MS – Mass Spectrometry

Masena spektrometrija

PRINCIP MASENE SPEKTROMETRIJE

od molekula se formiraju molekulski joni

molekulski joni se raspadaju na druge jone - fragmente

svi joni skreću u magnetnom ili električnom polju u zavisnosti od m/z (mass-to-charge ratio)

zapis svih jona čini maseni spektar

MASENI SPEKTROMETAR

•analitički instrument u kome se analizirani uzorak jonizuje, a obrazovani joni razdvajaju pod dejstvom magnetnog polja prema odnosu mase i naelektrisanja;

•pomoću masenog spektrometra može da se utvrdi šta sadrži uzorak (kvalitativna i strukturna analiza) i koliko analita je prisutno (kvantitativna analiza) u različitim uzorcima, sa velikom osetljivošću.

Osnovni delovi masenog spektrometra

Jonski izvor - gde se stvaraju joni od analiziranih molekula

Maseni analizator (maseni filter) - gde se analizirani joni razdvajaju u zavisnosti od odnosa mase i naelektrisanja (m/z)

Detektor i sistem za obradu podataka (kompjuter sa bazom podataka)

Istorijat masene spektrometrije

Dobitnici NOBELOVE NAGRADE

1897. otkriće elektrona i prvi maseni spektar 1906. Nobelova nagrada za fiziku

J.J. Thompson

Dobitnici Nobelove nagrade

Aston (1922. Hemija) - određivanje atomske mase i izotopskog sastava neona

Paul (1989. Fizika) – kvadrupolni maseni analizator

Tanaka i Fenn (2002. Hemija) – blage tehnike jonizacije (MALDI, ESI)

Kako radi maseni spektrometar?

Dobijanje jona Razdvajanje jona

Detekcija jona i obrada signala

Maseni spektar

Kako radi maseni spektrometar?

Metode jonizacije: EI CI APCI Electrospray MALDI

Dobijanje jona Razdvajanje jona

Detekcija jona i obrada signala

Maseni spektar

Kako radi maseni spektrometar?

Metode jonizacije: EI CI APCI Elektrosprej MALDI

Maseni analizatori: Magnetni Kvadrupolni Trapovi TOF

Dobijanje jona Razdvajanje jona

Detekcija jona i obrada signala

Maseni spektar

Delovi masenog spektrometra

Jonski izvor Napon za ubrzavanje jona Analizator (magnet, električno polje) Detektor Sistem za akviziciju (računar) Da bi joni prešli put od izvora do detektora treba da se

nalaze u vakuumu, pa su potrebne pumpe koje obezbeđuju nizak pritisak.

Mehanička pumpa

Difuziona pumpa

Turbomolekularna pumpa

Jonski izvori

Jonizacija elektronima (EI-Electron impact ionization)

U sudaru sa elektronima koje emituje usijana katoda (W ili Ru) molekuli uzorka se jonizuju:

M + e- → M+ + 2e- Joni uzorka se ubrzavaju i

usmeravaju ka MS Energija elektrona je 50 ili 70

eV.

Jonizacija elektronima Electronimpact ionization (EI)

Jonski izvori

Hemijska jonizacija (“nežna/meka” tehnika jonizacije)

Uzorak jonizuje reagens gas: metan, amonijak, izobutan

Jon-molekulske reakcije: CH5+ C2H5+ C3H5+ C2H3+ ….

M + C2H5+ → MH+ + C2H4

Hemijska jonizacija

CH4 + e- → CH4+ + 2e-

fragmentacija: CH3+ CH2+ CH+ H+

Razlika EI i CI

Razlika u EI i CI spektrima

Uzorak u gasnoj fazi

The Nobel Prize in Chemistry 2002

"for their development of soft desorption ionisation

methods for mass spectrometric analyses of

biological macromolecules"

Tanaka

MALDI

J. Fenn

ES

Jačina metoda jonizacije

„Gruba“ jonizacija

energija

“Meka” jonizacija

EI CI MALDI APCI, ESI

Jonski analizatori

Magnetni analizatori Analizatori koji mere vreme preleta jona Analiza jona u električnom polju Kvadrupolni analizatori Jonski trap

Magnetni MS

Magnetni analizator

Joni se ubrzavaju naponom V

eV=mv2/2 (1) m – masa jona e – naelektrisanje jona V – napon ubrzanja v – brzina jona Ulaskom u magnetni analizator dolazi do povijanja

putanje jonskog zraka. Svaki jon opisuje lučnu putanju poluprečnika R u magnetnom polju jačine H:

Hev=mv2/R (2) Eliminisanjem v iz jednačina (1) i (2) dobija se:

m/e=H2R2/2V (3) Kontinualnom promenom jačine magnetnog polja H

dovode se na detektor joni različite mase, odnosno snima se maseni spektar.

Kvadrupolni filter/maseni analizator

Kvadrupolni filter/maseni analizator

koristi se od1950-tih danas najčešće korišćen naziva se i maseni filter jer propušta samo jone

jednog odnosa m/z izdvaja jone na osnovu oscilacija u električnom polju

(kvadrupolno polje) korišćenjem AC i DC potencijala sastoji se od 4 paralelne metalne šipke ili elektrode suprotne elektrode imaju potencijal istog znaka

Detektor -elektronski multiplikator-

Detektor -elektronski multiplikator-

Vrste jona u masenom spektru

Molekulski jon -daje podatak o masi molekula uzorka Fragmentni joni –daju podatke o strukturi molekula

uzorka Protonovan molekulski jon (M+H)+- daje podatak o masi

molekula uzorka Deprotonovan molekulski jon (M-H)-- daje podatak o

masi molekula uzorka Klaster-joni (M+Na)+

Izotopski joni – daju podatke elementarnom sastavu molekula uzorka

Preuređeni joni Višestruko naelektrisani joni – m2+, m3+

EI maseni spektri

Molekulski jon naftalina m/z 128

EI maseni spektri

Molekulski jon heksana m/z 86

Fragmentni joni nastaju raskidanjem veze (71, 57, 43, 29, 15)

EI maseni spektri

Molekulski jon ima neparnu masu ako molekul sadrži 1, 3, 5.... atoma azota

EI maseni spektri

Molekulski jon ne mora uvek da bude prisutan u MS.

Preuređeni joni nastaju gubitkom malih neutralnih molekula (H2O).

Izotopski joni (primer Br2)

Izotopski joni

Izotopi

Koje jone vidimo u spektru metanola?

Višestruko naelektrisani joni

m + e- m2+ + 3e-

m + e- m3+ + 4e- Kako se razdvajanje jona vrši prema njihovom m/z

odnosu, dvostruko naelektrisani joni (z=2) javiće se u masenom spektru na prividno upola manjem masenom broju.

Najčešće se javljaju kod jedinjenja čiji su potencijali jonizacije niski (aromatična jedinjenja, organska jedinjenja koja sadrže heteroatome).

Višestruko naelektrisani joni u spektru etana

Metastabilni joni

joni koji nisu nastali u jonskom izvoru, nego su nastali na putu od izvora do detektora; daju pikove na decimalnim masenim brojevima; imaju manju energiju od stabilnih jona.

KUPLOVANE TEHNIKE

MS/MS analiza ICP-MS GC-MS LC-MS HPLC-MS

MS/MS

ICP-MS

Jonizacija u plazmi (ICP) Plazma: joni Ar+ se sudaraju

sa atomima uzorka (A) i jonizuju ih:

Ar+ + A → A+ + Ar Plazma se odrzava u RF

polju uz neprekidan dotok argona.

Dobijaju se jonizovani atomi uzorka (A+).

ICP-MS

ICP-MS

Vakuum u MS se postiže: Mehaničkom pumpom

Visokovakuumskom

pumpom

ICP-MS

Primer – ICP-MS spektar Co

http://www.sisweb.com/mstools.htm

Primer – ICP-MS spektar Cl

http://www.sisweb.com/mstools.htm

Primer – ICP-MS spektar Br

http://www.sisweb.com/mstools.htm

Primer – ICP-MS spektar Hg

http://www.sisweb.com/mstools.htm

MS detektor

Povezivanje MS i hromatografa

Idealan detektor –MASENI SPEKTROMETAR Univerzalan (registruje MS spektar) Osetljiv na 1-100 pg jedinjenja Brz (prikupljanje podataka znatno kraće od

vremena eluiranja jedinjenja) Pouzdana kvalitativna analiza (MS i MS/MS) Pouzdana kvantitativna analiza (površina pika)

tR

GC-MS

Sample

Sample

5890

1.0 DEG/MI N

HEWLETT PACKARD

HEWLETT 5972A S

Mass e PACKARD

Detector

electiv

AD B C B AC

A B C D

Gas Chromatograph (GC) Mass Spectrometer

Separation Identification

B

A C D

D

MS

Povezivanje GC i MS detektora

?

GC-MS

GC-MS

LC-MS

Masena spektrometrija - primena

Koristi se za ispitivanje strukture i sastava organskih molekula.

Veoma moćna instrumentalna tehnika za analizu čistih supstanci.

Za analizu smeša povezuje se sa GC i HPLC.

Masena spektrometrija - primena Analize u organskoj, neorganskoj i bioorganskoj

hemiji Analiza geoloških uzoraka Kontrola u naftnoj, hemijskoj i farmaceutskoj industriji Analiza površina Zaštita okoline (pesticidi u hrani, zagađenje zemljišta,

vazduha i voda Forenzička/klinička analiza Nauka o materijalima

Masena spektrometrija - primena

Analize u farmaciji: Ispitivanje biološke aktivnosti (metabolizam lekova,

farmakokinetika, karakterizacija potencijalnih lekova, analiza produkata degradacije lekova , praćenje potencijalnih lekova, identifikacija mesta i mehanizma delovanja lekova )

Biomolekulska karakteritacija (proteini i peptidi, oligonukleotidi )

Klinička ispitivanja, mapiranje, dijagnostika In situ analize

MS – Mass SpectrometrySlide Number 2Slide Number 3� Osnovni delovi masenog spektrometraIstorijat masene spektrometrijeSlide Number 6Dobitnici Nobelove nagradeKako radi maseni spektrometar?Kako radi maseni spektrometar?Kako radi maseni spektrometar?Delovi masenog spektrometraMehanička pumpaDifuziona pumpaTurbomolekularna pumpaJonski izvoriJonizacija elektronima�Electronimpact ionization (EI)Jonski izvoriSlide Number 18Razlika EI i CISlide Number 20Jačina metoda jonizacijeJonski analizatoriMagnetni MSMagnetni analizatorKvadrupolni filter/maseni analizatorKvadrupolni filter/maseni analizatorSlide Number 27Detektor�-elektronski multiplikator-Vrste jona u masenom spektruEI maseni spektriEI maseni spektriEI maseni spektriEI maseni spektriIzotopski joni (primer Br2)Izotopski joniSlide Number 36Koje jone vidimo u spektru metanola?Višestruko naelektrisani joniVišestruko naelektrisani joni u spektru etanaMetastabilni joniKUPLOVANE TEHNIKEMS/MSICP-MSICP-MSICP-MSICP-MSPrimer – ICP-MS spektar CoPrimer – ICP-MS spektar ClPrimer – ICP-MS spektar BrPrimer – ICP-MS spektar HgSlide Number 51Slide Number 52GC-MSPovezivanje GC i MS detektora GC-MSGC-MSLC-MSMasena spektrometrija - primenaMasena spektrometrija - primenaMasena spektrometrija - primena