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 Ionizace nárazem elektronů (electron impact, EI) Chemická ionizace (CI) Ionizace elektrickým polem (field ionization, FI) Desorpce polem (field desorption, FD) Ostřelování vzorků rychlými atomy (fast atom bombardment, FAB) Působení produktů rozpadu radioaktivního izotopu (plasma desorption, PD) Desorpční fotoionizace (matrix assisted laser desorption ionization, MALDI) 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 CH4 jako reakčního media: CH4 + e-  CH4+. + 2e- CH4+.  CH3+ + H. CH4+. + CH4  CH5+ + CH3. CH3+ + CH4  C2H5+ + H2 M + CH5+  MH+ + CH4 M + C2H5+  MH+ + C2H4 MH+ … kvasi-molekulární iont (relativní hmotnost o jednotku vyšší než původní molekula). Přenos H+ mezi molekulami závisí na jejich afinitě k H+  selektivní ionizace pouze některých složek ve směsi

Reakční media pro chemickou oxidaci: Reakční médium Reakční ion Protonová afinita (kJ/mol) He/H2 HeH+ 176 H2 H3+ 423 CH4 CH5+ C2H5+ 532 666 H2O H3O+ 686 CH3CH2CH3 C3H7+ 762 (CH3)3CH C4H9 817 NH3 NH4+ 867 Konstrukce zdroje prakticky shodná s EI (často kombinované EI-CI zdroje).

Další ionizační techniky Ionizace elektrickým polem (field ionization, FI) Měkká ionizace z plynné fáze. Pole vysoké intenzity, vytvořené mezi hrotovou katodou a výstupní štěrbinou Desorpce polem (field desorption, FD) Ionizace z kondenzované fáze. Pevný vzorek nanesen na povrch elektrody (pro netěkavé látky) 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) Působení produktů rozpadu radioaktivního izotopu (plasma desorption, PD) - 252Cf

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 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: Ek = 1/2 mv2 = zV V magnetickém poli (indukce B) působí radiální a odstředivá síla – zakřivení dráhy, poloměr r  BzV = mv2/r Spojením rovnic: rovnice hmotnostního spektrometru m/z = B2r2/2V Ionty s různými poměry m/z opisují dráhy o různých poloměrech  prostorová disperze iontů různých hmotností

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

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: 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 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)

d) Iontová past Průřez iontovou pastí 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

Princip Time-of-flight Urychlující pulz E Detektor iontů S D

Sběr naměřených dat Detektor iontů Reflektron Signál Čas

e) Průletový analyzátor Orthogonální urychlení iontů TOF s reflektronem

Detektory 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 , , n elektrony) b) Rozpad molekulárního iontu, fragmentační cesty pro jednotlivé typy sloučenin: ABCD+.  A+ + BCD.  A. + BCD+  AB+ + CD.  AB. + CD+  ABC+ + D.  ABC. + D+  AD+. + BC

Běžně odštěpované neutrální molekuly Fragment Hmotnost Typ sloučeniny HCN 27 N-heterocykly, arylaminy N2 28 Aryl-N=N-Aryl CO Cyklické ketony, fenoly NO 30 Aromatické nitrolátky, N-nitroso CH2O Cyklické ethery, methoxysloučeniny CO2 44 Karbonáty, cyklické anhydridy CS Thiofenoly, thioethery NH3 17 Aminy H2O 18 Primární alkoholy, aldehydy, ketony NO2 46 Aromat. nitrolátky, nitroestery H2S 34 Primární thioly, methylsulfidy SO2 64 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.