UNII R E C E T O X SCI E0220 Hmotnostní spektrometrie • Teorie, instrumentace a použití hmotnostní spektrometrie Zdeněk Šimek Jiří Kohoutek Petr Kukučka ICP/MS Teorie a aplikace Jan Kuta RCX 1 D29/252 Úterý 11:00-12:30 JARO 2025 IS: Studijní materiály předmětu PřF: E0220 Zdroje informací K. K. Murray, R. K. Boyd, M. N. Eberlin, G. J. Langley, Liang Li, Y. Naito: Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations 2013), PureAppl. Chem., Vol. 85, No. 7, 1515-1609, 2013. J. H. Gross: Mass spectrometry, 2004, 2011, 2017 . K. Hiraoka: Fundamentals of Mass spektrometry, 2016. J.K.Lang: Handbook on Mass spektrometry 2010. R. Ekman, J. Silberring, A. Westman-Brinkmalm, A. Kraj: Mass spektrometry, 2009. E. de Hofmann, V Stroobant: Mass Spectrometry, Principles and Application, 2007. J. Barker: Mass Spectrometry. 2nd Ed. Cichester: J. Wiley, 1999. Analytical Chemistry by Open Learning. F. G. Kitson, B. S. Larsen, C. N. McEwen: Gas Chromatography and Mass Spectrometry, A Practical Guide. San Diego : Academic Press, 1996. F.W. McLafferty - F. Turecek, : Interpretation of Mass Spectra. 4th ed., 1993 D. O. Sparkman: Mass spectrometry desk reference. Pittsburgh: Global View Pub. ISBN 978-0-9660813-2-9, 2000 J. Vřešťál a kol.: Hmotnostní spektrometrie, skripta MU Brno 2000. Kolektiv autorů: Počátky a historie československé hmotnostní spektrometrie, 2012. muni i recetox fn_h t t kt (. ' E 0220 Hmotnostní spektrometrie S C JARO 2025 Zdroje informací Mass Spectrometry WWW Server - University of Cambridge http://www.ch.cam.ac.uk/analytical/massspec/ International Journal of Mass Spectrometry (Elsevier): http://www.elsevier.com/homepage/saa/ijmsip/ Little Encyclopedia of Mass Spectrometry http://www.rzuser.uni- heidelberg.de/~bl5/encyclopedia.html Journal of the American Society for Mass Spectrometry (Elsevier): http://www.elsevier.com/homepage/saa/webjam/ International Mass Spectrometry Foundation http://www.imss.nl/links.html Journal of Mass Spectrometry (John Wiley & Sons): http://www.interscience.wiley.eom/jpages/1076-5174/ European Mass Spectrometry (IM Publications): http://www.impub.co.uk/ems.html Mass Spectrometry Reviews (John Wiley & Sons): http://www.interscience.wiley.com/jpages/0277-7037/ American Society for Mass Spectrometry http://www.asms.org/about/about-mass- spectrometry Rapid Communications in Mass Spectrometry (John Wiley & Sons): http://www.interscience.wiley.com/jpages/0951 -4198/ muni i recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 Terminologie hmotnostní spektrometrie • Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations 2013) Pure Appl. Chem., Vol. 85, No. 7, pp. 1515-1609, 2013. http://dx.doi.org/10.1351/PAC-REC-06-04-06 © 2013 IUPAC, Publication date (Web): 6 June 2013 Kermit K. Murray1, Robert K. Boyd2, Marcos N. Eberlin3, G. John Langley4, Liang Li5 and Yasuhide Naito6 department of Chemistry, Louisiana State University, Baton Rouge, LA, USA; 2lnstitute for National Measurement Standards, National Research Council, Ottawa, Ontario, Canada; 3Department of Chemistry, University of Campinas, Campinas, Brazil; 4Chemistry, Faculty of Natural and Environmental Sciences, University of Southampton, UK; 5Department of Chemistry, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada; 6Graduate School for the Creation of New Photonics Industries, Hamamatsu, Japan • Česká terminologie hmotnostní spektrometrie ©2016 IUPAC Česká společnost pro hmotnostní spektrometrii Spektroskopická společnost Jana Marka Marci Jan Havliš1, Michal Holčapek2, Jan Preisler1, Patrik Španěl3, Michael Volný4 1 Ústav chemie, PřF MU, 2FCHT, UPCE,3Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, 4Ústav analytické chemie VŠCHT muni | recetox fn_h t t kt t ■ E 0220 Hmotnostní spektrometrie S C JARO 2025 Spektroskopie Spektrometrie Spektrální metody, Spektrometrické metody, Spektroskopické metody • disciplíny studující a prakticky využívající jevy při interakci látky (atom, molekula) s elektromagnetickým zářením (y, RTG, UV, VIS, IR,..) • výměna kvantovaného množství energie (absorpce záření) Spektroskopie: obor zabývající se vznikem a vlastnostmi spekter, obecný výraz pro spektrální metody Spektrometrie: dtto + měření spekter, určuje množství https://www.googlexom/search?q=elektromagnet^ b&tbm=isch&tbs=rimg:CRyL_19ls56tYlji72dulR4FJpz88laByOYUDOISFzVvWdyhdTeadehiaVDJQCtm3XS6GF_1Xj8bEziv- 4ZXmlDRUm1CoSCbvZ26VHgUmnERZtGIWLnh-NKhlJPzyVoHI5hQMRczdHKXD-gnwqEgk4hlXNW9Z3KBGpdadXNf9mQyoSCV1 N5p16GJpUEde5efne-dT1KMJMIAK2MdLoYRoPIMy2QAuEqEgló«^ hVP2aQKHWGhDXUQ9C96BAgBEBs&biw=1412&bih=825&dpr=1.3#imgdii=F_Xj8bEzigDONM:&imgrc=uGV5iA0VJtTrLM: muni i recetox SCI . E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 5 Spektrální metody • fyzikální interakce elektromagnetického záření (různé vlnové délky) s molekulou nebo atomem • změny ve stavech atomu nebo molekuly přechody mezi energetickými hladinami vibračními a rotačními, elektronové přechody • molekula se vrací do původního stavu Ramanova spektroskopie, IR spektroskopie, U V/VI S spektroskopie, Rentgenová fluorescenční spektroskopie, .... AAS - Atomová absorpční spektroskopie, deieclisn HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE??? E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 Energy j.iiial/mĽl: y rays <1Q pm 10+7 X-rays DOM nm uv 4-400 nm Spectroscopy X-ray Spectroscopy {elemental analysis) ífífíňľ electron ionization 10+* uV-Vis Spectroscopy freacti vity a nary si sj outer electron excitation IR |430THz^O0GHi 700 nm - 1mm f R spectroscopy 10+1 {chemical bond type} Raman Spectroscopy 10'2 {rnolvcu lit r q rienta tic nj Microwaves &DQGHZ-3O0MHZ 1mm ■ 1m molecular vibration ■10-3 ■1(H molecular rotation NMR (molecular connectivity} Hmotnostní spektrometrie (MS) • studium hmoty prostřednictvím tvorby iontů v plynné fázi, ionty jsou charakterizovány jejich hmotnosti, nábojem, strukturou anebo fyzikálně -chemickými vlastnostmi • pomocí hmotnostních spektrometrů (IUPAC definice). Hmotnostní spektrometr • vytváří z analytu ionty v plynné fázi, • sleduje charakteristické dráhy/doby letu nebo frekvence oscilace závislé na poměru hmotnost/náboj m/z nepoužívat hmotnostní spektroskopie (není optická metoda) rozlišuje m/z hodnoty zaznamenává četnost iontů příslušné m/z nepoužívat hmotnostní spektroskop, hmotnostní spektrofotometr 121 poskytuje Hmotnostní spektrum graf závislosti četnosti iontů na jejich m/z ► O CD O CO mass/charge (mte) muni i recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 7 Hmotnostní speKľľum +ESI Scan (rt: 25.063 min) Frag=175.0V ACN Agilent Ultrapure LC_MS.d 1 1 lil 1 1 1 rl to » f 1 i T-m w lo (m F h : : f ■* t\i Cl O O lo iľ ■í (D : (D □ ■i F CD D to ■í ľ* Si i L m -. ? q to s .'. 01 CD oi S: -r. n O ;: (m (D CO E r, S ? h « t 1) K) ^ 01 _i :■ í h S rr ■:o ;0 oj 0 c r. z y. H ■£ c u 5 0 S C ■E ^ .'. c\ t\ ■ľ 11 - (0 ■j CO to to B? j ľ) m * o S É S ;: CD o -t , !V W K o r ■ŕ ji t c F (D 3 ; t c — oj CO oi t C r z ■ co ľi v í\ t KÍ to 0 r CO (D o N Ň m * D oi CO in ľ1. ň! ÍS (C ■■ : ; lo d ?. c 01 01 \0 CO 01 i 1 Ílu to ki K} to lil, f ,1,1i ■k i L ii 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 B25 B50 875 900 925 950 975 1000 _Cooots vs. M ass-to-Chargé (m/z)_ (©) centrum pro výzkum E Q22Q Hmotnostní spektrometrie toxických latek 8 v prostredí JARO 2025 Hmotnostní spektrometrie mass spectrometry (MS) MS: zařazena mezi spektrální techniky, ale podle definice není spektrální technikou, spektrální techniky: měří rozdíly energií mezi dvěmi stavy molekuly sledují pravděpodobnost přechodu (IR, UV, NMR, ....) MS: -zařazena pro formální podobnost získaných záznamů s jinými spektry (MS spektrum) -podobné využití (strukturní analýza) Hmotnostní spektrum vzniká interakcí elektronů nebo jiných částic s molekulou za vzniku iontů M 121,08915 M'+ 121,0886 (M+H)+ 122,09643 4) 100 T u £ 80 -■o = 60 - | 40- 1 20- 77 li o o o o o CN CD CO O mass/charge (m,z) závisí na prostředí v kterém vzniká není základní fyzikální vlastností sloučeniny vzniklé ionty se mohou dále rozkládat umí irecetox SCI 121 o /v-Benzylmethylamine H -CH2f NH-Cf H 77 91 H 120 m/z = 121 o Hmotnostní spektrometrie (MS) Hmotnostní spektrometr iontově-optické zařízení separuje ionty podle poměru jejich hmoty a náboje (m/z) • Iontová optika, část korpuskulárni optiky*, která se zabývá řízením toku iontů. • Iontově optické čočky jsou analogií elektronově optických čoček. • Iontově optické přístroje: hmotnostní spektrometry, urychlovače částic. • Zabývá se problematikou řízení pohybu nabitých částic (elektronů a iontů) v elektrickém a magnetickém poli ve vakuu Princip MS • převedení molekul na ionty • separace vzniklých iontů podle poměru hmotnosti a náboje (m/z) MS označována jako separační metoda • záznam četností jednotlivých iontů • určení Mr a dalších strukturních informací pomocí metod interpretace spekter umi|recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 10 Využití hmotnostní spektrometrie Analýza složení komplexních směsí látek • identifikace sloučenin a objasňování struktury určení Mr a strukturních informací pomocí interpretace spekter • kvantifikace Fyzikálně - chemické vlastnosti molekul • kritické potenciály (ionizační energie molekul a fragmentační potenciály) • reaktivita iontů mono-molekulární rozpady ionizovaných molekul, bi-molekulární reakce iontů s molekulami • termochemické veličiny protonová afinita, bazicita v plynném stavu umi | recetox E 0220 Hmotnostní spektrometrie SCI JAR0 2025 Hmotnostní spektrometrie mass spectrometry (MS) Výhody: w + vysoká citlivost (podle analytu - femto / atto mol) + vysoká selektivita a univerzálnost kvalitativní analýza - určení Mr (elementární složení) a dalších strukturních informací + kvantitativní analýza - odezva je závislá na koncentraci + velmi malá spotřeba vzorku Nevýhody: (3) destruktivní metoda nutnost kvalifikovaného operátora vysoké pořizovací a provozní náklady UI\II RECETOX SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 12 Omezení hmotnostní spektrometrie Ne všechny sloučeniny poskytují hmotnostní spektrum. Cílové sloučeniny se nemusí ionizovat. Relativní četnost iontů v hmotnostním spektru směsí nemusí nutně odpovídat poměru sloučenin ve směsi. Nemůže být použita přímo k posouzení čistoty materiálů. Nečistoty se nemusí ionizovat nebo mohou mít jiné ionizační podmínky. Hmotnostní spektrometrií nelze snadno rozlišit isomery. Spektra se mohou lišit u různých typů zařízení, nebo u různých přístrojů stejného typu. Použití knihoven spekter může být obtížné. Použití druhé ionizační techniky je často nutné pro potvrzení identity. muni i recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 13 Význam MS a spojení se separačními technikami Počet kongenerů chlorovaných aromatických sloučenin Počet Cl ortho meta para Bifenyl Bifenylol Dibenzo-p-dioxin Dibenzo furan Naftalen Fenol 19 2 4 2 3 64 10 16 10 6 136 14 28 14 6 198 22 38 22 3 198 14 28 14 1 136 10 16 10 64 2 4 2 19 1 1 1 1 5 6 4 2 28 28 21 3 80 87 55 4 211 211 139 5 355 382 226 6 544 544 351 7 596 638 358 8 544 544 351 9 355 382 226 10 211 211 139 11 80 87 55 12 28 28 21 13 5 6 4 14 1 1 1 ía 3043 3155 1951 3 12 24 42 46 42 24 12 3 1 209 834 o o 75 135 75 19 Vývoj hmotnostní spektrometrie • 1898 W. Wien objev zakřivení dráhy letu urychlených iontů v elektrickém a magnetickém poli • 1913 -JJ. Thomson (separace pozitivních iontů izotopů neonu 20Ne a 22Ne pomocí tzv. parabolového spektrografu). • 1919 W.F. Aston (zdokonalení přístroje JJ. Thomsona, dvojí fokusace, fotografická registrace, název přístroje - hmotnostní spektrometr, přesná měření hmotnosti iontů). • 1919 až 1925 W.A. Aston, GJ. Dempster (první prototyp hmotnostního spektrometru, vhodný pro přesná měření zastoupení jednotlivých iontů - popis izotopů více než poloviny známých prvků) • 1924 (Thompson, Aston) - izotopické zastoupení asi 50ti prvků 40. léta 20. stol. -rozšíření MS v oblasti petrolejářského průmyslu, analýza způsobem "otisku palce" bez interpretace spekter • 1942 - první komerčně dostupné hmotnostní spektrometry a spektrografý, identifikace produktů destilace ropy. • 1947 - první knihovna hmotnostních spekter. • 1948 - Iontová cyklotronová rezonance (ICR). • 1940 - 1950 -vztahy mezi strukturou sloučeniny a jejím hmotnostním spektrem (J.H. Beynon, K. Biemann, F.W. McLafferty). muni i recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 15 Vývoj hmotnostní spektrometrie • 1955 - průletové analyzátory (TOF). • 1957 (Holmes, Morrell) - první pokus o spojení GC/MS • 1958 - kvadrupólové analyzátory. • 1950 - 1980 - aplikace, první pokusy o spojení se separačními technikami. • 1957 - GC/MS (1967 - komerční výroba systémů GC/MS) • 1966 (Munson, Field) - zavedení chemické ionizace (první měkká ionizační technika) • 1973 (Baldwin, McLafferty) - první pokus o spojení HPLC/MS • 1976 (McFadden & kol.) - Moving belt převodník pro spojení HPLC/MS • 1982 (Barber) - vynález ionizace urychlenými atomy (FAB) • 1983 (Blakley, Vestal) - vynález ionizace termosprejem (TSI) • 1984 (Willoughby, Browner) - Particle Beam HPLC/MS spojení • 1984 (Fenn) - zavedení ionizace elektrosprejem (ESI) • 1989 (Hillenkamp, Karas) - vynález MALDI • 1999 (Makarov A.) - ORBITRAP • 2002 (Fenn, Tanaka) - Nobelova cena za chemii - vynález elektrospreje Vývoj hmotnostní spektrometrie v CR Publikace: Počátky a historie československé hmotnostní spektrometrie Česká společnost pro hmotnostní spektrometrii, 2012 www. czechms. org Škola hmotnostní spektrometrie Spektroskopická společnost Jana Marka Marci http://www. spektroskopie, cz/ V latinském spise „Thaumantias" se Jan Marek Marci z Kronlandu (1595 - 1667), vydaném v Praze roku 1648, zabýval mj. spektrálními složkami slunečního světla i podstatou a vysvětlením vzniku přírodního jevu duhy. https://www. ms-museum.org/history-of-mass-spectrometry muni i recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 17 Hmotnostní spektrum Záznam absolutního nebo relativního zastoupení jednotlivých iontů vzorku, uspořádaný podle vzrůstajícího poměru hmotnosti k náboji (m/z) S C JARO 2025 Hmotnostní spektrum • normalizace spekter: - převedení absolutních intenzit na relativní - intenzita osy y je v rozsahu 0 -100% - intenzita základního píku spektra je 100% a intenzity ostatních píků jsou k ní vztaženy - vhodné při interpretaci spekter ^ o ■c V < m/z m/z muni|recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 19 Hmotnostní spektrum ca ô 20 8 - oo 80 a ^ 60 | 40 | 20 CĽ 60 59 70 60 69 i 71 60 70 80 m/z 90 36 83 87 80 m/z 90 Profilové spektrum (kontinuální): • Vrchol je reprezentován shromážděním signálů po několika snímacích cyklech. • Výhodou je jednodušší odlišení signálu jako skutečného vrcholu od šumu přístroje. • Správnější identifikace přesné hmoty iontů. Centroidové spektrum/těžiště (čárové) : • Signály jsou zobrazeny jako diskrétní linie m/z s nulovou šířku. • Výhodou je výrazně menší velikost souboru dat, protože je méně údajů popisujících signál. umi|recetox SCI E 0220 Hmotnostní spektrometrie JARO 2025 20