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, không phải đo năng lượng

 Phân tử được bắn phá bằng nguồn năng lượng lớn tạo thành
ion phân tử hay mảnh ion
 Tỉ lệ khối lượng/điện tích (m/z) của tất cả các ion được ghi
nhận bằng cách thay đổi từ trường

 Độ giàu tương đối của mỗi ion tương ứng với mỗi m/z được
thể hiện trong phổ MS


PHỔ KHỐI LƯỢNG

 Khối lượng của ion phân tử cho biết khối lượng phân tử của
hợp chất
 Khối lượng của các phân mảnh ion cho biết thông tin về cấu
trúc của hợp chất


PHỔ KHỐI LƯỢNG
Máy khối phổ có 3 bộ phận chính:
1. Buồng ion hóa: để hóa hơi và ion hóa các phân tử thành dịng
các hạt tích điện
2. Từ trường: làm chệch hướng dòng ion và tách chúng theo giá
trị m/z
3. Detector: phát hiện và đếm các ion đã tách, tín hiệu điện thu
được tỉ lệ với lượng ion ghi nhận

MÁY KHỐI PHỔ


MÁY KHỐI PHỔ


CÁC PHƯƠNG PHÁP ION HĨA MẪU
Mẫu có thể được ion hóa bằng các 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


MASS SPECTROMETRY BY
CHEMICAL IONIZATION (CI) – EXAMPLE

(i) EI

(ii) CI

Mass spectrum of proline (i) by electron impact (ii) by chemical ionization


MASS SPECTROMETRY BY
CHEMICAL IONIZATION (CI)
 Useful technique when no molecular ion is observed by EI
 Confirmation of the presence of molecular ion when the signal
by EI is too weak

 Common reagent gases are methane, ammonia and isobutane
 There are 2 modes of chemical ionization
 Positive ion chemical ionization (PICI)
 Negative ion chemical ionization (NICI)

POSITIVE ION CHEMICAL IONIZATION (PICI)

[GH]

+

M

[MH]

+

G

Methane:

Relevant molecular peaks observed are MH+, [M+CH5]+ and
[M+C2H5]+, mainly MH+


POSITIVE ION CHEMICAL IONIZATION (PICI)
Ammonia:

Relevant molecular peaks observed are MH+, [M+NH4]+
Isobutane:

Relevant molecular peaks observed are MH+

POSITIVE ION CHEMICAL IONIZATION (PICI) –
CHOICE OF REAGENT GAS
[GH]

+

M

[MH]

+

G

 These proton transfer reactions are true protonation reactions
by Bronsted acid in the gas phase
 Factors determine the choice of the gas to be used
 Proton affinity (PA): PAM > PAG
 Energy transfer, e.g. NH4+ has low energy transfer than CH5+
 Reactivity of reagent gas toward the sample
 Choice of reagent gas affect the extend of fragmentation of the
quasi-molecular ion


POSITIVE ION CHEMICAL IONIZATION (PICI) –
EXAMPLES

Comparison of (a) 70 eV EI spectrum and (b) methane reagent gas CI spectrum of the
amino acid methionine

POSITIVE ION CHEMICAL IONIZATION (PICI) –
EXAMPLES

Isobutane CI mass spectrum of gastric content in an overdose case

Milne et al. Anal. Chem. 1970, 42, 1815


NEGATIVE ION CHEMICAL IONIZATION (NICI)
M +

e

M

0-2 eV

M +

e

[M-A]

+

A

0-15 eV

 Electrons are thermalized in a high pressure source by a
reagent gas, e.g. methane
 Compounds with electrophilic moieties (halogen, nitro group)
capture the thermal electrons producing abundant negative ions,
typically the molecular anion
 NICI is highly selective & sensitive (like ECD)
 Molecular ions observed are usually M  or [MH]


NEGATIVE ION CHEMICAL IONIZATION (NICI) –
EXAMPLE

EC spectrum of benzo[a]pyrene, isobutane buffer gas, ion source 200C


ADVANTAGES OF CHEMICAL IONIZATION
Positive ion chemical ionization:
 Molecular weight can be obtained and confirmed
 Increased sensitivity & selectivity for many compounds
 Selectivity can be affected by choosing appropriate reagent gas

 CI spectra are complemetary to EI spectra
Negative ion chemical ionization:
 Highly sensitive & selective ionization technique (NICI > PICI >
EI), ideal for analysis of analytes in complex matrices
 Molecular weight can be obtained and comfirmed
 Also complementary to PICI & EI spectra

ATMOSPHERIC PRESSURE IONIZATION (API)
 Mostly used in HPLC/MS
 There are two API techniques
 Atmospheric pressure chemical ionization (APCI)
 Electrospray ionization (ESI)

MS/MS API-365


ATMOSPHERIC PRESSURE CHEMICAL
IONIZATION (APCI)
Mechanism for positive ion formation:
 Primary ion formation

 Secondary ion formation

 Analyte ion formation

H3O

+

M

[M+H]

+ H2O


APCI PROCESS IN THE POSITIVE ION

POLARITY MODE


ESI PROCESS IN THE POSITIVE ION
POLARITY MODE


CHOICE OF APCI OR ESI
 Both APCI & ESI can be used for analysis of medium to quite
high polar compounds and may give different sensitivity
APCI

ESI

Analyte has low molecular mass

Analyte has high molecular mass
(commonly biological molecules)

Analyte has medium polarity

Analyte has high polarity
Analyte has low thermal stability
Softer ionization
fragmentation)

technique

(less