Protonentransferreaktion-Massenspektrometrie

Leonie Stackelberg Kann 13, 2016 P 16 0
FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc

Protonentransferreaktion-Massenspektrometrie ist eine analytische Chemie-Technik, die Gasphase Hydronium-Ionen als Ionenquelle Reagenzien verwendet. PTR-MS ist für die Online-Überwachung von flüchtigen organischen Verbindungen in der Außenluft verwendet und wurde von Wissenschaftlern am Institut für Ionenphysik an der Leopold-Franzens-Universität in Innsbruck, Österreich entwickelt. Eine PTR-MS-Gerät besteht aus einer Ionenquelle, die direkt mit einer Driftrohr und einem Analysesystem verbunden ist. Kommerziell erhältlich PTR-MS Instrumente haben eine Ansprechzeit von etwa 100 ms und erreicht eine Nachweisgrenze im einstelligen pptv Region. Gegründet Anwendungsbereiche sind Umweltforschung, Essen und Geschmack der Wissenschaft, die biologische Forschung, Medizin, etc.

Theorie

Mit H3O als primäre Ionen der Protonentransferprozess

Reaktion ist nur möglich, wenn energetisch erlaubt, dh wenn die Protonenaffinität größer ist als die Protonenaffinität von H2O. Da die meisten Komponenten der Umgebungsluft besitzen eine geringere Protonenaffinität als H2O H3O die Ionen nur reagiert mit VOC Spurenkomponenten und die Luft selbst als Puffergas wirkt. Darüber hinaus aufgrund der geringen Anzahl von Spurenkomponenten kann man davon ausgehen, dass die Gesamtzahl der H3O Ionen nahezu unverändert bleibt, was zu der Gleichung führt

In der Gleichung ist die Dichte der Produkt-Ionen, die Dichte der Primärionen in Abwesenheit von Reaktanden in dem Puffergas, ist die Reaktionsgeschwindigkeit konstant ist und die mittlere Zeit, die Ionen benötigen, um die Reaktionsregion bestehen. Mit einem PTR-MS Instruments die Anzahl der Artikel und der Primärionen gemessen werden kann, kann die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante in der Literatur für die meisten Substanzen gefunden werden und die Reaktionszeit kann von der eingestellten Geräteparameter abgeleitet werden. Deshalb ist die absolute Konzentration von Spurenbestandteile können einfach ohne die Notwendigkeit der Kalibrierung oder Gasnormen berechnet werden. Darüber hinaus wird es offensichtlich, dass die Sensitivität eines PTR-MS Instrument ist vor allem abhängig von der primären / Reagenz Ionenausbeute. Feige. 1 gibt einen Überblick über mehrere veröffentlichte Reagenz Ionenausbeuten in den letzten Jahrzehnten und die entsprechenden Empfindlichkeiten.

Technologie

In kommerziellen PTR-MS Instrumenten Wasserdampf wird in einer Hohlkathodenentladung ionisiert:

Nach der Entladung eine kurze Driftröhre wird verwendet, um sehr reine H3O über Ionen-Molekül-Reaktionen zu bilden:

Aufgrund der hohen Reinheit der Primärionen ein Massenfilter, das zwischen der Ionenquelle und der Reaktionsdriftröhre ist nicht notwendig und die H3O Ionen können direkt injiziert werden. Das Fehlen dieser Massenfilter wiederum reduziert Verluste von Primärionen und führt schließlich zu einem hervorragend niedrige Nachweisgrenze des gesamten Instruments. Im Reaktionsdriftröhre eine Vakuumpumpe kontinuierlich Ziehen durch Luft, die die flüchtigen organischen Verbindungen ein bis auswerten möchte. Am Ende der Driftröhre die protonierten Molekülen massenanalysiert und detektiert.

Vorteile der PTR-MS

  • Low-Fragmentierung: Nur eine kleine Menge an Energie während der Ionisation übertragen, damit die Fragmentierung unterdrückt wird und die erhaltenen Massenspektren sind leicht interpretierbar.
  • Keine Probenvorbereitung ist notwendig: VOC haltige Luft und Flüssigkeiten Kopfräumen kann direkt analysiert werden.
  • Echtzeit-Messungen: Bei einer typischen Reaktionszeit von 100 ms VOCs können online überwacht werden.
  • Echtzeit-Quantifizierung: Absolute Konzentration werden direkt ohne vorherige Kalibrierungsmessungen erhalten.
  • Kompakter und robuster Aufbau: Aufgrund der einfachen Konstruktion und der geringen Anzahl von Teilen für einen PTR-MS Instrument benötigt, kann sie in in platzsparende und sogar Mobilgehäuse eingebaut werden.
  • Einfach zu bedienen: Für den Betrieb eines PTR-MS nur Strom und einer geringen Menge an destilliertem Wasser erforderlich. Im Gegensatz zu anderen Techniken, keine Gasflaschen für Puffergas oder Kalibrierungsstandards notwendig.

Nachteile der PTR-MS und Gegenmaßnahmen

  • Nicht alle Moleküle nachweisbar: Denn nur Moleküle mit einem Protonenaffinität höher als Wasser kann durch PTR-MS detektiert werden, ist Protonentransfer von H3O nicht für alle Anwendungsbereiche. Daher 2009 erste PTR-MS-Instrumente wurden vorgestellt, die zum Schalten zwischen H3O und O2 als Reagens Ionen sind. Dies erhöht die Anzahl der nachweisbaren Substanzen wichtige Verbindungen wie Ethylen, Acetylen, die meisten Halogenkohlenwasserstoffe, usw. Im Jahr 2012 wurde ein PTR-MS-Gerät eingeführt, die den selektierbaren Reagenzionen um Kr und Xe erstreckt; Dies sollte zum Nachweis von nahezu allen möglichen Stoffen) zu ermöglichen. Obwohl die Ionisationsverfahren für diese zusätzlichen Reagenzionen ist Ladungsaustausch anstatt Protonentransfer Ionisation die Instrumente nach wie vor als "klassische" PTR-MS Instrumente betrachtet werden, dh keine Massenfilter zwischen der Ionenquelle und der Driftröhre und nur einige kleinere Modifikationen an der Ionenquelle und der Vakuum Design.
  • Maximal messbare Konzentration beschränkt: Gleichung basiert auf der Annahme, dass die Abnahme der Primärionen vernachlässigbar ist, damit die Gesamtkonzentration von VOCs in Luft muss etwa 10 ppmv nicht überschreiten basiert. Ansonsten Reaktion des Instruments wird nicht mehr linear sein und die Konzentration Berechnung nicht korrekt. Diese Einschränkung kann durch die Probe mit einer genau definierten Menge an reiner Luft verdünnt überwunden werden.

Anwendungen

Die häufigsten Anwendungen für die PTR-MS-Technik sind:

  • Umweltforschung
  • Müllverbrennung
  • Speisen und Geschmack Wissenschaft
  • Biologische Forschung
  • Prozessüberwachung
  • Innenraumluftqualität
  • Medizin und Biotechnologie
  • Heimatschutz

Umfangreiche Berichte über PTR-MS und einige ihrer Anwendungen wurden in Mass Spectrometry Bewertungen von Joost de Gouw et al. und in Chemical Reviews von R. S. Blake et al .. Eine spezielle Ausgabe des Journal of Breath Forschung gewidmet PTR-MS-Anwendungen in der medizinischen Forschung wurde im Jahr 2009 veröffentlicht.

Beispiele

Ernährungswissenschaft

Feige. 2 zeigt eine typische PTR-MS-Messung in der Nahrung und Geschmacks Forschung durchgeführt. Die Testperson verschlingt einen Schluck von einem Vanillin aromatisierte Getränke und atmet durch seine Nase in eine beheizte Einlasseinrichtung zu einem PTR-MS Instruments gekoppelt. Wegen der hohen Zeitauflösung und die Empfindlichkeit des Instruments hier verwendet, kann die Entwicklung von Vanillin im Atem einer Person in Echtzeit überwacht werden. Die Daten können für Lebensmittel ausgebildet, dh zum Einstellen der Intensität und Dauer der durch den Verbraucher schmeckte Vanillin Geschmack verwendet werden.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung von PTR-MS in der Ernährungswissenschaft wurde 2008 von C. Lindinger et al. in Analytical Chemistry. Diese Veröffentlichung fand große Resonanz auch in nichtwissenschaftlichen Medien. Lindinger et al. entwickelten eine Methode, um "trockene" Daten von einem PTR-MS Instrument, das Kopfraumluft gemessen von verschiedenen Kaffeeproben in Ausdrücken von Geschmack und zeigte, dass die erhaltenen Geschmacksprofile freundlich zu denen, die von einer Gruppe von europäischen Kaffee-Verkostung Experten abgestimmt konvertieren.

Luftqualitätsanalyse

In Fig. 3 ein Massenspektrum von Luft in einem Labor anhand PTR-MS-Gerät), ist gezeigt. Die Spitzen von Massen 19, 37 und 55 m / z repräsentieren die Reagenz-Ionen und ihren Clustern. Auf 30 und 32 m / z NO und O2, die beide Verunreinigungen aus der Ionenquelle stamm sind, angezeigt. Alle anderen Peaks entsprechen im typischen Laborluft vorhanden, um Verbindungen. Wenn man berücksichtigt, dass praktisch alle Peaks in Fig sichtbar. 3 sind in der Tat doppelt, dreifach oder mehrere Peaks wird es obivious, dass für die PTR-MS Instrumenten Selektivität ist mindestens so wichtig wie die Empfindlichkeit, besonders wenn komplexe Proben / Kompositionen analysiert. Methoden um dieses Problem umgehen sind in der Literatur als suggestested worden:

  • Hohe Massenauflösung: Wenn der PTR Quelle ist mit einem hochauflösenden Massenspektrometer gekoppelt isobaren Verbindungen unterschieden werden und Substanzen können über ihre genaue Masse identifiziert werden.
  • Schaltbare Reagenzionen: Einige PTR-MS-Instrumente sind trotz des Fehlens eines Massenfilter, das zwischen der Ionenquelle und der Driftröhre zum Schalten der Reagenzionen. Mit den zusätzlichen Informationen durch die Verwendung verschiedener Reagenzien erhaltenen Ionen eine viel höhere Selektivität kann zB erreicht werden einige isomere Moleküle unterschieden werden.
  Like 0   Dislike 0
Vorherige Artikel Perkin Dreieck
Nächster Artikel Willamette Collegian
Bemerkungen (0)
Keine Kommentare

Fügen Sie einen Kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Zeichen übrig: 3000
captcha