為什麼這篇parent化學鄉民發文收入到精華區:因為在parent化學這個討論話題中,有許多相關的文章在討論,這篇最有參考價值!分析二 重點整理-質譜:離子化方法(MSionization methods)By B9820305...
parent化學 在 ?Holly?K☄ Instagram 的最佳解答
2021-07-11 07:36:14
炎炎夏日,與疫情同時升溫的還有寶貝們的肌膚護理與健康! 寶寶細嫩的肌膚相對成人更為敏感且易受損,加上現在大環境的汙染越來越多,在選擇護膚品時就一定要兼顧防護力及成分的安全性,不要讓孩子曝露在皮膚過敏的可能性中。在認識@derma.taiwan 的 ECO Baby有機寶寶系列之後,女孩兒們終於能夠...
◎本次考試的重點:
(1)了解質譜儀的基本分段構造。
(2)了解各種離子化方法的作用原理。
一、質譜(mass spectrometer)簡介:
質譜儀,是將分析物通過樣品離子化裝置、離子加速器、質量分析器、質量偵測器等四個
主要構造,以分析樣品中化合物可能的組成。早先的質譜儀,是被發明來研究同位素的含
量。
*圖譜的種類:
質譜圖(mass spectrum)的橫坐標是質荷比(m/z),縱座標為離子的相對含量(
relative abundance)。在質譜圖中,離子相對含量最高的峰稱為基峰(base peak),
而其含量被定為100%。質譜圖主要有兩種呈現方式:
(1)連續譜圖(continuous spectrum):橫坐標的m/z是連續的分布。
(2)碎片譜圖(fragmentation spectrum):橫坐標的m/z是整數。
二、離子化方法(ionization methods):
質譜儀的離子化方式,依照分析的目的與樣品的種類而有許多種選擇。如:氣態樣品會以
電子游離法(EI)、化學游離法(CI)、電場游離法(FI);揮發性低的液態或固態樣品
則可用快速原子撞擊法(FAB)、基質輔助雷射脫附游離法(MALDI)、電噴灑游離法(
ESI)、常壓化學游離法(APCI)、氬氣電漿游離法(ICP-MS)等。下面會對這些離子化
方法一一作介紹。
三、電子游離法(EI,electron ionization):
EI法,是以熾熱燈絲產生出電子,並對這些電子施加電壓,使電子加速並撞擊至氣態樣品
,這些樣品吸收了12~15 eV的能量之後,進而產生分析物離子。剛產生出來的分析物離子
稱為parent ion,而這些parent ion有可能因為能量太高,而繼續斷裂成小碎片離子,這
些離子被稱為daughter ion。
*離子化能量的選擇:
(1)不同的能量下的電子,對於樣品的離子化效率並不相同,且非線性關係。
在電壓為70 V時,亦即一個電子的能量是70 eV時,對樣品的離子化效率最高。這是因為
,70 eV能量的電子對應到的德布羅依波長(de Broglie wavelength)約為一般化學鍵的
長度,此時兩者的交互作用最強。此最佳的離子化效率約為0.01%。
(2)電子的能量如果太高,會將自身的能量轉移給分析物離子,導致分析物離子獲得能
量而產生斷裂(fragmentation),此時parent ion的訊號就會變小。
三、化學游離法(CI,chemical ionization):
CI法與EI法不同之處在於,加熱產生的電子會先與一種反應氣體(reagent gas)碰撞,
使得這些氣體變成氣態離子,之後才進行電荷轉移使氣態分析物帶電。由於CI不是透過高
能電子直接撞擊樣品,所以轉移給樣品的能量不會太多。
*與EI的比較:
由於CI中樣品所獲得的能量較低,而且產生的質子化離子MH+較分子離子M+.穩定。所以與
EI相比,CI是傷害比較小的離子化方式,產生的碎片比率較低。
四、電場游離法(field ionization):
FI法,是以一支上面布滿許多尖端的導電針(microneedle emitter)建立高電場,並將
氣態樣品置於此高電場環境下,透過量子穿隧效應(quantum tunneling effect),直接
將分析物中的電子游離,而沒有EI、CI中加熱電子碰撞的過程發生。
*特點:
(1)離子化的暴力程度:EI>CI>FI。碎片比率:EI>CI>FI。
(2)由於穿隧效應只會在氣態樣品靠導電針距離近時發生,所以FI產生的離子化比率,
遠較EI來的低。
*電場脫附法(FD,field desorption):
與FI法原理類似,但因為分析物無法揮發在空中,所以FD法的做法是,直接將樣品塗布在
導電針上,並將導電針通以熱電流,使得分析物在脫附導電針表面時,發生穿隧效應而游
離出電子。
五、快速原子撞擊游離法(FAB,fast atom bombardment):
FAB法,是將能量近數千eV的高能氬氣或氙氣撞擊至樣品表面,使得樣品直接以離子狀態
被撞濺出來。在FAB法中通常會選用液態基質作為溶劑,減少分子間作用力,使得分析物
離子容易自樣品表面脫附。選用快速原子作為離子化工
具的理由,主要是要避免非導體樣品中,電荷的大量累積所造成接下來游離過程的困難度
。
*快速原子的產生:
首先,加熱燈絲產生的電子束與Xe、Ar碰撞,使其變成帶電的慢速離子,並通過一離子加
速器。這些帶電的慢速離子被加速後,會在隨後的碰撞室(collision chamber)中,與
中性的慢速原子發生碰撞。此時,電荷可能發生轉移,而結果就是帶電的快速離子被中和
成中性的快速原子。
*特點:
(1)FAB的分析物,可以為不揮發、分子量高的物種。
(2)由於基質是一般的有機溶劑(如:甘油、二乙醇胺等),也會受到快速原子撞擊而
游離,導致質譜圖上會有非常大的背景訊號。一般而言,FAB不適用於m/z太小的分析物。
六、基質輔助雷射脫附游離法(MALDI,matrix assisted laser desorption ionization
):
在MALDI法中,為了使揮發性大分子基質的機制,一般被認為是以脈衝雷射(pulsed
laser)激發基質,而基質在接收到雷射能量後,將這個能量傳給分析物,並同時與分析
物一起脫附、游離。
*特點:
(1)MALDI所用的基質,為固態的有機化合物,且通常具有酸性的質子,以致於基質很容
易因失去質子而帶電荷;而分析物則可為蛋白質等大分子。在處理樣品時,會將基質與分
析物做充分混合後,再進行MALDI的游離法,以確保基質與分析物之間能量轉移的效率。
(2)在選擇脈衝雷射的波長時,必須盡量使分析物的吸收度最小,而基質的吸收度最大
。否則,當分析物可吸收雷射時,可能造成分析物的解離、變性,而降低離子化比率。
(3)與FAB相似,MALDI的基質也會被游離,所以背景訊號也很大,不適用於m/z太小的分
析物。
(4)MALDI使用的脈衝雷射具有類似碼表計時的功能,所以常搭配飛行時間分析器(TOF
,time-of-flight analyzer)使用。
七、電噴灑游離法(ESI,electrospray ionization):
在ESI法中,分析物溶於溶劑中所形成的溶液,將之通過一毛細管,並在距
離毛細管出口端一段長度施以高電場,使得噴出毛細管的溶液,因表面張力與電荷斥力的
平衡而形成泰勒錐(Taylor cone),製造出含帶電液珠的氣溶膠(aerosol)。這些帶電
液珠在電場下移動時,會慢慢的揮發掉溶劑,而導致電荷密度上升;當電荷密度太大以致
於表面張力無法承受電荷斥力時(此時的電荷密度稱為Rayleigh limit),這些液珠便會
產生Columbic explosion,而變成更小的液珠。
*裝置設計:
(1)補償溶液(make-up solution):在離子進入質量分析器之前,必須加一道真空幫
浦,以維持分析器內部所需的真空度。然而,含分析物的溶液很可能被幫浦強大的抽力抽
掉。ESI通常會用來分析由層析儀所流出之樣品液,不過前述的幫浦,很有可能影響到樣
品液在層析儀中的流速,進而影響分離效果。為了防止這種問題,於是在做ESI時,須額
外加一種補償溶液,使得樣品液的流速不至於變化太多。
(2)由於ESI產生的碎片較少,所以無法提供很多化學結構方面的資訊。想增加ESI的碎
片離子產生,可在離子加速器前設置一個60 V左右的電壓,並通以N2,使分析物離子與N2
發生碰撞活化解離(CAD,collisional activated dissociation;CID,
collisional-induced dissociation),而產生碎片離子。
*特點:
(1)ESI可在常溫常壓下產生。
(2)分析物離子可帶多電荷,所以可以量測的質量上限很高。(>106 Da)
(3)ESI所產生的碎片訊號很少。
(4)圖譜上相鄰兩個峰的離子,帶的電荷會相差一個。因此可以利用這項性質,由相鄰
兩個峰的m/z值,推算分析物的分子量。
*脫附電噴灑游離法(DESI,desorption electrospray ionization):
對於一些固相分析物,可以採取DESI法進行分析。DESI與ESI作用原理類似,它是將帶電
荷的溶劑液珠製造成電噴霧狀,再打到樣品表面上。樣品表面的分析物被這些溶劑液珠溶
解後,脫附樣品表面,並經由碰撞產生分析物離子。DESI可以進行二維平面的掃描,提供
表面特定區域的影像與資訊。
八、常壓化學游離法(APCI,atmosphere pressure chemical ionization):
APCI中,一開始的裝置與ESI類似,有一N2流幫助溶液霧化。但與ESI不同的是,APCI在進
行離子化之前設置了一個加熱區,先將樣品汽化,產生液體噴霧後,再透過一高電壓(
~6000 V)的放電針(corona needle),使得分析物可在常壓下被游離成離子。隨後通入
N2作為反應氣體(reagent gas),進行化學游離。
*特點:
(1)與ESI不同,使用APCI所產生的分析物離子只帶單一電荷。
(2)可量測的質量上限 < 1000,而且由於不能產生足夠的碎片,而且質量分析器所能測
到的m/z也有上限,所以APCI不適合用來測大分子。
(3)APCI所需要的分析物揮發性,較ESI來的高;亦即,APCI較適用於極性小的分析物。
這是因為ESI的分析物在霧化時就已帶電荷,而APCI的分析物在霧化後並未帶電荷,而是
須先變成氣相之後,透過放電針而帶電。
九、感應耦合電漿質譜法(ICP-MS,inductively coupled plasma-MS):
ICP-MS,是原子質譜的一種。ICP是藉由一交流磁場的線圈加熱Ar氣體產生高溫Ar電漿(
主要由Ar+、Ar*、高能電子所組成),而分析物在這樣的高溫之下,所有的化學鍵都會被
打斷,而形成原子離子。
*裝置設計:
(1)碰撞區(collision cell):設置於產生原子離子之後的區域。藉由通入He氣體且
同時抽真空,把電漿中的Ar與大氣環境中的N2、O2形成的ArO+、Ar2+離子撞開,不讓這些
原子離子抵達偵測器,形成干擾。
(2)偏折板(deflection plate):設置在碰撞區之後,為一電場裝置。藉由施加電場
的方式,可使原子離子運動形式受到影響而偏離原本的軸線,而光子在行經偏折板時,不
會受到電場影響而改變運動方向。因此可以避免光子抵達偵測器,造成訊號干擾。
*同重素干擾(isobaric interference):
在進行特定元素的ICP-MS分析中,可能會產生相似質量離子的干擾。如:56Fe+會被
40Ar16O+干擾;80Se會被40Ar2+干擾等等。