4. Chemická ionizace ■ Munson, Field - 1966 ■ Princip: reakce ion - molekula jako zdroj iontů => zprostředkování ionizace analytu jiným médiem ■ Výsledek: iontové adukty (často protonované molekuly) ■ Iont. zdroj: reakční plyn (CH4) při ca 1 torr tvoří reaktivní ionty (Eel = 200 - 500 eV, pCH4 = 50-100 Pa, pM = 0,05 - 0,1 Pa) => 0,1 % analytu) Srovnání iontového zdroje pro El a CI: náraz elektronu (El) R,efe"Y inlet Pressure (ca. 10-6Torr) Electron ■ trap ( Electron beam Y/////A -+— Tungsten (Re) filament (ca. 1 mA -—, electron beam) Extraction and high-voltage accelerating electrodes Collimating slit Beam-centring plates chemická ionizace (CI) Electron trap Sample introduction „, Pump To mass analyser Ion beam Ion beam to mass analyser Accelerating plates and focusing slits Electron beam -*- Pump Filament Repel! e r plates Capillary leak {ca. 10 mi min-') Pump Reakční schéma (CHJ CH4 + e- CH4 + e- ■> CH4+* + 2 e- CH4 * + CH4----- »CHV +H' + 2e- > CH5+ + CH3* (47 %) A CH3 + C-H4 ■> C2H5+ + H2 (41 %) další možnost: vznik C9H 2AA3 C2H3 + CH4 > C3H5+ + H2 ( 6 %) tzv. plasma J Reaktivní ionty reagují s molekulami => iontově - molekulové reakce > MH+ + CH, M + CH5+ báze B. kys. Pozn.: hodnota P A vypovídá obecně o reaktivitě látky r i\-\/t M - AH - protonová afinita (reaktivita látky M) MH+ = kvazimolekulární ion (sudý počet e-) Reakční plyn Reakční ionty (R) PAR [kJ mol1] He/H2 HeH+ 176 H2 H3+ 424 CH4 CH5+, C2H5+ 533, 668 H20 H30+ 689 Grl^ CH^Cri^ C3H7+ 764 (CH3)3CH C4H9 819 NH3 NH4+, (NH3)2(3)H + 869 (CH3)3N (CH3)2NH + 949 ■ ! Aprotické inertní plyny - výjimka -reakce výměny náboje ! ■ Stupeň fragmentace řízen hodnotou PA - acidobazické reakce v plynné fázi (intenzivní fragmentace = velký rozdíl PAM - PAR) ■ CI poskytuje menší počet fragmentů než El: nejběžnější je eliminace funkčních skupin spolu s odštěpením H atomu z protonizovaného molekulárního iontu (H20, alkoholy, kyseliny, H2S, alkylsulfidy apod.) ■ ! Absence tabelovaných spekter - silná závislost na podmínkách ! ■ ! Výtěžek reakčních produktů závisí na tlaku reakčního plynu- TD rovnováhy ! Typy iontově molekulových reakcí výměna náboje [R]+# + M--------> [M]+# + R ERrekomb >IEM R má velkou el afinitu protonace [BH]++ M--------> [MH+] +B autoprotonace [M]+# + M--------> [MH+] + (M-H)# přenos hydridu [R]+ + M--------> [M-H]+* + RH ovlivněno sterickými a termochemickými vlivy (alifatický uhlovodík + Rs nízkou P A) kondenzace [X]+ + M--------> [X+M]+--------> [C+] +D pro R s vysokou hodnotou PA (NH3, aminy) => adice iontů plynu na volné elektronové páry heteroatomu neutrální molekuly př. NH4+ + M--------> /M+ NH4]+ (obecně M'XH) nebo [CH3J+ + CH4^[C2H5J++H2 [M'XH+ NHJ+--------> [M'NH4]+ + HX asociace [X]+ + M--------> [X+M]+ př. [M+C2H5]+ apod. vznik stabilních aduktů Užitečné poznatky ■ U sloučenin s více bazickými centry dochází zpravidla k protonaci nejvíce basického centra (karbonylový uhlík u esterů, aromatický kruh nesubstituovaný skupinami -N02, -CHO, -CN) ■ U halogenovaných aromátů dochází k protonaci na halogenu před termodynamicky výhodnej ší na aromatickém kruhu - kineticky výhodnější proces ■ Při použití CH4 je pozorována tvorba: • pseudomolekulárních iontů [M-H]+u alkanů • nealkylované aromatické uhlovodíky —» [M+l]+, [M+29]+, [M+41]+, . alkylované -► [M+l]+a [M-l]+, příp. [M+29]+(výše alkylované) • další pravidla pro různé další typy organických látek Ionizace výměnou náboje ■ CI bez přenosu atomů (pouze náboj) Plyn Základní ion Zastoupení (%) (celkové ionizace) Rekombinační energie s e- (eV) He He+ 99 24.6 Ne Ne+ 99 21.6 Ar Ar2+ ,Ar+ 6,87 24, 15.8 N2 N+, N2+, N22+ 14,67, 14 -, 15.3,- CO CO+, (CO)2+ 57,31 14, 11-12 co2 co2+, (C02)2+, o2+ 70, 18,6 13.8,-,9.7-17 o2 o2+ 96 9.7-17.0 NO NO+ 97 8.3 Nastavení hmotnostního spektrometru pro CI (CH^: HÜ Tune- TUNE-CM File Ionization Mode Instrument View Help 333 30.00 MS x1 / nutno dodržet patřičný poměr intenzit! X\s, (17/29 »1:1) Control Set Source Temp (T) Interface Temp (T) Source Pressure Analyser Pressure Filament Current (A) Source Current (ijA) 15 20 25 30 35 40 45 51 Instrument status: Operating Detector Set 30 220 Repeller Emission I 150 I Lens 1 18 ! Lens 3 I 140 j LM Res | 12.4 j HMRes 12.9 Detector | 230 | OPERATE 5.0 1 1 1 1 1 1 1 1 - ! " E Energy Lens 2 14 1 1 Lens 4 1B , Ion Energy | ■1.0 | E Ramp 1.0 Peaks 70 230 < r > 1 Actual 08 £19 40 40 15 142 Vliv typu reakčního plynu na charakter hmotnostního spektra KXF ci trc;n»J rr^ 291 MH-/ - izobutan .0$° 50 - PAR=819 kJmol1 273 ľ 1 150 —i—v—i—. i . i ■ . . - i ■ . • i . i 200 250 300 70W 35« 100 er ich.] metan dP 291 MH" / so u 273 PAR = 530 (668) kJmol1 **f*> CH5+ C2H5+ I , ■ , i--'--'.......i ' »50 20O 250 300 60% 10% co so CIIHJI vodík XXJ 273 PAR=424 kJmol1 I. ,11, T* ' 'I "'V *' 150 291 MH' 30% 15% CI 5a - dihydrotestosteronu S rostoucí rozdílem afinity reakčního plynu a anály tu roste stupeň fragmentace E00 250 300 srovnání hmotnostních spekter z metody EI+ a CI 100- 57 3.13e5 M+ *- o- 71 70 es 34 v 100- «- 34^93^ „g 142143 .■*'.. I *04 3 T j r i r^ 11 ■ ■ | ■ Vt u | u ■ I 't e 11 ■ 11111 ■ p rn-[ -j i -rn[ rn-rp 0-^ll,[^;r»ll]iiii'^ii|ll 121 100 77 / BS 10O1 57 71 CI+ *~ O-^tit 70 85 8.4395 10? / 122 252.5 1Q> 74 ŤTTTJTTrf]TTTTJT 72 V/ fl»'i|il 09 141 88 / 113 110 \ |i rtl[i'f!l|ll 111II IP | 100-1 % 142 / iin|nii|mi|iľli|ivU'|i^i[ľiH|iiiniiii|fiii| BO SO 100 120 140 TTTTI mfe 122 TT CI+ 2.91 e6 121 \ 106 120 0,1 ^ Xr f m El f IMII 11 11| 123 / 130 ii 11 m 1111 r | ■ iii|iiii|ini| ii n |'ľr r rj l*> f t p i n l ] 311 00 80 100 120 140 mte 3,31 %- 55 / Ju 07 129 143 155 , ™ \ I ( 163 fVil^ii'hj'h'iVi Fiľ)|ii'i i n i .i 100-1 w- TS7 17É tea 7 V 115 1^ 1ÍP N - ii n|i iLii \ i lí i \\\V\ |Tn ŕ| i ľl ifi rn 50 75 100 125 130 175 200 t 1SS / 215 ri-dekan N, N - tíimethylanilin meťhyl-n-dckanoát srovnání hmotnostních spekter z metody EI+ a CI + - 114 / EI+ 130 (70eV) lil as 156 .Li i Ji L- J 1« 183 ~J..... ~4 C Maas spectrum (70 aV) of th« malornmlde of pentobarbital. IDO CI+ metan i M-C3H5+ 22 S -9: 100 50 IŮO 150 2Ö0 2S0 Msss f pocením (Gl by nmhine) of matonamida «r paruůůartrtal. MW* 201 6"* CI+ amoniak 'M 156 J- 1 I ' I ' 'I " . '"I'1 I lOO 150 J2-1 £00 (různá média) analýza malonamidu pentobarbitalu PAX PA PA2 > PA, Mass spectrum [CI by ammonia) oi maionamide of punioSaftital. srovnání metody EI+ a výměny náboje 100 50- EI + - / 71 J M 114 V 34% 65 LI7% M).IMjM»|IMipil i|iifi|nii;niipMi|ini] 100 100 50 - charge -exchange 114 / f 46% N. 71 f| illfc 11 |lpi|l iyWTTJTTTT^r^T*|*lľM»»#> kombinace obou MS negativních iontů (EI") ■ Na začátku velké nadšení, ale ! ■ Eel 20 - 70 eV (analogie EI+) —» "molekulový sroť' => žádný molekulární pík ani strukturní info . C2-, C2H-, C4H-, O-, CN-, N02- apod ■ Výjimka: chinony a nitroaromáty (intenzívní M~#) ■ Manfred von Ardenne (Dresden): nízkoenergetické e- pro tvorbu negativních iontů získány elektrickým výboj em v Ar Energetické reakční schéma rezonanční záchyt AB + e- <--------> AB* 0 - 2 eV autoionizace AB" + EA(AB) —> AB + e~ / AB musí mít kladnou E A ! E A > 0, er jde do LUMO Malé molekuly: autoionizace velmi rychlá (<—) Velké molekuly: rozdelení E na mnoho stupňů volnosti => zpomalení autoionizace a udržení stability disociační AB +e<--------> A+B- 2 -15 eV rezonanční záchyt tvorba AB +e<--------> AB* + e > 15 eV iontových párů AB*----> A~ + B+ _ molekulární ionty M* mohou vznikat převážně při nízkých energiích elektronů, ale ! Možný je vznik i při energii pro EI+ (70 e V) a dokonce se lze setkat i s případy vzrůstu intenzity molekulárních píku s rostoucí energií primárních e~: př. nitrobenzen: 3 e V —> 20 e V (I se zvýší 150x) vysvětlení = vznik prostřednictvím sekundárních e" vzniklých při klasické ionizaci při energii blízké ionoizačnímu potenciálu molekuly C6H5N02 + ep--------> C6H5N02+- + epl + es Chvostenko, Rafikov (1975): pravidla o vzniku, stabilitě a mechanismu fragmentace několik pravidel Př. Vzhledem ke konkurenční autoionizaci je preferentní vznik fragmentů z jednoduchých štěpných reakcí před pomalými přesmy ky Na základě těchto pravidel lze vysvětlit řadu exp. poznatků: - sloučeniny, které netvoří stabilní anionty molekuly, tvoří při energii elektronů 70 eV pouze tzv. "molekulový šrot" - při nízké energii elektronů vznikají často místo molekulárních iontů M_# ionty [M-1]-, jako následek kladné E A a štěpení vazeb C-H, resp. O-H, které je energeticky náročné - je-li molekulární ion M~# stabilní, molekulový šrot se netvoří a fragmenatce (pokud nastává) je strukturně specifická Chemická ionizace za vzniku negativních iontů (NICľ) negative ions chemical ionization <—> negatfaxnnTniggtJaiiižation otec metody: opět Manfred von Ardenne PAr -^ 1 ?a (tzn- Jako pomocný plyn) a systematická studia procesů Vychází ze závěrů El" => zvýšení výtěžků nízkoenergetických e~ v důsledku srážek primárních e~ s molekulami Ar ! Zvýšený tlak -» reakce ion - molekula ! Princip: tvorba negat. iontů plynu (R) + interakce s molekulou (M) báze B. kys. Tvorba: viz. reakce u EI~ iontů R zde Eel = 70 - 250 eV . H->NH2->OH->CH20->F->CH2S->CN->CH2COO>Cl-řada dle bazicity => i reaktivity Proces komplikovanější díky možnosti i přímé ionizace termálními es - viz. např. následující /děje: CH4 + ep--------> [CH4f + epl + es => vznik M/z reakčního CH4 + ep > [CH3]+ + H# + epl + es termálními elektrony plyny: speciální: CCl2F2, CHF3, CF4, 02 apod. př. N20 + er -^N2 + O CR 1---------------> OH-+CH3' obecné: CH4, (CH^CH (používanépro CI \ _^ vznik velkého mnOZStVÍ nemající předpoklad > 'i ' i i j ' ' i nv„ *L*f „Ĺ ;™„° \ termálních sekundárních e pro tvorbu nes. iontu) (viz, jiz vy se) Reakce s molekulou (M) přenos protonu M + [OH]"--------> [M-H]" + H20 výměna náboje M + [X]- --------> [M]- + X nukleofilní adice M + [X]- --------> [MX]- nukleofilní substituce AB + [X] --------> BX + [A] Závěr: - spektra jednodušší než u CI+ - použití pro řadu látek o nízkých koncentracích (PCB, PCD F, PCDD atd.) -ažl&x větší citlivost - v hrubých rysech poměrná shoda spekter mezi přístroji l ale pouze pro stejný reakční plyn l (viz. El - tabelovaná spektra) Srovnání hmotnostních spekter získaných z různých metod: 100-, EI+ Má. lrli.J..............j ■ Ji 11 ■ n >■ i ■ ■ 11 ■ i ■ |i ■■ i| ■■ i ij ■■ i M ■■ i i L^ 16! >jl l>l|>>l>jlPI lLM i>Ln i>,.....j li 19T IST ■i"'T""l......■!.....^■■■■W......> I«»,., I?« SanCI+ l.ílft 250 MH+ 100%-, 140 199 226 11» I 231 / M» I 231 1 ,r .„b 241 /...... g SusCI- CI- 154 2>9 Jtr,,,^-,*..,..^.. M 50- no 241 40 SO 10 100 120 »0 IM ltO 24W 220 240 160 2!0 m/t 250 6 - metylprednisol 270 1---------1- 290 312 EC-NICI (electron capture -negative ions CI) r^—i--------,--------,--------f 310 m/z- dexametason 270 i r 310 330 330 350 290 310 330 ~1 350 rn/z Ionizace za atmosférického tlaku (API) ESI (velice podobné uspořádání iontových zdrojů) APCI (elektrosprej) (realizovatelnost díky výkonným vývěvám) (pro kladné i záporné ionty) ■ Princip: ionizace prostřednictvím koronárního výboje APCI nebo ß zářiče ■ Výsledek: vznik aduktů s molekulami mobilní fáze soli - [M+l]+ =>H, [M+23]+ =>Na, [M+39]+ =>K, [M+18]+ =>NH4 apod.) ! voda, metanol, aceton apod. mohou také ionizovat! (na konci kapiláry dochází ale obecně k odpaření rozpouštědla) ■ u CI" vzniká často [M-1 ]" ■ Metoda umožňuje určení molekulové hmotnosti až do 3000 Da Schematické znázornění zdroje pro API: gate grids, sample jj inlet guarding electrodes ^—ŕ pinhole uniform <-------drif t ——> field vacuum 760 torr tO'5 torr Schematické znázornění zdroje pro AP CI: topení 100 kPa (760 torri) APCI iontový zdroj Hrt ' 10*1Pa 150°C a) rozprašovací plyn b) vyrovnávací plyn jehla icoronového výboje + 6000 Y (10*6torr ) +600 V 0 V o. Pozn.: v jiných literárních zdrojích je uváděna teplota 300 - 600 C Schematické znázornění zdroje pro AP CI: - pokračování ■ Quadrupole JMEN ■ mmm Flange f ■ ■ Zdroj pro AP CI pro MS - TRIO 1000. Vliv prostředí na charakter hmotnostního spektra Spektrum vody z měření vodného roztoku technikou MIMS porovnané se spektrem z knihovny spekter NIST: Jfl|*l Sample ID: NAF1402 24(0.125) 100n Acquired on 14-Fel>-2005 at 10:08:57 Reverse fit factoi [REV]: 77 19 4.84e6 15 R:77 100- I ' I I ' I ' I 'I 'I I ' I ' I ' ľ ľ ľ II 1 I NIST 3: WATER MH+ i ii i' i 'i ľ ľ i f ľ i Prostředí ovlivňuje charakter ionizace (IE -> CI) 17 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1E i—\ 1--1---1--1---1--1---1--1---1 m/z 20 21 22 23 24 25 26 27 2S 29 30 Sample ID: Acquired 10:08:57 at 10:08:57 Compound Harne 1 2 3 4 I i 10 11 12 13 14 15 16 17 1E 1Ě HEXAN E DIAL. 2-HYDROXY- 2-CYCL0PENTEN-1-0NE.3-AMIN0-2-METHYL- HYDRAZINE, HEPTYL- METHYL ALCOHOL HYDRAZINE CYCLOHEXANEMETHYLAMINE SILANAMINE. N-SILYL- CARBAMIC ACID, MONOAMMONIUM SALT CYCLOPENTANEDECAOL CARBONIC DIHYDRAZIDE 3-FURANCARBOXYLIC ACID ETHANEDIIMIDIC ACID. DIHYDRAZIDE HYDRAZINECARBOTHIOAMIDE. N-METHYL- NITROSYL CHLORIDE HYDRAZINECARBOXIMIDAMIDE, NITRATE 2-PROPEN-1-OL HYDROXYUREA NITROGEN FLUORIDE OXIDE (NF30) PIPERIDINE, 1-NITROSO- 2Á IJĚĚ Structure Compound Name: WATER Synonym: Molecular Wey it: 18 InJjiJ Vliv prostředí na charakter hmotnostního spektra Spektrum benzenu z měření vodného roztoku technikou MIMS porovnané se spektrem z knihovny spekter NIST: Sample ID: vodny roztok 4.55 e-5 2BEN 66 (1.125] Acquired on 02 Nov 1998 at 10:16:18 Reverse fit factor [REV]: 885 Prostředí ovlivňuje charakter ionizace (IE -> CI) f 738 505152 464748* I M I 74 76 73 i 75 i i n—n—r (JIST 401: BENZENE 354 | 5667 60 6162 | 646566 67 69 73 i 75 I I I I li I i H I Ti \ I I M \\ \\ I I 80 / 83 I 'l \\ I I 1 I I I I I 74 76 73 I 75 I 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l~ 36 38 40 42 44 46 48 60 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 +++ \ I I I I ' 38 90 Compound Name ITES jnjxj Compound Name: BENZENE synonym: Molecular Weight: 78 Vliv množství látky na charakter hmotnostního spektra Analýza 9-bromantracénu metodou DITVMS (1,10,200 a 500 jug) BRANT1 6(0.125;) 100- 176 %■ 33 50 c 74 75 \< 63 [MiŕflififlWŕiilWfH 39 98 129 150^1 17^ / / --, 149. iirt|hir|Wh|Ml|iWI)i \ -153 178 / 179 / 256 258 259 / Množství látky ovlivňuje charakter ionizace (IE —> CI) Scan EI+ 300e5 ililvinji iiijiTii] iiii| iiiij iiiij iiiij iiii| iiii| iiii| iiiijiiii |iiii |iiii |iiii | fi 1111 n^^^^f^^^^f^^p^f^f^f^f^ff^ff^ffnp^ n iijii iijii iijii ii| Scan EI+ ■176 256 1.49e6 B R AN T2 31 (U. 542) 100- %.- 33 50 ™ 75 Lrt4 fiinfinifH'ŕrp^rfi B R AN T3 49 (0.342) 100- 39 98 / / 129 150 451 175 \ \ HF"p'iŕf|Wlŕ|WH|WFptií 149. r153 .....ľPŕHlIi trrfl fflll ■ 173 179 / 208 ................ 254 \ ,253 259 / 3343.36,338 Yllllll %■ 0: 173 256 Scan EI+ 3.35e6 129 50 7475 SS8Q >ľ a li ,r-98 x14e- fiviŕfliifrfU'riiiľfŕfli^rľirŕpiirpfiriľfŕfiiifŕfiiifr/ 176. í 50,151 -153 trttt F? 179 / 203 239 252 \228.^ \ \ hiiii1 iiii| niT| rni1] iin^ iiiTpniipn 253 / 259 / 336 : 302 3J 4537 W / 354.355 'ij ni 1111 iť 111 ľr| 111 r [m i pití 11 itf| i Hľ|i 111 pit BRANT4 62 (1.059) 100- \%- 173 256 II Mill III Mill Mill Mill Mill Mill I 1111 I 1111 I 1111 IIII I 1111 I 1111 I 1111 11111 III Scan EI+ 3.30e6 176- 150 451 50 ft^ 74-7s ss RO 128 \6H ill .ľ ^98 \ 149. fivirflni 'ifllrrpWffHWp'i ŕŕl|^ir|^ii|1^f|iirŕŕpifr/ í 152 179 215 239 252 134203/ \ \ i]Vf Fi^'Mf h i 1111111 n ii] rm] 11 nj 11 \\ftt\ i f li 253 / 259 / 336 : 302 SJ 4 £27 328 / 354.355 nii|iiir|iiir|iiiŕfmifíiYi|iifl|iHľpiii|HYi m/z ■ |i iii|i iii|i iii|i iii|i iii|i iii|i iii|i iii|i iii| iiii| iiii| iiii| iiii| iiii| iiii| iiii| iiii| iiii |iiii |iiii |iiii |iiii |iiii |iiii |iiii |iiii |iiii !■■■ i|iii i|iii i|iii i|iii i|iii i|iii i|iii i|iii i|ii ii|ii ii|ii ii|ii ■■!■■ ii| 60 80 100 120 140 160 130 200 220 240 260 280 300 320 340 360 330 400 420 440 460 480 500 5��999999999999999999999�