Summary
Denna video presenterar ett protokoll för mass spectrometrical analys av flyktiga och oxidation känsliga föreningar med användning av elektron stötjonisering. Den presenterade tekniken är speciellt av intresse för oorganiska kemister, som arbetar med metall organyls, silaner eller phosphanes som måste hanteras med hjälp av inerta betingelser, till exempel Schlenk-teknik.
Abstract
Denna video presenterar ett protokoll för mass spectrometrical analys av flyktiga och oxidation känsliga föreningar med användning av elektron stötjonisering. Analysen av flyktiga och oxidation känsliga föreningar genom masspektrometri är inte lätt att uppnå, eftersom alla state-of-the-art masspektrometriska metoder kräver minst ett provberedning steg, t.ex. upplösning och spädning av analyten (elektrosprayjonisering), co -crystallization av analyten med en matris förening (matris-assisterad laser desorption / jonisering), eller överföring av de preparerade proverna till jonisering källan till masspektrometer, som ska genomföras under atmosfäriska förhållanden. Här är användningen av ett system provinlopps beskrivits som möjliggör analys av flyktiga metall organyls, silaner och phosphanes som använder en fält sektor masspektrometer utrustad med en elektron stötjonisering källa. Alla provberedningssteg och provet förs in i jonkällan imasspektrometer ske antingen under luftfria betingelser eller under vakuum, vilket möjliggör analys av föreningar mycket mottagliga för oxidation. Den presenterade tekniken är speciellt av intresse för oorganiska kemister, som arbetar med metall organyls, silaner eller phosphanes, som måste hanteras med användning av inerta betingelser, till exempel Schlenk-teknik. Principen för operationen presenteras i den här videon.
Introduction
Analysen av föreningar, såsom metall organyls, silaner eller phosphanes genom masspektrometri är inte alltid genomförbart. Flera av dessa föreningar är kända för att snabbt sönderdelas vid kontakt med luft. Därför de mest avgörande stegen vid mätning masspektra är provberedning, överföring av analyten i masspektrometer och jon generation i frånvaro av luft. I detta protokoll, beskriver vi en strategi för att möta dessa krav och presentera ett inloppssystem, som gör det möjligt att erhålla masspektra av flyktiga föreningar som tidigare inte som skall analyseras med masspektrometri på grund av deras svåra hantering och snabb nedbrytning under omgivningsbetingelser. Därigenom otvetydig identifiering av nya eller befintliga volatila metall organyls, silaner och phosphanes, som är känsliga för oxidation eller hydrolys, kan nu utföras med hjälp av masspektrometri. Det finns två krav som måste uppfyllas för att analysera föreningar somär känsliga för oxidation eller hydrolys: provberedning och jon generation under inerta betingelser. Den sista förutsättningen kan lätt uppfyllas med hjälp av en masspektrometer med en jonkälla arbetar under vakuum. Detta är fallet med de flesta matrix-assisted-laser-desorption / jonisering (MALDI) Masspektrometrar och med alla elektron stötjonisering (EI) Masspektrometrar 1,2. Elektrosprayjonisering (ESI) är inte lätt kan förenas för analys av föreningar som är känsliga för oxidation eller hydrolys, såsom jonisering processen sker under omgivningsbetingelser 3. Men för vissa föreningar som inte reagerar kraftigt med syre eller vatten, torkning och finfördelning gas som de flesta ESI källor drivs räcker för analys med masspektrometri 4. Detta är också fallet för Jonisering strategier liknande ESI, t.ex. låg temperatur ESI lågtemperaturs-atmosfärstryck jonisering, och låg temperatur flytande sekundär jon massa Spectrometry 5-7. Däremot är provberedning och överföring i jonkällan under inerta betingelser mycket mer utmanande. Båda MALDI och ESI instrument har kopplat med handskboxar så att provet framställning av föreningar som är känsliga för oxidation och / eller hydrolys i en inert atmosfär 4,8. Masspektrometern är ansluten till handskfacket antingen med en överförings kapillär (ESI) eller direkt ansluten till handskfacket (MALDI). Kopplingen av ett handskfack till en masspektrometer via en överförings kapillär skulle också vara möjligt att använda en annan jonisering strategi - flytande injektionsfält desorption / jonisering (LIFDI) - som analys av känsliga föreningar rapporterades 9,10.
Dessutom MALDI och LIFDI är inte lämpliga för analys av mycket flyktiga föreningar. MALDI kräver att sam-kristallisation av analyten med en matris och LIFDI kräver avsättning av analyten på en emitter från en lösning. Med både jonisering strategier är det mycket troligt att analyten avdunstar tillsammans med lösningsmedlet. Till skillnad från MALDI instrument, EI masspektrometrar erbjuder oftast flera metoder för att införa provet i jonkällan: den direkta Intagssonden (små mängder av fasta ämnen, oljor eller vaxer deponeras i en aluminiumdegel som införs med hjälp av en tryckstång) , en septuminlopp (för vätskor), eller koppling med en gaskromatograf. Återigen, åtminstone en del av provet överföringen sker under omgivningsbetingelser och är svår att utföra under en inert atmosfär.
På 1960-talet togs ett prov insugningssystemet presenteras som möjliggör införandet av prover under vakuum i jonkällan av en EI instrument - det helt i glas uppvärmd insugningssystemet (AGHIS) 11,12. Här ades provet placerad inuti en förseglad glasbit kapillär, som insattes i AGHIS. Därefter var AGHIS evakueradesoch glasbehållare med provet var bruten. Den AGHIS upphettades därefter avdunsta provet som nådde jonkällan av en EI-masspektrometer med hjälp av en läcka. När glaskapillär med provet framställdes inuti en handskbox, skulle provet kunna introduceras i masspektrometern utan kontakt med luft. Emellertid är AGHIS en apparat som inte är kommersiellt tillgänglig och svår att montera även för en skicklig glasblåsare verkstad. På grund av de stora dimensioner växla mellan direkt inlopp med hjälp av en tryckstång och AGHIS inte rakt fram.
I vårt masspektrometri labb har vi utvecklat ett liknande inloppssystem i stil med den AGHIS. Men eftersom det inte är möjligt att värma upp systemet inlopp, har analyten att uppvisa en viss rörlighet i syfte att komma in i jonkällan för masspektrometern. Volatiliteten i analyten måste vara tillräcklig för att möjliggöra överföring av föreningen under vakuum vid flytande kväve temperature - antingen genom kokning eller sublimering. Systemet skräddarsydd inlopp består av en platta av rostfritt stål, som är belägen vid den direkta inloppssystemet, ett rör av rostfritt stål med en nålventil, och en fläns, till vilken en låsbar provröret som innehåller provet kan fästas. Installationen av det kalla inloppssystemet kräver inga modifieringar av masspektrometer (Autospec X, Vacuum Generators, nu Waters Corp, Manchester, Storbritannien) - växling mellan kyla insugningssystemet och direkt inlopp med hjälp av en tryckstång kan utföras enkelt inom några sekunder.
Den presenterade insugningssystemet är av särskild användning vid metall organyls, silaner eller phosphanes, som är känsliga för oxidation eller hydrolys, måste analyseras. Dessa föreningar är vanligen analyseras med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektroskopi eller infraröd (IR) spektroskopi. Tyvärr är dessa metoder tillåter inte alltid för en otvetydig identifiering av en förening, eftersom de ger incomplete information, t.ex., när element såsom klor eller brom är en del av molekylen. Gas elektrondiffraktion däremot kan ge detaljerad information om analyten, dock är metoden mycket tidskrävande, är provberedning svårt, och bara några få grupper har möjlighet att utföra dessa analyser 13,14. Här är den kalla insugningssystemet för analys av metall organyls, silaner eller phosphanes, mottagliga för oxidation eller hydrolys av EI masspektrometri till stor nytta för (i) organiska kemister möjliggör entydig identifiering av nya föreningar genom att förse dem med information om massan av en molekyl och karaktäristiska fragmentjoner. Den enda förutsättningen för mätning av mass-spektra för en substans är en viss flyktighet vid reducerat tryck.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 Provberedning
- Använd skräddarsydda låsbara provrör med en fläns (figur 1) för transport och överföring av proverna till masspektrometer. Före fyllning med prov, evakuera de låsbara provrör knutna till en multipel grenrör Schlenk linjen och ta bort kvarvarande vatten genom uppvärmning med en värmepistol. Lufta provrör med torr argon och evakuera igen, under uppvärmning.
- Sänk den låsbara provrör i en kall fälla fylld med flytande kväve (VARNING: Var försiktig när du arbetar med flytande kväve). Kondensera provet i provröret från en provbehållare ansluten till ett grenrör av Schlenk-linjen, stänga låset på toppen av provröret liksom grenröret och ta bort den låsta provrör från kvävebadet. Som masspektrometri är mycket känslig, är en liten mängd som är tillräcklig. Det mesta av analyten kommer att förbli i det låsbara provrör under analysen och är tillgänglig för ytterligare experimentefter mätningen.
Figur 1. Låsbar provrör som används för överföring av prover. A) Fläns för fastsättning på den kalla insugningssystemet, till (B) teflonpropp provrörets möjliggöra transport av en förening under luftfria betingelser, (C) skruv för att manövrera teflonpropp.
2 Mätning av Mass Spectra
- Före provmätning, melodi och kalibrera masspektrometer enligt instruktionerna från tillverkaren av din masspektrometer (här, en Autospec X (Vacuum Generators, nu Waters Corp, Manchester, UK) används. Använd perflourokerosene (PFK) som standard och trimma masspektrometer med en upplösning på ca 2,800 vid m / z 119, 10% definition dalen). Ta bort tryckstav av den direkta inlopp från jonkällan och installera den yttre gränssnitt för provröret (figur 2). För att förhindra uppvärmning av tryckstången spetsen, som metoden inloppet till "septum" i styrprogramvara för masspektrometer.
- Anslut fläns låsbar provröret fylls med provet till det yttre gränssnittet. Öppna nålventilen av det yttre gränssnittet och evakuera inloppet. Efter evakuering försiktigt öppna kulventilen till jonkällan att slutföra evakueringssteget. Stäng nålventilen av det yttre gränssnittet. VARNING: teflonpropp av provröret måste stängas i detta steg.
- Starta en massmätning i mjukvaran i masspektrometern. Med ventilen stängd nålen öppnar teflonpropp provrörets mycket kort, vilket gör att gasfasprocesser molekyler av analyten för att skriva in den yttre delen av gränssnittet. Stäng Teflon kranen igen.
OBS: Den yttre delen av gränssnittet tillsammans med utrymmet mellan Teflpå kran och fläns låsbara provrör (jämför figur 1 och 2B) fungerar som en gasbehållare analyt under analysen. - Öppna försiktigt nålventilen med iakttagande vakuummätaren i jonkällan. Detta steg gör att analytmolekyler att komma in i jonkällan i masspektrometern. Vakuumet bör inte understiga 10 -5 mbar under mätningen.
OBS: Beroende på volatiliteten i analyt masspektra av god kvalitet erhålls vid ca 10 -6 mbar. Masspektrumet av provet nu registreras. Vanligtvis, är tillräcklig för att spela in masspektra under flera minuter provet mängd som läcker in i instrumentet genom nålventilen. Ifall intensiteten hos jonerna minskar, öppnar nålventilen lite mer möjliggör mer insamlingstid. Om kvaliteten på massan spektra registrerades vid 70 eV är inte tillfredsställande, kan spelas in masspektra använda lägre kinetiska energierelektroner, till exempel, 20 eV.
Figur 2 Kall inloppssystem med tom låsbar provrör monterad på jonkälla av en VG Autospec X. A) Låsbar provrör, (B) flänsanslutning mellan provrör ett kall insugningssystemet, (C) nålventil, (D) rostfritt stål med tätning som anslutning till jonkälla, är (E)-gränssnitt för direkt inloppet den keramiska spets tryckstången syns.
3. Efter Mätning
- Stäng nålventilen av det yttre gränssnittet. Stäng kulventilen till jonkällan. Stoppa förvärvet av masspektra i programvaran.
- Evakuera systemet inloppet när du öppnar nålventilen helt. Lufta gränssnittet medan bollenventil och nålventilen är stängda. Evakuera gränssnittet åter öppnar nålventilen under detta steg i syfte att avlägsna kvarvarande provånga i gränssnittet. Upprepa detta steg minst 3x.
- Ta den låsbara provröret från gränssnittet. Fortsätt med nästa prov eller ta bort det yttre gränssnittet från fläns jonkälla och ersätta den med tryckstången.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En El masspektrum av tris (trifluormetyl) fosfan presenteras i fig 3, kan en förening, som sönderdelas snabbt vid kontakt med luft (figur 4). Den presenterade gränssnittet möjliggör rakt framåt mätning av mass-spektra för dessa föreningar. Driften av det nya gränssnittet är enkelt och snabbt och presenterar inget hinder när du använder masspektrometer med rutinmässigt tillämpas direkt inlopp med hjälp av tryckstången.
Figur 3 Masspektrum av tris (trifluorometyl) fosfan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 (A) Lagringskärl fylld med tris (trifluorometyl) fosfan. (B) Behållare fylld med en liten mängd av tris (trifluormetyl) fosfan. (C) Vid kontakt med luft, antänds tris (trifluorometyl) fosfan spontant. (fotografier med tillstånd av Dr J. Bader.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Förvärvet av masspektra från föreningar som bryts ner under standardprovberedningsförfaranden presenteras i detta protokoll. Den presenterade tekniken är utformad för analys av metall organyls, silaner och fosfan, som är mycket känsliga för oxidation och / eller hydrolys, vilket gör det intressant särskilt för oorganiska kemister. För att uppnå optimala resultat, vakuum eller luftfria förhållanden måste bevaras genom hela analysen. Därför protokoll bör följas noggrant. Om analyten kommer i kontakt med luft på grund av läckage i eller felaktig hantering av systemets inlopp, kan allvarliga konsekvenser såsom explosion av provbehållaren vara fallet beroende på föreningen som skall analyseras (Figur 4). Provberedning bör endast utföras av utbildad personal som används för att arbeta med Schlenk linjer, eftersom de kan implodera på grund av dåligt tillverkade glas porslin när under vakuum. Explosions might orsakas av kontakt med reaktiva blandningar med luft, som kommer in i Schlenk linjen på grund av dålig hantering. Faran med flytande syre, utfryst från inert gas föroreningar i en köldfälla, bör också beaktas. Kontakta någon (i) organisk förening med flytande syre kan leda till kraftiga reaktioner som orsakar explosion av Schlenk linjen. Under analysen bör observeras att trycket i jonkällan för masspektrometern noga, eftersom till högt tryck i jonkällan kan resultera i skada på instrumentet.
Som med volatila metall organyls, mycket känsliga för oxidation och / eller hydrolys, silaner och fosfan är sällan eller omöjliga att analysera med hjälp av state-of-the-art Masspektrometrar med ESI eller MALDI jonkällor, där förberedelser och jonisering prov vanligen utförs under atmosfäriska förhållanden. Här presenterar kalla insugningssystemet en värdefull utvidgning av de befintliga metoderna för analyt introduktion. Men det kalla inloppetsystemet är inte kompatibelt med ESI och MALDI jonkällor, eftersom den innebär ett flöde av gasformig analyt till jonisering källan, medan ESI kräver ett flöde av analytlösning och MALDI analyt samkristalliserad med matris för generering av joner. Som varje jonisering strategi, har EI också en nackdel - på grund av den höga energin hos elektronstrålen, skärv inträffar ofta. Beroende på naturen av analyten kan detta resultera i frånvaron av en molekylär jon. Emellertid kan analyten identifieras med hjälp av de fragmentjoner, speciellt när den levereras föreningen är av hög renhet. För en otvetydig identifiering, har vägen syntes att bli känd i detta fall. För föreningar där den molekylära jonen är närvarande i masspektrumet kan fragmentjoner användas för att bekräfta strukturen hos molekylen. På grund av utformningen av den kalla insugningssystemet, är den presenterade strategin begränsad till föreningar med en viss volatilitet. Volatiliteten i analyten måste vara tillräckligt, för att ettllow för överföring av föreningen under vakuum vid temperatur flytande kväve - antingen genom kokning eller sublimering. Föreningar med för lågt ångtryck kommer inte att ge högkvalitativ masspektra. Överhörning mellan enskilda massmätningar sällan observeras och kan minimeras ytterligare genom att pumpa ut systemet inloppet noggrant.
I allmänhet kan mätningarna utföras med varje masspektrometer utrustad med en EI jonkälla och direktinloppssystem. Den presenterade kall insugningssystemet är i drift inom några sekunder och kräver inga förändringar på masspektrometer. Emellertid har gränssnittet för den kalla inloppssystem som skall specialtillverkat, enligt dimensionerna av de befintliga inloppen hos den begagnade EI masspektrometer. Beroende på kapaciteten hos den tillgängliga masspektrometer, kan utföras ytterligare experiment, till exempel noggranna massmätningar för bestämning eller bekräftelse av elementära kompositioner eller mass analyserade jon-kinetic-energi spektrometri (MIKES) för att klarlägga fragmenterings vägar. Därför utgör den kalla insugningssystemet en extra strategi provinlopp bredvid den som rutinmässigt används direkt inlopp med hjälp av en tryckstång i EI masspektrometri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| VG Autospec X | Micromass Co. UK Ltd (now Waters) | Other EI mass spectrometers with direct inlet using a push rod should also be compatible with this technique | |
| Lockable test tubes with flange | Custom made, teflon tap should be used for locking the test tube | ||
| Interface for lockable test tubes | Custom made, interface is prepared from stainless steel. Needle valve has to be included into the interface-design! | ||
| Schlenk line | Custom made, has to include vacuum pump for evacuation of thest tubes and cold trap with liquid nitrogen for trapping of the sample |
References
- Field, F. H., Franklin, J. L. Electron Impact phenomena and the Properties of Gaseous Ions Revised Edition. , Academic Press. (1957).
- Schaeffer, O. A. An Improved Mass Spectrometer Ion Source. Rev. Sci. Instrum. 25, 660-662 (1954).
- Yamashita, M., Fenn, J. B. Electrospray Ion Source - Another Variation of the Free-Jet Theme. J. Phys. Chem. 88, 4451-4459 (1984).
- Lubben, A. T., McIndoe, J. S., Weller, A. S. Coupling an electrospray ionization mass spectrometer with a glovebox: A straightforward, powerful, and convenient combination for analysis of air-sensitive organometallics. Organometallics. 27, 3303-3306 (2008).
- Cooper, G. J. T., et al. Structural and Compositional Control in {M12} Cobalt and Nickel Coordination Clusters Detected Magnetochemically and with Cryospray Mass Spectrometry. Angewandte Chemie International Edition. 46, 1340-1344 (2007).
- Wang, W. S., Tseng, P. W., Chou, C. H., Shiea, J. Detection of reactive 1,2,3-hexatriene-5-one monomer by low-temperature atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 12, 931-934 (1998).
- Wang, C. H., et al. Detection of a thermally unstable intermediate in the Wittig reaction using low-temperature liquid secondary ion and atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 9, 1168-1174 (1998).
- Eelman, M. D., Blacquiere, J. M., Moriarty, M. M., Fogg, D. E. Shining new light on an old problem: Retooling MALDI mass spectrometry for organotransition-metal catalysis. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 303-306 (2008).
- Linden, H. B. Liquid injection field desorption ionization: a new tool for soft ionization of samples including air-sensitive catalysts and non-polar hydrocarbons. Eur. J. Mass Spectrom. 10, 459-468 (2004).
- Gross, J. H., et al. Liquid injection field desorption/ionization of reactive transition metal complexes. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 386, 52-58 (2006).
- Peterson, L. Mass Spectrometer All-Glass Heated Inlet. Analytical Chemistry. 34, 1850-1851 (1962).
- Stafford, C., Morgan, T. D., Brunfeldt, R. J. A mass spectrometer all-glass heated inlet. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics. 1, 87-92 (1968).
- Hayes, S. A., Berger, R. J. F., Mitzel, N. W., Bader, J., Hoge, B. Chlorobis(pentafluoroethyl)phosphane: Improved Synthesis and Molecular Structure in the Gas Phase. Chemistry-a European Journal. 17, 3968-3976 (2011).
- Zakharov, A. V., et al. Functionalized Bis(pentafluoroethyl)phosphanes: Improved Syntheses and Molecular Structures in the Gas Phase. European Journal of Inorganic Chemistry. , 3392-3404 (2013).
