Phương pháp khối phổ (tiếng Anh: Mass spectrometry MS) là một kĩ thuật dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng trên điện tích của ion; dùng thiết bị chuyên dụng là khối phổ kế. Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, bao gồm: Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp chất Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách riêng của nó Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phương pháp khác (phương pháp phổ khối vốn không phải là định lượng) Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học về ion và chất trung tính trong chân không) Xác định các thuộc tính vật lí, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất với nhiều hướng tiếp cận khác nhau. Một khối phổ kế là một thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho ra phổ khối lượng của một mẫu để tìm ra thành phần của nó. Có thể ion hóa mẫu và tách các ion của nó với các khối lượng khác nhau và lưu lại thông tin dựa vào việc đo đạc cường độ dòng ion. Một khối phổ kế thông thường gồm 3 phần: phần nguồn ion, phần phân tích khối lượng, và phần đo đạc.
PRINCIPLES OF MASS SPECTROMETRY HCMC 2013 (C) HKD 2013 BACKGROUND Mass spectrometry (Mass Spec or MS) uses high energy electrons to break a molecule into fragments. Separation and analysis of the fragments provides information about: Molecular weight Structure (C) HKD 2013 BACKGROUND The impact of a stream of high energy electrons causes the molecule to lose an electron forming a radical cation. A species with a positive charge and one unpaired electron + e - C H H H H H H H H C + 2 e - Molecular ion (M + ) m/z = 16 (C) HKD 2013 BACKGROUND The impact of the stream of high energy electrons can also break the molecule or the radical cation into fragments. (not detected by MS) m/z = 29 molecular ion (M + ) m/z = 30 + C H H H + H H HC H H C H H HC H H C H H HC H H + e - HC H H C H H H (C) HKD 2013 BACKGROUND Molecular ion (parent ion): The radical cation corresponding to the mass of the original molecule The molecular ion is usually the highest mass in the spectrum Some exceptions w/specific isotopes Some molecular ion peaks are absent. H H H H C HC H H C H H H (C) HKD 2013 BACKGROUND Mass spectrum of ethanol (MW = 46) M + base peak (C) HKD 2013 BACKGROUND C 3 H 6 OandC 3 H 8 O have nominal masses of 58 and 60, and can be distinguished by low-resolution MS. C 3 H 8 OandC 2 H 4 O 2 both have nominal masses of 60. Distinguish between them by high-resolution MS. C 2 H 4 O 2 C 3 H 8 O 60.02112 60.05754 60 60 Molecular Formula Nominal Mass Precise Mass ) High resolution MS can replace elemental analysis for chemical formula confirmation. MASS RESOLUTION (C) HKD 2013 BACKGROUND Basic components of mass spectrometer Ionization Source Mass Analzyer Detector Inlet all ions selected ions Data System Vacuum pumps system (C) HKD 2013 BACKGROUND Electron impact (EI): vapor of sample is bombarded with electrons: M + e ĺ 2e + M .+ ĺ fragments Chemical ionization (CI): sample M collides with reagent ions present in excess e.g. CH 4 +eĺ CH 4 .+ ĺ CH 5 + M+CH 5 + ĺ CH 4 +MH + Fast Atom/Ion Bombardment (FAB): Softer than EI. Ions are produced by bombardment with heavy atoms. Gives (M+H)+ ions and litle fragmentation. Good for more polar compounds. Laser Desorption & Matrix-Assisted Laser Desorption ( MALDI): hit the sample with a laser beam. Electrospray Ionization (ESI): a stream of solution passes through a strong electric field (10 6 V/m). WAYS TO PRODUCE IONS (C) HKD 2013 BACKGROUND EI ESI (C) HKD 2013 BACKGROUND MALDI FAB (C) HKD 2013 BACKGROUND ICP (C) HKD 2013 BACKGROUND IONIZATION METHODS 1. Electron Ionization ( EI): most common ionization technique, limited to relatively low MW compounds (<600 amu). 2. Chemical Ionization (CI): ionization with very little fragmentation, still for low MW compounds (<800 amu). 3. Desorption Ionization (DI): forhigherMWor very labile compounds. 4. Spray ionization (SI) for LC-MS, biomolecules, etc. (C) HKD 2013 BACKGROUND Electron ionization vaporized sample is bombarded with high energy electrons (typically 70 eV). “hard” ionization method leads to significant fragmentation. ionization is efficient but non-selective. M Neutral molecule Molecular ion M + e - E << 70 eV + + + + + Fragment ions fragmentation M + e - M + . + 2e - M + . ABCD + + N ABCD + ABC + + C ABC + BC + + A e - E = 70 eV (C) HKD 2013 BACKGROUND Electron ionization Advantages • inexpensive, versatile and reproducible. • fragmentation gives structural information. • large databases if EI spectra exist and are searchable. Disadvantages • fragmentation at expense of molecular ion. • sample must be relatively volatile. (C) HKD 2013 BACKGROUND Chemical ionization (CI) Vaporizedsamplereactswithpre-ionized reagent gas via proton transfer, charge exchange, electron capture, adduct formation, etc. Common CI reagents: methane, ammonia, isobutane, hydrogen, methanol. “soft” ionization gives little fragmentation. Selective ionization-only exothermic or thermoneutral ion-molecule reactions will occur. choice of reagent allows tuning of ionization. (C) HKD 2013 BACKGROUND Positive Chemical ionization (CI) Uses reagent gas (methane, isobutane or ammonia) Soft ionization method Æ only little fragmentations Produces positive ions Detects pseudo molecular ions Æ molecular weight information can be obtained Lower ion source temperature will produce more pseudo molecular ions. Be careful that lower ion source temperature can cause more contamination. M MH + C 2 H 4 Analytes Protonation Reaction CH 4 C 2 H 5 + e - High energy electrons Reagent gas CH 4 CH 4 + CH 5 + CH 3 + CH 2 + CH 4 CH 4 C 2 H 3 + Primary reagent ions Secondary reagent ions C 2 H 5 + CH 4 + (C) HKD 2013 BACKGROUND Negative Chemical ionization (CI) Uses reagent gas (methane, isobutane or ammonia) Soft ionization method Æ only little fragmentations Produces negative ions Higher reagent gas pressure will produce more low energy electrons, and in turn, more molecular ions. Lowering the ion source temperature can produce more resonance capture reaction and increase molecular ions. CH 4 CH 4 + CH 3 + H CH 4 Reagent gas Low energy electrons CH 4 CH 4 MX M + Associative resonance capture MX MX e - e - High energy electrons (from the filament) X - MX - Dissociative resonance capture Analytes (C) HKD 2013 BACKGROUND MASS ANALYSER – MAGNETIC SECTOR m/z = B 2 r 2 /2V (C) HKD 2013 BACKGROUND 9 Classical mass spectra. 9 Very high reproducibility. 9 Best quantitative performance of all MS analyzers. 9 High resolution. 9 High sensitivity. 9 10,000 Mass Range. 9 Requires Skilled Operator 9 Usually larger and higher cost than other mass analyzers. 9 Difficult to interface to ESI. 9 Low resolution MS/MS without multiple analyzers. MASS ANALYSER – MAGNETIC SECTOR (C) HKD 2013