John B. FennKoichi Tanaka The Nobel Prize in Chemistry 2002 "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" 14. TÖMEGSPEKTROMETRIA

14.1. A tömegspektrometria alapjai A tömegspektrometria műszerei A tömegspektrometria alakalmazása

14.1. A tömegspektrometria alapjai Izolált, ionizált részecskék tömeg-töltés arányuk szerinti elválasztása Angolul: Mass Spectrometry (MS)

Egyszeres fókuszálású készülék: Az ionokat először elektromos térben gyorsítják, majd mágneses térben elválasztják. A részecske tömege m, elektromos töltése e. U feszültséggel gyorsítjuk.

A kinetikus energia:

Homogén mágneses térbe kerül. (A mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára) Lorentz erő: e [As]: az ion töltése (az elemi töltés egyszerese, kétszerese, stb.) v [m/s]: az ion sebessége B [Tesla = N/Am = Vs/m 2 ]: a mágneses indukció

B: merőleges a papír síkjára A mozgás irányára merőleges erő körmozgásra készteti az ionokat (centripetális erő). Jobb-kéz szabály: hüvelykujj az áram irányába a többi kinyújtott ujj a mágneses tér irányába. Tenyerünk így az erő irányába mutat.

Töltött részecskék szétválása mágneses térben

A tömegspektrométer fő részei:

Az ionizáció módszerei a) Elektronütközéses ionizáció (pozitív gyökion) (negatív gyökion) A pozitív gyökionok stabilabbak. A tömegspektrometria csaknem kizárólag pozitív ionok szétválasztásával foglalkozik.

Fragmentáció Az ionok tovább bomlanak párhuzamos és konszekutív reakciókban

b) Kémiai ionizáció: nagy feleslegű reagens gáz (CH 4, NH 3, izobután). Elsősorban a reagens gázok ionizálódnak, ezek ütköznek a vizsgálandó molekulákkal. Főleg MH + ionok keletkeznek. Spektrum egyszerűbb.

c) Szekunder ion tömegspektrometria (SIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry) Szilárd mintát Ar + ionokkal vagy O 2 + ionokkal bombáznak. A felületről atomok és ionok lépnek ki. A felület vizsgálatára szolgáló módszer.

d) Bombázás gyors atomokkal (FAB, Fast Atomic Bombardment) Nem illékony mintákra alkalmas. A mintát feloldják (pl. glicerinben). Semleges atomokkal (Ar, Xe) bombázzák Biológiai, gyógyszeripari minták vizsgálata

Detektor: elektronsokszorozó Katód az ionok detektálására érzékeny Nincs ablaka (nagy vákuumban van)

Felbontás: M a vizsgálat ion móltömege,  M az éppen még felbontott két csúcs közötti tömegszámkülönbség Pl. 500-as felbontás esetén az 1000-es és az 1002-es tömegszámú csúcsot külön jelzi, az 1000-es és az 1001-es tömegszámú csúcs egybeolvad.

14.2. A tömegspektrometria műszerei Csoportosítás a tömeganalizátor szerint: a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer c) Kvadrupol tömegspektrométer d) Repülési idő tömegspektrométer

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer 14.1.

Spektrum: mágneses tér változtatásával vagy gyorsító feszültség változtatásával Felbontás: 100-tól néhány 1000-ig

b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer Az ionok elválasztása két lépésben, elektromos térrel és mágneses térrel Felbontás: néhány tíz ezertől 100 ezerig

Kettős fókuszálású tömegspektrométer 14.2.

c) Kvadrupol tömegspektrométer Négy elektród (párhuzamos fémrudak) Közöttük halad az ionsugár. Két-két szemben lévő elektród mindig azonos potenciálon van. A potenciálnak váltóáramú és egyenáramú komponense is van.

Kvadrupol tömegspektrométer 14.3.

Az elektródok feszültsége az idő függvényében 14.4.

Adott feszültség-amplitúdók esetén egy bizonyos tömegtartományba eső ionok oszcillálnak. Még mielőtt belezuhannának az egyik elektródba, megfordul a polaritás. Így az ionok végigjutnak a rudak közötti üregen és elérik a kilépő rést. Az eltérő m/e-vel rendelkező ionok egyre nagyobb amplitúdóval oszcillálnak, és belezuhannak valamelyik elektródba.

Előnyök: gyors (nem a mágneses teret változtatjuk) m/e lineárisan változik a térerősséggel Felbontás: max 3000

d) Repülési idő tömegspektrométer (TOF: Time Of Flight) Az iongyorsítóban a különböző tömegű (de azonos töltésű) ionok azonos energiára tesznek szert: A nagyobb tömegűek kisebb sebességűek, a kisebb tömegűek nagyobb sebességűek lesznek.

Repülési idő tömegspektrométer Felbontás: néhány száztól néhány ezerig 14.5.

14.3. A tömegspektrometria alkalmazása a) Analitikai alkalmazás b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata c) Fizikai kémiai alkalmazás

a) Analitikai alkalmazás Móltömegek meghatározása Gázkeverékek kvantitatív analízise Nyomelemzés Elemanalízis Gázkromatográfiával kombinált tömegspektrometria (GC-MS) Izotóp-arány mérés

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata A csúcsok típusai: Molekulacsúcs Fragmens csúcsok M +  A + +B Többszörös töltésű csúcsok Metastabil csúcsok (rövid élettartamú ionok)

Tiofén 14.6.

N-bután 14.7.

N-bután 1) molekulacsúcs m/e = 58-nál viszonylag kis intenzitású 2) m/e = 43-nál van a legvalószínűbb csúcs = 15, tehát egy metil-csoport hasadt le, C 3 H 7 + ionból származik 3) m/e = 59-nél kis csúcs, 13 C illetve 2 H természetes jelenléte miatt (szatelit csúcs) 4) m/e = 29 C 2 H 5 + de C 4 H is. 5) m/e = 25,5 51-es, 2-szeres töltésű ion.

c) Fizikai kémiai felhasználás Ionizációs energia (potenciál) meghatározása Ionizációs potenciál az a minimális energia, amely az ion képződéséhez szükséges. Az ionizáló elektronok energiájának függvényében mérjük az intenzitást.

Ionizációs hatásfok görbe 14.8.

További fizikai-kémiai alkalmazási területek: - Ionok, gyökök képződéshője - Kötési energiák - Reakciókinetikai vizsgálatok