Teil 4 Massenspektrometrie. Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2017/18

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1 Teil 4 Massenspektrometrie Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2017/18 1

2 Rückblick auf die letzte Vorlesung Grundprinzip der MS: Trennung nach Ladung und Masse (m/z) Entscheidende Schritte: Ionisierung und Trennung von Ionen M + Wichtige Vokabeln: Molekülion, Basision, Fragmention Massen, Isotope und Isotopenmuster X H Fragmentierungsmuster: Spaltung, McLafferty-Umlagerung MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 36

3 Erzeugung von Ionen: Ionenquelle Wir beschäftigen uns (wenn auch manchmal nur ganz kurz) mit: Elektronenstoß (electron impact, EI) Chemische Ionisation (CI) Elektrospray-Ionisation (ESI) Fast Atom Bombardment (FAB) Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 37

4 Chemische Ionisation (CI) Ionisationsprozess in zwei Schritten: 1) Ionisierung eines Reaktantgases (bspw. H 2, CH 4, (CH 3 ) 3 CH, NH 3, ) 2) Ionisierung des Analyten durch intermolekulare Gasphasenreaktionen Vorteil: Fragmentierung steuerbar(er) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 38

5 Ionisierungsprozesse bei CI Elektronentransfer (wenig Bedeutung) Positiv: RH + e RH + + 2e RH + + M M + + RH Negativ: RH + e RH - RH - + M M - + RH Protonenübertrag Ionenanlagerung Positiv: RH + e RH + + 2e RH + + RH RH RH RH M [M+H] + + RH Positiv: RH + e RH + + 2e RH + + RH RH RH RH M [M+RH 2 ] + Negativ: RH + e RH - Negativ: R - + MH [M+R] + RH - RH - + H R - + MH [M-H] - + RH [M±X] ± : Quasi-Molekülion MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 39

6 Beispiele: EI vs. CI EI-MS CI-MS, Isobutan [M+H] + MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 40

7 Beispiele: EI vs. CI EI-MS CI-MS, Methan M + MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 41

8 Beispiele: EI vs. CI EI-MS CI-MS, Isobutan M + MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 42

9 Elektrospray-Ionisierung (ESI) Sehr schonende Ionisierungsmethode: Zu keinem Zeitpunkt Energiezufuhr auf Analyten, der Fragmentierung auslösen könnte Beruht auf Ionisierung, die auch ohne Energiezufuhr ablaufen würde Beschränkung der möglichen Analyten Beispiele Amine [M+H] +, [M+Kation] + Carbonsäuren [M-H] - Sulfonsäuren [M-H] - Zucker [M+Kation] + Ketone, Aldehyde [M+H] +, [M+Kation] + Ether, Alkohole [M+H] + MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 43

10 Elektrospray-Ionisierung (ESI) Zum Ablauf des ESI-Prozesses: ESI-Quelle operiert bei Atmosphärendruck Probe wird in geeignetem, polaren LöMi gelöst Aus Kapillare werden kleine geladene Tröpfchen durch Spannungsdifferenz herausgesprüht Auf Weg zu Gegenelektrode verdampft LöMi Durch beheizte Transferkapillare gelangen Ionen in den Analysator MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 44

11 Fast Atom Bombardment (FAB) 1) Analyt wird in (zäh-)flüssiger Matrix, bspw. Glycerin, eingebettet 2) Matrix wird mit neutralen Atomen mit hoher kinetischer Energie beschossen 3) Übertrag der kinetischen Energie bei Auftreffen auf Matrix Wolke aus Matrix- und Analyt-Teilchen tritt über in Gasphase (weiche Ionisierung) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 45

12 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI) Ähnlich wie FAB, nur wird ein Laser zur Anregung der Matrix verwendet Matrix muss hohe UV/vis-Absorption für Laserwellenlänge aufweisen, um Energie effizient aufzunehmen und zu transferieren. Typische Matrix-Materialien: OH O COOH NC CN OH H 3 C NH 2 CHCA MZ=189 OH DHB MZ=154 Anthranilsäure MZ=137 tbu DCTB MZ=250 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 46

13 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI) MALDI wird oft in Kombination mit ToF-Analysatoren zur Massenbestimmung von Peptiden, Proteinen und synthetischen Polymeren verwendet. MALDI-ToF erlaubt die qualitative Bestimmung von Molmassenverteilen in Polymeren Bildquelle: Beilstein J. Org. Chem. 6 (2010) No. 59 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 47

14 Analysatoren: ToF Time of Flight Funktionsprinzip in Formeln: oder salopp gesagt: Die großen Dicken fliegen langsamer als die kleinen Dünnen. Reflectron ermöglicht zeitliche Fokussierung durch Ablenkung der Flugbahn Meist Kombination aus MALDI-ToF, da gepulste Ionisierung im MALDI definierten Startzeitpunkt der Ionen markiert. MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 48

15 Analysatoren: Ionenfalle Prinzip: Einfangen von Ionen in magnetischem (ICR) oder elektrischem Feld (QIT) Ionen-Cyclotron-Resonanz (ICR) Ionen werden entlang von Feldlinien in starkes Magnetfeld eingeleitet. Ionen beginnen um Feldlinien zu rotieren, jedes mit definierter Geschwindigkeit bzw. Radius Anregung mit breitem RF-Puls: Teilweise Phasenkohärenz Detektorplatten messen Wechselfeld Magnetfeldlinien senkrecht zur Papierebene Vorteil: Zerstörungsfrei Ionen können lange gespeichert werden MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 49

16 Analysatoren: Quadrupol-Massenfilter Prinzip: Ionen gelangen in elektrisches Wechselfeld zwischen vier Stabelektroden Nur wenn Ionen auf der durch die Frequenz bestimmten Bahn stabil durchfliegen, gelangen sie zum Detektor Koppeln mehrerer Quadrupol-Massenfilter erlaubt MS/MS-Experimente, d.h. selektieren und gezieltes Fragmentieren eines Ions MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 50

17 Auswahl der Ionisationsmethode (adaptiert von J.H. Gross, Massenspektrometrie) Probe Gas Flüssigkeit Feststoff Sehr flüchtig Gering flüchtig verdampfbar Nicht verdampfbar löslich unlöslich Direkter Einlass GC Indirekter Einlass unpolar polar ionisch EI FI CI FD /LIFDI FAB APCI ESI MALDI MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 51

18 Übung: Wer bin ich? EI-MS (70 ev) H-NMR MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 52

19 Übung: Welche Fragmente entstehen durch Primärfragmentierung? O 105 Sekundärfragment MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 53

20 Übung: Wer bin ich? Cl MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2017/18 54