Massenspektrometrie – eine einstündige Einführung
Sommersemester 2011
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Videos aus: http://phd.marginean.net/regimes.html
Massenspektrometrie – eine Einführung
Was kann die Massenspektrometrie?
Sie liefert eine Aussage über das Molekulargewicht von Verbindungen:
dazu sind nur sehr kleine Substanzmengen nötig
Man kann komplexe Gemische analysieren:
Sie kann bei der Strukturaufklärung von unbekannten Verbindungen helfen:
Man kann mit ihr quantitative Aussagen machen:
dazu betrachtet man die Zerfallsprodukte von Ionen
dazu muss man in der Regel das MS-Verhalten der reinen Komponenten kennen
dazu koppelt man eine chromatographische Methode mit der Massenspektrometrie
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Weniger als 10-6g sind ausreichend,in günstigen Fällen auch 10-15g
Beispiel1g Substanz in einem Schwimmbecken (50x10x3m) kann
in einer 1ml Wasserprobe noch nachgewiesen werden.
O+
OCH3C
+
O
C+
Massenspektrometrie – eine Einführung
Was sind die Voraussetzungen, um ein Massenspektrum messen zu können?
Die Moleküle müssen vereinzelt werden – d.h. sie von Wechselwirkungen zu befreien.
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Um Kräfte auf das Molekül ausüben zu können, muss es eine Ladung erhalten
In der Regel bedeutet das die Überführung ins Vakuum
++
+
-e-
Massenspektrometrie – eine Einführung
Massendefinitionen
[CH2BrCl] +
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Die Summe der Atomgewichte, also inclusive aller Isotope wird als stöchiometrische, auch Formelmasse oder „average mass“ Masse bezeichnet.
1x12.01 + 2x1.008 + 1x35.46 + 1+79. 91 =129.38 Da
Zur Erinnerung, viele Elemente bestehen aus einem Gemisch mehrerer Isotope.
12C 98,9%
13C 1,1%
35Cl 75,7%
37Cl 24,3%
79Br 50,7% 81Br 49,3%
125 130 135mass0
100
%
129.90
127.90
131.90
Massenspektrometrie – eine Einführung
Massendefinitionen
[CH2BrCl] +
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Die Kombination der häufigsten Isotope wird als monoisotopische Masse bezeichnet.
[12C1H279Br35Cl] + = 127.90283 Da
[12C1H281Br35Cl] + mit [12C1H79Br37Cl] + =
129.9090 Da
[12C1H281Br37Cl] + = 131.93193 Da
[13C1H279Br35Cl] + = 128.90618
[13C1H281Br35Cl] + mit [13C1H79Br37Cl] + =
130.91235 Da
[13C1H281Br37Cl] + = 132.93528 Da
Wenn bei einer Messung die einzelnen Isotope getrennt werden, muss die Berechnung der Peaks mit der Masse der reinen Nuclide erfolgen.
Für eine bequeme Kommunikation wird auch die Summe der gerundeten Isotopenmassen verwendet, diese wird als nominale Masse bezeichnet.
125 130 135mass0
100
%
129.90
127.90
131.90
Massenspektrometrie – eine Einführung
Massendefinitionen
[CH2BrCl] +
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Die Masse der Linien ist nicht ganzzahlig, weil die reinen Isotope auch keine ganzzahligen Massen besitzen.Beispiel:
Wenn die Masse mit einer Genauigkeit < 5mDa bestimmt wird,bezeichnet man das als exakte Massenbestimmung.Mit Hilfe der exakten Massenbestimmung kann man zwischen Verbindungen gleicher Nominalmasse aber unterschiedlicher Elementarzusammensetzung entscheiden.
12.0000 + 2 x 1.0078 + + 78.91799 + 34.9683 = 127.9028 Da
[12C1H279Br35Cl] + = 127.90229 Da
C12,0000 (98.4%)13,00281 (1,1%)
Cl34,9683 (75,7%)36,96535 (24,3%)
Br78,91779 (50,7%) 80,91574 (49,3%)
H1,0078
Massenspektrometrie – eine Einführung
Die EIektronen(stoss)ionisation EI
Ionisieren durch Elektronenstoss EI electron impact, oder electron ionization
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
+Ins Vakuum einschleusen
+
Verdampfen Ionisieren
Radikalkationen
+3000V 0V
Ionenstrahlzum Analysator
Elektronenstrahl
GlühkathodeFokussierung
Substanz gasförmigAnode
Massenspektrometrie – eine Einführung
Die EIektronen(stoss)ionisation EI
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
++
Energiebedarf für die Ionisation
6-12 eV = 138-276kcal = 578-1156 kJ ++e-
-2e-Überschussenergie
2-10 eV = 46-230kcal = 193-964 kJ-N
++
-R
-R-N
+
-N
+
-R
+100%
m/z
Die y-Achse wird auf das häufigste (intensivste) Ion normiert.
Auf der x-Achse werden die Ionen nach ihrem m/z Wert geordnet.
Massenspektrometrie – eine Einführung
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Wechselspannung
Ioneneintritt
Quadrupolanalysator (Quadrupolmassenfilter)
Quadrupolstäbe
m/z passend
m/z zu klein
m/z zu gross
Detektor
Ionenbahnen
die Frequenz, die Amplitude und die überlagerte Gleichspannung bestimmen den Durchlassbereich
Massenspektrometrie – eine Einführung
Zur Interpretation der Fragmentierung wird das Konzept der lokalisierten Ladung verwendet
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Die EIektronen(stoss)ionisation EI ++
CH3
O
+e-
-2e-
-C2H2m/z 51
Die Radikalstelle induziert zwischen α- und β-Position eine Fragmentierung, sie wird alsα Fragmentierung bezeichnet.
(m a inlib ) A c e to phe no ne20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
50
100
2739
43
51
63
77
91 98
105
120
CH3
O+
m/z 120
C+
O
CH3
m/z 105 m/z 77
C+-CO
Massenspektrometrie – eine Einführung
Spektrum eines aliphatischen Ketons
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Die EIektronen(stoss)ionisation
EI -3
++
Es bilden sich die stabilsten Kationen
Es werden die stabilsten Radikale abgespalten
(m a inlib ) 2-He pta no ne10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
50
100
1527
32
43
48
58
6671
77 83 99 114
CH3 CH3
OC5H11
71.0861 Da
C2H3O43.0184 Da
C6H11O99.081 Da
CH3
15.0235 Da
+
?
O+
CH3H
CH3
O+
CH3
H
CH2
H
CH3CH2
m/z 58
McLafferty Umlagerung
Massenspektrometrie – eine Einführung
ES(I) – Elektrosprayionisation
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
Kapillare 1-4kV
Oxidationsprozess
zum Analysator
Tröpfchen mit positiver Überschußladung
Gegenelektrode 0V
Lösungsmittel und entladene Ionen
Ionen negativIonen positiv
Lösung 0.01-0.5ml/min
1 bar 0.1 mbar
++
++
++
Bildung von Ionen in der Lösung
Massenspektrometrie – eine Einführung
Vom Molekül zum Ion im Hochvakuum
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
+Ins Vakuum einschleusen
+
Verdampfen Ionisieren
Radikalkationen
+
+
Probe gelöst, Ionenbildung! Versprühen im E-Feld Transfer zum Vakuum
Kationen
+
+
+
+
EI
ESI
1 bar
Massenspektrometrie – eine Einführung
ES(I) – Electrosprayionisation
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
++
02-Jan-2006Quattro - LCTrepohl Probe in MeOH
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120m/z0
100
%
0
100
%
HOPPE TRE7-A 1 (0.141) Scan ES+ 1.57e8104
39 105
HOPPE TRE7-B 1 (0.172) Sm (SG, 4x0.90) Daughters of 104ES+ 4.80e669
45
4118
104
87
Tuning Parameters: ES+Source Page (ESI) Capillary: 1.07 kVoltsCone: 25 VoltsExtractor: 2 Volts
CH3
CH3
OH
NH2
Monoisotopic Mass = 103.099714 Da
2-Amino-3-methylbutanol
Auch bei sehr empfindlichen Verbindungen keine Fragmentierung
(M+H)+
K+
(m a inlib ) 1-Buta no l, 2-a m ino -3-m e thyl-, (R)-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
1828 42
55
60
70
72
86
zum Vergleich das EI-Spektrumkein Molekülpeak sichtbar
dafür Strukturinformation durchdie Fragmentierung!
68
87
28
77
38
25
88
4
95
2
10
31
11
24
12
37
13
74 15
46
17
66
20
61
22
48
+MS, 1.8min #24
0
2
4
6
4x10Intens.
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 m/z
Massenspektrometrie – eine Einführung
ES(I) – Electrosprayionisation
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
++
Alle beobachteten Ionen sind durch vielfache Protonierung entstanden
Die x-Achse eines Massenspektrums ist m/z!
MW = 1237*z – z*1.0078
z = 10
12
35
8
+MS, 1.8min #24, Deconvoluted (maximum entropy)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
5x10Intens.
12000 m/z
MW = 1374*(z-1) – (z-1)*1.0078
8+
7+
6+
9+10+
11+
12+
13+
5+
Massenspektrometrie – eine Einführung
Literaturhinweise – WEB-Information
Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie
„Interpretation von Massenspektren „ F. W. McLafferty, F. Turecek, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995.
„Mass Spectrometry - A Textbook“ Jürgen H. Gross, Springer Berlin, HeidelbergNY 2004.
„Electrospray Ionization Mass Spectrometry“ Richard B. Cole, John Wiley & Sons, Inc.NY, Weinheim 1997.
„MALDI-TOF Mass Spectrometry of Synthetic Polymers“ H. Pasch und W. Schrepp,Springer Berlin, Heidelberg, NY 2003.
„Practical Implications of some recent Studies in Electrospray Ionization Fundamentals“Nadja B. Cech and Christie G. Enke, Mass Spectrometry Reviews (2001) 20, 362-387.
http://www.uni-muenster.de/Chemie.oc/service/mass/mass.htmlhttp://www.chemlin.de/chemie/massenspektrometrie.htmhttp://masspec.scripps.edu/index.phphttp://www.isas-dortmund.de/2002/e/staff/hoffmann/analysatoren.pdf
http://members.aol.com/msmssoft/ „Isopro“ Programm