Inleiding tot massaspectrometrie
Bron: Laboratorium van Dr. Khuloud Al-Jamal - King's College London
Massaspectrometrie is een analytische chemietechniek die de identificatie van onbe…
1. Cleaning of Polycarbonate Tubes
- Gebruik polycarbonate buizen die bestand zijn tegen zure oplossingen voor monstersvertering. Om alle verontreinigende sporen ijzer te verwijderen, vult u alle buizen met 5 ml van 0,1 M HCl.
- Plaats de buizen 1 uur in een waterbad op 50 °C.
- Was de buizen met 5 ml Milli-Q water en droog de buizen in een oven of chemische kap.
2. Voorbereiding van het monster en vertering
- Plaats 200 µL monster in 1,8 ml geconcentreerd salpeterzuur (65%).
- Plaats de buizen een nacht in een waterbad op 50 °C. Pas het protocol aan door de temperatuur te verhogen als een verkorting van de totale verteringstijd nodig is.
- Laat de buizen afkoelen op kamertemperatuur.
- Verdun de monsters door 8 ml Milli-Q water toe te voegen om een uiteindelijke salpeterzuurconcentratie onder 20% (v/v) te verkrijgen.
- Centrifugeer de buizen gedurende 10 min bij 3.000 x g om eventuele resterende macroscopische residuen te pelleteren.
3. Voorbereiding van het instrument
- Reinig de ICP-brander met ultrasone reiniging in 5% salpeterzuur gedurende 15 min. Veeg de kegels af met 5% salpeterzuur. Vervang de peristaltische slangen. Controleer het olieniveau van de pomp.
- Schakel de argon en de chiller in, start plasma. Start de vloeistofstroom in het plasma en wacht tot het instrument is gestabiliseerd, ongeveer 20 min.
- Optimaliseer de lensspanningen. Voer dagelijks een prestatiecontrole uit door testoplossingen te meten die Mg, In en Ur bevatten om de gevoeligheid van het ICP-MS-instrument te bevestigen. Meet Ce en Ba waar oxidevorm en dubbel geladen ionen onder 3% moeten blijven. Controleer de massa bij 8 en 220 Da om het achtergrondsignaal te meten.
- Het instrument is nu klaar voor gebruik.
4. Selectie van de gebruikersmethode en monsterlijst
- Selecteer element en isotopen van belang.
- Selecteer scanmodus als peak hopping.
- Kies een verblijftijd van 100 ms (minimaal 50) met 40 sweeps (minimaal 15) per meting. Selecteer één meting per replicaat en 5 replica's (minimaal 3). De totale integratietijd is 4.000 ms. Als de hoeveelheid monster beperkt is, verlaag de verblijftijd, het aantal sweeps en replica's, waarbij de waarden hoger blijven dan de hierboven gedefinieerde minimumwaarden.
- Gebruik een stroomsnelheid van ammoniak (NH3) bij 0,7 ml/min om de interferentie van 40Ar16O op de bepaling van 56Fe te vermijden.
- Bereid de kalibratiecurve voor voor de elementen van keuze.
- Voer de monsters uit.
Massaspectrometrie is een analytische techniek die de identificatie en kwantificering van onbekende verbindingen in een monster mogelijk maakt, evenals de bepaling van hun structuur.
Bij massaspectrometrie worden gasfase-ionen gegenereerd uit de atomen of moleculen in een monster. De ionen worden vervolgens gescheiden op basis van hun massa-ladingverhouding, gesymboliseerd door m/z.
Deze scheiding maakt het mogelijk om kwantitatieve en kwalitatieve informatie over een monster te bepalen, zoals hun massa en structuur.
Deze video introduceert de basisconcepten en instrumentatie van massaspectrometrie en demonstreert het gebruik ervan bij elementkwantificering.
Een massaspectrometer bestaat uit een ionisatiebron, een massa-analyzer en een detector. Bij de ionisatiebron worden de verbindingen geïoniseerd, meestal tot een enkele positieve lading.
Ionen kunnen worden gegenereerd met behulp van verschillende technieken, zoals botsing met een elektronenbundel, plasma of lasers, die elk resulteren in een reeks fragmentaties die helpen bij de bepaling van de moleculaire structuur. Deze methoden zijn losjes gegroepeerd in "harde" en "zachte" ionisatie.
Harde ionisatietechnieken veroorzaken uitgebreide fragmentatie, wat resulteert in meer fragmenten van lagere massa.
Zachte ionisatietechnieken resulteren in minder, of bijna geen, fragmentatie met een hoog moleculair gewichtbereik.
Als de fragmentatie te groot is, kunnen waardevolle structuurinformatie verloren gaan. Als het te weinig is, zullen kleine moleculen niet efficiënt worden geïoniseerd. Daarom hangt de selectie van een ionisatiemethode af van de te onderzoeken analyt en de gewenste mate van fragmentatie.
De ionen worden vervolgens versneld in een elektrisch veld wanneer ze de massa-analyzer binnenkomen, waar ze zullen worden gescheiden.
De meest basale massa-analyzer is een magnetische sector, die bestaat uit een gebogen magneet die een homogeen magnetisch veld produceert. De aantrekkingskracht van de magneet, plus de centrifugale kracht van de versnellende ionen, zorgt ervoor dat ze een cirkelvormig pad door de curve afleggen.
De straal van het cirkelvormige pad van de ionen is afhankelijk van de versnellingsspanning, het toegepaste magnetische veld en de massa-ladingverhouding.
De spanning en het magnetische veld kunnen vervolgens worden geselecteerd om alleen bepaalde massa-ladingverhoudingsoorten door het gebogen pad te laten. Andere ionen botsen tegen de zijden van het magnetische pad en gaan verloren. Door de magnetische veldsterkte te scannen, bereiken gewenste ionen de detector op verschillende tijdstippen, waardoor elke soort nauwkeurig wordt geïdentificeerd.
Een ander type massa-analyzer is de quadrupolemonische filter. De quadrupoel bestaat uit twee paar parallelle metalen staven, waarbij elk paar tegenover elkaar staande staven elektrisch met elkaar verbonden zijn.
Er wordt een gelijkstroomspanning op de staafparen toegepast en hun potentiaal wordt continu gealterneerd, zodat de paren altijd buiten fase zijn met de andere.
De ionenbundel wordt vervolgens door het midden van de vier staven geleid. Ionen reizen in een kurkstel-achtig pad, vanwege de constante aantrekking en afstoting van de staven. Afhankelijk van de massa-ladingverhouding van de ionen, zal het ion het volledige pad van de quadrupoel afleggen en de detector bereiken, of het zal tegen de staven botsen.
Nu de basisprincipes van de massaspectrometer zijn beschreven, laten we eens kijken naar het gebruik ervan in het laboratorium.
De massaspectrometer die in dit experiment wordt gebruikt, is een inductief gekoppelde plasma, of ICP, ionisator, met een quadrupoelfilter. Het instrument zal worden gebruikt om een metalen component in een monster te detecteren en kwantificeren.
Om het experiment te beginnen, vult u alle polypropyleenbuizen met 5 mL 0,1 M zoutzuur om eventuele verontreinigende sporen van ijzer te verwijderen. Plaats de buizen 1 uur in een waterbad op 50 °C.
Na incubatie, spoelt u de buizen met 5 mL gedeïoniseerd water en droogt u de buizen in een oven of chemische kap.
In de schone buizen voegt u 1,8 mL geconcentreerd salpeterzuur en 200 µL monster met de gewenste isotoop toe.
Volg veiligheidsmaatregelen bij het gebruik van geconcentreerd zuur.
Plaats de buizen een nacht in een waterbad. De temperatuur kan worden verhoogd om de verteringstijd te verkorten, indien nodig.
Laat de buizen na het verteren van het monster afkoelen tot kamertemperatuur.
Voeg vervolgens 8 mL gedeïoniseerd water toe om de monsters te verdunnen en om een salpeterzuurconcentratie onder 20% te verkrijgen. De uiteindelijke verdunning van het monster is 1/50. De ideale concentratie voor ICP ligt in het parts-per-billionbereik. Centrifugeer de buizen om eventuele resterende macroscopische residuen te pellen.
ICP is een methode van harde ionisatie die gekoppeld argonplasma gebruikt bij ongeveer 10.000 °C dat elektrisch geleidend is om de monstermoleculen te ioniseren.
Begin de instrumentopstelling door de ICP-fakkel te inspecteren om er zeker van te zijn dat deze schoon is.
Inspecteer vervolgens de sampler en skimmer-kegels om er zeker van te zijn dat deze ook schoon zijn. Deze kegels maken het mogelijk om alleen het binnenste gedeelte van de ionenbundel te bemonsteren die door de ICP-fakkel wordt gegenereerd en fungeren als een barrière voor het hoge vacuüm van de massaspectrometer.
Controleer de argondruk en start de koeler. Start het plasma en de vloeistofstroom in het systeem. Wacht 20 minuten tot het systeem volledig is opgewarmd.
Aspibeer vervolgens een standaardtestoplossing, die verschillende bekende elementaire standaarden bevat. De testoplossing moet worden geselecteerd om het verwachte massabereik van de analytoplossing te dekken.
Wanneer de oplossingstroom is vastgesteld, initialiseert en test u het instrument volgens de richtlijnen van de fabrikant.
Om het instrument te gebruiken, selecteert u eerst de elementen en isotopen van belang. Stel vervolgens de scanmodus in op peak hopping.
Selecteer vijf replica's per meting. Stel elke replica in om 40 meetveegslagen te bevatten, elke veegslag met een verblijftijd van 50 ms. De totale integratietijd is
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the three main components of a mass spectrometer?
A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts sample compounds into gas phase ions, usually with a single positive charge. The mass analyzer separates ions based on their mass-to-charge ratio, and the detector measures the relative abundance of each ion type to generate the mass spectrum.
Q2: How do hard and soft ionization techniques differ in mass spectrometry?
Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, producing many fragments of lower mass that aid in determining molecular structure. Soft ionization techniques result in little or almost no fragmentation, preserving high molecular mass ions. The choice depends on the analyte and desired fragmentation level, as excessive fragmentation can lose structural information while insufficient ionization may fail to detect small molecules.
Q3: What is the function of a magnetic sector in a mass analyzer?
A magnetic sector uses a curved magnet to produce a homogeneous magnetic field that separates ions based on their mass-to-charge ratio. Ions travel in a circular path determined by accelerating voltage, magnetic field strength, and m/z ratio. By scanning the magnetic field, specific ions reach the detector at different times, enabling precise identification of each species.
Q4: How does a quadrupole mass filter separate ions?
A quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods with alternating direct current voltages that keep the rod pairs out of phase. Ions travel through the center in a corkscrew-like path due to constant attraction and repulsion from the rods. Depending on mass-to-charge ratio, ions either traverse the full path to reach the detector or crash into the rods and are lost.
Q5: What role does inductively coupled plasma play in mass spectrometry analysis?
Inductively coupled plasma (ICP) is a hard ionization method using argon plasma at approximately 10,000°C to ionize sample molecules. The plasma dries aerosol droplets, dissociates molecules, and removes electrons from components for detection. ICP-MS is commonly used to detect and quantify metal elements in samples, such as iron in nanoparticles, with calibration curves principles and applications guiding quantitative analysis.
Q6: Why is sample preparation important before ICP-MS analysis?
Sample preparation removes contaminating trace elements and ensures proper sample digestion. Samples are treated with hydrochloric acid to remove iron contamination, then digested in concentrated nitric acid overnight. The digested sample is diluted to achieve ideal parts-per-billion concentration range and centrifuged to remove residues, ensuring accurate detection and quantification of target elements.
Q7: What are common applications of different mass spectrometry ionization methods?
Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) is a soft ionization technique used to analyze high molecular weight proteins by stabilizing molecules with a matrix. Electron ionization is a hard ionization technique for analyzing volatile and oxidation-sensitive compounds. Synchrotron radiation coupled with molecular beam mass spectrometry selectively ionizes gas phase molecules to explore their electronic structure.