1

maghéj jelölése:

nℓj

A j kvantumszámú héjon 2j+1 nukleon fér el. (Az egy héjon lévő nukleonok mj kvatumszámukban különböznek, mj –j-től + j-ig 2j+1 értéket vehet fel).A protonoknak és a neutronoknak külön maghéj-rendszerük van, az azonos jelölésű energiaszintjeik nem esnek egybe.

A maghéjmodell összefoglalása

2

Alapállapotú magok magspinkvantumszámai a maghéjmodel alapján

Z N részben betöltöttmaghéj

I

1H 1 0 1s1/21/2

11B 5 6 1p3/23/2

13C 6 7 1p1/21/2

15N 7 8 1p1/21/2

17O 8 9 1d5/25/2

19F 9 10 1d5/25/2 helyett 1/2

23Na 11 12 1d5/25/2 helyett 3/2

29Si 14 15 2s1/21/2

31P 15 16 2s1/21/2

I jelentősége az NMR spektroszkópiában:

A kvadrupólussal rendelkező magok NMR-jele szélesebb.

Az I = ½ magoknak nincs kvadrupólusa, az I = 1,2.. és az I = 3/2, 5/2… magoknak van.

Maghéjmodel az interneten: http://www.eng.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/ntsm.html#SECTION086126000000000000000

3

13C-1H spin-spin csatolás13C NMR spektrumban

glükóz C1 szénatomjának jele

2J(CH): 160 Hz

3J(CH) 5,7 Hz

J. Cyr, Can. J. Chem. 56, 297 (1978)

4

14.1. A tömegspektrometria alapjai

14.2. A tömegspektrometria műszerei

14.3. A tömegspektrometria alkalmazása

14. TÖMEGSPEKTROMETRIA

5

14.1. A tömegspektrometria alapjai

• Izolált, ionizált részecskék tömeg-töltés arányuk szerinti elválasztása

• Angolul: Mass Spectrometry (MS)

6

A tömegspektrométer fő részei

7

ionizátoriongyorsító

tömeg-analizátor

detektor

mintabevitel

jelfeldolgozás

vákuum

Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

8

Egyszeres fókuszálású készülék:

Az anyagot ionizálják,

az ionokat először elektromos térben gyorsítják,

majd mágneses térben elválasztják.

A részecske tömege m,

elektromos töltése e.

U feszültséggel gyorsítjuk.

9

eUmv2

1 2

m

2eUv2

A kinetikus energia:

10

Homogén mágneses térbe kerül.

(A mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára)

Lorentz erő:

BveF

e: az ion töltése (az elemi töltés egyszerese, kétszerese, stb.)v: az ion sebességeB: a mágneses indukció

11

B: merőleges a papír síkjára

A mozgás irányára merőleges erő körmozgásra készteti az ionokat (centripetális erő).

Jobb-kéz szabály: hüvelykujj az áram irányába a többi kinyújtott ujj a mágneses tér irányába.Tenyerünk így az erő irányába mutat.

12

mv

rB e v

2

m

Berv

m

2eUv2 v

B e r

m

22 2 2

2

m

e

B r

U

2 2

213

Töltött részecskék szétválása mágneses térben

14

Az ionizáció módszerei

15

Gőzfázisú módszerekelektron ütközéses ionozációkémiai ionizáció

Deszorpciós módszerekszekunder ion tömegspektrometriabombázás gyors atomokkal MALDI

Elektroporlasztásos ionizáció

Az ionizáció módszerei

a) Elektronütközéses ionizáció

2eMeM (pozitív gyökion)

MeM (negatív gyökion)

A pozitív gyökionok stabilabbak.

A tömegspektrometria csaknem kizárólag pozitív ionok szétválasztásával foglalkozik.

16

e-

M+

anód

Izzószál (termikus elektronemisszió)

minta (gőz)

ion gyorsító rések

1.rés: taszító (+)

2. rés: vonzó (-)

3. rés vonzó (-----)

Elektronütközéses ionizáció (electron impact, EI)

ütköző e- en. 70keV

17

Fragmentáció

Az ionok tovább bomlanak párhuzamos és konszekutív reakciókban

...BAM

18

b) Kémiai ionizáció (CI): ez is EI, de a mintához nagy feleslegben (~ 0,5 Torr) reagens gázt (CH4, NH3, izobután) adnak

Elsősorban a reagens gázok ionizálódnak,ezek ütköznek a vizsgálandó molekulákkal.

Főleg MH+ ionok (molekulacsúcs) keletkeznek: a molekulacsúcs azonosítására szolgál.

19

20

Citronellol kémiai ionizációs tömegspektruma

Reagensgáz: i-C4H10

EI, fragmentáció: i-C4H10 → i-C4H9+

CI: M + i-C4H9+ → MH+ + i-C4H8 (proton átadás)

http://www.chem.unl.edu/dsmith/Chemical Ionization.pdf

21

Citronellol EI-vel és CI-vel kapott tömegspektruma

c) Szekunder ion tömegspektrometria (SIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry)

Szilárd mintát Ar+ ionokkal vagy O2+ ionokkal

bombáznak.

A felületről atomok és ionok lépnek ki.

A felület vizsgálatára szolgáló módszer.

22

d) Bombázás gyors atomokkal (FAB, Fast Atomic Bombardment)

Nem illékony mintákra alkalmas.

A mintát feloldják (pl. glicerinben).

Semleges atomokkal (Ar, Xe) bombázzák

Biológiai, gyógyszeripari minták vizsgálata

23

John B. Fenn

1917- 2010

Koichi Tanaka

1959-

The Nobel Prize in Chemistry 2002

"for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"

24

A repülő elefánt

(biológiai makromolekulák ionjai gőzfázisban)

25

e) MALDI = matrix-assisted laser desorption-ionisation

(Tanaka)

mátrix: aromás sav

26

f) Elektroporlasztásos ionizáció

ESI = Electrospray Ionisation

(Fenn)

3000 V

27

Detektor: elektronsokszorozó

Katód az ionok detektálására érzékeny

Nincs ablaka (nagy vákuumban van)

28http://huygensgcms.gsfc.nasa.gov

Felbontás:

M a vizsgálat ion móltömege, M az éppen még felbontott két csúcs közötti tömegszámkülönbség

Pl. 500-as felbontás esetén az 1000-es és az 1002-es tömegszámú csúcsot külön jelzi, az 1000-es és az 1001-es tömegszámú csúcs egybeolvad.

ΔM

M

29

14.2. A tömegspektrometria műszerei

Csoportosítás a tömeganalizátor szerint:

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométerb) Kettős fókuszálású tömegspektrométerc) Kvadrupol tömegspektrométerd) Repülési idő tömegspektrométer

30

a) Egyszeres fókuszálású tömegspektrométer

31

Spektrum: mágneses tér változtatásával vagy gyorsító feszültség változtatásával

Felbontás: 100-tól néhány 1000-ig

32

b) Kettős fókuszálású tömegspektrométer

Az ionok elválasztása két lépésben, elektromos térrel és mágneses térrel

Felbontás: néhány tíz ezertől 100 ezerig

33

Kettős fókuszálású tömegspektrométer

34

c) Kvadrupol tömegspektrométer

Négy elektród (párhuzamos fémrudak)Közöttük halad az ionsugár.

Két-két szemben lévő elektród mindig azonos potenciálon van.

A potenciálnak váltóáramú és egyenáramú komponense is van.

35

Kvadrupol tömegspektrométer

36

Az elektródok feszültsége az idő függvényében

37

Adott feszültség-amplitúdók esetén egy bizonyos tömegtartományba eső ionok oszcillálnak.

Még mielőtt belezuhannának az egyik elektródba, megfordul a polaritás. Így az ionok végigjutnak a rudak közötti üregen és elérik a kilépő rést.

Az eltérő m/e-vel rendelkező ionok egyre nagyobb amplitúdóval oszcillálnak, és belezuhannak valamelyik elektródba.

38

Előnyök: gyors (nem a mágneses teret változtatjuk) m/e lineárisan változik a térerősséggel

Felbontás: max 3000

39

d) Repülési idő tömegspektrométer (TOF: Time Of Flight)

Az iongyorsítóban a különböző tömegű (de azonos töltésű) ionok azonos energiára tesznek szert:

eUmv2

1 2

A nagyobb tömegűek kisebb sebességűek,a kisebb tömegűek nagyobb sebességűek lesznek.

40

Repülési idő tömegspektrométer

Felbontás: néhány száztól néhány százezerig

41

14.3. A tömegspektrometria alkalmazásai

a) Analitikai alkalmazásokb) Szerves molekulák szerkezetvizsgálatac) Polimerek vizsgálatad) Proteomika: fehérjék vizsgálata

42

a) Analitikai alkalmazás

Móltömegek meghatározása

Gázkeverékek kvantitatív analízise

Nyomelemzés

Elemanalízis

Kromatográfiával kombinált tömegspektrometria (GC-MS, LC-MS)

Izotóp-arány mérés

43

44

Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS)

http://www.chem.agilent.com/Library/posters/Public/ASMS_2011_TP_242.pdf

Példa: klozapin elemanalízise

Módszer: (ESI)MS-TOF

1H 1,00782H 2,014112C 12,000013C 13,003414N 14,003116O 15,994935Cl 34,968937Cl 36,9659

12C181H19

35Cl14N4 326,1295

(kém. Ionizáció miatt)

12C181H20

35Cl14N4

327,1373

12C1713C1H20

35Cl14N4 328,1407

12C181H20

37Cl14N4 329,1343

Elemanalízis nagypontosságú tömegspektrometriával (HRMS)

Pontos izotóptömegek Számított pontos

molekulatömegek

45

b) Szerves molekulák szerkezetvizsgálata

A csúcsok típusai:

Molekulacsúcs

Fragmens csúcsok M+A++B

Többszörös töltésű csúcsok2e

M

3e

M

Metastabil csúcsok (rövid élettartamú ionok)

46

Tiofén

47

n-bután

48

n-bután

1) molekulacsúcs m/e = 58-nál viszonylag kis intenzitású

2) m/e = 43-nál van a legvalószínűbb csúcs 58-43 = 15, tehát egy metil-csoport hasadt le, C3H7

+

ionból származik

3) m/e = 59-nél kis csúcs, 13C illetve 2H természetes jelenléte miatt (szatelit csúcs)

4) m/e = 29 C2H5+ de C4H10

2+ is.

5) m/e = 25,5 51-es, 2-szeres töltésű ion.49

Polisztirol analízise MALDI-TOF tömegspektrométerrel

20000-es molekulatömegű polisztirol

Mátrix: 2-nitrofenil-oktiléterU. Bahr, Anal. Chem. 64, 2466 (1992)

c) polimerek vizsgálata

50

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

1. lépés: Fehérje bontása enzimmel peptidekre

http://www.moffitt.org/ 51

d) fehérjék szerkezetvizsgálata

Fehérje bontásából előállított peptid spektruma (MS/MS)

2. lépés

52