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).
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.