Massenspektrometrie, Teil 1 - Ruhr

Teil 4
Massenspektrometrie
Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2016/17
www.ruhr-uni-bochum.de/chirality
1
Funktionseinheiten eines Massenspektrometers
Grundprinzip der MS: Trennung von Ionen nach Masse und Ladung
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2
Einlass-Systeme: Indirekter Einlass (~100 µg Probenmenge)
Einlass für gasförmige und leicht flüchtige (verdampfbare) Proben
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3
Einlass-Systeme: Direkter Einlass (1-100 µg Probenmenge)
(1) Probenschleuse geöffnet zum
Befüllen des Verdampfungstiegels
(2) Probenschleuse geschlossen und evakuiert
Verdampfungstiegel in Ionisationskammer transferiert
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4
Ionisationsmethoden
Man unterscheidet allgemein:
 Harte Ionisation:
Hohe Ionisierungsenergie, durch die entstandene
Ionen in Fragmentierungsreaktionen in kleinere
charakteristische Fragmente zerfallen können
 Weiche Ionisation:
Keine oder geringfügige Fragmentierung
Wir beschäftigen uns (wenn auch manchmal nur ganz kurz) mit:
 Elektronenstoß (electron impact, EI)
 Chemische Ionisation (CI)
 Fast Atom Bombardment (FAB)
 Elektrospray-Ionisation (ESI)
 Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI)
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Erzeugung von Ionen mittels Elektronenstoß (EI)
Gesamtvolumen ~1 cm3, Druck ca. 10-4 bis 10-7 mbar (Hochvakuum), T ~ 250°C
Glühkathode aus Re- oder W-Draht
… emittiert schon bei wenigen mA Stromfluss Elektronen, die Richtung
Anode beschleunigt werden (Elektronenenergie typischerweise ~70eV).
Ionen werden vor Austritt aus Quelle beschleunigt.
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Massentrennung – Der Klassiker, das Sektorfeld-MS
Beschleunigung der Ionen mit Beschleunigungsspannung UB:
⋅ ⋅
1
2
⋅ ⋅
⟹ Einfachstes Trennungsprinzip:
Beschleunigte Ionen in homogenes
Magnetfeld „hineinschießen“
Bewegte Ladung in Magnetfeld
 Es wirkt die Lorentzkraft:
⋅
Es ist einfach gezeigt, dass gilt
2
→ ⋅
Magnetfeld senkrecht zur Papierebene.
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7
Massentrennung – Der Klassiker, das Sektorfeld-MS
Abfahren verschiedener Feldstärken B
erlaubt Auftrennung der Ionen nach m/z.
2
Crash
mit Wand
Crash
mit Wand
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Passende
Flugbahn
8
Massentrennung – Der Klassiker, das Sektorfeld-MS
Ionen treten aus Ionenquelle nicht mit exakt identischen Geschwindigkeiten
(Energiedispersion) und auch nicht mit genau gleichen Flugbahnen
(Richtungsdispersion) aus
 zwei Magnetfelder zur Korrektur von Abweichungen
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Ionendetektion – Noch ´n Klassiker: Sekundärelektronen-Vervielfacher (SEV)
Ionen treffen auf Elektrode…
 „Einschlag“ eines Ions schlägt ein Elektron aus Elektrode
 … das beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren
Potentials ein weiteres Elektron freisetzt
 … die beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren
Potentials ein weitere Elektronen freisetzen
 … das beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren
Potentials ein weitere Elektron freisetzen
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10
Bildung von Molekülionen
Durch Kollision mit Elektron erfolgt
 Übertrag von Stoßenergie
 Herausschlagen eines (oder seltener auch mehrerer) Elektron(en):
Ionisierung: →
→
⋅
⋅
Ionisierungsenergien (Beispiele)
n-Hexan
10.17 eV
Ethanol
10.48 eV
Cyclohexan
9.88 eV
Acetaldehyd
10.21 eV
Cyclohexen
8.95 eV
Essigsäure
10.35 eV
Benzol
9.25 eV
Methylamin
8.97 eV
Anthracen
7.23 eV
Anilin
7.70 eV
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11
Bildung von Molekülionen
Durch Kollision mit Elektron erfolgt
 Übertrag von Stoßenergie
 Herausschlagen eines (oder seltener auch mehrerer) Elektron(en):
Ionisierung: ⋅
→
→
⋅
 Hoher Energieüberschuss bei Ionisierung führt oft auch zu
⋅
Fragmentierung:
Neutralverlust:
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⋅
⋅
→
→
⋅
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EI-MS von Acetophenon (MW=120)
Basision
(Basispeak)
Molekülion
M+
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Ein paar wichtige Vokabeln
Molekülion:
Peak mit größter Masse
Basispeak:
Intensivster Peak, auf den alle anderen Peaks
normiert werden
Fragmentionen: bilden sich aus Molekülionen durch Zerfall
(Primär- und Sekundärfragment möglich)
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Eigenschaften des Molekülions
1. M+ ist das Ion mit der höchsten Masse, das eine Verbindung
liefern kann
2. M+ ist geradzahlig, wenn kein N oder eine gerade Anzahl NAtome vorhanden ist, und ungeradzahlig bei ungerader
Anzahl an N-Atomen (Stickstoff-Regel).
3. Alle Fragmente müssen von M+ aus chemisch sinnvolle
Massendifferenzen haben
4. M+ muss alle Elemente enthalten, die in den Fragmenten
festzustellen sind
5. Die Intensität von M+ ist dem Probendruck proportional
6. Die Intensitätsabnahme von M+ und zugehörigen
Fragmentsignalen als Funktion der Zeit ist gleich.
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M+ ist nicht immer die höchste Masse im Spektrum
… denn:
 Anlagerungen von Protonen oder anderen Kationen (Li+, Na+) möglich
 [M+H]+ häufig bei Alkoholen oder Aminen zu beobachten
 Fragmentierungen können mitunter sehr bevorzugt auftreten
 Nur [M-R]+ beobachtet
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Region des Molekülpeaks von C7 H6 Cl N O
Rund um den Molekülpeak können kleine
Satelliten auftreten, deren Intensitäten auf die
relativen natürlichen Häufigkeiten der Isotope
der beteiligten Elemente zurückzuführen sind.
m/z = 155
12C 1H 35Cl 14N 16O
7
6
1
1
1
m/z = 156:
+ 12C6 13C1 1H6 35Cl1 14N1 16O1
+ 12C67 1H5 2H1 35Cl1 14N1 16O1
+ 12C6 1H6 35Cl1 15N1 16O1
+ 12C6 1H6 35Cl1 14N1 17O1
m/z = 157:
…
…
…
bis m/z = 173
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Element
Massen und Isotope
Massenzahl
Rel. Häufigk.
%
1
99.99
1.007825
2
0.01
2.014102
12
98.93
12.000000
13
1.07
13.003355
14
99.63
14.003074
15
0.37
15.000109
16
99.76
15.994915
17
0.04
16.999132
18
0.21
17.999160
F
19
100.00
18.998403
18.9984
Si
28
92.23
27.976927
28.0855
29
4.68
28.976495
30
3.09
29.973770
P
31
100.00
30.973762
30.9738
S
32
94.93
31.972071
32.0660
33
0.76
32.971459
34
4.29
33.967867
36
0.02
35.967081
35
75.78
34.968853
37
24.22
36.965903
79
50.69
78.918338
81
49.31
80.916291
127
100.00
126.90446
H
Einheit der Molekülmasse ist die
C
atomare Masse u (amu)
N
1 u = 1 Da (Dalton)
=
1/
12
O
m(12C)
= 1.66053810-27 kg
Verschiedene Massen werden
unterschieden (hier am Beispiel C7H16):
Nominalmasse = 100
Exakte Masse
= 100.125 (isotopenrein!)
Mittlere Masse = 100.205 (über Isotope
Cl
Br
gemittelt)
I
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Exakte
Masse
amu
Chem.
Atomgew.
g mol-1
1.0079
12.0107
14.0067
15.9994
35.4527
79.9040
126.9045
18
Beispiele für Isotopenmuster am Molekülpeak
OCH3
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Si(CH3)3
19
Isotopenmuster Halogene
Mehr zum Thema
Isotopenmuster
finden Sie als Download.
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EI-MS von 1.3-Dichlorbenzol
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Auflösungsvermögen
Manchmal können einer Nominalmasse verschiedene Summenformeln
zugeordnet werden
Summenformel
MZ
Exakte
Masse
CO2
44
43.9898
C2H4O
44
44.0262
C2H6N
44
44.0500
C3H8
44
44.0626
C213CH7
44
44.0581
 Exakte Masse muss genau bestimmt werden können!
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Auflösungsvermögen: 10%-Tal-Definition
43.9898
44.0262
Auflösungsvermögen
Δ
Um zwei Signale bei M=43.9898 (CO2) und
M=44.0262 (C2H4O) auseinander zu halten,
Zwei benachbarte
Signale gelten als
aufgelöst, wenn sie
sich zu nicht mehr als
10% überlappen.
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benötigen wir demnach eine Auslösung von
44
44.0262
43.9898
44
0.0364
1208
23
Auflösungsvermögen: Verschiedene Analysatoren
Analysator
Trennprinzip
Sektorfeld
Magnetisches und
elektrisches Feld
bis ~10000
Exakte Masse
max. 200000
TOF
Flugzeit
unbegrenzt
Exakte Masse
~30000
Quadrupol
Quadrupolfelder
~2000
Nur Nominalmassen
Ionenfalle
Quadrupolfelder
~6000
Nur Nominalmassen
FT-ICR-MS
Cyclotronfrequenz
~20000
Exakte Masse (108)
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Massenbereich
Auflösung
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EI-MS von Acetophenon (MW=120)
Basision
(Basispeak)
-28
Molekülion
M+
-15
-77
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25
Fragmentierung von Acetophenon
O
O
CH3
+e-
CH3
-2e-
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26
-Spaltung: EI-MS von 2-Butanon
-Spaltung:
-Bindungen zu Heteroatomen
werden bevorzugt gespalten.
O
CH3
H3 C
O
CH3
m/z = 15
m/z = 57
CH3
43
O
Kurznotation:
CH3
H3C
57
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27
-Spaltung: EI-MS von Cyclohexanon
98
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28
Benzyl-Spaltung: EI-MS von Butylbenzol
CH3
CH2
CH3
- C4H9
77
134
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CH2
29
-Spaltung / McLafferty-Umlagerung
Übertragung eines -Wasserstoff-Atoms in einem 6-gliedrigen
Übergangszustand auf ein (mindestens) doppelt gebundenes Atom
beobachtet für C=O, C=N, S=O, C=C
Konzertierter Ablauf
Schrittweiser Ablauf
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-Spaltung / McLafferty-Umlagerung
Die McLafferty-Umlagerung erfolgt unter Ladungserhalt, d.h. als
Alkenverlust, aus dem Ausgangsmolekül. In Abhängigkeit der
Ionisierungenergie der beiden Produkte kann auch das entsprechende
Molekülion im Spektrum auftreten.
Man formuliert deshalb meist allgemein:
Prüfen Sie also am besten immer auf beide Ionen!
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31
McLafferty: Buttersäure-methylester
ebenfalls charakteristisch
für Methylester:
O
-Spaltung
H3CO
59
Ethylester: 73 und 88
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Fragmentierungstabellen
Eine Übersicht
charakteristischer Massendifferenzen
steht Ihnen als Download bereit!
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33
Übung: Erklären Sie das Fragmentierungsmuster
O
m/z = 73:
Verlust der Methyl-Gruppe durch -Spaltung
O
C4H8O2, M=88
m/z = 43
Verlust der Ethoxy-Gruppe durch -Spaltung
O
O
H3C
H3C
O
m/z = 60: McLafferty-Umlagerung
H
O
H3C
OH
Bei Carbonsäuren
wird oft die protonierte
Form beobachtet.
61
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34
Übung: Erklären Sie das Fragmentierungsmuster
m/z = 77:
Verlust der Phenyl-Gruppe durch -Spaltung
m/z = 105
Verlust von OC3H7 durch -Spaltung
77
O
O
McLafferty-Umlagerung
122
O
O
43
123
(51 = C4H3+ aus Aromaten)
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