Arkadiusz Szterk

Nowoczesne Metody Analizy

Żywności

spektrometria mas

Spektrometria mas –
”królowa metod
analitycznych”

Cechy:



Wyjątkowa czułość



Nieporównywalnie wysoka wykrywalność



Różnorodność zastosowań

Obszary zastosowań:



Fizyka atomowa



Kinetyka reakcji



Nauki o ziemi: geochronologia, hydrologia,

paleoklimatologia, oceanografia, badania środowiskowe



Reakcje jon-cząsteczka



Oznaczenia wielkości termodynamicznych

Spektrometria mas A



Zasada spektrometrii mas w pierwszym etapie polega

na wytworzeniu jonów analizowanej substancji np.

przez bombardowanie (jonizację) elektronami:



W przypadku dużych jonów molekuł organicznych

może on podlegać dalszej fragmentacji. Może to być

fragmentacja jednostopniowa bądź wielostopniowa



Powstałe jony są następnie rozdzielane w zależności

od ich masy i podlegają detekcji proporcjonalnie do

ich liczby. Otrzymane w ten sposób widmo masowe

analizowanej substancji może być przedstawione w

postaci tabeli lub w formie wykresu













e

M

e

M

2

Źródła jonów –
elektrorozpylanie (ESI)

elektrorozpylanie

ESI A



Przy miękkich jonizacjach

zazwyczaj nie otrzymuje się
czystego jonu molekularnego, a
jony protonowane lub
odprotonowane w zależności od
techniki jonizacji (pozytywna
lub negatywna) – dlaczego
wytłumaczyć na tablicy

ESI B



W przypadku jonów wielokrotnie

naładowanych widma masowe ESI
stanowią najczęściej serię pików
odpowiadających kolejnym, wielokrotnie
naładowanym, protonowanym pozornym
jonom molekularnym [M+zH]

z+

o

intensywnościach wynikających z rozkładu
statystycznego. Nie zawierają one pasm
powstałych na skutek dysocjacji i
fragmentacji tych jonów w źródle.

ESI C

Jak policzyć masę
cząsteczkową A



Oznaczyliśmy jon o ładunku „z1” i

dla tego jonu zmierzone m/z
wynosi „m1”. Wartość „m1” wynika
z odpowiedniej masy cząsteczkowej
M, do której uległo przyłączeniu
„z1” protonów. Z tego wynika że:

z1m1 = M+z1mp

mp oznacza masę protonu czyli ok. 1

Jak policzyć masę
cząsteczkową B



Jest to jedno równanie o 2 niewiadomych:
„z1” oraz „M”. Aby uzyskać drugie równanie
pozwalające na określenie obu
niewiadomych rozważmy j-te kolejne pasmo
w kierunku wzrastającego stosunku m/z. Dla
tego pasma zmierzona wartość stosunku
m/z = m2

i niesie ono ładunek z2 = z1-j:

m2(z1-j) = M + (z1-j)mp

Z przekształcenia:

z1 = j(m2-mp)/(m2-m1) oraz M = z1(m1-

mp)

Kazeina

#

7465

IT:

87.301

ST:

1.38

uS:

5

NL:

3.80E2

F:

ITMS + c ESI Full ms [600.00-2000.00]

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

m/z

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

R

el

at

iv

e

In

te

ns

ity

1110.0

1105.0

1218.0

1155.5

1012.8

974.1 1024.2

1283.8

1296.5

934.7

1515.8

1357.4

910.1

872.6

1443.7

837.7

1442.8

1533.0

1591.9

1604.6

1840.9

1611.3

824.7

814.3

802.1

1739.8

734.9

1842.9

690.1

1886.5

Chemiczna jonizacja przy
ciśnieniu atmosferycznym -
APCI

APCI – w spektrometrze LCQ
Fleet

Spektrometria mas B



Większość tworzących się jonów ma ładunek
wynikający z utraty jednego elektronu; w
widmie mogą jednak być obecne jony podwójnie
naładowane, które będą wtedy rejestrowane w
zależności od stosunku masy do ładunku
przyjmując ładunek elektronu za jednostkowy.
Oznaczając przez „q” całkowity ładunek jonu,
przez „e” ładunek elektronu i „z” liczbę
ładunków w jonie, otrzymuje się zależność:

q = ze

W której e = 1,6 x 10E-19 C

FOTOJONIZACJA przy ciśnieniu
atmosferycznym - APPI

Promieniowanie UV



krypton – 123,9 (dominujące) i 116,9 nm

(energia fotonu: 10,0 i 10,6

eV

)



ksenon

– 147,6 nm (dominujące) i 129,1

nm (8,4 i 9,6 eV)



argon

– dwa nakładające się pasma z maks.

105,9 nm (11,7 eV)

Fotojonizacja – APPI, M

+

lub

(M+H)

+

APPI – przykładowe energie
jonizacji

Dopanty w APPI przykłady

Wartości energii jonizacji związków chemicznych (przykłady)

Związek

chemiczny

Energia

jonizacji [eV]

Związek

chemiczny

Energia

jonizacji [eV]

Związek

chemiczny

Energia

jonizacji [eV]

cyjanowodór

13,91

bromek acetylu

10,55

propylen

9,73

tlenek węgla

13,79

etylen

10,515

aceton

9,69

dwutlenek wę
gla

13,79

alkohol etylow
y

10,48

aldehyd benz
oesowy

9,53

woda

12,8

siarkowodór

10,46

keton metyloe

tylowy

9,53

acetonitryl

12,22

kwas octowy

10,37

cyklopentano
n

9,26

fosgen

11,77

acetaldehyd

10,21

1-butanotiol

9,14

nitrometan

11,08

alkohol n-pro

pylowy

10,2

cykloheksano

n

9,14

kwas mrówko
wy

11,05

amoniak

10,15

cyklopenten

9,01

chlorek acetyl

u

11,02

octan etylu

10,11

metyloamina

8,97

akrylonitryl

10,91

akroleina

10,1

etyloamina

8,86

nitroetan

10,88

n-butylowy
alkohol

10,04

sulfid
dietylowy

8,34

formaldehyd

10,87

eter
dimetylowy

10

trimetyloamin
a

7,82

alkohol

metylowy

10,85

aldehyd n-

walerianowy

9,82

trietyloamina

7,5

Zastosowanie różnych typów
jonizacji

Spektrometria mas C



Stosunek masy wyrażonej w

atomowych jednostkach masy (u,
amu), do ładunku wyrażonego
liczbą absolutnych ładunków
elektronu określa się przez m/z.
Niekiedy „m” oznacza masę
względną jonu, a „z” liczbę jego
ładunków (obie wielkości są
wówczas bezwymiarowe)

Spektrometria mas D



Jony dostarczają informacji o naturze i

strukturze cząsteczki, z której powstały w
wyniku rozpadu. W widmie czystej
substancji jon molekularny, o ile jest
obecny, będzie ostatni. Odpowiada on więc
masie cząsteczkowej substancji. Należy
jednak pamiętać, że zazwyczaj znajdują się
za nim pasma jonów izotopowych,
wynikające z obecności izotopów atomów
wchodzących w skład cząsteczki.

PODAĆ PRZYKŁADY

Spektrometria mas E

N

N

N

N

CH

3

NH

3

N

N

NH

N

CH

3

N

N

NH

2

HN

N

N

NH

2

N

N

N

N

NH

2

NH

Spektrometria mas F



Spektrometr mas w ogólnym zarysie składa
się z następujących zespołów: układu
wprowadzania substancji do analizatora
(może to być np. chromatograf cieczowy),
źródła jonów (konieczne do przeprowadzenia
substancji w jony) jednego lub kilku
analizatorów do rozdzielania tak utworzonych
jonów, detektora do ich „zliczania” i wreszcie
systemu przetwarzania tak otrzymanych
danych, dostarczającego widmo masowe w
wybranej formie.

Analizator kwadrupolowy – 1 Q

TOF

Mass range: 60-20,000 m/z
Resolving power: ~5,000
254 psec resolution TDC
ESI or APCI source
MS recorded at ~20 kHz
Table-top MS (1.5x1x1 m)
Cost ~$200,000

Potrójny
analizator
kwadrupolowy –
3Q

Q-TOF

Pułapka jonowa - IT

V

Lens 1

Skimmer (+8 V)
‘Open’

Lens 1
(+60 V)

Skimmer

Skimmer (-30 V) ‘Closed’

V

Lens 1

Skimmer

Skimmer (-30 V) ‘Closed’

Lens 1
(-80 V)

- V

0 V

0 V

Octapole

lens 1

Ion trap

0V

0V

Octopole

Ion trap

RF

Ar

Ar

Ion trap

0V

0V

RF

+V

-V

0V

detector

reflectron

TOF

+V

-V

0V

0V

0V

Ar

Ar



Referaty

1.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
heterocyklicznych amin aromatycznych

2.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
heterocyklicznych węglowodorów aromatycznych

3.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
steroli roślinnych i zwierzęcych

4.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
witamin rozpuszczalnych w wodzie (A, E, D oraz
K)

1.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
witamin rozpuszczalnych w wodzie (B1, B2, B6, kwas
foliowy, biotyna, B12, PP)

2.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
dioksyn

3.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych

4.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
polifenoli

5.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
aminokwasów kodowanych i nie kodowanych przez
DNA i peptydów funkcjonalnych (anseryna, karnozyna)

1.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
amin biogennych

2.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
zasad purynowych, pirymidynowych oraz ich
nukleozydów

3.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
glukozynolanów i produktów ich rozpadu

4.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w oznaczaniu
związków lotnych

5.

Zastosowanie technik chromatograficznych w
przygotowywaniu próbek żywnościowych

1.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w
oznaczaniu migracji składników opakowań
do żywności

2.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w
oznaczaniu narkotyków i ich metabolitów

3.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w
oznaczaniu karotenoidów

4.

Zastosowanie technik chromatograficznych
sprzężonych ze spektrometrią mas w
oznaczaniu toksyn wytwarzanych przez
grzyby i bakterie



Elementy referatu:

1.

Wstęp

2.

Cel i zakres

3.

Opis sposobów przygotowania próbki

4.

Opis sposobów jej separacji i detekcji

5.

Wyniki

6.

Dyskusja

7.

Literatura min 20 pozycji