Transcript MS II
Hmotnostní spektrometrie (2) 360 D AC y_1 b s g Gri V _HC a b do Chu _ 2 1 100 340 ) .677 0 ( 2 C1 320 300 280 57 71 43 % 55 69 41 28 29 32 27 0 85 83 81 67 95 93 79 67 54 183 65 1 5 15 111 7 53 125 127 13 1 180 3 1 9 1 9 160 97 105 100 80 60 40 20 Josef Chudoba 140 120 197 211 200 225 220 260 240 Využití MS - kvalitativní analýza Electron Impact ionizace (EI + 70 eV) Databáze spekter GC/MS LC/MS MS/MS experimenty Využití MS - kvantitativní analýza Kalibrace technikou s vnitřním standardem Úprava vzorků pro MS analýzy SPE, SPME, extrakce ……. Speciální aplikace MS ICP-MS, Isotope Ratio MS Elektronová ionizace (EI + 70 eV) Ionty vznikají interakcí molekuly s proudem elektronů o definované energii (70 eV) Molekulový ion – lichý počet počet elektronů Neutrální molekula – sudý počet elektronů Ionizační energie (IE) – energie nutná k odtržení elektronu z molekuly Elektronová ionizace (EI + 70 eV) Molekulový ion informace o hmotnosti popř. chemickém složení látky, ion s lichým počtem elektronů, jeho m/z nejvyšší v MS spektru (mimo ionty izotopických příspěvků a pozadí); v MS spektru existují také nižší fragmenty s m/z molekulového iontu zmenšenou o logickou ztrátu neutrálních molekul a fragmentů Povolené ztráty m/z Zakázané ztráty m/z 4 - 14, 21 - 25 Jsou-li přítomny tyto fragmenty v MS spektru , sledovaný ion určitě není molekulární. 15 CH318 H2O 28 C2H4 nebo CO 35 Cl 36 HCl Podle intenzity izotopických fragmentů lze poznat přítomnost Cl, Br, lze zjistit počet atomů uhlíku fragmentu R+DB musí být celé číslo (R+DB = C -1/2 H + 1/2N +1) Elektronová ionizace (EI + 70 eV) Fragmentace molekulového iontu a dalších vzniklých iontů Homolytické štěpení Heterolytické štěpení Přesmyky Elektronová ionizace (EI + 70 eV) Fragmentace EI+ 70 eV 120 – 91 = 29 Ztráta neutrální částice (molekuly nebo radikálu) z rozdílů hmot píků se získají tzv. neutrální ztráty vypovídají o struktuře molekuly Běžné neutrální ztráty EI+ (70 eV) ionizace Série nízkých iontů (1) - EI+ (70 eV) ionizace Série nízkých iontů (2) - EI+ (70 eV) ionizace EI + 70 eV: MS spektra - alkany n-dekan C3H7+ C4H9+ inkrement CH2 C5H11+ C6H13+ C7H15+ C8H17+ EI+ 70 eV: MS spektra alkanů (2) n-alkan iso-alkan n-C8 iso-C8 iso-C8 n-C22 EI+ 70 eV:MS spektra alkenů a cykloalkanů alken alkylcyklopentan alkylcyklohexan MS spektra alkenů jsou podobná cykloalkánům EI+70 eV: MS spektra aromátů alkylsubstituované benzeny chudší fragmentace stabilní arom. kruh, fragmenty z alkylu nejintenzivnější píky 91 / 92 (tropilium) molekulový ion (toluen 92, xyleny 106, triMeBenzeny 120, atd.) butylbenzen M+ 78 78 100 50 51 0 15 10 20 (mainlib) Benzene 39 26 30 40 50 60 M+ 134 74 63 70 80 90 EI+ 70 eV: MS spektra polyaromátů 51_PAH_EPAstandMixk_2 Magnet EI+ TIC 4.77e4 benzo(a)antracen 100 Benzo(a)pyren 51_PAH_EPAstandMixk_2 1915 (19.343) Cm (1914:1918-(1918+1910)) Magnet EI+ 9.41e3 252 M+ = 252 % 100 51_PAH_EPAstandMixk_2 1855 (18.737) Cm (1855:1856-(1856+1854)) Magnet EI+ 1.66e3 252 % 100 0 18.20 Time 18.40 18.60 18.80 19.00 19.20 19.40 19.60 19.80 20.00 20.20 20.40 250 253 % M /2 = 126 0 43 50 51 62 63 50 60 68 74 75 70 77 84 80 87 88 99 100 90 126+ 125 113 124 127 112 123 135 100 110 120 130 248 147 140 150 150 158 161 160 173 174 175 170 180 187 198 200 190 207 200 211 222 210 224 225 220 237 239 230 240 250 254 m/z 260 253 250 Benzo(b)fluoranthen 248 126 0 43 44 54 55 57 50 60 65 69 73 74 81 70 80 87 93 96 100 90 100 125 113 124 112 123 110 120 127 130 130 143 140 147 151 150 224 155 165 170 177 160 170 180 186 198 200 206 213 223 190 200 210 220 225 235 237 230 240 M+ = 252 254 250 m/z 260 geometrické izomery PAU prakticky nelze rozlišit pomocí MS intenzivní molekulový iont M+ (m/z ; z=1) + 2x nabitý mol. iont (m/z ; z=2) POZOR !!! nejedná se o fragment!!! EI+ 70 eV:MS spektra alkoholů m/z 31 1-hexadecanol 1-hexadecen Alkoholy – podobná spektra jako alkeny, lze je rozlišit podle iontu m/z 31 (alkeny nemají), mají navíc velmi malý molekulový ion, nebo úplně chybí EI+70 eV: MS spektrum - aromatický alkohol benzylalkohol molekulový ion inkrement OH inkrement CH2OH m/z 109 M+1 izotop 13C fenyl+ tropylium+ EI+70 eV: MS spektrum – dusíkaté látky - amíny 86 100 Triethylamin N 50 30 58 101 44 15 18 0 10 20 (mainlib) Triethylamine 100 32 30 52 40 56 50 72 60 84 70 80 90 100 Anilin 110 93 NH2 50 66 0 15 10 20 (mainlib) Aniline 28 31 30 39 41 40 52 50 63 60 74 78 70 80 86 90 100 EI+70 eV: MS spektrum – dusíkaté látky nitrosloučeniny 2,4,6 - trinitrotoluen 210 100 O O N N O O 50 N 89 30 63 39 15 0 134 76 51 O O 105 10 30 50 70 90 (mainlib) Benzene, 2-methyl-1,3,5-trinitro- 110 149 120 130 180 193 164 150 227 170 190 210 230 46 100 RDX plastická trhavina M = 222 Da 30 O O O N N N N O 50 N 42 56 120 75 128 N 71 83 0 102 O 112 133 148 O 205 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 (mainlib) 1,3,5-Triazine, hexahydro-1,3,5-trinitro- EI+ 70 eV: Knihovny MS spekter Univerzální komerční databáze National Institute of. Standards and Techn NIST 05 John Wiley & Sons Wiley Registry 8th Ed. Pallisade MS Pallisade Complete 190 825 spekter (163 198 sloučenin) 399 383 spekter > 600 000 spekter Oborové komerční databáze John Wiley & Sons Biomarkes John Wiley & Sons Steroids 1110 spekter 2979 spekter Oborové free-ware databáze American Academy of Forensic Science (AAFS) “Comprehensive drug LIbrary “(http://www.ualberta.ca/~gjones/mslib.htm) The Int. Association of Forensic Toxicologosts (TIAFT) “Derivatives of Drugs “(http://www.tiaft.org/main/mslib.html) EI+ 70 eV: Knihovny MS spekter – počítačové vyhledávání Změřené MS spektrum je porovnáváno s databázovými spektry podle různých algoritmů PBM - Probability Based Matching (McLafferty & Stauffer) – rok 1976 Dot Product (Finnigan/INCOS) – rok 1978 Mass Spectral Tree Search (Mistrik) – od roku 2000 (pro MS/MS experimenty, LC/MS aplikace) Weighted Dot Product (Stein) – od r. 1993 algoritmus součástí NIST SEARCH programu Forward search – porovnává všechny píky spektra, nejvíce podobná spektra přiřadí Reverse search – nebere v úvahu všechny píky měřeného spektra, píky, které se neshodují s přířazeným databázovým spektrem ignoruje EI+70 eV: Identifikace podle databázových MS spekter Výsledkem porovnání měřeného MS spektra s databázovými je několik spekter (HITů) - o kvalitě knihovního nálezu vypovídá tzv. MATCH factor (0-999) – vyšší hodnota – lepší shoda EI+70 eV: Identifikace podle databázových MS spekter Vysoký MATCH faktor nemusí vždy znamenat správný výsledek !!! Podobné látky mohou mít odlišná MS spektra, ale … 130 100 Si N 73 Si 50 0 47 59 59 91 65 91 147 105 114 102 163 179 188 163 132 147 204 206 O 294 220 280 179 Si N 50 100 O 44 Si 73 116 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 N-Methylphenylethanolamine, bis(trimethylsilyl)Silanamine, N,1,1,1-tetramethyl-N-[1-methyl-2-phenyl-2-[(trimethylsilyl)oxy]ethyl]-, [S-(R*,R*)]- EI+70 eV: Identifikace podle databázových MS spekter Vysoký MATCH faktor nemusí vždy znamenat správný výsledek !!! Ale odlišné látky mohou mít i podobná MS spektra 43 100 55 70 83 97 50 29 111 27 125 65 15 0 32 140 139 154 153 168 196 168 196 125 27 111 29 50 97 41 100 10 20 30 40 69 55 50 60 1-Tetradecene 70 83 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Cyclotetradecane 190 200 210 GC/MS: pomoc při identifikaci Kovatsův retenční index (RI) RI = 100n + 100[log(tx) − log(tn)] / [log(tn+1) − log(tn)] n-C16 n-C17 n-C15 17_V14_1 100 tn n-C14 n … počet atomů uhlíku n-alkánu před sloučeninou X n-C18 Magnet EI+ TIC 7.25e5 tn+1 tn … retenční čas n-alkánu před sloučeninou X tx % tn+1 … retenční čas n-alkánu za sloučeninou X tx … retenční čas sloučeniny X 0 11.00 log .. přirozený logaritmus Time 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.50 15.00 Hodnoty RI jsou dostupné pro celou řadu látek a podmínek – fáze GC kolony (nepolární vs polární), teplotní program separace atd. http://webbook.nist.gov/chemistry/ NIST 05 MS knihovna LC/MS: kvalitativní analýza Sprejové ionizační techniky poskytují pseudomolekulové ionty resp. adukty molekulového iontu s některými kationty (pozitivní režim) nebo anionty (negativní režim). Často vznikají při ionizaci i oligomery sloučenin nebo v ESI vícenásobně nabité ionty. Pozitivní režim Negativní režim M + 1 (H+) M - 1 ( - H+) Možné adukty Možné adukty M + 23 (Na+) M + 22 (Na+ -H) M + 39 (K+) M + 45 (COOH-) M + 32 (CH3OH) M + 59 (CH3COO-) M + 41 (CH3CN) M + 58 (NaCl) M + 41 (CH3CN) LC/MS: kvalitativní analýza Vícenásobně nabité ionty Velké molekuly (ESI) – série iontů – nestejné rozdíly mezi m/z – příklad koňský myoglobin (M = 16951 Da) Určení náboje a celkové hmotnosti molekuly: m1 a m2 .. m/z dvojice sousedních iontů, n1 a n2 jejich náboj (z), X adukt k molekulovému iontu m1 = [M+n1X]/n1 m2 = [M+n2X]/n2 n2 = (m1-X)/(m2-m1) m1 = 1413, m2 = 1542, odhad X = 1 n2 = 10.94 , Mcalc = 16951 Da m1 = 1305, m2 = 1413, odhad X = 1 n2 = 12.07, Mcalc = 16944 Da LC/MS: kvalitativní analýza Vícenásobně nabité ionty malé molekuly – příklad dvounásobně nabitý ion – poloviční rozdíl u m/z mezi izotopy CalixMB20_1 #20 RT: 0.54 AV: 1 NL: 1.72E6 T: FTMS + p ESI Full ms [500.00-3800.00] 1240.2731 z=2 100 1240.7747 z=2 90 CalixMB20_1 #20 RT: 0.54 AV: 1 NL: 4.74E4 T: FTMS + p ESI Full ms [500.00-3800.00] 2479.5364 z=1 100 [M+2H]2+ CH3 H3C CH3 H3C 70 1241.2762 z=2 50 O 40 OH O OH O O O 1241.7780 z=2 O 1240.6763 z=? 20 10 1239.5 1240.0 1240.5 2478.5283 z=1 70 60 50 O 2481.5388 z=1 O 40 O NH NH 30 2482.5435 z=1 N N 20 1242.2793 z=2 1241.9204 z=? 1240.8738 z=? 1240.1433 z=? 0 O NH NH 80 H H 30 Relative Abundance CH3 CH3 1239.7716 z=2 60 z=1 90 z=2 80 2480.5383 z=1 2479.0459 z=? 10 CalixMB20_1 RT: 0.54 1241.0 1241.5 #20 1242.0 1242.5 AV: 1 NL: 1.72E6 T:m/zFTMS + p ESI Full ms [500.00-3800.00] 1240.2731 z=2 100 995.5652 z=1 90 HN NH O 2479.8606 z=? 2480.8804 z=? 0 O 2478 2479 2480 2481 HO HO 80 C156 H204 N8 O18 CH3 70 Relative Abundance D 1 Da M = 2477,5292 Da 60 50 [M+H]+ = 2478,5372 Da 40 1296.2485 z=2 20 10 684.2023 z=1 915.6678 z=1 1104.7693 z=? 1463.9445 z=2 0 600 800 1000 1200 2483 O H3C 30 2482 m/z O CH3 D 0,5 Da 2483.5493 z=1 2482.2180 z=? 1400 1727.0635 2006.4622 2213.8513 z=2 z=2 z=? 1600 m/z 1800 2000 2200 2479.5364 z=1 2400 2600 [M+H]+ kvalitativní analýza – kombinace více ionizačních technik H SV2141_2 #6 RT: 0.35 AV: 1 NL: 2.64E7 T: FTMS + p APCI corona Full ms [420.00-1500.00] 555.1196 100 H H H H H H H H H H H H O O 90 O O O Cl 80 O 70 O O O O 60 APCI+ 50 F F 40 F F F F F 30 [M+H] + F F 523.0938 F F F F 20 675.1412 1245.3588 10 577.5190 717.1071 837.1286 0 500 600 700 800 957.1498 1005.3161 1125.3376 900 m/z 1000 1100 1277.3851 1200 1300 kvalitativní analýza – kombinace více ionizačních technik H ESI+ SV2141_1 #3 RT: 0.11 AV: 1 NL: 6.71E4 T: FTMS + p ESI Full ms [400.00-1500.00] 467.1019 z=1 100 O H H H H H H H H H H H O O 90 H O O Cl O 80 O O O 70 O 60 685.4355 z=1 50 F F 40 30 0 400 F F F F 541.1207 z=1 [M+Na] + F F F F F F 978.7673 z=1 20 10 F 950.7360 z=1 615.1395 z=1 600 777.2291 z=? 906.7097 z=1 800 1114.9290 z=1 1000 m/z 1267.3400 z=1 1200 1443.9597 z=? 1400 kvalitativní analýza – kombinace více ionizačních technik EI+ 70 eV H O O O O O Cl O O O O O F F F F F F F F F F F F F H H H H H H H H H H H H LC/MS/MS: kvalitativní analýza Lze měřit jen s IT, QqQ, nebo hybridními MS spektrometry (Q-TOF,IT-Orbitrap) 1.Separátor výběr iontu -> „definované rozbití” iontu v kolizní cele -> analýza produktů 2. analyzátorem SV2141_2 #18 RT: 2.77 AV: 1 NL: 5.66E3 F: FTMS + p APCI corona Full ms2 [email protected] [340.00-1500.00] 523.0939 100 90 APCI pos MS spektrum SV2141_2 #19 RT: 2.79 AV: 1 NL: 1.73E7 F: FTMS + p APCI corona Full ms [420.00-1500.00] 555.1196 100 MS2 -MS/MS z [M+H]+ 80 70 80 Relative Abundance 90 [M+H]+ 70 60 H 60 1245.3583 H H H H H H H H H H H H 50 40 50 30 40 20 957.1501 30 10 20 675.1410 479.4822 10 577.5189 717.1070 0 500 600 700 957.1494 837.1282 891.4597 989.1754 800 900 m/z 1000 1200 726.7733 902.5043 847.3182 1205.6310 1032.2964 1277.3850 0 1245.3583 1213.2241 1125.3373 1277.3846 1100 452.3420 577.8984 643.1150 500 600 700 800 900 m/z 1000 1100 1200 1300 O O 1300 SV2141_2 #47 RT: 8.42 AV: 1 NL: 4.41E4 F: FTMS + p APCI corona Full ms3 [email protected] [email protected] [140.00-1500.00] 523.0939 100 O O O Cl O 90 80 O O O Relative Abundance 70 O 60 50 MS3 - MS/MS z m/z 523 40 30 F 289.2163 20 10 F 444.7758 353.1791 643.1158 719.8121 1245.3589 957.1498 F 1479.2357 1065.1304 400 600 800 m/z 1000 1200 F F 0 200 F F 1400 F F F F F F LC/MS/MS: kvalitativní analýza Aby se rozdělily jen podle m/z muselo by být R = 740 000 SV2141_2 (0.000) Cu (0.10); Is (1.00,1.00) C15H32N5O6Cl2 100 448.1730 C15H31N5O6Cl2 + H m/z 448,1730 Scan ES+ 4.68e12 % 450.1730 449.1730 451.1730 452.1652 0 SV2141_2 (0.185) Cu (0.10); Is (1.00,1.00) C24H27NO6Na Scan ES+ 7.50e12 448.1736 C24H27NO6 + Na m/z 448,1736 % 100 449.1736 450.1814 0 mass 448 449 450 451 452 453 Zdroj: Shimadzu LCMS-IT-TOF brochure 454 MS: Kvantitativní analýza CÍL: 1. Potvrzení, že jde skutečně o sledovaný analyt 2. Zjištění jeho koncentrace ve vzorku Ad 1: většinou se jedná o chromatografické analýzy (GC/MS resp. LC/MS) – znám retenční čas (RT) EI+ 70 eV: TIC režim (menší citlivost) – pro identifikaci k dispozici celé MS spektrum SIM režim (vyšší citlivost) – vždy je lépe snímat alespoň dva charakteristické ionty (identifikaci může potvrdit poměr jejich odezev) ESI, APCI: MRM (Multiple Reaction Monitoring) – MS/MS technika – 1 analyzátor SIM (výběr iontu) – 2. analyzátor kolize – 3. analyzátor SIM (více iontů, sleduje se poměr odezvy) LC/MS/MS: Kvantitativní analýza Příklad využití MRM Izotopicky označený standard – stejné retenční chování, jiná molekulová hmotnost – používá se jako vnitřní standard (Internal Standard – IS) Kvalitativní informace: retenční čas a přítomnost dceřinného iontu (m/z) popř. poměr ploch píků stop více dceřiných iontů Kvantitativní informace: plocha píků dceřinného popř. dceřiných iontů (m/z) pro analyt a vniřní standard Zdroj: Agilent technologies 5989-9665 App. Note MS: Kvantitativní analýza Vnitřní standard (Plocha Ais) Kalibrační přímka A/Ais Analyt (Plocha A) c .. Koncentrace A/Ais = RRF . c/cis RRF .. Relativní odezvový faktor c/cis Směrnice přímky je RRF Kalibrace s použitím vnitřního standardu Přítomnost vnitřního standardu snižuje vliv kolísání odezvy MS detektoru, u GC chybu při nástřiku atd., jako vnitřní standard lze použít i podobnou sloučeninu ne izotopicky značenou MS: Kvantitativní analýza Signál (signal) Kalibrační rozsah split 1:60 1 ul 50 mg/ml 21_V13aro_1 A/Ais 1: Magnet EI+ 134 2.56e3 5.43 100 % Šum (noise) 5.57 0 Time 5.30 5.35 5.40 5.45 5.50 5.55 5.60 5.65 5.70 LOD ~ 3 x (Anoise/Ais) / RRF c/cis Mez detekce (Limit of Detection - LOD) Mez stanovitelnosti (LOQ - Limit of Quantification) LOQ ~ 10 x (Anoise/Ais) / RRF 5.75 MS: Kvantitativní analýza – citlivost MS spektrometrů Specifikace výrobce: pro konkrétní sloučeninu a podmínky – udává se poměrem signál/šum pro absolutní detekované množství sloučeniny – zpravidla se jedná o množství v řádu pikogramů (pg = 10-12g) nebo femtogramů (fg = 10-15g) C10F8 GC/MS: splitless nástřik: 1 pg oktafluorunaftalenu (OFN) – SIM režim m/z 272 - S/N > X LC/MS/MS: FIA: ESI+ 100 fg reserpine MRM: m/z 609 ->m/z 397 a 447 S/N > X C33H40N2O9 Nejmenší absolutní detekované množství : SIM (MRM): řádově fg-pg TIC (Full Scan): řádově pg-ng Maximální abs. detekované množství: dané dynamickým rozsahem cca 3-5 řádů tzn. SIM (MRM) ng ;TIC (Full Scan) mg vždy však záleží na typu sloučeniny – odezva MS detektoru není univerzální Předúprava vzorků Cíl: zjednodušení matrice vzorku (odstranění interferujících sloučenin) zakoncentrování analytu ve vzorku změna rozpouštědla např. voda není vhodná pro GC/MS analýzu Způsoby předúpravy: filtrace centrifugace zakoncentrování odpařením extrakce (rozpouštědlová, Soxhlet) SPE (Solid Phase Extraction) Purge and Trap SPME (Solid Phase Microextraction) Pro těkavé sloučeniny (VOC) Předúprava vzorků: SPE – Solid Phase Extraction Vzorek (analyt s matricí) je nanesen na kondiciovanou vrstvu sorbentu. Matrice je oddělena a zakoncentrovaný analyt je eluován malým objemem vhodného rozpouštědla. Normální uspořádání fází Polární sorbent, nepolární rozpouštědlo Reverzní uspořádání fází Nepolární sorbent, polární rozpouštědlo Iontová výměna pro iontové sloučeniny Předúprava vzorků: SPME (Solid Phase Microextraction) Slouží pro zakoncentrování a analýzu těkavých sloučenin z plynných matricí nebo těkavých a semitěkavých sloučenin z vody Vlákno: polymerní sorbent na nosiči: Carboxen 75 mm/ Poludimethylsiloxan (PDMS) 85 mm těkavé látky Mw 30 – 225 Da PDMS 100 mm těkavé látky Mw 60 – 275 Da PDMS 30 mm semitěkavé nepolární Polyakrylát (PA) 85 mm semitěkavé polární Kompatibilita s vodnou matricí Předúprava vzorků: Purge and Trap (P-T) Slouží pro zakoncentrování a analýzu těkavých sloučenin z vody Vzorek je vystripován z vody proudem plynu (dusík, He) a organické látky jsou sorbovány na sorbent Sorbent je desorbován, organické látky zakoncentrovány a přeneseny na GC kolonu ICP-MS (Indukčně vázaná plazma – hmotnostní spektrometrie) Stopová analýza prvků (kovů) ICP-MS (Indukčně vázaná plazma – hmotnostní spektrometrie) Způsob dávkování vzorku: Kapalina: tvorba aerosolu Pevné látky: Laserová ablace ICP-MS (Indukčně vázaná plazma – hmotnostní spektrometrie) ICP torch – tvorba iontů ICP-MS (Indukčně vázaná plazma – hmotnostní spektrometrie) ISOTOPE RATIO MASS SPECTROMETRY Využití v geologii, archeologii, kriminalistice Organická látka je katalyticky spálena na CO2 (CuO/Pt~ 800°C), voda je odstraněna přes NAFION membránu a CO2 je detekován pomocí MS (obvykle dva detektory jeden na 13 CO2 m/z 45 a druhý na 12 CO2 m/z 44) Standartní ref. látka – CaCO3 Pee Dee Belemnite (PDB) – rozkladem CO2 s poměrem pPDB =13C/12C = 0,01123 d 13C = 1000 * (pvzorek – pPDB)/pPDB CO2 výdech lidi Evropa CO2 výdech lidi USA Fosilní paliva Methan atmosféra Fosilní paliva CO2 atmosféra PDB