Een inleiding tot massaspectrometrie

Transcriptie

1 Een inleiding tot massaspectrometrie In een korte cursus wordt de basis uitgelegd vanmassaspectroscopie, en de verschillende stappen die ervoor nodig zijn. Enkele leerlingenvragen stimuleren verder nadenken over de principes. Een cursus in het kader van de Rosetta ruimtemissie naar komeet 67P. Sint-Niklaasinstituut Anderlecht Uitgave Oktober 2016 Doelgroep Basis K Secundair

2 pagina 1 Een inleiding tot MASSASPECTROMETRIE Cursus kenmerken Leeftijd doelgroep Type Complexiteit Voorbereidingstijd voor de leraar Vereiste lestijd Onderwerpen die aan bod komen jaar Informatieve cursus met enkele leerlingenvragen Eenvoudig 30 minuten 1 lesuur

3 pagina 2 Colofon Uitgave November 2014 Laatste update 20 oktober 2016 Gebruik Bron van deze cursus AUTEURS Dit cursusmateriaal mag gratis gebruikt worden voor educatieve doeleinden. Wie fragmenten eruit overneemt, dient de bron te vermelden. Download op > NL > Lesmateriaal. Het ESERO Rosetta project in België gebruikte de ESA ruimtemissie ROSETTA naar een komeet als basis om de wetenschapslessen in 2 scholen een heel schooljaar lang te verbinden met actuele ruimtevaart, de techniek van allerlei ROSETTA instrumenten en met het thema kometen. In het project deden meerdere instituten een bijdrage via rechtstreeks contact tussen de leerlingen en de professionele wetenschappers. Zij gaven lezingen, of deden oefeningen met de leerlingen. Bij de ROSETTA missie speelden spectrometrie en massaspectrometrie een belangrijke rol. In dat kader produceerde leraar Werner Poets voorliggende cursus. Werner Poets ESERO Belgium Belgische Instituut voor Ruimte Aeronomie (BIRA) Uw mening is belangrijk Auteur van de cursusinhoud In leraar fysica derde graad Sint-Niklaasinstituut Anderlecht. Nalezing/aanvullingen Layout Organisatie ESERO Rosetta project Medewerker: Pieter Mestdagh Nalezing/aanvullingen Medewerker: dr. Johan De Keyser Cursussen van ESERO Belgium worden online aangeboden in dynamische versie. Dat betekent dat elke bruikbare feedback van gebruikers onmiddellijk leidt tot de publicatie vaan een aangepaste uitgave op (Nederlandstalig). Help toekomstige gebruikers door uw opmerkingen of aanvullingen per op te sturen ( > contact). Gebruikers die nieuwe onderdelen toevoegen aan de cursus worden onder colofon in de auteurslijst vermeld.

4 pagina 3 Inhoud CURSUS KENMERKEN... 1 COLOFON... 2 INHOUD... 3 ❶ INLEIDING... 4 HOE WERKT MASSASPECTROMETRIE?... 4 LEERLINGEN OPDRACHTEN... 6 ❷ STAPPEN VOOR HET BEKOMEN VAN EEN MASSASPECTRUM... 6 MONSTERVOORBEREIDING... 7 IONISATIE... 8 VERSNELLEN VAN IONEN... 8 MASSASCHEIDING... 8 DETECTIE... 9 BEELDMATERIAAL... 9 LEERLINGEN OPDRACHTEN... 9 ❸ HOEVEELHEDEN... 9 ❹ FRAGMENTATIE...10 ❺ ISOTOPEN...11 LEERLINGEN OPDRACHTEN...11 ❻ ANDERE TOEPASSINGEN VAN MASSASPECTROMETRIE...12 ❼ VOORBEELDEN...12 MASSASPECTRUM VAN BROOM...12 MASSASPECTRUM VAN METHOXY-ETHAAN...13 BRONNEN...14

5 pagina 4 ❶ Inleiding Hoe werkt massaspectrometrie? Massaspectrometrie is een veelzijdige techniek, die gebruikt kan worden voor de identificatie en kwantificatie van atomen en moleculen (en hun isotopische samenstelling) in chemische en biologische mengsels in zeer kleine hoeveelheden. Het deelwoord spectrometrie verwijst hier naar het meten van iets in functie van een bepaalde parameter. In dit geval is die parameter niet de golflengte, zoals bij elektromagnetische spectra of de frequentie bij geluidsspectra, maar de massa van de deeltjes. De resultaten worden in een zogenaamd massaspectrum weergegeven. Continue elektromagnetische spectra Discreet elektromagnetisch spectrum Intensiteit van een geluid in functie van de tijd. Audiospectrum van ditzelfde geluid.

6 pagina 5 Een massaspectrum. In een massaspectrometer worden individuele moleculen van het monster geïoniseerd door een ionenbron. Laat ons veronderstellen dat de hierdoor gevormde ionen slechts een kleine energie hebben. In een vereenvoudigd model van de massaspectrometer worden de ionen versneld in een zeer precies geregeld elektrisch veld waarvan de grootte bepaald wordt door de spanning U (die spanning moet beduidend groter zijn dan de energie van de deeltjes in de ionenbron). Schematische weergave van de opbouw van een massaspectrometer. Vervolgens komen de ionen in een homogeen magnetisch veld waar de lorentzkracht op de ionen zal inwerken. De ionen worden ruimtelijk gescheiden op basis van hun massa/ladingsverhouding. Indien de magnetische inductie B homogeen is, en indien de spanning U en de inductie B door de sturing van het instrument zo gekozen worden dat de ionen altijd eenzelfde snelheid v hebben, dan wordt de plaats waar de moleculen terecht komen in de detector bepaald door de

7 pagina 6 massa/ladingsverhouding m/q. r is groter voor grotere massa s; de deeltjes komen dan meer naar rechts op het detectorgedeelte van bovenstaande figuur terecht. In massaspectrometrie is het de gewoonte om de grootte van de elektrische lading aan te duiden met Z. Z is het aantal keer de eenheidslading e (e = 1, C). De eenheidslading is de absolute waarde van de grootte van lading van een elektron of een proton. Er geldt dus Q = Z. e. In massaspectrometrie is het de gewoonte om de massa/ladingsverhouding kort te noteren als m/z met m de massa van het ion. Na de scheiding op basis van de massa/ladingsverhouding van de moleculen volgt de detectie. In een massaspectrum wordt de intensiteit uitgezet in functie van de m/z waarden. Leerlingen opdrachten Opdracht 1 Wat is de formule voor de lorentzkracht? Opdracht 2 Wat is de richting van de lorentzkracht ten opzichte van de snelheid? Opdracht 3 Welke baan zal een deeltje volgen als er een kracht met een constante grootte op werkt die loodrecht staat op de snelheidsvector? Opdracht 4 Hoe noemt men een kracht die de oorzaak is van een cirkelbaan? Wat is er de formule voor deze kracht? Opdracht 5 Welke factoren bepalen waar de ionen terecht komen op de detector? ❷ Stappen voor het bekomen van een massaspectrum We bespreken de opeenvolgende stappen die doorlopen worden om een massaspectrum te bekomen. 1. Monstervoorbereiding 2. Ionisatie 3. Versnellen van ionen 4. Massascheiding 5. Detectie

8 pagina 7 Onderdelen van een massaspectrometer. Monstervoorbereiding Om het massaspectrum makkelijk te interpreteren is het wenselijk als er in de massaspectrometer slechts één type molecule aanwezig is. Als er meerdere soorten moleculen aanwezig zijn in een monster dan dienen we deze moleculen vooraf te scheiden. Als een mengsel moet worden geanalyseerd, wordt vaak gebruikgemaakt van vloeistofchromatografie om de componenten van het mengsel van mekaar te scheiden. Dit gebeurt als volgt: xxxxxxxxxxxxxxxx Het mengsel wordt aangebracht op een vast substraat (vaste fase). Men laat er vervolgens een vloeibare mobiele fase overheen lopen. Bestanddelen die sterk binden met de vaste fase worden tegengehouden. Ze blijven langer op de vaste fase, dus ze bevinden zich achteraan het substraat.

9 pagina 8 Bestanddelen die zwakker binden met de mobiele fase worden meegenomen, ze blijven minder lang op de vaste fase. Ze bevinden zich vooraan op het substraat. De afzonderlijke bestanddelen bereiken op een verschillend moment het einde van het vast substraat en dus ook de massaspectrometer. Bij het scheiden van plantenextracten zorgt dit voor verschillende kleurenbanden, vandaar de naam chromatografie. Wanneer een zuivere stof moet worden geanalyseerd, kan het soms volstaan dat men een klein beetje van de stof eenvoudig inbrengt in de ionisatiekamer. De ionisatiekamer wordt afgesloten en in verbinding gebracht met de andere onderdelen van de massaspectrometer waar een hoog-vacuüm heerst. Hier zal de stof verdampen of sublimeren vanwege het hoogvacuüm. Eventueel kan de stof verhit worden om het verdampen of het sublimeren te versnellen. Ionisatie Een manier om het monster te ioniseren is door het monster in de gasfase met elektronen te bombarderen. De elektronen komen uit een gloeidraad die op enige afstand van het gasvormig monster wordt opgewarmd. De elektronen worden tot een energie van ca. 70 ev versneld met behulp van een elektrisch veld. Wanneer de elektronen met deze snelheid op een molecuul van het monster botsen, kan een elektron uit het molecuul worden geschoten waarbij een positief atomair of moleculair ion wordt gevormd (M+., de plus geeft de elektrische lading van het ion weer, het punt het feit dat het een radicaalmolecule betreft waarin een reactief ongepaard elektron aanwezig is). Deze techniek voldoet goed voor eenvoudige monsters waarvan voldoende in de gasfase kan worden gekregen, en die ook niet meteen helemaal uit elkaar vallen door de ioniserende botsing. Versnellen van ionen Na de ionisatie van het monster dienen de geïoniseerde moleculen of ionen een snelheid te verkrijgen. Dit bekomt men door de ionen te versnellen tussen twee metalen ringen waartussen een elektrisch potentiaalverschil heerst. De eerste ring bevindt zich ter hoogte van de ionisatiekamer en heeft een hogere potentiaal dan de tweede ring. De eerste ring is dus aangesloten op de positieve pool van de spanningsbron, de tweede ring is aangesloten op de negatieve pool van de spanningsbron. Het potentiaalverschil tussen de eerste ring en de tweede ring noemt men de spanning U. Massascheiding Door een magnetisch veld dwars op de voortbewegingsrichting van de ionen te plaatsen, worden de ionen afgebogen. Voor een bepaald magnetisch veld is de mate van afbuiging alleen afhankelijk van de verhouding massa/lading (m/z). In theorie zou men een hele rij detectoren aan het einde van de analysator kunnen plaatsen en zo in één keer een compleet massaspectrum opnemen. Meestal gebruikt men een enkele detector en wordt een spectrum opgenomen door een reeks metingen na elkaar te verrichten terwijl de sterkte van het magnetisch veld verandert.

10 pagina 9 Detectie Het aantal ionen dat door de analysator komt, moet worden geteld. Dit wordt gedaan door het ion te laten botsen op een oppervlak waaruit een aantal elektronen wordt losgeslagen. Omdat de stroom per ion heel klein is, is deze moeilijk nauwkeurig te meten. Daarom worden in de meeste instrumenten de losgemaakte elektronen vermenigvuldigd. Dit gebeurt door het versnellen van de elektronen waarna ze op een tweede oppervlak botsen. Uit dat tweede doel worden per invallend elektron een aantal elektronen losgeslagen. Dit proces wordt meerdere malen herhaald zodat een lawine van elektronen ontstaat en het oorspronkelijk signaal ca. 1 miljoen keer wordt versterkt. Op deze manier kan elk ion dat de detector raakt gemakkelijk en betrouwbaar worden geteld. Lichtdetectie: Bij sommige systemen worden de elektronen na één stap op een fosfor scherm gericht, waar de stroom in licht wordt omgezet. In een beeldversterker wordt het lichtsignaal daarna verder versterkt. Dit maakt het mogelijk dat de eigenlijke detector zich buiten het vervuilende instrument bevindt, en daardoor langer meegaat. Beeldmateriaal Een video die je een goed overzicht geeft van de verschillende stappen bij massaspectroscopie vind je via : Leerlingen opdrachten Opdracht 6 Wat is de elektrische potentiële energie van een lading Q die zich bevindt aan de eerste ring ten opzichte van een punt ter hoogte van de tweede ring? Opdracht 7 In welke energievorm is deze elektrische potentiële energie omgezet als de geïoniseerde molecule de tweede ring bereikt? Wat is de formule voor deze energievorm? Opdracht 8 Wat is dan de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule als die de tweede ring bereikt? Opdracht 9 Vul de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule die je bekomen hebt bij opdracht 8 in de formule voor r die je bekomen hebt bij opdracht 5. ❸ Hoeveelheden De hoeveelheid monster dat nodig is om een massaspectrum op te nemen is erg klein. Elk individueel ion dat de bron verlaat en door de analysator gaat, wordt uiteindelijk geteld, en zelfs een paar honderd moleculen kunnen zo een significant signaal vormen. Bij de monstervoorbereiding en ionisatie gaat echter nog een groot gedeelte van het monster

11 pagina 10 verloren. Voor het maken van een volledig spectrum zijn dan een tiental tot een honderdtal metingen nodig. Al deze verliezen in ogenschouw genomen, zijn normaal gesproken femtogrammen tot picogrammen van een stof nodig om een massaspectrum op te nemen. ❹ Fragmentatie Fragmentatie is van groot belang voor de identificatie van de moleculen in het monster. Afhankelijk van de massaresolutie van het instrument kunnen verschillende moleculen gemeten worden bij eenzelfde molecuulmassa. Zo kunnen bijvoorbeeld C 4H 10 met een molecuulmassa van 58,08 en C 3H 6O met een molecuulmassa van 58,04 wel van elkaar worden onderscheiden in een instrument met een zeer grote massaresolutie, maar worden beide moleculen teruggevonden bij een gehele molecuulmassa van 58 bij instrumenten met een lagere massaresolutie. Daarnaast bestaan er ook stoffen met eenzelfde molecuulformule en een verschillende structuur (isomeren). Het onderscheid tussen butaan (C 4H 10), methylpropaan (C 4H 10), aceton (C 3H 6O) en propanal (C 3H 6O), allen met een molecuulmassa van ongeveer 58, kan met behulp van fragmentatie eenvoudig worden bepaald. butaan (C 4H 10) methylpropaan (C 4H 10) aceton (C 3H 6O) propanal (C 3H 6O) Fragmentatie in een massaspectrometer kan optreden bij ionisatie door een bombardement met elektronen van eerder hoge energie. Alternatief kunnen de gevormde ionen na ionisatie fragmenteren door botsingen in een klein kamertje gevuld met een inert gas (vaak argon). Fragmentatie gebeurt in ieder geval voor het versnellen van de ionen. Bij een fragmentatie breekt normaal gesproken één enkele chemische binding in het molecuul. Wanneer in het massaspectrum van een stof met een molecuulmassa van 58 een piek optreedt bij een massa van 29 is het blijkbaar mogelijk dat het molecuul precies in tweeën breekt. Dat sluit aceton en methylpropaan als mogelijke kandidaten uit. Op deze manier kan men aan de hand van fragmentatie een preciezere uitspraak doen over de identiteit van het monster. Mochten de pieken in het massaspectrum niet voldoende informatie geven om het monster uniek te identificeren, dan kan men in een MS-MS (of MS²) instrument een verder fragmentatie-experiment uitvoeren: men kan in de eerste MS stap het fragment met een massa van 29 selecteren, en dat fragment opnieuw laten botsen met een inert gas om verdere fragmentatie te induceren. In het tweede instrument kan men dan een tweede-orde fragmentspectrum maken om te zien wat de identiteit van het fragment-ion met massa 29 is. Voor complexe moleculen zoals proteïnen, kan dit proces verschillende keren worden doorlopen, we spreken dan van MSn, waarbij n het aantal massaspectrometrie stappen is.

12 pagina 11 ❺ Isotopen Veel chemische elementen hebben meerdere natuurlijk voorkomende isotopen. Men kan met scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen waarnemen tussen moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling. In de massaspectrometrie is het verschil tussen isotopen echter eenvoudig te zien: de massa van verschillende isotopen verschilt ongeveer een geheel aantal massa-eenheden. Verder is het zo dat men bij veel eigenschappen die voor de isotopen een klein verschil vertonen een gemiddelde meet wanneer meerdere isotopen voorkomen. Bij massaspectrometrie kijkt men naar elk molecuul individueel, en kan daardoor de isotoopsamenstelling van elk molecuul worden bepaald. Eén van de isotopen die in de massaspectrometrie van organische chemische verbindingen een grote rol speelt is 13 C, dat 1,1% van de natuurlijke koolstof vormt. Een molecuul methaan met 12 C en 4 waterstof atomen heeft een molecuulmassa van 16, maar 1,1% van alle methaan moleculen bevat een 13 C atoom en heeft een massa van 17: een klein piekje naast de belangrijkste moleculaire piek. Voor butaan, C 4H 10 zijn er vier koolstofatomen, en is de kans ruwweg 4,4% dat één van de koolstofatomen een 13 C atoom is: een klein piekje bij een massa van 59 naast de moleculaire piek op 58. Op deze manier kan men voor organische stoffen het aantal koolstofatomen tellen, en kan het onderscheid worden gemaakt tussen propanal en butaan: ze hebben allebei een massa van 58, maar propanal heeft drie, en butaan vier koolstofatomen. Andere veel voorkomende isotopen zijn 18 O (0,2% t.o.v. 16 O), 79 Br en 81 Br met een verhouding van 1:1 en 35 Cl en 37 Cl met een verhouding van 3:1. Men kan deze isotoopverhoudingen soms gebruiken wanneer men de herkomst van een materiaal zoekt. Massaspectrometrie is gevoelig genoeg om zelfs van elementen die slechts in minuscule hoeveelheden in een monster voorkomen te kunnen vaststellen wat de isotopenverhouding is. Voor de beste gevoeligheid gebruikt men voor zo'n massaspectrum een ionisatiemethode die de moleculen in het monster helemaal opbreekt in atomaire ionen; zo'n techniek is het inductief gekoppeld plasma (Engelse afkorting ICP; men spreekt over ICP-MS). Een heel ander doel van het bepalen van nauwkeurige isotoopverhouding is het bepalen van geologische tijdschalen: radio-actief verval met lange halfwaardetijd zorgt ervoor dat het voorkomen van verschillende isotopen afhangt van de geologische leeftijd van het monster. Een voorbeeld is koolstof 14-datering. Leerlingen opdrachten Opdracht Waarom kan men met scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen waarnemen tussen moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling? De chemische eigenschappen worden bepaald door de configuratie van de elektronen op de buitenste schil. Voor isotopen is deze configuratie van de elektronen op de buitenste schil identiek. Het enige verschil is de massa van de kern. Dit geeft een zeer klein verschil in de energieniveaus. Daar door zijn de chemische eigenschappen zo goed als identiek voor isotopen.

13 pagina 12 Opdracht Waaraan is het kleine verschil in chemische eigenschappen tussen isotopen te wijten? Opdracht Waarom is het verschil tussen de massa s van verschillende isotopen ongeveer een geheel aantal massa-eenheden? ❻ Andere toepassingen van massaspectrometrie Het zoeken van lekken in een vacuümsysteem Wanneer een vacuümsysteem lek lijkt te zijn, kan men het lek vinden door een eenvoudige massaspectrometer aan te sluiten op het systeem, en de buitenkant van het systeem op kritische plekken aan een stroom helium-gas bloot te stellen. Wanneer het systeem lek is zal de massaspectrometer duidelijk een piek bij een massa van 4 laten zien. Het bereiden van isotoop-zuivere materialen Met preparatieve massaspectrometrie kan men de gevormde ionen opvangen in plaats van ze op de detector verloren te laten gaan. Dit is een methode om isotopen van elkaar te scheiden. De hoeveelheden blijven echter erg klein. Voor het scheiden van grotere hoeveelheden isotopen, zoals bij het verrijken van uranium, wordt daarom gebruikgemaakt van andere technieken zoals ultracentrifugeren. ❼ Voorbeelden De massa van een fragment kun je zelf berekenen door de atoommassa's op te tellen. Waar je wel op moet letten is dat er ook isotopen kunnen voorkomen. We gaan ervan uit dat z = +1, zodat de waarde voor m/z gelijk is aan m. Massaspectrum van broom Bij broom zie je 2 groepen pieken. Twee pieken in de buurt van 80 en drie in de buurt van 160. Broom heeft twee isotopen (massagetallen 79 en 81) die beiden ongeveer evenveel voorkomen. Deze beiden isotopen zijn in het spectrum terug te vinden en de bijbehorende pieken hebben ongeveer dezelfde intensiteit.

14 pagina 13 Massaspectrum van dibroom (Br 2). De piek bij m/z = 79 is die van een Br + ion met massagetal 79 en de piek bij m/z = 81 hoort bij het Br + ion met massagetal 81. De piek bij m/z = 158 hoort bij een Br 2+ molecuul dat opgebouwd is uit twee isotopen met massagetal 79. De piek bij m/z = 162 bij een Br 2+ molecuul opgebouwd uit twee isotopen met massagetal 81 en de piek bij m/z = 160 uit een Br 2+ molecuul dat bestaat uit de isotopen 79 Br en 81 Br. Massaspectrum van methoxy-ethaan We kijken alleen naar de belangrijkste pieken in het massaspectrum. De grootste m/z waarde in een massaspectrum hoort meestal bij het moleculair ion. In het spectrum is te zien dat de grootste waarde gelijk is aan m/z = 60. De molecuulmassa van methoxy-ethaan (C3H8O) is gelijk aan 60 u (3 x x 1 +16). Oftewel m/z = 60 hoort bij het C3H8O+ ion. De grootste piek bij m/z = 45 hoort bij het CH3CH2O+ ion of het CH3OCH2+ ion, die ontstaan als van het gehele molecuul een methyl-ion, CH3+, met m/z = 15 wordt afgesplitst. De op één na grootste piek bij m/z = 29 hoort bij een ethyl-ion, CH3CH2+ dat ontstaat bij het afsplitsen van een brokstuk met m/z = 31, het methoxy-ion, CH3O+. Extra oefeningen:

15 pagina 14 Massaspectrum van dibroom (Br 2). Methoxyethaan Bronnen