Metody strukturní analýzy MS, RTG difrakce. Pavel Matějka

Transkript

1 Metody strukturní analýzy MS, RTG difrakce Pavel Matějka

2 Metody strukturní analýzy MS, RTG difrakce 1. MS 1. Princip metody 2. Iontové zdroje 3. Hmotnostní analyzátory 4. Základy pro interpretaci spekter 2. RTG difrakce 1. Obecné principy 2. Analýza práškových vzorků 3. Analýza monokrystalů 4. Základy vyhodnocení difraktogramů

3 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - samostatně - strukturní analýza, identifikace látek - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - prvková analýza kombinace s ICP - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním prostředí - farmakokinetické studie - kvantifikace proteinů - priony - analýza nukleových kyselin - analýza potravin - detekce výbušnin, drog - použití vnitřního standardu

4 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - MS - mass spectrometry - MS - mass spectrometer - MS - mass spectrum - destruktivní metoda, ale zcela minimální spotřeba vzorku - běžně mikrogramy SPEKTROMETR - iontově-optické zařízení - separace iontů podle m/z

5 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE MILNÍKY počátky hmotnostní spektrometrie - cca použití v petrochemickém průmyslu TOF MS - time of flight kvadrupólová MS identifikace organických látek pomocí MS GC-MS chemická ionizace ICP-MS MS viru

6 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HLAVNÍ SOUČÁSTI SPEKTROMETRU - vstup - zavedení vzorku - iontový zdroj - ionizace - separátor (analyzátor) - separace iontů podle m/z - detektor - četnost daného typu iontů - zpracování signálu - spektrální výstup - vakuový systém - vyloučení srážek iontů

7 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - vstup - zavádění vzorku do spektrometru - přímý vstup - přes zásobník - studený či vyhřívaný - chromatografický vstup - GC - LC

8 VOLBA IONIZAČNÍ TECHNIKY těkavost (souvisí s polaritou a M R ) - pro těkavé látky: EI, CI molekulová hmotnost (souvisí s těkavostí) - asi do M R =1000 lze EI/CI, do několika tisíc APCI, APPI a FAB, do desítek až stovek tisíc ESI a MALDI tepelná stabilita látky - pro termolabilní látky nejsou vhodné techniky, kdy je nutné látku převést do plynné fáze před vlastní ionizací (EI, CI), volit šetrnější ionizační techniky (ESI nebo MALDI) volba polarity ionizace (platí pro měkké ionizační techniky) - kladné ionty - pro většinu látek, musí být možné látku protonovat (vhodná přítomnost heteroatomu) či kationizovat (Na +, K +, Li +, Ag +, apod.) - záporné ionty - sulfonové a karboxylové kyseliny, polyhydroxylované látky (snadná deprotonace), někdy tvorba aduktů s jednoduchými anionty, např. [M+octan] -, [M+mravenčan] -, [M+Cl] -, apod. studium nekovalentních interakcí a prostorového uspořádání molekul (zejména pro biomakromolekuly) - ESI

9 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - iontový zdroj - ionizace a fragmentace vzorku - elektronová ionizace - ionizace nárazem elektronů - EI - electron ionization (impact) - chemická ionizace - CI - ionizace urychlenými atomy FAB - ionizace urychlenými ionty - FIB - ionizace polem - FI - ionizace laserem za účasti matrice - MALDI - termosprej - TSI, plasmasprej - PSI API - elektrosprej - ESI

10 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - iontový zdroj - ionizace a fragmentace vzorku - DART - DART (Direct Analysis in Real Time) is an atmospheric pressure ion source that instantaneously ionizes gases, liquids and solids in open air under ambient conditions Developed 2005 pharmaceuticals, metabolites, pesticides, peptides, oligosaccharides, drugs of abuse, explosives and toxic industrial chemicals

11 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - iontový zdroj - ionizace a fragmentace vzorku - DART - DART (Direct Analysis in Real Time) interaction between the analyte molecule (S) and electronically excited atoms or vibronically excited molecules (metastable species M*):

12 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - iontový zdroj - ionizace a fragmentace vzorku - DART - DART (Direct Analysis in Real Time)

13 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - elektronová ionizace - EI - konvenční technika (od roku 1913) - M + e - M e - (radikálkationty) - tvrdá ionizační technika propracovaná teorie - fragmentace molekuly na menší části - slabá intenzita molekulárního píku - těkavé látky - termostabilní látky - existují knihovny/databáze spekter, vhodné pro strukturní analýzu

14 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - elektronová ionizace - EI Re či W M + urychlující potenciál e V - energie e - běžně 70 ev (důležité pro knihovny) - záporně nabité ionty + záchyt e - vychytávány vytlačovací elektrodou

15 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - elektronová ionizace - EI Vliv energie elektronů na fragmentaci Vyšší urychlující potenciál e - EI působí HLUBŠÍ FRAGMENTACI CI

16 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - chemická ionizace - CI - konstrukce zdroje podobná jako pro EI - ve zdroji přítomen REAKČNÍ PLYN v nadbytku vůči vzorku - ionizace reakčního plynu - methan, amoniak, isobutan, propan, voda, dusík - reakce iontů s molekulami analytu - tvorba aduktů

17 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - chemická ionizace - CI - základní mechanismy ion-molekulárních reakcí R + e - R e - (ionizace reakčního plynu) R + R + [R-H] + [R+H] + (ion-mol. reakce plynu) R + R + [R-H] + + [R+H] (ion-mol. reakce plynu) [R+H] + + M R + [M+H] + (protonace) [R-H] + + M R + [M-H] + (abtrakce hydridu) R + + M [R+M] + (kondenzace) R + + M R + M + (výměna náboje)

18 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - chemická ionizace - CI - méně výrazná fragmentace než u EI (přítomnost iontů o m/z větším než odpovídá molekulárnímu iontu) - též vznik záporných iontů (pozitivní/negativní mód) - záchyt elektronu - deprotonace - adice halogenidu

19 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - FAB - ionizace urychlenými atomy - urychlené atomy Xe, Ar - na terčíku vzorek ve viskosní matrici - matrice - chemicky inertní, málo těkavá - glycerol, thioglycerol - kapalné kovy - Ga, In - vznik aduktů (s matricí) - jedna z šetrnějších ionizačních technik

20 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE EI FAB

21 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - ionizace laserem za účasti matrice - MALDI - velmi šetrná ionizační technika - vhodné pro biomolekuly - proteiny, oligosacharidy - pulzní lasery - UV - dusíkový nm (4 ns) - IR - Er-YAG nm -matrice musí absorbovat laserové záření - - kys. dihydroxybenzoová, chlorsalicylová, skořicová, nikotinová - nutný přebytek matrice (5000 :1) - kovová podložka - terč

22 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - MALDI [M+H] +

23 IONIZACE VZORKU NALDI/SALDI simple matrix-free laser desorption/ionization mass spectrometric approach NALDI plate contains a hydrophobic surface made of nano-structures of 20 nm in diameter and 100 to 500 nm in length, metal oxides, nitrides

24 IONIZACE VZORKU NALDI/SALDI GALDI colloidal graphite SELDI surface enhanced

25 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - MALDI Směs peptidů

26 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - ionizace elektrosprejem - ESI - velmi šetrná ionizační technika - vhodné pro biomolekuly - vhodné pro vzorky v roztoku (výstup z LC) - vypařování iontů - rostoucí hustota náboje ve zmenšující se kapičce - na kovové kapiláře vloženo vysoké napětí (řádově kv) na rozdíl od termosprejové ionizace TSI (TSI - vyhřívaná kapilára)

27 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE IONIZACE VZORKU - ionizace elektrosprejem - ESI

28 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - analyzátory rozdělení iontů podle m/z - vysoké vakuum - sektorové (magnetické pole + elektrická fokusace) - (odstředivá a dostředivá síla) - kvadrupolové (vysokofrekvenční pole) - iontová past (vysokofrekvenční pole) - průletový analyzátor TOF (odlišná doba letu různě těžkých iontů) - iontová cyklotronová rezonance s Fourierovou transformací (FT-ICR) - Orbitrap oscilace kolem centrální elektrody - FT

29 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - analyzátory - vysoké vakuum KLÍČOVÝ PARAMETR - rozlišovací schopnost (resolving power - RP) RP = m 1 /(m 1 - m 2 ) (dva stejně vysoké píky, údolí mezi nimi 10% jejich výšky) RP = m/δm FWHM spektrální ROZLIŠENÍ - reciproká hodnota RP - relativní ještě rozlišitelný rozdíl hmotností

30 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - sektorový - magnetický s jednoduchou fokusací - zakřivení dráhy letu iontů těžší ionty - větší odstředivá síla mv 2 r - kruhová výseč

31 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - magnetický separátor

32 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE Sektorový analyzátor - magnetický s jednoduchou fokusací - zakřivení dráhy letu - dostředivá síla (B e v) - úměrná magnetické indukci - odstředivá síla - mv 2 /r - při konstantním urychlovacím potenciálu a konstantní magnetické indukci odpovídá určité hmotnosti částic určitý poloměr zakřivení - pro proměření spektra nutno plynule měnit buď urychlovací potenciál nebo magnetickou indukci

33 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE Sektorový analyzátor - s dvojitou fokusací - magnetická + elektrická

34 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - kvadrupolový separátor - hmotnostní filtr - různá stabilita oscilací iontů v kombinaci stejnosměrného napětí a vysokofrekvenční střídavé složky (10 MHz) buď plynulá změna radiofrekvence nebo současná změna hodnoty stejnosměrného napětí a amplitudy oscilací

35 separátory iontů - iontová past - radiofrekvenčně modulované pole, možnost MS n analýzy vstupní uzavírací elektroda prstencová elektroda výstupní uzavírací elektroda

36 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - průletový analyzátor - TOF - různá doba letu iontů lehčí atomy jsou rychlejší

37 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - iontová cyklotronová rezonance s Fourierovou transformací (FT-ICR) - záchyt na cykloidálních drahách - různé absorpce energie při cykloidálním pohybu iontů v kombinovaném silném magnetickém (6 až 7 Tesla) a elektrickém poli - každá hodnota m/z má charakteristickou cyklotronovou frekvenci - vysoké rozlišení, vysoká přesnost, vysoká cena

38 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů - iontová cyklotronová rezonance s Fourierovou transformací (FT-ICR)

39 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - FT-ICR excitace detekce

40 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETR - separátory iontů ORBITRAP s Fourierovou transformací

41 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

42 Určení molekulárního iontu správné určení molekulové hmotnosti lze považovat za první a nejdůležitější informaci, kterou lze získat interpretací hmotnostních spekter elektronová ionizace (EI) - vzniká molekulární ion M + měkké ionizační techniky (např. ESI, APCI, MALDI, atd.) - protonovaná molekula [M+H] + při záznamu kladných iontů a deprotonovaná molekula [M-H] - při záznamu záporných iontů - kromě uvedených iontů někdy pozorujeme další adukty, např. [M+Na] +, [M+K] + - obvykle pík s nejvyšší hodnotou m/z ve spektru, izotopické píky se neberou v úvahu

43 Základní formulace dusíkového pravidla lichá molekulová hmotnost = lichý počet atomů dusíku v molekule (podobně: sudá molekulová hmotnost = sudý počet nebo absence dusíku) platí pro molekuly složené z běžných organických elementů (C, H, N, O, F, Si, P, S, Cl, Br, I)

44 Interpretace M+2 prvky 35 Cl : 37 Cl = M : M+2 = 100 : 32 (přibližně 3:1) 79 Br : 81 Br = M : M+2 = 100 : 97.3 (přibližně 1:1) pokud hmotnostní spektrum neobsahuje izotopické píky M+2 s intenzitou >25%, lze spolehlivě vyloučit přítomnost Cl a Br toto pravidlo lze použít i pro jednotlivé fragmentové ionty pokud molekula obsahuje větší množství atomů chloru a/nebo bromu, lze zastoupení jejich izotopů spočítat podle koeficientů binomického rozvoje: - Br: (a+b) n pro n=2: a 2 +2ab+b 2 (poměr 1:2:1 pro ionty M : M+2 : M+4) pro n=3: a 3 +3a 2 b+3ab 2 +b 3 (poměr 1:3:3:1 pro ionty M : M+2 : M+4 : M+6) - Cl: (3a+b) n pro n=2: 9a 2 +6ab+b 2 (poměr 9:6:1 pro ionty M : M+2 : M+4) - platí obecně pro celočíselné hodnoty n, analogicky lze použít i pro výpočet relativního zastoupení jiných izotopů než Cl a Br A/ C 6 H 4 Br 2 B/ C 2 H 3 Cl 3

45 RTG difrakce Princip difraktometrie ohyb (difrakce) paprsků a jejich interference 2d sin Θ=n λ n= 12,, 3...

46 Rentgenová difraktometrie Historické poznámky Max von Laue (9. října 1879, Pfaffendorf 24. dubna 1960, Berlín) laueogram RTG difrakce na krystalech 1914 Nobelova cena za fyziku Model difrakčního procesu RTG záření rozkmitá elektronové obaly atomů a ty se stanou zdrojem sekundárního koherentního RTG záření, interference sekundárního záření způsobí, že v některých směrech dojde k zesílení intenzity, v jiných k zeslabení difrakční obrazec Laueovy rovnice

47 Rentgenová difraktometrie vektorově a (s s 0 ) = a (cos α n cos α 0 ) = n λ - podle hodnoty n (řádu difrakce) jednotlivé (Laueho) kužely

48 Rentgenová difraktometrie Úseky a 1, a 2 a a 3 značeny též a, b, c

49 Rentgenová difraktometrie Historické poznámky William Lawrence Bragg (31.března července 1971) Matematický popis fyzikálního problému Formuloval Braggovu rovnici William Henry Bragg (2. července března 1942) Experimentátor, konstruktér spektrometru Společně Nobelova cena 1915 analýza struktury krystalů s využitím rentgenového záření

50 Rentgenová difraktometrie Braggova rovnice interference fázově posunutých vln model odrazu na soustavě rovnoběžných krystalových rovin fyzikálně ekvivalentní k Laueovým rovnicím 2d sin Θ=n λ n= 12,, 3...

51 Rentgenová difraktometrie web simulace

52 Rentgenová difraktometrie sin =n λ / 2d n= 12,, 3... The possible 2-THETA values where we can have reflections are determined by the unit cell dimensions. However, the intensities of the reflections are determined by the distribution of the electrons in the unit cell. The highest electron density are found around atoms. Therefore, the intensities depend on what kind of atoms we have and where in the unit cell they are located. Planes going through areas with high electron density will reflect strongly, planes with low electron density will give weak intensities.

53 Rentgenová difraktometrie vzorky PRÁŠKOVÉ polykrystalické identifikace fází ve vzorku na principu otisku palce Pokud možno vzorek s rovným a hladkým povrchem, rozetřený prášek průřez částic 2 5 µm Ideálně - homogenní vzorek s náhodnou distribucí orientace krystalitů prášek vtlačen do držáku vzorků (běžně stovky mg) MONOKRYSTAL běžné požadována velikost průřez cca 0,3 mm určení molekulární struktury nových či dosud nepopsaných látek

54 Rentgenová difraktometrie Obvykle snímána spektra 1. řádu pouze pro rozlišení detailů spektra vyšších řádů výrazné prodloužení doby expozice Mezní dosažitelné rozlišení určeno rozlišovací schopností přístroje Bragg-Brentanův difraktometr For the THETA:2-THETA goniometer, the X-ray tube is stationary, the sample moves by the angle THETA and the detector simultaneously moves by the angle 2-THETA.

55 Rentgenová difraktometrie Bragg-Brentanův difraktometr For the THETA:THETA goniometer, the sample is stationary in the horizontal position, the x-ray tube and the detector both move simultaneously over the angular range THETA.

56 Rentgenová difraktometrie prášková

57 Rentgenová difraktometrie prášková

58 Rentgenová difraktometrie Difraktogram prášková

59 Rentgenová difraktometrie The X-ray diffraction pattern of a pure substance is like a fingerprint of the substance. The powder diffraction method is thus ideally suited for characterization and identification of polycrystalline phases. Today about 50,000 inorganic and 25,000 organic single component, crystalline phases, diffraction patterns have been collected and stored on magnetic or optical media as standards. The main use of powder diffraction is to identify components in a sample by a search/match procedure. Furthermore, the areas under the peak are related to the amount of each phase present in the sample.

60 Rentgenová difraktometrie

61 Rentgenová difraktometrie

62 Rentgenová difraktometrie monokrystal

63 Rentgenová difraktometrie monokrystal

64 Rentgenová difraktometrie monokrystal

65 Rentgenová difraktometrie monokrystal