Summary
Denne video præsenterer en protokol for massen spectrometrical analyse af flygtige og oxidationsfølsomme forbindelser under anvendelse af elektron virkning ionisering. De præsenterede teknik er især interessant for uorganiske kemikere, der arbejder med metal organyls, silaner eller phosphanes som skal håndteres med inerte betingelser, såsom Schlenk-teknik.
Abstract
Denne video præsenterer en protokol for massen spectrometrical analyse af flygtige og oxidationsfølsomme forbindelser under anvendelse af elektron virkning ionisering. Analysen af flygtige og oxidationsfølsomme forbindelser ved massespektrometri er ikke let at opnå, da alle state-of-the-art massespektrometriske metoder kræver mindst én prøve forberedelse trin, fx opløsning og fortynding af analysanden (elektrosprayionisering), samarbejde -crystallization af analysanden med en matrix forbindelse (matrix-assisteret laser desorption / ionisering) eller overførsel af de præparerede prøver i ioniseringskilde massespektrometrets, der skal udføres under atmosfæriske betingelser. Her er brugen af en prøve indsugningssystem beskrevet som muliggør analysen af flygtige metal organyls, silaner og phosphanes anvender et felt sektor massespektrometer udstyret med en elektron impact ionisering kilde. Alle prøveforberedelse skridt og introduktion prøven i ion-kildemassespektrometer finde sted enten under luftfrie betingelser eller under vakuum, således at analysen af forbindelser stærkt modtagelige for oxidation. De præsenterede teknik er især interessant for uorganiske kemikere, der arbejder med metal organyls, silaner eller phosphanes, som skal håndteres med inerte betingelser, såsom Schlenk-teknik. Princippet om operationen er præsenteret i denne video.
Introduction
Analysen af forbindelser, såsom metal organyls, silaner eller phosphanes ved massespektrometri er ikke altid muligt. Adskillige af disse forbindelser er kendt for at nedbrydes hurtigt ved kontakt med luft. Derfor den mest afgørende skridt, når måling massespektre er prøveforberedelse, overførsel af analysanden i massespektrometer og ion-generation i tilstedeværelse af luft. I denne protokol, beskriver vi en strategi for at opfylde disse krav, og fremlægge en fjord-system, som gør det muligt at opnå massespektre af flygtige forbindelser ikke tidligere, der skal analyseres ved massespektrometri på grund af deres vanskelige håndtering og hurtig nedbrydning under omgivende betingelser. Derved entydig identifikation af nye eller eksisterende flygtige metal organyls, silaner og phosphanes, der er modtagelige for oxidation eller hydrolyse, kan nu udføres med bistand fra massespektrometri. Der er to krav, der skal opfyldes for at analysere forbindelser, somer modtagelige for oxidation eller hydrolyse: prøve forberedelse og ion generation under inerte betingelser. Den sidste forudsætning let kan opfyldes ved hjælp af et massespektrometer med en ionkilde, der opererer under vakuum. Dette er tilfældet med de fleste matrix-assisteret laser-desorption / ionisering (MALDI) massespektrometre og med alle elektron impact ionisering (EI) massespektrometre 1,2. Elektrospray (ESI) ikke umiddelbart kompatible til analyse af forbindelser, der er modtagelige for oxidation eller hydrolyse, som ionisering foregår under omgivelsesbetingelser 3. Men for nogle forbindelser, som reagerer ikke kraftigt med oxygen eller vand, tørring og forstøvning af gas, som de fleste ESI kilder drives tilstrækkeligt til analyse ved massespektrometri 4. Dette er også tilfældet for Ionisering strategier svarende til ESI, fx lav temperatur ESI, lav temperatur atmosfærisk tryk ionisering, og lav temperatur flydende sekundær ion masse spectrometry 5-7. I modsætning hertil prøveforberedelse og overførsel til ionkilden under inerte betingelser er meget mere udfordrende. Både MALDI og ESI instrumenter er blevet kombineret med handskebokse for at muliggøre prøveforberedelse af forbindelser, der er modtagelige for oxidation og / eller hydrolyse i en indifferent atmosfære 4,8. Den massespektrometer grænseflader til handskerummet enten med en overførsel kapillær (ESI) eller direkte fastgjort til handskerummet (MALDI). Koblingen af en handskerummet til et massespektrometer via en overførsel kapillær vil også være muligt at bruge en anden ionisering strategi - flydende felt indsprøjtning desorption / ionisering (LIFDI) - med hvilken analysen af følsomme forbindelser blev rapporteret 9,10.
Derudover MALDI og LIFDI ikke er egnede til analyse af stærkt flygtige forbindelser. MALDI kræver co-krystallisering af analysanden med en matrix og LIFDI kræver aflejring af analytten på en emitter fra en opløsning. Med både ionisering strategier er det meget sandsynligt, at analysanden vil fordampe sammen med opløsningsmidlet. I modsætning til MALDI instrumenter, EI massespektrometre normalt tilbyde flere metoder til at indføre prøven i ionkilden: den direkte indløb sonde (små mængder af faste stoffer, olier eller voks er deponeret i en aluminium smeltedigel, der indføres ved hjælp af en stødstang) , en skillevæg indløb (for væsker) eller kobling med en gaskromatograf. Igen, i det mindste en del af prøven overførslen finder sted under omgivelsesbetingelser og er vanskelig at udføre under en inert atmosfære.
I 1960'erne blev en prøve indsugningssystem præsenteret som muliggør indførelse af prøver under vakuum i ionkilden af et EI instrument - alle glas opvarmet indsugningssystem (AGHIS) 11,12. Her blev prøven placeret i en forseglet stykke glas kapillarrør, som blev indsat i AGHIS. Efterfølgende blev AGHIS evakueretog glasbeholderen med prøven blev brudt. Den AGHIS blev derefter opvarmet for at fordampe prøven, som nåede ionkilde af et EI massespektrometer ved hjælp af en lækage. Når kapillarrøret med prøven blev fremstillet i en handskekasse, kan prøven indføres i massespektrometret, uden kontakt med luft. Men AGHIS er et apparat, som ikke er kommercielt tilgængelige og vanskelig at samle selv for en dygtig glaspuster værksted. På grund af de store dimensioner skifte mellem direkte indløb ved hjælp af en skubbestang og AGHIS er ikke ligetil.
I vores massespektrometri laboratorium har vi udviklet et lignende indløb system i stil med den AGHIS. , Da det ikke er muligt at opvarme indsugningssystemet analytten har imidlertid at udvise en vis flygtighed i at komme ind i ionkilden i massespektrometret. Volatiliteten analysanden, skal være tilstrækkelig til at give mulighed for overførsel af forbindelsen under vakuum ved flydende kvælstof temperature - enten ved kogning eller sublimering. Den skræddersyede indløb system består af en rustfri stålplade, som er anbragt på den direkte indløb, et rustfrit stålrør med en nåleventil og en flange, som et aflåseligt reagensglas, som indeholder prøven kan fastgøres. Installationen af den kolde fjord system kræver ingen ændringer af massespektrometer (Autospec X Vacuum generatorer, nu Waters Corp, Manchester, UK) - skift mellem kold indsugningssystem og direkte indløb ved hjælp af en stødstang kan udføres nemt på få sekunder.
Den præsenterede indløb system er særlig brug, når metal organyls, silaner eller phosphanes, der er modtagelige for oxidation eller hydrolyse, skal analyseres. Disse forbindelser er almindeligt analyseret ved hjælp af kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi eller infrarød (IR) spektroskopi. Desværre er disse metoder tillader ikke altid en entydig identifikation af en forbindelse, fordi de giver incomplete information, fx, når elementer, såsom chlor eller brom er en del af molekylet. Gas elektron diffraktion på den anden side er i stand til at give detaljerede oplysninger om analysanden dog metoden er meget tidskrævende, er vanskelig prøveforberedelse, og kun få grupper er i stand til at foretage disse analyser 13,14. Her den kolde fjord system til analyse af metal organyls, silaner eller phosphanes, der er modtagelige for oxidation eller hydrolyse af EI massespektrometri er til stor nytte for (i) organiske kemikere muliggør entydig identifikation af nye forbindelser ved at forsyne dem med oplysninger om massen af et molekyle og af karakteristiske fragmentioner. Den eneste forudsætning for måling af massespektre for et stof er en vis volatilitet ved reduceret tryk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Prøvefremstilling
- Brug skræddersyede aflåselige reagensglas med en flange (Figur 1) til transport og overførsel af prøverne i massespektrometer. Inden påfyldning med prøve, evakuere låsbare reagensglas knyttet til et multiplum manifold Schlenk-linje og fjerne resterende vand ved opvarmning med en varmepistol. Udluft reagensglas med tør Argon og evakuere igen, mens opvarmning.
- Fordyb den låsbare reagensglas ind i en kold fælde fyldt med flydende nitrogen (ADVARSEL: Vær forsigtig, når du arbejder med flydende kvælstof). Kondenseres prøven i reagensglasset fra en prøvebeholder fastgjort til en manifold af Schlenk linie lukke låsen oven på reagensglasset samt manifolden og fjerne den låste reagensglas fra nitrogen-bad. Som massespektrometri er meget følsom, en lille mængde er tilstrækkelig. De fleste af analytten forbliver i det låsbare reagensglas under analysen og er tilgængelig for yderligere eksperimenterefter målingen.
Figur 1. Låsbar reagensglas, der anvendes til overførsel af prøver. A) flange til fastgørelse til den kolde indsugningssystemet, og (B) teflonprop reagensglassets muliggøre transport af en forbindelse under luftfrie betingelser, (C) skrues at betjene teflonprop.
2. Måling af massespektre
- Forud for at prøve måling, tune og kalibrere massespektrometer i henhold til instruktionerne, der leveres af producenten af dit massespektrometer (her er en Autospec X (Vacuum generatorer, nu Waters Corp, Manchester, UK), der anvendes. Brug perflourokerosene (PFK) som en standard og tune massespektrometer til en opløsning på ca 2.800 ved m / z 119, definition 10% dal). Fjern pushstang direkte indløbet fra ionkilden og installere den ydre interface til reagensglas (figur 2). For at forhindre opvarmning af trykstangen spids, indstille indløbet metode til "skillevæg" i styresoftware af massespektrometer.
- Tilslut flange låses reagensglas fyldt med prøven til den ydre grænseflade. Åben nåleventilen af den ydre grænseflade og evakuere indløbet. Efter evakuering, forsigtigt åbne kugleventilen til ionkilden at fuldføre evakuering trin. Luk nåleventilen af den ydre grænseflade. ADVARSEL: teflonprop reagensglassets skal lukkes i dette trin.
- Start en vejning i softwaren i massespektrometer. Med lukket nåleventil åbne teflonprop reagensglassets meget kort, så gasfase molekyler af analyt til at indtaste den ydre del af grænsefladen. Luk teflonprop igen.
BEMÆRK: Den ydre del af grænsefladen sammen med mellemrummet mellem Teflonpå tryk og flangen på låsbare reagensglas (sammenlign figur 1 og 2B) tjener som en analyt gas reservoir under analysen. - Åbn forsigtigt nåleventilen under iagttagelse vakuummeteret af ionkilden. Dette trin tillader analytmolekyler at indtaste ionkilden i massespektrometret. Undertrykket bør ikke falde under 10 -5 mbar under målingen.
BEMÆRK: Afhængigt af volatiliteten i analyt massespektre af god kvalitet opnås ved cirka 10 -6 mbar. Massespektret af prøven registreres nu. Normalt prøvemængden siver ind i instrumentet gennem nåleventilen er tilstrækkelig til at optage massespektre i flere minutter. Hvis intensiteten af ioner falder, åbner nåleventilen lidt mere giver mulighed for mere erhvervelse tid. Hvis kvaliteten af massen spektre registreret ved 70 eV er ikke tilfredsstillende, kan massespektre registreres ved hjælp lavere kinetiske energierelektroner, fx 20 eV.
Figur 2. Koldt indsugningssystem med tomme låsbar reagensglas til ionkilden af et VG Autospec X.) Låsbar reagensglas, (B) flangeforbindelse mellem reagensglas en kold indsugningssystem, (C) nåleventil, (D) rustfri stålplade med tætning som forbindelse til ionkilde, (E) interface direkte indløb, den keramiske spids af trykstangen er synlig.
3. Efter måling
- Luk nåleventilen af den ydre grænseflade. Luk kugleventilen til ionkilden. Stop erhvervelse af massespektre i softwaren.
- Evakuer indsugningssystem mens du åbner nåleventilen helt. Udluft interface, mens boldenventil og nåleventilen lukkes. Evakuer interfacet igen åbne nåleventilen under dette trin for at fjerne resterende prøve damp i interfacet. Gentag dette trin mindst 3x.
- Fjern låsbare reagensglas fra grænsefladen. Fortsæt med næste prøve eller fjern den ydre interface fra flange ionkilden og erstatte det med et tryk stangen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En EI-massespektrum af tris (trifluormethyl) phosphan er præsenteret i figur 3, en forbindelse, som nedbrydes hurtigt ved kontakt med luft (figur 4). De præsenterede grænseflade muliggør ligetil måling af massespektre for disse forbindelser. Driften af det nye interface er nemt og hurtigt og udgør ingen hindring, når du betjener massespektrometer med en rutinemæssig direkte indløb ved hjælp af push-stang.
Figur 3. Massespektrum af tris (trifluormethyl) phosphan. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. (A) Beholder fyldt med tris (trifluormethyl) phosphan. (B) Beholder fyldt med en lille mængde af tris (trifluormethyl) phosphan. (C) Ved kontakt med luft, tris (trifluormethyl) phosphan antænder spontant. (Fotografier med tilladelse af Dr. J. Bader.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Købet af massespektre fra forbindelser, der nedbrydes under standard procedurer for prøveforberedelse er præsenteret i denne protokol. De præsenterede teknik er beregnet til analyse af metal organyls, silaner og phosphan, som er stærkt modtagelige for oxidation og / eller hydrolyse, hvilket gør det interessant, især uorganiske kemikere. For at opnå optimale resultater, vakuum eller luftfrie betingelser skal bevares hele analysen. Derfor protokollen bør følges omhyggeligt. I tilfælde analytten kommer i kontakt med luft på grund af utætheder i eller forkert håndtering af indløbet system, kan alvorlige konsekvenser såsom eksplosion i prøvebeholderen være tilfældet afhængigt af forbindelsen, der skal analyseres (figur 4). Prøve præparat bør kun udføres af uddannet personale vant til at arbejde med Schlenk linjer, da de kan implodere på grund af dårligt fremstillede glas ware når under vakuum. Eksplosioner møjre være forårsaget af berøring af reaktive forbindelser med luft, der kommer ind i Schlenk linie på grund af dårlig håndtering. Faren for flydende oxygen, frosset ud fra inerte gas urenheder i en kold fælde, bør også overvejes. Kontakt nogen (i) organisk forbindelse med flydende ilt kan føre til kraftige reaktioner forårsager eksplosion af Schlenk linie. Under analysen bør observeres trykket i ionkilden i massespektrometret omhyggeligt, at høje tryk i ionkilden kan resultere i skade på instrumentet.
Som med flygtige metal organyls, meget modtagelige for oxidation og / eller hydrolyse, silaner og phosphan er sjældent eller umuligt at analysere ved hjælp af state-of-the-art massespektrometre med ESI eller MALDI ionkilder, hvor forberedelse og ionisering prøve almindeligvis udføres under atmosfæriske forhold. Her den kolde fjord systemet præsenterer en værdifuld udvidelse af de eksisterende metoder til analyt introduktion. Men den kolde indløbsystemet ikke er kompatibelt med ESI og MALDI ionkilder, da det udgør en strøm af gasformige analyt til ioniseringskilde, mens ESI kræver en strøm af analytopløsning og MALDI analyt co-krystalliseret med matrix til generering af ioner. Da hvert ionisering strategi, EI har også en ulempe - på grund af den høje energi af elektronstrålen forekommer fragmenteringer hyppigt. Afhængigt af arten af analytten dette kan resultere i mangel af en molekylær ion. Imidlertid kan analytten kan identificeres ved hjælp af fragment-ioner, især når den medfølgende forbindelsen er af høj renhed. For en entydig identifikation, ruten for syntese skal være kendt i denne sag. For forbindelser, hvor den molekylære ion er til stede i massespektret kan fragmentioner anvendes til at bekræfte strukturen af molekylet. Som følge af udformningen af den kolde indløb system er præsenteret strategi begrænset til forbindelser med en vis flygtighed. Volatiliteten analysanden, skal være tilstrækkelige til enllow for overførsel af forbindelsen under vakuum ved flydende kvælstof temperatur - enten ved kogning eller sublimering. Forbindelser med for lavt damptryk vil ikke give høj kvalitet massespektre. Krydstale mellem enkelt massemålinger ses sjældent og kan yderligere minimeres ved at pumpe ud fjorden systemet omhyggeligt.
I almindelighed, kan målingerne udføres med hver massespektrometer udstyret med en EI ionkilde og direkte indgangssystem. Den præsenterede kolde fjord system er operationelt i løbet af få sekunder og kræver ingen ændringer på massespektrometer. Grænsefladen af den kolde indløb system har imidlertid at være skræddersyet efter dimensionerne af de eksisterende indløb af brugte EI massespektrometer. Afhængigt af funktionerne af de disponible massespektrometer, kan yderligere forsøg skal udføres, såsom nøjagtige massemålinger til bestemmelse eller bekræftelse af elementært kompositioner eller masse-analyseret ion-kinetic-energi spektrometri (MIKES) til belysning af fragmentering veje. Derfor repræsenterer den kolde indsugningssystem en ekstra prøve indløb strategi ved siden af den rutinemæssigt anvendes direkte indløb ved tryk på en stang 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).
