KTLE SPEKTROMETRES Ktle spektrometresi hzlandrlm iyonlar mz oranlarna

KÜTLE SPEKTROMETRESİ Kütle spektrometresi, hızlandırılmış iyonları m/z oranlarına göre ayıran bir cihazdır. Gaz fazında analiz edilen iyonların, kütle/yük oranlarına göre ayrılması esasına dayanan bir karakterizasyon yöntemi olarak geliştirilmiştir. Kütle/yük oranı genel olarak m/z şeklinde gösterilir. Burada m yüklü bir taneciğin kütlesi, z de yüküdür. İyonların çoğunun yükü bir olduğundan, bu oran iyonun kütlesine eşittir

Kütle spektrometresinde izotopların kütleleri arasındaki fark gözlenebilir. Bu yöntemde, bir elementin belli izotopunun kesin kütlesi ile veya bir dizi izotop içeren bileşiklerin kesin kütlesi ile ilgilenilir. Bu duruma etan örnek olarak verilebilir. Atom ve molekül ağırlıklarının birimleri akb veya dalton olduğundan etan izotoplarının ağırlığı aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Etanın molekül kütlesi, doğadaki bolluk kesirleri ile izotopun kütlesinin çarpımlarının toplamı olarak tanımlanan ortalama atom kütlesine göre C 2 H 6 için MA = 12, 01115 x 2 + 1, 00797 x 6 = 30, 07012 g/mol ya da genellikle 30 g/mol olarak kabul edilir. Halbuki bir kütle spektrometresi, örnekteki etanın hangi izotoplardan oluştuğunu kolaylıkla gösterebilir. Aslında doğada hiçbir etanın kütlesi 30, 07012 Da değildir.

Toluene ait kütle spektrumunda m/z=92, m/z=93, m/z=94, m/z=65 ve m/z=91 de pikler görülmektedir. Burada m/z=92 moleküler piki (M+. ), m/z=93 ve m/z=94 sırasıyla (M+1)ve (M+2) izotop piklerini, m/z=91 ise benzil ünitesi içeren C 6 H 5 CH 2 (M-1) iyonunu (bir hidrojen kaybını) ve m/z= 65 piki ise nötral asetilen kaybetmiş tropilyum iyonunu temsil eder.

Kütle spektrometresinin Kısımları 1. 2. 3. 4. 5. Numune giriş sistemi ve aktarım hattı (GK, SK) İyon kaynağı Analizör Detektör Veri Sistemi (Bilgisayar, kütüphane) NUMUNE GİRİŞ SİSTEMİ (GC, SK, ICP) GAZ FAZINDA NUMUNE GİRİŞ SİSTEMİ İYON KAYNAĞI ANALİZÖR DETEKTÖR DATA SİSTEMİ, BİLGİSAYAR

1. Numune giriş sistemi ve aktarım hattı Kütle spektrometresine numune girişi • Doğrudan prob • Kapiler elektroforez sistemi • ICP • Gaz kromatografi sistemi gibi sistemlerin çıkışından bir aktarım hattı ile de olabilmektedir. GC-MS’de gaz kromatografisinin kolonunun çıkışı bir aktarım hattı ile kütle spektrometresine verilmektedir. Yani bir karışım gaz kromatografisi kolonunda ayrıldıktan sonra kolon çıkışından direk olarak bir ara aktarım hattı ile ayrılan bileşikler kütle spektrometresine girmektedir. Gaz kromatografiden kütle spektrometresine maddelerin geçtiği aktarım hattı yoğunlaşmayı önlemek için sürekli maddelerin kaynama noktalarının üstünde bir sıcaklıkta tutulmalıdır.

2. İyon kaynağı Kütle spektrometesinde iyon kaynakları numune bileşenlerinin iyonlara dönüştürmek için gereklidir. Bu sistemlerde iyonlar analizöre doğru plakalar yardımıyla hızlandırılırlar. Spektrometreler iyon kaynaklarına göre sınıflanabilir. Bazı iyon kaynakları aşağıda verilmiştir. Elektron Çarptırma (Electron Impact, EI) : Gaz fazındaki moleküller (M), iyonlaşma odasında sıcak bir tungsten veya renyum flamentden yayılan elektron demeti ile bombardıman edilerek iyonlaştırılır (M+). Elektronlar anottan katoda 70 e. V’luk bir gerilim farkı ile hızlandırılırlar. Bu elektronlar numune moleküllerine çarparak aşağıdaki denkleme göre iyonlaşırlar. M + ē M. + + 2 ē Kimyasal İyonlaştırma (Chemical Ionisation, CI): Kimyasal iyonlaştırma kaynağında numune moleküllerini flementden yayılan elektronlarla doğrudan çarpıştırmak yerine elektron bombardımanı ile iyonlaştırılmış çok miktarda başka bir reaktif gazın iyonları ile çarpıştırılır. Bu amaçla çoğunlukla pozitif iyonlar kullanılır. Alan İyonlaştırması (Field Ionisation, FI): Uçuculuğu az olan fakat belli bir miktarı gaz fazına geçmiş olan örnek molekülleri yüksek bir pozitif gerilim (108 Vcm-1) altındaki bir metal yüzeye yaklaştığında oluşan molekül iyonları, büyümeye olanak bırakmayacak kadar kısa bir sürede hızlandırılırlar. Elde edilen molekül pikinin bağıl bolluğu, molekül

3. Analizör İyon kaynağı ile iyonlara dönüştürülen maddeler kütle analizörü yardımı ile iyonlar m/z oranlarına göre ayrılır. Bu ayrılma çeşitli fiziksel/kimyasal prensipler temel alınarak üretilen analizörler sayesinde gerçekleştirilir. Bazı analizörler aşağıda verilmiştir. Manyetik Sektör Ayırıcılı analizörler: Bunlarda sabit hızlandırıcı gerilimde ve manyetik alan şiddetinde bir iyonun çizeceği dairenin yarıçapı, iyonun m/z değeriyle orantılıdır. Dolayısıyla (e=1 için) düşük kütleli iyonlar daha çok saparlar. Sadece aynı kütle değerine sahip iyonlar eşit çaplı bir yörünge çizerlerken, diğer iyonlar ise kütlelerine göre daha az/çok saparak farklı yörüngeler izler ve detektöre çarparlar. Kuadrupol Analizörler: Kuadrupol analizörler yüksek ayırma gücüne sahip cihazlar olup, iyon yoluna paralel yerleştirilmiş elektrot rolü oynayan 10 -30 cm. uzunluğundaki dört paralel silindirik çubuktan (quadrupole rods) oluşur. Çubuklar karşılıklı olarak birbirlerine bağlıdır. Bu şekilde akım iletimi sağlanır. Çubuklardan bir çifti akımların pozitif tarafına, diğer çifti ise, akımların negatif tarafına bağlanır. Her çubuk çiftine değişebilir RF (radyo frekansı) alternatif akım potansiyeli de ( 500 k. Hz) uygulanır. İyonlar, kaynaktan (source) çubuklar arasına 5 -15 e. V’luk potansiyelle hızlandırılır ve bu sırada çubuklara uygulanan doğru ve alternatif akım potansiyelleri, oranları sabit tutularak aynı anda arttırılır ve iyonlar bu şekilde verilen DC/RF oranının bir fonksiyonu şeklinde ayrılırlar. Kuadrupol İyon Tuzaklı Analizörler: Bu cihazlarda kullanılan iyon tuzaklarında, gaz anyon ve katyonlar, oluşturulan elektrik/manyetik alanlar içerisinde uzunca bir süre hapsedilir. Merkezdeki oval biçimli elektrot ve onu alttan ve üstten örten bir çift dış elektrottan ibaret olan iyon tuzağında, dış elektroda RF ile değişken bir potansiyel uygulanır. m/z değeri uygun olan iyonlar, oval halka elektrot içindeki bölgede dolanırlar. RF’nin arttırılmasıyla, ağır iyonların yörüngeleri kararlı hale gelir, hafif iyonlar ise, halka duvarına çarparak ortamdan uzaklaşırlar. Uçuş Zamanlı Analizörler: Uçuş zamanlı cihazlarda, numunenin , kısa elektron sinyalleri, ikincil iyon veya lazerle üretilmiş fotonlarla bombardıman edilmesiyle, periyodik olarak pozitif iyonlar üretilir (ionisation region). Bu yolla üretilen iyonlar, iyonlaşma pulslarıyla aynı frekansa sahip 103 -104 V’luk elektrik alan pulslarıyla hızlandırılırlar (acceleration region). Hızlandırılmış tanecikler yaklaşık 1 -2 metre boyunda bir yoldan (field free drift region) geçerler. Bu yola herhangi bir manyetik alan uygulanmaz. Aynı kinetik enerjiye sahip olarak bu yolu kat eden iyonların hızları, kütleriyle ters orantılı olarak değişir. Dolayısıyla daha hafif olan iyonlar, yolu daha çabuk bitirerek detektöre ulaşırlar.

4. Detektörler Detektör analizörlerden gelen iyonları işe yarar hale getiren önemli bir kısımdır. Analizörde m/z oranlarına göre ayrılan iyonlar detektöre çarparlar. Detektöre çarpan iyon demetleri burada sinyallere çevrilir ve bilgisayarda bu sinyaller grafik hale getirilerek spektrumlar elde edilir. Detektöre gelen iyonların sayılması ve kütle değerlerine karşı bağıl bolluklarının kaydı, fotoğraf plağı ya da elektron çoğaltıcılar kullanılarak yapılır. Fotoğraf plağı üzerinde bütün iyonlar aynı anda ve elektron çoğaltıcılara göre daha duyarlı olarak kaydedilir. Ancak, iyonların sayılması, yani bağıl bolluklarının kaydı, yüksek duyarlılıkla yapılamaz. Elektron çoğaltıcılar, bir fotoelektrik tüp gibi çalışır. Burada, katot olarak fotonlara karşı değil, iyonlara karşı duyarlı olan berilyum-bakır kullanılır. GC-MS’de Basınç Bir kütle spektrometresindeki en önemli noktalardan biri de sistemin tamamen yüksek vakum altında bulunmasıdır. Kütle spektrometresi ile iyi bir analiz 50 militorr basınç değerinin altında olmalıdır. Vakum, elektronların ve diğer yüklü parçacıkların atmosfer bileşenleriyle etkileşmesini engeller. Ayrıca belli bir yörüngeye sahip iyonların yörüngelerinden sapmasını veya dekompoze olarak nötralleşmesini engeller. GC-MS birleşik sistemlerde sistemin tamamen vakum altına almak için bir normak vakum pompası diğeri ise düşük vakum değerlerine ulaşmak için dakikada 70 -250 l kapasiteli turbo pompalar kullanılır. Bu turbo pompalar sayesinde sistemin vakumu 50 militorr değerinin altına düşürülebilmektedir.

5. Veri toplama ve değerlendirme sistemi Bir bilgisayara yüklenmiş veri toplama ve değerlendirme sistemi büyük bir bilgisayar programıdır. Bu programda, gaz kromatografi, kütle spektrometresi ve otomatik enjeksiyon sisteminin analiz şartları ayarlanmakta ve bu çartlar bir arabirim yardımı ile cihazlara iletilmektedir. Analiz sonucunda elde edilen maddeleri tanımlamak içinde çok sayıda maddenin kütle spektrumu olan kütüphaneler kullanılır. • NIST 11 • Wiley MS/MS Library • Mass Spectra of Physiologically Active Substances • Mass Spectra of Pesticides 2009 • Mass Spectra of Pharmaceuticals • Agrochemicals • Mass Spectra of Organic Compounds • Mass Spectra of Geochemicals • Petrochemicals and Biomarkers Analiz yaptığınız maddelere uygun kütüphane seçilmesi önemlidir. Analizini yaptığınız karışımın içindeki maddelerin kabaca ne olduğunun bilinmesi ve ona göre kütüphanenin seçilmesi gerekir. Uygun kütüphane seçildikten sonra gaz kromatografi kromatogramından bir pikin hangi maddeye ait olduğu kütüphaneden taranır ve belli bir olasılıkla olabilecek maddeler sıralanmaktadır. Kütüphanelerle madde tanımlamaları belli bir olasılıkla olmaktadır. Pikin doğrulaması ayrıca bir standart madde yardımı ile yapılabilir. Ayrıca, GC-MS sistemlerinde kullanılan yazılımların bir çoğunda analiz sonucu, içinde kromatogramı, yüzde bileşimi ve madde listesi olacak şekilde raporlandırılabilmektedir.

GC-MS CİHAZI Thermofinnigan DSQ-250 • • • Shimadzu Agilent Varian Perkin. Elmer Bruker Numune sistemi MS GC

Örnek: İçinde stiren, toluen, etilbenzen gibi petrokimyasalların olduğu numune analizi

Örnek Analiz Sonucu

Kaynaklar 1. Gündüz, T. , İnstrümental Analiz, Gazi Kitapevi, 2004. 2. Rouessac F. , Rouessac A. , Chemical Analysis: Modern Instrumentation Methods and Techniques, English Ed. , John Wiley&Sons, Ltd. , 2005. 3. Erdik, E. (Redaktör), Denel Organik Kimya, AÜFF Döner Sermaye İşletmesi Yayınları, No: 44, Ankara, 2001. 4. Roberts, R. M. , Gilbert, J. C. , Rodewald, L. B. , Wingrove, A. S. , Modern experimental organic chemistry, Fourh Edition, Saunders College Publishing, Ney York, 1985. 5. Wilne, G. W. A. (Editor), Mass Spectrometry, John Wiley & Sons, Ney York, 1971. 6. Budizkiewicz, H. , Djerassi, C. , Williams, D. H. , Interpretation of Mass spectra of organik compounds, Holden-dey Inc. , San Francisco, 1965. 7. Beşergil, B. , Petrokimya teknolojisi, Ege Üniversitesi basımevi, İzmir, 2009