HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE

Princip metody

Určování hmotnosti atomů, molekul a jejich částí po převedení na kladné nebo záporné ionty; informace o struktuře látek. Principem není interakce mezi analyzovanou látkou a zářením!

EXPERIMENTÁLNÍ USPOŘÁDÁNÍ

Iontový zdroj:

ionizace vzorku (! výtěžek cca 0,01%) + fragmentace

Hmotnostní analyzátor (disperzní prvek):

rozdělení směsi iontů o různých hmotnostech v prostoru nebo v čase

Detektor:

vytvoření signálu úměrného počtu dopadajících iontů

Vakuový systém:

nutno pracovat za nízkého tlaku

Ionizace vzorku

a) Ionizace nárazem elektronů (

electron impact,

EI) b) Chemická ionizace (CI) c) Ionizace elektrickým polem (field ionization, FI) d) Desorpce polem (field desorption, FD) e) Ostřelování vzorků rychlými atomy (fast atom bombardment, FAB) f) Působení produktů rozpadu radioaktivního izotopu

(plasma desorption,

PD

)

g) Desorpční fotoionizace

(matrix assisted laser desorption ionization,

MALDI

)

h) Sprejové ionizace

a) Ionizace nárazem elektronů (

electron impact,

EI)

Tvrdá ionizační technika pro molekuly v plynné fázi: M + e  M +.

+ 2e M + e  M -.

(malá pravděpodobnost) Štěpitelnost: aromáty < konjugované polyeny < alicyklické uhlovodíky < nerozvětvené uhlovodíky < rozvětvené uhlovodíky

a) Ionizace nárazem elektronů (

electron impact,

EI)

b) Chemická ionizace (CI)

Měkká ionizační technika z plynné fáze. Energie urychlených elektronů přenášena na molekuly přes reakční medium (plyn, pára za tlaku 50–100 Pa  zvýšení mezimolekulárních interakcí). Použití CH 4 jako reakčního media:

CH 4 + e CH 4 + .

 

CH 4 +.

CH 3 + + CH 4 + CH 4 M + CH 5 + M + C 2 H 5 +

   

CH 4 +.

CH 3 + CH 5 + MH + MH + + 2e + H .

C 2 H 5 + + CH 3 .

+ H 2 + CH 4 + C 2 H 4

MH +

… kvasi-molekulární iont (relativní hmotnost o jednotku vyšší než původní Přenos

H +

molekula). mezi molekulami závisí na jejich afinitě k

H +

pouze některých složek ve směsi  selektivní ionizace

Reakční media pro chemickou oxidaci:

Reakční médium

He/H 2 H 2 CH 4 H 2 O CH 3 CH 2 CH 3 (CH 3 ) 3 CH NH 3

Reakční ion

HeH + H 3 + CH 5 + C 2 H 5 + H 3 O + C 3 H 7 + C 4 H 9 NH 4 +

Protonová afinita (kJ/mol)

176 423 532 666 686 762 817 867 Konstrukce zdroje prakticky shodná s EI (často kombinované EI-CI zdroje).

Další ionizační techniky

c) Ionizace elektrickým polem

(field ionization, hrotovou katodou a výstupní štěrbinou

FI

) Měkká ionizace z plynné fáze. Pole vysoké intenzity, vytvořené mezi

d) Desorpce polem

(field desorption,

FD

) Ionizace z kondenzované fáze. Pevný vzorek nanesen na povrch elektrody (pro netěkavé látky)

e) Ostřelování vzorků rychlými atomy

(fast atom bombardment,

FAB

) – atomy Ar, Xe, nebo

rychlými ionty

(secondary ion mass spectrometry,

SIMS

) – atomy Cs + Měkké ionizace z kondenzované fáze (pro nestálé netěkavé látky)

f) Působení produktů rozpadu radioaktivního izotopu PD

) 252 Cf (plasma desorption,

g) Desorpční fotoionizace

(matrix assisted laser desorption ionization,

MALDI

) - Nd-YAG Měkká ionizace z kondenzované fáze (analýza biopolymerů)

h) Sprejové ionizace

(termosprej -

TS

, elektrosprej

– ES) –

rozprašování kapalné fáze do vakua.

Princip termospreje Princip elektrospreje

h) Sprejové ionizace

Spojení HPLC – MS

h) Sprejové ionizace

Spojení HPLC – MS

Hmotnostní analyzátory

a) b) c) d) e)

Disperze vzniklých iontů podle poměru hmotnosti a náboje (m/z)

Typy analyzátorů

:

Magnetický analyzátor Elektrický analyzátor Kvadrupólový analyzátor Iontová past Průletový analyzátor

a) Magnetický analyzátor

Elektromagnet, mezi pólové nástavce vedeny ionty urychlené ve zdroji napětím V; kinetická energie: E dráhy, poloměr r k = 1/2 mv  2 = zV V magnetickém poli (indukce B) působí radiální a odstředivá síla – zakřivení BzV = mv 2 /r Spojením rovnic:

rovnice hmotnostního spektrometru

m/z = B 2 r 2 /2V

Ionty s různými poměry m/z opisují dráhy o různých poloměrech  disperze iontů různých hmotností prostorová

b) Elektrický analyzátor

Dvě sferické deskové elektrody připojené ke zdroji vysokého napětí. Dráha iontu průchodem zakřivována, poloměr dráhy dán E určité E k iontů z iontového zdroje k a intenzitou el. pole. Pro dané zakřivení elektrod a použitou intenzitu pole projdou jen ionty o , ostatní zachyceny na elektrodách. Energetické sjednocení proudu

Spektrometry s dvojitou fokusací

Nier – Johnson typ Mattauch – Herzog typ

c) Kvadrupólový analyzátor

Čtyři kovové tyče, připojené ke zdrojům stejnosměrného a vysokofrekvenčního střídavého napětí. Při vhodné velikosti a poměru napětí projdou pouze ionty o určitém m/z; při změně napětí další, ostatní zachyceny na stěnách. „Hmotnostní filtr“ pro levnější přístroje s nízkým rozlišením.

d) Iontová past

Vstupní a výstupní kruhová elektroda, středová prstencová elektroda s vysoko frekvenčním napětím. Ionty uvnitř pohyb po kruhových drahách

Princip činnosti iontové pasti:

A) Fáze záchytu: amplituda RF energie je aplikována v intervalu 0 – 30 ms; během této doby jsou vytvořeny ionty z molekul vzorku a jsou zadržovány v pasti B) Fáze analýzy: amplituda RF energie je zvětšována v intervalu 30 -85 ms; během které postupně opouštějí past ionty se zvyšující se poměrem m/z (hmotnostní analýza)

Průřez iontovou pastí

d) Iontová past

Fotografie řezu iontovou pastí Fotografie rozložené iontové pasti

e) Průletový analyzátor

Time of flight,

TOF

Ionty s nižším m/z rychlejší – doletí do detektoru dříve. Rozlišení přímo úměrné délce dráhy – znásobení průletové dráhy (reflektron).

Princip TOF

Urychlující pulz E Princip Time-of-flight S D Kinetická energie : E k



q



E



s



m



v 2 2 Doba letu : t



D



m 2



q



E



s

Sběr naměřených dat Čas Reflektron

e) Průletový analyzátor

TOF s reflektronem Orthogonální urychlení iontů

Detektory

a)

b)

pro přímé měření (detekce elektrického proudu vznikajícího přímým dopadem iontů)

násobičové

detektory – častější

s diskretním dynodovým polem:

při dopadu iontu na první elektrodu vyraženy elektrony, urychlené napětím, počet se dopadem na další dynody násobí (17 – 20 stupňové, zesílení 107 - 108)

Detektory

-

s kontinuální dynodou:

zakřivená trubice, při dopadu iontů vyraženy elektrony, urychleny, další dopady – lavinovitý růst -

scintilační fotonásobičové

: dopad iontů na scintilační stínítko, vznik fotonů, detekce fotonásobičem

INTERPRETACE HMOTNOSTNÍHO SPEKTRA

Molekulární ion

- ion s největší hmotností (kromě izotopických píků) - ion s nepárovým elektronem - intenzita podle struktury: s rostoucím počtem násobných vazeb a cyklů v molekule roste

Hmotnostní spektrum vody Hmotnostní spektrum chlorovodíku

Molekulární ion

Hmotnostní spektrum n-dodekanu

INTERPRETACE HMOTNOSTNÍHO SPEKTRA

Určení izotopického složení prvků

Skupina A: prvky s jedním stabilním izotopem (H, F, P, I) Skupina A + 1: 2 stabilní izotopy, lišící se o 1 hmotnostní jednotku (C, A) Skupina A + 2: 2 stabilní izotopy, lišící se o 2 hmotnostní jednotky (O, Si, S, Cl) Prvky s více stabilními izotopy tvořícími ve spektru charakteristické shluky (vzácné plyny)

INTERPRETACE HMOTNOSTNÍHO SPEKTRA

Určení počtu cyklů a dvojných vazeb ze sumárního vzorce

c+dv = x-1/2y+1/2z+1

FRAGMENTACE MOLEKUL

Obecná semiempirická pravidla.

a) Nejpravděpodobnější odtržení elektronu: nejnižší ionizační energie  nejvyšší vazebné molekulové orbitaly nebo nevazebné orbitaly (pořadí typy sloučenin:  ,  , n elektrony) b) Rozpad molekulárního iontu, fragmentační cesty pro jednotlivé

ABCD +.

 

A + A .

+ BCD .

+ BCD +

 

AB + AB .

+ CD .

+ CD +

  

ABC + ABC .

+ D .

+ D + AD +.

+ BC

Běžně odštěpované neutrální molekuly

Fragment Hmotnost Typ sloučeniny

HCN N 2 CO NO CH 2 O CO 2 CS NH 3 H 2 O NO 2 H 2 S SO 2 27 28 28 30 30 44 44 17 18 46 34 64 N-heterocykly, arylaminy Aryl-N=N-Aryl Cyklické ketony, fenoly Aromatické nitrolátky, N-nitroso Cyklické ethery, methoxysloučeniny Karbonáty, cyklické anhydridy Thiofenoly, thioethery Aminy Primární alkoholy, aldehydy, ketony Aromat. nitrolátky, nitroestery Primární thioly, methylsulfidy Sulfony

Obecné schema fragmentace

Studovány mechanismy fragmentace různých typů organických molekul  informace z hmotnostních spekter je použitelné pro určování struktury

ANALYTICKÉ APLIKACE

Kvalitativní analýza: identifikace látek srovnáním signálů s tabelovanými Stanovení atomové hmotnosti (izotopy), molekulové hmotnosti (molekulární ion) Určování struktury organických molekul: poloha a intenzita signálů (hlavně signály pro fragmenty vyšší hmotnosti, intenzita molekulárního iontu) Kvantitativní analýza: porovnání intenzit píků (výhoda u směsí – nejsou vzájemné interference). Velká citlivost, malá spotřeba vzorku.

Kombinace GC – MS, HPLC – MS, ICP – MS Aplikace v naftovém průmyslu, geologii, farmacii atd.