14.4. A tömegspektrometria alkalmazásai

14.1. A tömegspektrométerek fő részei.

Az egyszeres fókuszálású tömegspektrométer működése 14.2. Ionizációs módszerek

14.3. Tömeg-analizátorok

14. TÖMEGSPEKTROMETRIA

14.4. A tömegspektrometria alkalmazásai

14.1. A tömegspektrometria alapjai

• Izolált, ionizált részecskék tömeg-töltés arányuk szerinti elválasztása

• Angolul: Mass Spectrometry (MS)

84

58

45 39

Tiofén tömegspektruma

+

+

Tiofén ion fragmentációja

+

+

A tömegspektrométer fő részei

ionizátor ion

gyorsító

tömeg-

analizátor detektor mintabevitel

jelfeldolgozás vákuum

Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

Egyszeres fókuszálású készülék:

Az anyagot ionizálják,

az ionokat először elektromos térben gyorsítják,

majd mágneses térben elválasztják.

eU 2 mv

1



m v

 2eU

A kinetikus energia:

Elektromos tér (iongyorsító) A részecske tömege m, elektromos töltése e.

U feszültséggel gyorsítjuk.

Homogén mágneses tér (tömeganalizátor) (A mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára)

Lorentz erő:

B v

e

F   







e:

B: a mágneses indukció

B: merőleges a papír síkjára

A mozgás irányára merőleges erő körmozgásra készteti az ionokat (centripetális erő).

Jobb-kéz szabály: hüvelykujj az áram irányába

a többi kinyújtott ujj a mágneses tér irányába.

Tenyerünk így az erő irányába mutat.

mv

r

   B e v

m v  Ber

m v

 2eU

v B e r m

2 2 2 2



m e

B r

 ^{2 2} U 2

Körmozgás feltétele:

centripetális erő = Lorentz erő

Töltött részecskék szétválása mágneses térben

14.2. Az ionizáció módszerei

Gőzfázisú módszerek

elektron ütközéses ionozáció kémiai ionizáció

Deszorpciós módszerek

szekunder ion tömegspektrometria bombázás gyors atomokkal

MALDI

Elektroporlasztásos ionizáció

Az ionizáció módszerei

a) Elektronütközéses ionizáció









 

 e M 2e

M









 e M

M

A pozitív gyökionok stabilabbak.

A tömegspektrometria csaknem kizárólag pozitív ionok szétválasztásával foglalkozik.

e-

M^+

anód

Izzószál (termikus elektronemisszió)

minta (gőz)

ion gyorsító rések 1.rés: taszító (+) 2. rés: vonzó (-) 3. rés vonzó (---)

Elektronütközéses ionizáció (electron impact, EI)

ütköző e^- en. 70keV

Fragmentáció

Az ionok tovább bomlanak párhuzamos és konszekutív reakciókban

...

B A

M



 

EI ionizátor: E(e-) ~ 70 eV E(ionizáció): 10-20 eV

Sok magasan gerjesztett állapotú ion keletkezik  fragmentációval stabilizálódnak

b) Kémiai ionizáció (CI): ez is EI, de a mintához nagy feleslegben (~ 0,5 Torr) reagens gázt (CH

, NH

, izobután) adnak

Elsősorban a reagens gázok ionizálódnak, ezek ütköznek a vizsgálandó molekulákkal.

Főleg MH

ionok (molekulacsúcs)

keletkeznek: a molekulacsúcs azonosítására

szolgál.

Citronellol kémiai ionizációs tömegspektruma

Reagensgáz: i-C₄H₁₀

EI, fragmentáció: i-C₄H₁₀ → i-C₄H₉⁺

CI: M + i-C₄H₉⁺ → MH⁺ + i-C₄H₈ (proton átadás)

http://www.chem.unl.edu/dsmith/Chemical Ionization.pdf

Citronellol EI-vel és CI-vel kapott tömegspektruma

c) Szekunder ion tömegspektrometria

(SIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry)

Szilárd mintát Ar⁺ ionokkal vagy O₂⁺ ionokkal bombáznak.

A felületről atomok és ionok lépnek ki.

A felület vizsgálatára szolgáló módszer. Pásztázva az ionsugarat: összetétel pontonkén, Maratás: összetétel a

mélység függvényében. 20

http://www.geos.ed.ac.uk/facilit ies/ionprobe/SIMS4.pdf

d) Bombázás gyors atomokkal

(FAB, Fast Atomic Bombardment) Nem illékony mintákra alkalmas.

A mintát feloldják (pl. glicerinben).

Semleges atomokkal (Ar, Xe) bombázzák

Biológiai, gyógyszeripari minták vizsgálata

John B. Fenn 1917- 2010

Koichi Tanaka 1959-

The Nobel Prize in Chemistry 2002

"for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of

biological macromolecules"

A repülő elefánt

(biológiai makromolekulák ionjai gőzfázisban)

e) MALDI = matrix-assisted laser desorption-ionisation (Tanaka)

mátrix: aromás sav

f) Elektroporlasztásos ionizáció ESI = Electrospray Ionisation

(Fenn)

3000 V

Detektor: elektronsokszorozó

Katód az ionok detektálására érzékeny Nincs ablaka (nagy vákuumban van)

http://huygensgcms.gsfc.nasa.gov 26

Felbontás:

M a vizsgálat ion móltömege, M az éppen még felbontott két csúcs közötti tömegszámkülönbség

Pl. 500-as felbontás esetén

az 1000-es és az 1002-es tömegszámú csúcsot külön jelzi, az 1000-es és az 1001-es tömegszámú csúcs egybeolvad.

ΔM

M

14.3. Tömeganalizátorok

Csoportosítás a tömeganalizátor szerint:

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer

c) Kvadrupol tömegspektrométer d) Repülési idő tömegspektrométer

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

Spektrum:

mágneses tér változtatásával

vagy gyorsító feszültség változtatásával

Felbontás: 100-tól néhány 1000-ig

b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer

Az ionok elválasztása két lépésben, elektromos térrel és mágneses térrel

Felbontás: néhány tíz ezertől 100 ezerig

Kettős fókuszálású tömegspektrométer

c) Kvadrupol tömegspektrométer

Négy elektród (párhuzamos fémrudak) Közöttük halad az ionsugár.

Két-két szemben lévő elektród mindig azonos potenciálon van.

A potenciálnak váltóáramú és

egyenáramú komponense is van.

Kvadrupol tömegspektrométer

Az elektródok feszültsége az idő függvényében

Adott feszültség-amplitúdók esetén egy bizonyos tömegtartományba eső ionok oszcillálnak.

Még mielőtt belezuhannának az egyik elektródba,

megfordul a polaritás. Így az ionok végigjutnak a rudak közötti üregen és elérik a kilépő rést^.

Az eltérő m/e-vel rendelkező ionok egyre nagyobb

amplitúdóval oszcillálnak, és belezuhannak valamelyik elektródba.

Előnyök: gyors (nem a mágneses teret változtatjuk) m/e lineárisan változik a térerősséggel

Felbontás: max 3000

d) Repülési idő tömegspektrométer (TOF: Time Of Flight)

Az iongyorsítóban a különböző tömegű (de azonos töltésű) ionok azonos energiára tesznek szert:

eU 2 mv

1



A nagyobb tömegűek kisebb sebességűek,

a kisebb tömegűek nagyobb sebességűek lesznek.

Repülési idő tömegspektrométer

Felbontás: néhány száztól néhány százezerig

14.4. A tömegspektrometria alkalmazásai

a) Analitikai alkalmazások

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata c) Polimerek vizsgálata

d) Proteomika: fehérjék vizsgálata

a) Analitikai alkalmazás

Gázkeverékek kvantitatív analízise

Nyomelemzés

Elemanalízis

Kromatográfiával kombinált

tömegspektrometria (GC-MS, LC-MS)

Izotóp-arány mérés

Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS)

http://www.chem.agilent.com/Library/posters/Public/ASMS_2011_TP_242.pdf

Példa: klozapin elemanalízise Módszer: (ESI)MS-TOF

1H 1,0078

2H 2,0141

12C 12,0000

13C 13,0034

14N 14,0031

16O 15,9949

35Cl 34,9689

37Cl 36,9659

12C₁₈¹H₁₉³⁵Cl¹⁴N₄ 326,1295

(kém. Ionizáció miatt)

12C₁₈¹H₂₀³⁵Cl¹⁴N₄ 327,1373

12C₁₇¹³C¹H₂₀³⁵Cl¹⁴N₄ 328,1407

12C₁₈¹H₂₀³⁷Cl¹⁴N₄ 329,1343

Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS)

Pontos

izotóptömegek Számított pontos molekulatömegek

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata

A csúcsok típusai:

Molekulacsúcs

Fragmens csúcsok M⁺A⁺+B Többszörös töltésű csúcsok

2e M

3e M

Metastabil csúcsok (rövid élettartamú ionok)

n-bután

n-bután

1) molekulacsúcs m/e = 58-nál viszonylag kis intenzitású 2) m/e = 43-nál van a legvalószínűbb csúcs

58-43 = 15, tehát egy metil-csoport hasadt le, C₃H₇⁺ ionból származik

3) m/e = 59-nél kis csúcs, ¹³C illetve ²H természetes jelenléte miatt (szatelit csúcs)

4) m/e = 29 C₂H₅⁺ de C₄H₁₀²⁺ is.

5) m/e = 25,5 51-es, 2-szeres töltésű ion.

Polisztirol analízise MALDI-TOF tömegspektrométerrel

20000-es molekulatömegű polisztirol Mátrix: 2-nitrofenil-oktiléter

c) polimerek vizsgálata

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

1. lépés: Fehérje bontása enzimmel peptidekre

http://www.moffitt.org/ ⁴⁸

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

2. lépés

Alapkérdések

91. Milyen mennyiségeket tüntetnek fel a tömegspektrumok tengelyein?

92. Mit nevezünk a tömegspektrumban molekulacsúcsnak, ill.

báziscsúcsnak?

93. Mit nevezünk a tömegspektroszkópiában fragmentációnak? Írjon fel rá példát!

94. Mik a tömegspektrométerek főbb egységei? (blokkdiagram) 95. Mit nevezünk a tömegspektrométer felbontásának?

95. Mi a lényege a MALDI ionizációs módszernek?

96. Mi a lényege az elektroporlasztásos ionizációnak?

97. Mi a működési elve a repülési idő tömegspektrométerek analizátorának?

98. Mi az alapelve a tömegspektrometriai módszerrel végzett elemanalízisnek?