1 maghéj jelölése: nℓ j A j kvantumszámú héjon 2j+1 nukleon fér el. (Az egy héjon lévő nukleonok m j kvatumszámukban különböznek, m j –j-től + j-ig 2j+1 értéket vehet fel). A protonoknak és a neutronoknak külön maghéj-rendszerük van, az azonos jelölésű energiaszintjeik nem esnek egybe. A maghéjmodell összefoglalása

2 Alapállapotú magok magspinkvantumszámai a maghéjmodel alapján ZNrészben betöltött maghéj I 1H1H10 1s 1/2 1/2 11 B56 1p 3/2 3/2 13 C67 1p 1/2 1/2 15 N78 1p 1/2 1/2 17 O89 1d 5/2 5/2 19 F910 1d 5/2 5/2 helyett 1/2 23 Na1112 1d 5/2 5/2 helyett 3/2 29 Si1415 2s 1/2 1/2 31 P1516 2s 1/2 1/2

I jelentősége az NMR spektroszkópiában: A kvadrupólussal rendelkező magok NMR-jele szélesebb. Az I = ½ magoknak nincs kvadrupólusa, az I = 1,2.. és az I = 3/2, 5/2… magoknak van. Maghéjmodel az interneten:

13 C- 1 H spin-spin csatolás 13 C NMR spektrumban glükóz C1 szénatomjának jele 2J(CH): 160 Hz 3J(CH) 5,7 Hz J. Cyr, Can. J. Chem. 56, 297 (1978) 4

14.1. A tömegspektrometria alapjai A tömegspektrometria műszerei A tömegspektrometria alkalmazása 14. TÖMEGSPEKTROMETRIA 5

14.1. A tömegspektrometria alapjai Izolált, ionizált részecskék tömeg-töltés arányuk szerinti elválasztása Angolul: Mass Spectrometry (MS) 6

A tömegspektrométer fő részei 7 ionizátor ion gyorsító tömeg- analizátor detektor mintabevitel jelfeldolgozás vákuum

Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer 8

Egyszeres fókuszálású készülék: Az anyagot ionizálják, az ionokat először elektromos térben gyorsítják, majd mágneses térben elválasztják. A részecske tömege m, elektromos töltése e. U feszültséggel gyorsítjuk. 9

A kinetikus energia: 10

Homogén mágneses térbe kerül. (A mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára) Lorentz erő: e: az ion töltése (az elemi töltés egyszerese, kétszerese, stb.) v : az ion sebessége B : a mágneses indukció 11

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. 12

13

Töltött részecskék szétválása mágneses térben 14

Az ionizáció módszerei 15 Gőzfázisú módszerek elektron ütközéses ionozáció kémiai ionizáció Deszorpciós módszerek szekunder ion tömegspektrometria bombázás gyors atomokkal MALDI Elektroporlasztásos ionizáció

Az ionizáció módszerei a) Elektronütközéses ionizáció (pozitív gyökion) (negatív gyökion) A pozitív gyökionok stabilabbak. A tömegspektrometria csaknem kizárólag pozitív ionok szétválasztásával foglalkozik. 16

e- M+M+ anód Izzószál (termikus elektronemisszió) minta (gőz) ion gyorsító rések 1.rés: taszító (+) 2. rés: vonzó (-) 3. rés vonzó (-----) Elektronütközéses ionizáció (electron impact, EI) ütköző e - en. 70keV 17

Fragmentáció Az ionok tovább bomlanak párhuzamos és konszekutív reakciókban 18

b) Kémiai ionizáció (CI): ez is EI, de a mintához nagy feleslegben (~ 0,5 Torr) reagens gázt (CH 4, NH 3, izobután) adnak Elsősorban a reagens gázok ionizálódnak, ezek ütköznek a vizsgálandó molekulákkal. Főleg MH + ionok (molekulacsúcs) keletkeznek: a molekulacsúcs azonosítására szolgál. 19

20 Citronellol kémiai ionizációs tömegspektruma Reagensgáz: i-C 4 H 10 EI, fragmentáció: i-C 4 H 10 → i-C 4 H 9 + CI: M + i-C 4 H 9 + → MH + + i-C 4 H 8 (proton átadás) Ionization.pdf

21 Citronellol EI-vel és CI-vel kapott tömegspektruma

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. 22

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 23

John B. Fenn Koichi Tanaka The Nobel Prize in Chemistry 2002 "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" 24

A repülő elefánt (biológiai makromolekulák ionjai gőzfázisban) 25

e) MALDI = matrix-assisted laser desorption-ionisation (Tanaka) mátrix: aromás sav 26

f) Elektroporlasztásos ionizáció ESI = Electrospray Ionisation (Fenn) 3000 V 27

Detektor: elektronsokszorozó Katód az ionok detektálására érzékeny Nincs ablaka (nagy vákuumban van) 28

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. 29

14.2. A tömegspektrometria műszerei Csoportosítás a tömeganalizátor szerint: a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer c) Kvadrupol tömegspektrométer d) Repülési idő tömegspektrométer 30

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer 31

Spektrum: mágneses tér változtatásával vagy gyorsító feszültség változtatásával Felbontás: 100-tól néhány 1000-ig 32

b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer Az ionok elválasztása két lépésben, elektromos térrel és mágneses térrel Felbontás: néhány tíz ezertől 100 ezerig 33

Kettős fókuszálású tömegspektrométer 34

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. 35

Kvadrupol tömegspektrométer 36

Az elektródok feszültsége az idő függvényében 37

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. 38

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

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. 40

Repülési idő tömegspektrométer Felbontás: néhány száztól néhány százezerig 41

14.3. A tömegspektrometria alkalmazásai a) Analitikai alkalmazások b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata c) Polimerek vizsgálata d) Proteomika: fehérjék vizsgálata 42

a) Analitikai alkalmazás Móltömegek meghatározása Gázkeverékek kvantitatív analízise Nyomelemzés Elemanalízis Kromatográfiával kombinált tömegspektrometria (GC-MS, LC-MS) Izotóp-arány mérés 43

44 Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS) Példa: klozapin elemanalízise Módszer: (ESI)MS-TOF

1H1H 1,0078 2H2H 2, C12, C13, N14, O15, Cl34, Cl36, C 18 1 H Cl 14 N 4 326,1295 (kém. Ionizáció miatt) 12 C 18 1 H Cl 14 N 4 327, C C 1 H Cl 14 N 4 328, C 18 1 H Cl 14 N 4 329,1343 Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS) Pontos izotóptömegek Számított pontos molekulatömegek 45

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata A csúcsok típusai: Molekulacsúcs Fragmens csúcsok M +  A + +B Többszörös töltésű csúcsok Metastabil csúcsok (rövid élettartamú ionok) 46

Tiofén 47

n-bután 48

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. 49

Polisztirol analízise MALDI-TOF tömegspektrométerrel es molekulatömegű polisztirol Mátrix: 2-nitrofenil-oktiléter U. Bahr, Anal. Chem. 64, 2466 (1992) c) polimerek vizsgálata 50

d) fehérjék szerkezetvizsgálata 1. lépés: Fehérje bontása enzimmel peptidekre 51

d) fehérjék szerkezetvizsgálata Fehérje bontásából előállított peptid spektruma (MS/MS) 2. lépés 52