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Protein- und KH-Analytik WS: 2012/2013<br />

14. LV<br />

Massenspektrometrie-2<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

1


Massenspektrometrie-2<br />

� 1. Einführung<br />

� 2. Aufbau eines Massenspektrometers<br />

� 2.1 Einlaßsysteme<br />

� 2.2 Ionenquelle<br />

� 2.3 Trennsystem/Auflösung<br />

� 2.4 Detektor<br />

� 2.5 Massenspektrum<br />

� 3. Harte Ionisationsarten<br />

� 4. Weiche Ionisationsarten<br />

� 4.1 Chemische Ionisation<br />

� 4.2 Fast Atom Bombardement<br />

� 5. Spektrometertypen<br />

� 5.1 Magnetfeld-Massenspektrometer<br />

� 5.2 Flugzeit-Massenspektrometer<br />

� 5.3 Quadrupol-Massenspektrometer<br />

� 5.4 Ionenfallen-Massenspektrometer<br />

� 6. Spektrenvergleich zwischen harter und weicher Ionisation<br />

� 7. “Anhang” Fragmentierungen in der MS, Applikationen<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

2


Massenspektrometrie-2<br />

� 1. Einführung<br />

• Analysenmethode zur Bestimmung chemischer<br />

Elemente od. Verbindungen.<br />

• Die Massenspektrometrie ist eine wichtige Methode der<br />

analytischen Chemie bei der Aufklärung der Struktur<br />

und Zusammensetzung von Verbindungen und<br />

Gemischen.<br />

• Bestimmung der Molmassen (Molekulargewichte).<br />

• Detektor für GC und HPLC.<br />

• Ermittlung der Isotopenverhältnisse der Atome in einer<br />

Probe.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

3


1. Einführung<br />

� Analyte werden in An- und Kationen ionisiert,<br />

die danach im gasförmigen Zustand vorliegen.<br />

• Die Ionen werden nach ihrem Masse-zu-<br />

Ladungsverhältnis (m/z) getrennt (“Abzisse”).<br />

• Für einen Analyten wird die Häufigkeit, mit der<br />

geladene Moleküle (Ionen) und deren Massen-<br />

fragmente auftreten, bestimmt. (“Ordinate”).<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

4


1. Einführung<br />

� Atomare Masseneinheit:<br />

Sie wird bei der Angabe von Atom- und Molekülmassen<br />

verwendet.<br />

Einheitenzeichen: u oder amu (atomic mass unit)<br />

Im anglo-amerikanischen Raum wird das Dalton anstatt der<br />

amu benutzt, wobei gilt:<br />

1 amu = 1 Da<br />

u/amu/Da: gleich 1/12 der Masse von einem<br />

Atom 12C und entspricht in etwa der<br />

Masse eines H-Atoms (1,66 · 10-27 kg).<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

5


1. Einführung<br />

� Dalton: (Da) ist eine nach dem englischen Naturforscher<br />

John Dalton benannte, nicht SI-konforme Masseneinheit<br />

(der Biochemie, organ. Chemie in den USA).<br />

Obwohl in Deutschland die atomare Masseneinheit eine<br />

gesetzliche Einheit im Meßwesen ist und das Dalton als<br />

besonderer Name hierfür betrachtet werden kann, ist<br />

das Dalton in Deutschland weder gesetzlich, noch<br />

normgerecht.<br />

Gebräuchlich ist vor allem das 1000-fache des Dalton:<br />

1000 Dalton = 1 Kilodalton = 1 kDa.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

6


1. Einführung<br />

� Der qualitative (Erkennung von unbekannten<br />

Substanzen) und der quantitative Nachweis<br />

sehr kleiner Substanzmengen (10 -15 g =<br />

femtogramm, fg) ist möglich.<br />

• Massenspektrometer dienen der Messung<br />

der Iosotopenzusammensetzung<br />

chemischer Elemente.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

7


Massenspektrometrie-2<br />

� 2. Aufbau eines Massenspektrometers<br />

Steuer- und Auswerteeinheit<br />

Probeneinlaß Ionenquelle Analysator Detektor<br />

Moleküle Moleküle/Ionen Ionen Elektronen<br />

Vakuumsystem Vakuumsystem<br />

Vakuumsystem<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

8


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

Datensystem:<br />

Steuerung der Geräteparameter,<br />

Aufnahme und Auswertung der MS-Spektren<br />

Steuer- und Auswerteeinheit<br />

Probeneinlaß Ionenquelle Analysator Detektor<br />

Moleküle Moleküle/Ionen Ionen Elektronen<br />

Vakuumsystem Vakuumsystem<br />

Vakuumsystem<br />

Vakuumsystem:<br />

mittlere freie Weglänge (Ionen),<br />

Isolation für Hochspannung (Detektor, Quelle)<br />

Drehschieberpumpe: Vorvakuum (< 10 -1 mbar)<br />

Turbopumpen : Hochvakuum (


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

Trennsystem<br />

Magnet<br />

Probeaufgabe<br />

Einlaßsystem<br />

Probemoleküle<br />

Ionenquelle<br />

Ionen<br />

Beschleunigungsplatten<br />

100<br />

%<br />

0<br />

40<br />

Steuersystem-/<br />

Auswerteeinheit<br />

Massenspektrum<br />

60 80 100 140 180<br />

Verstärkung,<br />

Detektion<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

m/z<br />

10


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.1 Einlaßsysteme<br />

• Injektion der Probe, ohne dass das Vakuum<br />

verloren geht!<br />

• 3 Injektionsvarianten.<br />

� Indirekter Einlaß<br />

- Gase ins MS, Probenverdampfung (flüssig, fest) bei<br />

500°C (unzersetzt) im Vorratsgefäß – dann zur IQ.<br />

� Direkter Einlaß<br />

- Für Substanzen, die sich schlecht verdampfen lassen.<br />

- Substanzen werden mit Schubstange in die Ionenquelle<br />

(IQ) eingeschleust.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

11


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

• 3 Injektionsvarianten.<br />

� Trennmethode – MS (Die Chromatographie als<br />

Einlaßsystem für die Massenspektrometrie?).<br />

� GC-MS<br />

� LC-MS<br />

• Ander Methoden<br />

o CE-MS<br />

o ICP-MS.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

12


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.2 Ionenquelle (Ionenerzeugung)<br />

• Erzeugung von Ionen aus neutralen Molekülen oder<br />

Elementen.<br />

• Quelle der Ionisation:<br />

� Elektronen,<br />

� Ionen,<br />

� Moleküle,<br />

� Photonen,<br />

� Thermische Energie,<br />

� Elektrische Energie.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

13


Abstoßungselektrode<br />

2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.2 Ionenquelle (Ionenerzeugung)<br />

Moleküle<br />

Elektronen<br />

Anode<br />

Glühkathode<br />

Ionen<br />

Ionen-Fokussierungselektroden<br />

Beschleunigungselektroden<br />

Ionenstrahl<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

Analysator<br />

14


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.2 Ionenquelle (Ionenerzeugung)<br />

• Ionenquelle und Einlaßsystem bilden oft eine Einheit.<br />

• Am Ausgang der IQ resultieren meist positive Ionen.<br />

• Diese werden zum Anlysator hin beschleunigt.<br />

• Es werden in der MS unterschiedliche<br />

Ionisationsarten verwendet.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

15


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

�2.2 Ionenquelle (Ionisationsarten)<br />

MS-Ionisationsart Ionisationsquelle Reaktionsablauf<br />

• Elektronenstossionisation Elektronen M + e - M + + 2e -<br />

• Chemische Ionisation Reagenzgasionen M + CH 5 + MH + + CH 4<br />

• Fast Atom Bombardement Atome M + X (M + X) +<br />

• Sekundärionenanregung Ionen M + Ar + M + + Ar<br />

• Photoionisation UV-Strahlung M + h·ν M + + e -<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

16


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.3 Trennsystem (Analysator)<br />

• Elektrisches Sektorfeld<br />

• Ionentrennung im Magnetfeld<br />

• Flugzeitanalysator (TOF)<br />

• Quadrupol<br />

• Elektrische Ionenfalle (ion trap)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

17


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.3 Trennsystem (Auflösung)<br />

• Vergleich mit Gitter in der Spektroskopie,<br />

• In der MS wird nicht nach der Wellenlänge bzw der<br />

Energie der Photonen zerlegt, sondern nach dem<br />

Masse-zu-Ladungsverhältnis.<br />

• Ziele:<br />

� Unterscheidung minimaler Massenunterschiede,<br />

� Hoher Durchfluss von Ionen ergibt einen gut<br />

auswertbaren Ionenstrom.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

18


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.3 Trennsystem (Auflösung)<br />

Relative Intensität, %<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Δm<br />

50 %<br />

m m + Δm<br />

10 %<br />

m/z<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

19


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.4 Detektor (“Auffänger”)<br />

• Photomultiplier<br />

• SEV<br />

• Faraday-Auffänger<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

20


2. Aufbau einer Massenspektrometers<br />

� 2.5 Massenspektrum<br />

50<br />

Relative Intensität [%] 100<br />

Fragmentionenpeak<br />

15<br />

Basispeak 31<br />

Fragmentionenpeak<br />

29<br />

M +.<br />

Molekülpeak<br />

32<br />

Isotopenpeak<br />

10 20 30 40<br />

Masse/Ladung [m/z]<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-1/2<br />

21


3. Harte Ionisation<br />

� Elektronenstoßionisation, EI: electron impact<br />

• Gase, verdampfbare Flüssigkeiten Feststoffe können<br />

durch Elektronen-Stoß-Ionisation ionisiert<br />

werden.<br />

• Elektronen mit einer Energie von ca. 5 bis 200 eV<br />

werden verwendet (aus Stabilitätsgründen<br />

verwendet man oft 70 eV).<br />

• M + e - → M + + 2 e -<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

22


3. Harte Ionisation<br />

� Elektronenstoßionisation, EI: electron impact<br />

• Durch den Zusammenstoß der Elektronen mit den<br />

Molekülen wird Energie auf die Moleküle übertragen<br />

und es werden primäre positive Ionen erzeugt.<br />

• Diese primären Ionen sind meistens sehr<br />

instabil und zerfallen ganz oder teilweise zu<br />

kleineren geladenen Massenfragmenten.<br />

• Bei der Ionisation einer Substanz fragmentiert diese<br />

in ein vorhersehbares Ionen-Muster.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

23


4. Weiche Ionisationsarten<br />

� CI,<br />

� FAB,<br />

� ESI,<br />

� MALDI u.a.<br />

• Bildung von Quasimolekülionen.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

24


4. Weiche Ionisationsarten<br />

Bildungsprozesse von Quasimolekülionen<br />

Prozess-Bezeichnung Reaktionsablauf<br />

• Protonierung M + H + [M + H] +<br />

• Deprotonierung M [M – H] - + H +<br />

• Kationisierung M + K + [M + K] + od. Na<br />

• Hybridabstraktion M [M – H] + + H -<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

25


4. Weiche Ionisationsarten<br />

4.1 Chemische Ionisation, CI: chemical ionisation<br />

• Bei der CI wird ein Gas zugeführt, das durch EI<br />

angeregt / ionisiert wird.<br />

• Die aus dem Gas gebildeten Ionen reagieren dann<br />

mit dem Analyten und ionisieren ihn.<br />

• Der Fragmentierungsgrad ist geringer als bei der<br />

Elektronen-Ionisation.<br />

• M + CH 5 + → MH + + CH4<br />

• Reagenzgasionen<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

26


4. Weiche Ionisationsarten<br />

� 4.1 Chemische Ionisation<br />

Primärelektronenstrahl<br />

Reaktionsgas<br />

Kathode<br />

Ionisierung<br />

Ionenstrom<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

Analysator<br />

27


4. Weiche Ionisationsarten<br />

� 4.2 Fast Atom Bombardement<br />

FAB-<br />

Kanone<br />

Target<br />

Probe<br />

Xenonstrahl<br />

Ionenstrom<br />

Analysator<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

28


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

• Grundlage der Probeionentrennung ist ihre<br />

Ablenkung in einem magnetischen Feld,<br />

• Die Ionisierung der Moleküle erfolgt mit Hilfe von<br />

Beschleunigungsplatten auf hohe Geschwindigkeiten.<br />

• Das erfolgt durch Umwandlung der in einem<br />

elektrischen Feld von einigen Kilovolt erzeugten<br />

potentiellen Energie in kinetische Energie.<br />

• Die beschleunigten Ionen gelangen in das Magnetfeld,<br />

in dem sie durch die Lorenzkraft auf eine<br />

Kreisbahn gelenkt werden.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

29


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

Ionisation Beschleunigung Ablenkung im Magnetfeld<br />

Zentrifugalkraft<br />

r<br />

m 1 > m 2 > m 3<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

Lorenzkraft<br />

30


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

Dabei ist die Bewegung, die durch die Zentrifugalkraft F Z<br />

(1) entsteht, der Lorenzkraft F L (2) in einem bestimmten<br />

Maß entgegen gerichtet (siehe vorheriges Bild).<br />

F Z ist proportional der Masse m des Ions und dem Quadrat<br />

seiner Geschwindigkeit v und indirekt dem Radius r der<br />

Flugbahn.<br />

F<br />

Z<br />

m⋅ν<br />

2<br />

=<br />

r<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

31


5. Spektrometertypen<br />

5.1. Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

F L ist direkt proportional der Elementarladung e (e =<br />

1,6 × 10 −19 C) und der Geschwindigkeit des Ions sowie<br />

der angelegten Magnetfeldstärke H.<br />

F = e⋅ν ⋅ H<br />

L<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

32


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

Beide Kräfte gelangen in einen Gleichgewichtszustand,<br />

dessen mathematischer Zusammenhang aus folgender<br />

Gleichung hervorgeht:<br />

m⋅<br />

ν<br />

r<br />

2<br />

ν<br />

= e⋅<br />

⋅<br />

H<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

33


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

Schwere Ionen werden bei konstanten<br />

Magnetfeldbedingungen auf kleinere und<br />

Ionen geringerer Massen auf größere<br />

Kreisbahnen abgelenkt.<br />

Ionen mit identischem Masse-zu-<br />

Ladungsverhältnis befinden sich auf<br />

identischen Flugbahnen und werden am<br />

gleichen Punkt des Detektors registriert.<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

34


5. Spektrometertypen<br />

5.1 Magnetfeld-Sektorfeld-Massenspektrometer<br />

Ionisation Beschleunigung Ablenkung im Magnetfeld<br />

Zentrifugalkraft<br />

r<br />

m 1 > m 2 > m 3<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

Lorenzkraft<br />

35


5. Spektrometertypen<br />

5.2 Flugzeit-Massenspektrometer<br />

Kathode Flugrohr<br />

Ionenquelle<br />

Beschleunigungsgitter<br />

schwere<br />

langsame<br />

Ionen (M2)<br />

leichte<br />

schnelle<br />

Ionen (M1)<br />

Detektor<br />

100<br />

%<br />

Massenspektrum<br />

10 000<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

0<br />

M1<br />

M2<br />

20 000<br />

m/z<br />

36


5. Spektrometertypen<br />

5.3 Quadrupol-Massenspektrometer<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

37


5.4 Ionenfalle<br />

Ringelektrode<br />

Abstandshalter<br />

Austrittslinse<br />

Ionenauslass<br />

eingeschlossene<br />

Ionen<br />

VerschlusselektrodeEinlassfokussierung<br />

Ioneneinlass<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

38


Relative Intensität, %<br />

6. Spektrenvergleich harte/weiche Ionisation<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

40<br />

60<br />

61<br />

73<br />

Mannose<br />

M Mannose<br />

50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200<br />

m/z<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

39


(Relative Intensität, %)<br />

6. Spektrenvergleich harte/weiche Ionisation<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

40<br />

Mannose<br />

162<br />

+<br />

[M+NH 4 ]<br />

180<br />

50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200<br />

198<br />

m/z<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

40


7. Anhang<br />

7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.1 Benzylspaltung<br />

• Homolytische Spaltung einer Bindung.<br />

• Ausbildung eines Tropyl-Kations.<br />

.<br />

+<br />

CH2 R R<br />

CH2 M. Gey: Protein-/KH-Analytik MS-2<br />

Tropylium-Kation<br />

41


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.2 Allylspaltung<br />

• Homolytische Fragmentierung einer Allylbindung.<br />

• Bildung eines stabilisierten Kations.<br />

CH CH CH 2 CH 2<br />

+<br />

.<br />

CH CH CH2 CH CH CH2 CH3 42


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.3 Alkylspaltung<br />

• Spaltungen an Verzweigungspunkten der Kohlenstoffkette<br />

sind favorisiert.<br />

• Die positive Ladung verbleibt bevorzugt am<br />

höchstsubstituierten Kohlenstoffatom.<br />

CH 2 CH 2 C<br />

CH 3<br />

CH 3<br />

.<br />

+<br />

.<br />

CH2 CH2 C<br />

CH 3<br />

CH 3<br />

43


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.4 α-Spaltung<br />

R<br />

• Positive Ladungen können durch benachbarte Heteroatome<br />

stabilisiert werden. Hier wird die Bindung in α-Stellung<br />

zum Heteroatom bevorzugt gespalten. Dabei erfolgt meist<br />

die Eliminierung der schwereren Substituenten.<br />

• Die α-Spaltungen treten oft in Carbonyl-Verbindungen<br />

und Ethern sowie in Nachbarschaft zu Thiol-, Amino- oder<br />

Hydroxylgruppen auf.<br />

O<br />

CH 2 C R´<br />

.<br />

+<br />

R<br />

O<br />

.<br />

CH2 C R´<br />

O<br />

C R´<br />

44


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.5 Decarbonylierung<br />

• Der Fragmentierungsprozess der Decarbonylierung ist<br />

meist eine Folgereaktion nach der α-Spaltung.<br />

O<br />

C R´<br />

CO R´<br />

45


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.6 Onium-Spaltung<br />

• Diese Fragmentierungsprozesse sind Folgereaktionen der<br />

bei der α-Spaltung gebildeten Oxonium- oder auch<br />

Ammonium-Kationen.<br />

• Bei einer Onium-Spaltung wird ein Wasserstoffatom aus<br />

einem an das Heteroatom gebundenen Rest unter<br />

Abspalten dieses Restes auf das Heteroatom übertragen.<br />

H<br />

CH 2<br />

N<br />

C 3H 6<br />

H<br />

CH 2<br />

N<br />

46


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.7 Retro-Diels-Alder-Reaktion<br />

• Diese Spaltung tritt auf, wenn Sechsringe eine<br />

Doppelbindung im Molekül besitzen.<br />

• Die Fragmentierung kann als eine Art Umkehrung der<br />

Diels-Alder-Reaktion aufgefasst werden, jedoch entsteht<br />

hier eine Radikal-Kation.<br />

.<br />

+<br />

.<br />

+<br />

47


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.8 McLafferty-Umlagerung<br />

• Bei dieser Umlagerungsreaktion wird ein Wasserstoffatom<br />

über einen „Sechsring-Übergangszustand“ auf eine<br />

Doppelbindung übertragen.<br />

• Zeitgleich erfolgt die Abspaltung eines Ethenmoleküls.<br />

C 3<br />

C 2<br />

H<br />

C 1<br />

X<br />

.<br />

+ C 3<br />

C 2<br />

H .<br />

X +<br />

C 1<br />

Y<br />

X = O, S, NR, CH2 Y = H, Alkyl, OH, SH, SR, NHR, NH2, NR2 Y<br />

48


� 7.9 Fragmentierung von Propyldiethylamin<br />

α−Spaltung<br />

H 3C<br />

- C 2 H 5<br />

CH 3<br />

M = 115<br />

N<br />

- CH 3<br />

CH 3<br />

CH 3<br />

H2C N + N+<br />

86<br />

CH3 H3C H<br />

Onium-Reaktion<br />

- C 3 H 6<br />

Propyldiethylamin<br />

α−Spaltung<br />

H<br />

CH 2<br />

100<br />

CH 2<br />

CH 3<br />

N+<br />

N<br />

+<br />

58 H2C 72<br />

CH 3<br />

H 2C<br />

H<br />

McLafferty-<br />

Umlagerung<br />

CH 2<br />

N<br />

+<br />

CH 3<br />

- C 2 H 4<br />

CH 3<br />

CH 3<br />

49


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.10 MS von Propyldiethylamin<br />

50<br />

Relative Intensität [%] 100<br />

58<br />

72<br />

86<br />

100<br />

115<br />

M +.<br />

m/z 50 100 150<br />

50


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.11 n-Propylbenzol: Fragmentierung und MS-Spektrum<br />

50<br />

Relative Intensität [%] 100<br />

51<br />

77<br />

65<br />

91<br />

M +.<br />

120<br />

m/z 50 100 150<br />

77<br />

CH 2 CH 2 CH 3<br />

91<br />

51


7. Fragmentierungen in der Massenspektrometrie<br />

� 7.12 n-Hepten: Fragmentierung und MS-Spektrum<br />

50<br />

Relative Intensität [%] 100<br />

41<br />

57<br />

M +.<br />

98<br />

m/z 50 100 150<br />

57<br />

H 3C CH 2<br />

41<br />

52


Protein- und KH-AnalytiK WS: 2012/13<br />

15. LV<br />

Kopplungstechniken-2<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

1


Kopplungstechniken-2<br />

1. Problem der LC-MS-Kopplung<br />

HPLC-Säule<br />

Flußrate :<br />

~1 ml/min<br />

Säuleneluat<br />

E<br />

Probemoleküle<br />

E<br />

E<br />

Interface<br />

E E<br />

E E<br />

E E<br />

E E<br />

E E<br />

Reduzierung der Elutionsmittelvolumens<br />

(Relative Intensität, %)<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Hochvakuum<br />

MS<br />

Massenspektrum<br />

60 61<br />

40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200<br />

m/z<br />

145<br />

163<br />

181<br />

2


1. Interfacing (Conversion process)<br />

State-ofmatter:<br />

LC Conversion Process MS<br />

Liquidphase<br />

Pressure: Atmospheric<br />

Charge<br />

State:<br />

Neutral<br />

(ionic)<br />

Evaporation<br />

Pressure Reduction<br />

Gasphase<br />

High<br />

Vacuum<br />

Ionization Ionic<br />

3


Kopplungstechniken-2<br />

2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.1 Moving-belt interface (MPI)<br />

(Transportband zwischen HPLC-Säule und MS)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

4


Kopplungstechniken-2<br />

HPLC-<br />

Säule<br />

Flußrate :<br />

~1 ml/min<br />

E<br />

Erhitzen der Moleküle<br />

auf dem Band<br />

E E E E<br />

MS<br />

Transportband<br />

Vakuum<br />

Verdampfung<br />

des Elutionsmittels<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

E<br />

5


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.2 Direct Liquid Introduction (DLI)<br />

(Direkteinlass des Säuleneluates in<br />

das MS)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

6


A: Microbore-Säule<br />

1-2 mm I.D.<br />

Fluss : ~ 0, 1 ml/min<br />

Säulen-Eluat und Probemoleküle<br />

Fluss: 0.1-0,01 ml/min<br />

B: Kapillare<br />

50-500 µm I.D.<br />

E Splitter<br />

E<br />

E<br />

Splitter<br />

E<br />

E<br />

E E<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

MS<br />

7


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.3 Particle-Beam Interface (PBI)<br />

(Partikelstrahl-Interface)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

8


LC-<br />

Eluat<br />

Fused-Silica-<br />

Kapillare<br />

Nebulizer<br />

Particle-Beam-Interface<br />

Helium<br />

Partikel<br />

Desolvatationskammer<br />

Momentum-<br />

Separator<br />

Lösungsmitteldampf<br />

Transfer-<br />

Kapillare<br />

Ionenquelle<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

MS<br />

MS<br />

9


LC-MS Particle Beam Interface, PBI<br />

1. HPLC-Säule<br />

hochverdünnte Probemoleküle<br />

in der<br />

mobilen Phase (Eluat)<br />

4. Separation<br />

Dampf MS<br />

Dampf<br />

Vakuum<br />

PM<br />

PM<br />

Trennung der Probe- und<br />

Eluatmoleküle bei erhöhter<br />

T und niedrigem Druck<br />

2. Vernebelung 3. Desolvatisierung<br />

Helium<br />

Aerosolbildung mit Helium<br />

und durch Thermospray<br />

oder Pneumatikspray<br />

Konzentrierung der Probemoleküle<br />

bei erhöhter Temperatur<br />

und Niederdruck<br />

5. Ionisierung 6. MS-Analyse<br />

Ionisierung der Probemoleküle<br />

durch Chemische<br />

Ionisation (CI) oder EI<br />

Heizung Vakuum<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

Desolvatationskammer<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Massenspektrum<br />

10 000<br />

m/z<br />

Trennung und Analyse<br />

der Ionen nach ihrem<br />

m/e-Verhältnis<br />

B<br />

A<br />

M<br />

10


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.4 Thermospray (TSP)<br />

(Zerstäubung in der erhitzten Kapillare)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

11


LC-MS Thermospray, TSP<br />

1. HPLC-Säule<br />

hochverdünnte Probemoleküle<br />

in der<br />

mobilen Phase (Eluat)<br />

4. Vakuum<br />

Desolvatisierung der<br />

Droplets, keine Beeinflussung<br />

der Probemoleküle<br />

2. Verdampfer-<br />

Rohr<br />

Überführung des Eluates<br />

in eine geheizte Kapillare<br />

3. Vernebelung<br />

Bildung von Droplets beim<br />

Enspannen der Flüssigkeit<br />

aus der Kapillare<br />

5. Ionisierung 6. MS-Analyse<br />

Filament Entladungs-Elektrode<br />

Entstehung von Probeionen<br />

durch CI, Discharge-<br />

Elektrode, Filament<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Massenspektrum<br />

10 000<br />

Trennung und Analyse<br />

der Ionen nach ihrem<br />

m/e-Verhältnis<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

�<br />

B<br />

A<br />

M<br />

m/z<br />

12


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.5 Electrospray (ESI)<br />

(Zerstäubung im elektrischen Feld)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

13


LC-MS-IV HPLC - Electrospray - MS-MS<br />

O 2<br />

HPLC<br />

5 KV<br />

760 Torr<br />

Atmosphärendruckionenquelle<br />

Fused<br />

Silica<br />

Kapillare<br />

( ~75 µm )<br />

Stickstoff<br />

geladene<br />

Tröpfchen<br />

Stickstoff<br />

Öffnung (100 µm i.D.)<br />

Vakuum<br />

Quadropol -<br />

MS 1<br />

Stoßkammer<br />

10 - 6 Torr<br />

Quadropol -<br />

MS 2<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

Detektor<br />

14


LC-MS-IV Vorgänge beim Electrospray<br />

1. HPLC-Säule<br />

hochverdünnte Probemoleküle<br />

in der<br />

mobilen Phase (Eluat)<br />

2. Fused-silica<br />

Kapillare<br />

Überführung des Eluates<br />

in eine geheizte Kapillare<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

15


LC-MS-IV Vorgänge beim Electrospray<br />

3. Spannung<br />

~5 kV<br />

Bildung von geladenen<br />

Droplets bei einem Potential<br />

um 5kV i.d. Gasphase<br />

4. Desolvatisierung<br />

Reduzierung der mobilen<br />

Phase innerhalb<br />

geladener Droplets<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

16


LC-MS-IV Vorgänge beim Electrospray<br />

5. "Eruption"<br />

Rückstand<br />

Austreten (Eruption) der<br />

Probeionen aus den<br />

Droplets in der Gasphase<br />

6. MS-Analyse<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Massenspektrum<br />

1 000<br />

m/z<br />

Trennung der Ionen<br />

nach m/z-Verhältnis<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

B<br />

A<br />

M<br />

17


LC-MS Electrospray, ESI<br />

1. HPLC-Säule<br />

hochverdünnte Probemoleküle<br />

in der<br />

mobilen Phase (Eluat)<br />

4. Desolvatisierung<br />

Reduzierung der mobilen<br />

Phase innerhalb<br />

geladener Droplets<br />

2. Fused-silica<br />

Kapillare<br />

Überführung des Eluates<br />

in eine geheizte Kapillare<br />

5. "Eruption"<br />

Rückstand<br />

Austreten (Eruption) der<br />

Probeionen aus den<br />

Droplets in der Gasphase<br />

3. Spannung<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

~5 kV<br />

Bildung von geladenen<br />

Droplets bei einem Potential<br />

um 5kV i.d. Gasphase<br />

6. MS-Analyse<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Massenspektrum<br />

10 000<br />

m/z<br />

Trennung der Ionen<br />

nach m/e-Verhältnis<br />

B<br />

A<br />

M<br />

18


LC-MS-MS: Application, MS-MS-Spectra of sugars<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

19


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.6 Continuous-flow fast atom bombardment<br />

(CF-FAB)<br />

(Bombardierung mit energiereichen<br />

Atomen)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

20


LC-MS Continuous Flow-FAB, CF-FAB<br />

1. Mikro-HPLC<br />

verdünnte Probemoleküle<br />

in der mobilen Phase<br />

(Eluat) aus der µ-LC-Säule<br />

4. Atombeschuß<br />

Target<br />

A<br />

Beschuß der Moleküle auf<br />

dem Target in der Ionenquelle<br />

mittels FAB-Kanone<br />

A<br />

FAB-kanone<br />

2. Glyzerinzufuhr 3. FAB-Target<br />

Zumischen von 10-15 %<br />

Glyzerin zum Eluat in einer<br />

Fused-silica Kapillare<br />

Überführung des "Glyzerineluates"<br />

über eine Fusedsilica<br />

Kapillare zum Target<br />

5. Ionisation 6. MS-Analyse<br />

Target<br />

Ionisation der Moleküle<br />

nach Beschuß mit der<br />

FAB-Kanone<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Massenspektrum<br />

10 000<br />

m/z<br />

Trennung und Analyse<br />

der Ionen nach ihrem<br />

m/e-Verhältnis<br />

B<br />

A<br />

M<br />

Target<br />

21


2. “LC-MS-Interfacing<br />

2.7 Atmospheric-Pressure Chemical Ionisation<br />

(APCI)<br />

(Chemische Ionisierung unter<br />

Normaldruck)<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

22


LC-MS Atmospheric Pressure Chemical Ion., APCI<br />

1. HPLC-Säule<br />

hochverdünnte Probemoleküle<br />

in der<br />

mobilen Phase (Eluat)<br />

4. Gaszufuhr, CI<br />

Gas<br />

Zufuhr von Gas zu der<br />

Mischung aus Eluat- und<br />

Dampf-Droplets, APCI<br />

2. Fused-silica<br />

Kapillare<br />

Überführung des Eluates<br />

in eine geheizte Kapillare<br />

3. Heated-Nebulizer<br />

5. Entladung, API 6. MS-Analyse<br />

Massenspektrum<br />

�<br />

Corona-Nadel<br />

Entladung der Droplets<br />

unter Atmosphärendruck<br />

mittels "Corona-Nadel"<br />

M. Gey: Protein-/KH-Analytik KT-2<br />

Verdampfung des Eluates<br />

in der geheizten Fused-silica<br />

Kapillare (Spray-Technik)<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

10 000<br />

m/z<br />

Trennung und Analyse<br />

der Ionen nach ihrem<br />

m/e-Verhältnis<br />

B<br />

A<br />

M<br />

23


LC-MS - Collision-induced Dissociation, CID<br />

MS spectrum of sulfamethazine without CID<br />

Only little fragmentation<br />

Applikationen, Firma Agilent KT-2<br />

24


LC-MS - without CID<br />

MS spectrum of sulfamethazine with CID<br />

More fragmentation<br />

= more structural<br />

information<br />

Applikationen, Firma Agilent KT-2<br />

25


LC-MS-II - Collision-induced Dissociation, CID<br />

Applikationen, Firma Agilent KT-2<br />

Sulfamethazine<br />

fragmentation<br />

26


3. Applications (Figure 23)<br />

Molecular Weight Determination (green fluorescent protein)<br />

MW = 26.828,84<br />

Applikationen, Firma Agilent KT-2<br />

27


LC-MS-II - Environmental-Applications (Figure 36)<br />

MS spectra of phenylurea herbicides,<br />

Applikationen, Firma Agilent KT-2<br />

28

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