Dr. Abrankó László Tömegspektrometria (alapok) Kémiai vizsgálati módszerek csoportosítása: 1. Klasszikus módszerek Térfogatos módszerek Gravimetriás 2. Műszeres analitikai vizsgálatok (. vezetőkép.stb Elektroanalitikai módszerek (potenciometria, Termikus módszerek (DSC, DTA) Optikai (spektroszkópiai) módszerek Tömegspektrometriás módszerek Analitikai elválasztástechnikai módszerek 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. repülési idő tömegspektrometria 1
Mágneses térbe lépő töltött részecske pályája, a Lorenz-féle erő hatására elhajlik. mu R = 1 2 B z R B m z U a pálya sugara mágneses tér ereje a részecske tömege a részecske töltéseinek száma gyorsítófeszültség Tömegspektrum I. 12 C (98.89%) 13 C (1.11%) m/z 2
Tömegspektrum II. MW=580 m/z Fragmentáció I. M. m 1.(m... 2 m n) m m. 1 2 (m... 3 m n) m 1 m 2 m 3. (m... 4 m n )..... m i a molekulát alkotó elemi tömegek E szimultán reakciók mindegyike lejátszódik, de nem azonos valószínűséggel! a) CH 3 CH 2 CH CH 3. O C H α-hasadás töltés retenció (homolízis) CH 3 CH 2 O. CH C H CH 3 m/ z=29. O b) CH 3 CH 2 CH C H CH 3 CH 2 CH O töltés migráció CH 3 (heterolízis) CH 3 m/ z= 57 C. H Zingerone (gyömbér íz) Fragmentáció II. 4-(4-hydroxy-3-methoxy-phenyl)-butan-2-one MW=194.2 C 11 H 14 O 3 3
Fragmensek, fragmentumok eloszlása Karakterisztikus tömegspektrum Molekulatömegspektrometria Töltött részecskék: Molekulákból valamilyen ionizációs technikával előállított ún. MOLEKULAIONOK illetve töltéssel rendelkező molekula FRAGMENSEK Atomtömegspektrometria Töltött részecskék: Ionos állapotban lévő atomok. Ezeket atomspektroszkópiai módszereknél ismert atomizációs-ionizációs technikákkal állítjuk elő (pl.: SIMS, GDMS, ICPMS) 4
Tömegspektrométer Mintabevitel Ionforrás Tömeg analizátor Detektor Adatfeldolgozó Nagyvákuum (10-5 10-6 Pa) Ionforrás nincs vákuum alatt APCI, ESI, ICP források esetén 1911 J.J. Thompson ~1950 idő 1956 W. Pauli (Nobel-díj, 1989) ~1990 Atom-MS Molekula MS Fenn és Tanaka (ESI, MALDI) (Nobel-díj, 2002) Tömegspektrométer Mintabevitel Ionforrás Tömeg analizátor Detektor Adatfeldolgozó Nagyvákuum (10-5 10-6 Pa) 5
Mintabevitel M (gáz) M (foly.) gáz M (gáz) ionizáció M (szil.) Mintabevitel (gáz) Szakaszos (batch) Folytonos (continuous) közvetett (kapcsolóelemen keresztül) közvetlen (direkt) Open-split interfész (kapcsolóelem) 1 ml/min gáz (légköri nyomáson) = 10 7-10 8 ml/min MS nyomáson!! Mintabevitel (folyadék) Sampler cone Skimmer cone aeroszol Légköri nyomás: 10 5 Pa 10-4 -10-6 Pa P légkköri >> P MS (9-11 nagyságrend különbség!) 6
Moving belt Ionforrások Mintabevitel Ionforrás Tömeg analizátor Detektor Adatfeldolgozó Nagyvákuum (10-5 10-6 Pa) gáz M (gáz) ion M (foly.) M (gáz, semleges) M (ion) tömeganalizátor M (szil.) Ionokra hat az elektromágneses mező, azaz irányíthatók, fokuszálhatók! 7
Molekula MS Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI) Spray ionizáció Thermospray Electrospray Deszorpciós ionizáció Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) Elemanalitikai ionizációs technikák ICP Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) Electron Impact, EI Tömeganalizátor Electron Impact, EI 8
Negatív gyorsító potenciál Ionizációs hatásfok = keletkezett ionok/beérkező molekulák Ionoptika - 50 V - 10 V ionnyaláb 0 V - 100 V ionlencse Molekula MS Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI) Spray ionizáció Thermospray Electrospray Deszorpciós ionizáció Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) Elemanalitikai ionizációs technikák ICP Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) 9
Kémiai ionizáció (példa) Repeller elektród () Reagensgáz (pl.: metán) e - CH 4 CH CH 4 4 CH 4 e - CH 4 2e - CH 4 CH 4 CH 5 CH 3 CH 4 M Minta (M) M M (MH) (MH) M (MH) CH 5 M CH 4 (MH) (Vákuum) Protontranszfer (pszeudo-molekulaionok) Pl.: MW mehgatározás ha M nem stabil Vákuum APCI (atmoszferikus nyomáson, porlasztott folyadékokhoz) Eluens (aeroszol) ionizálódik (pl.: H 3 O) majd ezek az ionok protonálják az analit molekulákat Molekula MS Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI) Spray ionizáció Thermospray Electrospray Deszorpciós ionizáció Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) Elemanalitikai ionizációs technikák ICP Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) 10
Spray ionizáció I. (thermospray) Vákuum! minta fűtés A vákuumba porlasztott cseppekből gázfázisú ionok Thermospray ionizáció A vákuumba porlasztott cseppekből gázfázisú ionok keletkeznek Elektrospray ionizáció I. (electrospray ionization, ESI). porlasztógáz 5000 V 11
Elektrospray ionizáció II. (electrospray ionization, ESI). Az ionizáció folyamata #1. oldószer - - párolgás - - - - - - Felületi töltéssűrűség Coulombrobbanás - - - - Elektrospray ionizáció III. (electrospray ionization, ESI). Az ionizáció folyamata #2. - - - - oldószer párolgás Felületi töltéssűrűség eloszlatása -5000 V Spray ionizáció összefogalalás Lágy ionizáció (nincs, vagy kismértékű fragmentáció) Folyadékhalmazállapotú minta (LC-csatolhatóság) Nem illékony vegyületek Pozitív vagy negatív mód Többszörösen töltött ionok is keletkeznek Thermospray Vákuum Hőstabil vegyületek Electrospray Atmoszferikus nyomás Hőérzékeny vegyületek 12
Molekula MS Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI) Spray ionizáció Thermospray Electrospray Deszorpciós ionizáció Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) Elemanalitikai ionizációs technikák ICP Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) Deszorpciós ionizáció Az elsődleges nyaláb lehet atom (FAB), lézer foton Vagy közvetlenül a mintát bombázzuk Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionosation, MALDI) A keletkezett ionokat nagy térerejű (60-100 kv) gyorsítórendszer kiszívja a mátrixból 13
MALDI Atmoszferikus nyomáson, kondenzált fázisban lejátszódó ionizáció Mátrix megválasztásával, lézer szabályzásával, jól definiálható lágy ionizáció érhető el. Sokszorosan töltött molekulaionok képezhetők (10 6 Da tömegű molekulák meghatározására is alkalmas) Offline módon kapcsolható LC-hez, CE-hez. (Közvetett módon on-line módon is kapcsolható) Molekula MS Elektron ütközéses (Electron Impact, EI) Kémiai ionizáció (Chemical Ionization, CI) Atmoszferikus nyomású kémiai ionizáció (Atm. Press. Chem. Ion., APCI) Spray ionizáció Thermospray Electrospray Deszorpciós ionizáció Gyors atom bombázásos (Fast Atom Bombartment, FAB) Mátrix közvetítésével végzett lézer deszorpciós ionizáció (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI) Elemanalitikai ionizációs technikák ICP Ködfény kisüléses (glow discharge, GD) Szikra ionizációs (Spark Ionization, SI) Elemanalitikai ionizációs technikák A komponenseket gáz fázisú (egyatomos) ionokká kell alakítani Atomspektroszkópiában használatos gerjesztőforrások Atomizáció (abszorpciós módszerek) Gerjesztés (emissziós módszerek) Ionizáció (ICP, GD, SI) 14
ICP-OES vs. ICP-MS MS egyszerűbb spektrum Érzékenyebb Izotópmérési lehetőség Tömegspektrométer Mintabevitel Ionforrás Tömeg analizátor Detektor Adatfeldolgozó Nagyvákuum (10-5 10-6 Pa) 15
Tömeganalizátor: az ionok szétválogatását végzi tömeg/töltés (m/z) alapján Elektromágneses elven működő mágneses szektorterű (kettős fokuszálású) quadrupole ioncsapda Repülési idő elven működő (time of flight, TOF) mu R = 1 2 B z R B m z U a pálya sugara mágneses tér ereje a részecske tömege a részecske töltéseinek száma gyorsítófeszültség Kettősfokuszálású szektorterű tömeganalizátor (nagy felbontás) (double focusing sector field mass analyzer) Kinetikus energia szerint szeparál Energia és tömeg (momentum) szerint szeparál 16
Tömegfelbontás (értéke függ a definiciótol) R s = m m = m2 m1 m 10 % völgy módszer 10% m 1 m 2 m 1 m 2 50% FWHM (full width at half maximum) m = 4FWHM Alapvonal felb. 100 100 100 R s = = = 001, 100, 01 100, 00 100, 00 99, 99 104 Tömeganalizátor: az ionok szétválogatását végzi tömeg/töltés (m/z) alapján Elektromágneses elven működő mágneses szektorterű (kettős fokuszálású) quadrupole ioncsapda Repülési idő elven működő (time of flight, TOF) Quadrupol tömeganalizátor A kvadrupol tér frekvenciája változik 17
Quadrupol tömeganalizátor II. Tömeganalizátor: az ionok szétválogatását végzi tömeg/töltés (m/z) alapján Elektromágneses elven működő mágneses szektorterű (kettős fokuszálású) quadrupole ioncsapda Repülési idő elven működő (time of flight, TOF) Ioncsapda tömeganalizátor (ion trap) 18
Tömeganalizátor: az ionok szétválogatását végzi tömeg/töltés (m/z) alapján Elektromágneses elven működő mágneses szektorterű (kettős fokuszálású) quadrupole ioncsapda Repülési idő elven működő (time of flight, TOF) Repülési idő tömeganalizátor (time of flight, TOF) V = 0,5mv 2 L repülési távolság izzó katód "üres tér" detektor minta anód U = 1-10 kv gyorsító feszültség vákuum, 10-6 -10-8 kpa TOF (reflectron) 19
Tömeganalizátorok összefoglalása Szektorteres Q-pole Ioncsapda TOF Elektromágneses igen igen igen nem Ion transzmisszió Vákuumigény Pásztázó/szimultán P/SZ P P SZ Felbontás* 10 5 10 3 10 3-10 4 10 3-10 4 *1000 m/z esetén Tömegspektrométer Mintabevitel Ionforrás Tömeg analizátor Detektor Adatfeldolgozó Nagyvákuum (10-5 10-6 Pa) Ionsokszorozó Fotoelektronsokszorozó hagyományos single MS Tandem tömegspektrometria (gáz)minta - ionizáció és fragmentáció - tömegszeparáció - detektor M (g) M (g) M M1 M2 M3 leggyakoribb tandem MS (MS/MS) M (lq) M (g) M M X (lq) X (g) X Q1 M1 M M2 M3 m/z (foly.)minta - porlasztás és lágy ionizáció - Q1-Q2(CID)-Q3- detektor M1 M2 M3 Q2 Q3 M1 20
Triple-quadrupole MS felépítése lágy ionizáció Q1 Q2 (CID) Q3 collision induced dissociation MS n Időben (Ioncsapda) Térben (több quadrupole) 21