เราคงปฏิเสธไม่ได้ว่า Mass spectrometry (MS) เป็นเทคนิคทางเคมีวิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพสูงและถูกนำมาประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน แต่รู้หรือไม่ว่าเครื่อง MS นั้น จริงๆแล้วมีหลายชนิด ซึ่งแต่ละชนิดจะมีจุดเด่นและการประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกัน ดังนั้นเราจึงชวนมาทำความรู้จักกับเครื่อง MS แต่ละชนิด รวมไปถึงลักษณะงานที่เหมาะสม เพื่อให้ผู้ใช้งานสามารถเลือกใช้ได้อย่างถูกต้อง และได้รับผลการวิเคราะห์ที่มีความแม่นยำและมีความน่าเชื่อถือ

รูปที่ 1   ส่วนประกอบหลักของเครื่อง MS

ชนิดของเครื่อง MS นั้น ถูกเรียกชื่อตามชนิดของส่วนวิเคราะห์มวลหรือ Mass Analyzer ที่มีหน้าที่ในการคัดเลือกมวลต่อประจุ (m/z) ที่ต้องการก่อนนำเข้าสู่ส่วนตรวจวัด (Detector) ซึ่งชนิดของ Mass Analyzer ที่เป็นที่นิยมมีดังต่อไปนี้

Quadrupole

            Quadrupole เป็น Mass Analyzer ที่ได้รับความนิยมสูงสุดในปัจจุบัน มีลักษณะเป็นชุดแท่งโลหะที่ใช้การจ่ายศักย์ไฟฟ้าและคลื่นวิทยุที่เหมาะสมเพื่อคัดเลือก m/z ที่ต้องการวิเคราะห์ (รูปที่ 2a) ถ้าเรานำ Quadrupole มาติดตั้งเพียง 1 ชุด จะเรียกว่า “Single Quadrupole” ซึ่งสามารถทำการวิเคราะห์มวลได้ทั้งแบบช่วงกว้าง (Full Scan; FS Mode) และแบบเลือกมวลที่เจาะจง (Selected Ion Monitoring; SIM Mode) ได้ แต่หากเรานำมาเรียงต่อกัน 3 ชุด จะเรียกว่า “Triple Quadrupole” (รูปที่ 2b) ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ด้วยการนำไอออนที่ผ่านจาก Quadrupole ชุดแรก (Q1) หรือที่เราเรียกว่า Precursor Ion มาทำให้เกิดการแตกตัวด้วยการชนของแก๊สเฉื่อยพลังงานสูงที่ Quadrupole ชุดที่ 2 (Q2) และคัดเลือกมวลที่จำเพาะอีก 1 ครั้งที่ Quadrupole ชุดที่ 3 (Q3) การวิเคราะห์ลักษณะนี้เรียกว่า Selected Reaction Monitoring (SRM) ซึ่งทำให้การวิเคราะห์มีความจำเพาะเจาะจง (Selectivity) และความไวในการวิเคราะห์

(Sensitivity) สูงยิ่งขึ้น (รูปที่ 3c)

รูปที่ 2   a) Quadrupole Mass Analyzer  b) Triple Quadrupole Mass Analyzer  c) ลักษณะการวิเคราะห์ใน SRM Mode

ด้วยคุณสมบัติของ Quadrupole ที่มีความไวในการวิเคราะห์และความคงทนของเครื่องมือ (Robustness) สูง รวมไปถึงการใช้งานที่ไม่ซับซ้อน สามารถดูแลรักษาได้ง่าย เทคนิค Quadrupole จึงนิยมนำมาใช้กับการวิเคราะห์เชิงปริมาณของกลุ่มสารที่ต้องการวิเคราะห์ (Target Quantitation) โดยเฉพาะ อย่างไรก็ตาม Quadrupole สามารถอ่านค่า m/z ได้ละเอียดที่ทศนิยมเพียง 1 ตำแหน่ง ซึ่งประสิทธิภาพอาจจะไม่เพียงพอสำหรับการวิเคราะห์ที่ต้องการความถูกต้องของมวลสูงในตัวอย่างที่มีความซับซ้อน (High Matrix Sample) เช่น งาน Target Screening หรือ Non-Target Screening เป็นต้น

Time of Flight

            Time of Flight (ToF) คือ Mass Analyzer ที่ใช้หลักกการให้พลังงานกับไอออนเพื่อให้ไอออนเกิดการเคลื่อนที่ไปตามระยะทางที่กำหนด การคัดแยก m/z สามารถทำได้จากการตรวจวัดระยะเวลาในการเคลื่อนที่ของแต่ละไอออนเข้าสู่ Detector ซึ่ง ไอออนที่มีมวลมากจะใช้เวลามาก ในขณะที่ไอออนที่มวลน้อยจะใช้เวลาที่น้อยกว่า

รูปที่ 3   หลักการทำงานของ ToF

ToF เป็นเทคโนโลยีในกลุ่มของ High-Resolution Mass Spectrometry (HRMS) ซึ่งสามารถอ่านค่า m/z ของไอออนที่เกิดขึ้นได้ละเอียดถึงทศนิยม 4 ตำแหน่ง ความละเอียดในการอ่านค่า m/z นี้ จะถูกรายงานด้วยค่า Resolution ซึ่งในปัจจุบันเทคโนโลยี ToF มีค่า Resolution อยู่ในระดับสูงสุดไม่เกิน 100,000 FWHM จึงนำมาใช้ร่วมกับ Mass Analyzer ชนิดอื่นๆ เช่น Quadrupole หรือ Ion Trap เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น

เทคโนโลยี ToF มีจุดเด่นที่สามารถอ่านค่า m/z ได้ละเอียดและมีความเร็วในการเก็บข้อมูลสูง จึงนิยมนำมาใช้กับงานวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (Qualitative Analysis) เช่น งานทางด้าน Target Screening หรือ non-Target Screening

Orbitrap

            Orbitrap เป็น Mass Analyzer อีกหนึ่งชนิดในกลุ่ม HRMS ที่กำลังเป็นที่นิยมอย่างมากในปัจจุบัน โดยใช้หลักการคัดแยกแต่ละ m/z จากลักษณะการเคลื่อนที่ 3 แนวแกนที่แตกต่างกันภายใน Electrode ที่ถูกให้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 4a) กลุ่มของไอออนดังกล่าวจะถูกปล่อยให้เคลื่อนที่จนเข้าสู่สมดุล (Equilibrium) ก่อนจะนำลักษณะการเคลื่อนที่มาแปลงสัญญาณและแสดงเป็น Mass Spectrum ด้วยเหตุนี้การวิเคราะห์ด้วย Orbitrap จึงไม่สูญเสียไอออนออกจากระบบขณะทำการวิเคราะห์ ทำให้ Orbitrap เป็น Mass Analyzer ที่สามารถให้ Resolution สูงร่วมกับ Sensitivity ที่ดีได้ในเวลาเดียวกัน ในปัจจุบัน Orbitrap ได้ถูกนำมาใช้ร่วมกับ Mass Analyzer ชนิดอื่นได้เช่นเดียวกับ ToF โดยชนิดที่เป็นที่นิยมคือ Quadrupole-Orbitrap (รูปที่ 4b) ที่สามารถทำ Resolution ได้สูงสุดถึง 480,000 FWHM

รูปที่ 4   a) Orbitrap Mass Analyzer  b) Quadrupole Orbitrap Mass Analyzer

เนื่องจาก Orbitrap มีจุดเด่นที่สามารถให้ทั้ง Resolution และ Sensitivity ที่ดีในเวลาเดียวกันได้ จึงให้ผลการทดลองที่มีความถูกต้องและมีความน่าเชื่อถือสูง สามารถรองรับงานได้หลากหลายตั้งแต่การทำ Target Quantitation, Target Screening ไปจนถึง non-Target Screening นอกจากนี้ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้เป็นส่วนหนึ่งในการวิเคราะห์โครงสร้างของสาร Unknown ร่วมกับเทคนิค NMR ได้อีกด้วย

หวังว่าทุกท่านจะได้รับประโยชน์จากบทความนี้ และสามารถนำมาเป็นแนวทางในการเลือกใช้เครื่อง MS ชนิดที่เหมาะสมกับงานได้นะครับ :)