Chemisch reine Verbindungen ergeben ein Gemisch von Massenspektren -----> Isotopenmuster

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1 Cl B Cl Cl Verhältnis Relative Intensität Basispeak Fragmentionen Molekülion Masse/Ladungsverhältnis (Abzisse) - (rdinate) = 81; intensivster Peak (automatisch, muß immer angegeben werden) Ionen, die durch Zerfall des Molekülions entstehen = 116 (M ; 11 B 3x 35 Cl), berechnet sich immer aus den häufigsten Isotopen der Elemente Chemisch reine Verbindungen ergeben ein Gemisch von Massenspektren -----> Isotopenmuster

2 A D HB=? D F H J EA HK C > A E) H = JEI? D A 5 I JA A - E = I I JA F M = C "!! " $! # '! " "! " " # "!! 5? = - 1 ' A $ # ' $ # & $ ' # ' ' #! ' $ ' & # # $ ' " ' & ' $ & & $ '! '! ' ' & " #!! & & '! ' ' ' &! $ # & $ $ ' # "! & '! $ # & # ' # "! " & " "! ' # $ & '! " # $ & '! " &!! '! $

3 M = C " ' # & #! $ # & # & # & # ' # # $ " $ 5? = - 1! " & A # = I I A $ = I I A = D ' 5 E & # # " # $ # & # ' $! $ # & $ ' $ ' & & " ' ' ' '! $! # $ &! # " " # $ & '! " # $ & '! " " " " ' # # " # $ $ $ & $ & & & " ' ' ' $ & '! "! A 8 ' & "! $ # "! " #! " $!! 5 E

4 Grundprinzip eines Massenspektrometer Hochvakuum Ionisierung Ionenbeschleunigung - Probenzuführung Ionenerzeugung Massentrennung Ionennachweis

5 Ionisierungsmethoden Methode Ionisierungsort Beladung Probenart Kopplung/ Probenzuführung Elektronenstoßionisation (EI) Chemische Ionisation (CI) Gasphase z = 1 (2) Verdampfbare Proben (einfache organische Substanzen) Gaschromatographie Direkteinlass Felddesorpion (FD) Fast Atom Bombardment (FAB) Laserdesorption (LD) kondensierte Materie z = 1 nicht verdampfbare Proben (anorganische Salze; Komplexverindungen; Cluster) Direkteinlass Probe in Matrix gelöst Themospray (TS) Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI) z = 1-4 nicht verdampfbare Proben (Proteine, Enzyme, Polymere, Makromoleküle) HPLC Lösung Elektrospray (ESI)

6 Vergleich unterschiedlicher Ionisierungstechniken 98 EI-Spektren: starke Fragmentierung Molekülion schwach x4 Modellsubstanz CH 2 H Si CH 2 CH 2 N 325 M CI-Spektren: geringe Fragmentierung Molekülion intensiv Scan CI 326 [MH] APCI-Spektren: keine Fragmentierung Molekülpeak intensiv 326 [MH]

7 Massentrennung Gerät Methode Messsgrösse Maximale messbare Massenzahl (amu) Hochauflösung Einsatz Quadrupol Ion-Trap Massenfilter (- Verhältnis) Massenfilter (- Verhältnis) -3 nein Benchtop-Geräte; GC-MS; LC- MS -3 nein Benchtop-Geräte; GC-MS; LC- MS; MS/MS n Sektorfeld Impuls d. Ionen ~8 ja Standard-MS-Analytik Time of Fligt (TF) Flugzeit d. Ionen unbegrenzt nein schnelle GC-MS; Polymeranalytik; Biomoleküle Ion-Cyclotron-Resonanz-MS Resonanzfrequenz d. Ionen unbegrenzt ja Ion-Molekülreaktionen; Biomoleküle

8 Auflösung, Massendefekt und Präzisionsmasse m h h/1 m m m A = m m = Masse m = Abstand zur Nachbarmasse Substanz Nominalmasse exakte Masse C 28 27,99491 C 2 H ,6148 N ,31296 Massendefekt.1.5. Wasserstoff Stickstoff x x xx Kohlenstoff x x xx x xx x xxx Chlor Beispiele: 1 H: : Si: S: Radon x x x x x Sauerstoff x x Brom Zinn x x x x x x x x x Hochaufgelöstes Massenspektrum Niedrig aufgelöster Massenpeak für C 23 H 35 2 Si rdnungszahl

9 Quadrupol Ion-Trap-MS Sektorfeld-MS

10 Flugzeit-MS (Time of flight-ms) Ion-Cycloton-Resonanz-MS

11 Massenspektrum Massenspektrum Massenspektrum rt Kopplung Totalionenchromatogramm Gaschromatograph Massenspektrometer Injektor Gaschromatograph Ionenerzeugung in der Ionenquelle Anode Glühkathode e- e- e- e- e- e- e- Ionennachweis Verstärker Massentrennung Beschleunigungsspannung

12 GC-MS: Fullscan/Selected Ion Monitoring (SIM) Beispiel: Dichlorbenzol; 1 ng Fullscan: schlechtes Signal/Rausch-Verhältnis Selected Ion Monitoring: gutes Signal/Rausch-Verhältnis ---> bessere Quantifizierung möglich cal Scan EI TIC 1.53e4 S/N = 27 S/N = 597 cal SIR of 1 Channel EI TIC 8.33e Time Time cal (2.953) 146 Scan EI 1.73e3 cal (2.973) 146 SIR of 1 Channel EI 5.99e

13 / 5. K I? = 5 A A? 1 EJ H E C 5 1 * A EI F EA * H * EF D A # F C. K I? = I? D A? D JA I 5 EC = 4 = K I? D 8 A HD J EI 5 EC = EA C JK JA HD = A H* A I JE K C I C HA A 5 A A? 1 EJ HE C C K JA I 5 EC = 4 = K I? D 8 A HD J EI 3 K = JEBE EA HK C C E? D,. / 5 '! 5 EC = A JEC # * EF D A #, E* H > EF D A 3 7 ) # " 5? = ! $ 6 1 # $ " ' A! " # $ # $! "! #! ' ' " ' " " # # $! #! $ "! $ " ' # " # "! #! $ &! ' " " ' #! #! " # " ' # #! ' "! " " $ "! " & & # &! & " $! " '!! & * H * EF D A 3 7 ) # # 5 14 B! D = A I ! & & 6 1!! " A # 5! 5!! "! $! & " " " " " $ " & # # # " # $ # & 6 E A! "! $! & " " " " " $ " & # # # " # $ # & 6 E A # * EF D A #, E* H > EF D A 3 7 ) # " "! " # " & "!! " # " # 5? = - 1 #!! * H * EF D A 3 7 ) # #! " " #! $ 5 14 B! D = A I - 1 # " A #!! "! " $! # # # # # # # $ $ $ ' & & $ & & ' $! #!! $ " ' ' #! # " $ # & & " & #! $! & ' ' " " $ & " $ & " $ &! " $ & " $ & " $ &!

14 Grundlagen von Fragmentierungsreaktionen Teil I 1. Ionisierung M e - M 2 e - Sigma (σ) RH 2 C:CH 2 R' Pi (π) RH 2 C::CH 2 R' e _ e _ RH 2 C CH 2 R' RH 2 C CH 2 R' Ionisierung wird einfacher nicht bindend (n) R R' e _ R R' 2. Fragmentierung M EE R E N EE E R N Ion mit gerader Anzahl v. Elektronen Ion mit ungerader Elektronenzahl Radikal Neutralteilchen

15 Spaltung einer Bindung CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 EE R CH 3 CH 2 CH 3 R EE Stevenson-Regel: Das Fragment mit der höheren IE besitzt eine grössere Tendenz, das ungepaarte Elektron zu halten F: CH 3 -CH M

16 Spaltung von zwei Bindungen H H 2 C=CHH H 2 C=CH 2 E N Ladungserhalt H 2 C=CHH H 2 C=CH 2 N E Ladungswanderung (ungünstig) F:6 CYCLBUTANL 44 H 2 C=CHH H 2 C=CH 2 H M

17 Zerfälle von Ionen mit gerader Elektronenzahl CH 3 CH 2 =CH 2 Ladungswanderung CH 3 CH 2 =CH 2 CH 2 =CH 2 H=CH 2 Umlagerung, Ladungserhalt CH 3 CH 2 =CH 2 Trennung eines e-paares F: ETHANE, METHXY- 29 CH 3 CH 2 45 CH 3 _ =CH H =CH M

18 Zerfälle von Ionen mit gerader Elektronenzahl F:35 ETHANE, (METHYLTHI)- S HS=CH M CH 3 CH 2 El=CH 2 El = S, Se CH 3 CH 2 El=CH 2 CH 2 =CH 2 HEl=CH 2 = 48 (El = S) = 95 (El = Se) Field Regel: F:2 : ETHANE, (METHYLSELEN) Se HSe=CH [M -H] Bei Zerfällen von EE -Ionen, die zum gleichen EE -Produkt führen, ist die Tendenz, ein Teilchen ohne Ladung abzuspalten, bei Molekülen mit geringer Protonenaffinität (PA) grösser z.b.: =CH 2 (PA = 7,4 ev) S=CH 2 (PA = 8,9 ev)

19 irk32b 565 (7.182) [M-CH 2 Cl-C 2 H 4 ] ClCH 2 ClCH 2 Si CH 2 Cl CH 2 Cl [M-CH 2 Cl] [M-CH 2 Cl-C 3 H 6 ] Cl Cl Si Cl Cl - CH 2 Cl Cl Si Cl Cl -C 2 H 4 Cl Si Cl Cl = 143 EE = 224 = 175 E EE SiCl -Cl SiCl 2 = 63 = 98 EE E -C 3 H 6 -Cl Cl Si Cl Cl = 133 EE

20 Natürliche Isotopenhäufigkeiten häufig vorkommender Elemente a A-Element, z.b. :31 P A1-Element:z.B. 12 C, 13 C A2-Element: z.b: 32 S, 33 S, 34 S Isotopenbeiträge von Kohlenstoff und Wasserstoff, bei einer relativen Intensität d. A-Peaks von C 15

21 Isotopenmuster enhält essentielle Information über die Elementarzusammensetzung SiCl :4:6 Si1 Cl4 17,35,3, Cl Cl Si Cl Cl Simulation SiCl4 Profile Resolution: Daltons,5 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 15 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Abundance,2 172 Nominalmasse: 168,15,1,5, SiC6H14ClF :41:45 Si1 C6 H14 Cl1 F1,65,6,55,5,45,4 168 H 5 C 2 Si CH 2 Cl Simulation SiC6H14ClF Profile Resolution: Daltons,5 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 216 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Abundance,35,3 H 5 C 2 CH 2 F,25,2,15 17 Nominalmasse: 168,1 169, ,

22 B :1:27 B1,8,75,7,65,6,55,5 11,1 Simulation B Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 2 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Li :3:11 Li1,9,85,8,75,7,65,6,55 7,1 Simulation Li Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 2 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Abundance,45,4,35 Abundance,5,45,4,3,35,25,3,2 1,1,25,2,15,15,1,1 6,2,5,5, 8,5 9, 9,5 1, 1,5 11, 11,5 12, 12,5 13,, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, 7,5 8, 8,5 9, C :6:2 C1 12,,95,9,85,8,75,7,65,6,55,5,45 Abundance Simulation C1 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 2 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 C :6:51 C5 6,,9,85,8,75,7,65,6,55,5,45 Abundance Simulation C5 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 6 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,4,4,35,35,3,3,25,25,2,2,15,15,1,1,5 13,, 1, 1,5 11, 11,5 12, 12,5 13, 13,5 14, 14,5 15, 61,,5 62,1 63,1 64,1 65,2, c :7:14 C2 24,,8,75,7,65,6,55 Simulation c2 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 13 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 C :7:32 C 121,,36,34 12,,32,3,28,26 Simulation C Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 22 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Abundance,5,45,4,35 Abundance,24,22,2,18,16 122,,3,14,25,12,2,15 241,,1,8,6 123,1,1,4,5 242, 243,1 244,1 245,1 246,2 247,2 248,2 249,3 25,3 251,3 252,4, ,1,2 125,1 126,2 128,2 121,3 1211,3 1213,4 1215,5 1217,5 1218,6 122,6, Si :7:59 Si1 27,98,9,85,8,75,7,65 Simulation Si Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 3 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Si :8:27 Si2 55,95,85,8,75,7,65,6 Simulation Si2 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 6 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,6,55,55,5 Abundance,5,45,4 Abundance,45,4,35,35,3,3,25,25,2,2,15,15,1 28,97,5 29,97, 26, 26,5 27, 27,5 28, 28,5 29, 29,5 3, 3,5 31, 31,5,1 56,95 57,95,5 58,95 59,94, Ge :1:16 Ge1,36,34,32,3 Abundance,28 71,91,26,24,22 69,92,2,18,16 73,91 Simulation Ge Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 5 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Ge :1:46 Ge2 Abundance,23 143,84,22,21,2,19,18,17,16,15,14,13,12 141,84,11,1 145,84 147,84 Simulation Ge2 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 15 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,14,9,12,1 72,91 75,91,8,6,4,2, ,8,7,6 146,84 149,84,5 139,85 144,84,4 142,84,3,2 148,84,1 151,84,

23 Sn :11:1 Sn1,32,3,28,26,24,22 117,89 119,89 Simulation Sn Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 1 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 SNGe :11:31 S1 N1 Ge1 119,89,34,32,3,28 117,89,26,24 Simulation SNGe Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,2,22 Abundance,18,16,14,12 115,89 Abundance,2,18,16,14,12 115,9,1,8 116,89 118,89,1,8 118,89 121,89,6 121,89 123,9,6,4,4,2 111,9 113,89 114,89, ,2 12,89 116,89 122,89 123,89 124,88 125,89 126,88, Pb :11:58 Pb1,5,45,4 27,97 Simulation Pb Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Fe :12:26 Fe1,9,85,8,75,7,65 55,93 Simulation Fe Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,35,6 Abundance,3,25 25,97 26,97 Abundance,55,5,45,4,2,35,3,15,25,1,2,15,5 23,97, ,1 53,94,5 56,93 57,93, U :12:48 U1 238,5,95,9,85,8,75,7,65,6,55,5 Abundance,45,4,35,3,25,2,15,1,5 234,4 235,4, Simulation U Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 3 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Pu :13:8 P1 U1 269,2 Simulation Pu,95 Profile Resolution:,9 Daltons,25 at 5 height,85 Charges 1 Chrg dist,8 Ions 3,75 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5,7 Max Ions. 2,65,6,55,5 Abundance,45,4,35,3,25,2,15,1,5 265,1 266,1, Ba :13:38 Ba1,7,65,6,55,5 137,9 Simulation Ba Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 7 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 s :13:59 S1 31,97,95,9,85,8,75,7,65 Simulation s Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,45,6 Abundance,4,35 Abundance,55,5,45,3,4,25,35,3,2,25,15 136,9,1 135,9 134,9,5 133,9 129,91 131,9, ,2,15,1,5 33,97 32,97 35,97, Se :14:3 Se1,45,4,35 79,91 Simulation Se Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 6 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Zn :14:58 Zn1 63,93,45,4,35 Simulation Zn Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 5 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,3,3 65,92 Abundance,25 77,91 Abundance,25,2,2 67,92,15,15,1 75,91 76,91 81,91,1,5,5 66,92 73,92, ,92,

24 Cl :15:2 Cl1,75,7,65,6,55 34,97 Simulation Cl Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 2 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 Cl :15:32 Cl2 69,94,55,5,45 Simulation Cl2 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 3 Min Ion Ab. 1e-2,5 Min Ions 5,4 Max Ions. 2,45 71,93 Abundance,4,35,3 Abundance,35,3,25,25 36,96,2,2,15,15,1,1,5 73,93,,5 33, 33,5 34, 34,5 35, 35,5 36, 36,5 37, 37,5 38, 38,5, Cl :15:57 Cl :15:44 Cl4 Cl3 14,91 Simulation,42 141,87 Simulation Cl4,42 16,9 Cl3 Profile,4 Profile Resolution:,4,38 Resolution: Daltons,25 at 5 height,38,36 Daltons,25 at 5 height Charges 1,36 Charges 1 Chrg dist,34 139,88 Chrg dist Ions 5,34,32 Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5,32,3 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,3 Max Ions. 2,28,28,26 Abundance,26,24,22,2,18,16 Abundance,24,22,2,18,16,14 143,87,14,12 18,9,12,1,1,8,6,4,2 11,9, ,8,6 145,87,4,2 147,86, Br :16:22 Br2 Br :16:9 Br1 78,92 Simulation 159,83 Simulation Br2 Profile,5,45 8,91 Br Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1,45,4 Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 3,4 Chrg dist Ions 2 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5,35 Max Ions. 2,35 Max Ions. 2,3 Abundance,3,25 Abundance,25,2 157,84 161,83,2,15,15,1,1,5,5,, 77, 77,5 78, 78,5 79, 79,5 8, 8,5 81, 81,5 82, 82, Br :16:36 Br3 238,75,38,36,34,32,3,28,26 24,75 Simulation Br3 Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2 BrCl :16:51 Br1 Cl1,45,4 113,89,35 115,88 Simulation BrCl Profile Resolution: Daltons,25 at 5 height Charges 1 Chrg dist Ions 4 Min Ion Ab. 1e-2 Min Ions 5 Max Ions. 2,24,22,3 Abundance,2,18 Abundance,25,16,2,14 236,76,12 242,75,15,1 117,88,8,1,6,4,5,2, ,

25 Beispiel 1

26 Silan #42 RT:,96 AV: 1 SB: 4 1,6-2,44 NL: 3,26E5 T: {;} c EI Full ms [ 1,-2,] 73 x2 x Beispiel Relative Abundance

27 German #17 RT: 1,18 AV: 1 SB: 26 1,25-1,43, 1,4-1,13 NL: 1,17E5 T: {;} c EI Full ms [ 1,-2,] 119 x Beispiel Relative Abundance

28 MM (11.35) Cm (754: :763) 212 Scan EI 1.51e6 155 Scan EI 2.27e

29 Int. Normalisiert 31 P 32 S 16 C 1 C 11 S A ,89 ±,2 3, ±, , ,85 ±,7 12,1 ± 1,2,8, 11, 12, ,47 ±,2 5,3 ±,5 4,4,2,54,67 klein 215,38 ±,2,58 ±,5,4 ** PSC 11 Y 211 PSC 1 Y 199 (Wasserstoffe nicht berücksichtigt) ** zu 11 liegt 12 C 7 13 CS vor davon: 95,6 12 C 7 13 C 32 S und 4,4 12 C 7 13 C 34 S

30 Quadrupolanalysator Druck in mbar freie Weglänge 8 in cm Atmosphärendruck 3,5x1-6 1 ca ca Quelle zur Ionenerzeugung Beschleunigung und Fokussierung Ion mit stabiler Flugbahn _ (U V costt) Ion mit instabiler Flugbahn zum Detektor _ -(U V costt) Ionenstrahl Ionenfokussierungslinse Quadrupolstäbe

31 Instabile Flugbahn von Ionen m < m res trifft Stab z m > m res z x y Stabile Flugbahn von Ionen z z x y graphische Lösung der Mathieu-Gleichung ~U m3 m2 m1 Scanlinie U ~V

32 Verschmutzte Prefilter Ausgebauter Quadrupol

33 Elektrische Anschlüsse am Quadrupol

34 / 5 8 A H C A E? D M A EA H A I I K C A EJK JA H I? D E? D A 5? = H = JA * A EI F EA 7 A? = A? = D D A 5? = H = JA 5 9 $ $ 5? = - 1 & " 6 1 # A # 5? = H= JA # # I & ' & & & &! & " & # & $ & & & & ' ' 6 E A A? = D D A 5? = H = JA 5 9 $ # 5? = - 1 &! 6 1 "! A # 5? = H= JA & I & ' & & & &! & " & # & $ & & & & ' 6 E A

35 / 5 > A H K C A E A H 5 K A, A JA J H C A I JJEC J. = I? D A. H = C A JE A E JA I EJ JA & E & - 6! 5? = - 1 & ' # 6 1 & # " A $ 5 E! - 6! 5? = - 1 & & 6 1 # $ A $ 5 E 5 E 6 E A & & # &! &! # & " & " # & # & # # & $ & $ # & & # & & & & # & ' & ' # ' ' # ' ' # ' & E & - 6! ' $ & ' # " ' # ' 5? = - 1 $ A $ # & 6 E A & # & & # &! &! # & " & " # & # & # # & $ & $ # & & # & & & & # & ' & ' # ' ' # ' ' # 5 E! - 6! ' $ & & ' $ ' ' '! & '! & ' ' 5? = - 1 N " '! ' A # # & # &!! # $ # '! # # ' # " " # " " & $ $!!! $! # & # " ' '! $ & $ ' # $ ' '!! $ "!! " " & $ $ # $! " '!!! "!! &! " & # $ & '! " # $ & '! " # $ & '!!!!!! " # $ # '! # # '! $ # #! " # " # # $ & # & $ " & $! $ &! ' '! ' # ' '! #!! " " & $ $ " $ #! " $ & " '!!! #! " & # $ & '! " # $ & '! " # $ & '!!!!!! "

36 5 E 5 E 5 E 5 E! $ _ 5 E 5 E 5 E 5 E H ) 5 E _ 5 E 5 E 5 E!! 5 E 5 E 5 E A 5 E 5 E H ) 5 E 5 E # &!! 5 E 5 E A 5 E 5 E _!

37 Ion-Trap-Quadrupolmassenfilter Prinzip: bere Polkappe 1. Alle Ionen werden in d. Trap gefangen 2. V steigt an ---> Einzelne Ionenbahnen werden instabil ---> Ionen verlassen die Trap U V costt Ringelektrode Untere Polkappe Vorteile: Kurze Scanzeiten Hohe Empfindlichkeit Ringelektroden Abstandringe Linsen Nachteile: Einlaßfokussierung Ionen stoßen sich gegenseitig ab Auftreten von Ion/Molekül-Reaktionen Ionen in Ionen aus Polkappe Polkappe

38 Aufbau von Massenspektrometern Einfach fokussierendes Massenspektrometer Auflösung wird verschlechtert durch: Richtungsdispersion: Energie-Dispersion Ionen fliegen nicht streng parallel aus dem Austrittsspalt Ionen haben unterschiedliche Geschwindigkkeit

39 Aufbau von Massenspektrometern Doppelt-fokussierdendes Massenspektrometer Prinzip: Geschickte Anordnung eines magnetischen und elektrischen Sektors Elektrischer Sektor Trennung nach kinetischer Energie der Ionen Magnetischer Sektor: Trennung nach Massen Elektrostatischer Analysator Magnetischer Analysator Ionenstrahlen; nach Energie getrennt Hypotetischer Ionenstrahl eine Masse, zwei Energien Energiefokussierter Ionenstrahl

40 Vergleich der Auflösung Sektorfeldmassenspektrometer - Quadrupolmassenspektrometer Quadrupol MS A variabel m konstant Sektorfeld MS A konstant m variabel Tuning eines Quadrupol-MS

41 Ion Cyclotron-Resonanz-Fourier-Transform-Massenspektrometer ICR-FT-MS Prinzip Empfängerplatte Platte abgegebene Signalleistung Senderplatte Massenspektrum nach FT Magnetfeld B RF anregende Hochfrequenz 7kHz -3,6 MHz Cyclotronfrequenz: f c (Hz) = v/r = zeb/m ist umgekehrt proportional zum -Wert Energieaufnahme durch das Resonanz-Ion rf Frequenz = Cyclotron Frequenz f c des Ion

42 Fourier-Transform-Massenspektrometer Einfache Pulssequenz 7kHz bis 3,6 MHz Reaktionszeit ca 1-1sec Ionisierung (1) Anregung ca 5 ms (2) Detektion (3) (1) Ionisierung der Ionen erfolgt durch Ionenbeschuß (2) Anregung erfolgt duch Einstrahlung eines elektr. Wechselfeldes mit linear ansteigender Frequenz rf wenn f c = rf ----> Ionen gleicher Masse bewegen sich kohärent ----> Geschwindigkeit d. Ionen nimmt zu ----> Bahnraduis nimmt zu ----> Ionen erzeugen Spiegelfrequenzstrom

43 ESI FT-ICR of Multiple-Metal, Multiple Charged Dendritic Complexes Dendrimere vom Typ C c H h Si s o F f Ru n n = 12 n = 36

44 Ion/Molekül Reaktionen des Silen-Radikal-Kations mit Alkenen H 3 C H 3 C Si CH 2 H 2 C CH 2 5 ms 1.1-dimethyl-1-silacyclopentane IN GENERATIN (external ion source) 8 ms (ELECTRN BEAM) Pulsed valve H 3 C H 3 C Si CH 2 3 s ms (1-4 mbar, Ar or C 2 ) ISLATIN (CH 3 ) 2 SiCH 2 ( = 72) (1.1-dimethylsilene cation),5 ms 3 s H 3 C H 3 C Si CH 2 R 2 C CH 2 Pulsed Valve ms (1-4 mbar, Ar or C 2 ) ( ms H 2 C=CH 2, D 2 C=CD 2, CH 3 -CH=CH 2 ) ALKENE INTRDUCTIN EXITATIN H 3 C H 3 C Si CHR H 3 C H 3 C Si CH 2 Reaction-time 2-12s.15 ms Detection Quenching

45 72 Source: 1,1-Dimethyl-1-silacyclobutan In Cell: Propene Select: 72 Pulsed valved: Ar 2 /4ms; Delay 2s Reaction time: 2.1 s [22] -Cycloaddition 86 H 3 C H 3 C Si CH 2 H 3 C H 3 C Si CH 2 HC CH 2 72 H 3 C H 3 C Si CH H 3 C HC CH 2 H 3 C

46 MALDI-TF-MS Prinzip -3V E 1 E 2 E 1 > E2; Massen sind gleich -3V Low resolution Linear mode 13V Flugzeit- Massenspektrometer Beschleunigungsgitter Laser Puls Analyte Matrix Cation (z.b Na ) -3V L 1 -First Field-Free Drift Region L 2 -Second-Free Drift Region Reflection High resolution utilizing reflection

47 MALDI-TF-MS eines Dendrimers der 2-Generation Christian Schenk, Dr. Holger Frey, Prof. Dr. Rolf Muelhaupt Freiburger Materialforschungszentrum 2262,3 2263,3 2264,4 2261,3 2267,3 2266,4 2265,3 2263,3 Si Si Si 226,4 2268,3 2269,3 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 2111,3 Si 2263 = M Ag 2111 = M Ag HSi(CH2CHCH2) = M Ag 2*HSi(CH2CHCH2)3 1959,

48 * A EI F EA A H E A H A EJ4 *. " / A A J= - K H D A & "!

49 D = H = JA H EI EA H K C L, H E A H A / A A J= - K H D A & "! = 4 5 F A JH I F EA > E6. 5 = > 2 2 D 8 A HC A E? A H# D 4 5 F A JHA L / / " ), 16. = I I A I F A JHK L /!

50 Dissoziation einer F-Bindung σ R CR 3 R CR 3 Fragmention, das die pos. Ladung am besten stabilisiert, ist am stabilsten Spaltung erfolgt bevorzugt am höher subst. Kohlenstoff n-dodecan ,2,4,6,6 Pentamethylheptan

51 Spektrum von 2,2-Dimethylbutan auf unterschiedlichen Geräten vermessen

52 Radikalisch induzierte Spaltung ("-Spaltung) R _ CR _ α 2 YR R CR 2 =YR Auslöser: Starke Tendenz zur Elektronenpaarung Mit einem ungepaarten Elektron wird eine Bindung zu einem Nachbaratom ("-Atom) gebunden und gleichzeitig wird eine andere Bindung gespalten H _ CH 2 _ CH 2 _ NH 2 α HCH 2 CH 2 =NH 2 Monoethanolamin 3 CH 2 =NH

53 "-Spaltung an Alkenen α CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3 CH 2 =CH-CH 2 41 CH 2 =CH-CH 2 1-Buten

54 "-Spaltung am Phenylsystem CH 3 _ CH 2 _ C 6 H 5 α CH 3 CH 2 =C 6 H 5 = Ethylbenzol Methoxymethylbenzol Ethoxybenzol

55 "-Spaltung am Carbonylsystem R C Y α R CR Y R 3-Pentanon H 5 C 2 C α C 2 H 5 C 2 H 5 C H 5 C 2 = 57 Acylium-Ion

56 Abspaltung des grössten Alkylradikals ist bevorzugt [C 2 H 5 C(CH 3 )=H] = 73 [C 3 H 7 C(CH 3 )=H] 5 = 87 [C 3 H 7 C(C 2 H 5 )=H] 1 = CH 3 C 3 H 7 C H C 2 H

57 Ladungsinduzierte Spaltung (induktive Spaltung) R Y R` i R YR` E R R YH i 2 YH 2 EE Die Spaltung wird durch Elektronenzug d. pos. Ladung ausgelöst. --> Es bewirkt eine Wanderung d. e-paares Beispiel C 2 H 5 C 2 H 5 i C 2 H 5 C 2 H 5 H 5 C 2 C H 5 C 2 C i C 2 H 5 (C 2 H 5 ) 2 C= H 5 C 2 H 5 C Pentanon

58 Ringspaltungsreaktionen (Cycloalkane) -e - α CH 2 =CH

59 Ringspaltungsreaktionen (Heterocyclen) -e - α α CH 2 = = 58 i 28 CH 2 = CH 2 CH 2 = N α N α N =71 α CH 2 = N = N

60 Ringspaltungsreaktionen (Cycloalkene) R R R R α rh H -e - α CH 3 -e - R α R α R R = H R = H; = 67 = 54 R i R 54 R = Ph; =

61 Radikalische Wasserstoff-Umlagerung (Mc-Lafferty-Umlagerung) R H rh R H α R H H R = CH 3 α = 58 CH 3 C =43 R H i R H = 14: R = Ph

62 Ladungsinduzierte Wasserstoff-Umlagerung H NH=CH 2 α H 3 C CH 2 NH CH 2 CH 3 H 2 C CH 2 = 58 rh CH 2 =CH 2 H 2 N=CH =

63 Ladungsinduzierte Wasserstoff-Umlagerung (Mc-Lafferty1-Umlagerung) R H R H rh Ph Ph α R = CH 3 R H =122 Ph R H C H H rh R H H = H H Ph

64 Chemische Ionisation: Anwendung Si H HCl/H 2, C Si? H 2 N C()Et H 2 N C()H? = Cl oder H EI-MS (7 ev):? =? 16 M -Cl oder M -H CI-neg. (Methan):? = Cl [M - H]

65 Bildung positiv geladener Ionen: CH 5 C 2 H 5 Methan 1. Primärreaktion: R 7 ev {HR } n C 3 H 5 Beispiel Methan: (CH 3 H H) Methanol CH 4 7 ev CH 4 ; CH 3 ; CH 2 CH 4 CH 4 7 ev CH 5 CH 3 = 17 CH 3 CH 4 7 ev C 2 H 5 H 2 = 29 C 2 H 5 CH 4 7 ev C 3 H 5 H 2 = 41 (CH _ 3 _ CH 3 H) NH 4 Ammoniak Weitere Reaktandgase: Methanol, Ammoniak, Wasser, Isobutan

66 2. Protonenübertragung RH M MH R Einfluss d. Protonenaffinität d. Reaktandgasionen auf die Intensität von MH und auf d. Fragmentierung von Propylbenzol Reaktandgas H 2 N 2 /H 2 CH 4 CH 4 C 3 H 8 NH 3 Ion H 3 N 2 H CH 5 C 2 H 5 C 3 H 7 NH 4 PA(R) Hydrid-Abspatlung M R RH [M-H] 4. Anlagerungsreaktionen M HR [MHR]

67 Beispiel 1 Wagsist #1457 RT: 25,13 AV: 1 SB: 7 25,28-25,66, 24,63-25,3 NL: 4,51E6 T: {;} c EI Full ms [ 5,-8,] 98 x Si CH 2 H CH 2 CH 2 N Relative Abundance WASIP2CI 764 (11.368) Cm (762: :761) 326 Scan CI 8.2e

68 Beispiel 2 Merg9 #913 RT: 9,35 AV: 1 SB: 69 7,7-8,31, 1,59-11,21 NL: 2,87E3 T: {;} c EI Full ms [ 45,-5,] H N C 2 H 5 N C 2 H 5 Si Me Me Relative Abundance Merget11 #75 RT: 9,41 AV: 1 SB: 1 9,1-9,38, 9,52-9,95 NL: 1,35E5 T: {;} c CI Full ms [ 45,-5,] Relative Abundance

69 Thermische Hoffmann-Abbau: Abstraktion eins H-Atoms in ß-Stellung zum quartären Stickstoff R 3 R 2 X - N R 1 R 3 N R 1 X R 2 C32H44BrN34Si JD617P1 236 (2.189) Cm (218:258-(286:32568:133)) [CH 3 Br H] CH 2 R 4 CH 2 R 4 Scan CI 4.86e5 N Si N Br - N M (Kation) = 562 N N Si Br H 548 [M-CH 3 H]

70 5? = 1! ' A " # &! 9 5 E 5 E 9 ' & & # A! & $ & " & & " & & " ' # # # & & & &! &! &! $ $! $ # $ $ '! # ' & &! & #

71 Negative chemische Ionisation Elektronenionisationen bei niedrigen Druck erzeugt neben pos. auch neg. Ionen: > Ausbeute ist ca. x geringer Bei d. chemischen Ionisatioen werden durch Kollision d. Primärelektronen (7eV) mit den Reaktandgasmolekülen auch sek. Elektronen mit niedriger Restenergie gebildet CH 4 e p CH 4 2 e s 1. Elektroneneinfang M e s M 2. Dissoziativer Elektroneneinfang M e s (M _ X) X 3. Ion-Molekülreaktionen X e s M X X (M H) HX 4. Ionenadduktbildung M X MX

72 Abhängigkeit der Adduktbildung von der Quellentemperatur 261 ClCH 2 ClCH 2 Si CH 2 Cl CH 2 Cl Cl ClCH 2 ClCH 2 Si CH 2 Cl CH 2 Cl Quelltemp 15 C Quelltemp 24 C Quelltemp 24 C

73 Vergleich zweier identischer Proben: (a): Totalionenchromatogramm aufgenommen mittels pos. CI RT: 7,65-17, ,41 NL: 9,1E5 TIC MS Merget11 Relative Abundance ,71 8,17 8,84 1,58 9,54 11,27 11,82 11,73 14,18 14,35 13,7 14,7 13,3 15,19 16,18 16,84 17, Time (min) (b): Totalionenchromatogramm aufgenommen mittels neg. CI RT: 7,97-2, ,35 NL: 1,63E6 TIC MS Merget ,32 Relative Abundance ,4 15,45 17,71 16,44 19,2 8,65 9,56 9,88 19,6 8,32 1,6 12,12 13,32 16,77 19, Time (min)

74 Tandem-Massenspektrometrie MS 1 MS 2 m p md n Ionenerzeugung Trennung Trennung Ionennachweis m p : Parent ion m d : Daughter ion Ursprüngliches Spektrum Stoßinduzierter Zerfall (CID) M m 1 ; m 2 ; m 3 m 31 ; m 32 ; m 33 ;... m 21 ; m 22 ; m 23 ;... m 11 ; m 12 ; m 13 ;... Spektrum des Fragmentions Fragmentierung durch Kollision mit einem inertem Stoss-Gas m 111 ; m 122 ;...

75 Neutral-Loss-Scan: Man selektiert ein Neutralteilchen und detektiert alle Fragmente die zu einem Verlust des Neutralteilvhens führen

76 Produkt-Ion-Scan Mutterion wird selektiert und dessen Produktspektrum (nach Stoßanregung) analysiert MS/MS Produktionenanalyse (CH 3 ) 3 Si NH Si(CH 3 ) 3 MS/MS Produktionenanalyse

77 Precursor-Scan Man wählt ein Tochterion und bestimmt alle dazugehörigen Mutterionen MS/MS Ausgangsionenanalyse (CH 3 ) 3 Si _ NH Si(CH 3 ) 3 CH 3 CH 3 CH 3 Si _ NH Si(CH 3 ) CH 3 5 MS/MS Ausgangsionenanalyse 147 CH 3 _ Si Si N H CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 Si Si N H CH 3 CH

78 Feldionisation Ziehspannung 11kV Ionenstrahl zum Massenanalysator Feldemitter Heizbarer Probengeber (CH 3 ) 3 Si NH Si(CH 3 ) 3

79 Felddesorption Ziehspannung 11kV Probengeber zum Massenanalysator Ionenstrahl Feldemitter Ge CH 2 H CH 3 I CH 2 CH 2 CH 2 N -

80 D = H = JEA H EI EA H K C L JA JH = EI F L 5 E= A F L I E= A EC F D A L E I E= A 5 E $! $! " A A., 5 A D HB=? D F H J EA HK C J F EI? D B H) H = JA HA 1 JA I EJ 5 E!! "! 5 E! "! " # # #! A E A H, A JA HJ2 I JA H> A EJH= C K H15 5 : 111E / K = = K = J / J A N E #! &

81 D = H = JEA H EI EA H K C L JA JH = EI F L 5 E= A " 5 E &! & # # # #!! #! & "., 5 H A 1 JA I EJ E6. "! A E A H, A JA HJ2 I JA H> A EJH= C K H15 5 : 111E / K = = K = J / J A N E #! &

82 Aufbau einer FAB-Kanone [M-H]- Ph Ph Ph Ph Si H HN(CH 2 CH 2 ) 3 Typisches Fab-Massenspektrum: Matrix: NBA; negative Ionen

83 Matrix Matrix 3-Nitrobenzylalkohol Krone Glycerin 92 Thioglycerin 18 Sulfonlan 12 Triethanolamin 149 Polyethylenglycol Butyl(benzyl)phthalat 312 Glycerin-Matrix pos. Ionen 2-Nitrophenyl(octylether)-Matrix

84 N Si N Br - N C32H44BrN34Si JD617P1 236 (2.189) Cm (218:258-(286:32568:133)) Scan CI 4.86e

85 Aufbau einer APCI-Quelle Quadrupol Ion ptic Sample Cone Needle Corona Discharge Heater LC- Eluent N 2 Skimmer cone Beispiel: Typisches APCI-Massenspektrum; Solvent: Acetonitril; positive Ionen MSENDBI 5 (.442) 344 [MH] Scan AP 2.14e5 CH 2 H Si CH 2 CH 2 CH 3 N I

86 Beispiel: PRFR2 15 (.151) x4 APCI negative Ionen Scan AP- 1.82e6 Si (CH 2 ) 4 H N(CH 3 ) [MH] PRFR1 15 (.15) x2 Scan AP 1.57e5 APCI positive Ionen 334 [MH]

87 Beispiel: Lösungsmitteleinfluß bei APCI-MS LM: Methanol 227 x8 Scan AP- 4.22e5 Ph Ph Ph Ph Si H CH 3 H Ph Ph Ph Ph Si CH LM: Acetonitril 522 Scan AP- 1.15e4 Ph Ph Ph Ph Si H CH 3 CN Ph Ph Ph Ph Si NCCH

88 Cone-Voltage beeinflußt Fragmentierungsverhalten Skm 2 V C H N H Skm 12 V 276 C H N H

89 Aufbau einer ESP-Quelle Flüssige Probe Nadel Kapillare Quadrupol Gasstrom Skimmer Vorvakuum Hochvakuum Cone-Voltage beeinflußt Fragmentierungsverhalten cone Voltage 25 V 5 cone Voltage 85 V 5

90 Prinzip der Elektrospray-Ionisation 3 bis 6 kv LC-Kapillare Geladenes Aerosol freie Ionen MS elektrisch leitender Überzug Desolvatisierung Ionenemission Typisches ESP-Spektren (Mehrfachprotonierung) Insulin M.W. = ca 5.7 Cytochrom C M.W. = ca Lysozyme M.W. = ca 14. Myoglobin M.W. ca. 17.

91 Molekülgewicht. Elektrospray EI/CI APCI Unpolar Polar APCI ESI Anwendungen Bestimmung von Proben mit relativ geringem Molekulargewicht, die relativ unpolar sind (oft kleiner amu, z. B. Pestizide, Herbizide, Pharmaka, Steroide) Ionenerzeugung Koronaentladung und Ladungstransfer in der Gasphase, Erzeugung einfach geladener Ionen Flußrate,2-2 ml/min,1-1, ml/min Bestimmung polarer Moleküle und großer Bio-Moleküle (z.b. Pestizide, Herbizide, Pharmaka, polare Metabolite, Peptide, Proteine) Ionenverdampfung aus der flüssigen Phase heraus, Erzeugung einfach und mehrfach geladener Ionen

92 ) = I A L EC I =?? D = H E@ A EJJA B H = JE A > A H 5 A G K A 8 A H F BK C 8 A H M A EC K C = 5 A G K A * A I JE K C ; ;! ; * * *! 4 4 4!

93 > 8 A H M A EC K C > A H "! " " 5! # & " ' 5 * A EI F EA 2 A J= I =?? D = HE@ / = " /? )?! / = " /?!. K?

94 ? 8 A H F BK C > A H 5 A 8 A H> K C = > C A I F = JA A I A K JH= 6 A E? D A / = " /? )?! $! " & " / = " / = "! $! " & " / =! / = $

95

96

97 Fragmentierung von Peptiden A n B n C n H 2 N CHR n C NH CHR n1 CH X p Y p Z p A: Spaltung Cα-C B: Spaltung C()-N C: Spaltung N-Cα X: Spaltung C α-c Y: Spaltung C()-N Z: Spaltung N-Cα Ladung verbleibt am N-terminalen Rest Ladung verbleibt am C-terminalen Rest A n R R n H (HN CH C) n-1 NH CH X n R n R C HN CH C (HN CH C)n-1 H B n R n R H (HN CH C) n-1 NH CH C Y n R n R H 3 N CH C (HN CH C)n-1 H C n R n R H (HN CH C) n-1 NH CH C NH3 Z n R n R CH C (HN CH C)n-1 H

98

99 NH 2 HN NH 2 Cl NH NH H N N H H N N H H H N N H H N N N H H N NH 2 GeMe 3 N Ac D-Nal 1 (4-Cl)-D-Phe 2 D-Pal 3 Ser 4 (Me D-Cit 6 Leu 7 Arg 8 Pro 9 3 Ge)-Ala 5 D-Ala NH 2 B Y Ac ,1 NAL , ,1 ClPHE , ,2 PAL , ,2 SER , ,2 ALA (*1) , ,3 CIT , ,4 LEU , ,5 ARG , ,6 PR , ,6 ALA 71 87,1 1 NH2 16 * 7 Ge(CH 3 ) 3