Hmotnostní spektrometrie
Zdeněk Moravec, hugo@chemi.muni.cz
1 / 19
Stručná historie
1912 První hmotnostní spektrometr, J.J. Thompson. První
naměřená spektra O2, N2, CO2 a COCl2.
1934 MS využita v organické chemii. R. Conrad
1940 Elektronová ionizace. C. Berry
1948 Publikován návrh nového analyzátoru typu TOF (Time
Of Flight). A.E. Cameron, D.F. Eggers
1956 První spojení GC/MS. F.W. McLafferty, R.S. Gohlke
1974 První spojení HPLC/MS. P.J. Arpino, M.A. Baldwin,
F.W. McLafferty
1988 První použití ionizace elektrosprejem. J. Fenn
1999 Nový typ analyzátoru - Orbitrap. A.A. Makarov
2 / 19
Úvod do hmotnostní spektrometrie
Základní pojmy
Fragmentace - disociace nestabilních iontů vzniklých během
ionizace analytu.
Hmotnostní spektrum - závislost množství iontů na m/z.
m/z - podíl hmotnosti iontu a jeho náboje.
Molekulový pík - pík s hmotnostní odpovídající hmotnosti
molekuly.
Základní pík - pík s nejvyšší intenzitou ve spektru.
3 / 19
Úvod do hmotnostní spektrometrie
Princip
Separační metoda.
Principem hmotnostní spektrometrie je ionizace vzorku a
analýza vzniklých iontů na základě jejich chování v
magnetickém poli.
Hmotnostní spektrum nejčastěji zobrazuje závislost intenzity
signálu na poměru hmoty iontu a jeho náboje (m/z).
4 / 19
Úvod do hmotnostní spektrometrie
Schéma hmotnostního spektrometru
Vzorek
Ionizátor
PC
DetektorAnalyzátor
5 / 19
Hmotnostní spektrometr
Iontový zdroj
Iontový zdroj je odpovědný za ionizaci vzorku, která je
nezbytá, aby mohla proběhnout jeho analýza. Podle množství
dodané energie rozlišujeme měkké a tvrdé iontové zdroje.
Elektronová ionizace (EI) - iontový zdroj s tvrdou ionizací.
Ionizace probíhá v plynné fázi, běžně se vyskytuje u sestav
GC/MS. Principem je předávání energie letících elektronů
analytu. Produktem je nejčastěji kladně nabitý radikál
molekuly. Často dochází k rozsáhlé fragmentaci molekuly a ve
spektru chybí molekulový pík.
Chemická ionizace (CI) - měkčí ionizace než EI. Nejprve
ionizujeme reakční plyn (např. CH4) a ten následně ionizuje
molekuly analytu.
6 / 19
Hmotnostní spektrometr
Iontový zdroj
Elektrosprej (ESI) - využívá se hlavně pro analýzu biologických
vzorků. Ionizace probíhá působením silného elektrického pole
(napětí 2-5 kV) na elektrodu. Ionizace probíhá za
atmosférického tlaku.
+ -
Hmotnostní
spektrometr
1 2 3
++
+
+ +
++
+++
++
+++
++
++ +
Rozpouštědlo obsahující analyt
1
Evan MAson, Electrospray Ionization Spectroscopy.svg
7 / 19
Hmotnostní spektrometr
Iontový zdroj
MALDI - Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization
Měkká ionizační technika. Využívá se při analýze biomolekul a
velkých organických molekul, které snadno fragmentují.
Vzorek se nejprve smíchá s vhodnou matricí, např. kyselinou
2,5-dihydroxybenzoovou nebo
3,5-dimethoxy-4-hydroxyskořicovou a nanese se na kovové
platíčko.
Směs vzorku v matrici je ozářena pulsem laseru, čímž dojde k
ablaci a desorpci materiálu.
Ionizace vzorku probíhá protonací matricí.
8 / 19
Hmotnostní spektrometr
Analyzátor
Analyzátor je součást MS spektrometru, kde dochází k
separaci iontů podle poměru m/z.
Kvadrupól - nejběžnější a nejlevnější typ analyzátoru.
Kombinace čtyř tyčí, na které je přivedeno stejnosměrné i
střídavé napětí. Úpravou velikosti stejnosměrného napětí a
amplitudy střídavého lze zvolit ionty s určitým poměrem m/z a
umožnit jim doputovat k detektoru, zatímco ostatní ionty jsou
vychýleny mimo detektor.
Analyzátor může pracovat buď jako skenovací, kdy postupně
zvyšujeme hodnotu m/z nebo v režimu SIM (Single Ion
Monitoring).
1
Fulvio314, Mass spectrometer quadrupole.JPG
9 / 19
Hmotnostní spektrometr
Analyzátor
Průletový analyzátor - ionty jsou
pulzně vpouštěny do evakuované
trubice.
Separace je založena na vztahu mezi
dobou letu a hodnotou poměru m/z.
Ionty s menším poměrem m/z proletí
trubicí za kratší dobu.
m
z = 2Vt2
l2
V - potenciál, t - doba letu iontu, l délka
trubice
Rozlišení analyzátoru lze zvýšit
použitím iontového zrcadla
(Reflektronu) nebo tzv. opožděnou
extrakcí, kdy dochází díky
vzájemným srážkám iontů ke snížení
rozdílů v kinetické energii iontů.
1
Mkotl, Time Of Flight (TOF) Mass Analyser.gif
10 / 19
Hmotnostní spektrometr
Analyzátor
Orbitrap - elektrostatická orbitální past.
Nejnovější typ hmotnostního analyzátoru.
Skládá se z vnější a vřetenové elektrody, na které je přivedeno
elektrické napětí.
Ionty se pohybují okolo a podél středové elektrody.
Frekvence v ose z je nepřímo úměrná odmocnině z m/z.
ωz = k
m/z [rad
s ]
1
Thermo Fisher Scientific (Bremen), OrbitrapMA&Injector.png
11 / 19
Hmotnostní spektrometr
Detektor
Detektory dělíme na dvě skupiny: i) ty, které zaznamenávají
všechny ionty, bez ohledu na jejich m/z a ii) ty, které
zaznamenávají ionty s ohledem na jejich m/z.
Elektronový násobič - letící iont vyrazí elektron z dynody
násobiče, vyražený elektron putuje na další dynody a vyráží
další elektrony. Detekce probíhá měřením vzniklého proudu.
1
How Electron Multipliers work
2
Egmason, Electron multiplier.svg
12 / 19
Interpretace MS spekter
13 / 19
Interpretace MS spekter
1. Nalézt molekulový pík. Hledáme pík s nejvyšším poměrem
m/z ve spektru.
2. Pokusit se o vytvoření molekulového vzorce. Užitečnou
pomůckou jsou píky izotopologů.
Izotopology jsou izomery se stejnou strukturou, ale lišící se
izotopickým složením, např. CHCl3 a CDCl3.
Přírodní uhlík se skládá z izotopů 12
C a 13
C. Uhlíku 13
C je 1,1
%, tzn. že např. pro molekulu s pěti uhlíky bude intenzita píku
M+1 rovna 6,6 %.
Interpretaci usnadňuje přítomnost píků M+2, pocházejících
např. z O, Si, S, Cl, Br nebo I.
3. Pokud máme k dispozici databázi MS spekter, lze interpretaci
zjednodušit a použít vyhledávácí algoritmus.
14 / 19
Interpretace MS spekter
Izotopové zastoupení běžných prvků
Prvek
M M+1 M+2
m/z % m/z % m/z %
H 1 100,0 2 0,015
C 12 100,0 13 1,1
N 14 100,0 15 0,37
O 16 100,0 17 0,04 18 0,02
F 19 100,0
Si 28 100,0 29 5,1 30 3,4
P 31 100,0
S 32 100,0 33 0,79 34 4,4
Cl 35 100,0 34 32,0
Br 79 100,0 81 97,3
I 127 100,0
15 / 19
Využití MS spektroskopie
Farmacie
Potravinářství
Zemědělství
Toxikologie
Analýza léků
Analýza metabolitů
Restaurování uměleckých předmětů
Identifikace polymerů
Identifikace přírodních látek - pryskyřic, lipidů, proteinů, apod.
Datování předmětů pomocí 14
C
Zjišťování izotopického složení - např. pro datování předmětů
Vesmírný výzkum
Preparativní MS - možnost syntézy látek s využitím MS
16 / 19
Využití MS spektroskopie
Analýza barviv a pryskyřic
1
SANTOS, Raquel, Jessica HALLETT, M. Conceição OLIVEIRA, Micaela M. SOUSA, Jorge SARRAGUÇA,
M.S.J. SIMMONDS a M. NESBITT. HPLC-DAD-MS analysis of colorant and resinous components of lac-dye: A
comparison between Kerria and Paratachardina genera. Dyes and Pigments [online]. 2015, 118, 129-136 [cit.
2019-11-22]. DOI: 10.1016/j.dyepig.2015.02.024.
17 / 19
Využití MS spektroskopie
Analýza olejových barviv v dílech Edvarda Muncha
1
LA NASA, Jacopo, Marco ZANABONI, Daniele ULDANCK, et al. Novel application of liquid
chromatography/mass spectrometry for the characterization of drying oils in art: Elucidation on the composition of
original paint materials used by Edvard Munch (1863–1944). Analytica Chimica Acta [online]. 2015, 896, 177-189
[cit. 2019-11-22]. DOI: 10.1016/j.aca.2015.09.023.
18 / 19
Literatura
1. DE HOFFMANN, Edmond a Vincent STROOBANT (ed.).
Mass spectrometry: principles and applications. 3rd ed.
Chichester: John Wiley & Sons, 2007, xii, 489 s. ISBN
9780470033111.
2. Gross, J. H. Mass Spectrometry, A Textbook, Second Edition,
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2011, ISBN:
978-3-642-10709-2
3. HÜBSCHMANN, Hans-Joachim. Handbook of GC-MS:
fundamentals and applications. Third edition. Wiley-VCH
Verlag GambH & Co. KGaA, 2015, xvi, 863 stran. ISBN
978-3-527-33474-2.
19 / 19