Iontové zdroje II. Iontový zdroj. Data. Vzorek. Hmotnostní analyzátor. Zdroj vakua. Iontové zdroje pracující za sníženého tlaku

Transkript

1 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Iontové zdroje II. Iontové zdroje pracující za sníženého tlaku Elektronová/chemická ionizace Iontové zdroje pro spojení s planárními separacemi Ionizace za spoluúčasti matrice Ambientní ionizační techniky Další typy iontových zdrojů Indukčně vázaná plasma Iontový zdroj MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Vzorek Data Iontový zdroj Hmotnostní analyzátor Detektor Zdroj vakua

2 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Iontové zdroje pracující za sníženého tlaku EI, CI, PBI MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová a chemická ionizace, EI a CI vlákno EI zdroje (filament) V EI módu molekuly interagují s elektrony (energie 70 ev) emitovanými ze žhaveného wolframového vlákna. Vznikají radikál-kationty (M + ), přebytek energie vede k jejich rozsáhlé fragmentaci. V CI módu je do ionového zdroje zaváděn reakční plyn, který interaguje s elektrony emitovanými z filamentu. Vzniká reaktivní plasma, která ionizuje analyt přenosem protonu ([M+H] + ). Fragmentace je silně potlačena.

3 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová a chemická ionizace, EI a CI EI: M + e - -> M + + 2e - Ionizační energie IE: minimální množství energie, které musí být absorbováno neutrální molekulou aby došlo k ionizaci odstraněním elektronu. IE pro většinu molekul je v rozmezí 7-15 ev. Nejvyšší účinnost ionizace je kolem 70 ev. CI: M + [BH] + -> [M+H] + + B Protonová afinita PA: změna enthalpie spojená s protonizací (PA = - H r0 ). Protonizace (chemická ionizace) proběhne pouze pokud je reakce exotermní. Používané reakční plyny: methan, isobutan, amoniak. CH 4 CI: chemická ionizace s methanem tvorba reaktivních částic (např. CH 5+ ) CH 4 + e - -> CH + 4, CH + 3, CH + 2, CH +, C +, H + 2, H + CH CH 4 -> CH CH 3 Spektra EI a CI MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 EI methionin CI

4 Knihovny EI spekter MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library Wiley Registry of Mass Spectral Data EI spekter (70 ev) MS/MS spekter, retenční indexy látek strukturní vzorce spectra EI spekter (70 ev) strukturní vzorce MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová & chemická ionizace EI/CI iontový zdroj VG ZAB EQ

5 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová & chemická ionizace EI/CI iontový zdroj Agilent - MSD MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová a chemická ionizace, EI, CI EI/CI je zdroj používaný pro GC/MS. Klasický způsob ionizace v organické MS. poskytuje spektra, která jsou informačně obsažná, lze je interpretovat, prohledávat v databázích, dobrá kompatibilita s analyty vhodnými pro GC, vysoká citlivost, univerzální detekce EI někdy nelze určit ze spektra molekulovou hmotnost, CI vyžaduje optimalizaci (výběr reakčního plynu a jeho tlaku) Využití: pro všechny analyty, které lze analyzovat pomocí GC

6 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová a chemická ionizace, aplikace Př. identifikace organických látek v dechu kuřáka a nekuřáka metodou GC/Q-MS SPME 15 min, GC/MS, identifikace dle spekter, porovnání s knihovnou Nekuřák: ethanol, acetone, isoprene, carbon disulfide, 2- and 3-methylpentane, benzene, methylcyclopentane, hexane, toluene Kuřák- látky navíc: acetonitrile, furan, 3-methylfuran, 2,5-dimethylfuran, 2-butanone, octane, decane DOI /bmc.1141 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Elektronová a chemická ionizace, aplikace Př. Stanovení polycyklických aromatických uhlovodíků v odpadních vodách metodou GC/QqQMS/MS; SPE LODs < 0.1g/L Chromatogram směsi standardů DOI /j.aca

7 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Studená elektronová ionizace Elektronová ionizace molekul, které jsou vibračně ochlazené supersonickou expanzí nosného plynu do vakua. Mobilní fáze z GC kolony je spolu s pomocným (make-up) plynem zavedena do trysky směřující do čerpaného prostoru (vakua). Dojde k expanzi plynu, při které se molekuly ochladí (zamrznou v určitém vibračním módu). Následuje ionizace elektrony ze žhaveného vlákna (filamentu). Výhody: vysoká intenzita molekulového píku rozdíly ve spektrech izomerů nižší šum, omezení chvostování píků způsobené zdrojem MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Studená elektronová ionizace

8 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Studená elektronová ionizace MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Přímé spojení nanolc/ei-ms Mobilní fáze ( nl/min) se zavádí přímo do iontového zdroje. Ve vysokém vakuu se tvoří aerosol dochází k rychlému odpaření rozpouštědla. Ve zdroji je vysoká teplota C nutná ke kompenzaci výparného tepla. K ionizaci dochází v plynné fázi mechanismem EI (nedochází k CI). Vlastnosti - univerzální detektor pro malé molekuly - EI spektra (možnost porovnání s knihovnami) - ng citlivost v plném skenu (pg v SIM) Komerčně nedostupný A. Cappiello et al.,

9 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Iontové zdroje pro spojení s planárními separacemi MALDI, DESI, DAPPI, DART Spojení planárních separačních technik s MS Planární separační techniky jednoduché a rychlé chromatografické metody v plošném uspořádání Tenkovrstvá chromatografie (TLC) Separace na deskách (sklo, kov, plast) s tenkou vrstvou sorbentu. Adsorpční nebo rozdělovací chromatografie. - vysokoúčinná tenkovrstvá chromatografie (HPTLC) využívá stacionární fáze o malé a jednotné velikosti částic (vysoká separační účinnost), instrumentaci pro automatické dávkování Papírová chromatografie (PC) Separace na speciálních filtračních papírech Rozdělovací chromatografie (stacionární fáze je kapalina zachycená v papíru) - starší, málo používaná metoda

10 Spojení planárních separačních technik s MS Spojení planárních technik s MS: - nejprve se látky separují pomocí TLC (PC výjimečně), následuje MS analýza desky či papíru po odpaření rozpouštědla - využívají se iontové zdroje umožňující desorpci analytů z povrchu: MALDI, DESI, DAPPI a další ambientní techniky - skenování povrchu, záznam signálu v ose desky, případně z celé plochy DOI: /C3MD00235G Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI Karas, M.; Bachmann, D.; Bahr, U.; Hillenkamp, F. Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1987, 78, Tanaka, K.; Waki, H.; Ido, Y.; Akita, S.; Yoshida, Y.; Yoshida, T. Rapid Comm. Mass Spectrom. 1988, 2, MALDI se používá v off-line uspořádání. Eluát je na desce smísen s matricí a po odpaření rozpouštědla je vnesen do zdroje pro MALDI. Laserový puls dodává energii k desorpci a ionizaci matrice (absorbuje při vlnové délce laseru, je přítomna v nadbytku). Matrice následně ionizuje analyt, nejčastěji přenosem protonu.

11 Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI analýza analytů s velkou hmotností, citlivost, jednoduchá spektra, možnost archivace vzorku off-line uspořádání, matriční ionty ve spektru, obtížná kvantifikace MALDI je vhodná pro: lasery ( ) infračervené ultrafialové peptidy, proteiny, oligonukleotidy, lipidy, polymery. Obecně pro látky s vysokou mol. hmotností. Funkce matrice: absorpce energie laseru, zředění analytu, izolace molekul, přenos energie, ionizace Ionty ve spektrech: [M+H] +, [M-H] -, adukty s alkalickými kovy Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI Běžné matrice pro UV MALDI kyselina -kyano-4-hydroxyskořicová peptidy kyselina sinapová peptidy kyselina 2,5-dihydroxybenzoová obecné použití, lipidy, proteiny, peptidy kyselina 3-hydroxypikolinová nukleové kyseliny dithranol syntetické polymery

12 Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI homogenní, tenká vrstva depositu nehomogenní vrstva depositu Způsob přípravy vzorku pro MALDI (typ a koncentrace matrice, rozpouštědlo, způsob míchání atd.) má zcela zásadní vliv na kvalitu spekter. Metody nanášení vzorku Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI depozice jednotlivé frakce spojitá stopa Nanášení spojité stopy + vysoké chromatografické rozlišení - komerčně není dostupný Sběr frakcí na MALDI terč + komerčně dostupný - nízké chromatografické rozlišení

13 Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI Bruker Biflex MALDI zdroj IonSpec MALDI zdroj Ionizace za spoluúčasti matrice - MALDI Příklad: Analýza produktů syntézy polyamidu 6.6 Reakční produkty byly separovány na koloně (SEC, RP-HPLC), jednotlivé frakce byly analyzovány pomocí MALDI. Rozsah spektra do 30 kda. Weidnera et al. Int. J. Mass Spectrom. 238, 2004, 235.

14 TLC - MALDI MALDI lze s výhodou kombinovat s TLC TLC deska se nechá vyschnout, pokryje se vhodnou matricí (sprejováním) a umístí se pomocí adaptéru na MALDI desku. Změří se MALDI spektra z vybraných bodů, případně se v režimu MALDI imaging sejmou spektra z celé desky (časově náročné) Ambientní ionizace přímá ionizace z povrchu analyzovaných objektů bez nutnosti extrakce analytů Výhody: - jednoduchost analýzy (odpadá složitá úprava vzorků) - vysoká propustnost vzorků - široká aplikační oblast (analýza výbušnin, léčiv, lipidů, metabolitů, peptidů a proteinů, forenzní analýza, analýza potravin, sledování chemický reakcí apod.) - možnost zobrazování distribuce látek na povrchu objektů - kombinace s planárními separačními technikami (TLC)

15 DESI Desorpční ionizace elektrosprejem Proud pozitivně nebo nagativně nabitých kapiček vytvořený elektrosprejem je pod daným úhlem nasměrován na zkoumaný povrch. Ionty jsou tvořeny obdobně jako v ESI, vznikají [M+H] +, [M+Na] +, [M-H] -, [M+Cl] - apod. Účinnost ionizace ovlivňuje geometrické uspořádání (sprejovací úhel), typ a průtok rozpouštědla (typicky MeOH nebo MeOH/H 2 O), vlastnosti povrchu. DAPPI Desorpční fotoionizace za atmosférického tlaku Vyhřívaný aerosol tvořený rozpouštědlem a nebulizačním plynem je nasměrován na zkoumaný povrch. Dojde k desorpci analytů, které jsou následně v plynné fázi fotoionizovány UV výbojkou. Obdobně lze ionizovat pomocí koronového výboje na jehle (DAPCI).

16 DART Direct Analysis in Real Time Doutnavý výboj ve zdroji vytvoří plazmu, ze které jsou odstraněny nabité částice. Zbylé neutrální částice jsou v excitovaném stavu (metastabilní částice N*) a ionizují buď přímo analyt za tvorby radikál kationtu ( Penningova ionizace ), nebo vodu, která přenese proton na analyt -> tvorba [M+H] +. Tvorba radikál-kationtu: N* + M M + + e - + N Tvorba protonovaných molekul: N* + nh 2 O [(H 2 O) n-1 + H] + + OH + N [(H 2 O) n-1 + H] + + M [M+H] + + nh 2 O Ambientní ionizace pro detekci v TLC TLC/DESI-MS TLC/DART-MS doi: /j.chroma Př. Charakterizace sfingolipidů voční čočce metodou TLC/DESI-MS doi: /j.bbalip

17 MC230P43 Hmotnostní detekce v separačních metodách, 2015 Další typy iontových zdrojů ICP Indukčně vázaná plasma - ICP Vzorek je zmlžen, vzniklý aerosol je po smíchání s argonem přiveden do plasmového hořáku. Horká plazma desolvatuje, atomizuje a ionizuje vzorek. Ionty jsou extrahovány z plazmy pomocí chlazených skimmerů a vedeny iontovou optikou do analyzátoru. Většina prvků poskytuje za podmínek ICP jednou nabité ionty.

18 Indukčně vázaná plasma - ICP Zdroj pro ultrastopová prvkovou analýzu. Umožňuje analyzovat téměř všechny prvky od lithia po uran s vysokou citlivostí. Aplikace: Kontrola kvality potravin, pitné vody, léčiv, biologie a medicína, geologie LC aplikace analýza metaloproteinů, organokovů, iontověvýměnná chromatografie anorganických iontů Vysoké množství solí vede ke kontaminaci (zanášení) zdroje a k matričním efektům ovlivňujícím signál (salinita mořské vody je ~40 g/l, krevní plasmy nebo krve ~25 g/l). Řeší se naředěním. Indukčně vázaná plasma - ICP

19 Indukčně vázaná plasma - ICP Příklad: Analýza sloučenin obsahujících arzen v pitné vodě Tetsushi Sakai: Agilent E (2003)