SPEKTROMETRIA MAS - Instytut Chemii Organicznej PAN

SPEKTROMETRIA MAS - Instytut Chemii Organicznej PAN

11/9/2015
ZAAWANSOWANE METODY
USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW
ORGANICZNYCH
Witold Danikiewicz
Instytut Chemii Organicznej PAN
ul. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa
Listopad 2015 – styczeń 2016
SPEKTROMETRIA MAS
Abundance
#229209: Cholest-5-en-3-ol (3.beta.)- (CAS) $$ Lanol $$ Dyth
386
9500
9000
8500
8000
7500
7000
HO
6500
6000
5500
5000
43
368
4500
275
81
4000
107
3500
145
301
3000
2500
161
213
255
2000
231
1500
123
1000
178
326
500
65
0
40
60
197
342
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
m/z-->
2
1
11/9/2015
CO TO JEST SPEKTROMETRIA MAS ?
Spektrometria mas jest metodą analityczną, której podstawą jest
pomiar stosunku masy do ładunku (m/z) jonów w fazie gazowej.
DO CZEGO SŁUŻY SPEKTROMETRIA MAS ?
Pomiar mas atomowych pierwiastków i mas cząsteczkowych
związków chemicznych.
Wykrywanie obecności i oznaczanie zawartości ilościowej
określonych pierwiastków chemicznych w badanych próbkach.
Wykrywanie obecności i oznaczanie zawartości ilościowej
określonych związków chemicznych w badanych próbkach.
Ustalanie budowy cząsteczek związków chemicznych.
Wykrywanie i identyfikacja „on line” substancji rozdzielanych
za pomocą technik chromatograficznych.
Badania składu i obrazowanie powierzchni ciał stałych, np.
urządzeń półprzewodnikowych.
3
DLACZEGO JONY?
W jaki sposób można rozdzielić dwie cząstki o masach m1 i m2?
Jedyną siłą, która oddziałuje na cząstki obojętne jest grawitacja. Niestety, jest
to bardzo słaba siła, a ponadto nie potrafimy wytwarzać pól grawitacyjnych...
F =G
m1m2
r2
G = 6.674×10−11 N m2 kg−2
W przypadku jonów mamy znacznie więcej możliwości.
Możemy przyspieszyć jony za pomocą pola elektrycznego: eV =
mv 2
2eV
⇒v=
m
2
Następnie możemy wyznaczać ich stosunek masy do ładunku, wykorzystując pole
magnetyczne, mierząc czas przelotu przez analizator lub na wiele innych sposobów.
Magnes
wiązka jonów
V
droga wiązki jonów = l
r
t=
V
r=
m 2V
⋅
z eB 2
l
=
v
l
l
=
⋅ m
2eV
2eV
m
4
2
11/9/2015
Widmo EI kwasu octowego
Jony fragmentacyjne
43
100
45
Intensywność względna
O
H3 C
C
O
Jon
molekularny
H
60
M = 60
50
15
29
18
0
5
10
15
31
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
m/z
5
Widmo EI cholesterolu
Abundance
#229209: Cholest-5-en-3-ol (3.beta.)- (CAS) $$ Lanol $$ Dyth
386
9500
9000
H3C
8500
CH3
8000
CH3
CH3
H
H3C
7500
H
7000
HO
6500
H
HO
6000
5500
5000
43
368
4500
275
81
4000
107
3500
145
301
3000
2500
161
213
2000
123
1000
178
326
500
65
0
40
m/z-->
255
231
1500
60
197
342
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
6
3
11/9/2015
Dwa sposoby prezentacji widm masowych
208.2
208.2
raw data
14
12
centroid
14
12
207.2
199.2
199.2
10
8
Intens ity (% age)
Intens ity (% age)
10
194.2
209.2
198.2
6
201.2
200.2
193.1
209.2
6
190.2
191.2
206.1
202.2
205.1
215.2
213.1
214.1
204.2
212.2
4
216.1
203.2
2
201.2
192.2
212.2
195.2
196.2
197.1
194.2
210.1
211.2
192.2
4
8
216.1
203.2
217.2
218.1
219.2
0
217.2
2
0
190
195
200
205
Low Resolution M/z
210
215
220
195
widmo nieprzetworzone
(raw data spectrum)
200
205
Low Resolution M/z
210
215
220
widmo po procedurze
centroidowania
(centroid spectrum)
7
Dokładne masy atomowe i składy izotopowe
najlżejszych pierwiastków
H, 2
1.00782504,
2.01410179,
He, 2
3.01602930,
4.00260325,
14.00307401,
15.00010898,
99.635
0.365
O, 3
0.00013
99.99987
Li, 2
6.01512320,
7.01600450,
Al, 1
N, 2
99.985
0.015
7.52
92.48
15.99491464,
16.99913060,
17.99915939,
F, 1
Ne, 3
9.01218250, 100.0
19.99243910,
20.99384530,
21.99138370,
10.01293800, 18.98
11.00930530, 81.02
C, 2
12.00000000, 98.892
13.00335484, 1.108
90.92
0.257
8.82
Na, 1
27.97692840,
28.97649640,
29.97377170,
92.18
4.71
3.12
P, 1
S, 4
31.97207180,
32.97145910,
33.96786774,
35.96707900,
95.018
0.750
4.215
0.107
Cl, 2
22.98976970, 100.0
Mg, 3
23.98504500,
24.98583920,
25.98259540,
Si, 3
30.97376340, 100.0
18.99840325, 100.0
Be, 1
B, 2
99.759
0.037
0.204
26.98154130, 100.0
78.60
10.11
11.29
34.96885273,
36.96590262,
75.4
24.6
8
4
11/9/2015
Profile izotopowe jonów w funkcji ich masy
C3H7NO2
C6H12N2O3
89
89.05
89.09
160
160.09
160.17
Masa nominalna
C15H33N5O9
427
427.23
427.43
C30H68N10O19
872
872.47
89.93
Masa monoizotopowa
C60H138N20O39
1762
1762.94
1763.87
C150H348N50O99
4432
4434.37
4436.69
Masa średnia
9
Masa cząsteczkowa związku cynoorganicznego
Izotopy cyny
(jest ich 10)
Masa
atomowa
(nominalna)
112
114
115
116
117
118
119
120
122
124
Zawartość
procentowa
1.0
0.7
0.3
14.2
7.6
24.0
8.6
33.0
4.7
6.0
Sn
M = 236
M+•
10
5
11/9/2015
Schemat blokowy spektrometru mas
Analizator
masy
Detektor
Źródło jonów
Komputer
Układ
wprowadzania
próbki
Rejestracja i
przetwarzanie
wyników
11
Do czego jest nam potrzebna wysoka próżnia?
Średnia droga
swobodna
cząstki w gazie:
L[ mm ] ≅
0.05
P[ mmHg ]
P [mmHg]
L
760
1
0.1
1·10-2
1·10-3
1·10-4
1·10-5
1·10-6
1·10-7
0.00065 mm
0.05 mm
0.5 mm
5 mm
5 cm
50 cm
5m
50 m
500 m
12
6
11/9/2015
Z jakimi próbkami mamy do czynienia?
M
M
M
M
M
GAZ
M
M
M
M
M
M
M M M M M M M M
M M M MM M MM M
M M M M M M M M
M
M
MM MM M M M M
M
M M
M M M M
CIECZ
CZYSTA
CIECZ
M
M
M
M
M
M
M
M
A+
M
B-
M
M
BA+
A+
B-
+
B- A B-
M
ROZTWÓR ZWIĄZKU
NIEDYSOCJUJĄCEGO
M M M M M M M M
M M M M M M M
M M M M M M M M
M M M M M M M
M M M M M M M M
CIAŁO
STAŁE
M
A+ BB- A+
A+
B- A+
ROZTWÓR ZWIĄZKU
O BUDOWIE JONOWEJ
A+ B- A+ B- A+ B- A+ BB- A+ B- A+ B- A+ B- A+
A+ B- A+ B- A+ B- A+ BB- A+ B- A+ B- A+ B- A+
KRYSZTAŁ
MOLEKULARNY
KRYSZTAŁ
JONOWY
13
W jaki sposób wytwarzamy jony
w fazie gazowej?
Gaz pod
ciśnieniem
atmosferycznym
jonizacja
Jony pod
ciśnieniem
atmosferycznym
transfer jonów
odparowanie
odparowanie
Lotna ciecz
Lotne ciało stałe
Gaz pod bardzo
niskim ciśnieniem
odparowanie
Nielotna ciecz
odparowanie
i jonizacja
rozpuszcz.
Nielotne ciało
stałe o budowie
molekularnej
Nielotne,
jonowe ciało
stałe
jonizacja
rozpuszcz.
rozpuszcz.
Roztwór związku
niedysocjującego
Roztwór związku
dysocjującego
odparowanie
i transfer
jonów
Jony w
wysokiej
próżni
transfer
jonów
odparowanie
i jonizacja
odparowanie
i transfer
jonów
Jony pod
ciśnieniem
atmosferycznym
14
7
11/9/2015
Typy jonów w fazie gazowej
Jony parzystoelektronowe: dodatnie i ujemne
(„normalne” kationy i aniony)
Typowe jony parzystoelektronowe:
[M + H]+, [M + Met]+ (Met = kation metalu), M1+
[M – H]-, [M + A]- (A = anion), M1-
Jony nieparzystoelektronowe: kationorodniki i anionorodniki
M
energia
M+· + e-
M -·
M + e-
Jony parzystoelektronowe są zazwyczaj stabilniejsze od jonów
nieparzystoelektronowych, ale są liczne wyjątki od tej reguły.
15
Energia jonów w fazie gazowej
W warunkach wysokiej próżni jony mogą pozbyć się nadmiaru energii
wyłącznie na drodze fragmentacji. Kontrolując energię jonów możemy
kontrolować stopień ich fragmentacji.
Niska energia jonizacji lub transfer jonów z
fazy skondensowanej do gazowej ⇒ wąski
zakres energii jonów (np. CI, ESI)
Wysoka energia jonizacji ⇒
szeroki zakres energii (np. EI)
P(E)
P(E)
[M + H]+
Fragmentacja w
źródle jonów
Fragmentacja w
źródle jonów
M+•
EF
E
EF
E
E – energia jonów
EF – energia fragmentacji
P(E) – populacja jonów jako funkcja energii
16
8
11/9/2015
Widma FI, CI(NH3) i EI kaprylanu butylu
O
M+•
FI
O
bardzo niska
energia
M = 200
CI
[M+H]+
niska
energia
EI
Brak jonu molekularnego
wysoka
energia
17
Metody jonizacji stosowane w
spektrometrii mas
18
9
11/9/2015
Metody jonizacji
Jonizacja w wysokiej próżni:
Jonizacja elektronowa (Electron Ionization; EI)
Jonizacja polem (Field Ionization; FI)
Jonizacja w warunkach średniej próżni:
Jonizacja chemiczna (Chemical Ionization; CI)
Jonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym:
Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (Atmospheric Pressure
Chemical Ionization; APCI)
Fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (Atmospheric Pressure
Photoionization; APPI)
Transfer jonów z roztworu do fazy gazowej:
Elektrosprej, elektrorozpylanie (Electrospray Ionization; ESI)
Metody desorpcyjne:
Desorpcja polem (Field Desorption; FD)
Desorpcja laserowa wspomagana matrycą (Matrix-Assisted Laser Desorption
Ionization; MALDI)
Bombardowanie szybkimi atomami (Fast Atom Bombardment; FAB) i
Spektrometria jonów wtórnych z użyciem ciekłej matrycy (Liquid Matrix
Secondary Ion Mass Spectrometry; LSIMS)
Spektrometria jonów wtórnych (Secondary Ion Mass Spectrometry; SIMS)
Elektrosprej desorpcyjny (Desorption Electrospray; DESI)
Bezpośrednia analiza w czasie rzeczywistym (Direct Analysis in Real Time;
DART)
19
JONIZACJA ELEKTRONOWA
(EI)
20
10
11/9/2015
Jonizacja elektronowa (EI)
e-
M
M+• + e-
W wyniku oddziaływania elektronów o energii ok. 70 eV z
cząsteczką następuje oderwanie elektronu i utworzenie
kationorodnika. Powstający kationorodnik ma stosunkowo
wysoką energię i może ulegać rozpadowi, którego stopień zależy
od budowy cząsteczki.
Jonizacja elektronowa odbywa się w warunkach wysokiej próżni,
w związku z czym można ją zastosować tylko do substancji o
wystarczająco wysokiej lotności (próbkę należy najpierw
odparować).
21
Jonizacja elektronowa (EI)
MM
+• e+
magnes
e-
12-70 eV
katoda
-
N
miejsce wprowadzania
próbki (prostopadle do
płaszczyzny rysunku)
elektroda
odpychająca
+
soczewki
ogniskujące
szczelina wejściowa
wiązka jonów
(do analizatora)
E = zeUA
S
obudowa
magnes
komory
jonizacyjnej
(UA = 8000 V)
elektroda
przyspieszająca
(U = 0 V)
Czas przebywania próbki w
źródle jonów: ok. 10-6 s
22
11
11/9/2015
Źródło jonów EI spektrometru Autospec
23
Sonda do wprowadzania bezpośredniego
24
12
11/9/2015
Widmo EI cholesterolu
Abundance
#229209: Cholest-5-en-3-ol (3.beta.)- (CAS) $$ Lanol $$ Dyth
386
9500
M+•
9000
8500
H3C
8000
CH3
CH3
7500
CH3
7000
H
H3C
HO
6500
H
6000
H
HO
5500
5000
43
368
4500
275
81
4000
107
3500
145
301
3000
2500
161
213
2000
255
231
1500
123
1000
178
326
500
197
65
0
40
60
342
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
25
m/z-->
Jonizacja elektronowa (EI)
Cechy charakterystyczne jonizacji elektronowej
M
e12-70 eV
M+• + e-
Metoda: oderwanie elektronu od obojętnej cząsteczki
Źródło energii: wiązka elektronów (12 – 70 eV)
Energia jonów: wysoka, o szerokim rozrzucie
Jon molekularny: M+• ; często nieobecny lub słaby
Jony fragmentacyjne: liczne, intensywne
Zastosowania: lotne związki organiczne
26
13
11/9/2015
JONIZACJA CHEMICZNA
(CI)
27
Źródło jonów do EI i CI
doprowadzenie gazu
reagującego
magnes
katoda
-
N
miejsce wprowadzania
próbki (prostopadle do
płaszczyzny rysunku)
elektroda
odpychająca
soczewki
ogniskujące
+
szczelina wejściowa
wiązka jonów
(do analizatora)
E = zeUA
S
obudowa
magnes
komory
jonizacyjnej
(UA = 8000 V)
elektroda
przyspieszająca
(U = 0 V)
Czas przebywania próbki w
źródle jonów: ok. 10-6 s
28
14
11/9/2015
Jonizacja chemiczna z wykorzystaniem metanu
CH4
CH4+•
Ułamek
molowy
I
I
CH4+•
CH5+
C2H5+
∑
e-
CH4+• + e-
EI – niskie
ciśnienie
CH3+ + H•
CH4+• + CH4
CH5+ + CH3•
CH3+ + CH4
C2H5+ + H2
CH4+ •
CI – wysokie
ciśnienie
CH5+
C2H5+
CH3+
Ciśnienie P
P = 10-5 Torr
P = 1 Torr
C3H5+
29
Reakcje tworzenia kationów w źródle CI
Wymiana protonu
M + XH+ → MH+ + X
Wymiana ładunku
M + X+• → M+• + X
Addycja elektrofilowa
M + X+ → MX+
Oderwanie anionu
AB + X+ → A+ + BX
Utworzone w ten sposób kationy mogą ulegać dalszym reakcjom.
30
15
11/9/2015
Powinowactwo do protonu cząsteczek obojętnych
B + H+ → BH+
PA(B) = −∆H
Zasada sprzężona (B)
Kation (BH+)
PA(B) [kJ/mol]
H2
H3+
423
CH4
CH5+
536
C2H6
C2H7+
585
O+
H2O
H3
712
CH3OH
CH3OH2
CH3CN
CH3CNH+
(CH3)2C=CH2
(CH3)3
NH3
NH4+
CH3NH2
CH3NH3+
NH2(CH2)2NH2
NH2(CH2)2NH3
Zdolność do
protonowania
762
+
782
C+
810
847
884
+
936
31
Wykorzystanie wartości powinowactwa do protonu
Porównanie jonizacji chemicznej octanu
etylu z wykorzystaniem CH4 i NH3
CH3COOEt + CH5+ → [CH3COOEt + H+]+ + CH4 ∆Hr = ?
CH4 + H+ → CH5+ ∆H1 = -PA(CH4) = -536 kJ/mol
Zasada
sprzężona (B)
CH3COOEt + H+ → [CH3COOEt + H+]+ ∆H2 = - PA(EtOAc) = -836 kJ/mol
H2
423
CH4
536
C2H6
585
H2O
712
∆Hr = ∆H2 – ∆H1 = PA(CH4) – PA(EtOAc) = -300 kJ/mol
CH3COOEt +
NH4+
→ [CH3COOEt +
H+]+
+ NH3 ∆Hr = ?
NH3 + H+ →NH4+ ∆H1 = -PA(NH3) = -847 kJ/mol
CH3COOEt +
H+
→ [CH3COOEt +
H+]+
∆H2 = - PA(EtOAc) = -836 kJ/mol
∆Hr = ∆H2 – ∆H1 = PA(NH3) – PA(EtOAc) = 11 kJ/mol
Średnia energia dysocjacji wiązania: C–CO 354 kJ/mol,
O–CO 420 kJ/mol, C–Br 302 kJ/mol, C–I 241 kJ/mol
PA(B)
[kJ/mol]
CH3OH
762
CH3CN
782
(CH3)2C=CH2
810
NH3
847
CH3NH2
884
NH2(CH2)2NH2
936
32
16
11/9/2015
Zależność stopnia fragmentacji od rodzaju reagenta w CI
HO
N
O
CH3
M = 241
Zasada
sprzężona (B)
PA(B)
[kJ/mol]
H2
423
CH4
536
C2H6
585
H2O
712
CH3OH
762
CH3CN
782
(CH3)2C=CH2
810
NH3
847
CH3NH2
884
NH2(CH2)2NH2
936
33
Widma EI i CI n-dekanolu (M = 158 Da)
[M – OH]+
EI
C10H21+
[M – H]+
[M – H]+
CI (CH4)
CI (i-C4H10)
[C9H19–CH=OH]+
34
17
11/9/2015
Powstawanie jonów o m/z 141 i 157
w widmie CI n-dekanolu
Powstawanie jonu o m/z 141
C9H19–CH2–OH + CH5+ → C9H19–CH2–OH2+ + CH4
C9H19–CH2–OH2+ → C9H19–CH2+ + H2O
Powstawanie jonu o m/z 157
C9H19–CH2–OH + CH5+ → C9H19–CH=OH+ + CH4 + H2
35
Widma CI (H3+) nitroanilin
36
18
11/9/2015
Mechanizmy tworzenia anionów
w warunkach CI
A. WYCHWYT ELEKTRONU
Asocjacyjny wychwyt elektronu
AB + e- → AB-•
Dysocjacyjny wychwyt elektronu
AB + e- → A- + B•
Tworzenie par jonowych
AB + e- → A- + B+ + e-
B. REAKCJE JONOWO-CZĄSTECZKOWE
Przeniesienie protonu
MH + X- → M- + HX
Wymiana ładunku
M + X- → M- + X
Addycja nukleofilowa
M + X- → MX-
Podstawienie nukleofilowe
AB + X- → BX + A-
37
Widma PCI (CH5+) i NCI (OH-) fenyloalaniny
NCI
PCI
38
19
11/9/2015
Jonizacja chemiczna (CI)
Cechy charakterystyczne jonizacji chemicznej
M + XH+
M + X-
[M + H]+ + X
(typowe reakcje)
[M - H]- + XH
Metoda: addycja lub oderwanie prostych jonów (najczęściej protonu)
Źródło energii: wiązka elektronów (70 – 150 eV) - tworzenie jonów pierwotnych
Energia jonów: niska do umiarkowanej
Jon molekularny: najczęściej cząsteczka protonowana lub deprotonowana; wysoka
intensywność
Jony fragmentacyjne: zazwyczaj o niskiej lub średniej intensywności
Zastosowania: lotne związki organiczne o średniej i wysokiej polarności
39
ELEKTROSPREJ
(ELEKTROROZPYLANIE)
(ESI)
40
20
11/9/2015
Elektrosprej (ESI) –
– metoda transferu jonów z roztworu do fazy gazowej
John B. Fenn (1917 – 2010)
Otrzymał Nagrodę Nobla w 2002 r.
(z K. Tanaką) za zastosowanie ESI
do jonizacji makrocząsteczek
Schemat źródła
jonów ESI J. Fenna
Źródło jonów ESI
(Mariner, AB Sciex).
M. Mann, S. Shen i J. B. Fenn „Electrospray Mass
Spectrometry” in: Mass Spectrometry in the
Biological Sciences: A Tutorial, Ed. M. L. Gross,
Kluver Academic Publishers, Dordrecht 1992.
41
Źródło jonów ESI Turbo-V firmy SCIEX
42
21
11/9/2015
Elektrosprej (ESI)
Etap 1: tworzenie naładowanych kropli
kapilara
roztwór próbki
w polarnym
rozpuszczalniku
gaz rozpylający
Etap 2: odparowanie rozpuszczalnika i rozpad
kropli (powtarza się wielokrotnie)
+ +– + +
+ –– – +
– +
+–
–
+ –– – –– +
++ +
++
odparowanie
rozpuszczalnika
+++
+ –– –– +
+ –– – +
+++
+++
+ –– –– +
+–– – +
+++
+ +
+ –– – +
+–– –– +
+ ++
(średnica kropli
ok. 10 nm)
+
+––––+
+
+
+––––+
+
+
desorpcja jonu w wyniku
działania pola elektrycznego
+–
+–– –+
+
Etap 3B: odparowanie i rozpad kropli
prowadzący do powstanie wielokrotnie
naładowanych, solwatowanych jonów
(działa dla dużych, polarnych cząsteczek)
Etap 3A: emisja jonu z naładowanej kropli pod
wpływem pola elektrycznego (działa dla małych
cząsteczek)
+++
+ –– –– +
+–– – +
+ ++
"Rozpad
kulombowski"
++
++
dalsze odparowywanie rozpuszczalnika i podziały kropli
jon naładowany
wielokrotnie
(średnica kropli
ok. 10 nm)
++
–+
+ –– –+
++
43
Widma EI i ESI nadkaprylanu metylu
100
90
57
EI 70 eV
41
80
[M – O2CH3 ]+
43
60
O
O
127
55
O
50
CH3
M = 174
40
30
60
74
20
69
83
10
87 97
105
115
0
40
60
80
100
M/z
120
140
160
180
200
197.1
100
M+Na+
90
ESI w MeOH
80
% Intensity
% Intensity
70
70
M+H+
60
175.1
50
2M+Na+
40
371.2
30
20
10
0
150
192.2
213.1
166.1
200
279.2
250
M ass (m/z)
301.2
300
339.2
350
400
44
22
11/9/2015
Widma ESI w trybie jonów dodatnich i ujemnych pochodnej
binaftylu o masie 344 Da, zawierającej grupy OH i COOH
Spec #1[BP = 201.0, 724]
? 201.0
100
90
COOH
724
ESI (+)
?
80
(OH) m
225.2
70
% Intensity
60
50
(OH) n
F
279.1
F
149.0
40
? F
?
301.1
30
239.2
205.1
Spec #1[BP = 343.1, 2675]
367.1
[2M + Na+]+
20
10
0
100
155.1
241.2
240
391.3
485.8
380
520
712.2
579.3
660
2675
[M – H+]–
90
711.2
F
343.1
100
ESI (-)
80
0
800
70
Mass (m/z)
% Intensity
60
50
40
30
344.1
20
10
187.0
0
100
240
345.1
380
520
660
0
800
Mass (m/z)
45
Widmo ESI peptydu o masie 16952 Da
16952.20
Widmo po
dekonwolucji
46
23
11/9/2015
Elektrosprej (ESI)
Cechy charakterystyczne metody elektrosprej
Metoda: transfer jonów z fazy ciekłej do gazowej pod
ciśnieniem atmosferycznym
Źródło energii: wysokie napięcie wymagane do nadania
kroplom ładunku elektrycznego
Energia jonów: niska
Jon molekularny: [M + nH]n+, [M - nH]n- , [M + Na]+;
wysoka intensywność
Jony fragmentacyjne: o niskiej intensywności
Zastosowania: nielotne, polarne związki organiczne i
kompleksy z ich udziałem w roztworze
47
JONIZACJA CHEMICZNA POD
CIŚNIENIEM ATMOSFERYCZNYM
(APCI)
FOTOJONIZACJA POD CIŚNIENIEM
ATMOSFERYCZNYM
(APPI)
48
24
11/9/2015
Jonizacja chemiczna pod ciśnieniem
atmosferycznym (APCI)
M + XH+
M+
[M + H]+ + X
X-
(typowe reakcje)
[M - H]- + XH
Metoda: addycja lub oderwanie prostych jonów (najczęściej protonu)
Źródło energii: wyładowanie koronowe (tworzenie jonów pierwotnych)
Energia jonów: niska do umiarkowanej
Jon molekularny: najczęściej cząsteczka protonowana lub deprotonowana; wysoka intensywność
Jony fragmentacyjne: zazwyczaj o niskiej lub średniej intensywności
Zastosowania: nielotne związki organiczne w roztworze w polarnym rozpuszczalniku
49
Analiza digoksyny
Widmo APCI(-) digoksyny w układzie
MeOH-CHCl3.
Jon pseudomolekularny [M + Cl]ulega fragmentacji tracąc kolejne
reszty cukrowe i zachowując jon Cl-.
O
Molecular Weight = 780.9588
Exact Mass = 780.4296
Molecular Formula = C41H64O14
O
OH
CH3
CH3
CH3
O
CH3
O
CH3
O
OH
O
OH
685.6
2.2e6
OH
519.3 + 1 + 35 = 555.3
HO
Max. 2.6e6 cps.
815.6
2.6e6
2.4e6
O
389.2 + 1 + 35 = 425.2
O
-Q1: 14.074 to 15.247 minfrom CH3ClDigoxin.wiff
2.0e6
1.8e6
1.6e6
OH
649.4 + 1 + 35 = 685.4
780.4 + 35 = 815.4
555.2
1.4e6
817.6
1.2e6
687.6
425.2
1.0e6
8.0e5
557.6
6.0e5
427.5
4.0e5
2.0e5
211.3
295.6
0.0
200
250
300
50
389.6
350
407.7
400
519.6 537.7
450
500
550
600
m/z, amu
649.8 667.7
650
700
779.9 797.8
750
800
850
900
25
11/9/2015
Fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (APPI)
M
M+
hν
~10 eV
XH+
M + X-
M+• + e[M + H]+ + X
[M - H]- + XH
Metoda: oderwanie elektronu; addycja lub oderwanie prostego jonu
(najczęściej protonu)
Źródło energii: światło UV (tworzenie jonów pierwotnych)
Energia jonów: niska do umiarkowanej
Jon molekularny: M+•, [M+H]+ lub [M-H]- ; wysoka intensywność
Jony fragmentacyjne: zazwyczaj o niskiej intensywności
Zastosowania: nielotne związki organiczne w roztworze
51
DESORPCJA LASEROWA
WSPOMAGANA MATRYCĄ
(MALDI)
52
26
11/9/2015
Desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI)
Otrzymał Nagrodę
Nobla w roku 2002
(z J. B. Fennem) za
zastosowanie MALDI do
jonizacji makromolekuł
(praca opublikowana w
roku 1987)
Franz
Hillenkamp
(1936 - 2014)
Michael Karas
(ur. 1952)
Koichi Tanaka
(ur. 1959)
Twórcy MALDI
(w roku 1985)
53
Desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI)
Mechanizm
odparowania/jonizacji MALDI
M + XH+
M+X
[M + H]+ + X
[M - H]- + XH+
Metoda: addycja lub oderwanie protonu
(wspomagane matrycą)
Źródło energii: wysokoenergetyczny, krótki
impuls laserowy (UV lub IR)
Energia jonów: niska do średniej
Jon molekularny: [M+H]+ lub [M-H]- ; wysoka
intensywność
Jony fragmentacyjne: zazwyczaj słabe lub brak
Zastosowania: nielotne związki organiczne o
wysokich masach cząsteczkowych
54
27
11/9/2015
Desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI)
płytka na
próbki
MALDI
COOH
COOH
H3CO
OH
HO
HO
OCH3
2,5-Dihydroxybenzoic acid E-3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamic
acid (SA, Sinapinic acid)
(DHB, Gentisic acid)
COOH
COOH
H3CO
Nicotinic acid (NA)
COOH
COOH
HO
widmo MALDI
białka
N
HO
E-3-methoxy-4-hydroxycinnamic
acid (FA, Ferulic acid)
HO
N
CN
4-Hydroxy-α-cyanocinnamic
acid (4HCCA)
3-Hydroxypicolinic
acid (HPA or 3HPA)
Wybrane
matryce
stosowane w
MALDI
55
JONIZACJA POLEM (FI)
DESORPCJA POLEM (FD)
56
28
11/9/2015
Jonizacja polem (FI) i desorpcja polem (FD)
Źródło jonów do
jonizacji polem (FI) i
desorpcji polem (FD)
Powiększenie
aktywowanego
emitera do FI/FD
57
Emiter FD z kroplą roztworu próbki
58
29
11/9/2015
Źródło jonów do jonizacji polem (FI)
Spektrometr GCT™ firmy
Micromass®
59
Widma FI, CI(NH3) i EI kaprylanu butylu
O
M+•
O
FI
bardzo niska
energia
M = 200
[M+H]+
CI
niska
energia
Brak jonu molekularnego
EI
wysoka
energia
60
30
11/9/2015
Widmo FD katalizatora metatezy
R003301; R. Gawin
rg389 660 (15.300) Sm (Mn, 1x1.00); Cm (586:675)
TOF MS FD+
644
620.1460
100
R003301; R. Gawin
rg389 660 (15.300) Sm (Mn, 1x1.00); Cm (586:675)
TOF MS FD+
644
620.1460
100
622.1425
619.1439
%
622.1425
621.1386
618.1424
617.1417
623.1367
619.1439
624.1422
614.1447 616.1419
615.1429
625.1379
0
%
rg389 (0.023) Cu (0.10); Is (1.00,0.10) C31H35ClN2O3Ru
TOF MS FD+
2.33e12
620.1412
100
618.1424
622.1412
619.1412
%
617.1417
621.1412
623.1367
618.1412
617.1412
624.1422
623.1412
624.1412
614.1412
616.1412
615.1412
614.1447
0
625.1379
612
614
616
625.1412
618
620
622
624
626
628
m/z
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
m/z
61
polarność
Zakresy stosowalności różnych technik
jonizacji w spektrometrii mas
ESI
APPI
CI
APCI,
FD
MALDI
EI, FI
10
100
1000
10 000
100 000
1 000 000
masa cząsteczkowa
31
11/9/2015
Podsumowanie
Współczesne metody jonizacji umożliwiają:
uzyskanie stabilnych jonów molekularnych dla praktycznie
dowolnych związków organicznych;
precyzyjną kontrolę energii jonów;
bezpośrednie połączenie chromatografu gazowego lub
cieczowego ze spektrometrem mas;
bezpośrednią i nieniszczącą analizę związków znajdujących
się na powierzchni różnych obiektów;
wykonanie obrazowania powierzchni próbek organicznych,
nieorganicznych i biologicznych.
63
Analizatory masy jonów
stosowane w spektrometrii mas
64
32
11/9/2015
Analizatory masy jonów stosowane w
spektrometrii mas
Analizator magnetyczny (Magnetic analyzer ; B)
Analizator elektrostatyczny (Electric analyzer; E)
Analizator kwadrupolowy (Quadrupole analyzer; Q)
Kwadrupolowa pułapka jonowa (Ion Trap; Quadrupole Ion
Trap; IT lub QIT)
Analizator czasu przelotu (Time-of-Flight analyzer; TOF)
Jonowy rezonans cyklotronowy (Ion Cyclotron Resonance;
ICR)
Orbitrap™
Układy tandemowe i hybrydowe (szeregowe połączenie
dwóch lub większej liczby jednakowych lub różnych
analizatorów masy).
65
Analizator magnetyczny
Elektromagnes
r
Źródło
jonów
Detektor
V
r =
m 2V
⋅
z eB 2
M = 4.83 ⋅ 10 3 ⋅
B 2r 2
V
Przykład: B = 1,7 T, r = 60 cm, V = 8000 V
Mmax = 6000 Da (dla jonów o ładunku jednostkowym)
W analizatorze magnetycznym
promień toru jonu zależy
zarówno od jego masy
(ściślej: m/z), jak i energii.
66
33
11/9/2015
Spektrometr o podwójnym ogniskowaniu i
geometrii BE
Analizator
magnetyczny
. ... ..
.
Szczelina pośrednia
.. ..
...
Analizator
elektryczny
Komory zderzeń
Szczelina wyjściowa
Szczelina wejściowa
Źródło jonów
Powielacz elektronów
67
Waters Micromass Autospec Premier + HP 7890
68
34
11/9/2015
Analizator kwadrupolowy
Detektor
Pręty
kwadrupola
RF voltage
supply
DC voltage
supply
Źródło
jonów
69
Spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym
Analizator
kwadrupolowy
Źródło jonów EI
do pompy próżniowej
do pompy próżniowej
Zestaw GC/MS:
Agilent 7890A & 5975C
Detektor
sygnał do
wzmacniacza
70
35
11/9/2015
Spektrometr mas MALDI – TOF
(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization – Time Of Flight)
Zależność czasu przelotu
od masy jonu
Laser
eV =
wiązka laserowa
t=
wiązka jonów
V
droga wiązki jonów = l
Detektor
l
=
v
mv 2
2eV
⇒v=
m
2
l
l
=
⋅ m
2eV
2eV
m
m=
2eV 2
⋅t
l2
Symbole:
m – masa jonu (kg)
e – ładunek elementarny (C)
V – napięcie przyspieszające (V)
v – prędkość liniowa jonu (m/s)
t – czas przelotu jonu (s)
l – droga wiązki jonów (m) 71
Próbka na płytce
stalowej
Spektrometr czasu przelotu (TOF) z reflektorem
jonów
źródło jonów
elementy ogniskujące
reflektor jonów
detektor
72
36
11/9/2015
Spektrometr mas typu potrójny
kwadrupol (API 3000)
Kwadrupolowa komora zderzeń
Analizatory kwadrupolowe
73
Spektrometr mas typu Q-TOF
tryb MS
tryb MS/MS
74
37
11/9/2015
Spektrometr mas typu Q-TOF: Synapt G2-S HDMS
75
38