A tömegspektrometria analitikai és szerkezetvizsgálati alkalmazásai

(1)

A tömegspektrometria

analitikai és szerkezetvizsgálati alkalmazásai

Dr. Balla József 2009.

(2)

2

A tömegspektrometria rövid története:

• Wien ( 1896 ? )

• Thompson

• Aston, Dempster

• Nier

• Johnson

szervetlen MS 1900-1950 szerves MS 1950-től

(3)

1. Dinamikus tömegmérési módszer

2. Csökkentett nyomású térben gerjesztés hatására a mintából keletkező ionokat gyorsító elektrosztatikus tér hatására olyan erőtérbe juttatjuk, ahol fajlagos tömegük (m/z) szerint elkülönülnek, és ezt követően egy detektorban mérjük az ionok intenzitását. Az

ionintenzitás- fajlagos tömeg közötti

függvénykapcsolat a tömegspektrum. A tömegspektrum egyedi. ( Ujjlenyomat.)

A tömegspektrometria definíciója:

(4)

4

Tömegspektrum:

120 110

100 90

80 70

60 50

20 40 60 80 100 Rel.int.

%

m/z

(5)

A mágneses eltérítés elve:

U

R

m¹ m³ m²

B

minta

vakuum

v

R zvB mv

mv zU

2 2

2 1



z mU R  B1 2

(6)

6

Az MS elvi felépítése

(7)

Mintabeviteli megoldások

1. Direkt mintabevitel (zsilipelés)

• gázok

• folyadékok

• szilárd minták bevitele

2. Indirekt mintabevitel

• GC-MS

• LC-MS

• CE-MS

(8)

8

Az ionforrások feladata:

• Ionok előállítása

• ionok gyorsítása

• koherens ionnyaláb biztosítása

Az ionizáció történhet gáz, folyadék és szilárd fázisban

(9)

Ionforrások: - szervetlen - szerves

„szerves” ionforrások:

-EI -CI -TI -TD -FAB -MALDI

-API: APCI, ES

(10)

10

Az EI (electron impact: ütközéses ionforrás) elve

minta (M)

izzó katód

anód

gyorsító elektród

+ + +

(+) ionnyaláb repeller

ionoptika

N

S

Analizátor

elektron nyaláb

M + e M⁺ + 2e

U

- U = 1-100kV

(11)

TI, TD ionforrás

minta (M)

(+) ionnyaláb

Analizátor

M + elektromos energia [M + H]⁺ , M⁺, [M – H]⁺

Térerő: 10⁶V/cm

(12)

12

(13)

CI ionforrás

Reagens gáz:

CH₄, NH₃, propán, PB

M + CH₅⁺[M+H]⁺+CH₄

izzó katód

anód

gyorsító elektród

++ + repeller

CH₅⁺

Analizátor

(14)

14

(15)

MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)

Nitrogén lézer

Mátrix + M

D

[Mátrix] + M [Mátrix] + M⁺ [Mátrix + M] ^lezer

(16)

16

FAB

minta (M)

++ +

Ar, He

Ar⁺

Ar

ütközési cella

++ +

Ar_kin Ar⁺+ Ar Ar_kin

Ar⁺+ Ar Ar_kin

M⁺ + Ar Ar_kin + M

Analizátor

M⁺

(17)

APCI

(18)

18

(19)

ES

(20)

20

(21)

(22)

22

ES

(23)

Analizátorok

• Mágneses analizátorok (180, 90, 60°-os eltérítésű)

• kvadrupól analizátorok

• ioncsapda

• TOF

• kettős fókuszálású

• MS/MS, MSⁿ

(24)

24

Mágneses analizátor

(25)

Kvadrupól MS

IM

minta

TMSz +

+ -

-

V_o(egyenfeszültség)

TMSz IM

:

: ionsokszorozó detektor

turbomolekuláris szivattyú R : olajrotációs (elõvákuum) szivattyú

I A

I: elektronütközéses ionforrás 10-6 -8-10 kPa

=V_o+V_osint Vo

V +

U

V: váltófeszültség

vagy diffúziós szivattyú, kvadrupól rudak

(26)

26

Ioncsapda MS

+ ++ + +

+ +

vákuum GC-ről

elektronforrás

kapuelektród

központi hiperbolikus elektród gyűrű

záró elektródok

ionsokszorozó detektor ioncsapda

(27)

Ioncsapda MS

(28)

28

TOF MS

izzó katód

anód U

gyorsító feszültség minta

"üres tér"

detektor

vákuum

L repülési távolság

= 1-100 kV

(29)

(30)

30

Detektorok

• Fotolemezes detektor

• ionsokszorozó

• fotosokszorozó

(31)

Vákuumrendszerek:

Analitikai készülékek: kétfokozatú Szerkezetvizsgálók: három fokozatú:

1. fokozat: elővákuum-rotációs szivattyú (10²kPa-0.1-1kPa-ig)

2. fokozat: turbomolekuláris szivattyú diffúziós szivattyú

(0.1-1 kPa-ról 10^-6-10^-7kPa-ig) 3. fokozat: iongatter (10^-8-kPa-ig)

(32)

32

MS teljesítményjellemzők:

• Felbontóképesség:

m m

R  / 

R<10

⁴

kisfelbontású

R>10

⁴

nagyfelbontású

(33)

MS teljesítményjellemzők II.

• Érzékenység

• Kimutatási határ mágneses 10^-9 g kvadrupól 10^-15 g

MALDI-TOF 10^-19-10^-21 g

• Tömegtartomány

gázelemzők 1-100 dalton

rutin analízisre 10-1000 dalton MALDI-TOF 10-10⁶ dalton

(34)

34

MS teljesítményjellemzők III.

• Tömegtartomány:

gázelemzők 1-100 dalton

rutin analízisre 10-1000 dalton MALDI-TOF 10-10⁶ dalton

• Tömegmérés pontossága:

analitikai: 0.1-0.5 dalton

nagyfelbontású: 10^-4dalton (1 ppm)

(35)

MS teljesítményjellemzők IV.

• Tömegspektrum felvételi sebesség 0.1-1 s

SCAN: pásztázó mérés- tömegspektrum

SIM: szelektív ionkövetés- mennyiségi mérés

(36)

36

Adatkezelés (számítógépes)

• Adatfeldolgozás ( nyers spektrum felvétele, feldolgozása, értékelése, tárolása,

könyvtárazás…)

• Szabályozás

(37)

Az MS mint analitikai információforrás:

• Egyedi alkotók (GC, LC, CE stb.

elválasztást követően) minőségi analízise

• az alkotók mennyiségi elemzése a kromatográfiás csúcsok vagy a SIM

mérés alapján

(38)

38

Az MS mint szerkezeti információforrás

• Pontos tömegméréssel

• és az egyedi alkotók spektrumának az értelmezésével

(39)

A tömegspektrumok értelmezése

• EI

• CI

• FAB, MALDI

• APCI, ES spektrumok

A legtöbb szerkezeti információ az EI spektrumokból!

(40)

40

Ionkémiai folyamatok az EI-ben

1. Primer ionizáció

2. Fragmentációs folyamatok 3. Kétszeres töltésű ionok

4. Pszeudo-molekulaionok

5. Elektronbefogásos ionizáció 6. Metastabil ionok

(41)

Néhány vegyület első ionizációs potenciálja

vegyület eV vegyület eV vegyület eV

nitrogén 15,58 kloroform 11,42 kén-dioxid 12,34

oxigén 12,08 1,2-diklór-etán 11,12 kén-hidrogén 10,46 víz 12,59 vinil-klorid 10,00 karbonil-szulfid 11,18 szén-monoxid 14,01 diklór-etilén 9,83 szén-diszulfid 10,08 szén-dioxid 13,79 triklór-etilén 9,45 tiokarbinol 9,44 nitrogén-oxid 9,25 fenol 8,50 dimetil-szulfid 8,69 nitrogén-dioxid 9,78 piridin 9,32 dimetil-

diszulfán 8,46

klór 11,48 benzol 9,25 formaldehid 10,87

jód 9,28 toluol 8,82 acetaldehid 10,21

metán 12,98 xilol 8,45 akrolein 10,10

etilén 10,52 sztirol 8,47 aceton 6,69

acetilén 11,41 anilin 7,70 metanol 10,85

butén-1 9,58 ammónia 10,15 etanol 10,48

n-hexán 10,17 metil-amin 9,97 hangyasav 11,05

metil-klorid 11,28 acetonitril 12,22 ecetsav 10,37

(42)

42

1. Ionkémiai folyamatok

A molekula ionizációja

M  e  M ^ ^.  2e

(43)

2. Ionkémiai folyamatok

A -kötés hasadása ^M⁺^.

3

m₁⁺

+ +

+ m m2

m₁ ⁺ m2

m₁ ⁺

. . . . .

.(m ...₂ mn)

3 n

.(m ...m )

4 n

.(m ...m )

CH3 CH2 CH

CH3

C H +.O

CH3 CH2 CH

CH3 . +

 -hasadás töltés retenció

(homolízis)

a)

CH3 CH2 CH

CH3

H C

+.O

+

töltés migráció (heterolízis)

C. H

b) CH3 CH2 CH O

CH3 +

H C

+O

m z/ = 29

(44)

44

20 40 60 80 100

50 100

m/z Rel. int.%

M+. 86 58

57

29 41

A 2-metil-butanal EI tömegspektruma

(45)

3. Ionkémiai folyamatok Átrendeződések

M⁺.

3 + + m m2

m₁ ⁺ m2

m₁ ⁺

. . . . .

...m_n o

(m₇ ) (m ...₈ m )_n ^o +(m₄ ...m_n)^o

3 +. (m ...m )₁

Pl. McLafferty-átrendezõdés

O

C CH₂

O

CH H

+.

R"

R'

+. O C

H

R' O

+ CH

CH₂ R"

(46)

46

Izotópok szerepe a tömegspektrumok értelmezésében

13C / ¹²C ~ n_C

37Cl / ³⁵Cl ~ n_Cl

81Br /⁷⁹Br ~ n_Br n+1 szabály

(47)

A spektrumok értelmezését segítő szabályok

1. Paritások 2. N-szabály 3. telítetlenség

4. a spektrum jellege

(48)

48

Nagyfelbontású MS

• Pontos tömegmérés (csúcsillesztés)

• anyaion-leányion

• „metastabil” ionok

• megjelenési potenciál

• ionkinetikus energia spektrum

(49)

Kettős fókuszálású Nier-Johnson MS

(50)

50

Kettős fókuszálású Matthau-Herzog MS

(51)

• GC-MS

• LC-MS készülékek felépítése, a módszerek előnyei,

analitikai alkalmazásaik

(52)

52

Atmospheric

pressure ionisation interface

Ion transfer Q-array

octopole

Quadrupole ion trap

Compressed ion introduction

Argon used as the ion cooling gas ESI source

LCMS-IT-TOF

(53)

(54)

54

GC-MS-DS

66

Ionforrás Analizátor

Vákuum rendszer

Detektor MS

GC DS

(55)

• „Könyvtárkeresés” előnyei, korlátai

• tömegkromatográfia

(56)

56

(57)

(58)

58

(59)

(60)

60

(61)

(62)

62

(63)

(64)

64

5

(65)

6

(66)

66

7

(67)

8

(68)

68

9

(69)

10

(70)

70

11

(71)

12

(72)

72

13

(73)

14

(74)

74

15

(75)

16

(76)

76

17

(77)

18

(78)

78

19

(79)

20

(80)

80

21

(81)

22

(82)

82

23

(83)

24

(84)

84

27

A tömegspektrometria analitikai és szerkezetvizsgálati alkalmazásai