Análise de compostos sensíveis voláteis e oxidação usando um sistema de frio e de entrada Electron Impact Espectrometria de Massa

Este vídeo apresenta um protocolo para a análise spectrometrical massa de compostos voláteis e sensíveis oxidação com ionização por impacto de electrões. A técnica apresentada é especialmente de interesse para os químicos inorgânicos, trabalhar com metal, organyls silanos ou fosfanas que têm de ser tratadas usando condições inertes, tais como a técnica de Schlenk.

Este vídeo apresenta um protocolo para a análise spectrometrical massa de compostos voláteis e sensíveis oxidação com ionização por impacto de electrões. A análise dos compostos voláteis e sensíveis à oxidação por espectrometria de massa, não é facilmente conseguida, como todos os métodos de espectrometria de massa em estado-da-arte requerem, pelo menos, uma etapa de preparação da amostra, por exemplo, a dissolução e a diluição da substância a analisar (por ionização por electropulverização), co -crystallization do analito com um composto de matriz (de matriz assistida por laser de dessorção / ionização), ou a transferência das amostras preparadas para a fonte de ionização do espectrómetro de massa, para ser conduzida sob condições atmosféricas. Aqui, a utilização de um sistema de entrada de amostra é descrito que permite a análise de organyls voláteis metálicos, silanos, e fosfanas utilizando um espectrómetro de massa de campo de sector equipado com uma fonte de ionização por impacto de electrões. Todas as etapas de preparação da amostra e da introdução da amostra na fonte de iões deEspectrómetro de massa ter lugar sob condições de ausência de ar, ou sob vácuo, permitindo que a análise de compostos altamente susceptíveis à oxidação. A técnica apresentada é especialmente de interesse para os químicos inorgânicos, trabalhar com metal, organyls silanos ou fosfanas, que têm de ser tratadas usando condições inertes, tais como a técnica de Schlenk. O princípio de funcionamento é apresentado neste vídeo.

A análise de compostos, tais como de metal organyls, silanos, ou fosfanas por espectrometria de massa, não é sempre possível. Vários destes compostos são conhecidos por decompor-se rapidamente quando em contacto com o ar. Por conseguinte, os passos mais importantes na medição espectros de massa são a preparação da amostra, a transferência da substância a analisar para o espectrómetro de massa e geração de iões na ausência de ar. Neste protocolo, que descrevem uma estratégia para satisfazer estes requisitos e apresentar um sistema de admissão, o que torna possível a obtenção de espectros de massa dos compostos voláteis não previamente para ser analisados ​​por espectrometria de massa, devido ao seu manuseamento difícil e à decomposição rápida em condições ambientais. Deste modo, a identificação inequívoca do romance ou organyls metais voláteis existentes, silanos e fosfanas, sensíveis a oxidação ou a hidrólise, pode agora ser realizado com o auxílio de espectrometria de massa. Existem dois requisitos que devem ser cumpridos, a fim de analisar os compostos quesão susceptíveis à oxidação ou hidrólise: a preparação da amostra e geração de iões em condições inertes. A última premissa pode ser facilmente satisfeita utilizando um espectrómetro de massa com uma fonte de iões de operar sob vácuo. Este é o caso com a maior parte de matriz assistida por laser-dessorção / ionização (MALDI) espectrómetros de massa e com todos os ionização de impacto de electrões (EI) espectrómetros de massa de ^1,2. Ionização por electrospray (ESI) não é facilmente compatível com a análise de compostos sensíveis à oxidação ou de hidrólise, tal como o processo de ionização tem lugar sob condições ambientais ^3. No entanto, para alguns compostos que não reagem fortemente com oxigénio ou água, o gás de secagem e nebulização com que a maioria das fontes ESI são operados é suficiente para a análise por espectrometria de massa ^4. Este é também o caso de estratégias de ionização semelhantes a ESI, por exemplo, a baixa temperatura ESI, de baixa temperatura de ionização a pressão atmosférica, e de baixa temperatura spectr massa de íons secundários líquidoometry ^5-7. Em contraste, a preparação da amostra e de transferência para a fonte de iões, sob condições inertes, é muito mais difícil. Ambos os instrumentos de MALDI e ESI foram acoplados com caixas de luvas, a fim de permitir a preparação de amostras de compostos sensíveis à oxidação e / ou de hidrólise, em uma atmosfera inerte ^4,8. O espectrómetro de massa é ligada à caixa de luva ou com um capilar de transferência (ESI) ou directamente ligado à caixa de luva (MALDI). O acoplamento de um porta-luvas de um espectrômetro de massa por meio de um capilar de transferência também seria possível usar outra estratégia de ionização - líquido dessorção campo injeção / ionização (LIFDI) - com a qual a análise de compostos sensíveis foi relatado ^9,10.

Além disso, e MALDI LIFDI não são adequados para a análise de compostos altamente voláteis. MALDI requer a co-cristalização da substância a analisar com uma matriz e LIFDI requer a deposição de substância a analisar para um emitter a partir de uma solução. Com ambas as estratégias de ionização é muito provável que o analito se evaporar, juntamente com o solvente. Em contraste com os instrumentos de MALDI, espectrómetros de massa EI geralmente oferecem vários métodos para a introdução da amostra na fonte de iões: a entrada da sonda directa (pequenas quantidades de sólidos, óleos ou ceras são depositados num cadinho de alumínio, que é introduzido através de uma haste de empurrar) , uma entrada de septo (para líquidos), ou acoplamento com um cromatógrafo de gás. Mais uma vez, pelo menos parte da amostra de transferência tem lugar sob condições de ambiente e é difícil de ser executada sob uma atmosfera inerte.

Na década de 1960, um sistema de entrada de amostra foi apresentada, que permite a introdução de amostras sob vácuo na fonte de iões de um instrumento EI - o todo em vidro aquecido do sistema de admissão (AGHIS) ^11,12. Aqui, a amostra foi localizado no interior de uma peça de capilar de vidro selado, o qual foi inserido no AGHIS. Subsequentemente, o AGHIS foi evacuadoe o recipiente de vidro com a amostra foi quebrado. O AGHIS foi então aquecida para evaporar a amostra que chegou a fonte de iões de um espectrómetro de massa EI por meio de um vazamento. Quando o capilar de vidro com a amostra foi preparada dentro de uma caixa de luvas, a amostra pode ser introduzida no espectrómetro de massa sem qualquer contacto com o ar. No entanto, o AGHIS é um aparelho que não é comercialmente disponível e difícil de montar mesmo para uma oficina de vidreiro especialistas. Devido às grandes dimensões de comutação entre a entrada direta usando uma haste de empurrar e AGHIS não é para a frente.

Em nosso laboratório de espectrometria de massa, foi desenvolvido um sistema de entrada semelhante ao estilo do AGHIS. No entanto, uma vez que não é possível aquecer o sistema de admissão, o analito tem de apresentar uma certa instabilidade, a fim de introduzir a fonte de iões do espectrómetro de massa. A volatilidade do analito tem que ser suficiente, para permitir a transferência do composto sob vácuo, a te azoto líquidomperatura - por fervura ou sublimação. O sistema de admissão feito por medida é constituído por uma placa de aço inoxidável, que é posicionado no sistema de entrada directa, um tubo de aço inoxidável com uma válvula de agulha, e uma flange, a qual um tubo de ensaio contendo a amostra com fecho pode ser ligado. A instalação do sistema de admissão de frio não requer modificações no espectrômetro de massa (Autospec X, geradores de vácuo, agora Waters Corp, Manchester, Reino Unido) - alternar entre sistema de admissão de frio e de entrada direta usando uma barra de pressão pode ser realizada facilmente em segundos.

O sistema de admissão apresentado é de uso particular quando organyls metal, silanos, ou fosfanas, suscetível à oxidação ou hidrólise, tem que ser analisado. Estes compostos são geralmente analisadas utilizando ressonância magnética (RMN) nuclear ou de infravermelhos (IR). Infelizmente, esses métodos não permitem sempre uma identificação inequívoca de um composto, porque eles produzem incomplete informação, por exemplo, quando os elementos tais como cloro ou bromo são parte da molécula. Difração de elétrons, por outro lado é capaz de fornecer informações detalhadas sobre a substância a analisar, no entanto, o método é muito tempo consumindo, a preparação da amostra é difícil, e apenas poucos grupos são capazes de realizar essas análises ^13,14. Aqui, o sistema de admissão de frio para a análise dos metais organyls, silanos, ou fosfanas, sensíveis a oxidação ou a hidrólise por espectrometria de massa de El é de grande utilidade para (em) químicos orgânicos que permitam a identificação sem ambiguidades de novos compostos, fornecendo-lhes informação relativa a massa de uma molécula e de iões fragmentados característicos. O único pré-requisito para a medição dos espectros de massa de uma substância é determinada volatilidade à pressão reduzida.

Preparação 1 Amostra

1. Utilize tubos de ensaio com fecho feitos por medida, com uma flange (Figura 1) para o transporte e transferência das amostras para o espectrómetro de massa. Antes do enchimento, com a amostra, evacuar os tubos de ensaio com fecho ligados a um colector de linha de Schlenk múltipla e remover a água residual por meio de aquecimento com uma pistola de calor. Ventile o tubo de ensaio com argônio seco e evacuar novamente, enquanto o aquecimento.
2. Mergulhe o tubo de ensaio com fechadura em uma armadilha fria preenchido com nitrogênio líquido (ATENÇÃO: Tenha cuidado ao trabalhar com nitrogênio líquido). Condensar a amostra no tubo de ensaio a partir de um recipiente de amostra ligado a um colector de linha de Schlenk, fechar o bloqueio na parte superior do tubo de ensaio, bem como o colector e remover o tubo de ensaio do banho de bloqueado azoto. Tal como a espectrometria de massa é muito sensível, de uma pequena quantidade é suficiente. A maior parte do analito irá permanecer no tubo de ensaio fechado à chave durante a análise e está disponível para experiências adicionaisapós a medição.

Figura 1 tubo de teste bloqueável utilizado para a transferência de amostras. A) de flange para fixação do sistema de entrada fria, (B) de Teflon torneira do tubo de ensaio para permitir o transporte de um composto, em condições de ar livre, (C) de parafuso para operar a uma torneira de teflon.

2 Medição de Mass Spectra

1. Antes de provar medição, ajustar e calibrar o espectrômetro de massa de acordo com as instruções fornecidas pelo fabricante do seu espectrômetro de massa (aqui, um X Autospec (geradores de vácuo, agora Waters Corp, Manchester, Reino Unido) é usado. Use perflourokerosene (PFK) como um padrão e ajustar-se o espectrómetro de massa com uma resolução de cerca de 2800 a m ​​/ z 119, 10% de vale definição). Retire a pressãohaste da entrada directa a partir da fonte de iões e instalar a interface externa para o tubo de ensaio (Figura 2). Para evitar o aquecimento da ponta da haste de pressão, definir o método de entrada de "septo" no software de controlo do espectrómetro de massa.
2. Ligue a flange do tubo de ensaio fechado à chave cheio com a amostra para a interface externa. Abra a válvula de agulha da interface externa e evacuar a entrada. Após o esvaziamento, aberto cuidadosamente a válvula de esfera com a fonte de iões de completar a etapa de evacuação. Feche a válvula de agulha da interface externa. ATENÇÃO: A torneira de teflon do tubo de ensaio tem de ser fechado nesta etapa.
3. Iniciar uma medição de massa no software do espectrômetro de massa. Com a válvula de agulha fechada, abrir a torneira de Teflon do tubo de ensaio muito rapidamente, permitindo que as moléculas em fase gasosa do analito para entrar na parte externa da interface. Feche a torneira de teflon novamente.
   NOTA: A parte exterior da interface em conjunto com o espaço entre o Teflna torneira e a flange do tubo de ensaio fechado à chave (comparar as Figuras 1 e 2B), serve como um reservatório de gás, durante a análise de analito.
4. Abra cuidadosamente a válvula de agulha enquanto observa o indicador de vácuo da fonte de íons. Este passo permite que as moléculas de analitos para entrar na fonte de iões do espectrómetro de massa. O vácuo não deve cair abaixo de 10 ^-5 mbar durante a medição.
   NOTA: Dependendo da volatilidade do espectro de massa do analito de boa qualidade são obtidos em cerca de 10 ^-6 mbar. O espectro de massa da amostra é agora registada. Normalmente, a quantidade de amostra que escoa no instrumento através da válvula de agulha é suficiente para registar espectros de massa por vários minutos. No caso de a intensidade dos iões que diminui, a abertura da válvula de agulha de um pouco mais de tempo permite uma maior aquisição. Se a qualidade dos espectros de massa registada a 70 eV não é satisfatória, espectros de massa podem ser gravados utilizando energias cinéticas inferiores doelectrões, por exemplo, de 20 eV.

Figura 2 sistema de admissão fria com vazio tubo de teste bloqueável montado na fonte de íons de um VG Autospec X. A) tubo de teste bloqueável, (B) conexão flange entre o tubo de teste um sistema de admissão de frio, (C) válvula de agulha, (D) placa de aço inoxidável com selagem de ligação à fonte de iões, (E) da interface de entrada do directa, a ponta de cerâmica da haste impulsora é visível.

3 Após a medição

1. Feche a válvula de agulha da interface externa. Feche a válvula de esfera para a fonte de íons. Parar a aquisição do espectros de massa no software.
2. Evacuar o sistema de admissão ao abrir a válvula de agulha completamente. Ventile a interface enquanto bolaválvula e válvula de agulha está encerrada. Evacuar a interface de novo, abrir a válvula de agulha durante este passo, a fim de remover o vapor de amostra residual na interface. Repita este passo pelo menos 3x.
3. Retire o tubo de ensaio com fechadura da interface. Continue com a próxima amostra ou remover a interface externa do flange da fonte de íons e substituí-lo com a haste.

Um espectro de massa EI de tris (trifluorometil) fosfano é apresentado na Figura 3, um composto que se decompõe-se rapidamente quando em contacto com o ar (Figura 4). A interface permite que apresentado para a medição para a frente dos espectros de massa para estes compostos. O funcionamento do novo interface é fácil e rápido e não apresenta nenhum obstáculo ao operar o espectrômetro de massa com a rotina aplicada entrada direta utilizando a vareta.

Figura 3 Espectro de massa de tris (trifluorometil) fosfano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. recipiente (D) de armazenamento preenchido com tris (trifluorometil) fosfano. (B) de recipiente cheio com uma pequena quantidade de cloreto de tris (trifluorometil) fosfano. (C) Em contato com o ar, tris (trifluorometil) fosfano se inflama espontaneamente. (fotografias com cortesia do Dr. J. Bader.)

A aquisição de espectros de massa a partir de compostos que se decompõem sob procedimentos de preparação da amostra padrão é apresentada neste protocolo. A técnica apresentada é concebido para a análise de organyls metal, silanos e fosfano, que são altamente susceptíveis à oxidação e / ou hidrólise, tornando-o especialmente interessante para os químicos inorgânicos. A fim de alcançar os melhores resultados, condições de vácuo ou ar-livre tem que ser preservado em todas as análises. Portanto, o protocolo deve ser seguido meticulosamente. No caso de o analito entra em contacto com o ar por causa de fugas ou de manuseamento incorrecto do sistema de admissão, consequências graves tais como a explosão do recipiente da amostra pode ser o caso, dependendo do composto a ser analisado (Figura 4). A preparação da amostra também deve ser realizada apenas por pessoal treinado habituados a trabalhar com linhas de Schlenk, como eles podem implodir devido à qualidade inferior utensílios de vidro quando sob vácuo. Explosões might ser causada pelo contato de compostos reativos com o ar, entrando na linha de Schlenk devido ao manuseio inadequado. O perigo de oxigénio líquido, congelado a partir de impurezas de gases inertes, em uma câmara de frio, também deve ser considerado. Contacto de um composto (in) orgânico com oxigénio líquido pode conduzir a reacções vigorosas causando explosão da linha de Schlenk. Durante a análise da pressão na fonte de iões do espectrómetro de massa deve ser cuidadosamente observados, como a alta pressão na fonte de iões pode resultar em danos para o instrumento.

Tal como acontece com organyls metais voláteis, altamente suscetível à oxidação e / ou hidrólise, silanos e fosfano são raramente ou impossível analisar usando espectrômetros de massa state-of-the-art com ESI ou fontes de iões MALDI, onde a preparação da amostra e ionização são comumente realizados sob condições atmosféricas. Aqui, o sistema de admissão de frio apresenta uma extensão importante dos métodos existentes para a introdução do analito. No entanto, a entrada friasistema não é compatível com fontes de iões ESI e MALDI, que apresenta um fluxo de analito gasoso para a fonte de ionização, enquanto ESI requer um fluxo de solução de analito e MALDI analito co-cristalizado com a matriz para a geração de iões. Como toda estratégia de ionização, EI também tem um inconveniente - devido à alta energia do feixe de elétrons, fragmentações ocorrem com freqüência. Dependendo da natureza da substância a analisar, isso pode resultar na ausência de um ião molecular. Contudo, o analito pode ser identificado utilizando os iões fragmentados, especialmente quando o composto é fornecido de alta pureza. Para uma identificação inequívoca, a via de síntese tem que ser conhecido no presente caso. Para os compostos em que o ião molecular está presente no espectro de massa, os iões de fragmento pode ser utilizado para confirmar a estrutura da molécula. Devido ao design do sistema de entrada fria, a estratégia apresentada é limitada a compostos com uma determinada volatilidade. A volatilidade do analito tem que ser suficiente, para umaGUARDE para a transferência do composto sob vácuo, a temperatura do azoto líquido - por ebulição ou de sublimação. Os compostos com a pressão de vapor muito baixa não irá produzir espectros de massa de alta qualidade. Crosstalk entre as medidas de massa unitária é raramente observada e pode ser ainda mais reduzido por bombear para fora do sistema de captação com cuidado.

Em geral, as medições podem ser realizadas com todos os espectrómetro de massa equipado com uma fonte de iões EI e sistema de admissão directa. O sistema de admissão de frio apresentado está operacional em poucos segundos e não requer alterações no espectrômetro de massa. No entanto, a interface do sistema de admissão de frio tem de ser feito à medida, de acordo com as dimensões das entradas existentes do espectrómetro de massa usado EI. Dependendo das capacidades do espectrômetro de massa disponíveis, experimentos adicionais podem ser realizados, como medições de massa precisas para a determinação ou confirmação de composições ou elementares íon-vacas em massa analisadosespectrometria de tic-energia (MIKES) para a elucidação dos caminhos de fragmentação. Portanto, o sistema de admissão de frio representa uma estratégia adicional de entrada de amostra ao lado da entrada directa utilizado rotineiramente usando uma haste de empurrar em espectrometria de massa EI.

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.