Phương pháp phổ khối lượng (MS) trong phân tích cấu trúc hoá lý

Tài liệu phân tích dành cho học viên cao học về "Phương pháp phổ khối lượng (MS) trong phân tích cấu trúc hoá lý"

PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) NGUYÊN TẮC PHƯƠNG PHÁP MS  Đo khối lượng, đo lượng  Phân tử bắn phá nguồn lượng lớn tạo thành ion phân tử hay mảnh ion  Tỉ lệ khối lượng/điện tích (m/z) tất ion ghi nhận cách thay đổi từ trường  Độ giàu tương đối ion tương ứng với m/z thể phổ MS PHỔ KHỐI LƯỢNG  Khối lượng ion phân tử cho biết khối lượng phân tử hợp chất  Khối lượng phân mảnh ion cho biết thông tin cấu trúc hợp chất PHỔ KHỐI LƯỢNG Máy khối phổ có phận chính: Buồng ion hóa: để hóa ion hóa phân tử thành dịng hạt tích điện Từ trường: làm chệch hướng dòng ion tách chúng theo giá trị m/z Detector: phát đếm ion tách, tín hiệu điện thu tỉ lệ với lượng ion ghi nhận MÁY KHỐI PHỔ MÁY KHỐI PHỔ CÁC PHƯƠNG PHÁP ION HĨA MẪU Mẫu ion hóa phương pháp:  Electron impact (EI)  Chemical ionization (CI)  Atmospheric pressure ionization (API)  Atmospheric pressure chemical ionization (APCI)  Electrospray ionization (ESI) KHỐI PHỔ BY ELECTRON IMPACT (EI) Electron bombardement ( 70 eV) Fragmentation Deep vacuum (10-4 N/m2) Unknown molecule with a lone pair of electron Molecular ion, radical cation Charged, detectable Charged, detectable Uncharged, Non detectable Limitations:  Fast fragmentation of unstable molecules  risk of loss of molecular peak  Molecular ions (radical cations) are unstable  decompose before reaching the detector (during 20 s) MASS SPECTROMETRY BY ELECTRON IMPACT (EI) – EXAMPLE MASS SPECTROMETRY BY CHEMICAL IONIZATION (CI) Reagent gas CnH2n+2 [CnH2n+1] Formation of [M+H] or [M-H] cations H2 , more stable than radical MOLECULES CONTAINING n Cl OR Br ATOMS There are n + peaks of molecular ion whose relative intensity given by the equation (a + b)n a, b: relative abundances of two isotopes a b Cl Br 1 MOLECULES CONTAINING CHLORINE OR BROMINE ATOMS (a + b)2 = a2 + 2ab + b2 RBr2 RCl2 (3 + 1)2 = 32 + 2*3*1 + 12 (1 + 1)2 = 12 + 2*1*1 + 12 =1+2+1 =9+6+1 IM : IM+2 : IM+4 = : : 100 Relative abundance IM : IM+2 : IM+4 = : : M 100 M+2 50 M M+4 M+2 50 M+4 m/z m/z MOLECULES CONTAINING n Cl AND m Br ATOMS Relative intensities of molecular ions are given by the equation (a + b)n (c + d)m a, b: relative abundances of 35Cl and 37Cl (3, 1) c, d: relative abundances of 79Br and 81Br (1, 1) n = 1, m = 1: (a + b)(c + d) = ac + (ad + bc) + bd =3+4+1 IM : IM+2 : IM+4 = : : SUMMARY OF MOLECULES CONTAINING n Cl AND m Br ATOMS IM IM+2 IM+4 IM+6 Cl2 ClBr Br2 Cl3 27 27 Cl2Br 15 ClBr2 Br3 3 IDENTIFICATION OF MOLECULAR ION  Molecular ion can be more easily identified by appropriate ionisation techinique  Ralative intensity of isotopic ions can also help to distinguish molecular ion from impurities  The mass parity and the nitrogen rule are also utile in the identification of molecular ion and its fragments THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE A compound, that contains 2n (n  0) nitrogen atoms, has an even mass number A compound, that contains 2n + (n  0) nitrogen atoms, has an odd mass number Ex: Molecule M EtOH 46 H2NNH2 32 Et3N 101 THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – NON-VOLATILE MOLECULES Molecular ion:  analyze by ESI-MS, normally by HPLC/ESI-MS Molecular ion: [M+H]+ (positive mode) or [M-H]- (negative mode)  In positive mode: (M+H)+ M Nitrogen number even odd 2n+1 odd even 2n THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – NON-VOLATILE MOLECULES Fragment ions: (i) [M+H] [F+H] + M’ (not observed) (M+H)+ odd M even [F+H]+ Nitrogen number M’ Nitrogen number odd 2n even 2m THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – NON-VOLATILE MOLECULES Fragment ions: (ii) [M+H] [F+H] + M’ (not observed) (M+H)+ M even odd [F+H]+ Nitrogen number M’ Nitrogen number odd 2n odd 2m+1 THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – NON-VOLATILE MOLECULES Fragment ions: (ii) [M+H] [F+H] + M’ (not observed) (M+H)+ M even odd [F+H]+ Nitrogen number M’ Nitrogen number even 2n+1 even 2m THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – VOLATILE MOLECULES Molecular ion: Analyze by EI-MS, normally by GC/EI-MS Molecular radical ions: M+ M+ even odd Nitrogen number 2n 2n+1 THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – VOLATILE MOLECULES Fragment ions: (1) Fragmentation (2) (1) M+ even F+ Nitrogen number M’ Nitrogen number even 2n even 2m THE MASS PARITY AND THE NITROGEN RULE – VOLATILE MOLECULES Fragment ions: (1) Fragmentation (2) (2) M+ odd F+ Nitrogen number R Nitrogen number odd 2n+1 odd 2m+1 80% ions on EI spectrum have odd mass number FRAGMENTATION Fragmentation kinetic:  depend on the energy transferred to ions  this energy is higher in EI than in ESI  Fast fragmentation in EI  Low fragmentation in ESI  MS/MS EI Fragmentation ESI Fragmentation MS EXAMPLE OF FRAGMENTATION  The fragmentation is often induced by the charge Fragmentation m/z = 132 m/z = 57 m/z = 76 ... với m/z thể phổ MS PHỔ KHỐI LƯỢNG  Khối lượng ion phân tử cho biết khối lượng phân tử hợp chất  Khối lượng phân mảnh ion cho biết thông tin cấu trúc hợp chất PHỔ KHỐI LƯỢNG Máy khối phổ có phận...NGUYÊN TẮC PHƯƠNG PHÁP MS  Đo khối lượng, đo lượng  Phân tử bắn phá nguồn lượng lớn tạo thành ion phân tử hay mảnh ion  Tỉ lệ khối lượng/ điện tích (m/z) tất ion ghi nhận cách... phân tử thành dịng hạt tích điện Từ trường: làm chệch hướng dòng ion tách chúng theo giá trị m/z Detector: phát đếm ion tách, tín hiệu điện thu tỉ lệ với lượng ion ghi nhận MÁY KHỐI PHỔ MÁY KHỐI