Summary
Deze video geeft een protocol voor de massaspectrometrische analyse van de vluchtige en oxidatie gevoelige verbindingen met elektronimpactionisatie ionisatie. De voorgestelde techniek is bijzonder interessant voor anorganische chemici werken met metaal organyls, silanen of fosfanen die moeten worden behandeld met inerte omstandigheden, zoals de Schlenk-techniek.
Abstract
Deze video geeft een protocol voor de massaspectrometrische analyse van de vluchtige en oxidatie gevoelige verbindingen met elektronimpactionisatie ionisatie. De analyse van vluchtige en oxidatie gevoelige verbindingen door massaspectrometrie is niet gemakkelijk te bereiken, aangezien alle state-of-the-art massaspectrometrische werkwijzen vereisen ten minste een monster bereidingsstap, bijvoorbeeld oplossen en verdunnen van de analyt (electrospray ionisatie), co -crystallization van de analyt met een matrix verbinding (matrix-geassisteerde laser desorptie / ionisatie), of overdracht van de bereide monsters in de ionisatiebron van de massaspectrometer worden uitgevoerd onder atmosferische omstandigheden. Hier wordt het gebruik van een monster inlaatsysteem beschreven waarop de analyse van vluchtige metaal organyls, silanen en fosfanen met een sector veld massaspectrometer voorzien van een elektronenkanon gevolgen ionisatiebron mogelijk maakt. Alle monstervoorbereiding stappen en het monster introductie in de ion bron van demassaspectrometer vinden plaats onder omstandigheden luchtvrij of onder vacuüm, waardoor de analyse van verbindingen zeer gevoelig voor oxidatie. De voorgestelde techniek is bijzonder interessant voor anorganische chemici werken met metaal organyls, silanen of fosfanen, die moeten worden behandeld met inerte omstandigheden, zoals de Schlenk-techniek. Het principe van de werking wordt gepresenteerd in deze video.
Introduction
De analyse van verbindingen, zoals metaal organyls, silanen of fosfanen door massaspectrometrie is niet altijd uitvoerbaar. Verscheidene van deze verbindingen is bekend dat snel uiteenvallen bij contact met lucht. Daarom is de meest cruciale stappen bij het meten massaspectra zijn monstervoorbereiding, de overdracht van de analyt in de massaspectrometer en ionengenerator in afwezigheid van lucht. In dit protocol beschrijven we een strategie om deze eisen te voldoen en geven een inlaatsysteem, waarmee het mogelijk massaspectra van vluchtige verbindingen niet eerder worden geanalyseerd door massaspectrometrie verkrijgen maakt vanwege hun moeilijke hantering en snelle afbraak onder omgevingsomstandigheden. Daardoor ondubbelzinnige identificatie van nieuwe of bestaande vluchtige metaal organyls, silanen en fosfanen, gevoelig voor oxidatie of hydrolyse, kan nu worden uitgevoerd met behulp van massaspectrometrie. Er zijn twee vereisten waaraan moet verbindingen geanalyseerd worden voldaan welkezijn gevoelig voor oxidatie of hydrolyse: monstervoorbereiding en ionengeneratie onder inerte omstandigheden. De laatste uitgangspunt kan gemakkelijk worden gehaald met een massaspectrometer met ionenbron die onder vacuüm. Dit is het geval met de meeste matrix-geassisteerde laser-desorptie / ionisatie (MALDI) massaspectrometers en met elektroneninslag ionisatie (EI) massaspectrometers 1,2. Electrospray ionisatie (ESI) is moeilijk te verenigen voor de analyse van verbindingen gevoelig voor oxidatie of hydrolyse, de ionisatie plaatsvindt onder omgevingsomstandigheden 3. Voor sommige verbindingen die niet heftig reageert met zuurstof of water, het drogen en het vernevelen gas waarmee de meeste ESI bronnen werken voldoende is voor analyse met massaspectrometrie 4. Dit geldt ook voor Ionisatie strategieën Soortgelijke ESI, bijvoorbeeld lage temperatuur ESI, lage-temperatuur atmosferische druk ionisatie en lage temperatuur vloeibaar secundaire ionen massa spectrmetrie 5-7. In tegenstelling, monstervoorbereiding en de overdracht naar de ionbron onder inerte omstandigheden is veel uitdagender. Zowel MALDI en ESI instrumenten zijn gekoppeld gloveboxen om prepareren van verbindingen gevoelig voor oxidatie en / of hydrolyse in een inerte atmosfeer 4,8 inschakelen. De massaspectrometer is gekoppeld aan het handschoenenvak hetzij met een verandering capillair (ESI) of rechtstreeks aan de box handschoen (MALDI). De koppeling van een dashboardkastje met een massaspectrometer via een overschrijving capillaire zou ook mogelijk zijn met behulp van een andere ionisatie strategie - vloeistofinspuiting veld desorptie / ionisatie (LIFDI) - waarmee de analyse van gevoelige verbindingen werd gemeld 9,10.
Bovendien MALDI en LIFDI zijn niet geschikt voor de analyse van zeer vluchtige stoffen. MALDI vereist de co-kristallisatie van de analyt met een matrix en LIFDI vereist de afzetting van de analyt op een emitter uit een oplossing. Met beide ionisatie strategieën is het zeer waarschijnlijk dat de analyt verdampt samen met het oplosmiddel. In tegenstelling tot MALDI instrumenten EI massaspectrometers bieden meestal verscheidene werkwijzen voor het inbrengen van het monster in de ionenbron: de directe inlaat (kleine hoeveelheden vaste stoffen, oliën of wassen worden afgezet in een aluminium kroes die wordt ingebracht via een push rod) , een septum inlaat (voor vloeistoffen), of een koppeling met een gaschromatograaf. Nogmaals, ten minste een deel van het monster overdracht plaatsvindt onder omgevingsomstandigheden en is moeilijk uit te voeren onder een inerte atmosfeer.
In de jaren 1960, werd een monster inlaat systeem gepresenteerd, die de invoering van de monsters onder vacuüm in de ion-bron van een EI-instrument maakt - de volledig glazen verwarmd inlaatsysteem (AGHIS) 11,12. Hier werd het monster zich in een afgesloten stuk glas capillair, dat in de AGHIS ingevoegd. Vervolgens de AGHIS geëvacueerden de glazen flacon met het monster was gebroken. De AGHIS werd vervolgens verwarmd tot het monster die de ionenbron van een massa spectrometer EI door lekkage bereikt verdampen. Wanneer de glazen capillair met het monster werd bereid in een handschoenkast, kan het monster in de massaspectrometer worden ingevoerd zonder contact met lucht. De AGHIS is een apparaat dat niet in de handel verkrijgbaar en moeilijk te assembleren, zelfs voor een ervaren glasblazer workshop. Vanwege de grote afmetingen schakelen tussen directe inlaat via een drijfstang AGHIS is niet ongecompliceerd.
In onze massaspectrometrie lab, ontwikkelden we een soortgelijk inlaatsysteem in de stijl van de AGHIS. Aangezien het niet mogelijk het inlaatsysteem verwarmen analyt moet een zekere vluchtigheid vertonen om de ionenbron van de massaspectrometer voeren. De vluchtigheid van de analyt voldoende zijn, zodat de overdracht van de verbinding onder vacuüm bij vloeibare stikstof temperatuur - hetzij door koken of sublimatie. De op maat gemaakte inlaat bestaat uit een roestvrij stalen plaat, die is gepositioneerd aan het directe inlaatsysteem, een roestvrij stalen buis met een naaldklep en een flens, waaraan een afsluitbare reageerbuis met het monster kan worden bevestigd. De installatie van het koude inlaatsysteem vereist geen wijzigingen in de massaspectrometer (Autospec X, Vacuum Generators nu Waters Corp, Manchester, UK) - schakelen tussen koude inlaatsysteem en directe inlaat via een drijfstang binnen seconden gemakkelijk worden uitgevoerd.
De gepresenteerde inlaatsysteem is vooral nuttig wanneer metal organyls, silanen of fosfanen, gevoelig voor oxidatie of hydrolyse, moeten worden geanalyseerd. Deze verbindingen worden gewoonlijk geanalyseerd met behulp van kernspinresonantie (NMR) spectroscopie en infrarood (IR) spectroscopie. Helaas zijn deze methoden kan niet altijd voor een eenduidige identificatie van een verbinding, omdat ze opleveren incomplete informatie, bijvoorbeeld wanneer elementen zoals chloor of broom deel van het molecuul. Gas elektronen diffractie aan de andere kant is in staat om gedetailleerde informatie over de analyt, maar de methode is zeer tijdrovend, monstervoorbereiding is moeilijk, en slechts enkele groepen zijn in staat om deze analyse uit te voeren 13,14. Hier, de koude inlaat systeem voor de analyse van metalen organyls, silanen, of fosfanen, gevoelig voor oxidatie of hydrolyse door EI massaspectrometrie is van groot nut voor (an) organische chemici waardoor de eenduidige identificatie van nieuwe verbindingen door hen te voorzien van informatie met betrekking tot de massa van een molecuul en karakteristieke fragment ionen. De enige voorwaarde voor het meten van massa spectra voor een stof een zekere vluchtigheid onder verlaagde druk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 Monstervoorbereiding
- Gebruik op maat gemaakt afsluitbare reageerbuisjes met een flens (figuur 1) voor het vervoer en de overdracht van de monsters in de massaspectrometer. Voorafgaand aan het vullen met het monster, evacueren de afsluitbare reageerbuizen verbonden aan een meervoudige spruitstuk Schlenk- lijn en verwijder het resterende water door verwarmen met een warmte kanon. Vent de reageerbuis met droge Argon en evacueren weer, terwijl de verwarming.
- Dompel de afsluitbare reageerbuis in een koude val gevuld met vloeibare stikstof (PAS OP: Wees voorzichtig bij het werken met vloeibare stikstof). Condensatie het monster in de reageerbuis uit een monsterhouder verbonden met een verdeelleiding van de Schlenk lijn, sluit het slot boven de reageerbuis en het verdeelstuk en verwijder de gesloten reageerbuis van de stikstofbad. Massaspectrometrie is zeer gevoelig, een kleine hoeveelheid voldoende. Het merendeel van de analyt in de afsluitbare reageerbuis blijven tijdens de analyse en is beschikbaar voor verdere experimentenna de meting.
Figuur 1 afsluitbaar buisje gebruikt voor de overdracht van monsters. A) Flens voor bevestiging aan de koude inlaatsysteem, (B) een teflon kraan van de reageerbuis transport van een verbinding onder omstandigheden luchtvrije, (C staat) schroef de Teflon kraan bedienen.
2 Meting van Mass Spectra
- Voorafgaand aan de proeven van de meting, tunen en kalibreren van de massaspectrometer volgens de instructies van de fabrikant van uw massaspectrometer (hier geleverd, een Autospec X (Vacuum Generators, nu Waters Corp, Manchester, UK) wordt gebruikt. Gebruik perflourokerosene (PFK) als een standaard en afstemmen van de massaspectrometer met een resolutie van ca. 2.800 m / z 119, 10% dal definitie). Verwijder de pushstaaf van de directe toevoer van de ionenbron en installeer de buitenste interface voor de centrifugebuis (figuur 2). De verwarming van de duwstang tip te voorkomen, de inlaat methode om "septum" in de besturingssoftware van de massaspectrometer.
- Sluit de flens van de afsluitbare reageerbuis gevuld met het monster op de buitenste interface. Open het naaldventiel van de buitenste interface en evacueren de inlaat. Na evacuatie, voorzichtig open de kogelkraan aan de ion bron aan de evacuatie stap te voltooien. Sluit het naaldventiel van de buitenste interface. VOORZICHTIG: De Teflon kraan van de reageerbuis is in deze stap worden gesloten.
- Start een massameting in de software van de massaspectrometer. Bij gesloten naaldventiel, opent de Teflon kraan van de reageerbuis heel kort, zodat gasfase moleculen van de analyt aan de buitenkant van het in te gaan. Sluit de teflon kraan weer.
Opmerking: Het buitenste deel van de interface met de ruimte tussen de Tefltap en de flens van de afsluitbare reageerbuis (vergelijk figuren 1 en 2B) dient als een analyt gas reservoir tijdens de analyse. - Open voorzichtig de naald ventiel met inachtneming van de vacuümmeter van de ion bron. Deze stap kan analytmoleculen de ionenbron van de massaspectrometer voeren. De stofzuiger mag niet lager zijn dan 10 -5 mbar vallen tijdens de meting.
OPMERKING: afhankelijk van de volatiliteit van de analyt massa spectra van goede kwaliteit worden verkregen bij ca. 10 -6 mbar. Het massaspectrum van het monster worden nu geregistreerd. Gewoonlijk is de hoeveelheid monster lekt in het instrument door de naaldklep voldoende massa spectra opnemen enkele minuten. Indien de intensiteit van de ionen afneemt, opent de naaldklep iets meer maakt meer acquisitietijd. Als de kwaliteit van de massaspectra opgenomen met 70 eV is niet bevredigend kunnen massaspectra opgenomen met lagere kinetische energie van deelektronen, bijvoorbeeld, 20 eV.
Figuur 2 Cold inlaatsysteem met lege afsluitbare reageerbuis de ionenbron van een VG Autospec X. A) Afsluitbare reageerbuis, (B) flensverbinding tussen reageerbuis een koude inlaatsysteem, (C) naaldventiel, (D) roestvrij stalen plaat met afdichting verbinding met de ionenbron, (E)-interface van de directe inlaat, de keramische punt van de duwstang zichtbaar.
3 Na de meting
- Sluit het naaldventiel van de buitenste interface. Sluit de kogelkraan aan de ionen bron. Stop de overname van massaspectra in de software.
- Evacueren het inlaat systeem, terwijl volledig openen van het naaldventiel. Vent de interface tijdens het balventiel en naaldventiel worden gesloten. Evacueren van de interface weer, open het naaldventiel tijdens deze stap om de resterende monster damp te verwijderen in de interface. Herhaal deze stap minimaal 3x.
- Verwijder de afsluitbare reageerbuis van het grensvlak. Ga verder met de volgende sample of verwijder de buitenste-interface van de flens van de ionenbron en vervang deze door de duwstang.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een EI massaspectrum van tris (trifluormethyl) fosfaan wordt weergegeven in figuur 3, een verbinding, die snel ontleedt bij contact met lucht (figuur 4). De gepresenteerde interface maakt de rechte voorwaartse meten van massa spectra voor deze verbindingen. De werking van de nieuwe interface is eenvoudig en snel en levert geen obstakel bij het bedienen van de massaspectrometer met het routinematig toegepast directe inlaat met behulp van de duwstang.
Figuur 3 Massa spectrum van tris (trifluoromethyl) fosfaan. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4 vat (A) Storage gevuld met tris (trifluormethyl) fosfaan. (B) container gevuld met een kleine hoeveelheid tris (trifluormethyl) fosfaan. (C) Bij contact met lucht, tris (trifluoromethyl) fosfaan spontaan ontbrandt. (Foto met dank aan Dr J. Bader.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De overname van de massa spectra van verbindingen die ontleden onder standaard monstervoorbereidingsprocedures wordt gepresenteerd in dit protocol. De gepresenteerde techniek is ontworpen voor de analyse van metaal organyls, silanen en fosfaan, die zeer gevoelig voor oxidatie en / of hydrolyse, waardoor het bijzonder interessant voor anorganische chemici. Om optimale resultaten te bereiken, vacuüm of lucht vrije omstandigheden op het gehele analyse worden bewaard. Daarom is het protocol moet nauwgezet worden gevolgd. In geval komt de analyt in contact met lucht door lekken in of verkeerde hantering van het inlaatsysteem, ernstige gevolgen zoals explosie van de monsterhouder kan het geval afhankelijk van de te bepalen verbinding (figuur 4). Voorbereiding van het monster moet ook alleen worden uitgevoerd door geschoold personeel gewend te werken met Schlenk- lijnen, want ze kunnen imploderen als gevolg van slecht vervaardigde glaswerk toen onder vacuüm. Explosies mechts veroorzaakt door contact van reactieve verbindingen met lucht, die in de Schlenk lijn door slechte behandeling. Het gevaar van vloeibare zuurstof, bevroren uit inert gas onzuiverheden in een koude val, moet ook worden overwogen. Contact van een (in) organische verbinding met vloeibare zuurstof kan leiden tot heftige reacties veroorzaken explosie van de Schlenk lijn. Tijdens de analyse van de druk in de ionenbron van de massaspectrometer aandachtig te worden bestudeerd, zoals hoge druk in de ionenbron kan leiden tot beschadiging van het instrument.
Zoals met vluchtige metalen organyls, zeer gevoelig voor oxidatie en / of hydrolyse, silanen en fosfaan zijn zelden of onmogelijk te analyseren met behulp van state-of-the-art massaspectrometers met ESI of MALDI ion bronnen, waar monstervoorbereiding en ionisatie vaak worden uitgevoerd onder atmosferische omstandigheden. Hier, de koude inlaatsysteem weer een waardevolle uitbreiding van de bestaande werkwijzen voor introductie analyt. De koude inlaatsysteem is niet compatibel met ESI en MALDI ionenbronnen, aangezien het een stroom van gasvormige analyt de ionisatiebron, terwijl ESI vereist een stroom analytoplossing en MALDI analyt co-kristallijne matrix voor het genereren van ionen. Zoals elke ionisatie strategie EI heeft ook een nadeel - vanwege de hoge energie van de elektronenbundel, fragmentaties frequent voorkomen. Afhankelijk van de aard van de analyt kan dit resulteren in de aanwezigheid van een moleculaire ion. Echter, de analyt worden geïdentificeerd met de fragment-ionen, vooral wanneer de geleverde verbinding van hoge zuiverheid. Voor een eenduidige identificatie, de route van de synthese heeft in dit geval te worden gekend. Voor verbindingen waarbij de moleculaire ion aanwezig in het massaspectrum is, kan het fragment ionen worden gebruikt om de structuur van het molecuul te bevestigen. Door de opzet van de koude inlaatsysteem, wordt de voorgestelde strategie beperkt tot verbindingen met een zekere vluchtigheid. De volatiliteit van de analyt moet voldoende zijn, om eenlg voor de overdracht van de verbinding onder vacuüm bij vloeibare stikstof temperatuur - hetzij door koken of sublimatie. Verbindingen met te lage dampdruk zal hoogwaardige massaspectra niet verkregen. Overspraak tussen enkele massa metingen wordt zelden waargenomen en kan verder worden geminimaliseerd door het pompen van het inlaatsysteem zorgvuldig.
In het algemeen kunnen de metingen worden uitgevoerd bij elke massaspectrometer uitgerust met een EI ionenbron en directe inlaatsysteem. De gepresenteerde koude inlaat systeem operationeel is binnen enkele seconden en vereist geen veranderingen in de massaspectrometer. De interface van het koude inlaat systeem op maat worden gemaakt volgens de afmetingen van de bestaande inlaten van de gebruikte EI massaspectrometer. Afhankelijk van de mogelijkheden van de beschikbare massaspectrometer kunnen extra experimenten uitgevoerd, zoals nauwkeurige massa metingen ter bepaling of bevestiging van elementaire samenstellingen of massa-analyse ion-kinetic-energie-spectrometrie (MIKES) voor de opheldering van fragmentatie paden. Daarom is de koude inlaatsysteem vertegenwoordigt een extra monster inlaat strategie naast de routinematig gebruikte directe inlaat met een duwstang in EI massaspectrometrie.
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).
