Szerkezetvizsgálat I. 2012/13

Tömegspektrometria A tömegspektrometria, különösen korszerű elválasztási módszerekkel kapcsolva, a mai analitikai gyakorlat leghatékonyabb módszere. J.J.Thomson kísérletei alapozták meg a tömegspektrometria létrejöttét, s egyúttal hozzájárultak a modern kémia kialakulásához az izotópia felfedezésével, kísérleti igazolásával. A szerves vegyületek vizsgálatára az 1950-es évektől kezdték alkalmazni. Elválasztási módszerekkel kombinálva egy-egy készülékrendszer (GC-MS, HPLC-MS, stb.) szinte egy komplett analitikai laboratóriumot képez, amellyel összetett elegyek minőségi és mennyiségi elemzése rövid idő alatt (20-30 perc) elvégezhető, s igen kis mennyiségű alkotók (10-15-10-21 g) meghatározása végezhető el.

Thomson, 1913 In the bottom right corner of this photographic plate are markings for the two isotopes of neon: neon-20 and neon-22.

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. Az elválasztott ionok intenzitását folyamatosan mérjük, s így egy ionáram intenzitás - fajlagos tömeg függvénykapcsolat-hoz, az ún. tömegspektrumhoz jutunk. Ez a tömegspektrum a minőségi információ alapja.

Main steps of measuring with a mass spectrometer

A tömegspektrométer felépítése Ionforrás Tömeganalizátor Detektor EI, CI, FAB APCI, APPI ESI, MALDI DART Szektoros, quadrupol TOF, QTOF Fast atom/ion bombardment (Gyors atom/ionbombázás)

Tömegspektrométer felépítése 1. Mintabeviteli rendszer (közvetlen: gáz, folyadék, vagy szilárd minta bevitele, közvetett: GC, HPLC) 2. Ionforrás az ionoptikával, 3. Analizátor, 4. Detektor, 5. Vákuumrendszer, 6. Számítógép szabályzó és adatkezelő (adatgyűjtő, feldolgozó, értékelő, archiváló) funkcióval.

Ionizációs módszerek: EI: Electron ionization (formerly known as electron impact) – elektron ionizáció (elektronütközéses) CI: Chemical ionization – kémiai ionizáció FAB: Fast atombombardment – gyors atombombázás MALDI: Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – mátrix segített lézer deszorpció/ionizáció ESI: Electrospray ionization – elektroporlasztásos ionizáció APCI: Atmospheric pressure chemical ionization – atmoszférikus nyomású kémiai ionizáció APPI: Atmospheric pressure photo ionization – atmoszférikus nyomású fotoionizáció DART: Direct Analysis in Real Time CI: lower energy process than EI, the lower energy yields less fragmentation, and usually a simpler spectrum. Egy EI ionforrásban reagns gáz (metán, ammónia, stb.) molekulákból ionokat állít elő, amelyeket gyorsítással juttat a hozzá közvetlenül kapcsolódó térrészbe, ahová a vizsgálandó minta gázfázisú molekuláit vezetik be. Itt a reagens gáz ionjaival való ütközés révén ionizálódnak a vizsgálandó molekulák. FAB: ionozáció főként hőérzékeny vegyületek kíméletes ionizációját biztosítja azáltal, hogy felgyorsított atomok kinetikus energiája szolgáltatja a gerjesztő energiát az ionizációhoz. MALDI: lehetővé teszi termikusan igen érzékeny, anyagok, pl. enzimek, hormonok, vagy akár több százezres dalton tömegű biomolekulák, fehérje szekvenciák, stb. tömegspektrometriás vizsgálatát.

Elektron ionizáció

MALDI - Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization

Tömeganalizátor Az analizátor választja el az ionforrásból nagy sebességgel érkező ionokat fajlagos tömegük (tömeg/töltés; m/z) szerint. Az elválasztás többféle elv alapján oldható meg.

Szektor típusú analizátorok Mágneses, illetve mágneses és elektromos terekkel választja szét az ionokat

Kvadrupól analizátorok Elektromos mezőt használunk az ionok m/z érték szerinti szeparálásához. A két-két szembelevő rúdra egyen, illetve RF öszetevőjű elektromos feszültséget kapcsolunk. A detektorba csak azok az ionok jutnak el, amelyek végig tudnak haladni a négy rúd közötti térben anélkül, hogy az elektródként viselkedő rudak valamelyikéhez csapódnának.

Kvadrupól ioncsapda analizátorok Lényegében önmagán körbehajlított lineáris kvadrupol rendszer. A csapda belsejében kialakul a háromdimenziós kvadrupólus tér, ami az ionokat oszcilláló alakú pályára kényszeríti.

Repülési idő elven működő analizátorok (time of flight – TOF) Azonos gyorsítótér esetén az ionok sebességét egyértelműen meghatározza m/z arányuk. Ezért az azonos út befutásához szükséges időből az m/z arány meghatározható.

TOF – reflektron

Detektor Erősítés  érzékenység Linearitás  a spektrum torzulásmentessége a, pontdetektor – egy adott m/z értékű iont egy időpillanatban b, sordetektor – az összes m/z értékű iont egyszerre.

- Faraday cella

- Elektronsokszorozó

ESI Hybrid Quadrupole Time of Flight mass spectrometer

LC/MS elrendezés

Kézi mintabevitel

Ionforrás (Source) API-ESI (Atmospheric Pressure Interface-ElectroSpray Ionization)

Ion Transfer stage Az analit ionok elválasztása a szárítógáztól és az oldószertől, valamint minimális veszteséggel való továbbítása a kvadrupol egységbe. (In Source Collision Induced Dissociation – ISCID)

Q-q-stage Analitikai kvadrupol és ütközési cella – MS/MS mérések (Collision Induced Dissociation – CID)

TOF egység Pulzus üzemmód

GC-MS Bomlás nélkül elpárologtatható alkotókból álló elegyek minőségi és mennyiségi elemzését teszi lehetővé.

Kvalitatív azonosítás: - retenciós idő - MS spektrum (adatbank) Kvantitatív azonosítás: kromatogram csúcs terület – koncentráció

A minta adagolás történhet split és split nélküli (splitless) módon. Split üzemmódban a vivőgáz egy része szállítja a mintát a kolonnába, másik része az injektálás után tisztítja a mintaadagoló bevezetőjét (purge), a harmadik – többnyire legnagyobb – része pedig eltávozik a készülékből. Célszerű splitless üzemmódot használni, ha a befecskendezett minta mennyisége kicsi (10 ng-nál kisebb).

A tömegspektrométer általában két üzemmódban működtethető: - pásztázó (Scan) - SIM (Selective Ion Monitoring) Számos, így az általunk használt készülék is képes a két üzemmód együttes alkalmazását jelentő FASST (Fast Automated Scan/SIM Type) módon is működni.

Scan üzemmódban beállíthatjuk a pásztázni kívánt tömegtartományt (pl: m/z=20 – 900), és tulajdonképpen egy háromdimenziós spektrumot vehetünk fel

SIM üzemmódot általában akkor alkalmazunk, ha a mennyiségi meghatározáshoz nagyobb érzékenységre van szükség, mint amilyen Scan módban elérhető. Ekkor a tömegspektrométer analizátora egy, esetleg néhány kiválasztott iont enged át a detektorba.

The standard model includes the following components: • GC-2010 high-performance gas chromatograph • Vacuum differential pumping by the turbo molecular pump with the rotary backing pump • Vacuum gauge for chamber pressure monitoring • Direct-coupled GC/MS interface • Electron Impact (EI) ion source with independent temperature control • Electron energy/current variable dual filament ion source • Quadrupole mass filter with pre-rods • Electron multiplier detector with conversion dynode • Power source and instrument control circuit