Hmotnostní spektrometrie - Mass Spectrometry (MS)

Transkript

1 Hmotnostní spektrometrie - Mass Spectrometry (MS) Další pojem: Hmotnostně spektrometrický (selektivní) detektor - Mass spectrometric (selective) detector (MSD) Spektrometrie - metoda založená na interakci hmoty a záření Hmotnostní spektrometrie - metoda založená na tvorbě iontů a následné interakci iontů a elektrických/magnetických polí Jan Poustka - ISM 2007 VŠCHT PRAHA

2 Princip MS a výstup měření 1. Tvorba iontů (ionizace) 2. Filtrace iontů (hmotnostní analýza) 3. Měření četnosti iontů v závislosti na hodnotě m / z m - relativní molekulová hmotnost vzniklého iontu z - počet nábojů vzniklého iontu (1, 2, 3, 4, 5, 6...) 4. Hmotnostní spektrum * osa x přísluší hodnotě m / z * osa y přísluší četnosti iontů (intenzitě signálu)

3 Formát hmotnostního spektra Grafický (profilové X čárové) Tabulkový m / z Intenzita Relativní intenzita (%) , , , , , , , , , , , ,65

4 Aplikace hmotnostní spektrometrie Identifikace sloučenin Sumární vzorec téměř absolutně při dostatečně vysokém rozlišení Identifikace struktury v závislosti na typu ionizace (možnost fragmentace) Identifikace porovnáním spekter - identifikace sloučeniny na základě tvorby a poměru četností iontů o určitých hodnotách m/z (knihovny) Kvantifikace sloučenin Univerzální - citlivost se liší podle schopnosti sloučenin poskytovat za daných podmínek ionty

5 Historický vývoj MS - souhrn 100 let od katodové trubice k modernímu spektrometru 2000 GC-MS *1956 LC-MS(ESI) *1984 TOF-MS *1946 Vývoj záznamu spekter

6 Vznik a typy iontů * vznikají různými mechanismy - typ mechanismu zásadně ovlivňuje výsledné spektrum * z hlediska polarity vznikají ionty nabité kladně nebo záporně (vždy jeden typ) - rozlišujeme POZITIVNÍ a NEGATIVNÍ ionizaci * z hlediska velikosti a původní struktury vznikají ionty: a) molekulové: [M] + nebo [M] - b) pseudomolekulové a aduktové: [M+H] +, [M-H] -, [M+CH 4 ] + ap. c) fragmentové: např. [M-CH 3 ] +

7 Ionizace v plynné fázi (a) (za sníženého tlaku) Elektronová ionizace (Electron Ionization - EI) * ztráta elektronu po nárazu elektronů (Electron Impact) nebo jinak po uvolnění valenčního elektronu - vznikají ionty: M + e (70eV) M e * standardní EI spektra (knihovna) - ionizační energie 70 ev (1 ev = 96,487 kj/mol = 23,06 kcal/mol) * "tvrdá" ionizace a) spektrum bohaté na fragmentové ionty b) molekulové ionty v některých případech nejsou stabilní (chybí ve spektru) * lze využít pro určení sumárního vzorce, strukturní analýzu a kvantifikaci * aplikace: velmi rozšířená (standardní) v GC-MS, sonda, moving belt, particle beam

8 Ionizace v plynné fázi (a) (za sníženého tlaku)

9 Ionizace v plynné fázi (b) (za sníženého tlaku) Ionizace polem (Field Ionization - FI) * ztráta elektronu po průchodu vysokonapěťovým elektrickým polem ( 5 kv) - vznikají ionty * měkká" ionizace ve spektru se vyskytují molekulové a sekundárně vzniklé aduktové ionty ([M+Na] + apod.) * lze využít pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: GC-MS, sonda

10 Ionizace v plynné a kapalné fázi (za sníženého nebo atmosférického tlaku) Chemická ionizace (chemical ionization - CI) * adukce reagenčního činidla nebo záchyt nízkoenergetického neboli termo-elektronu - vznikají (PCI) nebo (NCI) ionty * různé podmínky ionizace neexistují standardní spektra (omezená dostupnost knihoven) * měkká" ionizace spektrum často obsahuje pouze nejstabilnější ionty (zpravidla molekulové), fragmentové ionty většinou chybí - můžeme je získat úpravou podmínek (fragmentace ve zdroji - většinou ztrácíme molekulové ionty) * lze využít pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: GC-MS, LC-MS (APCI), sonda, moving belt, particle beam

11 Ionizace v kapalné a pevné fázi (a) (za sníženého tlaku) Ionizace urychlenými ionty nebo atomy a) fast ion bombardment FIB, používá se např. Cs + b) fast atom bombardment FAB, používá se např. Xe, Ar * ionizace vhodná pro výšemolekulární sloučeniny * lze využít pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: sonda, continuous flow (CF FAB), moving belt, LC-MS

12 Ionizace v kapalné a pevné fázi (a) (za sníženého tlaku)

13 Ionizace v kapalné a pevné fázi (a) (za sníženého tlaku)

14 Ionizace v kapalné a pevné fázi (b) (za sníženého tlaku) Desorpční ionizace a) chemická (DCI): Pt drát smočený vzorkem - prudký ohřev b) plazmatická ( 252 Cf PD): kalifornium se rozpadá na radioaktivní izotopy vznik aduktů c) laserem (LDI): pulsní vypařování laserovými paprsky d) laserem za přítomnosti matrice (MALDI): jako LDI, ale s matricí e) polem (FD): ionizace přímo z emitoru (viz ionizace polem - FI) * lze využít pro strukturní analýzu * aplikace: sonda

15 Ionizace v kapalné a pevné fázi (b) (za sníženého tlaku)

16 Ionizace v kapalné fázi (a) (za sníženého tlaku) Termosprej (thermospray - TSP) * ionizace prudkým vypařením za zvýšené teploty ( 300 C) za současného zmlžování do vakuovaného prostoru * měkká ionizace spektrum obsahuje většinou molekulové nebo pseudomolekulové ionty * lze využít pouze pro určení sumárního vzorce * aplikace: LC-MS (první interface podobný API)

17 Ionizace v kapalné fázi (a) (za sníženého tlaku) [M+H] + [M+NH 4 ] + [M-H] - (ne [M + zh] z + ) 1 - výstup z HPLC 2 - vyhřívaná kapilára 3 - vyhřívaný blok iontového zdroje 4 - výbojová elektroda (nebo zdroj urychlených e - ) 5 - odpuzovací elektroda 6 - vakuové pumpy 7 - hmotnostní analyzátor t C průtok m. f. < 1 ml/min tlak v iontovém zdroji vyšší než např. u EI X není atmosférický jako u APCI nebo ESI

18 Ionizace v kapalné fázi (a) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) Elektrosprej (electrospray - ESP, electrospray ionization - ESI) * ionizace vysokým napětím ( 5 kv) za současného zmlžování * měkká ionizace spektrum obsahuje většinou molekulové nebo pseudomolekulové ionty mohou vznikat vícenásobně nabité ionty * lze využít pouze pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: LC-MS

19 Ionizace v kapalné fázi (a) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API)

20 Ionizace v kapalné fázi (a) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) Schéma vzniku iontů

21 Ionizace v kapalné fázi (a) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) ESI [M+H] + [M+NH 4 ] + [M-H] - [M ± zh] z ± t N C (přídatné) Napětí: 2-8 kv Průtok m. f. 0,001-1 ml/min Ionizace za atmosférického tlaku Těkavé přísady: octan amonný, mravenčí k. Netěkavé přísady: fosfátové pufry

22 Ionizace v kapalné fázi (a) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) Varianty elektrospreje Ionspray (ISP) - pneumatická podpora zmlžování Ultraspray (USP) - ultrazvuková podpora zmlžování Turbospray (TBSP) - tepelná podpora zmlžování

23 Ionizace v kapalné fázi (b) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) Chemická ionizace za atmosférického tlaku - (APCI) * ionizace kombinací vypařování za vysoké teploty ( 400 C) a elektrického výboje ( 5 kv) za současného zmlžování * měkká ionizace spektrum obsahuje většinou molekulové nebo pseudomolekulové ionty * lze využít pouze pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: LC-MS

24 Ionizace v kapalné fázi (c) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) APCI [M+H] + [M+NH 4 ] + [M-H] - ([M ± zh] z ± ) t C Napětí (výboj. el.): 2-8 kv Průtok m. f. 0,2-2 ml/min Ionizace za atmosférického tlaku Těkavé přísady: octan amonný, mravenčí k. Netěkavé přísady: fosfátové pufry

25 Ionizace v kapalné fázi (c) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) Fotoionizace za atmosférického tlaku - (APPI) * ionizace kombinací vypařování za vysoké teploty ( 400 C) a UV záření ( 5 kv) za současného zmlžování * měkká ionizace spektrum obsahuje většinou molekulové nebo pseudomolekulové ionty * lze využít pouze pro určení sumárního vzorce, kvantifikaci * aplikace: LC-MS

26 Ionizace v kapalné fázi (c) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) APPI [M+H] + [M+NH 4 ] + [M-H] - ([M ± zh] z ± ) t C UV záření 10 ev průtok m. f. 0,2-2 ml/min Ionizace za atmosférického tlaku Dopant: toluen, benzen (citlivost )

27 Ionizace v kapalné fázi (d) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) DESI Desopční ESI X DART Direct Analysis in Real Time

28 Ionizace v kapalné fázi (d) (za atmosférického tlaku: atmospheric pressure ionization - API) DESI Desopční ESI X DART Direct Analysis in Real Time

29 Techniky spreje (1) Vliv techniky spreje: depozice matrice vzorku kontaminace zdroje analyty citlivost, stabilita - opakovatelnost

30 Techniky spreje (2) Schéma Z-spreje s umístěním vzorkovacích kón

31 Molekulová hmotnost Použitelnost ionizačních technik Elektrosprej APPI APCI Termosprej GC/MS (EI/CI/FI) Particle Beam FAB Nepolární Polarita analytu Polární