Artykuł metodologiczny

Analiza związków lotnych i wrażliwych na utlenianie przy użyciu systemu zimnego wlotu i spektrometrii mas z uderzeniem elektronów

DOI:

10.3791/51858

⸱

5 września 2014

1Department of Chemistry, Institute of Organic Chemistry, Bielefeld University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten film przedstawia protokół do analizy spektrometrycznej mas związków lotnych i wrażliwych na utlenianie za pomocą jonizacji uderzeniowej elektronów. Przedstawiona technika jest szczególnie interesująca dla chemików nieorganicznych, pracujących z metalami organicznymi, silanami lub fosfanami, z którymi należy obchodzić się w warunkach obojętnych, takich jak technika Schlenka.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten film przedstawia protokół do analizy spektrometrycznej mas związków lotnych i wrażliwych na utlenianie za pomocą jonizacji uderzeniowej elektronów. Analiza związków lotnych i wrażliwych na utlenianie za pomocą spektrometrii mas nie jest łatwa do osiągnięcia, ponieważ wszystkie najnowocześniejsze metody spektrometrii mas wymagają co najmniej jednego etapu przygotowania próbki, np. rozpuszczenia i rozcieńczenia analitu (jonizacja elektronrozpylająca), kokrystalizacji analitu ze związkiem matrycowym (desorpcja/jonizacja laserowa wspomagana matrycą) lub przeniesienia przygotowanych próbek do źródła jonizacji spektrometru masowego, do przeprowadzenia w warunkach atmosferycznych. W tym miejscu opisano zastosowanie systemu wlotu próbki, który umożliwia analizę lotnych organyli, silanów i fosfanów metali za pomocą sektorowego spektrometru masowego wyposażonego w źródło jonizacji uderzeniowej elektronów. Wszystkie etapy przygotowania próbki i wprowadzenie próbki do źródła jonów spektrometru masowego odbywają się w warunkach bezpowietrznych lub w próżni, co umożliwia analizę związków wysoce podatnych na utlenianie. Przedstawiona technika jest szczególnie interesująca dla chemików nieorganicznych, pracujących z organylami metali, silanami lub fosfanami, z którymi należy obchodzić się w warunkach obojętnych, takich jak technika Schlenka. Zasada działania jest przedstawiona w tym filmie.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Analiza związków, takich jak metaloorgany, silany czy fosfany, za pomocą spektrometrii mas nie zawsze jest możliwa. Wiadomo, że kilka z tych związków szybko rozkłada się w kontakcie z powietrzem. Dlatego najważniejszymi etapami pomiaru widm masowych są przygotowanie próbki, przeniesienie analitu do spektrometru mas i wytwarzanie jonów przy braku dostępu powietrza. W niniejszym protokole opisujemy strategię mającą na celu spełnienie tych wymagań i przedstawiamy system wlotowy, który umożliwia uzyskanie widm masowych związków lotnych, które wcześniej nie były analizowane za pomocą spektrometrii mas ze względu na ich trudną obsługę i szybki rozkład w warunkach otoczenia. W ten sposób za pomocą spektrometrii mas można teraz jednoznacznie zidentyfikować nowe lub istniejące lotne organyle metali, silany i fosfany, podatne na utlenianie lub hydrolizę. Istnieją dwa wymagania, które muszą być spełnione, aby można było analizować związki podatne na utlenianie lub hydrolizę: przygotowanie próbki i wytwarzanie jonów w warunkach obojętnych. Ostatnią przesłankę można łatwo spełnić za pomocą spektrometru mas ze źródłem jonów działającym w próżni. Dzieje się tak w przypadku większości spektrometrów mas z matrycą wspomaganą desorpcją/jonizacją laserową (MALDI) oraz wszystkich spektrometrów masowych z jonizacją przy uderzeniu elektronów (EI)1,2. Jonizacja elektronatryskowa (ESI) nie jest łatwo kompatybilna z analizą związków podatnych na utlenianie lub hydrolizę, ponieważ proces jonizacji zachodzi w warunkach otoczenia3. Jednak w przypadku niektórych związków, które nie reagują gwałtownie z tlenem lub wodą, gaz suszący i nebulizujący, z którym pracuje większość źródeł ESI, jest wystarczający do analizy za pomocą spektrometrii mas4. Dotyczy to również strategii jonizacji podobnych do ESI, np. niskotemperaturowej ESI, niskotemperaturowej jonizacji pod ciśnieniem atmosferycznym i niskotemperaturowej spektrometrii mas ciekłych jonów wtórnych5-7. Natomiast przygotowanie próbki i przeniesienie jej do źródła jonów w warunkach obojętnych jest znacznie trudniejsze. Zarówno instrumenty MALDI, jak i ESI zostały sprzężone z komorami rękawicowymi, aby umożliwić przygotowanie próbek związków podatnych na utlenianie i/lub hydrolizę w atmosferze obojętnej4,8. Spektrometr mas jest połączony z komorą rękawicową za pomocą kapilary transferowej (ESI) lub bezpośrednio podłączony do schowka rękawicowego (MALDI). Sprzężenie komory rękawicowej ze spektrometrem mas za pomocą kapilary transferowej byłoby również możliwe przy użyciu innej strategii jonizacji – desorpcji/jonizacji pola wtrysku cieczy (LIFDI) – za pomocą której przedstawiono analizę wrażliwych związków9,10.

Dodatkowo, MALDI i LIFDI nie nadają się do analizy wysoce lotnych związków. MALDI wymaga kokrystalizacji analitu z matrycą, a LIFDI wymaga osadzenia analitu na emiterze z roztworu. Przy obu strategiach jonizacji jest bardzo prawdopodobne, że analit wyparuje wraz z rozpuszczalnikiem. W przeciwieństwie do instrumentów MALDI, spektrometry mas EI zwykle oferują kilka metod wprowadzania próbki do źródła jonów: sonda z bezpośrednim wlotem (niewielkie ilości ciał stałych, olejów lub wosków są osadzane w aluminiowym tyglu, który jest wprowadzany za pomocą popychacza), wlot przegrody (dla cieczy) lub sprzężenie z chromatografem gazowym. Ponownie, przynajmniej część przenoszenia próbki odbywa się w warunkach otoczenia i jest trudna do przeprowadzenia w atmosferze obojętnej.

W latach sześćdziesiątych zaprezentowano system wlotu próbek, który umożliwia wprowadzanie próbek w próżni do źródła jonów przyrządu EI - całkowicie szklanego podgrzewanego systemu wlotowego (AGHIS)11,12. W tym przypadku próbka znajdowała się wewnątrz szczelnie zamkniętego kapelary szklanej, która została włożona do AGHIS. Następnie AGHIS został ewakuowany, a szklany pojemnik z próbką został rozbity. AGHIS został następnie podgrzany w celu odparowania próbki, która w wyniku nieszczelności dotarła do źródła jonów spektrometru mas EI. Gdy szklana kapilara z próbką została przygotowana w komorze rękawicowej, próbkę można było wprowadzić do spektrometru mas bez kontaktu z powietrzem. Jednak AGHIS jest urządzeniem, które nie jest dostępne na rynku i trudne do złożenia nawet dla wykwalifikowanego warsztatu dmuchaczy szkła. Ze względu na duże wymiary, przełączanie między bezpośrednim wlotem za pomocą popychacza a AGHIS nie jest proste.

W naszym laboratorium spektrometrii mas opracowaliśmy podobny system wlotowy w stylu AGHIS. Ponieważ jednak nie jest możliwe podgrzanie układu wlotowego, analit musi wykazywać pewną lotność, aby dostać się do źródła jonów spektrometru masowego. Lotność analitu musi być wystarczająca, aby umożliwić przeniesienie związku pod próżnię w temperaturze ciekłego azotu – albo przez wrzenie, albo przez sublimację. Wykonany na zamówienie system wlotowy składa się z płyty ze stali nierdzewnej, która jest umieszczona w systemie bezpośredniego wlotu, rurki ze stali nierdzewnej z zaworem iglicowym oraz kołnierza, do którego można przymocować zamykaną probówkę zawierającą próbkę. Instalacja systemu zimnego wlotu nie wymaga żadnych modyfikacji spektrometru mas (Autospec X, Vacuum Generators, obecnie Waters Corp., Manchester, Wielka Brytania) – przełączanie między systemem zimnego wlotu a bezpośrednim wlotem za pomocą popychacza można łatwo wykonać w ciągu kilku sekund.

Prezentowany system dolotowy jest szczególnie przydatny, gdy konieczne jest analizowanie metaloorganicznych, silanów lub fosfanów, podatnych na utlenianie lub hydrolizę. Związki te są powszechnie analizowane za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) lub spektroskopii w podczerwieni (IR). Niestety, metody te nie zawsze pozwalają na jednoznaczną identyfikację związku, ponieważ dają niepełne informacje, np. gdy w skład cząsteczki wchodzą takie pierwiastki jak chlor czy brom. Z drugiej strony dyfrakcja elektronów w gazie jest w stanie dostarczyć szczegółowych informacji o analicie, jednak metoda jest bardzo czasochłonna, przygotowanie próbki jest trudne i tylko kilka grup jest w stanie przeprowadzić tę analizę13,14. W tym przypadku system zimnego wlotu do analizy metali organicznych, silanów lub fosfanów, podatnych na utlenianie lub hydrolizę za pomocą spektrometrii mas EI, jest bardzo przydatny dla chemików (nie)organicznych, umożliwiając jednoznaczną identyfikację nowych związków poprzez dostarczanie im informacji dotyczących masy cząsteczki i charakterystycznych jonów fragmentacyjnych. Jedynym warunkiem wstępnym pomiaru widm masowych substancji jest pewna lotność przy obniżonym ciśnieniu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki

  1. Do transportu i przenoszenia próbek do spektrometru masowego należy używać specjalnie zaprojektowanych zamykanych probówek z kołnierzem (rysunek 1). Przed napełnieniem próbki opróżnij zamykane probówki podłączone do wielokolektorowej linii Schlenka i usuń resztki wody poprzez podgrzanie opalarką. Przewietrz probówkę suchym argonem i ponownie opróżnij, podczas podgrzewania.
  2. Zanurz zamykaną probówkę w zimnej wymrażarce wypełnionej ciekłym azotem (UWAGA: Zachowaj ostrożność podczas pracy z ciekłym azotem). Skondensować próbkę do probówki z pojemnika na próbkę przymocowanego do kolektora linii Schlenka, zamknąć zamek na górze probówki oraz kolektora i wyjąć zablokowaną probówkę z kąpieli azotowej. Ponieważ spektrometria mas jest bardzo czuła, wystarczy niewielka ilość. Większość analitu pozostanie w zamykanej probówce podczas analizy i jest dostępna do dalszych eksperymentów po pomiarze.

figure-protocol-1
Rysunek 1. Zamykana probówka służąca do przenoszenia próbek. A) Kołnierz do mocowania do układu dolotowego zimna, (B) Kranik teflonowy probówki umożliwiający transport związku w warunkach bezpowietrznych, (C) Śruba do obsługi kranu teflonowego.

2. Pomiar widm masowych

  1. Przed pomiarem próbki należy dostroić i skalibrować spektrometr masowy zgodnie z instrukcjami dostarczonymi przez producenta spektrometru mas (w tym przypadku używany jest Autospec X (Generatory podciśnienia, obecnie Waters Corp., Manchester, Wielka Brytania). Użyj perflourokerosenu (PFK) jako standardu i dostrój spektrometr masowy do rozdzielczości ok. 2,800 przy m/z 119, 10% definicja doliny). Wyjmij popychacz bezpośredniego wlotu ze źródła jonów i zainstaluj zewnętrzny interfejs probówki (rysunek 2). Aby zapobiec nagrzewaniu się końcówki popychacza, ustaw metodę wlotową na "przegrodę" w oprogramowaniu sterującym spektrometru mas.
  2. Podłączyć kołnierz zamykanej probówki wypełnionej próbką do zewnętrznego interfejsu. Otwórz zawór iglicowy interfejsu zewnętrznego i opróżnij wlot. Po opróżnieniu ostrożnie otwórz zawór kulowy do źródła jonów, aby zakończyć etap ewakuacji. Zamknij zawór iglicowy interfejsu zewnętrznego. UWAGA: Na tym etapie należy zamknąć teflonowy kran probówki.
  3. Rozpocznij pomiar masy w oprogramowaniu spektrometru mas. Przy zamkniętym zaworze iglicowym bardzo krótko otwórz teflonowy kran probówki, umożliwiając cząsteczkom fazy gazowej analitu wejście do zewnętrznej części interfejsu. Ponownie zamknij kran teflonowy.
    UWAGA: Zewnętrzna część interfejsu wraz z przestrzenią między kranem teflonowym a kołnierzem zamykanej probówki (porównaj rysunki 1 i 2B) służy jako zbiornik gazu analitowego podczas analizy.
  4. Ostrożnie otwórz zawór iglicowy, obserwując wakuometr źródła jonów. Ten krok umożliwia cząsteczkom analitu przedostanie się do źródła jonów spektrometru masowego. Podczas pomiaru podciśnienie nie powinno spaść poniżej 10-5 mbar.
    UWAGA: W zależności od lotności analitu dobrej jakości widma masowe uzyskuje się przy około 10-6 mbar. Widmo masowe próbki jest teraz rejestrowane. Zwykle ilość próbki przeciekającej do instrumentu przez zawór iglicowy jest wystarczająca do rejestrowania widm masowych przez kilka minut. W przypadku, gdy intensywność jonów spada, nieco większe otwarcie zaworu iglicowego pozwala na dłuższy czas akwizycji. Jeśli jakość widm masowych zarejestrowanych przy 70 eV nie jest zadowalająca, widma masowe mogą być rejestrowane przy niższych energiach kinetycznych elektronów, np. 20 eV.

figure-protocol-2
Rysunek 2. System zimnego wlotu z pustą, zamykaną probówką zamontowaną na źródle jonów VG Autospec X. A) Zamykana probówka, (B) połączenie kołnierzowe między probówką a zimnym układem wlotowym, (C) zawór iglicowy, (D) płyta ze stali nierdzewnej z uszczelką jako połączenie ze źródłem jonów, (E) interfejs bezpośredniego wlotu, widoczna jest ceramiczna końcówka popychacza.

3. Po pomiarze

  1. Zamknij zawór iglicowy interfejsu zewnętrznego. Zamknij zawór kulowy do źródła jonów. Zatrzymaj pobieranie widm masowych w oprogramowaniu.
  2. Opróżnij układ dolotowy, całkowicie otwierając zawór iglicowy. Odpowietrzyć interfejs, gdy zawór kulowy i zawór iglicowy są zamknięte. Ponownie opróżnij interfejs, otwórz zawór iglicowy na tym etapie, aby usunąć resztki pary próbki z interfejsu. Powtórz ten krok co najmniej 3 razy.
  3. Wyjmij zamykaną probówkę z interfejsu. Kontynuuj z następną próbką lub usuń zewnętrzną powierzchnię styku z kołnierza źródła jonów i zastąp ją popychaczem.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Widmo masowe EI tris(trifluorometylo)fosfanu jest przedstawione na rysunku 3, związku, który szybko rozkłada się w kontakcie z powietrzem (Rysunek 4). Prezentowany interfejs pozwala na prosty pomiar widm masowych dla tych związków. Obsługa nowatorskiego interfejsu jest łatwa i szybka i nie stanowi przeszkody podczas obsługi spektrometru mas z rutynowo stosowanym bezpośrednim wlotem za pomocą popychacza.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pozyskiwanie widm masowych ze związków, które rozkładają się w standardowych procedurach przygotowania próbek, przedstawiono w niniejszym protokole. Prezentowana technika przeznaczona jest do analizy metali organicznych, silanów i fosfanów, które są wysoce podatne na utlenianie i/lub hydrolizę, co czyni ją interesującą szczególnie dla chemików nieorganicznych. Aby osiągnąć optymalne wyniki, przez cały czas trwania analizy muszą być zachowane warunki próżni lub powietrza. Dlatego należy skrupulatnie przestrzegać protokołu...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

JS zawdzięczamy prof. B. Hoge'owi z wydziału chemii nieorganicznej Uniwersytetu w Bielefeld pomysł stworzenia prezentowanego systemu dolotowego. Analizowany fosfan był hojnym darem prof. B. Hoge. Preparatyką próbki analizowanego związku zajął się M. Wiesemann. Fotografie fospanu wykonał dr J. Bader. Warsztat mechaniczny Wydziału Chemicznego jest uznany za produkcję interfejsu, a warsztat szklarski Wydziału Chemii za produkcję zamykanych probówek z kołnierzami. Prof. B. Hoge i prof. H. Gröger są ufundowani za autorów tej publikacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
VG Autospec XMicromass Co. UK Ltd (obecnie Waters)Inne spektrometry mas EI z bezpośrednim wlotem za pomocą popychacza również powinny być kompatybilne z tą techniką
Zamykane probówki z kołnierzemDo zablokowania probówki należy użyć wykonanego na zamówienie, teflonowego kranu
Interfejs do zamykanych probówekWykonany na zamówienie, interfejs przygotowany jest ze stali nierdzewnej. Zawór iglicowy musi być uwzględniony w projekcie interfejsu!
SchlenkWykonana na zamówienie, musi zawierać pompę próżniową do opróżniania najmniejszych rurek oraz wymrażarkę z ciekłym azotem do wychwytywania próbki
Linia

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Field, F. H., Franklin, J. L. Electron Impact phenomena and the Properties of Gaseous Ions Revised Edition. , Academic Press. (1957).
  2. Schaeffer, O. A. An Improved Mass Spectrometer Ion Source. Rev. Sci. Instrum. 25, 660-662 (1954).
  3. Yamashita, M., Fenn, J. B. Electrospray Ion Source - Another Variation of the Free-Jet Theme. J. Phys. Chem. 88, 4451-4459 (1984).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Gross, J. H., et al. Liquid injection field desorption/ionization of reactive transition metal complexes. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 386, 52-58 (2006).
  11. Peterson, L. Mass Spectrometer All-Glass Heated Inlet. Analytical Chemistry. 34, 1850-1851 (1962).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza zwi zk w lotnychprzygotowanie pr bek w warunkach oboj tnychtechnika Schlenkaanaliza organometalianaliza silan wanaliza fosfan wspektrometr mas z analizatorem sektorowym

Powiązane artykuły