Summary
Denne filmen presenterer en protokoll for massen spectrometrical analyse av flyktige og oksidasjons følsomme forbindelser under anvendelse av elektron-støt ionisering. Den presenterte teknikk er spesielt av interesse for uorganiske kjemikere, som arbeider med metall organyls, silaner eller phosphanes som må håndteres ved hjelp av inerte betingelser, som for eksempel Schlenk-teknikk.
Abstract
Denne filmen presenterer en protokoll for massen spectrometrical analyse av flyktige og oksidasjons følsomme forbindelser under anvendelse av elektron-støt ionisering. Analysen av flyktige og oksidasjons følsomme forbindelser ved massespektrometri er ikke enkelt å oppnå, da alle state-of-the-art massespektrometriske metoder krever i det minste en prøveprepareringstrinn, f.eks, oppløsning og fortynning av analytten (electro ionisering), co -crystallization av analytten med en matrise forbindelse (matriks-assistert laser desorpsjon / ionisering), eller overføring av de preparerte prøver inn i ionisering kilden massespektrometer, for å bli utført under atmosfæriske forhold. Her er anvendelse av en prøveinnløpssystemet beskrevet som muliggjør analyse av flyktige metall organyls, silaner og phosphanes ved hjelp av et felt sektor massespektrometer utstyrt med en elektron innvirkning ionisering kilde. Alle prøveprepareringstrinn og prøven innføres i ione-kilden tilmassespektrometer finne sted enten under luftfrie betingelser, eller under vakuum, slik at analysen av forbindelsene svært utsatt for oksidasjon. Den presenterte teknikk er spesielt av interesse for uorganiske kjemikere, som arbeider med metall organyls, silaner eller phosphanes, som må håndteres ved hjelp av inerte betingelser, som for eksempel Schlenk-teknikk. Prinsippet for driften er presentert i denne video.
Introduction
Analysen av forbindelser, for eksempel metall organyls, silaner eller phosphanes ved massespektrometri er ikke alltid mulig. Flere av disse forbindelser er kjent for å dekomponere raskt ved kontakt med luft. Derfor de mest avgjørende trinn ved måling av massespektra er prøvepreparering, overføring av analytten i den massespektrometer og ion-generering i fravær av luft. I denne protokollen beskriver vi en strategi for å oppfylle disse kravene, og presentere en innløpssystem, som gjør det mulig å oppnå massespektra av flyktige forbindelser som tidligere ikke å bli analysert ved massespektrometri på grunn av deres vanskelig håndtering og hurtig nedbrytning under omgivelsesbetingelser. Dermed entydig identifisering av nye eller eksisterende flyktige metall organyls, silaner og phosphanes, utsatt for oksidasjon eller hydrolyse, kan nå utføres med hjelp av massespektrometri. Det er to krav som må være oppfylt for å analysere forbindelser somer utsatt for oksydasjon eller hydrolyse: prøvepreparering og ion generering under inerte betingelser. Den siste forutsetning kan man tilfredsstille ved hjelp av et massespektrometer med en ione-kilde som opererer under vakuum. Dette er tilfelle med de fleste matrix-assistert-laser-desorpsjon / ionisering (MALDI) massespektrometre og med alle elektron innvirkning ionisering (EI) massespektrometre 1,2. Elektrospray ionisering (ESI) ikke er lett kompatible for analyse av forbindelser som er mottakelige for oksydasjon eller hydrolyse, som ionisering prosessen foregår under vanlige betingelser tre. Imidlertid, for noen forbindelser som reagerer ikke kraftig med oksygen eller vann, tørking og forstøvningsprosessen gass med hvilke de fleste ESI kilder er operert er tilstrekkelig for analyse ved massespektrometri 4. Dette er også tilfelle for ionisering strategier ligner ESI, f.eks, lav temperatur ESI, lav temperatur atmosfærisk trykk ionisering, og lav temperatur flytende sekundær ion masse spectrometry 5-7. I motsetning til dette er prøvepreparering og overføring i ionekilden under inerte betingelser mye mer utfordrende. Begge MALDI og ESI instrumenter har blitt kombinert med hanskebokser for å muliggjøre prøve fremstilling av forbindelser som er mottakelige for oksydering og / eller hydrolyse i en inert atmosfære 4,8. Den massespektrometer tilkobles hanskeboks enten med en overførings kapillar (ESI) eller direkte festet til hanskeboksen (MALDI). Koblingen av en hanskeboks til et massespektrometer via en overførings kapillær ville også være mulig å bruke en annen strategi ionisering - væskeinjeksjons feltdesorpsjonsmassespektrum / ionisering (LIFDI) - med hvilke analysen av følsomme forbindelser ble rapportert 9,10.
I tillegg MALDI og LIFDI er ikke egnet for analyse av meget flyktige forbindelser. MALDI krever ko-krystalliseringen av analytten med en matrise og LIFDI krever avsetning av analytten på en emitter fra en oppløsning. Med begge ionisering strategier er det svært sannsynlig at analytten vil fordampe sammen med oppløsningsmidlet. I motsetning til MALDI instrumenter, EI massespektrometre vanligvis gir flere metoder for å innføre prøven i ionekilden: den direkte innløps probe (små mengder av faste stoffer, oljer eller voks er satt inn på en aluminium-digel som er innført ved hjelp av en skyve-stang) , et septum innløps (for væske), eller kobling med en gasskromatograf. Igjen, i det minste en del av prøven overføringen finner sted under vanlige betingelser, og er vanskelig å utføre under en inert atmosfære.
I 1960-årene ble en prøve innløpssystem presenteres som muliggjør innføring av prøvene under vakuum i ionekilden av en EI instrument - alt-glass oppvarmet innløpssystem (AGHIS) 11,12. Her, prøven ble plassert inne i en forseglet stykke glass kapillær, som ble satt inn i AGHIS. Deretter ble AGHIS evakuertog glassbeholderen med prøven ble brutt. Den AGHIS ble deretter oppvarmet for å fordampe prøven som nådde ionekilden av en EI massespektrometer ved hjelp av en lekkasje. Når glasset kapillær med prøven ble fremstilt i en hanskeboks, kan prøven bli introdusert i massespektrometeret uten kontakt med luft. Imidlertid er AGHIS et apparat som ikke er kommersielt tilgjengelige og vanskelige å montere, selv for en erfaren glassblower verksted. På grunn av de store dimensjonene bytte mellom direkte innløp ved hjelp av en push rod og AGHIS er ikke rett frem.
I vår massespektrometri lab, utviklet vi en lignende Inntaket i stil med den AGHIS. Men, som det ikke er mulig å varme innløpssystemet, har analytten til å vise en viss flyktighet for å gå inn i ionekilden i massespektrometeret. Svingningene av analytten må være tilstrekkelig, for å tillate overføring av forbindelsen under vakuum ved flytende nitrogen temperature - enten ved koking eller sublimering. Den skreddersydd innløpssystem består av en rustfri stålplate, som er plassert ved den direkte innløpssystem, et rustfritt stålrør med en nåleventil, og en flens, til hvilken kan festes en låsbar testrør inneholdende prøven. Installasjonen av den kalde inntakssystemet krever ingen endringer i massespektrometer (Autospec X, Vakuum Generatorer, nå Waters Corp, Manchester, UK) - veksling mellom kulde inntakssystemet og direkte innløp ved hjelp av en skyvestang kan lett gjøre i løpet av sekunder.
Den presenterte innløpssystemet er av spesiell nytte når metall organyls, silaner eller phosphanes, som er mottakelige for oksydasjon eller hydrolyse, må analyseres. Disse forbindelser er vanligvis analysert ved hjelp av kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi og infrarød (IR) spektroskopi. Dessverre er disse metoder tillater ikke alltid for en entydig identifikasjon av en forbindelse, fordi de gir incomplete informasjon, for eksempel ved elementer slik som klor eller brom er en del av molekylet. Gass elektrondiffraksjon på den annen side er i stand til å gi detaljert informasjon om analytten, er imidlertid fremgangsmåten meget tidkrevende, er prøvepreparering vanskelig, og bare få grupper er i stand til å gjennomføre disse analyser 13,14. Her er den kalde innløpssystem for analyse av metall organyls, silaner eller phosphanes, mottakelige for oksydasjon eller hydrolyse av EI massespektrometri til stor nytte for (i) organiske kjemikere muliggjør at entydig identifisering av nye forbindelser ved å forsyne dem med informasjon vedrørende massen til et molekyl og av karakteristiske fragmentioner. Den eneste forutsetning for måling av masse-spektra for en substans er en viss flyktighet ved reduserte trykk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Prøvepreparering
- Bruk skreddersydd låsbare reagensrør med en flens (figur 1) for transport og overføring av prøvene inn i det massespektrometer. Før den fylles med prøven, og å evakuere de låsbare prøverør festet til et multiplum manifold Schlenk-linjen og fjerne gjenværende vann ved oppvarming med en varmepistol. Luft reagensrør med tørr Argon og evakuere igjen, mens oppvarming.
- Dypp låsbar reagensrør i en kald felle fylt med flytende nitrogen (FORSIKTIG: Vær forsiktig når du arbeider med flytende nitrogen). Kondensere prøven i testrøret fra en prøvebeholder er festet til en manifold i Schlenk-linjen, lukke låsen på toppen av prøverøret, så vel som i manifolden, og fjerne den låste testrøret fra nitrogen-bad. Som massespektrometri er svært følsom, er en liten mengde som er tilstrekkelig. Mesteparten av analytten vil forbli i det låsbare testrør under analysen, og er tilgjengelig for videre eksperimenteretter målingen.
Figur 1. Låsbar test rør som brukes for overføring av prøver. A) flens for feste til den kalde innløpssystemet, til (B) Teflon kranen på prøverøret mulig transport av en forbindelse under luftfrie betingelser, (C) skrue for å drive Teflon springen.
2. Måling av Mass Spectra
- Før prøve måling, tune og kalibrere massespektrometer i henhold til instruksjonene fra produsenten av massespektrometer (her, er en Autospec X (Vakuum Generatorer, nå Waters Corp, Manchester, UK) brukes. Bruk perflourokerosene (PFK) som en standard og tune massespektrometer til en oppløsning på ca 2800 ved m / z 119, 10% dal definisjon). Fjern pushstang av den direkte innløp fra ionekilden og installere den ytre grensesnitt for testrøret (figur 2). For å unngå oppvarming av den trykkstangtoppen, sett innløps metode for å "septum" i styreprogramvaren til massespektrometer.
- Koble flensen for låsbart prøverøret er fylt med prøven til det ytre interface. Åpne nåleventilen av den ytre grensesnitt og evakuere innløpet. Etter evakuering, åpnes forsiktig kuleventilen til ionekilden til å fullføre evakueringstrinnet. Lukk nåleventilen av den ytre grensesnitt. FORSIKTIG: Teflon springen på prøverøret må være stengt i dette trinnet.
- Start en massemåling i programvaren til massespektrometer. Med lukket nåleventil, åpner Teflon kranen på prøverøret, meget kort, slik at gassfasemolekyler av analytten til å gå inn i ytre del av grensesnittet. Lukk Teflon kranen igjen.
NB: Den ytre del av grensesnitt sammen med mellomrommet mellom TEFLpå trykk og flensen av den låsbare testrør (sammenlign figur 1 og 2B) tjener som en analytt gassreservoar under analysen. - Åpner nåleventilen forsiktig mens observere vakuummåler av ionekilden. Dette trinnet tillater analytt molekyler å komme inn i ionekilden i massespektrometeret. Vakuumet bør ikke falle under 10 -5 mbar under målingen.
MERK: Avhengig av volatiliteten av analytten massespektra av god kvalitet oppnås ved ca 10 -6 mbar. Massespekteret av prøven er nå registrert. Vanligvis er den mengde prøve lekker inn i apparatet gjennom nåleventilen er tilstrekkelig til å ta opp massespektra i flere minutter. I tilfelle intensiteten av ionene reduseres, åpnes nåleventilen litt mer sørger for mer fangsten. Hvis kvaliteten av den massespektra tatt opp ved 70 eV er ikke tilfredsstillende, kan massespektra tas opp ved hjelp av lavere kinetiske energier ielektroner, f.eks, 20 eV.
Figur 2. Kald inntakssystem med tom låsbar testrør utstyrt til ionekilden av et VG Autospec X. A) Låsbar testrør, (B) flensforbindelse mellom testrøret en kald innløpssystemet, (C) nåleventil, (D) rustfrie stålplater med tetning som forbindelse til ionekilden, (E)-grensesnitt av den direkte innløp, det keramiske spissen av skyvestangen er synlig.
3. Etter målingen
- Lukk nåleventilen av den ytre grensesnitt. Lukke kuleventilen til ionekilden. Stoppe oppkjøpet av massespektra i programvaren.
- Evakuer inntakssystemet under åpning nåleventilen helt. Vent grensesnittet mens ballventilen og nåleventilen er lukket. Evakuere grensesnittet igjen, åpner nåleventilen i dette trinnet for å fjerne gjenværende prøven damp i grensesnittet. Gjenta dette trinnet minst 3x.
- Fjern det låsbare testrør fra grensesnittet. Fortsett med neste prøve eller fjerne den ytre grensesnittet fra flensen på ionekilden og erstatte den med push rod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En EI massespektrum av tris (trifluormetyl) phosphane er presentert i figur 3, en forbindelse som dekomponerer hurtig ved kontakt med luft (figur 4). Den presenterte grensesnittet gjør det mulig for rett frem måling av masse-spektra for disse forbindelser. Driften av den nye grensesnitt er enkel og rask, og utgjør ingen hindring ved betjening av massespektrometer med rutinemessig anvendt direkte innløp ved hjelp av støtstangen.
Figur 3. Mass spekteret av tris (trifluoromethyl) phosphane. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. (A) Lagring fartøy fylt med tris (trifluoromethyl) phosphane. (B) beholder fylt med en liten mengde av tris (trifluormetyl) phosphane. (C) Ved kontakt med luft antennes tris (trifluormetyl) phosphane spontant. (Foto med tillatelse fra Dr. J. Bader.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Oppkjøpet av massespektra fra forbindelser som brytes ned under standard prøveopparbeidelse prosedyrer er presentert i denne protokollen. Den presenterte teknikk er utviklet for analyse av metall organyls, silaner og phosphane, som er svært utsatt for oksidasjon og / eller hydrolyse, noe som gjør den interessant spesielt for uorganiske kjemikere. For å oppnå optimale resultater, vakuum eller luftfrie forhold må bli bevart gjennom hele analysen. Derfor protokollen bør følges nøye. Dersom analytten kommer i kontakt med luft på grunn av lekkasjer i eller feil håndtering av innløpssystemet, kan alvorlige konsekvenser som eksplosjonen av prøvebeholderen være tilfelle, avhengig av forbindelsen som skal analyseres (figur 4). Prøveopparbeidelse bør også kun utføres av fagpersonell som brukes til å jobbe med Schlenk linjer, som de kan implodere pga dårlig produsert glass ware når under vakuum. Eksplosjoner might være forårsaket av kontakt mellom reaktive forbindelser med luft, som kommer inn i Schlenk-linjen på grunn av dårlig håndtering. Faren for flytende oksygen, fryses ut fra inerte gassurenheter i en kuldefelle, bør også tas i betraktning. Kontakt mellom en hvilken som helst (i) organisk forbindelse med flytende oksygen kan føre til kraftige reaksjoner forårsaker eksplosjon av Schlenk-linjen. I løpet av analysen av trykket i ionekilden av massespektrometer bør observeres nøye, som for høyt trykk i ionekilden kan resultere i skade på instrumentet.
Som med flyktige metall organyls, svært utsatt for oksidasjon og / eller hydrolyse, silaner og phosphane er sjelden eller umulig å analysere ved hjelp av state-of-the-art massespektrometre med ESI eller MALDI ionekilder, hvor prøveopparbeidelse og ionisering blir ofte utført under atmosfæriske forhold. Her presenterer den kalde innløpssystemet en verdifull forlengelse av de eksisterende metoder for innføring analytt. Men den kalde innløpsSystemet er ikke kompatibel med ESI og MALDI ionekilder, da det gir en strøm av gassformet analytt til ionisering kilden, mens ESI krever en strøm av analytt-oppløsning og MALDI analytt ko-krystallisert med matrisen til frembringelse av ioner. Ettersom hver ionisering strategi har EI også en ulempe - på grunn av den høye energi for elektronstrålen, fragmentations forekommer ofte. Avhengig av arten av analytten kan dette resultere i fravær av et molekylært ion. Imidlertid kan analytten bli identifisert ved hjelp av de fragmentioner, spesielt når den medfølgende forbindelsen er av høy renhetsgrad. For en entydig identifikasjon, har rute for syntese for å være kjent i dette tilfellet. For forbindelser hvor den molekylære ion er tilstede i massespektrum, kan fragmentioner anvendes for å bekrefte strukturen av molekylet. På grunn av utformingen av den kalde innløpssystemet, blir presentert strategi begrenset til forbindelser med en viss flyktighet. Svingningene av analytten må være tilstrekkelig, til enllow for overføringen av forbindelsen under vakuum ved flytende nitrogentemperatur - enten ved koking eller sublimering. Forbindelser med for lavt damptrykk vil ikke gi høykvalitets massespektra. Crosstalk mellom enkeltmassemålinger er sjelden observert og kan reduseres ytterligere ved å pumpe ut inntakssystemet nøye.
Generelt, kan målingene bli utført med enhver massespektrometer utstyrt med en EI ionekilde og direkte innløpssystem. Den presenterte kald inntakssystemet er operativt i løpet av sekunder og krever ingen endringer på massespektrometer. Imidlertid har grensesnitt av den kalde innløpssystemet for å være skreddersydde, i henhold til dimensjonene av de eksisterende viker av den brukte EI massespektrometer. Avhengig av egenskapene til tilgjengelige massespektrometer, kan flere eksperimenter skal utføres, for eksempel nøyaktige masse målinger for bestemmelse eller bekreftelse av elementære komposisjoner eller masse analysert ion-kinetic-energi spektrometri (MIKES) for klarlegging av fragmentering trasé. Derfor representerer den kalde innløpssystemet en ytterligere prøveinnløpet formasjonen ved siden av rutinemessig brukt direkte innløp ved hjelp av en skyvestang i EI massespektrometri.
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).
