Szerkezetvizsgálat gyakorlat GC-MS gyakorlat
A tömegspektrometria egyaránt szolgál szerves és szervetlen anyagok minőségi és mennyiségi elemzésére. Egyike a legáltalánosabban használható és legjobb kimutatási képességekkel bíró analitikai eljárásoknak, ugyanakkor specifikus is. Alkalmazásának korlátja, hogy csak a gáz-halmazállapotú, vagy a mérőberendezésben azzá alakítható vegyületek mérésére alkalmas.
A tömegspektrométer tömegük alapján szétválasztja a gázállapotú ionizált molekulákat és töredékeiket (fragmenseiket). A tömegspektrometriás mérés az alábbi részfolyamatokból áll:
1. a minta gázállapotba hozása, 2. ionizáció és fragmentáció
3. a keletkezett ionok töltésegységre jutó tömegük szerinti elválasztása elektromos és/vagy mágneses térben
4. a szétválasztott, különböző tömegű fragmensionok mennyiségének meghatározása.
A fenti folyamatoknak vákuumban (10–3 Pa, azaz a 10–5 torr) kell végbemenniük, mivel az ionoknak kellő hosszúságú, ütközés nélküli szabad utat kell megtenniük.
Az eredetileg nem gáz-halmazállapotú minták gázállapotba hozatala leggyakrabban hevítéssel történik. Esetenként a hő hatására ionizáció is végbemehet, gyakoribb azonban, hogy a gázokat különböző részecskékkel (elektronok, ionok, atomok) való bombázással ionizálják, de lehet az ionizáció kémiai reakció eredménye is.
Az ionnyalábok szétválasztása, töltésegységre jutó tömegük szerint, különböző analizátorokkal történhet, míg detektorként leggyakrabban elektronsokszorozó szolgálhat.
A vizsgált molekulákat ionizációjuk során, az esetek többségében, részekre (fragmensekre) is szakítjuk. Az első ion akkor jelenik meg, amikor a molekula a bombázás hatására egy elektront emittál. Ez a folyamat még nem jár fragmentációval.
A keletkező molekulaion tömege egyenlő a molekulatömeggel, (annál csak az eltávolított elektron tömegével kisebb, ami nem számottevő). Ha az ionizáló sugárzás energiáját növeljük, a molekulaion egyes kötései felszakadnak és így az eredeti molekulánál kisebb tömegű ionok képződnek. Ez a fragmentáció jellemző az adott molekulára.
A tömegspektrometria analitikai alkalmazása azon alapul, hogy gondosan ellenőrzött, azonos kísérleti körülmények között, a molekulák fragmentációja azonos módon történik. Ezen feltételekkel a fragmensek tömege és mennyisége a molekula tömegének, szerkezetének és funkciós csoportjainak függvénye, így a tömegspektrum adataiból a molekula szerkezetére is következtethetünk. Ily módon a tömegspektrometria a molekulaspektroszkópiai módszereket is kiegészítő, fontos szerkezetvizsgáló eljárás. Kimutatási képessége az említett módszerekénél nagyságrendekkel nagyobb. Így olyan kis mennyiségű mintából is szolgáltathat analitikai adatokat és szerkezeti információt is, amelyek más módszerekkel nem vizsgálhatók.
Elektron ionizáció (EI)
Az EI a leggyakrabban használt ionizációs és fragmentációs módszer. A folyamathoz szükséges elektronsugárzást volfrámizzószál biztosítja. Az izzószál és a vele szemben elhelyezkedő anód közötti elektromos erőtéren áthaladó elektronok számát az izzószál hőmérsékletével (az izzószálon áthaladó áram nagyságával), energiájukat az alkalmazott potenciál változtatásával befolyásolhatjuk. Az izzószál által emittált elektronok megfelelő irányba történő mozgását pozitív töltésű rés segíti. Az elektronokat kis erősségű mágneses tér helikális sugárként fókuszálja. Ezzel teszi hatékonnyá ütközésüket az elektronsugárzásra merőlegesen áthaladó gázállapotú mintával. A minta molekulái és az elektronok közötti kölcsönhatás eredménye az ionizáció és fragmentáció. Az ionforrás mögött elhelyezkedő kis pozitív elektrosztatikus töltésű taszító lemez (repeller) a pozitív ionokat az ionforrás előtt elhelyezett negatív töltésű gyorsítórések felé taszítja. A két gyorsítórés közötti V elektrosztatikus tér (mely 400-4000 V közötti konstans érték lehet) az m tömegű és z töltésű ionoknak E = zV energiát biztosít. (Megjegyzendő, hogy az ionok m/z értékük szerinti szétválasztásához azok Ekin kinetikus energiája a lehetőségekhez képest azonos kell, hogy legyen.)
Az 1. ábra mutatja be az ionforrás felépítését.
1. ábra
1: mintabevezető nyílás; 2: ionvisszaverő lemez (repeller); 3: izzószál; 4: elektronbevezető nyílás; 5 és 6: iongyorsító rés; 7: belépő nyílás; 8: ionképződés helye; 9: anód
Kémiai ionizáció (CI)
Gyakran szükség van arra, különösen nagy molekulatömegű anyagok vagy sokkomponensű minták analízise során, hogy az elektron ionizációnál keletkező rengeteg fragmens számát csökkentsük (egyszerűsítsük a tömegspektrumot). Ilyenkor un. "kíméletesebb" ionizációs eljárásokat kell alkalmazni. A CI céljából a mérendő mintát az elektronforrásba belépése előtt "reagens" gázzal kb. tízezerszeresére hígítják.
Az elektronokkal való ütközés nem a vizsgálandó minta, hanem a reagens gáz molekuláit ionizálja. Az így keletkezett primer ionok ütközése a vizsgálandó molekulákkal vezet a szekunder ionok képződéséhez. Így alakul ki a stabilis plazma.
Ennek ionjai a minta molekuláival kölcsönhatásba lépve okozzák különböző folyamatokban azok ionizálódását.
MS-analizátorok
Az analizátorok feladata az ionforrásban keletkező fragmens ionok m/z értékük szerinti osztályozása. A mágneses szektor tömeganalizátor a mágneses térnek az abban mozgó ionok pályájának alakjára gyakorolt hatásán alapul. Az ionforrásból kilépő ionokat elektrosztatikus kapuk (rések) felgyorsítják és keskeny ionsugarat képeznek belőlük, amelyet annak belépő résén keresztül a mágneses analizátorba vezetnek. A V potenciállal felgyorsított, majd a H mágneses térrel m/z értékük szerint különböző rádiuszú körpályákra kényszerített ionok elválasztása kétféleképpen történhet: vagy az analizátor H mágneses terének, vagy a gyorsító rés V feszültségének változtatásával mindig más m/z értékű ionokkal futtatunk be olyan körpályát, mely az analizátor kilépő réséhez vezet. Az ezen kilépő adott H ill. V esetén azonos m/z értékű ionokat a detektor megszámolja. A mérést különböző H (vagy V) mellett megismételve nyerjük a különböző m/z értékű ionok gyakoriságát szemléltető tömegspektrumot.
A kvadrupólus MS-analizátor olyan berendezés, mely nagy (és súlyos) mágnes alkalmazása nélkül képes az ionok m/z értékük szerinti elválasztására. A kvadrupólus tömeganalizátor négy párhuzamosan elhelyezkedő elektromosan vezető fémrúdból áll.
Az ionforrásból érkező ionsugár a rudakkal párhuzamosan az általuk képezett üregen halad át. Az átlósan egymással szemben elhelyezkedő két-két rudat elektromos vezeték köti össze. Az így kialakult két rúd-pár szimultán kapcsolódik egy egyenáramú áramforrás ellentétes pólusaihoz és egy rádiófrekvenciás oszcillátorhoz. Az általuk létrehozott elektromos (kvadrupólus) tér a rudak között haladó ionsugárra merőleges.
Az ionok az egyen- és váltóáram együttes hatására haladási irányukra merőleges transzverzális mozgást végeznek. A rudak közötti térben haladó pozitív ionokat az éppen pozitív töltésű rudak taszítják, míg a negatív töltésűek vonzzák. Mivel az oszcillátor hatására a fém rúd-párok relatív töltése folyamatosan változik az ionok szabálytalan oszcillációs mozgást végezve haladnak a rudak között. E mozgás az alkalmazott egyenáram Vdc feszültségétől, az oszcillátor frekvenciájától és amplitúdója Vac nagyságától, valamint az ionok m/z értékétől függ. A detektorba csak azok az ionok jutnak be, amelyek e mozgás során végig haladnak a négy rúd által határolt térben, a többi ion az elektródként viselkedő rudak valamelyikéhez csapódva elveszíti mozgási energiáját. A kvadrupólus analizátor előnye, hogy nem tesz különbséget az ionok töltése szerint, egyaránt alkalmas pozitív és negatív ionok analizálására. A 2. ábra mutatja be a kvadrupólus analizátor felépítését.
2. ábra
1: ionizáló elektronsugár; 2: az analizátor által kiszűrt ionok útja; 3: az analizátor által átengedett ionok útja; 4: detektor
A repülési idő (Time of flight –TOF) analizátor működése azon alapul, hogy az azonos kinetikus energiájú ionok sebessége – vákuumban, külső elektromos vagy mágneses teret nem tartalmazó közegben – tömegük négyzetgyökével fordítva arányos.
Az ionforrásból kilépő ionokat konstans ( 2000 V potenciálú) gyorsítórácsokkal felgyorsítjuk és ettől egy L távolságra elhelyezett detektorba történő becsapódásukat mérjük. A különböző sebességgel érkező ionok m/z értékük szerint besorolhatók. A detektorhoz érkezett impulzusok száma gyakoriságukat is megadja. A berendezés gyorsító feszültségét s nagyságrendű (mp-ként 20000-szer ismétlődő) pulzusokban alkalmazva a gyors válaszidejű elektronsokszorozó detektor elegendő idővel rendelkezik az egyes ioncsomagokban különböző sebességgel érkező ionok detektálására. Néhány pontosan ismert m/z értékű iont a TOF-spektrum kalibrálására alkalmazva V és L pontos ismeretére sincs szükség. Természetesen értékük a teljes analízis során állandó kell, hogy legyen.
Tömegspektrum és molekulaszerkezet
Mivel nincs két olyan molekula, mely teljesen azonosan fragmentálódna, a molekulák tömegspektruma azok "ujjlenyomata". A vizsgálandó minta MS-spektrumát ismert standardanyagok azonos körülmények között regisztrált spektrumaival összevetve egyértelműen azonosíthatók az egyes molekulák. E célt szolgálják a tömegspektrometria számítógépes adatbankjai. A számítógép a kísérletileg mért és az adatbankban tárolt spektrumok adatait a fragmensionok m/z értékét és az egyes ionok gyakoriságát jelző csúcsmagasságokat összehasonlítva választja ki a lehetséges molekulát.
Példaként felsorolunk néhány tapasztalati összefüggést:
a) A C–C kötések általában gyengébbek a C–H kötéseknél, telített szénhidrogének ezért nagy gyakorisággal a C–C kötéseknél hasadnak.
b) Elágazó szénláncok az elágazásnál hasadnak és a pozitív töltés általában az elágazást tartalmazó fragmensen marad.
c) Kettős kötést tartalmazó szerves molekulák a kettős kötéshez képest - helyzetben hasadnak.
d) Gyűrűt tartalmazó szerves molekulák MS-spektruma a gyűrű tömegének megfelelő fragmenst tartalmaz.
e) Telített gyűrűs vegyületek oldallánca a gyűrűhöz -helyzetben lévő szénatomnál hasad.
f) Ha a gyűrűben kettős kötés van a szubsztituens szomszédságában, az utóbbi a gyűrűhöz -helyzetben hasad le.
g) Heteroatomot tartalmazó szerves molekulák a heteroatomhoz viszonyítva - helyzetben hasadnak.
Izotópvonalak
A molekulában többféle izotópjuk formájában szereplő elemek esetében az
"izotóp vonalak" segítenek a spektrum értelmezésében. A bróm két izotópja (79Br és
81Br) közel azonos gyakoriságú, ezért brómtartalmú fragmensek kb. fele az egyik, fele a másik izotópot tartalmazza. A két fragmens egymástól két m/z egységre lévő két közel azonos nagyságú csúccsal jelentkezik. Mint az a I. táblázatból látható a klór két izotópja
35Cl és 37Cl gyakoriságának aránya kb. 3:1. Ilyen arányú lesz a kétféle izotópot
Kvantitatív analitikai alkalmazás
A tömegspektrum csúcsai éppúgy arányosak azoknak a molekuláknak a koncentrációjával, amelyek fragmenseitől származnak, mint pl. az UV-látható spektrumsávok a megfelelő kromofórok koncentrációjával. A módszer kvantitatív analitikai alkalmazása ezért a spektroanalitikai módszerekhez hasonló módon megfelelő ismert koncentrációjú standardoldatokkal való kalibrálás segítségével történik. A módszer a tömegspektrumokban az ionizáció során keletkező sok és sokféle fragmens képződése miatt fellépő nagy vonalgazdagság és e folyamat specifikussága következtében anyagkeverékek elválasztás nélküli analízisére is bevált. Nagy az esély, hogy a sok MS csúcs között találunk a keverék egyes komponenseire jellemző, a kísérő anyagoktól nem zavart csúcsokat, amelyek közvetlen kvantitatív meghatározás alapjául szolgálhatnak.
GC–MS
A kromatográfia művelői szemében a tömegspektrométer a GC-MS, ill. LC-MS készülékek előnyösen használható detektora, míg számos MS szakértő a kromatográfot praktikus mintaelőkészítő és -kezelő berendezésnek tekinti. Valójában a kombinált készülék sokkal többet "tud", mint két komponense együtt. Az MS az analóg szerkezetű komponensekből álló összetett keverékek alkotóinak egyértelmű azonosítását, azonos m/z értékű komponensek (vagy fragmensek) jelenlétében, elválasztásuk nélkül nehezen, vagy – mikrokomponens esetén – egyáltalán nem tudja elvégezni. A kromatográfiás módszerek az elválasztott komponensek azonosítására magukban, specifikus detektorok nélkül, nem alkalmasak. A kombinált GC-MS műszerrel – ha a mérési körülmények között a minta gőznyomása és termikus stabilitása megfelelő – kitűnően elvégezhető a teljes analízis. A GC elvégezheti mindegyik komponens mennyiségének kvantitatív meghatározását, míg az MS egyértelműen azonosítja azokat, igen bonyolult összetételű komplex rendszerekben is.
A GC-MS-készülék konstrukciójánál a következő két feladat alapvető fontosságú: a) a GC vivőgázának eltávolítása és b) az összetett műszer két része sebességének összehangolása.
Kérdések:
1. Milyen minták elemzésére alkalmas a tömegspektrometria?
2. Milyen információk nyerhetők egy tömegspektrometriás mérésből?
3. Milyen fontosabb egységei vannak egy tömegspektrométernek?
4. Milyen ionizációs módszereket szokás alkalmazni a tömegspektrometriában?
5. Soroljon fel néhány tömespektrometriás analizátort, röviden ismertesse azok működését!
6. Miért előnyös a gázkromatográf-tömegspektrométer kombináció (GC-MS) alkalmazása?
7. Milyen problémák merülnek fel a GC és az MS összekapcsolásakor?
8. Soroljon fel néhány tapasztalati szabályt, amely segíti az elektronionizációval nyert tömegspektrum kiértékelését!
9. Hogyan lehet csökkenteni a tömegspektrumban megjelenő fragmensionok számát EI-nél (egyszerűsíteni a tömegspektrumot)?
Ajánlott irodalom:
Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai: 9.4. Tömegspektrometria
Dinya Zoltán: Szerves tömegspektrometria, DE Kossuth Egyetemi Kiadó, 2001
Kiegészítő táblázatok tömegspektrumok kiértékeléséhez Szénhidrogénekből képződő fragmensek
CnH2n+1 CnH2n
molekulaionból CnH2n-1
(CnH2n+1)+ionból
C képlet tömeg C képlet tömeg C képlet tömeg
1 CH3 15 1 CH2 14 1 CH 13
2 C2H5 29 2 C2H4 28 2 C2H3 27
3 C3H7 43 3 C3H6 42 3 C3H5 41
4 C4H9 57 4 C4H8 56 4 C4H7 55
5 C5H11 71 5 C5H10 70 5 C5H9 69
6 C6H13 85 6 C6H12 84 6 C6H11 83
Fontosabb elemek izotópeloszlása
Elem % Elem % Elem %
1H 99,985 16O 99,76 79Br 50,69
2H 0,015 17O 0,037 81Br 49,31
10B 20 18O 0,204
11B 80 32S 95,00
12C 98,892 33S 0,76
13C 1,108 34S 4,22
14N 99,63 35Cl 75,77
15N 0,37 37Cl 24,23
Néhány gyakoribb neutrális vesztés
Tömeg Atomcsoport Vegyülettípus
1 H aldehidek
2 H2 aromások
14 CH2 szénhidrogének
15 CH3 szénhidrogének
18 H2O alkoholok,aldehidek, ketonok
26 C2H2 aromás szénhidrogének
27 HCN aromás aminok
N-heterociklusos vegyületek
28 CO aldehidek, ketonok, fenolok
29 CHO aromás aldehidek, fenolok
31 OCH3 metoxi-vegyületek
32 SH tiolok
33 H2S
44 CO2 savak, savanhidridek, észterek
45 COOH karbonsavak
