Análisis de compuestos volátiles y sensibles oxidación usando un sistema de entrada de frío y de Impacto electrónico Espectrometría de Masas

Este video presenta un protocolo para el análisis spectrometrical masa de compuestos volátiles y sensibles de oxidación utilizando ionización por impacto de electrones. La técnica presentada es especialmente de interés para los químicos inorgánicos, trabajando con organilos de metal, silanos, o fosfanos que tienen que ser manejados usando condiciones inertes, tales como la técnica de Schlenk.

Este video presenta un protocolo para el análisis spectrometrical masa de compuestos volátiles y sensibles de oxidación utilizando ionización por impacto de electrones. El análisis de compuestos volátiles y sensibles de oxidación por espectrometría de masa no se logra fácilmente, ya que todos los métodos de espectrometría de masa del estado de la técnica requieren por lo menos una etapa de preparación de la muestra, por ejemplo, la disolución y la dilución del analito (ionización por electrospray), co -crystallization del analito con un compuesto de matriz (matriz asistida por láser de desorción / ionización), o el traslado de las muestras preparadas en la fuente de ionización del espectrómetro de masas, a llevarse a cabo en condiciones atmosféricas. Aquí, el uso de un sistema de entrada de la muestra se describe que permite el análisis de organilos metálicos volátiles, silanos, y fosfanos utilizando un espectrómetro de masas de campo de sector equipado con una fuente de ionización por impacto de electrones. Todos los pasos de preparación de muestras y la introducción de la muestra en la fuente de iones de laespectrómetro de masas tener lugar ya sea en condiciones al aire libre o bajo vacío, lo que permite el análisis de compuestos altamente susceptibles a la oxidación. La técnica presentada es especialmente de interés para los químicos inorgánicos, trabajando con organilos de metal, silanos, o fosfanos, que tienen que ser manejados usando condiciones inertes, tales como la técnica de Schlenk. El principio de funcionamiento se presenta en este video.

El análisis de compuestos, tales como organilos de metal, silanos, o fosfanos por espectrometría de masas no siempre es factible. Varios de estos compuestos son conocidos por descomponerse rápidamente cuando entra en contacto con el aire. Por lo tanto los pasos más importantes al medir los espectros de masas son la preparación de muestras, la transferencia del analito en la generación de iones del espectrómetro de masas y en ausencia de aire. En este protocolo, se describe una estrategia para cumplir estos requisitos y presentar un sistema de entrada, lo que hace posible obtener los espectros de masas de compuestos volátiles previamente a no ser analizados por espectrometría de masas debido a su difícil manejo y rápida descomposición en condiciones ambientales. De este modo, la identificación inequívoca de novela o organilos metálicos volátiles existentes, silanos y fosfanos, susceptibles a la oxidación o hidrólisis, ahora puede realizarse con la ayuda de espectrometría de masas. Hay dos requisitos que deben cumplirse a fin de analizar los compuestos queson susceptibles a la oxidación o hidrólisis: preparación de la muestra y la generación de iones bajo condiciones inertes. La última premisa se puede cumplir fácilmente con un espectrómetro de masas con una fuente de iones de funcionamiento en vacío. Este es el caso con la mayoría de matriz asistida por láser-desorción / ionización (MALDI) espectrómetros de masas y con todos ionización por impacto de electrones (EI) espectrómetros de masas de ^1,2. Ionización por electrospray (ESI) no es fácilmente compatible para el análisis de compuestos susceptibles a la oxidación o hidrólisis, como el proceso de ionización tiene lugar bajo condiciones ambientales ^3. Sin embargo, para algunos compuestos que no reaccionan vigorosamente con el oxígeno o el agua, el secado y el gas de nebulización con el que se hacen funcionar la mayoría de las fuentes de ESI es suficiente para el análisis por espectrometría de masas ^4. Este es también el caso para las estrategias de ionización ESI similares a, por ejemplo, de baja temperatura ESI, de baja temperatura de ionización a presión atmosférica, y a baja temperatura Spectr masas de iones secundarios líquidageo- ^5-7. En contraste, la preparación de muestras y la transferencia en la fuente de iones bajo condiciones inertes es mucho más difícil. Ambos instrumentos MALDI y ESI se han unido a cajas de guantes para permitir la preparación de muestras de compuestos susceptibles a la oxidación y / o hidrólisis en una atmósfera inerte ^4,8. El espectrómetro de masas se interconecta a la caja de guante, ya sea con un capilar de transferencia (ESI) o directamente unido a la caja de guantes (MALDI). El acoplamiento de una caja de guantes a un espectrómetro de masas a través de un capilar de transferencia también sería posible utilizando otra estrategia de ionización - desorción de campo inyección de líquido / ionización (LIFDI) - con la que se informó el análisis de compuestos sensibles ^9,10.

Adicionalmente, MALDI y LIFDI no son adecuados para el análisis de compuestos altamente volátiles. MALDI requiere la co-cristalización del analito con una matriz y LIFDI requiere la deposición del analito sobre una emitter partir de una solución. Con ambas estrategias de ionización es muy probable que el analito se evapora junto con el disolvente. En contraste con los instrumentos MALDI, espectrómetros de masas EI suelen ofrecer varios métodos para introducir la muestra en la fuente de iones: la sonda de entrada directa (pequeñas cantidades de sólidos, aceites, ceras o se depositan en un crisol de aluminio que se introduce usando una varilla de empuje) , un septo de entrada (para líquidos), o el acoplamiento con un cromatógrafo de gases. Una vez más, al menos parte de la transferencia de la muestra se lleva a cabo en condiciones ambientales y es difícil de realizar en una atmósfera inerte.

En la década de 1960, un sistema de entrada de la muestra se presentó que permite la introducción de muestras bajo vacío en la fuente de iones de un instrumento EI - el sistema de entrada de cristal calentado (AGHIS) ^11,12. Aquí, la muestra se encuentra dentro de una pieza de sellado capilar de vidrio, que se inserta en el AGHIS. Posteriormente, el AGHIS fue evacuadoy el contenedor de vidrio con la muestra se rompió. A continuación, la AGHIS se calentó para evaporar la muestra que llegó a la fuente de iones de un espectrómetro de masas EI por medio de una fuga. Cuando se preparó el capilar de vidrio con la muestra dentro de una caja de guantes, la muestra puede ser introducido en el espectrómetro de masas sin ningún contacto con el aire. Sin embargo, la AGHIS es un aparato que no está disponible comercialmente y difícil de montar incluso para un taller de soplador de vidrio experto. Debido a las grandes dimensiones de conmutación entre entrada directa usando una varilla de empuje y AGHIS no es sencillo.

En nuestro laboratorio de espectrometría de masas, hemos desarrollado un sistema de entrada similar en el estilo de la AGHIS. Sin embargo, ya que no es posible calentar el sistema de entrada, el analito tiene que exhibir una cierta volatilidad con el fin de entrar en la fuente de iones del espectrómetro de masas. La volatilidad del analito tiene que ser suficiente, para permitir la transferencia del compuesto al vacío a TE nitrógeno líquidomperatura - ya sea hirviéndola o sublimación. El sistema de entrada de medida consiste en una placa de acero inoxidable, que se coloca en el sistema directo de entrada, un tubo de acero inoxidable con una válvula de aguja, y una brida, a la que un tubo de ensayo con cierre que contiene la muestra se puede unir. La instalación del sistema de entrada de agua fría no requiere modificaciones en el espectrómetro de masas (Autospec X, Generadores de vacío, ahora Waters Corp., Manchester, Reino Unido) - conmutación entre el sistema de entrada de agua fría y una entrada directa usando una varilla de empuje se puede realizar fácilmente dentro de segundos.

El sistema de admisión presentada es de uso particular cuando organilos metálicos, silanos, o fosfanos, susceptibles a la oxidación o la hidrólisis, tienen que ser analizados. Estos compuestos se analizan comúnmente usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) o espectroscopia infrarroja (IR). Por desgracia, estos métodos no permiten siempre para una identificación inequívoca de un compuesto, porque con ellos se obtienen incomplete información, por ejemplo, cuando los elementos tales como cloro o bromo son parte de la molécula. Difracción de electrones del gas por otro lado es capaz de proporcionar información detallada sobre el analito, sin embargo, el método es muy lento, la preparación de muestras es difícil, y sólo unos pocos grupos son capaces de llevar a cabo estos análisis ^13,14. Aquí, el sistema de entrada de agua fría para el análisis de organilos de metal, silanos, o fosfanos, susceptibles a la oxidación o la hidrólisis por la IE espectrometría de masas es de gran utilidad para (en) los químicos orgánicos que permiten la identificación inequívoca de los nuevos compuestos mediante el suministro de información relativa la masa de una molécula y de los iones fragmentados característicos. El único requisito previo para la medición de espectros de masa de una sustancia es una cierta volatilidad a presión reducida.

1. Preparación de muestras

1. Utilice tubos de ensayo con llave por encargo con una brida (Figura 1) para el transporte y traslado de las muestras en el espectrómetro de masas. Antes de llenar con muestra, evacuar los tubos de ensayo con cierre conectado a una línea Schlenk colector múltiple y eliminar el agua residual por calentamiento con una pistola de calor. Purgar el tubo de ensayo con argón seco y evacuar de nuevo, mientras se calienta.
2. Sumerja el tubo de ensayo con llave en una trampa fría llena de nitrógeno líquido (PRECAUCIÓN: Tenga cuidado cuando se trabaja con nitrógeno líquido). Condensar la muestra en el tubo de ensayo desde un recipiente de la muestra unida a un colector de la línea Schlenk, cerrar la cerradura en la parte superior del tubo de ensayo, así como el colector y retire el tubo de ensayo cerrado desde el baño de nitrógeno. Como espectrometría de masas es muy sensible, una pequeña cantidad es suficiente. La mayor parte del analito permanecerá en el tubo de ensayo con llave durante el análisis y está disponible para nuevos experimentosdespués de la medición.

Figura tubo de ensayo con cerradura 1. utilizado para la transferencia de muestras. A) de brida para la fijación al sistema de entrada de agua fría, grifo (B) de teflón del tubo de ensayo para permitir el transporte de un compuesto en condiciones al aire libre, (C) de tornillo para operar la llave de teflón.

2. medición de espectros de masas

1. Antes de la medición de la muestra, sintonizar y calibrar el espectrómetro de masas de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por el fabricante de su espectrómetro de masas (en este caso, un Autospec X (Generadores de vacío, ahora Waters Corp., Manchester, Reino Unido) se utiliza. Utilice perflourokerosene (PFK) como un estándar y sintonizar el espectrómetro de masas a una resolución de aproximadamente 2800 a m ​​/ z 119, 10% definición valle). Retire el empujevara de la entrada directa desde la fuente de iones y instalar la interfaz externa para el tubo de ensayo (Figura 2). Para evitar el calentamiento de la punta de la varilla de empuje, establecer el método de entrada a "tabique" en el software de control del espectrómetro de masas.
2. Conectar la brida del tubo de ensayo con cierre lleno con la muestra a la interfaz externa. Abra la válvula de aguja de la interfaz externa y evacuar a la entrada. Después de la evacuación, abrir con cuidado la válvula de bola a la fuente de iones para completar la etapa de evacuación. Cierre la válvula de aguja de la interfaz externa. PRECAUCIÓN: La llave de teflón del tubo de ensayo tiene que ser cerrado en este paso.
3. Iniciar una medición de la masa en el software del espectrómetro de masas. Con la válvula de aguja cerrada, abrir el grifo de teflón del tubo de ensayo muy brevemente, permitiendo que las moléculas en fase gaseosa del analito para entrar en la parte externa de la interfaz. Cierre la llave de teflón de nuevo.
   NOTA: La parte exterior de la interfaz junto con el espacio entre el Teflde barril y la brida del tubo de ensayo con cierre (compárense las Figuras 1 y 2B) sirve como un depósito de gas analito durante el análisis.
4. Abra cuidadosamente la válvula de aguja mientras observa el manómetro de vacío de la fuente de iones. Este paso permite que las moléculas de analito para entrar en la fuente de iones del espectrómetro de masas. El vacío no debe ser inferior a 10 ^-5 mbar durante la medición.
   NOTA: En función de la volatilidad de los espectros de masas analito de buena calidad se obtienen en aproximadamente 10 ^-6 mbar. El espectro de masas de la muestra se registra ahora. Por lo general, la cantidad de muestra fugas en el instrumento a través de la válvula de aguja es suficiente para registrar los espectros de masas durante varios minutos. En caso de que la intensidad de los iones disminuye, la apertura de la válvula de aguja un poco más permite más tiempo de adquisición. Si la calidad de los espectros de masas registrado a 70 eV no es satisfactoria, los espectros de masas se puede grabar utilizando energías cinéticas inferiores de laelectrones, por ejemplo, 20 eV.

Figura 2. sistema de entrada fría con tubo de vacío con llave de ensayo provisto de la fuente de iones de un VG Autospec X. A) tubo de ensayo con cerradura, (B) la conexión embridada entre tubo de ensayo un sistema de entrada de agua fría, (C) de la válvula de aguja, (D) placa de acero inoxidable con junta como la conexión a la fuente de iones, (E) de interfaz de la entrada directa, la punta cerámica de la varilla de empuje es visible.

3. Después de la medición

1. Cierre la válvula de aguja de la interfaz externa. Cierre la válvula de bola de la fuente de iones. Detener la adquisición de espectros de masa en el software.
2. Vacíe el sistema de entrada, mientras que la apertura de la válvula de aguja por completo. Ventile la interfaz, mientras que la bolaválvula y la válvula de aguja se cierran. Evacuar la interfaz de nuevo, abrir la válvula de aguja durante este paso con el fin de eliminar el vapor residual de la muestra en la interfaz. Repita este paso al menos 3 veces.
3. Retire el tubo de ensayo con llave desde la interfaz. Continuar con el siguiente muestra o eliminar la interfaz externa de la brida de la fuente de iones y reemplazarla con la varilla de empuje.

Un espectro de masas EI de tris (trifluorometil) fosfano se presenta en la Figura 3, un compuesto, que se descompone rápidamente cuando está en contacto con el aire (Figura 4). La interfaz presentada permite la medición recta hacia adelante de los espectros de masas para estos compuestos. La operación de la novela interfaz es fácil y rápido y no presenta ningún obstáculo cuando se opera el espectrómetro de masas con la aplicada rutinariamente entrada directa usando la varilla de empuje.

Figura 3 Espectro de masas de tris (trifluorometil) fosfano. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. recipiente (A) de almacenamiento lleno de tris (trifluorometil) fosfano. (B) contenedor lleno de una pequeña cantidad de tris (trifluorometil) fosfano. (C) Al entrar en contacto con el aire, tris (trifluorometil) fosfano se inflama espontáneamente. (Fotografías con cortesía del Dr. J. Bader.)

La adquisición de los espectros de masas de compuestos que se descomponen bajo los procedimientos de preparación de muestras estándar se presenta en este protocolo. La técnica presentada está diseñado para el análisis de organilos metálicos, silanos y fosfano, que son altamente susceptibles a la oxidación y / o hidrólisis, por lo que es interesante sobre todo para los químicos inorgánicos. Con el fin de lograr resultados óptimos, condiciones de vacío o al aire libre tienen que ser conservada durante todo el análisis. Por lo tanto, el protocolo debe seguirse meticulosamente. En caso de que el analito entra en contacto con el aire debido a las fugas en o mal manejo del sistema de entrada, consecuencias graves, tales como la explosión del recipiente de la muestra puede ser el caso en función del compuesto a ser analizado (Figura 4). Preparación de la muestra también se debe realizar solamente por personal capacitado que se utilizan para trabajar con líneas Schlenk, ya que pueden implosionar debido al material de vidrio de fabricación deficiente cuando al vacío. Explosiones might ser causado por el contacto de compuestos reactivos con el aire, que entran en la línea de Schlenk debido a una mala manipulación. El peligro de oxígeno líquido, congelado fuera de las impurezas de gas inerte en una trampa de frío, también debe ser considerado. Contacto de cualquier compuesto (in) orgánica con oxígeno líquido podría dar lugar a reacciones vigorosas que causan la explosión de la línea Schlenk. Durante el análisis de la presión en la fuente de iones del espectrómetro de masas se debe observar cuidadosamente, ya que a la alta presión en la fuente de iones podría dar lugar a daños en el instrumento.

Como con organilos metálicos volátiles, altamente susceptibles a la oxidación y / o hidrólisis, silanos y fosfano son raramente o imposible analizar usando espectrómetros de masas del estado de la técnica con ESI o fuentes de iones MALDI, donde la preparación de la muestra y la ionización son comúnmente realizados bajo las condiciones atmosféricas. Aquí, el sistema de entrada de agua fría presenta una valiosa extensión de los métodos existentes para la introducción de analito. Sin embargo, la entrada de agua fríasistema no es compatible con las fuentes de ESI y MALDI de iones, ya que presenta un flujo de analito gaseoso a la fuente de ionización, mientras ESI requiere un flujo de la solución de analito y analito MALDI co-cristalizado con matriz para la generación de iones. Como cada estrategia de ionización, la IE también tiene un inconveniente - debido a la alta energía del haz de electrones, fragmentaciones ocurren con frecuencia. Dependiendo de la naturaleza del analito que esto puede resultar en la ausencia de un ion molecular. Sin embargo, el analito puede ser identificado usando los iones de fragmentos, especialmente cuando el compuesto suministrado es de alta pureza. Para una identificación inequívoca, la vía de síntesis tiene que ser conocido en este caso. Para compuestos en los que el ion molecular está presente en el espectro de masas, los iones de fragmentos se pueden utilizar para confirmar la estructura de la molécula. Debido al diseño del sistema de entrada de agua fría, la estrategia presentada se limita a compuestos con una cierta volatilidad. La volatilidad del analito tiene que ser suficiente, a unallow para la transferencia del compuesto al vacío a la temperatura del nitrógeno líquido - ya sea por ebullición o sublimación. Los compuestos con la presión de vapor muy baja no producirá espectros de masas de alta calidad. Diafonía entre las mediciones de masa individuales se observa raramente y puede minimizarse aún más por bombeo a cabo el sistema de entrada cuidadosamente.

En general, las mediciones pueden llevarse a cabo con cada espectrómetro de masas equipado con una fuente de iones IE y sistema de entrada directa. El sistema de entrada de agua fría que se presenta es operativo dentro de segundos y no requiere alteraciones en el espectrómetro de masas. Sin embargo, la interfaz del sistema de entrada de agua fría tiene que ser hecho a medida, de acuerdo con las dimensiones de las entradas existentes en el espectrómetro de masas EI usado. Dependiendo de las capacidades del espectrómetro de masas disponibles, los experimentos adicionales se pueden realizar, tales como mediciones de masa exactas para la determinación o la confirmación de composiciones elementales o ion-masa-vacas analizaronespectrometría de tic-energía (MIKES) para la explicación de las rutas de fragmentación. Por lo tanto, el sistema de entrada de agua fría representa una estrategia de entrada de muestra adicional junto a la entrada directa utilizada rutinariamente usando una varilla de empuje en la IE espectrometría de masas.

The authors have nothing to disclose.

JS is indebted to Prof. B. Hoge of the Inorganic Chemistry department, Bielefeld University, for the idea of establishing the presented inlet system. The analyzed phosphane was a generous gift from Prof. B. Hoge. Sample preparation of the analyzed compound was performed by M. Wiesemann. Photographs of the phospane were taken by Dr. J. Bader. The mechanical workshop of the faculty of chemistry is acknowledged for the manufacturing of the interface and the glass workshop of the faculty of chemistry for the manufacturing of the lockable test tubes with flanges. Prof. B. Hoge and Prof. H. Gröger are acknowledged for funding of this publication.