GC-MS, LC-MS és LC-MS-MS

(1)

GC-MS, LC-MS és LC-MS-MS

felhasználói oldalról

(2)

GC-MS

A GC összekapcsolása az MS-rel. A gázkromatográfba belépő gáznyomás p>1 bar, a tömegspektrométerben uralkodó

nyomás 10-5 – 10-6 bar

GC MS

p>1bar

gáz

10^-5 - 10^-6 bar

nagyvákuum rendszer

(3)

• A kapilláris gázkromatográfia általános alkalmazásával lehetségessé vált a kis

térfogatú áramlási sebesség melletti elválasztó rendszer közvetlen összekötése a nagyvákuum technikát megkövetelő tömegspektrográfiával

(4)

• A vákumrendszer 1-5 ml/perc térfogatáramlási sebességet enged meg

• Ha d_kol= 0,1-0,3 mm, akkor F=1-5 ml/min

• Az MS általános detektor: csak kis vérzésű kolonna alkalmazható.

• Kis filmvastagságú : 0,1-1 µm, apoláris és közepesen polárisak

(5)

Tömeg vagy ionanalizátor és környezete

mintaforrás GC

Ion forrás

tömeg

analizátor detektor

Vakuum mérők Vacuum Manifold

Nagy vákuum Pumpa

elővákuum Pumpa

Adat feldolgozó MS

elektronika átvezető cső

(6)

Tömegspektromméter mint GC

detektor

(7)

A GC – MS elvi felépítése és az egyes részek funkciója

GC M

ion forrás M₁⁺ M₂⁺

ionelválasztás tömeg szerint

M₁

ion detektálás

A semleges molekulák el- választása szerkezetük szerint

pozitív, vagy negatív ionképzés

ionok elválasztása m/z alapján

ionáram mérés

(8)

Korlátok a kolonna oldalról

• 1. Nem szabad a vákuumot lerontani a nagy térfogat áramlási sebességgel

• pxV= állandó

• Kolonna bemenő nyomás: 2 bar

• Ionforrás nyomás: 10(-6) bar

• Kapilláris kolonnák: 1.0,1-0,3 mm F=1-5 ml/perc

• 2. 0,3-0,6 mm F=5-20 ml/perc

(9)

Kolonna technológia a GC-MS technikában

• A WCOT kolonna szerkezete

kvarcüveg poliimid

réteg polimerfilm

Wall Coated

Open Tubular

WCOT

(10)

Kolonnavérzés

• GC-MS:

• 1. Univerzális módszer és

• 2.Egyszerre szelektív

(11)

Kolonna technológia a GC-MS technikában

• A polimer film egy térhálós szerkezetű és a dezaktivált kvarcüveg falához is kémiailag kötött állófázist jelent.

poliimid védőréteg kvarcüveg (fused silica)

immobilizált és kémiailag kötött

polimer

térhálóságot biztosító keresztkötések

beoldódás

olute (vizsgált molekula) deszorpció

S

(12)

Kolonnatechnológia

• A kolonnavérzés a hőmérséklet függvényében

jel

t kolonnavérzésből

eredő háttérzaj izoterm PTGC

T

(13)

Kolonnavérzés

• GC-MS:

• 1. Univerzális módszer és

• 2.Egyszerre szelektív

(14)

• Kapilláris kolonnák kategorizálása a filmvastagság alapján:

• 1. Kis filmvastagságúak 0,1-1μm

• 2. Nagy filmvastagságúak 1-5 μm

• Minél nagyobb a filmvastagság, annál nagyobb a vérzés!

(15)

• 1.Nem ajánlatos a nagy filmvastagság!

• Nagy vérzés!

• Ekkor viszont az alacsony forráspontú oldószerek vizsgálata nehéz!

• diklórmetán, kloroform stb

• 2. Csak hőstabil kolonna lehet

(16)

Kolonnatechnológia

• A polidimetil-sziloxán állófázis szerkezete

• Ez az állófázis az egyik legjobb hőtűrő: 300-350°C-ig használhatjuk

Si CH₃ CH₃

O Si CH₃

CH₃

Szimmetrikus töltéseloszlás

Apoláris csoport

(17)

Kolonnatechnológia

• Az állófázis hátránya, hogy a poláris anyagok visszatartása kicsi, az eltérő polaritás miatt sok esetben aszimmetrikus. A hagyományos kvarc (fused silica) kolonnák külső bevonata poliimid, amely hőtűrése megszabja az

alkalmazás felső határát, ez kb. 370C.

(18)

Kolonnatechnológia

• Fenil-csoportokkal helyettesített sziloxán polimer

Si O Si

CH₃

CH₃ O

x y

(19)

• M + e^-  M˙⁺ + 2e^-

• Molekulaionnak azt az iont nevezzük, amely úgy képződik, hogy egy elektron kiszakad a molekulából

(20)

(21)

(22)

(23)

• M + e^- *M^{˙+ +} e-

• *M˙⁺  M₁^˙++ M⁺₂ + M₃ + M₄ +…

• Az abszorbeált energiát a molekulaion úgy tudja leadni, hogy a vegyületből töltéssel nem rendelkező kis molekulák hasadnak ki, míg a molekula másik része tovább viszi a töltést.

• Ezt nevezzük fragmentációnak.

(24)

Klór tartalmú vegyületek, izotóp arány

(25)

Bróm tartalmú vegyületek,tömegsprektuma

(26)

Többszörösen halogénezett

(27)

(28)

Az ionáram intenzitás, és az ütköző elektron energiája közti összefüggés

• Mozgófázis: hélium

H₂

C₂H₂

elektroenergia [eV]

ionáram intenzitás

10 100 1000

0,01 0,1 1 10

70 eV

(29)

Elektronionizációs ionforrás felépítése

.

anód az elektronok befogására

szekunder elektron visszaszórást megakadályozó elektród

árnyékoló elektród kapilláris

kolonna

ion- képzõdési

hely

ionsugár központosító

analizátor kihozó

feszültség beállítás

elektron áram beállítás

átvezetõ rész fûtése gyorsító feszültség

katód (W₂C, Re)

mágnes

taszító elektród (repeller) mágnes

(30)

Tömegspektrum

70 eV

20 eV 100

I

m/z M⁺

M⁺ 100

I

m/z

(31)

A kémiai ionizációs ionforrás vázlata.

Az általánosan használt reagens gázok a következők: CH₄, NH₃, C₄H₁₀

M M⁺

10² Pa

anód katód (W₂C, Re)

elektronsugár

ion a tömeg- analizátorba kolonna

minta

reagens gáz bevezetés

(32)

Az EI és CI ionizációs móddal kapott spektrumok jellege.

EI

CI [M + H]⁺

100

m/z

100

m/z

(33)

• A CI alkalmazásával a molekulaionra több ionformációt kapunk, vagy az egy ionra jutó intenzitás nagy, így érzékenység növelés

érhető el a megfelelően kiválasztott reagens gáz alkalmazásával.

(34)

A feszültségek (V és U) változtatása a tömegspektrum felvételekor az ioncsapdás

tömeganalizátorral. I. szakasz: iontárolás (csapdázás), II. szakasz: a feszültség (V) változtatása (instabilitási szakasz), III. szakasz: feszültség visszaállás

I. II. III.

V

t V

(35)

SIR vagy SIM

A B

TIC TIC

100 I

100 m/z I

m/z minta

referncia anyag

minta

referncia anyag

(36)

Ismeretlen komponens azonosítása a GC – MS technikában. A: A minta és referenciaanyag totálion kromatogramja. B: A minta és referenciaanyag tömegspektruma

.

A B

TIC TIC

100 I

100 m/z I

m/z minta

referncia anyag

minta

referncia anyag

(37)

• Csúcstisztaság vizsgálat!

(38)

Tömegspektrum

321,9219 C₁₄H₃³⁶Cl₂³⁷Cl₃

M++ . H³⁵Cl (DDT) (M/M~11300) Cl₉

Cl₇

Cl

O

Cl

O Cl₄

M/Z

321,8491 C₁₂H³⁶Cl₉³⁷Cl M⁺⁺ . 3³⁵Cl³⁷Cl

(bifenil) (M/M~7200)

321,8678 C₁₂H₃³⁸Cl₇ M⁺⁺. 2³⁵Cl (bifenil) (M/M~12500)

321,8936 C₁₂H₄Cl₄O₂

M⁺⁺

(dioxin)

CH2

O Cl₃

321,9114 C₁₃H₃O³⁶Cl₂³⁷Cl₂

M⁺⁺

(xantén) C₁₃H₇O³⁶Cl₃³⁷Cl₂

M⁺⁺ - H³⁶Cl (benzil-fenil-éter)

(M/M~18000)

Cl CH CCL₃

Cl

Cl CH C Cl Cl

Cl

Cl₄ OMe

CL₄ O CH₂

321,9292 C₁₄H₃³⁵Cl³⁷Cl₃

M⁺⁺

(DDE)

321,9299 C₁₃H₃O³⁵Cl₃³⁷Cl

M⁺⁺

(benzil-fenil-éter)

321,9299 C₁₃H₃O³⁵Cl₃³⁷Cl

M⁺⁺

(metoxibifenil) (M/M~8800)

(39)

Nagy felbontás (szük rés)

tömeg skála

csak a dioxin ionáram kerül továbbításra

319 320 321

319,8965 320,1055

(40)

• Érzékenység kérdése!

• R<1000

• Vagy

• R>10 000

• S/N kérdése!

(41)

• Az ionforrásban keletkezett ionokat el kell választani ahhoz, hogy a tömegspektrumot

megkapjuk. A tömeg analizátorok (ion analizátorok) feladata:

• Felbontani az ionsugarakat m/e és [m+m]/e értékű sugarakra. Ez adja meg a tömeganalizátor

felbontását.

• Maximálni az ionsugarak intenzítását. Ez viszont az érzékenységet, pontosabban a legkissebb

kimutatható anyagmennyiséget adja meg.

(42)

• 1. Szektor típusú analizátorok:

• -egyszeres fókuszálású mágneses szektorú

• -kétszeres fókuszálású mágneses és elektromos szektorú

• Ezek NAGY FELBONTÁSÚ ÉS TÖMEGTARTOMÁNYÚ KÉSZÜLÉKEK. Ezeket kell a dioxin

meghatározásoknál használni a mátrix-

komponensek okozta interferencia csökkentésére

(43)

• 2. Kvadrupól analizátorok (Q)

• -lineáris

kvadrupól

• -i

oncsapdás

kvadrupól

• Ezek KIS ÉS KÖZEPES FELBONTÁSÚ, KÖZEPES TÖMEGTARTOMÁNYÚ készülékek. Az asztali rutin GC – MS készülékeknél a leggyakrabban ezt használják.

(44)

• Repülési idő analizátorok (TOF)

• -régi típusok: FELBONTÓKÉPESSÉG ÉS TÖMEG- TARTOMÁNY: KICSI.

• -új megoldások: FELBONTÓKÉPESSÉGE ÉS TÖMEG-TARTOMÁNYA: KÖZEPES ÉS NAGY.

(45)

A felbontást a tömegspektrometriában a következőképp definiáljuk: Rm=M/ΔM

rel.

int.

m/e

m

m

(46)

:

U = 0-140V, V = 0-800V, f = 3-4MHZ

+

- 8mm

3,5mm

+ -

15 - 20cm

U + V_cos(t)

(47)

- +

+ -

U + V_cost

U + V_cos__t

ion

fókuszálás

(48)

z z belépõrés

(49)

Instabil ionok nem jutnak át a kvadrupól mezőn

M₁⁺ M₂⁺

(50)

Stabil ion: áthalad a téren. Ez adott α, q, U és V értéknél csak egyetlen tömegű ionra igaz (r0 és ω konstans

)

M₃⁺

detektor

(51)

Az ioncsapdás kvadrupól tömeganalizátor elvi ábrája

1-2cm

kapilláris kolonna detektor

sapka elektród (alsó)

sapka elektród (felsõ)

gyûrûelektród sík y

x z

(52)

• A két sapka elektród (alsó és felső) U+ Vcosωt, míg a gyűrűelektród +Ucosωt feszültségen van.

Így egy alternáló háromdimenziós tér alakul ki, amelyben az ionok forognak az x-y síkon és

rezegnek z tengely irányában

(53)

• Az elektron ionizációs ionképzésnél általában 70 eV energiájú elektronokkal történik a

semleges molekulák ütköztetése. Amennyiben ezeket a tömegspektrumokat összegyűjtjük és összevetjük a vizsgált vegyület

tömegspektrumával, akkor a spektrumok

hasonlósága alapján szerkezeti információkat nyerhetünk

(54)

.

A B

TIC TIC

100 I

100 m/z I

m/z minta

referncia anyag

minta

referncia anyag

(55)

.

A B

TIC TIC

100 I

100 m/z I

m/z minta

referncia anyag

minta

referncia anyag

(56)

.

A B

TIC TIC

100 I

100 m/z I

m/z minta

referncia anyag

minta

referncia anyag

(57)

• Mennyiségi értékelés:

• 1. TIC vagy az anyagra jellemző ionon végezzük el a kiértékelést!

• Rendkívül nagy szelektivitást ad!

• Elkerülhető a mátrix okozta interferencia!

(58)

• Csúcstisztaság vizsgálat lehetősége!

(59)

• Két üzemmód:

• Scan=pásztászó, tömegspektrum felvétel,

• Ismeretlen komponens(ek) felderítésénél

• SIM=selected ion monitoring

• SIR=selected ion recording

• SIM=SIR

• Tudjuk, hogy mit keresünk

(60)

• Szelektivitás biztosítása a SIM vagy SIR üzemmódban:

• Több ion kiválasztása és arányuknak vizsgálata.

• Érzékenység megtartása: időablakok megadása

(61)

Az LC-MS vákuumrendszere

LC ionforrás tömeganalizátor detektor

P_atm 10^-3 torr 10^-6 torr MS

(62)

Ionizációs technikák alkalmazása

(63)

ESI ionizáció, ionforrás

mozgófázis az LC-ről

porlasztó N2

töltött folyadék

Taylor- kónusz

aeroszol nyaláb

gázfázisú ionképződés

deszolvatáció, ionképződés fűtött kapilláris,

3-5 kV

10^-3torr, első vákuumlépcső Atmoszférikus

nyomás

mintázó kónusz

ellenáramú N2 szárítógáz

10^-6torr, második vákuumlépcső

ionoptika

tömeganalizátor

fűtött N2

szárítás

(64)

Ionforrás Tolerált térfogatáramok

TurboV^® 2 µl/min-3ml/min

Turbo-IonSpray^® 2 µl/min-1ml/min

Ionspray^® 2-200 µl/min

Micro-IonSpray^® 50-1000 nl/min

NanoSpray^® 20-100 nl/min

(65)

APCI ionizáció, H₂O-e^-→H₂O⁺

H₂O⁺+H₂O→H₃O⁺+OH^- H₃O⁺+M→H₂O+[MH]⁺

1. Oldószermolekulák ionizációja

2. Kvázi molekulaionok, adduktok

képződése

korona kisülési tű

~5 µA oldószer molekula

mintakomponens porlasztó

gáz LC

köpeny gáz

fűtött tömb

fűtött N₂

szárítás ellenáramú N₂

szárítógáz

ellenáramú N₂ szárítógáz

(66)

APPI ionizáció, ionforrás M+hν→M^.++e^-

M^.++H^.→[MH]⁺

(67)

ToF felépítése és működése

detektor ionáram

merőleges kigyorsítás (impulzus szerű)

belépő nyílás

reflektron gyűrű alakú elektródok, (iontükör)

repülési cső ionok pályája Azonos m/z ionok, a

gyorsító elektródtól való eltérő távolság miatt eltérő E_kin-re

tesznek szert.

ionoptika, koherens ionnyaláb

gyorsító elektród

m/z

%

m/z

%

ToF

reflektron ToF

(68)

Orbitap felépítése és működése

külső elektród

belső elektród

ionpálya belépő nyílás

detektor

elektród 1 detektor

elektród 2 szigetelés

erősítés

frekvencia jel

Fourier- transzformáció

m/z

%

oszcilláció

(69)

1) Termékion

pásztázás

Q₁SIM q₂CID Q₃SCAN

2)

Kiválasztott átmenet detektálása

Q₁SIM q₂CID Q₃SIM

3) Prekurzor ion

pásztázás

Q₁SCAN q₂CID Q₃SIM

Q₁SCAN q₂CID Q₃SCAN (Δ m/z)

4)

Semleges vesztés pásztázása

Q₁ Ar q₂ Q₃

(70)

Q-IM-ToF felépítése, működése

tömegkalibráció

mozgófázis LC-ről

elővákuum nagyvákuum ion-

optikai

KVADRUPÓL ion-

optika gyorsító

elektród detektor IONMOBILITÁS

MS

KETTŐS REFLEKTRON

TOF ion- csapda

(CID) mobilitás

cella ion-

csapda (ETD)

ETD IM CID

ION- FORRÁS