Stichting FOM
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Gabby Zegers
30 september 2009, 2009/34
Massaspectrometer beïnvloedt moleculaire structuur
Toch geheugeneffecten in electrospray ionisatie
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben
met experimenten aangetoond dat bij een populaire meettechniek voor
massaspectrometrie, ElectroSpray Ionisatie (ESI), het gekozen
oplosmiddel invloed heeft op de moleculaire structuur van relatief
eenvoudige moleculen. ESI is een veelgebruikte techniek om moleculen
vanuit oplossing in de gasfase te brengen en tegelijkertijd te
ioniseren, zodat ze in de massaspectrometer geanalyseerd kunnen
worden. Hoe dit proces in detail verloopt, is echter niet goed bekend.
Algemeen werd juist aangenomen dat de ESI-condities geen invloed
hadden op het uiteindelijke geïoniseerde molecuul. Het onderzoek geeft
belangrijke informatie voor andere onderzoekers, omdat ESI een van de
meest gebruikte technieken in de massaspectrometrie is bij zowel
onderzoeksinstellingen als bedrijven. De resultaten zijn op 25
september gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Journal of
the American Chemical Society (JACS).
Figuur 1. Twee vormen van het molecuul p-HBZ
vergroten Figuur 1. Twee vormen van het molecuul p-HBZ
De geconjugeerde base van p-HBZ kan twee isomere structuren aannemen.
Dankzij de resonantie die de lading over het hele molecuul verdeelt,
is de fenolaatstructuur de laagst-energetische structuur in de
gasfase. De carboxylaatstructuur wordt in protische oplossingen
gestabiliseerd door waterstofbruggen.
Figuur 2. Invloed van oplosmiddel op moleculaire structuur
vergroten Figuur 2. Invloed van oplosmiddel op moleculaire structuur
Vergelijking van experimentele en berekende infraroodspectra toont aan
dat, afhankelijk van het in ESI gebruikte oplosmiddel, twee
verschillende structuren gevormd worden.
Tijdens het ESI-proces gaan ionen vanuit een oplossing naar de
gasfase. In hun JACS-artikel beschrijven de onderzoekers Jeffrey
Steill en Jos Oomens ESI-onderzoek aan para-hydroxybenzeenzuur
(p-HBZ). Daaruit blijkt dat de begincondities van ESI - in dit geval
het soort oplosmiddel - een rol spelen in de uiteindelijke gevormde
structuur van het onderzochte molecuul.
ESI vernevelt een oplossing van het te onderzoeken sample met behulp
van een capillair onder hoogspanning. De kleine geladen druppeltjes
die zo ontstaan, verdampen geleidelijk zodat de moleculen
uiteindelijk, geladen en wel, in de gasfase overblijven. De aanname is
dat de geïoniseerde moleculen in de gasfase hun laagst energetische
structuur aannemen, onafhankelijk van hun oorspronkelijke structuur in
de oplossing.
Verdere experimenten geven inmiddels aan dat p-HBZ niet het enige
molecuul is waarbij de ESI-condities invloed hebben op de
uiteindelijke moleculaire structuur; verwante stoffen laten hetzelfde
gedrag zien. Voor kleine moleculen zoals hier onderzocht kunnen
ESI-condities dus een rol spelen in de moleculaire structuur van de
gevormde ionen.
Het onderzoek in meer detail - Twee vormen van p-HBZ
Positieve ionen gevormd met ESI zijn gewoonlijk geprotoneerd,
negatieve ionen veelal gedeprotoneerd. Het onderzochte p-HBZ is een
benzeenmolecuul met twee functionele groepen in de 1- en 4-positie op
de aromatische ring (zie figuur 1). Het bijzondere aan dit molecuul
zit in zijn geconjugeerde base, dat wil zeggen in de gedeprotoneerde
vorm ervan. In waterige oplossing is het proton op de zuurgroep (COOH)
het meest zure proton, zodat het anion een carboxylaatstructuur heeft
(COO-). In de gasfase is de laagst energetische vorm juist
gedeprotoneerd op de alcoholgroep (OH); dit komt doordat er een
resonantie bestaat in de resulterende fenolaatstructuur, die de
negatieve lading effectief verdeelt (delocaliseert) over het hele ion
(zie figuur 1). De resonantie in de carboxylaatstructuur bestrijkt
slechts de twee zuurstofatomen van de zuurgroep, waardoor de lading
relatief gelocaliseerd blijft en zorgt voor instabiliteit in de
gasfase. In waterige oplossing verkrijgt deze structuur zijn
stabiliteit door waterstofbruggen met de omringende watermoleculen.
Om de overgang van oplossing naar gasfase te bestuderen, zijn
infraroodspectra opgenomen van de ionen in een ionenval. Dit is
mogelijk door fotodissociatiespectroscopie met de
vrije-elektronenlaser FELIX. De experimentele spectra zijn vergeleken
met berekende spectra voor de twee verschillende anionstructuren (zie
figuur 2). Hieruit blijkt onomstotelijk dat de ionen die gevormd zijn
vanuit een oplossing in water (of methanol) een carboxylaatstructuur
hebben, zelfs al is deze structuur in het vacuüm van de
massaspectrometer iets hoger in energie. Interessant genoeg tonen de
IR spectra ook aan dat de laagst energetische structuur, de
fenolaatstructuur, ook geproduceerd kan worden door in plaats van een
protisch oplosmiddel (zoals water of methanol) een aprotisch
oplosmiddel te gebruiken. Aprotische oplosmiddelen, zoals acetonitriel
of dimethylsulfoxide, zijn niet in staat waterstofbruggen aan te gaan
met negatief geladen ionen, zodat de carboxylaatstructuur in deze
oplosmiddelen niet bevoordeeld wordt.
Referentie
J.D. Steill, J. Oomens, Gas-Phase Deprotonation of p-Hydroxybenzoic
Acid Investigated by IR Spectroscopy: Solution-Phase Structure Is
Retained upon ESI, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13570-13571.
Contact
Dr. J. (Jos) Oomens, telefoon (030) 609 67 96.
Drs. Gieljan de Vries, telefoon (030) 609 69 02.