Massespektrometri. Generell oppbygging Et massespektrometer er bygget opp av følgende hoveddeler:

Transkript

1 Massespektrometri I massespektrometri separeres ioner i en masseanalysator (massefilter) på grunnlag av forholdet mellom ionenes masse og ladning. Dette forholdet kalles ionenes massetall. Massetallet skrives som m/z, hvor m er ionets molekylmasse og z er ionets formelle ladning. Vanligvis genereres ioner med ladning 1. Andre ladninger kan imidlertid også forekomme. Siden de fleste ioner likevel har den samme formelle ladningen (z = 1), vil massespektrometri i praksis gi atskillelse av ioner direkte ut fra molekylmassene. Generell oppbygging Et massespektrometer er bygget opp av følgende hoveddeler: Injektor Ionekilde Massefilter Detektor Datamaskin Pumpe Siden vi skal kunne generere, separere og detektere ioner i gassefase, må systemet hele tiden operere ved svært lave trykk (P < 10-5 Pa). Evakuering av systemet skjer ved hjelp av høyeffektive pumpesystemer. Etter at molekylene har blitt introdusert i massespektrometeret, blir de ionisert i en ionekilde. Ionene akselereres deretter ut av ionekilden ved hjelp av et elektrisk potensial og spareres i et massefilter. Etter å ha passert gjennom massefilteret registreres ionene ved hjelp av en detektorenhet. Ionisasjonsprosessen I et massespektrometer blir molekylene først ionisert. Den vanligste måten å ionisere molekyler på er å bombardere dem med elektroner med høy energi, vanligvis 70 ev. Et elektron blir da slått ut av molekylet (M), og vi får dannet et radikalion avgitt to elektroner med lav energi såkalte termiske elektroner: M e M 2e HE LE M. Samtidig får vi Radikalionet som dannes i denne ionisasjonsprosessen kalles molekylionet. I ioniseringsprosessen vil molekylet normalt bli tilført mye mer energi enn det som trengs for å få til en ionisering. Molekylionet vil derfor være ustabilt, og det vil brytes ned til mindre ioner (datterioner), radikaler og nøytrale molekyler. De ulike ionene som dannes ved nedbrytingen kan registreres i en detektor, og dette fragmenteringsmønsteret gir opphav til et massespekter som er karakteristisk for den forbindelsen som undersøkes. Ionisasjonsprosessen vist over kalles for elektronionisasjon EI. Det finnes også andre måter å ionisere stoffer på. Noen av disse teknikkene bygger på bruk av reaktantgasser som tilsettes i ionekilden, såkalt kjemisk ionisasjon CI. 1

2 Elektronionisasjon - EI I elektronionisasjon bombarderes molekylene med en elektronstråle. Elektronstrålen genereres ved at elektroner emitteres fra et oppvarmet filament. Ionene som dannes i elektronstrålen akselereres ut av ionisasjonskammeret ved hjelp av et påsatt akselerasjonspotensial (4-8 kv). Den kinetiske energien, E k, molekylene har når de forlater ionisasjonskammeret, vil være lik den potensielle energien, E p, som ionene opprinnelig hadde i akselerasjonsfeltet: E k = E p Innsatt i uttrykkene for kinetiske energi og for potensiell energi i elektriske felt får vi følgende sammenheng: 1 2 mv zeu 2 = v er ionets fart, m er ionets masse, z er den formelle ladningen, e er elementærladningen (1, C) og U er det påsatte akselerasjonspotensialet (i volt). Siden den potesielle energien er den samme for alle ioner med lik ladning, betyr det også at alle ioner med samme ladning får samme kinetiske energi. Ionenes kinetiske energi er igjen av betydning for hvordan de separeres i mange typer massefilter. Vi løser for farten: v = 2zeU m Fra uttrykker over ser vi at ioner med liten masse får høyere hastighet ut fra ionekilden enn ioner med stor masse. Kjemisk ionisasjon Elektronionisasjon er en metode som gir stor grad av fragmentering av molekylionet. I molekylvektsstudier ønsker vi imidlertid at molekylionet skal være mest mulig er intakt. En mykere ionisasjonsmetode er å bruke kjemisk ionisasjon. Positiv kjemisk ionisasjon PCI I positiv kjemisk ionisasjon benyttes en reaktantgass, vanligvis metan, i ioniseringsprosessen. Denne gassen er til stede i ionekilden i mye høyere konsentrasjon enn analyttene. På samme måte som i elektronionisasjon (ionekilden i PCI er egentlig identisk med ionekilden for EI) utsettes reaktantgassen for et elektronbombardement med påfølgende ionisering av gassen. Den ioniserte reaktantgassen undergår deretter flere reaksjoner som ender med at analytten blir ionisert. Ionisering av reaktantgassen: CH e CH 2e 4 4 Reaktantgassens molekylion vil deretter fragmentere: CH CH H 4 3 2

3 Molekylionet og fragmentionet vil kunne reagere med et nytt metanmolekyl: CH CH CH CH CH CH C H H De dannede spesiene vil kunne reagere med analytten og gi ionisering. Ioniseringen skjer ved protonoverføring, slik at de resulterende molekylionene får økt sin masse med en masseenhet (M1): M CH /C H M H CH /C H Noen unntak fra dette ioniseringsmønsteret finnes. 3 4 Negativ kjemisk ionisasjon - NCI En reaktantgass, enten metan, ammoniakk eller isobutan, bombarderes med høyenergetiske elektroner i ionekilden, slik at elektroner med lav energi slås ut av reaktantgassmolekylene. Disse termiske elektronene kan igjen fanges opp av analyttmolekylene, som nå danner et negativt ladet molekylion: Ioner Reaktantgass e Radikaler 2e - - HE LE Nøytraler M e M - LE _ Reaksjonen krever at analyttmolekylene har en betydelig elektronaffinitet, dvs. evne til å fange opp elektroner Massefilter Flere ulike typer massefiltere benyttes i massespektrometri. Mange av dem bygger på hvordan ionene oppfører seg når de kommer inn i et elektromagnetisk felt. I dette kurset skal vi konsentrere oss om massefiltre som er vanlige i såkalte bench-top instrumenter, dvs. instrumenter som er i utstrakt bruk i kjemiske laboratorier fordi de relativt rimelige, har relativt god oppløsning og er brukervennlige. Dette gjør dem til populære instrumenter med mange bruksområder. Magnetsektorinstrument Magnetsektorinstrumentene faller ikke naturlig inn i kategorien bench-top apparater. Til det er de for plasskrevende, dyre og relativt krevende i drift. De har imidlertid høy ytelse, og historisk sett er de den type instrumenter som mye av utviklingsarbeidet i massespektrometri bygger på. Separasjonsprinsippet i magnetsektorinstrumenter bygger på at alle ioner vil avbøyes i et magnetfelt. Ved å utforme magneten som en sirkelsektor, vil ionene måtte følge en helt bestemt krum bane gjennom magneten for å nå frem til detektoren. For en gitt styrke på magnetfeltet vil kun ioner med et bestemt massetall slippe gjennom magnetsektoren. Ioner 3

4 med feil massetall vil filtreres bort. Ved å scanne magnetfeltet, kan vi justere fortløpende hvilke ioner som får passere gjennom magnetsektoren. Sammenhengen mellom magnetfeltstyrken, ionenes massetall og radius på den krumme banen ionene må følge gjennom magnetsektoren er: 2 2 m B rme = z 2U B er den magnetiske feltstyrken (i Tesla), r m er radius på den sirkelbanen ionene må følge gjennom magnetsektoren for å transmitteres, e er elementærladningen (1, C) og U er akselerasjonspotensialet (V) i ionekilden. Magnetsektor Ionekilde Detektor Figur 1: Prinsippskisse av magnetsektorinstrument. Ionene må følge en krum bane gjennom magnetsektoren for å nå frem til detektoren. Oppløsningsevnen til et massespektrometer Oppløsningsevnen, R S, til et massespektrometer er definert som: R S m = m hvor m er ionets masse og m er den forskjellen i masse som ionene må ha for å kunne separeres. Eksempelvis vil en oppløsningsevne på R S = 1000 bety at et ion med et massetall på 100 vil kunne spareres fra et ion som har en forskjell i masse på m = 0,1 masseenheter. For et enkelt magnetsektorinstrument er oppløsningsevnen av størrelsesorden Båndspredning i et magnetsektorinstrument Alle ioner med lik ladning som forlater ionekilden, skal i utgangspunktet ha lik kinetisk energi. I praksis er dette ikke tilfellet. Vi ser at ionene får en liten spredning i den kinetiske energien når de forlater ionekilden. Spredningen i kinetisk energi medfører at for ioner med identiske masser vil avbøyingen i magnetsektoren kunne bli litt forskjellig. Dette medfører igjen at identiske ioner, som i utgangspunktet skulle ha blitt registrert med identiske massetall, i stedet får en liten spredning i massetallene de registreres ved. Denne energispredningen nedsetter betydelig oppløsningsevnen i et magnetsektorinstrument. 4

5 Løsningen er å montere en elektrostatisk analysator (ESA) i massespektrometeret som filtrerer bort den verste spredningen i kinetisk energi. Et slikt filter er i likhet med magnetsektoren formet som en sirkelsektor, der kun ioner med en bestemt kinetisk energi slipper igjennom. Ioner med for store avvik i den kinetiske energien blir filtrert bort. Instrumenter av denne typen kalles for dobbeltfokuserende, og prinsippet er vist i figur 2. ESA Magnetsektor Spalte Ionekilde Detektor Figur 2: Et dobbeltfokuserende instrument, der den elektrostatiske analysatoren (ESA) filtrerer bort spredningen i kinetisk energi, noe som gir bedre fokusering av ionene i magnetsektoren. Andre massefiltre: Av bench-top instrumenter finnes flere viktige typer: o Kvadrupol-instrumentet er en meget viktig type, der ioner separeres i et elektromagnetisk felt satt opp mellom fire stavformede poler. Stavene har parvis likt påsatte elektriske potensialer. Ioner som får stabile oscillasjoner når de kommer inn i kvadrupolen vil transmitteres til detektoren og registreres. Ioner som får ustabile oscillasjoner vil ikke kunne detekteres. Feltet i kvadrupolen justeres slik at man skanner over det massetallområdet hvor de ulike ionene får stabile oscillasjoner. o I ionefellen settes det opp et elektromagnetisk felt, der ionene inne i ionefellen enten får stabile eller utstabile oscillasjoner - alt avhengig av hvilke massetall ionene har. Ioner med ustabile oscillasjoner vil kastes ut av ionefellen og detekteres. Feltet i ionefellen justeres på en slik måte at det skannes over det området hvor ioner med ulike massetall får utstabile oscillasjoner. o Time of Flight : TOF-instrumentene skiller seg fra de øvrige massespektrometerene ved at separasjonen skjer i et feltfritt rør. I denne instrumenttypen utnyttes det faktum at ioner med ulik masse vil ha ulik hastighet når de forlater ionekilden. Ved å la ionene sveve gjennom et rør, vil de små ionene, som beveger seg raskest, først komme frem til detektoren. De større ionene vil bruke lengre tid. Vandringstiden gjennom røret er derfor en funksjon av ionenes massetall. Ved å måle vadringstidene kan man således få kjennskap til ionenes masse. 5

6 Fragmentering av ioner Molekylionet er et radikalion med odde antall elektroner, dvs. at ett elektron er uparet. Det enslige elektronet vil i stor grad påvirke fragmenteringen av molekylionet. Drivkraften i den påfølgende fragmenteringen er dannelsen av mer stabile ioner med likt antall elektroner (dvs. at alle elektronene er paret). De generelle fragmenteringsveiene er som følger: Molekylionet spalter av et radikal R og gir opphav til et datterion med likt antall elektroner: M m R Datterionet kan fragmentere videre under avspalting av et nøytralt molekyl n: m1 m2 n I noen tilfeller kan fragmenteringen av molekylionet resultere i et nytt radikalion: 1 M m 1 I prosessen over blir det avspaltet et nøytral molekyl, ikke et radikal. Radikalionet som dannes vil fragmentere videre: n m m R 1 2 Even electron rule : Siden drivkraften i fragmenteringen er å få dannet stabile ioner med likt antall elektroner, ser vi omtrent aldri (kun noen få unntak finnes) at ioner med likt antall elektroner fragmenterer på en slik måte at ioner med et odde antall elektroner dannes: m 1 2 m R Homolytisk og heterolytisk kløyving Vi skiller mellom to hovedmåter bindingsbrudd i molekyler/ioner kan skje på. Homolytisk bindingsbrudd: De to elektronene i en kovalent binding vil ved brudd gå til hvert sitt atom. Heterolytisk bindingsbrudd: De to elektronene i en kovalent binding vil ved brudd gå til ett av atomene. X Y X Y Eksempel på homolytisk bindingsbrudd i et radikalion: De to elektronene i bindingen fordeles på hver sitt atom. X Y X Y Eksempel på heterolytisk bindingsbrudd i et radikalion: De to elektronene i bindingen går til det ene atomet. I dette kurset vil det imidlertid bli lagt liten vekt på om bindingsbrudd skjer på homolytisk eller heterolytisk måte. Vi skal i hovedsak konsentrere oss om selve fragmenteringsmønsteret. 6

7 GENERELLE FRAGMENTERINGSMØNSTRE I MS ALKANER Rettkjedede alkaner: Svakt eller manglende molekylionsignal Fragmentering av molekylionet skjer ved kløyving av C-C bindingene på ulike steder i molekylene med tap av alkylradikaler. Datterionene fragmenterer videre med tap av nøytrale molekyler (alkener, metan, H 2 ). Merk! Gjentatte avspaltinger av et CH 2 -biradikal (massetap M-14) skjer ikke. I spekteret observeres økende forekomst av ioner mot lavere massetall. Omfattende isomerisering i datterionene gjør at det ikke er sammenheng mellom datterionenes struktur og strukturen i det opprinnelige molekylet. Forgrenede alkaner Svakt molekylionsignal, mangler helt hvis tertiære karbokationer kan dannes ved fragmentering (sekundære og tertiære datterkarbokationer er mer stabile enn det opprinnelige molekylionet) Kløyving skjer primært ved forgreningspunktene i molekylet. Stevensons regel sier at største alkylradikal fortrinnsvis avspaltes. Forgreningspunktene i karbonkjeden kan derfor lokaliseres ved massespektrometri. ALKENER Molekylionsignalet er generelt kraftigere enn i alkaner. Kløyving skjer ved brudd i bindingen β til dobbeltbindingen med tap av et alkylradikal. Dobbeltbindingen kan migrere før fragmenteringen (med mindre den er låst fast med alkylsubstituenter på karbonkjeden). Vi får McLafferty-omleiring i molekylionet hvis γ-karbonet har et hydrogen. McLaffertyomleiring resulterer i et nytt radikalion med partallig masse og eliminasjon av et alken. McLafferty (vist for 2-hepten): 7

8 KARBONYLFORBINDELSER (aldehyder, ketoner, karboksylsyrer, estere o.l.) Fragmentering involverer kløyving av bindingen i α-posisjon til karbonylgruppen. McLafferty-omleiring vil skje hvis atomet i γ-posisjon til karbonylgruppen har et hydrogenatom bundet til seg. Avspalting av karbonmonoksid observeres. Generelt fragmenteringsmønster for kabonylforbindelser: O C X - R.. O - X. R C O - CO R C R X = H, CH 3, R, OH, OR AROMATISKE FORBINDELSER X Usubstituerte aromater gir tap av hydrogenradikal og etyn (C 2 H 2 ) som viktigste fragmenteringsvei. I substituerte aromater skjer kløyving primært i substituenten. Aromatringen kan deretter fragmentere videre med tap av etyn. I alkylbenzener vil fragmenteringen av molekylionet føre til ringutvidelse og dannelse av tropyliumionet (C 7 H 7, m/z = 91). Dette ionet er stabilt og vil utgjøre basistoppen. Forekomst av en basistopp med m/z = 91 er derfor en god indikasjon på en alkylsubstituert aromatisk forbindelse. Tropyliumionet spalter videre av etyn og gir et karakteristisk ion med m/z = 65: CH 2 R. - R. - C 2 H 2 - C 2 H 2 C 3 H I alkylsubstituerte benzener vil McLafferty-omleiring finne sted hvis karbonatomet i γ- posisjon til en aromatisk dobbeltbinding har et hydrogenatom. McLafferty-omleiringen gir et radikalion med partallig masse under avspalting av et alken. 39 H CH 3. H. - C 3 H 6 H CH McLafferty-omleiring i butylbenzen. 8

9 ALKOHOLER OG ETERE 1. Fragmentering skjer generelt ved kløyving av binding i α-posisjon til C-O bindingen, fortrinnsvis med tap av største alkylsubstituent (som radikal). Fragmentering av etanol: CH 3 CH 2. - CH. 3 OH H 2 C OH 2. Hvis gjenværende alkylsubstituenter er større enn metyl (enten på α-karbonet eller på heteroatomet), så vil hele gruppen minus et hydrogenatom spaltes av (som nøytral). 3. I primære alkoholer gir molekylionet tap av vann (M 18). For primære alkoholer med mer enn fire karbonatomer er vanntapet ofte ledsaget av samtidig avspalting av alken - oftest eten (M-18-28). Dette gir opphav til et nytt radikalion med masse M I etere er C-O kløyving i molekylionet observert. Kløyvingen gir dannelse av et ROradikal og et karbokation. AMINER Nitrogenatomet har en sterkt dirigerende effekt, brudd i bindingen i α-posisjon til C-N bindingen er den dominerende reaksjon (avspalting av alkylradikal). Datterionet utgjør gjerne basistoppen. Et odde antall nitrogenatomer i molekylet gir molekylion med et odde massetall. Videre fragmentering skjer ved avspalting av nøytraler (alkener) fra datterionene Eksempel på fragmentering av amin: Kløyving av trietylamin. N CH 3. CH 2 CH 3 CH 2 - C 2 H H 4 N CH N 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH C 2 H 4 H 2 N CH