2. Mäuseburger Kaminabend

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August Hausler
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www.papa-gey.de 2. Mäuseburger Kaminabend Marschner Str. 22 D 02763 Zittau Frau Dr. rer. nat. Monika Möder Helmholtz Zentrum, UFZ Leipzig Mittwoch, 09. 12.2015, 19.

1 2. Mäuseburger Kaminabend Marschner Str. 22 D Zittau Frau Dr. rer. nat. Monika Möder Helmholtz Zentrum, UFZ Leipzig Mittwoch, , Uhr Ionen aus dem Feuer: Ionisierungstechniken in der Massenspektrometrie (MS) von Elementen bis zu Proteinen Fachlich sehr interessant mit fast 30 Gästen! Studenten der Biotechnologie, Chemie und aus dem IHI Masterstudiengang Biotech/Angew. Ökologie. Glühwein & Skripte Danke Monika! Ausklang der Veranstaltung noch vor 3.00 Uhr!

2 2. Mäuseburger Kaminabend

4 allmystery.de Ionisierungstechniken in der Massenspektrometrie von Elementen bis zu Proteinen M. Möder, Zittau,

5 Unterschiedlicher Energie für Ionisierung Elementanalytik Cd, Pb, Sn, Fe, Cu, Ni, Organische MS Peptide, Proteine, Vitamine, Mykotoxine,...

6 Warum so viel Hitze Energie nötig? Prinzip der Massenspektrometrie (MS): Umwandlung von neutralen Teilchen in Ionen Ionisierung Energie 700 kj/mol kj/mol Trennung der Ionen nach Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z Massenanalyse Hochvakuum Detektion der Ionen Zerstörende Methode

7 Ionisierung von Elementen aus Lösung, Festproben von Oberflächen, imaging

ICP-MS Inductively coupled plasma - 5000-10 000 C - hohe

8 Ionisierung von Elementen Ionen in wässriger Lösung (Wasserproben, Probevorbereitung z.b. Säureaufschluss von Boden, Biomaterial) ICP-MS Inductively coupled plasma C - hohe Elektronendichte im Plasma Ionisierung von Atomen (Oxiden) zum Massenspektrometer

IE Fe Eisen 762 kj/mol = 7,9 ev 1562 kj/mol =16,2 ev Rh Rhodium 719 kj/mol = 7,4 ev 1740 kj/mol = 18,0

9 Massenspektrum einer geogenen Probe U 238 Cr 52 Fe 56 Rh 103 Ce 140 Mn 55 Cu 63 Ni 60 As 75 Sr 88 Mo 95 Cd 111 Ba 137 Pb 208 Element Ionisierungsenergie IE 1. IE 2. IE Fe Eisen 762 kj/mol = 7,9 ev 1562 kj/mol =16,2 ev Rh Rhodium 719 kj/mol = 7,4 ev 1740 kj/mol = 18,0 ev Ce Cer 534 kj/mol= 5,5 ev 1050 kj/mol= 10,9 ev Pb Blei 715 kj/mol= 7,4 ev 1450 kj/mol = 15,0 ev U Uran 598 kj/mol = 6,2 ev 1420 kj/mol= 14,7 ev

Oberflächenuntersuchung Zusammensetzung von

(Münzen, Mondgestein) Qualitätskontrolle

10 Oberflächenuntersuchung Zusammensetzung von Mineralien (Bergbau) Altersbestimmung (Münzen, Mondgestein) Qualitätskontrolle (Halbleiterindustrie, Metallurgie) Imaging Zoriy et al. J Am Soc MS 20 (2009) 883 Medizin- und Umweltanalytik (Aluminium im Gehirn Alzheimer? Nano-Partikel (Silber, Katalysatorentwicklung) Candy et al (1992) Biol Cell 74:109

11 SIMS secondary ion mass spectrometry Ionenkanone bis 25 kev Probeoberfläche Cs + Cs + Massenspektrometer Laterale Auflösung: 30 nm - 1 µm nm <Tiefenauflösung < µm

12 Laser ablation (Verdampfung) Ionenkanone gepulster Laser ~ 100 ev Massenspektrometer Probeoberfläche verdampfen Plasmabildung zur Ionisierung Foto: pubs.rsc.org

13 Ionisierung organischer Moleküle

14 Ionisierung organischer Moleküle flüchtige, thermisch stabile Moleküle polare, thermisch labile Moleküle große Moleküle Moleküle an Oberflächen, imaging

15 Elektronen(stoß)ionisation EI Chemqapedia.de

16 Schema: EI-Ionenquelle Kathode + - Druck: ca Pa (10-5 mbar) vom GC e- eē zum Analysator Anode

17 Elektronen(stoß) Ionisierung (EI) (positive EI) Molekül M + e - Molekülion M e - e -

18 Ionisierungsenergien von organischen Molekülen Ionenstrom (ma) Ionisierungsenergie Elektronenenergie (ev) Molekülion M + 70 ev = 6750 kj/mol) IE (ev) Substanz 7.44 Toluidine 7.69 Dibutylamin 8.12 Naphthalin Chlorothiophen 9.24 Benzol ,1-dichloroäthen ,1-dichloroäthan 24,58 Helium Trägergas für GC-MS 7 ev < IE < 12 ev für viele organische Moleküle

19 Informationen aus Molekülion 100 OH Cl M rel. Intensität (%) m/z Cl Molekulargewicht 162 g/mol Isotopenmuster von m/z 162/164/166 2 Chloratome im Molekül gerade Masse kein Stickstoffatom im Molekül bzw. eine gerade Zahl von N möglich (Stickstoffregel)

20 Elektronen(stoß) Ionisierung (EI) viel Energie auf Molekülion übertragen starke Fragmentierung keine Molmassebestimmung Molekülion M + Fragmention F Radikal R Fragmention F Neutralteilchen N F 3+, F 4+, vias.org

21 Beispiel: EI Spektrum von alpha-terpineol OH C H 3 OH H 3 C CH 2 -H 2 O M (mainlib) Terpineol, cis-á CH Molekulargewicht nicht bestimmbar besser: Ionisierung mit weniger Energieübertrag Chemische Ionisierung CI

22 Chemische Ionisierung mit Methan (CI + ) Reaktantgas (Methan, Ammoniak, iso-butan, Wasser, ) EI CH 4 + e - + M CH 3 + CH + 5 M+H + + CH 4 + CH 4 CH + 4 H + CH 3+ C 2 H H 2 +M +M M-H + + CH 4 M+H + +C 2 H 4 Reactive species Molekülionen M+H + für Verbindungen mit -NH 2, -OH,-COOH,-CO,-SH

23 Vergleich EI / CI C H 3 OH OH EI spectrum H 3 C CH m/z 139 M Rel. Intensität (%) CI mit Methan Molekulargewicht mit CI bestimmbar geringe Fragmentierung (weniger Strukturinfos) 93 m/z M+H +

24 Anwendungen von EI und CI mit GC-(MS-)MS Produkt-, Synthesekontrolle Forensische Analytik Nahrungsmittelkontrolle derstandard.at Petrochemie Umweltmonitoring.. Chemietechnik.de spektrum.de Tagesecho , Schneibergova

25 Ionisierung thermisch instabiler Verbindungen polare Stoffe wie z.b. Pharmaka, Drogen, Pestizide, Proteine, Peptide, Aminosäuren, aus Plasma, Blut, Urine Wasser Nahrungsmitteln. Marktspiegel.de

26 Thermospray Interface 400 C Thermische Verdampfung, Zerfall thermisch instabiler Stoffe

27 Atmosphärendruck Ionisations API -Techniken Molekülgröße Photoionisation APPI Chemische Ionisation APCI Elektrospray ESI Polarität Analyt

28 Atmospheric pressure ionization (API) Elektrospay Ionisation ESI Hochspannung Zusatzgas zum Vernebeln des Sprays Öffnung zum Vakuum Gas- Vorhang

29 Ionisierungsmechanismus (soft ionization method) wenig Energie übertragen Bildung vorwiegend von (M+H) + bzw. (M-H) - kaum Fragmentierung Zusätzliche Stoßprozesse für Fragmentierung MS-MS

30 Neugeborenen-Screening Früherkennung von Stoffwechselerkrankungen z.b. Phenylketonuria PKU (1: 9000 Neugeborenen) 100 % Ala d 4 -Ala Leu d 3 -Leu Met Phe d 3 -Met d 5 -Phe Tyr Normal d 6 -Tyr % Phe Phenylalanin erhöht bei PKU m/z

31 Peptidsequenzierung kups.ub.uni-koeln.de/596/1/11w1130.pdf

32 Protein- Molekularmassebestimmung (M+nH) n+ Mehrfach geladene Ionen eines Moleküls Molekulargewichtsberechnung Deconvolution ABSciex, 2010

33 Analyse sehr großer Moleküle Matrix Assisted Laser desorption ionisation MALDI (TOF-MS) Makromoleküle ( 1 MioDalton ) Proteine, DNA Proteomics, Metabolomics Molmassebestimmung, Strukturmodifikationen Erfassung komplexer Muster z.b. Identifizierung von Bakterienstämme Polymere Materialwissenschaften

Gitterelektrode Beschleunigungs -strecke Metallplatte mit

34 MALDI Ionisationsprozess Matrixmolekül Proton H + Analytmolekül M Laserpuls (337 nm) [M+H] + Flugstrecke Gitterelektrode Beschleunigungs -strecke Metallplatte mit Probespots Probe in Matrix eingebettet (z.b. 2,5- Dihydroxybenzoesäure )

35 MALDI zur Molekulargewichtsbestimmung von Proteinen

36 Polymercharakterisierung Polycarbonat mit Bisphenol A) Bestimmung: - mittleres Molekulargewícht - Oligomerenkettenlänge - Endgruppen - Verunreinigungen

37 Oberflächencharakterisierung Imaging mit MALDI-ToF-MS Römpp et al. Anal Bioanal Chem (2015) 407: 2329

38 Verteilung biologisch relevanter Komponenten in Organen (Ifa et al. 2007) 4 μm coronaler Bereich eines Rattenhirns Örtliche Auflösung erlaubt Abbildung morphologischer Merkmale

39 Zusammenfassung ICP-MS Laser ablation- MS EI und CI GC-MS Elemente thermisch stabile org. Moleküle Makromoleküle thermisch instabile org. Moleküle MALDI- TOF-MS API ESI LC-MS

40 und nun, einen gemühtlichen Kaminabend!

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