ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΜΑΖΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑ Γιανίτσας Δημήτριος Α.Μ.:1559 1. Εισαγωγή- Αρχές λειτουργίας οργάνου Η φασματομετρία μάζας (mass spectometry) είναι μία ομάδα τεχνικών για τον ποιοτικό (ταυτοποίηση και προσδιορισμός δομής) και ποσοτικό προσδιορισμό χημικών ενώσεων σε διάφορα υποστρώματα. Βασίζεται στον ιονισμό των μορίων και την παραγωγή μοριακών και/ή θυγατρικών ιόντων, τον διαχωρισμό των μαζών των ιόντων (συνήθως κατιόντων) σύμφωνα με τον λόγο μάζας m προς το φορτίο τους z (mass to charge ratio, m/z) με την βοήθεια κατάλληλης διάταξης (μαγνητικού τομέα, τετραπόλου, χρόνου πτήσης κτλ), και τέλος την καταγραφή της σχετικής έντασης του ιονικού ρεύματος και την εύρεση της αντιστοιχίας των μαζών των λαμβανόμενων ιόντων με την δομή της πρόδρομης ένωσης, Η αντιστοιχία αυτή προϋποθέτει την γνώση των διαδικασιών ιοντισμού και επιπλέον του μηχανισμού της πιθανής θραυσματοποίησης των ιόντων. Το φάσμα μάζας που λαμβάνεται από ένα όργανο φασματογράφου μάζας είναι η γραφική απεικόνιση της έντασης (αφθονίας) των ιόντων συναρτήσει του λόγου τους m/z (Εικόνα 1 βλ. παράρτημα)
2. Τυπικά τμήματα που συνθέτουν έναν φασματογράφο μάζας Ο φασματογράφος μάζας αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά τμήματα: α) σύστημα εισαγωγής δείγματος β) πηγή ιοντισμού γ) αναλυτής μαζών δ)ανιχνευτής ιόντων ε) σύστημα καταγραφής δεδομένων (συνήθως Υ/Η και υπολογιστικά, λειτουργικά προγράμματα) (Εικόνα 2). Το σύστημα εισαγωγής δείγματος χρησιμοποιείται για την εισαγωγή μικρών ποσοτήτων του δείγματος στην αέρια ή υγρή φάση συνήθως. Η πηγή ιοντισμού είναι ο χώρος στον οποίο ένα μέρος του δείγματος (στην αέρια, υγρή ή στερεή φάση ανάλογα με την τεχνική) ιονίζεται και τα παραγόμενα ιόντα οδηγούνται στον αναλυτή μαζών. Ο σκοπός του αναλυτή μαζών είναι ο διαχωρισμός των ιόντων σύμφωνα με την μάζα και το φορτίο τους (δηλ. το λόγο m/z). Η μάζα εκφράζεται σε μονάδες ατομικής μάζας (Atomic mass unit, amu) ή αλλιώς Dalton (Da) που ορίζονται ως ο λόγος της μάζας του ατόμου σε σχέση με την μάζα 1/12 της μάζας του ισοτόπου 12C που θεωρείται 12 amu (1 amu= 1 Da= 1,66054x10-27 kg/άτομο 12C). Η ακριβής μάζα (exact mass) προσδιορίζεται συσχετίζοντας την μάζα του ιόντος με την μάζα του 12C. Ο λόγος (m/z) λαμβάνεται με διαίρεση της μοριακής μάζας ενός ιόντος με τον αριθμό (z) των φορτίων που φέρει. Εν συνεχεία τα ιόντα συλλαμβάνονται στον ανιχνευτή ο οποίος ενισχύει το λαμβανόμενο σήμα που οδηγείται στο κεντρικό σύστημα ελέγχου και καταγραφής δεδομένων.
1
3. Τρόποι ανίχνευσης ιόντων και ταυτοποίησης συστατικών δείγματος Οι τρόποι ανίχνευσης ιόντων στηρίζονται στο γεγονός της δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων κατά την πρόσπτωση ηλεκτρονίων ή ιόντων σε επιφάνεια, κατάλληλα επιστρωμένη με ειδικά υλικά ή πολωμένη σε πολύ υψηλό δυναμικό (kV). Συνήθως χρησιμοποιείται το ''φαινόμενο χιονοστιβάδας'' (avalanche effect), κατά το οποίο η αρχική εκπομπή ηλεκτρονίων δίνει αφορμή σε επιπλέον εκπομπή από πολλαπλές προσπτώσεις των δευτερογενώς παραγόμενων ηλεκτρονίων δίνει αφορμή σε επιπλέον εκπομπή από πολλαπλές προσπτώσεις των δευτερογενώς παραγόμενων ηλεκτρονίων και την τελική ενίσχυση του ασθενέστατου ρεύματος των αρχικών ιόντων σε μετρήσιμο ρεύμα ηλεκτρονίων. Οι συνηθέστερες τεχνικές ανίχνευσης ιόντων είναι: α) Κύπελλο Faraday. (Εικόνα 3), β) Ηλεκτρονοπολλαπλασιαστής διακριτών δυνόδων και συνεχούς δυνόδου (Channeltron) (Εικόνα 4), γ) Ανιχνευτής Daly (Εικόνα 5), δ) Πλάκα μικροδιόδων Για να πραγματοποιηθεί η ταυτοποίηση συστατικών ενός δείγματος πρέπει να συγκρίνουμε το φάσμα μάζας με την χρήση βιβλιοθηκών φασμάτων μάζας (π.χ. NIST) με πρότυπα φάσματα από χιλιάδες ενώσεις και ρύπους (Εικόνα 7). Συγκρίνεται το φάσμα της ένωσης που αντιστοιχεί σε μια χρωματογραφική κορυφή με τα φάσματα της βιβλιοθήκης μαζών μέσω του λειτουργικού προγράμματος του υπολογιστή και παρέχεται το αποτέλεσμα της ταύτιτσης εκφρασμένο σαν % ταύτιση ή ομοιότητα (similarity match) και δίνεται μια λίστα ενώσεων με την μεγαλύτερη % ομοιότητα. Συνήθως ποσοστά ομοιότητας άνω του 70% δίνουν ισχυρή ένδειξη για την ταυτοποίηση μια ένωσης ανάλογα βέβαια και με το υπόστρωμα ή την παρουσία συγκεκριμένων ιόντων. 4. Σφάλματα μεθόδου Η λήψη μέσου όρου φασμάτων (spectral averaging) και η αφαίρεση των ιόντων του υποστρώματος (background subtraction) είναι τεχνικές που παρέχονται από τα λειτουργικά προγράμματα των οργάνων και πραγματοποιούνται από τον υπολογιστή που ελέγχει την λειτουργία του οργάνου και βοηθούν αρκετά στην απομάκρυνση ιόντων που παρεμποδίζουν την ανάλυση και μπορεί να οδηγήσουν σε λάθος ερμηνεία του φάσματος μάζας (πχ. ιόντα που αντιστοιχούν σε ακαθαρσίες των αερίων που χρησιμοποιούνται ή σε ακαθαρσίες που εισάγονται στο δείγμα κατά την προκατεργασία και την εκχύλιση όπως φθαλικοί εστέρες και άλλοι πλαστικοποιητές).
5. Βιβλιογραφία Δεληγιαννάκης, Ι., Χελά, Δ., & Κωνσταντίνου, Ι. (2010). Ενόργανη Περιβαλλοντική Ανάλυση. Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ. Παπαγιαννακόπουλος, Π., & Λαζάρου, Γ. Φασματοσκοπία Μάζας. Κρήτη. 2
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ
Εικόν α 1: Φάσμα μαζών οργανικής ένωσης (Δεληγιαννάκης, Χελά, & Κωνσταντίνου, 2010)
Εικόν α 2: Βασικά τμήματα της οργανολογίας φασματομετρία μάζας http://www.intechopen.com/books/calcific-aortic-valve-disease/proteomics-andmetabolomics-in-aortic-stenosis-studying-healthy-valves-for-a-betterunderstanding-of
3
Εικόνα 3: Διάταξη ανιχνευτή κυπέλλου Faraday http://www.chm.bris.ac.uk/ms/detectors.xhtml
Εικόνα 4:(α) Ανιχνευτής ηλεκτρονιοπολλαπλασιαστή διακριτών δυνόδων (β) Ανιχνευτής ηλεκτρονιοπολλαπλασιαστή συνεχούς δυνόδου. http://www.chm.bris.ac.uk/ms/detectors.xhtml
4
Εικόνα 5: Σχηματική αναπαράσταση ανιχνευτή Daly. https://en.wikipedia.org/wiki/Daly_detector
Εικόνα 6: Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT). https://en.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier 5
Εικόνα 7: Σύγκριση φάσματος μάζας με φάσματα μάζας της βιβλιοθήκης NIST (85% ομοιότητα) και ταυτοποίηση του μεταβολίτη endosulfan sulfate (Δεληγιαννάκης, Χελά, & Κωνσταντίνου, 2010)
6