 3-nitrobenzyl alcohol, diethanolamine, triethanolamine, and dithiothreitol-dithioerythritol mixture. They are usually used to analyze polypeptides and oligonucleotides up to 20 kDa.^{[11]:Sec. 3.3}

MALDE uses a photon beam, usually the soft-UV 337 nm nitrogen laser. It can also use an infrared (IR) laser for direct analysis of samples contained in gels or thin-layer chromatography (TLC) plates. MALDE can analyze small polymers (~1 kDa), to oligosaccharides, oligonucleotides and polypeptides, antibodies, up to small proteins (~300 kDa). It is highly sensitive, requiring only femtomoles of sample.^{[11]:Sec. 3.3}

Desorption/ionization on silicon (DIOS) is similar to MALDE, but without the matrix. The sample is deposited directly on a nanostructured (porous silicon) surface and the sample desorbed directly from the nanostructured surface through the adsorption of laser light energy. DIOS has been used to analyze organic molecules, metabolites, biomolecules and peptides, and, ultimately, to image tissues and cells.^[15]

Inductively coupled plasma (ICP) sources are used primarily for cation analysis of a wide array of sample types. In this source, a plasma that is electrically neutral overall, but that has had a substantial fraction of its atoms ionized by high temperature, is used to atomize introduced sample molecules and to further strip the outer electrons from those atoms. The plasma is usually generated from argon gas, since the first ionization energy of argon atoms is higher than the first of any other elements except He, F and Ne, but lower than the second ionization energy of all except the most electropositive metals. The heating is achieved by a radio-frequency current passed through a coil surrounding the plasma.

Photoionization can be used in experiments which seek to use mass spectrometry as a means of resolving chemical kinetics mechanisms and isomeric product branching.^[16] In such instances a high energy photon, either X-ray or uv, is used to dissociate stable gaseous molecules in a carrier gas of He or Ar. In instances where a synchrotron light source is utilized, a tuneable photon energy can be utilized to acquire a photoionization efficiency curve which can be used in conjunction with the charge ratio m/z to fingerprint molecular and ionic species. More recently atmospheric pressure photoionization (APPI) has been developed to ionize molecules mostly as effluents of LC-MS systems.

تشمل بعض تطبيقات التأين المحيطي تطبيقات بيئية وسريرية. في هذه التقنيات، تتشكل الأيونات في مصدر أيوني خارج مطياف الكتلة. يصبح أخذ العينات سهلاً لأنها لا تحتاج إلى فصل أو تحضير مسبق. من أمثلة تقنيات التأين المحيطي: التحليل المباشر في الوقت الحقيقي (DART)، وDESI ، وSESI ، وLAESI ، والتأين الكيميائي بالضغط الجوي (APCI)، والتأين الكيميائي بالضغط الجوي بالامتزاز (DAPCI)، والتأين اللين بالتفاعل الكيميائي أثناء النقل (SICRT)، والتأين الضوئي بالضغط الجوي بالامتزاز (DAPPI)، وغيرها.

وتشمل الأنواع الأخرى التفريغ المتوهج ، والامتزاز الميداني (FD)، والتأين الشراري ، والتأين الحراري (TIMS). ^{[ 17 ]}

يحكم القانونان التاليان ديناميكيات الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ:

${\displaystyle \mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$( قانون قوة لورنتز )؛

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$( قانون نيوتن الثاني للحركة في الحالة غير النسبية، أي أنه صالح فقط عند سرعة الأيونات الأقل بكثير من سرعة الضوء).

هنا، F هي القوة المؤثرة على الأيون، وm هي كتلة الأيون، وa هي التسارع، وQ هي شحنة الأيون، وE هو المجال الكهربائي، و v × B هو حاصل الضرب الاتجاهي لسرعة الأيون والمجال المغناطيسي

بمساواة التعبيرات أعلاه للقوة المطبقة على الأيون، نحصل على:

${\displaystyle (m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .}$

This differential equation is the classic equation of motion for charged particles. Together with the particle's initial conditions, it completely determines the particle's motion in space and time in terms of m/Q. Thus mass spectrometers could be thought of as "mass-to-charge spectrometers". When presenting data, it is common to use the (officially) dimensionlessm/z, where z is the number of elementary charges (e) on the ion (z=Q/e). This quantity, although it is informally called the mass-to-charge ratio, more accurately speaking represents the ratio of the mass number and the charge number, z.

There are several important analyzer characteristics.

The mass resolving power${\displaystyle \Delta (m/z)}$ is the just detectable difference in m/z, at that particular m/z, usually measured measured in milli mass units (mDa). In particular, the resolution may be different at different m/z. It is usually operationalized as the full width at half maximum a peak at that given m/z.

The resolution is the ratio ${\displaystyle {\tfrac {m/z}{\Delta (m/z)}}}$. It is unitless. A "high-resolution" mass analyzer typically has resolution >1 million. Concretely, that means it can resolve two peaks at ~1 kDa, differing by just ~1 mDa.

The absolute accuracy is the ratio of the m/z measurement error to the true m/z. It is defined as ${\displaystyle |(m/z)_{\text{measured}}-(m/z)_{\text{true}}|}$. The relative accuracy is ${\displaystyle {\tfrac {|(m/z)_{\text{measured}}-(m/z)_{\text{true}}|}{(m/z)_{\text{true}}}}}$. It is unitless.

The mass range is the range of m/z that a given analyzer can analyze.

The speed is the number of spectra lines per unit time that can be generated. Typically, higher resolution requires lower speed, and vice versa. Some mass spectrometers, such as the Fourier transform spectrometers, allow a continuous tradeoff between speed and resolution.

A sector-type mass analyzer uses a static electric and/or magnetic field to control the path of the ion beam. The most common type uses a magnetic field.

In a simplified case, the field is a constant field ${\displaystyle B}$, and we have an ion of mass ${\displaystyle m}$ and charge ${\displaystyle ze}$ that enters the field perpendicularly at velocity ${\displaystyle v}$. Then, in the field, the ion undergoes circular motion of radius ${\displaystyle R={\tfrac {v(m/z)}{Be}}}$. If the ionizer has accelerated the ion under a known voltage ${\displaystyle V}$, then the kinetic energy of the ion is ${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$, giving^{[11]:Sec. 3.4}$${\displaystyle m/z={\frac {eR^{2}B^{2}}{2V}}}$$Thus, the single input ion beam is analyzed into a fan of ion beams, the higher m/z ions turning at a larger radius. One can then select for one m/z by using a moving narrow slit. One can also use a fixed narrow slit, but vary ${\displaystyle V}$ or ${\displaystyle B}$.

If there is just a single detector, then the analyzer can sweep across the mass spectrum one slit at a time. With multiple detectors, the speed of analysis increases.^[18]

A pure magnetic sector analyzer can achieve resolution ~10,000. With an added electrostatic focusing field before or after the magnetic sector, the analyzer can achieve resolution ~100,000.^{[11]:Sec. 3.4}

Particularly unstable ions may disintegrate while passing through the analyzer. If it undergoes the reaction M^z+ → M'^z+ + (other parts) when entering the analyzer, it would undergo a circular motion of radius ${\displaystyle R'={\tfrac {v(m'/z)}{Be}}}$. This would then show up in the resulting spectrogram as a peak that is apparently made by an ion with ${\displaystyle (m^{*}/z)=({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$. Since there is no actual ion with mass ${\displaystyle m^{*}}$, this is called an abnormal peak, or a metastable ion peak. In general, a meta stable ion peak is a broad peak centered at a highly non-integer value of ${\displaystyle m^{*}/z}$. The existence of a metastable ion peak at ${\displaystyle ({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$ is strong evidence that two ions of masses ${\displaystyle m/z,m'/z}$ are in fact related by the reaction M^z+ → M'^z+ + (other parts).^{[11]:Sec. 3.5}

The time-of-flight (TOF) analyzer takes as input a short pulse of ions, and lets it fly through a long vacuum tube. Ions with different m/z would arrive at the end of the tube at different times, thus analyzing them. The ions must enter the tube as pulses, because otherwise the TOF cannot be measured. If the ionizer outputs a continuous stream of ions, then it must be cut up into ion pulses, by methods such as a fast mechanical shutter, an oscillating electric field plus a narrow slit, etc. The MALDI ionizer is particularly well-suited for TOF analyzer, since the laser used in MALDI is usually a high-intensity pulse laser. MALDI-TOF has allowed measurement of mass spetrograms using only a few attomoles of material.^{[11]:Sec. 3.4}

Concretely, let the length of the analyzer be ${\displaystyle L}$, then the time taken for an ion of velocity ${\displaystyle v}$ to pass through the analyzer is ${\displaystyle t=L/v}$. Since ${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$, we have^{[11]:Sec. 3.4}$${\displaystyle m/z={\frac {2eV}{L^{2}}}t^{2}}$$Often, the input ions are already concentrated in their m/z. That is, each ion in the input satisfies ${\displaystyle m/z=\delta (m/z)+(m/z)_{0}}$, where ${\displaystyle (m/z)_{0}}$ is a constant, and ${\displaystyle \delta (m/z)\ll (m/z)_{0}}$في هذه الحالة، لدينا$${\displaystyle m/z=(m/z)_{0}+{\frac {4eVt_{0}}{L^{2}}}\delta t}$$هذا يعني أنه يمكن قياس الإشارة بواسطة راسم الإشارة في وضع التشغيل. في الواقع، أُجري أول تحليل كروماتوغرافي غازي-مطياف كتلة (GC-MS) عام 1950 باستخدام راسم الإشارة. التقط الباحثون صورًا سريعة لشاشة راسم الإشارة لكل مكون يخرج من جهاز كروماتوغرافيا الغاز. ^{[ 19 ]}

يؤدي هذا التوزيع في السرعات إلى توسيع القمم الظاهرة في مخطط عدد الأيونات مقابل نسبة الكتلة إلى الشحنة ( m/z) ، ولكنه لا يُغير عادةً الموقع المركزي لهذه القمم، لأن السرعة الابتدائية للأيونات تكون عادةً عند الصفر. ولحل هذه المشكلة، تم دمج تقنية التركيز المتأخر/الاستخلاص المؤجل مع مطياف الكتلة ذي زمن الطيران (TOF-MS). ^{[ 20 ]} إذا لم تبدأ الأيونات بطاقات حركية متطابقة، فقد تتأخر بعض الأيونات عن الأيونات ذات الطاقة الحركية الأعلى، مما يُقلل من الدقة. وتُستخدم هندسة العاكس بشكل شائع لتصحيح هذه المشكلة. ^{[ 21 ]}

تؤدي الأنابيب الأطول إلى دقة أعلى. ويضاعف العاكس طول الأنبوب الفعال. ويمكن لجهاز مطياف الكتلة ذي زمن الطيران العاكس أن يصل إلى دقة تصل إلى عدة آلاف. وعلى الرغم من دقتها المنخفضة، تعوض مطيافات الكتلة ذات زمن الطيران ذلك بالسرعة. وهي مفيدة بشكل خاص في دراسات الحركية الكيميائية ، حيث يمكنها دراسة التفاعلات السريعة مثل الاحتراق والانفجارات. ^{[ 11 ] : القسم 3.4}

يستخدم محلل الكتلة رباعي الأقطاب أربعة قضبان معدنية متوازية لإنشاء مجال كهربائي رباعي الأقطاب يتذبذب بترددات الراديو (RF)، وذلك لتحقيق استقرار أو عدم استقرار مسارات الأيونات التي تمر عبره بشكل انتقائي.

مع كل نمط تذبذب، تخضع الأيونات المارة لحركة حلزونية. إذا كان للأيون نسبة كتلة إلى شحنة (m/z) ضمن نطاق معين، تكون الحركة الحلزونية مستقرة. وإلا، فإن سعة الحركة الحلزونية ستزداد حتى يصطدم الأيون بالقضبان. هذا يعني أن الأيونات ذات نسبة m/z ضمن نطاق ضيق فقط هي التي يمكنها المرور. يمكن مسح الطيف الكامل بتغيير الجهد الكهربائي على القضبان، بشكل مستمر أو على شكل قفزات منفصلة متتالية.

تتميز هذه الأجهزة عادةً بدقة منخفضة تبلغ حوالي 1000، لكنها رخيصة وصغيرة الحجم، لذا فهي مناسبة لأجهزة قياس الطيف الكتلي المكتبية. ^{[ 11 ] : القسم 3.4}

يُعدّ مرشح الكتلة رباعي الأقطاب وثيق الصلة بمصيدة الأيونات رباعية الأقطاب ، ولا سيما مصيدة الأيونات رباعية الأقطاب الخطية، إلا أنه مصمم لتمرير الأيونات غير المحصورة بدلاً من تجميع الأيونات المحصورة، ولذلك يُشار إليه باسم مرشح النقل رباعي الأقطاب. ويمكن استخدام مصيدة الأيونات رباعية الأقطاب نفسها كمحلل، كما هو الحال في محللات مصائد الأيونات .

A common variation of the transmission quadrupole is the triple quadrupole mass spectrometer. The "triple quad" has three consecutive quadrupole stages, the first acting as a mass filter to transmit a particular incoming ion to the second quadrupole, a collision chamber, wherein that ion can be broken into fragments. The third quadrupole also acts as a mass filter, to transmit a particular fragment ion to the detector. It is a kind of MS/MS, and so it can perform various scan types characteristic of MS/MS.

A magnetically enhanced quadrupole mass analyzer has an additional magnetic field, axial or transverse.^[22][23]

Fourier-transform mass spectrometry (FTMS), or more precisely Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS), measures mass by detecting the image current produced by ions spiralling in the presence of a magnetic field. Instead of measuring the deflection of ions with a detector such as an electron multiplier, the ions are injected into a Penning trap (a static electric/magnetic ion trap) where they effectively form part of a circuit. Detectors at fixed positions in space measure the electrical signal of ions which pass near them over time, producing a periodic signal. Since the frequency of an ion's cycling is determined by its m/z ratio, this can be deconvoluted by Fourier transform on the signal.^[29][30]

Ion cyclotron resonance (ICR) is an older mass analysis technique. It is similar to FTMS, in that the ions undergo cyclotron resonane. However, the ions are detected with a traditional detector. Ions trapped in a Penning trap are excited by an RF electric field until they impact the wall of the trap, where the detector is located. Ions of different mass are resolved according to impact time.

يُعدّ مطياف الكتلة بتحويل فورييه (FTMS) عمومًا أكثر أجهزة التحليل حساسيةً في السوق، إذ تصل دقته إلى حوالي مليون. ويعود هذا إلى أن كل أيون يُقاس عدة مرات بواسطة المطياف. ومن منظور مبدأ عدم اليقين في معالجة الإشارات ، فإن الإشارة المتذبذبة غير الموضعية زمنيًا تكون أيضًا موضعية تردديًا.

أوربيتراب

تُشبه أجهزة تحليل أوربيتراب أجهزة تحليل FTMS. تُحصر الأيونات كهربائيًا في مدار حول قطب كهربائي مركزي مغزلي الشكل. يحصر القطب الأيونات بحيث تدور حوله وتتذبذب ذهابًا وإيابًا على طول محوره الطولي. يُولّد هذا التذبذب تيارًا وهميًا في ألواح الكاشف، يُسجّله الجهاز. تعتمد ترددات هذه التيارات الوهمية على نسب الكتلة إلى الشحنة للأيونات. تُستخلص أطياف الكتلة بتحويل فورييه للتيارات الوهمية المسجلة.

تتميز أجهزة أوربيتراب بدقة عالية في قياس الكتلة، وحساسية عالية، ونطاق ديناميكي جيد. كما أنها صغيرة الحجم نسبياً. ^{[ 31 ]}

تتشابه بعض المركبات الكيميائية في تركيبها الكيميائي، لكنها تختلف في نظائرها ( النظائر المتناظرة ). ويمكن التمييز بينها باستخدام جهاز تحليل بسيط للغاية. في الواقع، اكتُشفت النظائر عام 1922، في بدايات علم قياس الطيف الكتلي.

مع ذلك، قد يمتلك نوعان كيميائيان نفس عدد النيوكليونات (النيوترونات والبروتونات). على سبيل المثال، يحتوي كل _من C3 و SH4 على 36 نيوكليونًا. ومع ذلك، يمكن التمييز بينهما، نظرًا لاختلاف كتلة البروتون والنيوترون بمقدار 1.4 ملي دالتون، ولأن النوى المختلفة لها طاقة ربط مختلفة ، والتي _...${\displaystyle E=mc^{2}}$_{ينتج عن} ذلك اختلاف في الكتلة. والنتيجة النهائية هي أن C₃ _و S₁H₄ يختلفان بمقدار 3.4 ملي _دالتون . ويمكن تحقيق اختلافات أصغر من خلال مطابقة النظائر بدقة. على سبيل المثال، _يختلف C₄ و S₁H₃¹³C₁ بمقدار 1.1 ملي ^دالتون . ويمكن فصل هذه الاختلافات باستخدام _مطياف الكتلة عالي الدقة، الذي تصل دقته إلى أكثر من مليون، وهو ما يكفي لفصل فرق مقداره 1 ملي دالتون تقريبًا عند _{m /} z ≈ 1000. تجدر الإشارة إلى أن كتلة الإلكترون هي 0.5 ملي دالتون. ^{[ 32 ]}

There are many techniques for high resolution MS,^[33] but the highest resolution is achieved by FTMS with high magnetic field. With increasing magnetic field strength, the resolution and spectral acquisition speed increases linearly, while mass accuracy and dynamic range increases quadratically.^[34] Consequently, the highest resolution is achieved by high field FTMS, up to 21 Tesla. It reaches resolution >2.7 million at m/z ~ 400, and mass measurement accuracy < 80 ppb.^[35][32]

They are often employed in geochemical and petrochemical studies, since there is a lot of money in petroleum industry, and petroleum composition is highly complex.^[32] Another application is in isotopic analysis of large proteins. Two proteins differing by a single isotopic atom are separated by ${\displaystyle \Delta m\approx 1}$, requiring a resolution of ${\displaystyle m/\Delta m}$ to resolve. For large proteins with m > 100 kDa and z ~ 50, such as monoclonal antibodies, this requires an analyzer that achieves resolving power > 100,000 at m/z ~ 2000.^[35]

High resolution FTMS is also very sensitive as a detector. It has allowed detecting proteins in the 8–20 kDa range at a sample concentration of ~30 zeptomole (i.e. about 20,000 individual molecules).^[36]

When the mass of a single ion species is to be measured, the highest precision achievable is via Penning-type traps. The PENTATRAP for example measures the mass of long-lived, highly charged, heavy ions, to a precision of ${\displaystyle m/\Delta m>10^{11}}$.^[37] This is sufficiently sensitive to directly measure the energy of metastable electronic states to an accuracy of ~1 eV via the mass-energy equation.^[38]

A common combination is gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS or GC-MS). In this technique, a gas chromatograph is used to separate different compounds. This stream of separated compounds is fed online into the ion source, a metallicfilament to which voltage is applied. This filament emits electrons which ionize the compounds. The ions can then further fragment, yielding predictable patterns. Intact ions and fragments pass into the mass spectrometer's analyzer and are eventually detected.^[50] However, the high temperatures (300 °C) used in the GC-MS injection port (and oven) can result in thermal degradation of injected molecules, thus resulting in the measurement of degradation products instead of the actual molecule(s) of interest.^[51]

Similarly to gas chromatography MS (GC-MS), liquid chromatography-mass spectrometry (LC/MS or LC-MS) separates compounds chromatographically before they are introduced to the ion source and mass spectrometer. It differs from GC-MS in that the mobile phase is liquid, usually a mixture of water and organic solvents, instead of gas. Most commonly, an electrospray ionization source is used in LC-MS. Other popular and commercially available LC-MS ion sources are atmospheric pressure chemical ionization and atmospheric pressure photoionization. There are also some newly developed ionization techniques like laser spray.

Capillary electrophoresis–mass spectrometry (CE-MS) is a technique that combines the liquid separation process of capillary electrophoresis with mass spectrometry.^[52] CE-MS is typically coupled to electrospray ionization.^[53]

Ion mobility spectrometry-mass spectrometry (IMS/MS or IMMS) is a technique where ions are first separated by drift time through some neutral gas under an applied electrical potential gradient before being introduced into a mass spectrometer.^[54] Drift time is a measure of the collisional cross section relative to the charge of the ion. The duty cycle of IMS (the time over which the experiment takes place) is longer than most mass spectrometric techniques, such that the mass spectrometer can sample along the course of the IMS separation. This produces data about the IMS separation and the mass-to-charge ratio of the ions in a manner similar to LC-MS.^[55]

The duty cycle of IMS is short relative to liquid chromatography or gas chromatography separations and can thus be coupled to such techniques, producing triple modalities such as LC/IMS/MS.^[56]

Mass spectrometry produces various types of data. The most common data representation is the mass spectrum.

Certain types of mass spectrometry data are best represented as a mass chromatogram. Types of chromatograms include selected ion monitoring (SIM), total ion current (TIC), and selected reaction monitoring, among many others.

Other types of mass spectrometry data are well represented as a three-dimensional contour map. In this form, the mass-to-charge, m/z is on the x-axis, intensity the y-axis, and an additional experimental parameter, such as time, is recorded on the z-axis.

Mass spectrometry data analysis is specific to the type of experiment producing the data. General subdivisions of data are fundamental to understanding any data.

Many mass spectrometers work in either negative ion mode or positive ion mode. It is very important to know whether the observed ions are negatively or positively charged. This is often important in determining the neutral mass but it also indicates something about the nature of the molecules.

Different types of ion source result in different arrays of fragments produced from the original molecules. An electron ionization source produces many fragments and mostly single-charged (1-) radicals (odd number of electrons), whereas an electrospray source usually produces non-radical quasimolecular ions that are frequently multiply charged. Tandem mass spectrometry purposely produces fragment ions post-source and can drastically change the sort of data achieved by an experiment.

Knowledge of the origin of a sample can provide insight into the component molecules of the sample and their fragmentations. A sample from a synthesis/manufacturing process will probably contain impurities chemically related to the target component. A crudely prepared biological sample will probably contain a certain amount of salt, which may form adducts with the analyte molecules in certain analyses.

Results can also depend heavily on sample preparation and how it was run/introduced. An important example is the issue of which matrix is used for MALDI spotting, since much of the energetics of the desorption/ionization event is controlled by the matrix rather than the laser power. Sometimes samples are spiked with sodium or another ion-carrying species to produce adducts rather than a protonated species.

Mass spectrometry can measure molar mass, molecular structure, and sample purity. Each of these questions requires a different experimental procedure; therefore, adequate definition of the experimental goal is a prerequisite for collecting the proper data and successfully interpreting it.

تُستخدم مطيافية الكتلة أيضًا لتحديد التركيب النظائري للعناصر داخل العينة. تكون الفروق في الكتلة بين نظائر العنصر الواحد ضئيلة للغاية، وعادةً ما تكون النظائر الأقل وفرة نادرة جدًا، لذا يلزم جهاز بالغ الحساسية. لقياس العناصر الخفيفة (مثل الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت)، تستخدم مطيافات الكتلة لنسب النظائر عادةً مغناطيسًا واحدًا لتوجيه حزمة من الجسيمات المتأينة نحو سلسلة من أكواب فاراداي التي تحول اصطدامات الجسيمات إلى تيار كهربائي . يمكن إجراء تحليل سريع ومباشر لمحتوى الديوتيريوم في الماء باستخدام مطيافية الكتلة بالتوهج اللاحق المتدفق (FA-MS). ولعل مطيافية الكتلة المُسرّعة هي الأكثر حساسية ودقة لهذا الغرض ، نظرًا لحساسيتها الفائقة وقدرتها على قياس الذرات الفردية والنويدات بنطاق ديناميكي يصل إلى 10^ ¹⁵ تقريبًا بالنسبة للنظير المستقر الرئيسي. ^{[ 61 ]} يمكن أن تكون البصمات النظائرية مؤشرات على مجموعة متنوعة من العمليات. تُستخدم بعض نسب النظائر لتحديد عمر المواد، على سبيل المثال كما هو الحال في التأريخ بالكربون المشع . كما يُستخدم الوسم بالنظائر المستقرة لتحديد كمية البروتين (انظر توصيف البروتين أدناه).

تستخدم العديد من التقنيات الأيونات التي يتم إنشاؤها في مصدر أيوني مخصص يتم حقنه في أنبوب تدفق أو أنبوب انجراف: أنبوب تدفق الأيونات المحدد (SIFT-MS) وتفاعل نقل البروتون (PTR-MS) هي متغيرات من التأين الكيميائي مخصصة لتحليل الغازات النزرة في الهواء أو الزفير أو الفراغ العلوي السائل باستخدام وقت تفاعل محدد جيدًا يسمح بحساب تركيزات التحليل من حركية التفاعل المعروفة دون الحاجة إلى معيار داخلي أو معايرة.

تُعدّ تقنية التأين بالرذاذ الكهربائي الثانوي (SESI-MS) تقنية أخرى تُستخدم في مجال تحليل الغازات النزرة ، وهي نوعٌ مُعدّل من تقنية التأين بالرذاذ الكهربائي . تتكون تقنية SESI من رذاذ كهربائي من مذيب حمضي نقي يتفاعل مع الأبخرة المتعادلة.  تتأين جزيئات البخار عند الضغط الجوي عندما تنتقل الشحنة من الأيونات المتكونة في الرذاذ الكهربائي إلى الجزيئات. من مزايا هذه التقنية أنها متوافقة مع معظم أنظمة ESI-MS. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

مسبار الذرات هو أداة تجمع بين قياس الطيف الكتلي بزمن الطيران ومجهر التبخر الميداني لرسم خريطة لموقع الذرات الفردية.

تُدرس حركية الدواء غالبًا باستخدام مطياف الكتلة نظرًا لطبيعة المصفوفة المعقدة (عادةً الدم أو البول) والحاجة إلى حساسية عالية لرصد بيانات الجرعات المنخفضة والفترات الزمنية الطويلة. يُعد جهاز كروماتوغرافيا السائل - مطياف الكتلة (LC-MS) المزود بمطياف كتلة رباعي الأقطاب ثلاثي الأكثر شيوعًا في هذا التطبيق . ويُستخدم مطياف الكتلة الترادفي عادةً لزيادة الدقة. تُستخدم منحنيات المعايرة والمعايير الداخلية لتحديد كمية دواء واحد عادةً في العينات. تمثل العينات نقاطًا زمنية مختلفة أثناء إعطاء الدواء ثم استقلابه أو التخلص منه من الجسم. تُعد عينات الفراغ (t=0) المأخوذة قبل الإعطاء مهمة لتحديد الخلفية وضمان سلامة البيانات مع هذه المصفوفات المعقدة للعينات. يُولى اهتمام كبير لخطية منحنى المعايرة؛ ومع ذلك، من الشائع استخدام مطابقة المنحنى بدوال أكثر تعقيدًا مثل الدوال التربيعية نظرًا لأن استجابة معظم مطيافات الكتلة تكون أقل من خطية عبر نطاقات تركيز واسعة. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}

يوجد حاليًا اهتمام كبير باستخدام مطياف الكتلة عالي الحساسية للغاية لدراسات الجرعات الدقيقة ، والتي تعتبر بديلاً واعدًا للتجارب على الحيوانات .

تُشير الدراسات الحديثة إلى أن التأين بالرذاذ الكهربائي الثانوي (SESI) تقنية فعّالة لرصد حركية الأدوية عبر تحليل الزفير. ^{[ 68 ] [ 69 ]} ولأن الزفير يُنتج طبيعيًا، يُمكن جمع العديد من نقاط البيانات بسهولة، مما يُتيح زيادة عدد نقاط البيانات المُجمّعة بشكل كبير. ^{[ 70 ]} في الدراسات على الحيوانات، يُمكن لتقنية SESI هذه أن تُقلل من الحاجة إلى التضحية بالحيوانات. ^{[ 69 ]} أما في البشر، فيُمكن لتحليل الزفير غير الجراحي بتقنية SESI-MS أن يُساعد في دراسة حركية الأدوية على مستوى فردي. ^{[ 68 ] [ 71 ] [ 72 ]}

Mass spectrometry is an important method for the characterization and sequencing of proteins. The two primary methods for ionization of whole proteins are electrospray ionization (ESI) and matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI). In keeping with the performance and mass range of available mass spectrometers, two approaches are used for characterizing proteins. In the first, intact proteins are ionized by either of the two techniques described above, and then introduced to a mass analyzer. This approach is referred to as "top-down" strategy of protein analysis. The top-down approach however is largely limited to low-throughput single-protein studies. In the second, proteins are enzymatically digested into smaller peptides using proteases such as trypsin or pepsin, either in solution or in gel after electrophoretic separation. Other proteolytic agents are also used. The collection of peptide products are often separated by chromatography prior to introduction to the mass analyzer. When the characteristic pattern of peptides is used for the identification of the protein the method is called peptide mass fingerprinting (PMF), if the identification is performed using the sequence data determined in tandem MS analysis it is called de novo peptide sequencing. These procedures of protein analysis are also referred to as the "bottom-up" approach, and have also been used to analyse the distribution and position of post-translational modifications such as phosphorylation on proteins.^[73] A third approach is also beginning to be used, this intermediate "middle-down" approach involves analyzing proteolytic peptides that are larger than the typical tryptic peptide.^[74]

As a standard method for analysis, mass spectrometers have reached other planets and moons. Two were taken to Mars by the Viking program. In early 2005 the Cassini–Huygens mission delivered a specialized GC-MS instrument aboard the Huygens probe through the atmosphere of Titan, the largest moon of the planet Saturn. This instrument analyzed atmospheric samples along its descent trajectory and was able to vaporize and analyze samples of Titan's frozen, hydrocarbon covered surface once the probe had landed. These measurements compare the abundance of isotope(s) of each particle comparatively to earth's natural abundance.^[75] Also on board the Cassini–Huygens spacecraft was an ion and neutral mass spectrometer which had been taking measurements of Titan's atmospheric composition as well as the composition of Enceladus' plumes. A Thermal and Evolved Gas Analyzer mass spectrometer was carried by the Mars Phoenix Lander launched in 2007.^[76]

Mass spectrometers are also widely used in space missions to measure the composition of plasmas. For example, the Cassini spacecraft carried the Cassini Plasma Spectrometer (CAPS),^[77] which measured the mass of ions in Saturn's magnetosphere.

Mass spectrometers were used in hospitals for respiratory gas analysis beginning around 1975 through the end of the century. Some are probably still in use but none are currently being manufactured.^[78]

Found mostly in the operating room, they were a part of a complex system, in which respired gas samples from patients undergoing anesthesia were drawn into the instrument through a valve mechanism designed to sequentially connect up to 32 rooms to the mass spectrometer. A computer directed all operations of the system. The data collected from the mass spectrometer was delivered to the individual rooms for the anesthesiologist to use.

The uniqueness of this magnetic sector mass spectrometer may have been the fact that a plane of detectors, each purposely positioned to collect all of the ion species expected to be in the samples, allowed the instrument to simultaneously report all of the gases respired by the patient. Although the mass range was limited to slightly over 120 u, fragmentation of some of the heavier molecules negated the need for a higher detection limit.^[79]

The primary function of mass spectrometry is as a tool for chemical analyses based on detection and quantification of ions according to their mass-to-charge ratio. However, mass spectrometry also shows promise for material synthesis.^[61] Ion soft landing is characterized by deposition of intact species on surfaces at low kinetic energies which precludes the fragmentation of the incident species.^[80] The soft landing technique was first reported in 1977 for the reaction of low energy sulfur containing ions on a lead surface.^[81]

Most mass spectrometers measure the mass-to-charge ratio; the actual mass can be found only if the charge is known. For smaller molecules the charge can be determined from the spacing of isotope peaks, but for very large biomolecules and particles (in the megadalton range) resolution may not be adequate to separate isotope peaks, and thus the mass cannot be determined. In charge detection mass spectrometry (CDMS), the charge of an individual ion/particle is measured directly (alongside its mass-to-charge ratio) and therefore the true mass is known. It is a single-particle technique, but to produce more precise and accurate results, the data from many individually-measured ions can be combined.^[82][83]