A tömegspektrometria analitikai és szerkezetvizsgálati

alkalmazásai

Dr. Balla József

2009.

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

Tömegspektrum:

1201101009080706050

20

40

60

80

100

Rel.int.%

m/z

5

A mágneses eltérítés elve:

U

Rm1

m3m2

B

minta

vakuumv

R

mvzvB

mvzU

2

2

2

1

z

mU

BR

21

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

Az ionforrások feladata:

• Ionok előállítása

• ionok gyorsítása

• koherens ionnyaláb biztosítása

Az ionizáció történhet gáz, folyadék és szilárd fázisban

Ionforrások: - szervetlen - szerves

„szerves” ionforrások:

-EI

-CI

-TI

-TD

-FAB

-MALDI

-API: APCI, ES

10

Az EI (electron impact: ütközéses ionforrás) elve

minta (M)

izzó katód

anód

gyorsító elektród

++

+

(+) ionnyaláb

repeller

ionoptika

N

S

Ana

lizá

tor

elektron nyaláb

M + e M+ + 2e

U

- U = 1-100kV

11

TI, TD ionforrás

minta (M)

(+) ionnyaláb

Ana

lizá

tor

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

Térerő: 106V/cm

12

13

CI ionforrás

Reagens gáz: CH4, NH3, propán, PB

M + CH5+ [M+H]++CH4

izzó katód

anód

gyorsító elektród

+++

repeller

CH5+

minta (M)

Ana

lizá

tor

14

15

MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)

Nitrogén lézer

Mátrix + M

ionizáció – deszorpció

D

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

16

FAB

minta (M)

+++

Ar, He

Ar+

Ar

ütközési cella++

+

Arkin

Ar+ + Ar ArkinAr+ + Ar Arkin

M+ + ArArkin + M

Ana

lizá

tor

M+

17

APCI

18

19

ES

20

21

22

ES

23

Analizátorok

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

• kvadrupól analizátorok

• ioncsapda

• TOF

• kettős fókuszálású

• MS/MS, MSn

24

Mágneses analizátor

25

Kvadrupól MS

IM

minta

R

TMSz

+

+-

-

V (egyenfeszültség)o

TMSzIM

:: ionsokszorozó detektor

turbomolekuláris szivattyú

R : olajrotációs (elõvákuum) szivattyú

IA

I: elektronütközéses ionforrás10-6 -810- kPa

A: analizátor

=Vo oV+ sin toVV +

U

V: váltófeszültség

,vagy diffúziós szivattyú

kvadrupól rudak

26

Ioncsapda MS

++++ +

++

vákuum

GC-ről

elektronforrás

kapuelektród

központi hiperbolikus

elektródgyűrű

záró

elektródok

ionsokszorozódetektor

ioncsapda

27

Ioncsapda MS

28

TOF MS

izzó katód

anód

Ugyorsító feszültség

minta

"üres tér"detektor

vákuum

L repülési távolság

= 1-100 kV

29

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

MS teljesítményjellemzők:

• Felbontóképesség:

mmR /

R<104 kisfelbontású

R>104 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

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: 10-4 dalton (1 ppm)

35

MS teljesítményjellemzők IV.

• Tömegspektrum felvételi sebesség

0.1-1 s

SCAN: pásztázó mérés- tömegspektrum

SIM: szelektív ionkövetés- mennyiségi mérés

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

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

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 eVnitrogén 15,58 kloroform 11,42 kén-dioxid 12,34oxigén 12,08 1,2-diklór-etán 11,12 kén-hidrogén 10,46víz 12,59 vinil-klorid 10,00 karbonil-szulfid 11,18szén-monoxid 14,01 diklór-etilén 9,83 szén-diszulfid 10,08szén-dioxid 13,79 triklór-etilén 9,45 tiokarbinol 9,44nitrogén-oxid 9,25 fenol 8,50 dimetil-szulfid 8,69nitrogén-dioxid 9,78 piridin 9,32 dimetil-

diszulfán 8,46klór 11,48 benzol 9,25 formaldehid 10,87jód 9,28 toluol 8,82 acetaldehid 10,21metán 12,98 xilol 8,45 akrolein 10,10etilén 10,52 sztirol 8,47 aceton 6,69acetilén 11,41 anilin 7,70 metanol 10,85butén-1 9,58 ammónia 10,15 etanol 10,48n-hexán 10,17 metil-amin 9,97 hangyasav 11,05metil-klorid 11,28 acetonitril 12,22 ecetsav 10,37széntetraklorid 11,47 akril-nitril 10,91 He 24

42

1. Ionkémiai folyamatokA molekula ionizációja

M e M 2e.

43

2. Ionkémiai folyamatok

A -kötés hasadása M+.

3

m1+

+

+

+

m

2mm1+

2mm1+

. . . . .

n.

2 m(m ... )

3 n. m(m ... )

4 n. m(m ... )

CHCH3 CH2

CH3

HC

O+.

CHCH3 CH2

CH3

.+

-hasadás

töltés retenció(homolízis)

a)

CHCH3 CH2

CH3

HC

O+.

+töltés migráció(heterolízis)

. HCOb) CHCH3 CH2

CH3

+

m z/ = 57

HC

O+

m z/ = 29

44

20 40 60 80 100

50

100

m/z

Rel. int.%

M+.

86

58

57

4129

A 2-metil-butanal EI tömegspektruma

45

3. Ionkémiai folyamatok Átrendeződések

M+.

3 +

+

m

2mm1+

2mm1+

. . . . .

o... nm(m )7

(m ... nm ) o8

+ ... nm(m )4o

3+.(m ...m )1

Pl. McLafferty-átrendezõdés

O

CCH2

O

CH

H

+.

R"

R'

+. O

C

H

R' O

+CH

CH2

R"

46

Izotópok szerepe a tömegspektrumok értelmezésében

13C / 12C ~ nC

37Cl / 35Cl ~ nCl

81Br /79Br ~ nBr

n+1 szabály

47

A spektrumok értelmezését segítő szabályok

1. Paritások

2. N-szabály

3. telítetlenség

4. a spektrum jellege

48

Nagyfelbontású MS

• Pontos tömegmérés (csúcsillesztés)

• anyaion-leányion

• „metastabil” ionok

• megjelenési potenciál

• ionkinetikus energia spektrum

49

Kettős fókuszálású Nier-Johnson MS

50

Kettős fókuszálású Matthau-Herzog MS

51

• GC-MS

• LC-MS készülékek felépítése,

a módszerek előnyei,

analitikai alkalmazásaik

52

Atmospheric pressure ionisation interface

Ion transfer

Q-array

octopole

Quadrupole ion trapCompressed ion introductionArgon used as the ion cooling gasESI source

LCMS-IT-TOF

53

54

GC-MS-DS

66

Ionforrás Analizátor

Vákuum rendszer

Detektor

MS

DSGC

55

• „Könyvtárkeresés” előnyei, korlátai

• tömegkromatográfia

56

57

58

59

60

61

62

63

64

5

65

6

66

7

67

8

68

9

69

10

70

11

71

12

72

13

73

14

74

15

75

16

76

17

77

18

78

19

79

20

80

21

81

22

82

23

83

24

84

27