Tömegspektrometria. (alapok) Dr. Abrankó László

Dr. Abrankó László

Tömegspektrometria (alapok)

Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Kémiai vizsgálati módszerek csoportosítása: 1. Klasszikus módszerek Térfogatos módszerek Gravimetriás 2. Műszeres analitikai vizsgálatok Elektroanalitikai módszerek (potenciometria, vezetőkép.stb.)‫‏‬ Termikus módszerek (DSC, DTA) Optikai (spektroszkópiai) módszerek Tömegspektrometriás módszerek Analitikai elválasztástechnikai módszerek


A tömegspektrometria olyan vizsgálati módszer, amelynél ionos részecskéket választunk el fajlagos tömegük (töltésegységre eső tömegük: m/z) szerint csökkentett nyomáson, elektromos, vagy mágneses mezők segítségével. + repülési idő tömegspektrometria


1

Mágneses térbe lépő töltött részecske pályája, a Lorenz-féle erő hatására elhajlik.


R= R

1 2 mU B z

a pálya sugara

B

mágneses tér ereje

m

a részecske tömege

z

a részecske töltéseinek száma

U

gyorsítófeszültség


Tömegspektrum I. 12C (98.89%)

13C


(1.11%)

m/z

2

Tömegspektrum II.

MW=580

m/z Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Fragmentáció I. +

M.

m +1 + . (m 2 ... m n ) m 1 m +2 + . (m 3 ... m n ) m 1 m 2 m +3 + . (m 4 ... m n ) . . . . .

E szimultán reakciók mindegyike lejátszódik, de nem azonos valószínűséggel !

mi a molekulát alkotó elemi tömegek +.O a) CH3

CH2

CH

C

α-hasadás H

CH3

CH2

töltés retenció (homolízis)

CH3

+O . CH + C

H

CH3 m / z = 29

+.O b) CH3

CH2

CH CH3

C

H

CH3

töltés migráció (heterolízis)

CH2

m/ z = 57

+ CH + O

C. H

CH3


Zingerone (gyömbér íz)

Fragmentáció II.

4-(4-hydroxy-3-methoxy-phenyl)-butan-2-one MW=194.2 C11H14O3


3

Fragmensek, fragmentumok eloszlása


Karakterisztikus tömegspektrum


Atomtömegspektrometria

Molekulatömegspektrometria

Töltött részecskék:

Töltött részecskék:

Ionos állapotban lévő atomok.

Molekulákból valamilyen ionizációs technikával előállított ún.

Ezeket atomspektroszkópiai módszereknél ismert atomizációs-ionizációs technikákkal állítjuk elő (pl.: SIMS, GDMS, ICPMS)

MOLEKULAIONOK illetve töltéssel rendelkező molekula FRAGMENSEK


4

Tömegspektrométer

Mintabevitel

Ionforrás

Tömeg analizátor

Detektor

Adatfeldolgozó

Nagyvákuum (10-5 – 10-6 Pa)

Ionforrás nincs vákuum alatt APCI, ESI, ICP források esetén Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

1911

J.J. Thompson

idő

~1950

1956

W. Pauli (Nobel-díj, 1989)

~1990

Atom-MS

Molekula MS

Fenn és Tanaka (ESI, MALDI) (Nobel-díj, 2002)


Tömegspektrométer

Mintabevitel

Ionforrás

Tömeg analizátor

Detektor

Adatfeldolgozó



5

Mintabevitel

M (gáz)

gáz

M (foly.)

ionizáció

M (gáz)

M (szil.)


Mintabevitel (gáz)

Szakaszos (batch) Folytonos (continuous)

közvetett (kapcsolóelemen keresztül)

közvetlen (direkt)

„Open-split” interfész (kapcsolóelem) 1 ml/min gáz (légköri nyomáson) = 107-108 ml/min MS nyomáson!! Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Mintabevitel (folyadék) Sampler cone

Skimmer cone

aeroszol

Légköri nyomás: 10-4 - 10-6 Pa

105 Pa

Plégkköri >> PMS (9-11 nagyságrend különbség !) Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

6

„Moving belt”


Ionforrások

Mintabevitel

Ionforrás

Tömeg analizátor

Detektor

Adatfeldolgozó



gáz ion

M (gáz) M (foly.)

M (gáz, semleges)

M (ion)

tömeganalizátor

M (szil.)

Ionokra hat az elektromágneses mező, azaz irányíthatók, fokuszálhatók !


7

•Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) •Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Molekula MS

•Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI)

•Spray ionizáció •Thermospray •Electrospray

•Deszorpciós ionizáció •Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) •Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)

•Elemanalitikai ionizációs technikák •ICP •Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) •Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Electron Impact, EI

Tömeganalizátor


Electron Impact, EI


8

Negatív gyorsító potenciál

+

Ionizációs hatásfok = keletkezett ionok/beérkező molekulák Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Ionoptika

- 50 V

- 10 V

+ ionnyaláb 0V

- 100 V

ionlencse Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)






9

Kémiai ionizáció (példa) Repeller elektród (+)

Minta (M)

eCH4 CH CH4 4

Reagensgáz CH4+e-→CH4+ + 2e(pl.: metán)

M

CH4+ + CH4 → CH5+ + CH3 CH4

M M (MH)+ M (MH)+

CH5 +M→ CH4 +

(MH)+ (Vákuum)

+(MH)+

Protontranszfer (pszeudo-molekulaionok) Pl.: MW mehgatározás ha M+ nem stabil

Vákuum


APCI (atmoszferikus nyomáson, porlasztott folyadékokhoz)

Eluens (aeroszol) ionizálódik (pl.: H3O) majd ezek az ionok protonálják az analit molekulákat Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)






10

Spray ionizáció I. (thermospray) Vákuum! minta

fűtés A vákuumba porlasztott cseppekből gázfázisú ionok Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Thermospray ionizáció

A vákuumba porlasztott cseppekből gázfázisú ionok keletkeznek Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Elektrospray ionizáció I. (electrospray ionization, ESI). porlasztógáz

5000 V Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

11

Elektrospray ionizáció II. (electrospray ionization, ESI).

Az ionizáció folyamata #1.

Coulombrobbanás +

oldószer párolgás

+ + + + - + -

+

+ -+ + +-+-

+

+ + + - -

Felületi töltéssűrűség Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Elektrospray ionizáció III. (electrospray ionization, ESI). Az ionizáció folyamata #2. +

-

+ - +

+

+ -

oldószer + ++ párolgás + + + +

+ + +

+ +

+ + +

+ +

+ +

Felületi töltéssűrűség eloszlatása

-5000 V


Spray ionizáció összefogalalás Lágy ionizáció (nincs, vagy kismértékű fragmentáció) •Folyadékhalmazállapotú minta (LC-csatolhatóság) •Nem illékony vegyületek •Pozitív vagy negatív mód •Többszörösen töltött ionok is keletkeznek Thermospray

Electrospray

•Vákuum

•Atmoszferikus nyomás

•Hőstabil vegyületek

•Hőérzékeny vegyületek


12






Deszorpciós ionizáció

Az elsődleges nyaláb lehet atom (FAB), lézer foton

Vagy közvetlenül a mintát bombázzuk Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionosation, MALDI)

A keletkezett ionokat nagy térerejű (60-100 kV) gyorsítórendszer „kiszívja” a mátrixból Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

13

MALDI •Atmoszferikus nyomáson, kondenzált fázisban lejátszódó ionizáció •Mátrix megválasztásával, lézer szabályzásával, jól definiálható lágy ionizáció érhető el. • Sokszorosan töltött molekulaionok képezhetők (106 Da tömegű molekulák meghatározására is alkalmas) •Offline módon kapcsolható LC-hez, CE-hez. (Közvetett módon on-line módon is kapcsolható)







Elemanalitikai ionizációs technikák A komponenseket gáz fázisú (egyatomos) ionokká kell alakítani

Atomspektroszkópiában használatos gerjesztőforrások Atomizáció (abszorpciós módszerek) Gerjesztés (emissziós módszerek) Ionizáció (ICP, GD, SI) Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

14

ICP-OES vs. ICP-MS •MS egyszerűbb spektrum •Érzékenyebb •Izotópmérési lehetőség



Tömegspektrométer

Mintabevitel

Ionforrás

Tömeg analizátor

Detektor

Adatfeldolgozó



15

Tömeganalizátor: az ionok szétválogatását végzi tömeg/töltés (m/z) alapján •Elektromágneses elven működő mágneses szektorterű (kettős fokuszálású) quadrupole ioncsapda •Repülési idő elven működő (time of flight, TOF)


R= R

1 2 mU B z

a pálya sugara

B

mágneses tér ereje

m

a részecske tömege

z

a részecske töltéseinek száma

U

gyorsítófeszültség


Kettősfokuszálású szektorterű tömeganalizátor (nagy felbontás) (double focusing sector field mass analyzer)

Kinetikus energia szerint szeparál

Energia és tömeg (momentum) szerint szeparál


16

Tömegfelbontás (értéke függ a definiciótol)

m1

Rs =

m m = m2 − m1 ∆ m

m2

m1

m2

FWHM (full width at half maximum)

10 % völgy módszer

50%

∆m = 4FWHM

10%

Alapvonal felb. Rs =

100 100 100 = = ≥ 10 4 0 ,01 100 ,01 −100 ,00 100 ,00 − 99 ,99




Quadrupol tömeganalizátor

A kvadrupol tér frekvenciája változik


17

Quadrupol tömeganalizátor II.




Ioncsapda tömeganalizátor (ion trap)


18



Repülési idő tömeganalizátor (time of flight, TOF) V = 0,5mv2 L

repülési távolság

izzó katód "üres tér"

minta

detektor

anód U = 1-10 kV gyorsító feszültség

vákuum, 10-6-10-8 kPa


TOF (reflectron)


19

Tömeganalizátorok összefoglalása

Elektromágneses Ion transzmisszió Vákuumigény Pásztázó/szimultán Felbontás*

Szektorteres igen + ++ P/SZ 5 10

Q-pole igen ++ + P 3 10

Ioncsapda igen +++ + P 3 4 10 -10

TOF nem + ++ SZ 3 4 10 -10

*1000 m/z esetén


Tömegspektrométer

Mintabevitel

Tömeg analizátor

Ionforrás

Adatfeldolgozó

Detektor


Fotoelektronsokszorozó

Ionsokszorozó Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

Tandem tömegspektrometria hagyományos „single” MS (gáz)minta - ionizáció és fragmentáció - tömegszeparáció - detektor M (g)

M (g)

M+

M1+

M1+ M2+ M3+

M+ M3+

M2+

m/z leggyakoribb tandem MS (MS/MS) (foly.)minta - porlasztás és lágy ionizáció - Q1-Q2(CID)-Q3- detektor M (lq)

M (g)

M+

X (lq)

X (g)

X+

M1+ M2+ M3+

M+ Q1

Q2

M1+

Q3


20

Triple-quadrupole MS felépítése

lágy ionizáció

Q1

Q2 (CID)

Q3

collision induced dissociation Abrankó László: tömegspektrometria (alapok)

MSn

Időben

Térben

(Ioncsapda)

(több quadrupole)


21

Tömegspektrometria. (alapok) Dr. Abrankó László

Recommend Documents