14.1. A tömegspektrometria alapjai

14.1. A tömegspektrometria alapjai

14.2. A tömegspektrometria műszerei

14.3. A tömegspektrometria alakalmazása

14. TÖMEGSPEKTROMETRIA

1

14.1. A tömegspektrometria alapjai

• Izolált, ionizált részecskék tömeg-töltés arányuk szerinti elválasztása

• Angolul: Mass Spectrometry (MS)

A tömegspektrométer fő részei:

3

Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

Egyszeres fókuszálású készülék:

Az anyagot ionizálják,

az ionokat először elektromos térben gyorsítják, majd mágneses térben elválasztják.

A részecske tömege m,

elektromos töltése e.

U feszültséggel gyorsítjuk.

5

eU 2 mv

1



m v

 2eU

A kinetikus energia:

Homogén mágneses térbe kerül.

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

Lorentz erő:

B v

e

F   







e:

B: a mágneses indukció

7

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

9

Töltött részecskék szétválása mágneses térben

Az ionizáció módszerei

11

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



 

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.

15

Citronellol kémiai ionizációs tömegspektruma

Reagensgáz: i-C₄H₁₀

EI, fragmentáció: i-C₄H₁₀ → i-C₄H₉⁺

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

17

Citronellol EI-vel és CI-vel kapott tömegspektruma

c) Szekunder ion tömegspektrometria

(SIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry)

Szilárd mintát Ar

ionokkal vagy O

ionokkal bombáznak.

A felületről atomok és ionok lépnek ki.

A felület vizsgálatára szolgáló módszer.

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

19

John B. Fenn 1917- 2010

Koichi Tanaka 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)

21

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

mátrix: aromás sav

f) Elektroporlasztásos ionizáció ESI = Electrospray Ionisation

(Fenn)

3000 V

23

Detektor: elektronsokszorozó

Katód az ionok detektálására érzékeny

Nincs ablaka (nagy vákuumban van)

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

25

14.2. A tömegspektrometria műszerei

Csoportosítás a tömeganalizátor szerint:

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer

c) Kvadrupol tömegspektrométer d) Repülési idő tömegspektrométer

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

27

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

29

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.

31

Kvadrupol tömegspektrométer

Az elektródok feszültsége az idő függvényében

33

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

35

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

37

14.3. A tömegspektrometria alkalmazása

a) Analitikai alkalmazás

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata c) Polimerek vizsgálata

d) Proteomika: fehérjék vizsgálata

a) Analitikai alkalmazás

Móltömegek meghatározása

Gázkeverékek kvantitatív analízise Nyomelemzés

Elemanalízis

Kromatográfiával kombinált

tömegspektrometria (GC-MS, LC-MS)

Izotóp-arány mérés

39

Nagy pontosságú MW mérése (HPLC-(ESI)MS-TOF)

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)

41

Tiofén

n-bután

43

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

U. Bahr, Anal. Chem. 64, 2466 (1992)

c) polimerek vizsgálata

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

1. lépés: Fehérje bontása enzimmel peptidekre

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

Fehérje bontásából előállított peptid spektruma (MS/MS) 2. lépés