Selected-ion flow-tube mass spectrometry - Selected-ion flow-tube mass spectrometry
Selected-ion flow-tube mass spectrometry (SIFT-MS) er en kvantitativ massespektrometri- teknikk for sporgassanalyse som involverer kjemisk ionisering av sporflyktige forbindelser av utvalgte positive forløperioner i løpet av en veldefinert tidsperiode langs et strømningsrør. Absolutte konsentrasjoner av sporforbindelser som er tilstede i luft, pust eller hovedrommet til flaskevæskeprøver kan beregnes i sanntid fra forholdet mellom forløperen og produktets ioneforhold, uten behov for prøveforberedelse eller kalibrering med standardblandinger. Den deteksjonsgrensen av kommersielt tilgjengelige sile-MS-instrumenter som strekker seg til ett siffer PPTV rekkevidde.
Instrumentet er en forlengelse av det valgte ionestrømningsrøret, SIFT, teknikken, som først ble beskrevet i 1976 av Adams og Smith. Det er en hurtigstrømningsrør / ionesvermmetode for å reagere positive eller negative ioner med atomer og molekyler under virkelig termiserte forhold over et bredt temperaturområde. Det har blitt brukt mye for å studere ion- molekylreaksjonskinetikk . Anvendelsen på ionosfærisk og interstellar ionekemi over en 20-årsperiode har vært avgjørende for å fremme og forståelse av disse emnene.
Støv MS ble opprinnelig utviklet for bruk i human pust analyse , og har vært meget lovende som et ikke-invasivt redskap for fysiologisk overvåking og sykdomsdiagnose . Siden har det vist potensial for bruk på mange forskjellige felt, spesielt innen biovitenskap , som jordbruk og dyrehold , miljøforskning og matteknologi .
SIFT-MS har blitt popularisert som en teknologi som selges og markedsføres av Syft Technologies med base i Christchurch, New Zealand.
Instrumentering
I det valgte ionestrømningsrørsmassespektrometeret, SIFT-MS, genereres ioner i en mikrobølgeovn plasma- ionekilde, vanligvis fra en blanding av laboratorieluft og vanndamp. Fra det dannede plasmaet velges en enkelt ionisk art ved å bruke et kvadrupol-massefilter for å fungere som "forløperioner" (også ofte referert til som primære eller reagensioner i SIFT-MS og andre prosesser som involverer kjemisk ionisering). I støv MS-analyser, H 3 O + , NO + og O 2 + brukes som forløperioner, og disse er blitt valgt fordi de er kjent for ikke å reagere i betydelig grad med de viktigste komponentene i luft (nitrogen, oksygen, etc.) , men kan reagere med mange av de meget lave (spor) gassene.
De valgte forløperionene injiseres i en flytende bærergass (vanligvis helium ved et trykk på 1 Torr) via en Venturi-åpning (~ 1 mm diameter) der de beveger seg langs reaksjonsstrømningsrøret ved konveksjon . Samtidig kommer de nøytrale analytmolekylene i en prøvedamp inn i strømningsrøret via et oppvarmet prøvetakingsrør, hvor de møter forløperionene og kan gjennomgå kjemisk ionisering, avhengig av deres kjemiske egenskaper, slik som deres protonaffinitet eller ioniseringsenergi .
De nydannede "produktionene" strømmer inn i massespektrometerkammeret, som inneholder et andre kvadrupolmassefilter, og en elektronmultiplikatordetektor , som brukes til å skille ionene med deres masse-til-ladningsforhold ( m / z ) og måle tellingshastighetene til ionene i ønsket m / z- område.
Analyse
Konsentrasjonene av individuelle forbindelser kan i stor grad avledes ved å bruke tellehastighetene til forløperen og produktionene, og reaksjonshastighetskoeffisientene , k. Eksoterme protonoverføringsreaksjoner med H 3 O + antas å forløpe ved en kollisjonshastighet (se Collision det teoretiske ), koeffisienten for hvilken, k c , er beregne ved anvendelse av metoden beskrevet av Su og Chesnavich, og gir den polarisasjonsevne og dipolmomentet er kjent for reaktantmolekylet. NO + og O 2 + reaksjoner skjer ved k c sjeldnere, og dermed reaksjonshastigheten for reaktant-molekylet med disse forløperioner må ofte utledes eksperimentelt ved å sammenligne nedgang i telleratene i hvert av NO + og O 2 + forløper-ioner til det i H 3 O + som prøvestrømmen reaktantmolekylene økes. Produktionene og hastighetskoeffisientene er avledet på denne måten for godt over 200 flyktige forbindelser, som finnes i den vitenskapelige litteraturen.
Instrumentet kan programmeres enten til å skanne over et massespekter for å produsere et massespektrum (Full Scan, FS, modus), eller for å raskt bytte mellom bare m / z- verdiene av interesse (Multiple Ion Monitoring, MIM, mode). På grunn av de ulike kjemiske egenskapene til de tidligere nevnte forløper-ioner (H 3 O + , NO + , og O to + ), forskjellig FS modus spektrum kan produseres for en dampprøve, og disse kan gi forskjellig informasjon relatert til sammensetningen av prøve. Ved hjelp av denne informasjonen er det ofte mulig å identifisere sporingsforbindelsen (e) som er tilstede. MIM-modus vil derimot vanligvis benytte en mye lengre oppholdstid på hvert ion, og som et resultat er nøyaktig kvantifisering mulig til delene per milliard (ppb) nivå.
SIFT-MS benytter en ekstrem myk ioniseringsprosess som i stor grad forenkler de resulterende spektrene og derved letter analysen av komplekse blandinger av gasser, for eksempel menneskelig pust. En annen veldig myk ioniseringsteknikk er sekundær elektrosprayionisering (SESI-MS). For eksempel, selv proton-overføringsreaksjon massespektrometri (PTR-MS), en annen myk ionisering teknologi som benytter H 3 O + reagens ion, har vist seg å gi betydelig mer produkt ion fragmentering enn støv MS.
Et annet sentralt trekk ved SIFT-MS er oppstrøms kvadrupol, som tillater bruk av flere forløperioner. Muligheten til å bruke tre forløperioner, H 3 O + , NO + og O to + , for å oppnå tre forskjellige spektre er svært verdifull fordi den gjør det mulig for operatøren å analysere et mye bredere utvalg av forbindelser. Et eksempel på dette er metan, som ikke kan analyseres ved hjelp av H 3 O + som en forløper ion (fordi den har en proton affiniteten av 543.5kJ / mol, noe mindre enn den for H 2 O), men kan bli analysert ved anvendelse av O to + . Videre kan parallell bruk av tre forløperioner tillate operatøren å skille mellom to eller flere forbindelser som reagerer for å produsere ioner med samme masse-til-ladningsforhold i visse spektre. For eksempel, dimetylsulfid (C 2 H 6 S, 62 amu) aksepterer et proton når det reagerer med H 3 O + for å generere C 2 H 7 S + produktioner som vises ved m / z 63 i det resulterende spektrum. Dette kan komme i konflikt med andre produktioner, som for eksempel assosiasjonen produktet fra reaksjonen med kullsyre, H 3 O + CO 2 , og den eneste hydratet av protonert acetaldehyd ion, C 2 H 5 O + (H 2 O), hvilken vises også på m / z 63, og det kan derfor være uidentifiserbart i visse prøver. Imidlertid dimetylsulfid reagerer med NO + ved ladningsoverføring, å fremstille ione-C 2 H 6 S + , som vises ved m / z 62 i den resulterende spektra, mens karbondioksyd ikke reagerer med NO + , og acetaldehyd donerer et hydrid-ion, noe som gir et enkelt produkt ion ved m / z 43, C- 2- H 3 O + , og så dimetylsulfid lett kan skilles.
I løpet av de siste årene har fremskritt innen SIFT-MS-teknologi økt følsomheten til disse enhetene sterkt, slik at deteksjonsgrensene nå strekker seg ned til ensifret-ppt-nivå.
Referanser
Litteratur
- "Det valgte ionestrømningsrøret (SIFT); En teknikk for å studere ionenøytrale reaksjoner" Adams NG, Smith D .; International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics 21 (1976) s. 349–359.
- "Parametrisering av det ionepolære molekylets kollisjonshastighetskonstant ved baneberegninger" Su T., Chesnavich WJ; Journal of Chemical Physics 76 (1982) s. 5183–5186.
- "Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis" Smith D., Španěl P .; Mass Spectrometry Reviews 24 (2005) s. 661–700.
- "Kvantifisering av metan i fuktig luft og utpustet pust ved bruk av valgt ionestrømningsmassespektrometri" Dryahina K., Smith D., Španěl P .; Rapid Communications in Mass Spectrometry 24 (2010) s. 1296–1304.