DOPLŇKOVÉ METODY V HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRII

Význam tématu

Hmotnostní spektrometrie (MS) je klíčovou metodou pro identifikaci a kvantifikaci molekul podle jejich m/z. Nicméně standardní MS neposkytuje přímé informace o funkčních skupinách nebo elektronických stavech iontů. Doplněním spektroskopických technik se významně rozšiřují analytické možnosti, a to jak v oblasti strukturální analýzy iontů v plynné fázi (action spectroscopy), tak v oblasti velmi citlivé kvantitativní analýzy stopových radioizotopů (accelerator mass spectrometry, AMS).

Cíle a přehled studie / článku

Studie shrnuje principy a příklady dvou komplementárních metod:

• Akční spektroskopii iontů založenou na fotodisociaci při jednofotonové, vícefotonové a kombinované excitaci (UV-VIS, IR).
• Elementární analýzu stopových radioizotopů pomocí AMS, využívanou zejména pro datování (14C) a kvantitativní izotopovou analýzu.

Použitá metodika a instrumentace

Action Ion Spectroscopy:

• Pulzní laditelné lasery (Nd:YAG + OPO) pro generaci UV-VIS signálních a idler paprsků.
• Infračervené lasery (FELIX, CLIO) pro měření akčních IR spekter v oblasti 40–2000 cm–1.
• Chlazení iontů v iontové pasti (30–50 K) nebo supersonickou expanzí pro zvýšení rozlišení vibračních přechodů.
• Značení iontů vzácnými plyny (Ne, Ar) nebo H2/D2 pro tzv. tagging techniky.

Accelerator Mass Spectrometry (AMS):

• Primární Cs+ iontový zdroj pro tvorbu sekundárních záporných iontů analytu.
• Magnetický sektorový analyzátor pro selekci izotopů před urychlením.
• Lineární urychlovač umožňující kinetické energie iontů 0,2–25 MeV.
• Srážková komora s plynným prostředím (He, Ar) nebo tenkou grafitovou fólií pro stripping na kladné ionty.
• Plynové ionizační komůrky nebo křemíkové detektory pro měření vysokorychlostních iontů.

Hlavní výsledky a diskuse

Jednofotonová akční spektroskopie UV-VIS (<300 nm) umožňuje přímou excitaci elektronických stavů iontů, následovanou neadiabatickým přechodem do repulzního stavu a fragmentací (např. štěpení C–I v aromatických jodidech). Akční spektra protonovaných nukleobází při laboratorní teplotě vykazují široké vibračně-rotační pásy (šířka ~30 nm), které lze chladícími technikami rozlišit do vibračních píků. Vícefotonové IR spektrum je ovlivněno anharmonicitou a krátkou dobou života vibračních excitovaných stavů (anharmonická past), což komplikuje kvantitativní korelaci absorpčních intenzit s jednofotonovou spektroskopií. Kombinované UV/IR techniky (dip spectroscopy) poskytují vysoké rozlišení vibračních přechodů (<10 K).
V AMS byla demonstrována schopnost dosahovat dynamického rozsahu přes 12 řádů, potlačení molekulárních interferencí a přesnost měření 14C na úrovni 3–5 promile. Základní princip sekulární rovnováhy (P = αN) umožňuje kvantifikovat radioizotopy s poločasy rozpadu od 104 až po 107 let.

Přínosy a praktické využití metody

• Action spectroscopy přidává spektroskopickou dimenzi k hmotnostní analýze, umožňuje určovat přítomnost chromoforů a charakterizovat vazby (C=O, OH, NH) v iontech.
• Komercializované pulzní lasery a laditelné OPO moduly dovolují integraci spektroskopie do běžných MS přístrojů s minimálními úpravami.
• AMS se stalo nezastupitelné pro radiouhlíkové datování (do 50 000 let zpět), sledování kosmogenních izotopů (10Be, 36Cl) a geochemických aplikací.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj kompaktních free-electron laserů a výkonných OPO systémů pro přístup k širšímu spektrálnímu rozsahu a vyšší intenzitě záření.
• Pokročilé chlazení iontů (sub-10 K) a nové techniky tagování pro dosažení ještě vyššího rozlišení vibračních spekter.
• Integrace akční spektroskopie s iontovými mobilitními analyzátory pro prostorovou separaci konformací biomolekul.
• Další miniaturizace AMS zařízení a snižování provozních nákladů pro širší komerční a terénní aplikace v archeologii, environmentální chemii a forenzní vědě.

Závěr

Akční spektroskopie iontů a AMS představují dvě silně komplementární rozšíření hmotnostní spektrometrie. První poskytuje strukturální informace o funkčních skupinách a elektronických stavech iontů, druhá umožňuje extrémně citlivou kvantifikaci stopových izotopů. Technologický pokrok v laserových systémech a urychlovačových spektrometrech zásadně rozšiřuje oblast praktického nasazení těchto metod.

Reference

1. Polfer N. C., Dugourd P. (eds.): Laser Photodissociation and Spectroscopy of Mass-Separated Biomolecular Ions; Springer 2013.
2. McLafferty F. W., Tureček F.: Interpretation of Mass Spectra, 4th ed.; University Science Books 1993.
3. Pedersen S. O. et al.: J. Phys. Chem. A 118, 4256 (2014).
4. Berdakin M. et al.: Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 10643 (2014).
5. Tureček F. et al.: Int. J. Mass Spectrom. 354-355, 249 (2013).
6. Nizkorodov S. A. et al.: J. Phys. Chem. 99, 17118 (1995).
7. Kamrath M. Z. et al.: J. Am. Chem. Soc. 133, 6440 (2011).
8. Valle J. J. et al.: Rev. Sci. Instrum. 76, 023103 (2005).
9. DeBlase A. F. et al.: J. Chem. Phys. 139, 024301 (2013).
10. Rizzo T. R. et al.: Int. Rev. Phys. Chem. 28, 481 (2009).
11. Yergey A. L., Yergey A. K.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 8, 943 (1997).
12. Synal H.-A.: Int. J. Mass Spectrom. 349-350, 192 (2013).
13. Bennett C. L. et al.: Science 198, 508 (1977).
14. Nelson D. E. et al.: Science 198, 507 (1977).
15. Kutchera W.: Int. J. Mass Spectrom. 349-350, 203 (2013).