764359A SPEKTROSKOOPPISET MENETELMÄT Massaspektroskopia Marko Huttula Oulun Yliopisto Fysikaalisten tieteiden laitos kevät 2013 Lähdekirjallisuutta & Lisätietoa: D.A. Skoog, F.J. Holler & T.A. Niemann: Principles of Instrumental Analysis, 5th Edition, Harcourt Brace & company 1998 (analyyttinen Kemia II:n kurssikirja) Kappaleet: 11. Atomic Mass Spectroscopy 20. Molecular Mass Spectroscopy 26. Intro to chromatographic methods Experimental Methods in the Physical Sciences, vol 29A: Atomic, Molecular and Optical Physics: Charged Particles Edited by F.B.Dunning and Randall G. Hulet, 1995 Mynard C. et al: Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds, 1972, soveltuvin osin http://masspec.scripps.edu/information/history/index.html
SISÄLTÖ 1. Johdanto 2. Massaspektrometreista - näytteen syöttö - ionisointimenetelmät - massa-analysointi - ionien havainnointi 3. Massaspektroskopian käyttökohteista 4. Esimerkki: Massaspektroskopiaa elektronispektroskopian tutkimusryhmässä (luennnoissa ja laskuharjoituksissa) Laskuharjoitukset (2) + Demot (massalaboratorio Kemian laitos) 2
3
1. Johdanto Massaspektroskopia on ehkä kaikkein laaja-alaisimmin käytetty analyyttinen työkalu. Massaspektroskopian perusperiaatteena on näytteen atomien tai molekyylien ionisointi ja syntyneiden ionien erottaminen niiden massa/varaus suhteiden perusteella. Massaspektroskopiaa voidaan käyttää esimerkiksi Alkuaine koostumuksen määritys (Alkuaineanalyysi, hivenaineanalyysi) Rakenneanalyysi (orgaaniset, epäorgaaniset, suuret biologiset molekyylit, fragmentaatiokanavat) Monimutkaisten aineseosten koostumuksen kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen määritys Kiinteiden pintojen rakennetutkimus Molekyylipainon määritys Historiallisesti massaspektroskopian kehityksen voidaan katsoa alkaneen 1800-1900 lukujen vaihteessa kun W. Wien osoitti 1898 että positiivisten ionien suihkua voidaan poikkeuttaa sähkö- ja magneettikenttien avulla. Tähän pohjautuen J.J. Thomson rakensi ensimmäisen massaspektrometrin (Positive Ray Apparatus) ja julkaisi 1913 artikkelin, jossa ilmoitti löytäneensä neonin isotoopit massoilla 20 ja 22 (g/mol). the photograph shows that, in addition to helium and neon, there is another gas with an atomic weight about 22. This gas has been found in every specimen of neon which has been examined, including a very carefully purified sample prepared by Mr. E. W. Watson and a specimen very kindly supplied by M. Claud, of Paris.... The substance giving the line 22 also occurs with a double charge, giving a line for which m/e = 11. There can, therefore, I think, be little doubt that what has been called neon is not a simple gas but a mixture of two gases, one of which has an atomic weight about 20 and the other about 22. The parabola due to the heavier gas is always much fainter than that due to the lighter, so that probably the heavier gas forms only a small percentage of the mixture. Massaspektroskopia menetelmänä otettiin rutiininomaiseen kemialliseen analyysiin melko nopeasti jo 1940 luvulla kun rakennettuja laitteistoja alettiin käyttää öljyteollisuuden tarpeisiin erilaisten hiilivetyjen osuuksien tunnistamisessa. Teollisuuden käyttöä seurasi nopea laitekehitys ja kaupallisia laitteistoja alkoi nopeasti olla saatavilla. 1950 luvulla näiden kaupallisten laitteiden käyttö alkoi saada jalansijaa myös orgaanisen kemian tutkimuksissa. 4
Kuva1.1. Thomson Positive ray apparatus (http://web.lemoyne.edu/~giunta/canal.html) Kuva 1.2 Thomsonin 1913 julkaisema massaspektri. (http://web.lemoyne.edu/~giunta/canal.html) Monikäyttöisyydestä johtuen voidaan massaspektroskopiaa jaotella hyvin monenlaisiin kategorioihin. Tässä luentomonisteessa pyrimme kuitenkin pitäytymään yhteinäisessä yleisluontoisessa esityksessä muutamia esimerkkejä lukuunottamatta. 5
TERMINOLOGIAA: Massayksikkö: Atomi ja molekyylimassoista puhuttaessa käytetään yksikkönä yleensä atomimassa yksikköä (amu = atomic mass unit, Dalton), atomimassa yksikkö määritellään suhteellisena massana jonka perusyksikkönä on 1/12 osa neutraalin 12 C atomin massasta. 1 mol 12 C massa on 12,0000g joten 1 12,0000g / mol 1amu= 1 Da= 23 12 6,0221 10 1/ mol 24 = 1,6605 10 g Massaluku Massaluku on paljas luku. Se ilmaisee ytimessä olevien hiukkasten kokonaismäärän. Tarkka massa: Massaspektroskopiassa käytetään yleensä tarkkoja massoja (exact weight), esimerkiksi yhdisteelle: 12 C 1 H 2 3 H 1 Tarkka massa on m = 12,000 * 1 + 1,007825 *3 + 2,0140 *1 = 17.037 amu Ja ns. nominaali massa on tällöin 17 amu. Huom että esimerkiksi: 13 C 1 H 4, m= 13,00335 * 1 + 1,007825 *4 = 17.035 amu, (17 amu) Suhteellinen atomimassa: Usein taulukoituna löytyvät atomimassat ovat alkuaineiden suhteellisia atomimassoja (average/chemical atomic weight), joissa on huomioitu alkuaineiden eri isotooppien luonnossa esiintyvät suhteet. Esim. Litiumin luonnolliset isotoopit ovat 6 Li ja 7 Li joiden suhteellinen osuus luonnossa on 7,4% ja 92,6%. Litiumin keskimääräinen atomipaino on siten m(li) = 0,074*6,0151 + 7,0160*0,926 = 6,942 amu Keskimääräinen molekyylipaino (Average molecular weight/chemical molecular weight) puolestaan ilmoittaa suhteellisia atomimassoja käyttäen lasketun molekyylipainon. Esim: Etanoli C 2 H 5 OH (C 2 H 6 O) on sekoitus, jossa voi esiintyä 13 C, 12 C, 16 O, 17 O, 18 O, 1 H ja 2 H kaikilla mahdollisilla kombinaatioilla. Keskimääräinen molekyylipaino on siis 46.06844 amu, mutta todellisuudessa etanolilla on massa-arvoja aina massaan 56.09 ( 13 C, 18 O, 2 H) asti. Etanoli esiintyy kuitenkin suurimassaisimpana vain n. 1/10 14 % todennäköisyydellä. 6
Massa/varaus suhde: Massaspektrometreissä erilaiset näytteen ionit erotellaan toisistaan sähkö- ja magneettikenttien avulla. Tällöin eriasteisesti varatut, samamassaiset ionit käyttäytyvät laitteistossa eri tavoilla. Massaspektroskopiassa yleisesti varsinaisen massaspektrin asemasta mitataankin ioneja erilaisilla massa/varaus (m/q) suhteilla: Esim: 13 C 1 H 4 +, m/q = 17.035 / 1 = 17.035 13 C 1 H 4 2+, m/q = 17.035 / 2 = 8.518 Paineista (konversiot): Pascal (Pa) Bar (bar) Pressure Units Technical atmosphere (at) Atmosphere (atm) Torr (mmhg) Pound-force per square inch (psi) 1 Pa 1 N/m² 10 5 10.197 10 6 9.8692 10 6 7.5006 10 3 145.04 10 6 1 bar 100 000 10 6 dyn/cm² 1.0197 0.98692 750.06 14.504 1 at 98 066.5 0.980665 1 kgf/cm² 0.96784 735.56 14.223 1 atm 101 325 1.01325 1.0332 1 atm 760 14.696 1 torr 133.322 1.3332 10 3 1.3595 10 3 1.3158 10 3 1 mmhg 19.337 10 3 1 psi 6 894.76 68.948 10 3 70.307 10 3 68.046 10 3 51.715 1 lbf/in² 7
2. MASSASPEKTROMETRIT Massaspektrin tuottaminen voidaan jakaa neljään eri osa-alueeseen, joita on havainnollistettu seuraavassa kuvassa Kuva 2.1. Massa-analysointi laitteiston toimintakaavio 1. Näytteen syöttö 2. Ionisointi 3. Massa-analysointi 4. Spektrin rekisteröinti Atomit ja molekyylit kulkevat normaalipaineessa hyvin lyhyen matkan ennen törmäystä toisiin molekyyleihin eli niiden kulkema vapaamatka on hyvin pieni. Koska massa-analysaattorissa pyritään yksittäiset ionit erottelemaan massa/varaus suhteen perusteella toisistaan, on analysointilaitteiston toiminta mahdollista ainoastaan tyhjiö olosuhteissa. Yleisesti laitteistot tyhjiöpumpataan luokkaa 10-5 - 10-8 torr olevaan tyhjiöön. Vacuum range Paine mbar Molekyylejä / cm3 Keskimääräinen Vapaa matka Normaalipaine 1013 2.7*10 19.. 68 nm Karkea tyhjiö Low vacuum 300..1 10 19..10 16 0.1..100 m Välityhjiö Medium vacuum 1..10-3 10 16..10 13 0.1..100 mm Suurtyhjiö High vacuum 10-3..10-7 10 13..10 9 10 cm..1 km Hyvä Ultra high suurtyhjiö vacuum 10-7..10-12 10 9..10 4 1 km..10 5 km Extremely high vacuum <10-12 <10 4 >10 5 km 8
2.1. Näytteen syöttö Näytteen syöttö laitteistoon voidaan näytteen olomuodosta ja laitteiston ominaisuuksista riippuen suorittaa monin eri tavoin. Pääasiallisesti syöttötavat voidaan jakaa kahteen osaan: 1. Suora syöttö ja 2. kromatografiset (erottelevat) menetelmät. Perustavoitteena näytteen syötölle on: - Spektrin havainnointiin tarvittavan ainemäärän syöttäminen näytealueelle - Riittävän tyhjiön säilyttäminen analysointilaitteistossa - Näytteeseen kuulumattomien epäpuhtauksien minimointi ionisointialueella - Hyvin monia komponentteja sisältävien näytteiden jaottelu eri osioihin (aika/paikka) Useisiin laitteistoihin näyte johdetaan kaasumaisena joko sellaisenaan tai johonkin soveltuvaan väliaineeseen sidottuna (suora syöttö). Yksinkertaisimmillaan näytteen syöttö tapahtuu kaasumaisten näytteaineiden tapauksessa, jolloin näyteaine voidaan johtaa laitteistoon ns. vuotoventtiilin (leak valve) kautta suoraan näyteainetta sisältävästä säiliöstä (esim. kaasupullo). Myös monien helposti höyrystyvien nesteiden ja jopa kiinteiden (esim. monet aromaattiset aineet) aineiden syöttö voidaan toteuttaa samalla tavoin edellyttäen kuitenkin että tutkittavan näyteaineen höyrynpaine on riittävän suuri. Kiinteät aineet ja nesteet, jotka eivät merkittävissä määrin sublimoidu tai höyrysty tyhjiössä voidaan asettaa laitteistoon kiinteinä näytteinä esim. lasi- tai alumiinikapillaarin tai erityisen näytekupin pinnalla. Näin voidaan myös toimia, jos näytteen olemassa oleva määrä on hyvin pieni tai näyte on termisesti hajoava. Toinen tapa on näytteen höyrystys korkeassa lämpötilassa, tarkoitusta varten rakennetussa höyrystyslaitteistossa, josta kaasufaasissa oleva näyte johdetaan ionisointi alueelle. Tietyn tyyppisissä laitteistoissa voidaan käyttää myös väliainetta (kaasu/neste), johon tutkittava näyte liuotetaan. Väliaine toimii tällöin kuljettimena, jonka avulla näyte johdetaan laitteistoon. 50 mm 100 mm Kuva 2.2. Kiinteiden aineiden höyryfaasin tutkimuksiin suunniteltu resistiivisesti kuumennettava höyrystysuuni vesijäähdytys lämpösäteily suojauksella. 9
Usein massaspektroskopian sovelluksissa näyteaineen muodostaa hyvin samankaltaisten nesteiden, kaasujen tai kiinteiden aineiden seos. Tällöin eri komponenttien separoimiseen toisistaan voidaan käyttää nk. kromatografeja, joissa tutkittava näyte erotetaan komponentteihinsa ja eri komponentit voidaan johtaa massa-analysaattorille. Lisätietoja kromatografiasta löytyy lähdekirjallisuudesta, tässä lyhyesti: (http://www.edu.fi/oppimateriaalit/laboratorio/analyysimenetelmat_2-2_kromatografiset_menetelmat.html) Yleistä kromatografiasta Kromatografia on kemiallisten yhdisteiden erottamis- ja analysointimenetelmä, jossa kaasu- ja nestevirtauksen mukana jonkin väliaineen läpi kulkevan seoksen komponentit erottuvat toisistaan kapeina vyöhykkeinä. Erottuneet aineet voidaan eristää, jolloin puhutaan preparatiivisesta kromatografiasta tai muuten tunnistaa eli identifioida. Kromatografian keksijänä pidetään venäläistä M. S. Tsvetiä, joka 1903 erotti kasvien lehtien väriaineseoksesta eri komponentteja antamalla väriaineseoksen kulkeutua liuottimen mukana adsorbenssipylvään läpi. Kromatografia voidaan jakaa erilaisiin menetelmiin, joita ovat pylväskromatografia, paperikromatografia, ohutlevykromatografia, kaasukromatografia, nestekromatografia, ionikromatografia ja geelisuodatus. Kuva 2.3. Kromatografian jako tekniikan perusteella. Kromatografiassa on aina yhteisenä piirteenä kysymys aineen jakautumisesta kahden eri faasin välille - samoin kuin uutossakin. Kaikissa kromatografiatekniikoissa on erotettavissa kaksi faasia, joista toinen on liikkuva ja toinen paikallaan pysyvä eli stationaarifaasi. Seoksen komponenttien erottuminen tapahtuu näiden kahden faasin kesken. Paikallaan pysyvä faasi on kiinteä tai kiinteään aineeseen kiinni imeytynyt ohut nestefilmi. Jos liikkuvan faasin mukana tulee jotakin sellaista yhdistettä, jonka taipumus liikkuvaan faasiin on pienempi kuin kiinteään faasiin, rikastuu se paikallaan pysyvään faasiin, kunnes tulee puhdasta liuotinta, joka taas hitaasti uuttaa aineen irti ja siirtää sen seuraavaan kohtaan. Aineen vaellusta kromatogrammin läpi voidaan kuvata jatkuvana lyhytaikaisten, edestakaisten uuttumisten sarjana, jotka aiheuttavat sitä hitaamman kuljetuksen, mitä pienempi on kunkin yksityisen aineen taipumus liikkuvaan faasiin tai mitä suurempi taipumus kiinteään faasiin. Näin eri kemiallisen rakenteen omaavilla yhdisteillä on erilaiset vaellusnopeudet kromatogrammin läpi. Kromatografiassa adsorptio eli juoksevan aineen kiinnittyminen tapahtuu heikoin dipoli- tai van der Waals -sidoksin paikallaan pysyvän aineen pintaan. 10
Pylväskromatografia Peruskäsitteet Periaate Analysoitava näyteseos valutetaan vähitellen kantajafaasia sisältävän lasiputken yläpäähän. Ajoliuosta eli eluenttia lisätään vähitellen putken yläpäähän. Kantajafaasi erottaa seoksen komponentit toisistaan. Sovellukset Seosten komponenttien erottamiseen. Rajoitukset Menetelmä on hidas. Pylväskromatografia Pylväskromatografiassa käytetään hanalla varustettuja lasiputkia, jotka on täytetty suuripintaisella, kiinteällä ja jauhemaisella massalla, kuten alumiinioksidilla (Al 2 O 3 ) tai piidioksidilla (SiO 2 ). Pylvään (kolonnin) täyteainetta sanotaan adsorbentiksi. Täyteaine kostutetaan yleensä etukäteen liuottimella, jota lasketaan putken läpi. Tutkittava seos laitetaan pylvään yläosaan ja putken alapäässä oleva hana avataan. Ajoliuosta lisätään putken yläosaan ja tutkittavan seoksen komponentit alkavat kulkeutua eri nopeuksilla pylvään läpi. Näyteseoksen komponenttien erottuminen johtuu siitä, että eri yhdisteet vaeltavat erilaisella, kullekin yhdisteelle tunnusomaisella nopeudella pylvään läpi. Menetelmälle tunnusomaista jatkuvaa huuhdontaa sanotaan eluoinniksi. Kuva 2.4. Pylväskromatografialla voidaan erottaa seoksen komponentit toisistaan. 11
Ohutlevykromatografia Peruskäsitteet Periaate Ohutlevykromatografiassa paikallaan pysyvä faasi on yleensä kiinteänä aineena esim. lasi-, alumiini- tai muovilevyn pinnalla. Ohutlevykromatografia on ennen kaikkea analyyttinen menetelmä, jossa analyysiin riittävä ainemäärä on hyvin pieni, vain noin mikrogramma (µg). Paikallaan pysyvä faasi Paikallaan pysyvä faasi voi olla esimerkiksi silikageeliä, alumiinioksidia, synteettistä polyamidia tai selluloosaa. Liuotinfaasi Liikkuvana faasina käytetään puhtaita liuottimia tai niiden seoksia. Sovellukset TLC-menetelmää käytetään pääasiassa orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden kvalitatiivisen määritykseen. Menetelmä soveltuu hyvin esimerkiksi aineitten puhtauden määritykseen. Menetelmällä voidaan myös suorittaa näytteessä olevien yhdisteiden kvantitatiivinen määritys mutta menetelmän tarkkuus on varsin huono. Rajoitukset Seoksen komponenttien erottumiseen vaikuttaa voimakkaasti olosuhteet kuten esimerkiksi ajoliuoksen koostumus. Kvantitatiivisen määrityksen tarkkuus on huono. Ohutlevykromatografia Ohutlevykromatografiassa (TLC, thin layer chromatography) paikallaan pysyvänä faasina toimii jonkin levyn (esim. muovi-, lasi- tai metallilevy) pinnalle levitetty ohut kerros aktiivista ainetta (esim. silikageeli), jonka kanssa erotettavat komponentit vuorovaikuttavat. Ohutlevykromatografia luokitellaan adsorptiokromatografiaan, sillä levyn pinnassa olevilla pii- ja happiatomeilla sekä hydroksyyliryhmillä on voimakas adsorptiokyky. Kuva 2.5. Ohutlevykromatografialevy on asetettu suljettuun tankkiin, jonka pohjalla on eluentti. Oikealla kehitetty ohutlevykromatografialevy, josta nähdään, että näyte sisältää mahdollisesti vertailuaineita 2 ja 3. 12
Kaasukromatografia Peruskäsitteet Periaate Liikkuvana faasina on kolonnin läpi virtaava inertti kaasu ja paikallaan pysyvänä faasina on kolonnin pinnassa oleva nestemäinen aine. Haihtuvat yhdisteet kulkevat liikkuvan faasin eli kantajakaasun mukana kullekin yhdisteelle tunnusomaisella nopeudella. Erityisellä ilmaisimella eli detektorilla yhdisteet saadaan näkyviin piikkeinä kaasukromatogrammissa. Sovellukset Laajasti käytetty menetelmä lähinnä helposti haihtuvien orgaanisten aineiden analytiikassa. Tutkittavassa näytteessä voi olla jopa satoja eri orgaanisia yhdisteitä ja ne pystytään erottamaan kaasukromatogrammista. Soveltuu näytteille, joissa injektoitavassa näytemäärässä on vähintään nanogrammaluokkaa oleva määrä tutkittavaa yhdistettä. Soveltuu sekä kvalitatiiviseen että kvantitatiiviseen analytiikkaan. Rajoitukset Tutkittavan yhdisteen pitää olla haihtuva ja se ei saa hajota alle 400 ºC:n lämpötilassa. Yleisimmin käytetyt detektorit eivät ole selektiivisiä. Kaasukromatografia Kaasukromatografia (GC, gas chromatography) on analyysimenetelmä, joka soveltuu haihtuvien yhdisteiden erotteluun, tunnistamiseen ja kvantitatiiviseen määrittämiseen. Liikkuvana faasina toimii inertti kaasu, jonka avulla tutkittavat komponentit kulkeutuvat kolonnin läpi. Paikallaan pysyvä eli stationaarifaasi on neste lukuun ottamatta joitakin erikoistapauksia, jolloin se on kiinteä aine. Kuvassa 1 on esitetty kaasukromatografialaitteisto. Kantokaasuna käytetään tavallisesti typpeä, vetyä, heliumia tai argonia. Näyte syötetään sopivaan liuottimeen liuotettuna laitteiston injektiokammioon, jossa se höyrystyy 200-300 C:n lämpötilassa. Höyrystyneet komponentit kulkeutuvat kantokaasun mukana kolonniin. Kolonnissa komponentit liikkuvat erilaisilla nopeuksilla riippuen niiden haihtuvuudesta ja vuorovaikutuksista kolonnin sisäpinnalla olevan nestefaasikerroksen kanssa. Kuljettuaan kolonnin läpi komponentit saapuvat vuorollaan detektorille, joka havaitsee yhdisteet tuottaen niistä signaalin. Signaalit näkyvät piikkeinä kromatogrammissa. Yhdisteiden tunnistaminen perustuu retentioaikaan, joka on kullekin yhdisteelle ominainen aika. Kuva 2.6. Kaasukromatografialaitteisto. Kantajakaasu johdetaan kaasupullosta paineenalennusventtiilin kautta injektoriin. Näyte syötetään injektoriin, josta se kulkeutuu kolonniin. Kolonnin päässä on detektori, joka havaitsee kolonnissa erottuneet komponentit. Detektorin signaali vahvistetaan ja johdetaan integraattorille. Injektori Nestemäinen näyte ruiskutetaan mikrolitraruiskulla injektoriin, jonka lämpötila on korkeampi kuin näyteseoksen komponenttien kiehumispisteet. Injektorissa seos höyrystyy välittömästi ja kantokaasu huuhtoo höyrystyneen näytteen kolonniin. 13
2.2 Ionisointi menetelmät Massa-analysointi laittestoon tuodun näytteen ionisointiin on olemassa hyvin monia erilaisia, tietylle aineryhmälle soveltuvia, menetelmiä. Ionisaatiomenetelmän vaikutuksen ymmärtämiseksi tarkastelemmme ensin massa-spektrin yleistä rakennetta: Kuva 2.2: Etyylibenzeenin massaspektri Massa-analysointi laitteistossa syntyneet ionit erotetaan toisistaan niiden massa/varaus suhteen avulla (m/z). Kuvassa 2.2 on esitetty esimerkkinä etyylibentseenin (C 6 H 5 CH 2 CH 3 ) elektronipommituksella tuotettu massaspektri. Tyypillisesti massaspektrissä korkeimmalla m/z arvolla (~massalla) on näkyvissä kertaalleen ionisoitu (positiivinen) molekyyli-ioni piikki, jonka massa-arvo kertoo tutkittavan molekyylin massan. Molykyylipiikin lisäksi spektrissä on myös hyvin paljon muuta rakennetta, jotka ovat alkuperäisen molekyylin hajoamisessa (fragmentaatio) syntyneitä sirpale-ioneja (fragmentteja). Sirpale-ioneja syntyy, koska yleensä ionisoinnissa molekyylille siirretään ionisaatioenergiaan verrattuna huomattava määrä energiaa eli ionisoinnissa molekyyli jää ns. viritettyyn tilaan (varsinkin elektronipommituksessa). Viritetty tila voi purkautua edelleen molekyylin fragmentaation kautta. Massaspektrit normitetaan tyypillisesti spektrissä esiintyvään suurimman intensiteetin piikkiin (Base peak = perus piikki) eli muiden piikkien intensiteetit ilmoitetaan suhteellisena osuutena peruspiikin intensiteetistä. Näytteestä saatava informaatio (massa-spektrin rakenne) riippuu myös ionisaatiomenetelmästä ja siten erityisesti kemialliseen analyysiin suunnitellut laitteistot nykyään mahdollistavatkin useiden ionisaatiomenetelmien käytön. Vertailemalla erilaisilla ionisaatiomenetelmillä tuotettuja massaspektrejä saadaan toisiaan tukevaa informaatiota näytteen kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analysointiin. Esimerkiksi kemiallista ionisaatiota voidaan hyödyntää molekyylimassan määrityksessä, vastaavasti elektronipommituksen tuottaman fragmentaatiojäljen avulla saadaan tietoa molekyylin rakenteesta. Seuraavassa käsittelemme muutamia valittuja ionisaatiomenetelmiä. 14
Elektronipommitus (EI) Elektronipommitus on ollut historiallisesti kaikkein eniten käytetty ionisaatiomenetelmä johtuen lähinnä menetelmän yksinkertaisuudesta. Nykyisin on saatavilla laajoja ns. kirjastoja elektroniherätteisille massaspektreille, joiden avulla fragmentaatiojäljestä voidaan näyteessä olevat aineet helposti (automaattisesti) tunnistaa. Periaate: Hehkutetulta filamentilta termisesti irtoavat elektronit kiihdytetään sähkökentän avulla ja fokusoidaan ionisaatioalueelle jossa näytekaasun paine on tyypillisesti luokkaa 10-5 torr. Yleensä hehkulanka on negatiivisessa potentiaalissa ja sekä näytealue että anodi ovat maa- tai analysaattorin nolla potentiaalissa. Elektronien kiihdytyksessä saama kineettinen energia KE=eV, missä e on elektronin varaus ja V on kiihdytyspotentiaali. Kiihdytetyt elektronit menettävät energiaansa törmäyksissä näyteaineen atomeihin ionisoiden niitä. Syntyneet ionit kerätään näytealueelta kiihdyttämällä ne elektronioptisten linssien avulla massaanalysaattoriin. Kuva 2.7: Elektronipommitus ionilähteen periaatekuva. Kuva 2.8: Kaupallisen elektronitykin periaatekuva. 15
Elektronipommituksella tuotetun massaspektrin rakenne: Elektronipommituksessa ionisaatio todennäköisyys on tyypillisesti suhteellisen huono (luokkaa luokkaa 1 ionisaatio per miljoona elektronia). Riittävän ionisaatiotehokkuuden saavuttamiseksi, ionisoivien elektronien kineettinen energia täytyy olla n.50 ev tai suurempi. Elektronipommituksessa maksimi absorpiovaikutusala saavutetaan n. 4-5 kertaisella energialla ionisoitavan elektronin sidosenergiaan nähden. Lisäksi ionisaatio todennäköisyys kasvaa elektronienergian funktiona koska ylitetään useamman elektronisen tilan ionisaatioenergia. Tyypillisesti käytetään noin 70 ev energiaa joka onkin yleisempien massaspektri kirjastojen laadinnassa käytetty energia. Ionisaatiotehokkuutta voidaan kasvattaa luonnollisesti elektronivirtaa lisäämällä sekä käyttämällä ionisaatioalueella magneettikenttää jolloin elektronien suoraviivainen liike muuttuu oskiloivaksi rataliikkeeksi ja niiden kulkema matka näytealueella pitenee. Kuva 2.9. Magneettikentän käyttö ionisaatiotehokkuuden parantamiseen elektronipommitusionisaatiossa Koska molekyylien ionisointiin vaadittava energia on vain noin 10 ev, primäärielektronit virittävät molekyylit usein hyvin korkeisiin rotaatio/vibraatiotiloihin tai elektronisiin viritystiloihin. Ionisoidun aukon ollessa sisemmällä elektronikuorella, tila yleensä purkautuu Auger- ja/tai kaskadi-auger-siirtymillä. Viritystilojen purkautuessa molekyylit useimmiten hajoavat, joten fragmentti-ionien osuus elektroni-ionisaatiolla tuotetuissa massaspektreissä on tyypillisesti erittäin suuri. Joissakin tapauksissa molekyyli-ionin piikki saattaa jopa puuttua spektristä kokonaan. Viritystilojen purkautuminen voi myös johtaa neutraaleihin fragmentteihin, joita ei massaspektrissä havaita. Elektronipommituksen voimakasta fragmentaatiota voidaan hyödyntää tutkittavan aineen molekyylien tutkimuksessa, sillä erilaiset yhdisteet fragmentoituvat eri tavoilla. 16
Kuva 2.10. Esimerkkitapauksessa molekyylin ionisaatio 70 ev elektronilla johtaa positiivisen ionin viritystilaan, jonka purkautuessa syntyy positiivinen fragmentti ja viritystilassa oleva neutraali fragmentti (Radical). 17
Kuva 2.11. Kahden samamassaisen amiini molekyylin fragmentoituminen elektronipommituksessa. Yhteenveto elektronipommitus ionisaatiosta: - Eniten käytetty ionisaatiomenetelmä - soveltuu kaasumaisille näytteille (+höyrystys) - yksinkertainen menetelmä - sekä atomit että molekyylit - yleensä ~70eV elektronit (kirjastot fragmentaatiospektreille) - ionisaatiotehokkuus vain luokkaa 1/10 6, mutta lähes vakio kaikille näytteille - suuri elektronivirta hyvä ionivirta Käyttö: - molekyylimassan identifiointi (jos M + piikki) - näytteen rakenteen tunnistus fragmentaation perusteella - jäännöskaasuanalyysi - sekä atomi- että molekyylimassaspektroskopiassa 18
Yleisimmät fragmentoitumiset (molekyyli-ionin hajoamiset) eri yhdisteryhmille : Alkanes: Simple alkanes tend to undergo fragmentation by the initial loss of a methyl group to form a (m-15) species. This carbocation can then undergo stepwise cleavage down the alkyl chain, expelling neutral two-carbon units (ethene). Branched hydrocarbons form more stable secondary and tertiary carbocations, and these peaks will tend to dominate the mass spectrum. Aromatic Hydrocarbons: The fragmentation of the aromatic nucleus is somewhat complex, generating a series of peaks having m/e = 77, 65, 63, etc. While these peaks are difficult to describe in simple terms, they do form a pattern (the "aromatic cluster") that becomes recognizable with experience. If the molecule contains a benzyl unit, the major cleavage will be to generate the benzyl carbocation, which rearranges to form the tropylium ion. Expulsion of acetylene (ethyne) from this generates a characteristic m/e = 65 peak. Aldehydes and Ketones: The predominate cleavage in aldehydes and ketones is loss of one of the side-chains to generate the substituted oxonium ion. This is an extremely favorable cleavage and this ion often represents the base peak in the spectrum. The methyl derivative (CH 3 C O + ) is commonly referred to as the "acylium ion". Another common fragmentation observed in carbonyl compounds (and in nitriles, etc.) involves the expulsion of neutral ethene via a process known as the McLafferty rearrangement, following the general mechanism shown below. Esters, Acids and Amides: As with aldehydes and ketones, the major cleavage observed for these compounds involves expulsion of the "X" group, as shown below, to form the substituted oxonium ion. For carboxylic acids and unsubstituted amides, characteristic peaks at m/e = 45 and 44 are also often observed. 19
Alcohols: In addition to losing a proton and hydroxy radical, alcohols tend to lose one of the alpha-alkyl groups (or hydrogens) to form the oxonium ions shown below. For primary alcohols, this generates a peak at m/e = 31; secondary alcohols generate peaks with m/e = 45, 59, 73, etc., according to substitution. Ethers: Following the trend of alcohols, ethers will fragment, often by loss of an alkyl radical, to form a substituted oxonium ion, as shown below for diethyl ether. Halides: Organic halides fragment with simple expulsion of the halogen, as shown below. The molecular ions of chlorine and bromine-containing compounds will show multiple peaks due to the fact that each of these exists as two isotopes in relatively high abundance. Thus for chlorine, the 35 Cl/ 37 Cl ratio is roughly 3.08:1 and for bromine, the 79 Br/ 81 Br ratio is 1.02:1. The molecular ion of a chlorine-containing compound will have two peaks, separated by two mass units, in the ratio 3:1, and a bromine-containing compound will have two peaks, again separated by two mass units, having approximately equal intensities. Common Mass Spectrum Fragments : 20
Kemiallinen Ionisaatio (CI) Toinen yleinen erityisesti suurten molekyylien tapauksessa käytetty ionisaatiomenetelmä on kemiallinen ionisaatio (Chemical Ionization, CI). Kemiallinen ionisaatio on suhteellisen hienovarainen ionisaatiomenetelmä ja sitä käytetäänkin erityisesti molekyylimassan määrittämiseen Periaate: Ionisaatioalueelle johdetaan suhteellisen korkeaan paineeseen (1 torr) reagenssikaasua ja näyteainetta (~1/1000-1/10 000 osuudella reagenssikaasuun). Reagenssikaasun molekyylit ionisoidaan elektroni pommituksella, jonka seurauksena näyteaineen atomit ionisoituivat törmäyksissä reagenssikaasun kanssa. Näyteaineen hyvin pienen suhteellisen osuuden vuoksi elektronisuihku ionisoi käytännössä ainoastaan reagenssikaasun molekyylejä. Ionisaatiokammio kemiallisessa ionisaatiossa on hyvin samankaltainen elektronipommitukseen verrattuna. Useissa sovelluksissa samaa koejärjestelyä voidaankin käyttää sekä CI että EI menetelmissä. Merkittävimpänä erona on että ionisaatioalueen tulee olla differentiaalisesti pumpattu ja itse massa-analysaattoriin suunnatun slitin tulee olla pieni, jotta analysointilaitteiston suurtyhjiö pystytään säilyttämään. Kuva 2.12. Kemiallisen ionisaation koejärjestely Kemiallisen ionisaation reagenssikaasuna voidaan käyttää esimerkiksi metaania (CH 4 ). CH 4 molekyylien ionisoituessa, ionit reagoivat korkeassa paineessa hyvin nopeasti muiden metaani molekyylien kanssa ja syntyy CH + 5 ja C 2 H + 5 ioneja jotka toimivat CI:n reaktiivisina ioneina ja reagoivat näyteaineen (M=MH) molekyylien kanssa: CH 4 e CH CH 4 3 CH CH 4 3 CH CH 4 4 CH C 5 2H 5 CH H 3 2 Protonin siirto: CH 5 + + MH MH 2 + + CH 4 Protonin siirto: C 2 H 5 + + MH MH 2 + + C 2 H 4 Hybridin siirto: C 2 H 5 + + MH M + + C 2 H 6 21
Prosessissa syntyneille molekyyli-ioni johdannaisille (M+1) + ja (M-1) + siirtyy huomattavan vähän energiaa ja fragmentaatio on huomattavasti vähäisempää kuin EI ionisaatiossa. Kemiallisen ionisaation voimakkuutta voidaan kuitenkin säätää reagenssikaasun valinnalla. Esimerkiksi butaani-kaasua käytettäessä nähdään massaspektrissä lähes pelkästään molekyylijohdannaisia ioneja. Kuvassa 2.5 on esitetty elektronipommituksella ja kemiallisella ionisaatiolla samasta näyteaineesta tuotetut massa-spektrit. Kuva 2.13. 1-decanolin massaspektri elektroni-ionisaatiota (a) ja kemiallista ionisaatiota (b) käyttäen. Kemiallinen ionisaatio tuottaa siis selvästi vähemmän fragmentoituneita ioneja kuin elektroniionisaatio ja onkin hyvin tehokas menetelmä erityisesti molekyylimassan määrityksessä. Kvantitatiivisessa analyysissa ongelmana on CI menetelmän hyvin suuresti vaihteleva ionisaatiotehokkuus. Esimerkiksi hiilivedyille CI:n tehokkuus on hyvin pieni. 22
Kenttä Ionisaatio / desorptio (FI / FD) Kenttäionisaatio on yksi hellävaraisimmista ionisaatio menetelmistä ja sitä käytetäänkin erityisesti tapauksissa, joissa EI ja CI menetelmillä ei molekyyli-ionia tai sen johdannaisia havaita. Kenttäionisaatiossa ionit syntyvät voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta (luokkaa 10 8 V/cm). Sähkökenttä synnytetään ionisaatioalueella olevan ohuen langan (emitteri) ja katodin välille. Emitteri-langan pinta koostuu sadoista pienistä mikroskooppisista hiili-neuloista (10 m pituisia, alle1 m paksuisia) jotka on kasvatettu langan pinnalle (pyrolyysi). Kaasumainen näyte johdetaan näytealueelle jolloin emitterilangan läheisyydessä näytemolekyylin valenssielektroni siirtyy tunneloitumisilmiön seurauksena emitterille. (Näytemolekyylin elektroni hyppää molekyylistä mikroneulalle.) Kiinteiden näytteiden tutkimuksissa emitterilanka voidaan päällystää tutkittavalla aineella (kenttä desorption). Kuva 2.14. Kenttäionisaatiomenetelmässä syntyy pääasiassa M + ioneja sekä vähäisemmässä määrin johdannaisia. Fragmentaatio on erittäin pientä. Rakenteeltaan kenttäionisaatiolla tuotettu massa-spektri on yksinkertainen koska tunnelointiilmiössä molekyylit eivät saa merkittävää lisäenergiaa (viritys) ja siten vain hyvin vähän fragmentaatiota tapahtuu. Ongelmana FI menetelmässä on sen erittäin huono tehokkuus. Ionien määrä jää vähintään kertalukua pienemmäksi kuin EI-menetelmässä, joten menetelmän herkkyys on selvästi huonompi. 23
Kuva 2.15. EI, CI ja FI menetelmillä tuotetut 3-metyyli-3-heptanoli molekyylin massaspektrit. 24
Laserionisaatio / desorbtio (LDI) Periaate: Näyteaine sekoitetaan liuottimeen ja ns. matriisi aineeseen ( orgaaninen yhdiste joka absorboi voimakkaasti käytetyn laserin aallonpituudella) (MALDI = matrix assisted laser desorption/ionization). Liuoksen pisaroita asetetaan laserin osuma-alueella johon liuottimen höyrystyessä jää kiteytynyt matriisi ja näyteaineen seos. Pulssilaserilla säteilytettäessä matriisi höyrystyy pinnalta (desorbtio). Kaasufaasissa näyteaine ionisoituu (protonaatio) ja syntyneet ionit voidaan kiihdyttää massaspektrometriin. Kuva 2.16. Laser ionisaatio Laserionisaatio on melko hellävarainen ionisaatiomenetelmä ja soveltuukin hyvin suurten (biologisten) molekyylien ionisointiin. Menetelmä on käyttökelpoinen erityisesti lentoaika massa spektrometrin yhteydessä koska pulssilaserin aikarakenteella voidaan synkronoida analysaattorin aikarakenne.( Laser pulssista ajan nollakohta). - melko uusi menetelmä - hyvin suurimassaiset molekyylit (Molekyylimassa luokkaa 100 000 amu) - Matriisi täytyy valita jokaiselle tutkittavalle aineelle erikseen - Voidaan myös käyttää joissakin tapauksissa (absorptio) ilman matriisia= LDI (laser desorbtion) Matrix -Cyano-4-hydroxycinnamic acid (alpha) 3,5-Dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid (sinapinic acid) 2,5-Dihydroxybenzoic acid (DHB) Hydroxypicolinic acid (HPA) Dithranol Sample Peptides (+ve, -ve) Proteins (normally +ve) Sugars, Nucleotides, Peptides (+ve, -ve) Oligonucleotides, Glycopeptides (normally -ve) Synthetic Polymers, Large Organics (normally +ve) 25
Kuva 2.17. MALDI metelmällä tuotettu BSA ( Bovine serum albumin) massaspektri. Electrospray ionization (ESI) Periaate In electrospray ionization (ESI) a fine spray of charged droplets is created by the application of a high voltage (typically 1-3 kv) to a capillary containing a flowing liquid. The process is often assisted by use of a co-axial nebuliser gas, such as nitrogen, but it is important to note that formation of the micro-droplets is ultimately an electrostatic rather than mechanical phenomenon (see below). Electrospray ionisation occurs at atmospheric pressure, but solution processes - rather than gas phase ion/molecule reactions - result in ion formation. In a simplified model of ESI, charged droplets - expelled from the tip of the capillary - evaporate until the Rayleigh limit is reached (i.e. the point at which Coulomb repulsion equals surface tension). Beyond this limit the droplets are unstable and explode to form microdroplets. This process is repeated until individual solvated ions are formed. Evaporation of the solvent results in the generation of isolated gas-phase ions. 26
Larger molecules, with a number of chargeable sites, tend to show a distribution of charge states. In the following illustration, the droplets contain singly, doubly and triply charged positive ions: In a protic solvent, such as methanol, water or water/acetonitrile, the sample ions generally take the form of protonated or deprotonated species: [M+nH] n+ or [M-nH] n-. However, cationisation with alkali metals and ammonium ions is also common. Electrospray ionisation transfers very little energy (<1 ev) to the sample molecules and, essentially, no fragmentation occurs at this stage. Once formed, ions are accelerated out of the atmospheric pressure source and into the mass analyser by application of a small voltage (typically 20-70 V) to the skimmer cone. If desired, this voltage can be increased to cause fragmentation of molecular species by collisional activation (so-called ion-source collision-induced dissociation, CID). As with other API methods, the pressure differential between source and analyser regions is maintained by the presence of an area of intermediate vacuum (see figure above). Applications ESI is suitable for the analysis of organic compounds with medium - high polarity. Since positive ionisation is dependent on protonation, molecules containing basic functional groups work well in this mode. Negative ionisation, in contrast, functions by deprotonation, thus the presence of acidic functional groups is a prerequisite for reasonable limits of detection. Although ESI has traditionally been used in the analysis of polar biomolecules, such as peptides, carbohydrates etc., many relatively small organics are amenable to this technique - providing they contain sufficient functionality. The following lists provide a guide to which functional groups are suitable for positive or negative ESI. Positive Ion Amino Amide Ester Negative Ion Carboxylate Hydroxyl/Phenol Imide 27
The positive ion ESI spectrum of the heterocycle below is fairly typical for a small organic molecule. A strong [M+H] + at m/z 219 is accompanied by a large [M+Na] + species at m/z 241. At the relatively low skimmer cone voltage of 25 V there is essentially no fragmentation. The negative ion ESI spectrum of the rotaxane below displays singly and doubly charged molecular species at m/z 1429 and 714. The positive ion ESI spectrum of the 16 kda protein, myoglobin, (below) is typical for this class of biomolecule in showing a series of multiply charged molecular species. Under the denaturing conditions used (protein sprayed from 50:50 water acetonitrile containing 0.05 % formic acid), a distribution of [M+nH] n+ ions are visible, where n = 12 to 24. 28
Electrospray (ESI) ionisaatio: - biomolekyyleillä - molekyylimassa > 100 000 amu - näyte liuoksessa joka pumpataan korkeassa jänniteessä (useita kv) olevan kapillaariputken lävitse -> syntyy varttuja pisaroita. Pisarat ohjataan toisen ohuen kapillariputken lävitse jossa liuoteaine höyrystyy ja varaus siirtyy näyteatomeille. - Rayleigh raja: repulsio = pintajännitys - Hyvin vähän fragmentaatiota - Moninkertaisesti varattuja molekyyli-ioneja - Näyte/ionisointialue ilmakehän paineessa Fotoionisaatio (PI) ja viritys Fotoionisaatio on massaspektroskopian ionisaatiomenetelmänä käytössä erityisesti molekyylien elektronirakenteen tutkimuksessa (fysiikka). Periaate Molekyylin elektronirakenteesta ionisoidaan elektroneja fotonipommituksella (vrt. elektronipommitus). Fotoionisaatiossa fotoni absorpoituu kokonaisuudessaan menettäen koko energiansa ionioitavalle elektronille (valosähköinen ilmiö). E h = hc / E kin(e) = E h - E(sidosenergia) Eri fotoninenergiaa käyttäen voidaan ionisaatio suorittaa molekyylin eri (sidosenergia) elektroniorbitaaleilta (vaikutusala). Täten saadaan tietoa molekyylisidosten luonteesta, fragmentaatio- ja ionisaatioenergioista sekä mahdollisista elektronisisten viritystilojen purkautumiskanavista. Varioitavan energian fotonilähteillä (synkrotroni) voidaan suoran ionisaation lisäksi tutkia myös ionisaatiorajan alapuolisia resonanssitiloja. Tällöin puhutaan resonanssi virityksestä. Resonanssivirityksessä virittävä fotoni nostaa atomin tai molekyylin joltakin 29
elektronikuorelta elektronin ionisaatiorajan alapuoliselle vapaalle nk. Rydberg orbitaalille. Virityksessä fotoninenergian täytyy olla täsmälleen energiatilojen erotusta vastaava: E h = hc / E i E f * Virityksissa voimassa n. Dipolivalintasäännöt. Fotonilähteitä: Purkauslamput (HeI 21,2eV) Röntgenputket (energia kev luokkaa) Synkrotronisäteily (fotoninenergia ja energiakaistan leveys valittavissa, UV- Röntgen ) Laser (UV, näkyvä, IR) Käyttö: - Molekyylien ja atomien elektronisten tilojen tutkimus (esim. ionisaatioenergiat) - Fragmentaatiokanavat fotonienergian funktiona - Absorptiomittaukset (kokonaisionisaanti, osittaisionisaanti) - Molekyylidynamiikka (ionien nopeudesjakauma, kulmajakauma, ionisaatiossa vapautuva energia) Esimerkki: KCl molekyylin fragmentaatio VUV alueella Pennanen, Huttula et al. : Journal of Electron Spectrosc. Rel. Phenom. 114-116 (2001) p. 169 Kuva 2.18. KCl molekyylin kokonaisionisaanti fotoninenergia alueella 8-24 ev. 30
31
K ja Cl atomit liittyvät yhteen kun K luovuttaa yksinäisen s elektroninsa Cl atomille (molemmille atomille täydet elektronikuoret). Molekyylisidoksen muodostaa Coulombin vetovoima K + ja Cl - atomien välillä. Tutkimuksessa havaittiin VUV-alueen viritysten (K atomissa) johtavan ionisaatioon. Ionisidosmallissa tarkasteltuna (molemmat atomit erikseen, ei yhteisiä elektroneja) viritystila ei voi purkautua K-atomissa (ei energeettisesti mahdollista). Havaittiin ns. inter-ionic decay, eli ionien välinen elektroninen siirtymä, jossa virityksessä generoidun K atomin aukon täyttää Cl atomin elektroni ja samanaikaisesti joko viritetty elektroni (autoionisaatio) tai toinen Cl atomin elektroni (katselija-auger) emittoituu. Myöhemmin havaittiin että alkalihalidi sarjassa katselija prosessin aktivaatioenergia riippuu atomien järjestysluvusta ja purkautumiskanavan aktivaatioenergian ylittämisellä on oleellinen vaikutus viritetyn tilan elinaikaan. 32
Alkuaineanalyysiin soveltuvat ionisaatiomenetelmät: Tarkoituksena fragmentoida (hajottaa) molekyylit atomeihinsa Kipinälähde ( spark ion source ) - Näyteaineesta tehtyihin elektrodeihin johdetaan radiotaajuinen korkeajännite joka aiheuttaa läpilyönnin (kipinä) elektrodien välille höyrystäen elektrodimateriaalia. - Sähköä johtamattomat näyteaineet voidaan seostaa johonkin sähköä johtavaan materiaaliin esim grafiitti - alkuaineanalyysi (hyvin voimakas fragmentaatio) - ionit hyvin erilaisilla kineettisillä energioilla joten vaatii ns. kaksoisfokusoivan massaanlysaattorin (kallis) Inductively Coupled Plasma (induktiivisesti kytketty plasma) Ionilähde Periaate: Näyteaine (liuos/höyry) sumutetaan Argon plasmaan jossa pisarat höyrystyvät ja ionisoituvat. Seuraava kuvasarja esittää Argon ICP- lähteen periaattellisen toimintatavan. Kuva 2.6: Argon ICP ionilähteen toiminta. A. Argonin sisäänsyöttö B. RF kelalla muodostetaan magneettikenttä alueelle C. Kipinän avulla tuotetaan muutama ioni ja elektroneja joiden törmäily magneettikentän vaikutuksesta muihin atomeihin aiheuttaa ketjureaktion omaisesti plasman syntymisen (D) E. Näyteen syöttö plasmaan 33
- erittäin tehokas näytteen atomisointi - soveltuu alkuaineanalyysiin ( vähintään 90% kaikista alkuaineista havaittu ICP-MS menetelmällä) Kuva 2.7: Laser höyrystys / ICP-MS menetelmällä mitattu kivinäytteen massaspektri. 2.3 Massa-analysaattorit Massa-analysointilaitteiston tärkein osa on itse massa-analysaattori. Massa-analysaattorin tehtävänä on erottaa eri massa/varaus suhteella olevat ionit toisistaan tutkittavalla massaalueella. Useimmiten ionien erotteluun käytetään sähkö- ja/tai magneettikenttiä ja eri m/zarvon ionit erottuvat joko paikan tai ajan funktiona. Seuraavassa käsittelemme muutamia yleisimmin käytettyjä massa-analysaattoreita. Resoluutio: Resoluutio kuvaa massaspektrometrin kykyä erotella eri massaiset ionit toisistaan (erotuskyky) m R, (2.1) m missä m = spektrissä kahden juuri erotettavissa olevan piikin massaero m = nominaalimassa (tai e.m. massojen keskiarvo) Yleensä massaspektroskopiassa ns. 10% laakso periaate. Esim. Jos R=1000, m= m/1000. 34
Tällöin massa m=100 ympäristössä m=100/1000 =0.1 eli massat 100.00 ja 100.10 voidaan erottaa spektrissä toisistaan ja niiden väliin jäävän laakson korkeus 10% massapiikin intensiteetistä. Huomattavaa on että jos samalla resoluutiolla (R=1000) tarkastellaan massa aluetta m=500, m=0.5 joten massat 500 ja 500.5 voidaan erottaa toisistaan. m arvo riippuu siis tarkasteltavasta massa-alueesta Esimerkki: Massa-analysointilaitteiston resoluutio riittää juuri veden (m=18) ja OH (m=17) molekyylin massojen erottamiseen toisistaan. Pystytäänkö samalla laitteistolla erottamaan kloorin isotoopit m=35 ja m=37 toisistaan? R = 17/1= 17 m(m=37) = 37 / 17 = 2.17 (amu) eli ei pystytä. Magneettiset sektori analysaattorit Magneettisissa sektori analysaattoreissa sähkökentällä analysaattoriin kiihdytetyt eri massaiset ionit erotetaan toisistaan magneettikentän avulla. Kuva 2.8. Magneettisen sektrorianalysaattorin periaatekuva. 35
Sähkökentällä kiihdytetyt ionit joutuvat magneettikentässä rataliikkeeseen ja valitun massaiset ionit poikkeutuvat kohti detektoria (ioni kollektori). Massa-alueen pyyhkäisy voidaan toteuttaa joko magneettikentän voimakkuutta tai kiihdytys potentiaalia varioimalla. Massa-spektri muodostuu tällöin kestomagneetin tapauksessa detektorin ionivirran havainnoinnista kiihdytyspotentiaalin funktiona. Kiihdytyksessä ionit saavat kineettistä energiaa KE = zev = ½ mv 2, (2.2) missä V on kiihdytyspotentiaali (välillä AB), z on ionin varausaste, m ionin massa ja v ionin nopeus kiihdytyksen jälkeen (e=1,602e-19c) Kineettinen energia on siis likimain yhtäsuuri kaikille ioneille kiihdytyksen jälkeen joten magneettikenttään saapuessaan raskaammat ionit liikkuvat pienemmällä nopeudella kuin kevyet ionit. Magneettikentässä ionit joutuvat ympyräradalle jonka määrittelee liikeyhtälö, jossa Magneettikentän aiheuttama voima = sentripetaalivoima, eli: mv 2 F m = Bzev = =F C, (2.3) missä r = liikeradan säde Yhdistämällä (2.2) ja (2.3) saadaan m z r 2 2 B r e (2.4) 2V Josta nähdään että massa spektri saadaan varioimalla joko B, V tai r muuttujaa. Moderneissa sektori massa spektrometreissa pidetään kiihdytyspotentiaali (V) vakiona ja muutetaan magneettikentän voimakkuutta (B). Massaspektri saadaan tietyissä laitteistoissa myös r:n funktiona mutta tällöin vaaditaan ns. paikkaherkkä ionien havainnointi laitteisto. Kaksoisfokusoivat sektori geometriat: Edellä esitetyn tyyppisissä yksinkertaisesti fokusoivissa massaspektrometreissa molekyylien alkuperäinen kineettinen energia ja liikesuunta (esim. lämpöliike tai ionisointi tavasta aiheutuvat energia/suunta jakaumat) aiheuttavat massaspektrin levenemää eli erotuskyvyn heikkenemistä lähinnä koska samalla energialla olevat mutta hieman erisuuntiin liikkuvat ionit divergoituvat kulkiessaan analysointilaitteiston läpi. Kaksoisfokusoivissa laitteistoissa energia ja suunta aberraatiot minimoidaan samanaikaisesti sähkö ja magneettikenttien avulla. Esimerkiksi kuvan 2.9 kaksoisfokusoivassa laitteistossa ionit johdetaan ensin sähköstattiseen analysattoriin, jonka läpäisevät ainoastaan tietyn kineettisen energian omaavat ionit. Sähköstattinen analysaattori fokusoi monokromaattisen ionisuihkun magneettisen analysattorin (massa analysattori) sisäänmenorakoon. Sijoittamalla ionidetektori energia- ja suunta fokustasojen leikkauspisteeseen saavutetaan nk. kaksoisfokusointi olosuhteet. 36
. Kuva 2.9: Nier-Johnson geometrian kaksoisfokusoiva massaspektrometri Kuva 2.10: Mattauch-Herzog geometrian kaksoisfokusoiva massaspektrometri. 37
Kuvassa 2.10 on esitetty hieman toisenlaisen geometrian (Mattauch-Herzog) kaksoisfokusoiva massaspektrometri. Tämän tyyppisen laitteiston erikoisominaisuutena on, että energia- ja suunta fokusointitasot ovat yhtenevät, joka mahdollistaa paikkaherkän detektointijärjestelmän käytön (valokuvauslevy, detektori rivi). Tällöin pystytään samanaikaisesti havainnoimaan suuri m/z alue ilman potentiaali/magneettikentän muutoksia. Kaksoisfokusoivat laitteistot ovat tyypillisesti korkean erotuskyvyn massaspektrometrejä, joilla voidaan helposti saavuttaa luokkaa R=10 000 olevia resoluutioita. Uusimmat laitteistot kykenevät jopa luokkaa R>80 000 tarkkuuteen. Quadrupoli massaspektrometrit: Massaspektrometrien yleisin tyyppi on ns. quadrupoli massa-analysaattorit jotka ovat hyvin nopeita, pieniä, edullisia ja kestäviä laitteita. Quadrupoli muodostuu neljästä samansuuntaisesta sylinteri elektrodista (kuva 2.11). Elektrodeihin kytketään tasajännite siten että kaksi vastakkaista elektrodia on positiivisessa ja toinen vastakkainen pari negatiivisessa potentiaalissa. Lisäksi molempiin pareihin kytketään vastakkaisessa vaiheessa olevan vaihtojännite. Spektriä mitattaessa ionit kiihdytetään n. 5-10V jännitteeseen ja johdetaan sylintereiden väliseen alueeseen. Tietyillä DC/AC jännite arvoilla quadrupoli massafilterin läpäisee ainoastaan tietyn m/z suhteen omaavat ionit. Kuva 2.11. Quadrupoli massaspektrometri (massafiltteri) 38
Kuva 2.12. Positiivisen sylinteri elektrodiparin toiminta quadrupolissa. Kuvissa 2.12. ja 2.13 on havainnollistettu quadrupoli filtterin toimintaperiaatetta. Quadrupoli massaspektrometri toimii massafilterinä (suodattimena) koska tietyllä hetkellä ainoastaan tietyt ionit läpäisevät laitteen, muiden ionien törmätessä sylinterielektrodeihin. Toimintaa voidaan havainnollistaa tarkastelemalla DC ja AC komponetteja erikseen. Puhtaasti AC kentässä positiivisen syklin aikana repulsio voima pyrkii kokoamaan positiiviset ionit sylinterien keskellä olevalle alueelle (Kuva 2.12.A). Negatiivisen vaiheen aikana ionit puolestaan pyrkivät divergoitumaan kohti elektrodeja. Mikäli negatiivinen vaiheen aikana ioni osuu elektrodiin, se neutraloituu. Läpäisy riippuu siis ionien massa/varaus suhteesta, AC taajuudesta ja suuruudesta. Positiivisen tasajännitteen elektrodipari pyrkii pitämään ionit sylinterien välisessä alueessa repulsiovoiman ansiosta. Koska raskailla ioneilla liikemäärä on suuri, AC kentän vaihtelu ei merkittävästi vaikuta niiden liikkeeseen vaan tasapotentiaali pyrkii pitämään ionit filtterin keskialueella. Positiivisen tasapotentiaalin elektrodipari toimii siis ns. ylipäästö massasuotimena (kuva 2.13 a) Negatiivisessa elektrodiparissa kenttä puolestaan pyrkii divergoimaan ionisuihkua ja ilman vaihtojännite osuutta kaikki ionit osuisivat elektrodeihin. Elektrodeihin kytketty vaihtojännite kuitenkin vaikuttaa erityisesti keveisiin ioneihin siten, että ne värähtelevät vaihtojännitteen mukana kun taas raskaammat ionit kulkeutuvat negatiivisille elektrodeille ja neutraloituvat. Negatiivinen elektrodipari toimii siis alipäästö massasuotimena (kuva 2.13 b). Yksinkertaistaen voidaan siis ajatella, että quadrupolin läpäisevät ionit, jotka ovat tarpeeksi raskaita etteivät ne kulkeudu positiivisille elektrodeille ja tarpeeksi keveitä, jotta ne läpäisevät myös negatiivisen elektrodiparin muodostaman suotimen. Täten sopivalla geometria ja jännitevalinnoilla ainoastaan tietyn m/z arvon ionit läpäisevät quadrupoli suodattimen. Todellisuudessa ionit liikkuvat hyvin komplisoituja spiraaliratoja joiden analyyttinen käsittely on hyvin hankalaa eikä ole tässä yhteydessä tarpeellista. Käytännössä ionit joko oskiloivat vakio säteellä tai liikeradan säde kasvaa ja ioni neutraloituu osuessaan elektrodiin. Läpäisy riippuu siis ionien massa/varaus suhteesta, tasa ja vaihto potentiaalin suuruudesta sekä vaihtojännitteen taajuudesta. 39
Massaspektrin pyyhkäisy Kuva 2.13. Quadrupoli massaspektrometrin toimintaperiaate. Spektrin skannaus (pyyhkäisy) quadrupoli laitteistossa toteutetaan kasvattamalla AC ja DC jännitteitä yhtäaikaisesti pitämällä jännitteiden suhde vakiona. Tyypillisesti AC/DC jännitteiden suhde on noin 6 joka vastaa optimi resoluutiota quadrupoli filtterille. Kuvassa 2.14. on esitetty jännitteiden suuruudet pyyhkäisyn aikana. 40
Kuva 2.14 Massa-alueen pyyhkäisy quadrupoli laitteistossa. Quadrupoli massaspektrometrit sopivat erityisesti matala-resoluution analyysiin esim. jäännöskaasu analyysiin. Tyypillisesti voidaan erottaa noin 1 amu tutkittavalla massa-alueella. Kuva 2.15. Kaupallinen quadrupoli massaspektrometri (Agilent 1100) 41