Rosetta, een venster op onze oorsprong, een

1
Rosetta, een venster op onze oorsprong,
een springplank naar de toekomst
Samengesteld door Werner Poets
Nagelezen en aangevuld door
het Belgische Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA), dr. Johan De Keyser
en door ESERO Belgium, Pieter Mestdagh.
November 2014
2
MASSASPECTROMETRIE
1.
2.
a.
b.
c.
d.
e.
3.
4.
5.
6.
7.
f.
g.
8.
INLEIDING ...................................................................................................................................................... 3
STAPPEN VOOR HET BEKOMEN VAN EEN MASSASPECTRUM ...................................................................................... 6
Monstervoorbereiding ........................................................................................................................... 6
Ionisatie ................................................................................................................................................. 7
Massascheiding ..................................................................................................................................... 7
Detectie.................................................................................................................................................. 9
Beeldmateriaal ...................................................................................................................................... 9
HOEVEELHEDEN .............................................................................................................................................. 9
FRAGMENTATIE ............................................................................................................................................ 10
ISOTOPEN .................................................................................................................................................... 11
TOEPASSINGEN ............................................................................................................................................. 12
VOORBEELDEN ............................................................................................................................................. 13
Massaspectrum van broom ................................................................................................................. 13
Massaspectrum methoxy-ethaan ........................................................................................................ 14
BRONNEN .................................................................................................................................................... 14
3
Massaspectrometrie
1. Inleiding
Massaspectrometrie is een veelzijdige techniek, die gebruikt kan worden voor de identificatie en
kwantificatie van atomen en moleculen (en hun isotopische samenstelling) in chemische en biologische
mengsels in zeer kleine hoeveelheden. Het deelwoord –“spectrometrie” verwijst hier naar het meten van
iets in functie van een bepaalde parameter. In dit geval is die parameter niet de golflengte, zoals
bij elektromagnetische spectra of de frequentie bij geluidsspectra, maar de massa van de deeltjes. De
resultaten worden in een zogenaamd massaspectrum weergegeven.
Fig. 1 Continue elektromagnetische spectra
Fig. 2 Discreet elektromagnetisch spectrum
Fig. 3 Intensiteit van een geluid in functie van de tijd.
Fig. 4 Audiospectrum van ditzelfde geluid
4
Fig. 5 Een massaspectrum
In een massaspectrometer worden individuele moleculen van het monster geïoniseerd door een
ionenbron. Laat ons veronderstellen dat de hierdoor gevormde ionen slechts een kleine energie hebben.
In een vereenvoudigd model van de massaspectrometer worden de ionen versneld in een zeer precies
geregeld elektrisch veld waarvan de grootte bepaald wordt door de spanning U (die spanning moet
beduidend groter zijn dan de energie van de deeltjes in de ionenbron).
Fig. 6 Schematische weergave van de opbouw van een massaspectrometer
Vervolgens komen de ionen in een homogeen magnetisch veld waar de lorentzkracht op de ionen zal
inwerken.
Opdracht 1:
Wat is de formule voor de lorentzkracht?
5
Opdracht 2:
Wat is de richting van de lorentzkracht ten opzichte van de snelheid?
Opdracht 3:
Welke baan zal een deeltje volgen als er een kracht met een constante grootte op werkt die loodrecht
staat op de snelheidsvector?
Opdracht 4:
Hoe noemt men een kracht die de oorzaak is van een cirkelbaan? Wat is er de formule voor deze kracht?
Opdracht 5:
Welke factoren bepalen waar de ionen terecht komen op de detector?
De ionen worden ruimtelijk gescheiden op basis van hun massa/ladingsverhouding. Indien de
magnetische inductie B homogeen is, en indien de spanning U en de inductie B door de sturing van het
instrument zo gekozen worden dat de ionen altijd eenzelfde snelheid v hebben, dan wordt de plaats waar
de moleculen terecht komen in de detector bepaald door de massa/ladingsverhouding m/Q. r is groter
voor grotere massa; de deeltjes komen dan meer naar rechts op het detectorgedeelte van Fig. 6 terecht.
In massaspectrometrie is het de gewoonte om de grootte van de elektrische lading aan te duiden met Z.
Z is het aantal keer de eenheidslading e (e = 1,60217653 . 10–19 C). De eenheidslading is de absolute
waarde van de grootte van lading van een elektron of een proton. Er geldt dus Q = Z . e. In
massaspectrometrie is het de gewoonte om de massa/ladingsverhouding kort te noteren als m/Z met m
de massa van het ion. Na de scheiding op basis van de massa/ladingsverhouding van de moleculen volgt
de detectie. In een massaspectrum wordt de intensiteit uitgezet in functie van de m/Z waarden.
6
2. Stappen voor het bekomen van een massaspectrum
We bespreken de opeenvolgende stappen die doorlopen worden om een massaspectrum te bekomen:

Monstervoorbereiding

Ionisatie

Versnellen van ionen

Massascheiding

Detectie
Fig. 7 Onderdelen van een massaspectrometer
a. Monstervoorbereiding
Om het massaspectrum makkelijk te interpreteren is het wenselijk als er in de massaspectrometer slechts
één type molecule aanwezig is. Als er meerdere soorten moleculen aanwezig zijn in een monster dan
dienen we deze moleculen vooraf te scheiden.
Als een mengsel moet worden geanalyseerd, wordt vaak gebruikgemaakt van vloeistofchromatografie
om de componenten van het mengsel van mekaar te scheiden. Dit gebeurt als volgt:
7





Het mengsel wordt aangebracht op een vast substraat (vaste fase).
Men laat er vervolgens een vloeibare mobiele fase overheen lopen.
Bestanddelen die sterk binden met de vaste fase worden tegengehouden (blijven langer op de
vaste fase).
Bestanddelen die zwakker binden met de mobiele fase worden meegenomen (blijven minder
lang op de vaste fase).
De afzonderlijke bestanddelen bereiken op een verschillend moment het einde van het vast
substraat en dus ook de massaspectrometer. Bij het scheiden van plantenextracten zorgt dit voor
verschillende kleurenbanden, vandaar de naam chromatografie.
Wanneer een zuivere stof moet worden geanalyseerd, kan het soms volstaan dat men een klein beetje
van de stof eenvoudig inbrengt in de ionisatiekamer. De ionisatiekamer wordt afgesloten en in verbinding
gebracht met de andere onderdelen van de massaspectrometer waar een hoog-vacuüm heerst. Hier zal
de stof verdampen of sublimeren vanwege het hoog-vacuüm. Eventueel kan de stof verhit worden om het
verdampen of het sublimeren te versnellen.
b. Ionisatie
Een manier om het monster te ioniseren is door het monster in de gasfase met elektronen te
bombarderen. De elektronen komen uit een gloeidraad die op enige afstand van het gasvormig monster
wordt opgewarmd. De elektronen worden tot een energie van ca. 70 eV versneld met behulp van een
elektrisch veld. Wanneer de elektronen met deze snelheid op een molecuul van het monster botsen, kan
een elektron uit het molecuul worden geschoten waarbij een positief atomair of moleculair ion wordt
gevormd (M+., de plus geeft de elektrische lading van het ion weer, het punt het feit dat het
een radicaalmolecule betreft waarin een reactief ongepaard elektron aanwezig is).
Deze techniek voldoet goed voor eenvoudige monsters waarvan voldoende in de gasfase kan worden
gekregen, en die ook niet meteen helemaal uit elkaar vallen door de ioniserende botsing.
c. Versnellen van ionen
Na de ionisatie van het monster dienen de geïoniseerde moleculen of ionen een snelheid te verkrijgen.
Dit bekomt men door de ionen te versnellen tussen twee metalen ringen waartussen een elektrisch
potentiaalverschil heerst. De eerste ring bevindt zich ter hoogte van de ionisatiekamer en heeft een
hogere potentiaal dan de tweede ring. De eerste ring is dus aangesloten op de positieve pool van de
spanningsbron, de tweede ring is aangesloten op de negatieve pool van de spanningsbron. Het
potentiaalverschil tussen de eerste ring en de tweede ring noemt men de spanning U.
8
Opdracht 6:
Wat is de elektrische potentiële energie van een lading Q die zich bevindt aan de eerste ring ten opzichte
van een punt ter hoogte van de tweede ring?
Opdracht 7:
In welke energievorm is deze elektrische potentiële energie omgezet als de geïoniseerde molecule de
tweede ring bereikt? Wat is de formule voor deze energievorm?
Opdracht 8:
Wat is dan de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule als die de tweede ring bereikt?
d. Massascheiding
Door een magnetisch veld dwars op de voortbewegingsrichting van de ionen te plaatsen, worden de ionen
afgebogen. Voor een bepaald magnetisch veld is de mate van afbuiging alleen afhankelijk van de
verhouding massa/lading (m/Z).
Opdracht 9:
Vul de formule voor de snelheid van een geïoniseerde molecule die je bekomen hebt bij opdracht 8 in de
formule voor r die je bekomen hebt bij opdracht 5.
9
In theorie zou men een hele rij detectoren aan het einde van de analysator kunnen plaatsen en zo in één
keer een compleet massaspectrum opnemen. Meestal gebruikt men een enkele detector en wordt een
spectrum opgenomen door een reeks metingen na elkaar te verrichten terwijl de sterkte van het
magnetisch veld verandert.
e. Detectie
Het aantal ionen dat door de analysator komt moet worden geteld. Dit wordt gedaan door het ion te laten
botsen op een oppervlak waaruit een aantal elektronen wordt losgeslagen. Omdat de stroom per ion heel
klein is, is deze moeilijk nauwkeurig te meten. Daarom worden in de meeste instrumenten de losgemaakte
elektronen vermenigvuldigd. Dit gebeurt door het versnellen van de elektronen waarna ze op een tweede
oppervlak botsen. Uit dat tweede doel worden per invallend elektron een aantal elektronen losgeslagen.
Dit proces wordt meerdere malen herhaald zodat een lawine van elektronen ontstaat en het oorspronkelijk
signaal ca. 1 miljoen keer wordt versterkt. Op deze manier kan elk ion dat de detector raakt gemakkelijk
en betrouwbaar worden geteld.
Bij sommige systemen worden de elektronen na één stap op een fosfor scherm gericht, waar de stroom
in licht wordt omgezet. In een beeldversterker wordt het lichtsignaal daarna verder versterkt. Dit maakt
het mogelijk dat de eigenlijke detector zich buiten het vervuilende instrument bevindt, en daardoor langer
meegaat.
f. Beeldmateriaal
Een video die je een goed overzicht geeft van de verschillende stappen bij massaspectroscopie vind je
via : https://www.youtube.com/watch?v=J-wao0O0_qM
3. Hoeveelheden
De hoeveelheid monster dat nodig is om een massaspectrum op te nemen is erg klein. Elk individueel ion
dat de bron verlaat en door de analysator gaat, wordt uiteindelijk geteld, en zelfs een paar honderd
moleculen kunnen zo een significant signaal vormen. Bij de monstervoorbereiding en ionisatie gaat echter
nog een groot gedeelte van het monster verloren. Voor het maken van een volledig spectrum zijn dan
een tiental tot een honderdtal metingen nodig.
Al deze verliezen in ogenschouw genomen, zijn normaal gesproken femtogrammen tot picogrammen van
een stof nodig om een massaspectrum op te nemen.
10
4. Fragmentatie
Fragmentatie is van groot belang voor de identificatie van de moleculen in het monster. Afhankelijk van
de massaresolutie van het instrument kunnen verschillende moleculen gemeten worden bij eenzelfde
molecuulmassa. Zo kunnen bijvoorbeeld C4H10 met een molecuulmassa van 58,08 en C3H6O met een
molecuulmassa van 58,04 wel van elkaar worden onderscheiden in een instrument met een zeer grote
massaresolutie, maar worden beide moleculen teruggevonden bij een gehele molecuulmassa van 58 bij
instrumenten met een lagere massaresolutie. Daarnaast bestaan er ook stoffen met eenzelfde
molecuulformule en een verschillende structuur (isomeren). Het onderscheid tussen butaan
(C4H10), methylpropaan (C4H10), aceton (C3H6O) en propanal (C3H6O), allen met een molecuulmassa van
ongeveer 58, kan met behulp van fragmentatie eenvoudig worden bepaald.
butaan (C4H10)
methylpropaan (C4H10)
aceton (C3H6O)
propanal (C3H6O)
Fragmentatie in een massaspectrometer kan optreden bij ionisatie door een bombardement met
elektronen van eerder hoge energie. Alternatief kunnen de gevormde ionen na ionisatie fragmenteren
door botsingen in een klein kamertje gevuld met een inert gas (vaak argon). Fragmentatie gebeurt in ieder
geval voor het versnellen van de ionen.
Bij een fragmentatie breekt normaal gesproken één enkele chemische binding in het molecuul. Wanneer
in het massaspectrum van een stof met een molecuulmassa van 58 een piek optreedt bij een massa van
29 is het blijkbaar mogelijk dat het molecuul precies in tweeën breekt. Dat sluit aceton en methylpropaan
als mogelijke kandidaten uit. Op deze manier kan men aan de hand van fragmentatie een preciezere
uitspraak doen over de identiteit van het monster.
Mochten de pieken in het massaspectrum niet voldoende informatie geven om het monster uniek te
identificeren, dan kan men in een MS-MS (of MS²) instrument een verder fragmentatie-experiment
uitvoeren: men kan in de eerste MS stap het fragment met een massa van 29 selecteren, en dat fragment
opnieuw laten botsen met een inert gas om verdere fragmentatie te induceren. In het tweede instrument
kan men dan een tweede-orde fragment-spectrum maken om te zien wat de identiteit van het fragmention met massa 29 is. Voor complexe moleculen zoals proteïnen, kan dit proces verschillende keren
worden doorlopen, we spreken dan van MSn, waarbij n het aantal massaspectrometrie stappen is.
11
5. Isotopen
Veel chemische elementen hebben meerdere natuurlijk voorkomende isotopen. Men kan met
scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen waarnemen tussen moleculen die
verschillen in de isotoopsamenstelling.
Opdracht
Waarom kan men met scheikundige methoden zo goed als geen chemische verschillen waarnemen
tussen moleculen die verschillen in de isotoopsamenstelling?
De chemische eigenschappen worden bepaald door de configuratie van de elektronen op de buitenste
schil. Voor isotopen is deze configuratie van de elektronen op de buitenste schil identiek. Het enige
verschil is de massa van de kern. Dit geeft een zeer klein verschil in de energieniveaus. Daar door zijn
de chemische eigenschappen zo goed als identiek voor isotopen.
Opdracht
Waaraan is het kleine verschil in chemische eigenschappen tussen isotopen te wijten?
In de massaspectrometrie is het verschil tussen isotopen echter eenvoudig te zien: de massa van
verschillende isotopen verschilt ongeveer een geheel aantal massa-eenheden.
Opdracht
Waarom is het verschil tussen de massa’s van verschillende isotopen ongeveer een geheel aantal massaeenheden?
Verder is het zo dat men bij veel eigenschappen die voor de isotopen een klein verschil vertonen
een gemiddelde meet wanneer meerdere isotopen voorkomen. Bij massaspectrometrie kijkt men naar elk
molecuul individueel, en kan daardoor de isotoopsamenstelling van elk molecuul worden bepaald.
Eén van de isotopen die in de massaspectrometrie van organische chemische verbindingen een grote rol
speelt is 13C, dat 1,1% van de natuurlijke koolstof vormt. Een molecuul methaan met 12C en
4 waterstof atomen heeft een molecuulmassa van 16, maar 1,1% van alle methaan moleculen bevat
een 13C atoom en heeft een massa van 17: een klein piekje naast de belangrijkste moleculaire piek. Voor
butaan, C4H10 zijn er vier koolstofatomen, en is de kans ruwweg 4,4% dat één van de koolstofatomen
12
een 13C atoom is: een klein piekje bij een massa van 59 naast de moleculaire piek op 58. Op deze manier
kan men voor organische stoffen het aantal koolstofatomen tellen, en kan het onderscheid worden
gemaakt tussen propanal en butaan: ze hebben allebei een massa van 58, maar propanal heeft drie, en
butaan vier koolstofatomen.
Andere veel voorkomende isotopen zijn 18O (0,2% t.o.v. 16O), 79Br en 81Br met een verhouding van 1:1
en 35Cl en 37Cl met een verhouding van 3:1.
Men kan deze isotoopverhoudingen soms gebruiken wanneer men de herkomst van een materiaal zoekt.
Massaspectrometrie is gevoelig genoeg om zelfs van elementen die slechts in minuscule hoeveelheden
in een monster voorkomen te kunnen vaststellen wat de isotopenverhouding is. Voor de beste
gevoeligheid gebruikt men voor zo'n massaspectrum een ionisatiemethode die de moleculen in het
monster helemaal opbreekt in atomaire ionen; zo'n techniek is het inductief gekoppeld plasma (Engelse
afkorting ICP; men spreekt over ICP-MS).
Een heel ander doel van het bepalen van nauwkeurige isotoopverhouding is het bepalen van geologische
tijdschalen: radio-actief verval met lange halfwaardetijd zorgt ervoor dat het voorkomen van verschillende
isotopen afhangt van de geologische leeftijd van het monster. Een voorbeeld is koolstof 14-datering.
6. Andere toepassingen van massaspectrometrie

Het zoeken van lekken in een vacuümsysteem:
Wanneer een vacuümsysteem lek lijkt te zijn, kan men het lek vinden door een eenvoudige
massaspectrometer aan te sluiten op het systeem, en de buitenkant van het systeem op kritische plekken
aan een stroom helium-gas bloot te stellen. Wanneer het systeem lek is zal de massaspectrometer
duidelijk een piek bij een massa van 4 laten zien.

Het bereiden van isotoop-zuivere materialen:
Met preparatieve massaspectrometrie kan men de gevormde ionen opvangen in plaats van ze op de
detector verloren te laten gaan. Dit is een methode om isotopen van elkaar te scheiden. De hoeveelheden
blijven echter erg klein. Voor het scheiden van grotere hoeveelheden isotopen, zoals bij het verrijken
van uranium, wordt daarom gebruikgemaakt van andere technieken zoals ultracentrifugeren.
13
7. Voorbeelden
De massa van een fragment kun je zelf berekenen door de atoommassa's op te tellen. Waar je wel op
moet letten is dat er ook isotopen kunnen voorkomen. We gaan ervan uit dat z = +1, zodat de waarde
voor m/Z gelijk is aan m.
a. Massaspectrum van broom
Bij broom zie je 2 groepen pieken. Twee pieken in de buurt van 80 en drie in de buurt van 160.
Broom heeft twee isotopen (massagetallen 79 en 81) die beiden ongeveer evenveel voorkomen. Deze
beiden isotopen zijn in het spectrum terug te vinden en de bijbehorende pieken hebben ongeveer
dezelfde intensiteit.
De piek bij m/Z = 79 is die van een Br+ ion met massagetal 79 en de piek bij m/Z = 81 hoort bij het
Br+ ion met massagetal 81. De piek bij m/Z = 158 hoort bij een Br2+ molecuul dat opgebouwd is uit twee
isotopen met massagetal 79. De piek bij m/Z = 162 bij een Br2+ molecuul opgebouwd uit twee isotopen
met massagetal 81 en de piek bij m/Z = 160 uit een Br2+ molecuul dat bestaat uit de isotopen 79Br en
81Br.
14
b. Massaspectrum van methoxy-ethaan
We kijken alleen naar de belangrijkste pieken in het massaspectrum.
De grootste m/Z waarde in een massaspectrum hoort meestal bij het moleculair ion. In het spectrum is
te zien dat de grootste waarde gelijk is aan m/Z = 60. De molecuulmassa van methoxy-ethaan (C3H8O)
is gelijk aan 60 u (3 x 12 + 8 x 1 +16). Oftewel m/Z = 60 hoort bij het C3H8O+ ion.
De grootste piek bij m/Z = 45 hoort bij het CH3CH2O+ ion of het CH3OCH2+ ion, die ontstaan als van het
gehele molecuul een methyl-ion, CH3+, met m/Z = 15 wordt afgesplitst.
De op één na grootste piek bij m/Z = 29 hoort bij een ethyl-ion, CH3CH2+ dat ontstaat bij het afsplitsen
van een brokstuk met m/Z = 31, het methoxy-ion, CH3O+.
Extra oefeningen: http://wetche.cmbi.ru.nl/vwo/cdrom05/jmol/spect/ms/ms.html
8. Bronnen
http://webbook.nist.gov/
http://nl.wikipedia.org/wiki/Massaspectrometrie
http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrupole_mass_analyzer
http://teacherweb.com/AW/ColegioArubano/Johnvanderpluijm/apt22.aspx
http://www.chemguide.co.uk/analysis/masspec/elements.html