یونش شیمیایی اسید آمینه والین در فشار اتمسفر با طیف سنج تحرک یونی مجهز به منبع یونش تخلیه کرونا
محورهای موضوعی : شیمی فیزیک
منیژه توضیحی
1
*
,
نسیم نجفلو
2
,
حامد بهرامی
3
1 - استادیار شیمی فیزیک، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
2 - دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی فیزیک، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
3 - دانشیار شیمی فیزیک، گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران
کلید واژه: اسید آمینه والین, طیف سنجی تحرک یونی, پروتونه شدن, تکه تکه شدن, یون های افزایشی.,
چکیده مقاله :
در این پژوهش، یونش شیمیایی اسید آمینه والین در فشار اتمسفری از راه برهم کنش آن با یونهای هیدرونیم و آمونیم با طیف سنج تحرک یونی مجهز به منبع یونش تخلیه کرونا بررسی شد. نتیجه ها نشان داد که در حضور هیدرونیم به عنوان یون واکنشگر و آمونیم به عنوان دوپه کننده، یونش اسید آمینه والین از راه پروتونه شدن آن و تکه تکه شدن مولکول پروتونه شده و نیز تشکیل یون های افزایشی صورت می گیرد. دست کم شش گونه یونی به عنوان فراورده شناسایی شد. در طیف تحرک یونی والین دو نشانک به ترتیب به والین پروتونه شده و دوپار متقارن با مرز پروتون نسبت داده شد. تعیین دو نشانک دیگر از راه مقایسه طیف تحرک یونی والین و ایزوبوتیل آمین صورت گرفت. با معادله ارتباط جرم-تحرک بر پایه دو جرم استاندارد دو نشانک دیگر شناسایی شد. یکی از آن ها به یک خوشه یونی که از پیوند تکه یونی به مولکول خنثی والین به دست آمده، نسبت داده شد و دیگری به یک کربوکاتیون ناشی از تکه تکه شدن والین پروتونه از راه حذف آب مرتبط شد. با مطالعه تحول زمانی یون های فراورده و واکنشگر و نیز تغییر دمای محفظه دستگاه، منشاء پیشنهادی نشانک ها تایید شد. به این ترتیب بدون نیاز به جفت شدن دستگاه طیف سنج تحرک یونی به دستگاه طیف سنج جرمی، شناسایی فراورده های یونش انجام شد.
In this research, chemical ionization of valine amino acid in atmospheric pressure has been investigated through its interaction with hydronium and ammonium ions by using ion mobility spectrometer equipped with corona discharge ionization source. It was found that in the presence of hydronium as reactant ion and ammonium as dopant, the ionization of valine took place through its protonation, fragmentation of protonated molecule, and also formation of adduct ions. At least six ionic species were identified as product. In ion mobility spectrum of valine, two signals were assigned to the protonated valine and its symmetric proton-bound dimer, respectively. Identification of two other signals were conducted by comparison of the ion mobility spectrum of valine and isobutylamine. Using mass-mobility correlation equation based on two standard masses, two other signals were assigned. One of them was attributed to an ionic cluster obtained from the interaction of the ionic fragment with the neutral molecule of valine and the other one was related to a carbocation resulting from the fragmentation of protonated valine through the elimination of water. By the study of time, evolution of product and reactant ions signals and also the change of cell temperature, the proposed origin of the signals was confirmed. Therefore, the identification of ion products without need to couple the ion mobility spectrometer to the mass spectrometer was performed.
[1] Bramwell CJ, Colgrave ML, Creaser CS, Dennis R. Development and evaluation of a nano-electrospray ionisation source for atmospheric pressure ion mobility spectrometry. Analyst. 2002;127(11):1467-70. doi: 10.1039/b206847h
[2] Asbury GR, Hill Jr HH. Separation of amino acids by ion mobility spectrometry. J Chromatogr A. 2000;902(2):433-7. doi: 10.1016/s0021-9673(00)00799-8
[3] O’Donnell RM, Sun X, Harrington PdB. Pharmaceutical applications of ion mobility spectrometry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2008;27(1):44-53. doi: org/10.1016/j.trac.2007.10.014
[4] McCooeye MA, Ells B, Barnett DA, Purves RW, Guevremont R. Quantitation of morphine and codeine in human urine using high-filed asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) with mass spectrometric detection. J Anal Toxicol. 2001;25(2):81-7. doi: 10.1093/jat/25.2.81
[5] Khayamian T, Tabrizchi M, Jafari MT. Quantitative analysis of morphine and noscapine using corona discharge ion mobility spectrometry with ammonia reagent gas. Talanta. 2006;69(4):795-9. doi: 10.1016/j.talanta.2005.11.016
[6] Weston DJ, Bateman R, Wilson ID, Wood TR, Creaser CS. Direct analysis of pharmaceutical drug formulations using ion mobility spectrometry/quadrupole-time-of-flight mass spectrometry combined with desorption electrospray ionization. Analytical Chemistry. 2005;77(23):7572-80. doi: 10.1021/ac05 1277q
[7] Beegle LW, Kanik I, Matz L, Hill HH. Electrospray ionization high-resolution ion mobility spectrometry for the detection of organic compounds, 1. amino acids. Analytical Chemistry. 2001;73(13):3028-34. doi: 10 .1021/ac001519g
[8] Zhang F, Guo S, Zhang M, Zhang Z, Guo Y. Characterizing ion mobility and collision cross section of fatty acids using electrospray ion mobility mass spectrometry. J Mass Spectrom. 2015;50(7):906-13. doi: 10.1002/jms.3600
[9] Tabrizchi M, Khayamian T, Taj N. Design and optimization of a corona discharge ionization source for ion mobility spectrometry. Review of Scientific Instruments. 2000;71(6):2321-8. doi: 10.1063/1.1150618
[10] Borsdorf H, Schelhorn H, Flachowsky J, Döring H-R, Stach J. Corona discharge ion mobility spectrometry of aliphatic and aromatic hydrocarbons. Analytica Chimica Acta. 2000;403(1):235-42. doi: org/10.1016/S0003-2670(99)00567-X
[11] Sunner J, Nicol G, Kebarle P. Factors determining relative sensitivity of analytes in positive mode atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Analytical Chemistry. 1988;60(13):1300-7. doi: 10.1 021/ac00164a012
[12] Ewing RG, Eiceman GA, Stone JA. Proton-bound cluster ions in ion mobility spectrometry. Int J Mass Spectrom Ion Process. 1999;193(1):57-68. doi: 10.10 16/s1387-3806(99)00141-4
[13] Valadbeigi Y, Farrokhpour H, Tabrizchi M. Effect of hydration on the kinetics of proton-bound dimer formation: Experimental and theoretical study. J Phys Chem A. 2014;118(36):7663-71. doi: 10.1021/jp 506 140m
[14] Maziejuk M, Puton J, Szyposzyńska M, Witkiewicz Z. Fragmentation of molecular ions in differential mobility spectrometry as a method for identification of chemical warfare agents. Talanta. 2015;144:1201-6. doi: 10.1016/j.talanta.2015.07.039
[15] Amo-González M, Carnicero I, Pérez S, Delgado R, Eiceman GA, Fernández de la Mora G, et al. Ion Mobility Spectrometer-Fragmenter-Ion Mobility Spectrometer Analogue of a Triple Quadrupole for High-Resolution Ion Analysis at Atmospheric Pressure. Analytical Chemistry. 2018;90(11):6885-92. doi: 10.1021/acs.anal chem.8b01086
[16] Bohnhorst A, Kirk AT, Yin Y, Zimmermann S. Ion fragmentation and filtering by alpha function in ion mobility spectrometry for improved compound differentiation. Analytical Chemistry. 2019;91(14):8941-7. doi: 10.1021/acs.analchem.9b00810
[17] Valadbeigi Y, Ilbeigi V, Michalczuk B, Sabo M, Matejcik S. Effect of basicity and structure on the hydration of protonated molecules, proton-bound dimer and cluster formation: An ion mobility-time of flight mass spectrometry and theoretical study. Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 2019;30(7):1242-53. doi: org/10.1007/s13361-019-02180-z
[18] Tozihi M, Bahrami H, Farajmand B, Tabrizchi M. Ion mobility spectrometry and theoretical study for investigation of thermal decomposition, chemical ionization, and dimer formation of proline. International Journal of Mass Spectrometry. 2020;448:116272. doi: org/10.1016/j. ijms.2019.116272
[19] Choi SS, Song MJ, Kim OB, Kim Y. Fragmentation patterns of protonated amino acids formed by atmospheric pressure chemical ionization. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2013;27(1):143-51. doi: org/10.1002/rcm.6411
[20] Chen H-W, Lai J-H, Zhou Y-F, Huan Y-F, Li J-Q, Xie Z, et al. Instrumentation and characterization of surface desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry. Chinese Journal of Analytical Chemistry. 2007;35(8):1233-40. doi: org/10.1016/S1872-2040(07)60079-6
[21] Piraud M, Vianey-Saban C, Petritis K, Elfakir C, Steghens J-P, Morla A, et al. ESI-MS/MS analysis of underivatised amino acids: A new tool for the diagnosis of inherited disorders of amino acid metabolism. Fragmentation study of 79 molecules of biological interest in positive and negative ionisation mode. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2003;17(12):1297-311. doi: 10.1002/rcm.1054
[22] Zhang P, Chan W, Ang IL, Wei R, Lam MMT, Lei KMK, et al. Revisiting Fragmentation Reactions of Protonated α-Amino Acids by High-Resolution Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry with Collision-Induced Dissociation. Scientific Reports. 2019;9(1):6453. doi: org/10.1038/s41598-019-42777-8
[23] Fernandez-Maestre R, Wu C, Hill H. Separation of asparagine, valine and tetraethylammonium ions overlapping in an ion mobility spectrum by clustering with methanol introduced as a modifier into the buffer gas. Analytical Methods. 2015;7(3):863-9. doi: 10.1039/c4ay01814a
[24] Carroll D, Dzidic I, Stillwell R, Horning E. Identification of positive reactant ions observed for nitrogen carrier gas in plasma chromatograph mobility studies. Analytical Chemistry. 1975;47(12):1956-9. doi: org/10.1021/ac60362a029
[25] Tabrizchi M, Rouholahnejad F. Comparing the effect of pressure and temperature on ion mobilities. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005;38(6):857-62. doi: 10.1088/0022-3727/38/6/012
[26] Mason E. Ion mobility: Its role in plasma chromatography. New York: Plenum Press; 1984.
[27] Wolańska I, Piwowarski K, Budzyńska E, Puton J. Effect of humidity on the mobilities of small ions in ion mobility spectrometry. Analytical Chemistry. 2023;95:8505-8511. doi: org/10.1021/acs.analchem.3c00435
[28] Lee C, Yang W, Parr RG. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Physical Review B. 1988;37(2):785-9. doi: org/10.1103/PhysRevB.37.785
[29] Gwt MF, Frisch H, Schlegel G, et al. Gaussian 09, Revision A. 01. Wallingford: Gaussian Inc.; 2009.
یونش شیمیایی اسید آمینه والین در فشار اتمسفر با طیفسنج تحرک یونی مجهز به
منبع یونش تخلیه کرونا
منیژه توضیحی1و*، نسیم نجفلو2 و حامد بهرامی3
1. استاديار شيمي فيزيك، گروه شيمي، دانشكده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ايران.
2. دانشجوی كارشناسي ارشد شيمي فيزيك، گروه شيمي، دانشكده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ايران.
3. دانشيار شيمي فيزيك، گروه شيمي، دانشكده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ايران.
چکیده
در این پژوهش، یونش شیمیایی اسید آمینه والین در فشار اتمسفری از راه برهمکنش آن با یونهای هیدرونیم و آمونیم با طیفسنج تحرک یونی مجهز به منبع یونش تخلیه کرونا بررسی شد. نتیجهها نشان داد که در حضور هیدرونیم بهعنوان یون واکنشگر و آمونیم بهعنوان دوپهکننده، یونش اسید آمینه والین از راه پروتونهشدن آن و تکهتکهشدن مولکول پروتونهشده و نیز تشکیل یونهای افزایشی صورت میگیرد. دستکم شش گونه یونی بهعنوان فراورده شناسایی شد. در طیف تحرک یونی والین دو نشانک بهترتیب به والین پروتونهشده و دوپار متقارن با مرز پروتون نسبت داده شد. تعیین دو نشانک دیگر از راه مقایسه طیف تحرک یونی والین و ایزوبوتیلآمین صورت گرفت. با معادله ارتباط جرم-تحرک بر پایه دو جرم استاندارد دو نشانک دیگر شناسایی شد. یکی از آنها به یک خوشه یونی که از پیوند تکه یونی به مولکول خنثی والین بهدستآمده، نسبت داده شد و دیگری به یک کربوکاتیون ناشی از تکهتکهشدن والین پروتونه از راه حذف آب مرتبط شد. با مطالعه تحول زمانی یونهای فراورده و واکنشگر و نیز تغییر دمای محفظه دستگاه، منشاء پیشنهادی نشانکها تایید شد. به این ترتیب بدون نیاز به جفتشدن دستگاه طیفسنج تحرک یونی به دستگاه طیفسنج جرمی، شناسایی فراوردههای یونش انجام شد.
واژههای کلیدی: اسید آمینه والین، طیفسنجی تحرک یونی، پروتونهشدن، تکهتکهشدن، یونهای افزایشی.
* عهدهدار مکاتبات: mtozihi@gmail.com & tozihi@znu.ac.ir
مقدمه
L -والین یکی از اسیدهای آمینه لازم برای انسان و حیوان است که در غلات، فراوردههای لبنی، قارچ، گوشت، بادام زمینی و پروتئین سویا یافت میشود. ساختار فضایی اسیدآمینه والین با فرمول مولکولی C5H11NO2 در شکل 1 نشان داده است.
|
شکل 1 ساختار فضایی اسیدآمینه L والین |
L-والین بهعنوان یکی از اسیدهای آمینه شاخه‌دار، در صنایع متفاوت مانند تهیه مکمل فراوردههای غذایی انسان و دام، مرطوبکننده در لوازم آرایشی، علف‌کش‌ها و داروهای پادویروسی کاربردهای فراوانی دارد. ازاینرو، تعیین و اندازهگیری این ترکیب اهمیت زیادی دارد. اندازهگیری اسیدآمینه والین با طیفسنجی تحرک یونی1 (IMS) در گذشته انجام شده است. برای نمونه، براموِل2 و همکارانش طیف تحرک یونی چندین اسیدآمینه از جمله اسیدآمینه والین را با طیفسنج تحرک یونی با منبع یونش نانواسپری بهدست آورده‌اند. تحرک کاهشیافته برای والین پروتونهشده در این پژوهش 748/1 گزارش شده است [1]. در پژوهش دیگر تحرک یونی کاهشیافته برای والین پروتونهشده در طیفسنج تحرک یونی با منبع یونش الکترواسپری 721/1 بهدست آمده است [2].
طیفسنجی تحرک یونی یک روش سریع، حساس و ارزان است که برای تعیین اسیدهای آمینه، داروها، مواد مخدر و گونههای دیگر در قالب نمونه جامد یا محلول بهکارگرفته میشود [2 تا 5]. در مورد گونههای جامد، نمونه بدون نیاز به به فرایند آمادهسازی بهطورمستقیم به دستگاه تزریق میشود [6]. طبیعت بهوجودآمدن یونها در IMS بستگی به منبع و سازوکار یونش دارد. بیشتر دستگاههای IMS مجهز به منبع یونش الکترواسپری (ES) [7 و 8] و تخلیه کرونا3 (CD) [9 و 10] هستند. با این دو منبع یونش در قطبایی4 مثبت، فرایند یونش از طریق پروتونهشدن نمونه، M، و تشکیل MH+ صورت میگیرد [11]. امکان تشکیل خوشه5های یونی مثل دوپار6 با مرز پروتون (MH+M)، مولکولهای پروتونهشده هیدراته (MH+(H2O)n) نیز وجود دارد [12 و 13]. اگرچه ES و CD روشهای یونش نرم بهحساب میآیند. گاهی نشانکها در IMS مربوط به تکههای یونی کوچکتر هستند [14 تا 16]. تکهتکهشدن7 مولکولهای پروتونهشده اولیه بستگی به ساختار مولکول M، بازینگی8 آن و برخوردهای یون-مولکول در ناحیه یونش و رانش دارد [17]. افزونبراین، احتمال شکستهشدن مولکول اولیه در ناحیه ترزیق در اثر گرما و پروتونهشدن آن در ناحیه یونش و تشکیل تکه9 یونی وجود دارد. یونهای افزایشی10 از پیوست تکههای یونی یا یونهای واکنشگر موجود در محیط به مولکول خنثی بهوجود میآیند [18].
پژوهشهای زیادی مرتبط با شکست اسیدهای آمینه پروتونهشده وجود دارد. مشخص شده است که اسید آمینه والین پس از پروتونه شدن با روش یونش شیمیایی در فشار اتمسفر و نیز با روش واجذبی سطحی جفتشده با یونش شیمیایی در فشار اتمسفر تکه +[M+H-H2O-CO] با جرم 72 را تولید میکند [19 و 20]. طیف جرمی11 Ms/Ms اسید آمینه والین با منبع یونش تخلیه کرونا در طیف جرمی اول غیر از نشانک با جرم 118، نشانک های دیگری نیز نشان میدهد. در طیف جرمی دوم که فراوردههای بهدستآمده از شکست یونهای MH+ را نشان میدهد، حاکی از وجود دو تکه اصلی با جرم‌های 72 و 55 است. بنابراین، در اثر شکست اسید آمینه والین پروتونهشده با برخورد ذرههای پر انرژی دو تکه با ساختار MH+-H2O-CO و MH+-H2O-CO-NH3 محتمل‌ترین فراوردهها هستند [21 و 22].
مخلوط سه ترکیب والین، آسپارژین و تترااتیلآمونیم با طیفسنج تحرک یونی جفتشده با طیفسنج جرمی با منبع یونش الکترواسپری مطالعه شد. در این پژوهش، مشخص شد که افزودن متانول به گاز رانش میتواند مشکل تداخل نشانکهای والین و آسپارژین در طیف تحرک یونی را برطرف کند. به این صورت که تمایل والین پروتونهشده به تشکیل خوشه با متانول از دو ترکیب دیگر بیشتر بوده و نشانک آن به زمان رانش بالاتری جابه‌جا میشود [23]. بهطور معمول شناسایی نشانکها در طیفسنج تحرک یونی با طیفسنج جرمی انجام میشود [23].
در این کار پژوهشی، با بررسی تحول زمانی نشانکها، تغییر شدت نسبی نشانکها در طیف تحرک یونی تحت تاثیر عاملیهایی مانند دمای نواحی تزریق، یونش و رانش دستگاه و همچنین، نوع یون واکنشگر، منشاء آنها مشخص شد. طیف تحرک یونی والین با طیف تحرک یونی ایزوبوتیلآمین مقایسه شد و با تبدیل طیف تحرک یونی به طیف جرمی، منشاء نشانکها در طیف تحرک یونی والین شناسایی شد.
بخش تجربی
دستگاه IMS مورد استفاده در این پژوهش مدل IMS-300 مجهز به منبع یونش تخلیه کرونا ساخت شرکت تاففناورپارس مستقر در شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان، ایران، بود. محفظه IMS از یک منطقه یونش و لوله رانش تشکیل شده است که با یک دریچه یونی یا شبکه الکتریکی12 از هم جداشدهاند و زمان بازبودن آن 30 میکروثانیه در هر 20 میلیثانیه است. ولتاژ بالای kV 8 در محفظه IMS بهکارگرفته شد تا میدان الکتریکی V cm-1 500 را ایجاد کند. دمای لوله رانش با ترموستات از دمای محیط تا 200 درجه سلسیوس قابل تنظیم است. آزمایشها در گستره دمایی 110 تا 200 درجه سلسیوس انجام شد. دمای محفظه تزریق را میتوان تا 260 درجه سلسیوس بالا برد. در این پژوهش، بیشترین دمای محفظه تزریق برای رسیدن به بالاترین کارایی تبخیر بهکاربرده شد. گاز نیتروژن بهعنوان گاز حامل و گاز رانش با سرعت جریان ml min-1 500 برای هر دو استفاده شد. نمای چیدمان اجزای دستگاه طیفسنج تحرک یونی مورداستفاده در این پژوهش، در شکل 2 نمایش داده شده است. آزمایشها در قطبایی مثبت منبع یونش تخلیه کرونا انجام شد. در این شرایط یون هیدرونیم، H3O+، یون واکنشگر اصلی بهحساب میآید. برای تولید NH4+ بهعنوان یون واکنشگر دیگر از دوپهکننده آمونیم استفاده شد. به این صورت که از یک محفظه کوچک حاوی آمونیم کربنات بهطورپیوسته مقدار جزیی (در حد ppm) گاز آمونیاک تولید شد. این گاز از راه لوله رابط با فشار گاز اصلی با سرعت جریان ml min-1 20 به منطقه یونش دستگاه تزریق شد. تمام طیفهای تحرک یونی والین ارائهشده در این پژوهش با تزریق مستقیم نمونه جامد بهدست آمد. در تزریق به این روش مقدار ناچیزی از نمونه در نوک کاوند13 تزریق قرار گرفت و بهطور مستقیم وارد محفظه تزریق شد. این روش تزریق فقط برای تجزیه کیفی مواد کاربرد دارد چرا که مقدار ماده تزریقشده به دستگاه، واپایششده نیست و بهطورمعمول مقادیر بهنسبت زیادی از نمونه وارد دستگاه میشود. از آنجایی که فقط شناسایی همه فراوردههای یونی بهدستآمده از یونش شیمیایی والین درنظر بود و نیز برای مشاهده فراوردههای کمتر محتمل، نیاز بود تا مقدار مطلق ماده تزریقشده به دستگاه زیاد باشد، والین بهصورت نمونه جامد به دستگاه تزریق شد. برای تزریق ایزوبوتیلآمین، کاوند تزریق برای حدود 3 ثانیه بالای ظرف حاوی ایزوبوتیلآمین قرار گرفت. در این شرایط بخار نمونه جذب کاوند تزریق و سپس کاوند تزریق وارد محفظه تزریق شد. این روش تزریق برای تجزیه کیفی نمونههای فرار کاربرد دارد. اسید آمینه L- والین و ماده ایزوبوتیلآمین از شرکت مرک تهیه و بهکارگرفته شدند.
|
شکل 2 نمای چیدمان اجزای دستگاه طیفسنج تحرک یونی |
نتیجهها و بحث
در روش یونش شیمیایی با تخلیه کرونا که در این پژوهش بهکار رفته است، یونش نمونه از طریق برخورد مولکولهای تبخیرشده آن با یونهای واکنشگر اتفاق میافتد. بنابراین، نشانکهای یونهای واکنشگر باید بهطورکامل شناخته شده باشند. شکل 3، طیف تحرک یونی را در غیاب نمونه با گاز نیتروژن بهعنوان گاز رانش در چند دمای محفظه متفاوت نشان میدهد. سه نشانک در شکل بهترتیب مربوط به یونهای آبپوشیده NH4+ ،NO+ وH3O+ است که یونهای واکنشگر نامیده میشوند [24]. همانطور که در شکل 3 مشاهده میشود، نشانک مربوط به یونهای H3O+ بیشترین شدت را دارد. این مشاهده بدین معنی است که در بین یونهای واکنشگر، یونهای H3O+ بیشترین مقدار را دارند. همچنین، با افزایش دمای محفظه از 110 تا 200 درجه سلسیوس زمان رانش نشانکها در طیف کاهش یافته است. دلیل این نتیجه افزایش تحرک یونها با افزایش دما و در نتیجه کاهش زمان رانش آنها در لوله رانش است [25]. در واقع برپایه معادله 1، تحرک یونها با دما رابطه مستقیم دارد [26].
(1) |
|
که در این معادله q بار یون، µ جرم کاهشیافته جفت یون-گاز رانش، k ثابت بولتزمن، N چگالی عددی گاز بافر، α یک ضریب تصحیح و Ω سطح مقطع برخورد یون و مولکولهای خنثی است. با توجه به اینکه زمان رانش با تحرک یونها رابطه عکس دارد (K = L/(tdE)). بنابراین، افزایش دما منجر به کاهش زمان رانش میشود. زمان رانش نشانک مربوط به یونهای H3O+ در هر طیف بر حسب ms مشخص شده است.
| شدت نشانک (nA) | |
زمان رانش (ms) |
| |
شکل 3 طیف تحرک یونی در غیاب نمونه در دماهای متفاوت محفظه دستگاه (110 (الف)، 140 (ب)، 170 (ج) و 200 (د) درجه سلسیوس) | ||
اگر در این شرایط بخار آمونیاک به محفظه دستگاه تزریق شود، با توجه به اینکه آمونیاک پروتونخواهی بیشتری نسبت به آب دارد، واکنش 2 اتفاق میافتد.
(2) | NH3 + H3O+ → NH4+ + H2O |
در نتیجه یونهای هیدرونیم مصرفشده و یونهای آمونیم تولید میشوند و تعداد یونهای آمونیم افزایش مییابد. شکل 4 طیف تحرک یونی را با گاز رانش نیتروژن و در حضور بخار آمونیاک در ناحیه یونش نشان میدهد. بخار آمونیاک بهکاررفته در این حالت را دوپهکننده14 مینامند.
| شدت نشانک (nA) |
زمان رانش (ms) |
|
شکل 4 طیف تحرک یونی در غیاب نمونه با تزریق بخار آمونیاک | |
با توجه به بیشتر بودن پروتونخواهی آمونیاک نسبت به آب، در فرایند یونش با یونهای واکنشگر آمونیم، بهطور معمول گونههای کمتری شانس یونش مییابند و در نتیجه طیف تحرک یونی خلوتتری بهدست میآید. از طرفی با توجه به اینکه گونههای مزاحم بهطور معمول پروتونخواهی کمتری از آمونیاک دارند در صورت بهکاربردن یونهای آمونیم بهعنوان یون واکنشگر در دستگاه، نشانکهای کمتری از گونههای مزاحم در طیف تحرک یونی پدیدار میشود.
طیف تحرک یونی اسید آمینه والین
تعداد و شدت نسبی نشانکهای مشاهدهشده در طیف تحرک یونی در دماهای متفاوت سل، متفاوت است. به همین دلیل آزمایشها در چهار دمای سل، 110 ، 140، 170 و 200 درجه سلسیوس انجام شد. با توجه به اینکه بهطورمعمول با کاهش دمای سل، طیفهای تحرک یونی پیچیده‌تر می‌شدند، تفسیر طیفها از بالاترین دما شروع شد. برای شناسایی همه فراوردههای ممکن از یونش اسید آمینه والین، نمونه جامد بهطورمستقیم با کاوند تزریق به محفظه یونش دستگاه تزریق شد.
شکل 5 طیف تحرک یونی اسید آمینه والین را در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس و دمای محل تزریق 260 درجه سلسیوس با یون واکنشگر غالب هیدرونیم و آمونیم نشان میدهد. بهطورکلی در دمای 200 درجه سلسیوس، غیر از نشانکهای یونهای واکنشگر، پنج نشانک برای والین مشاهده میشود که با شماره‌های یک تا پنج مشخص شدهاند. البته نشانک شماره 5 بسیار ضعیف است و تنها در صورتی که غلظت نمونه در ناحیه یونش خیلی بالا باشد، مشاهده میشود.
| شدت نشانک (nA) |
زمان رانش (ms) |
|
شکل 5 طیف تحرک یونی زمینه (الف)، طیف تحرک یونی والین با یون واکنشگر هیدرونیم (ب) و آمونیم (ج) (دمای محل تزریق نمونه و محفظه دستگاه بهترتیب 260 و 200 درجه سلسیوس بود.) | |
همانطور که در شکل 5 مشاهده میشود، شدت نسبی نشانکها در حضور دو یون واکنشگر تفاوت چندانی ندارد. نظربهاینکه سازوکار یونش چیره در تخلیه کرونا انتقال پروتون از یونهای واکنشگر به گونه خنثی و تولید یون پروتونهشده (MH+) است، میتوان نشانک 3 را به گونه یونی MH+ نسبت داد. چرا که نشانک 3، بیشترین شدت را نسبت به نشانکهای دیگر در طیف تحرک یونی دارد. از طرفی سایر نشانک‌هایی که در زمان رانش کمتر از نشانک 3 پدیدار شدهاند (نشانکهای 1، 2 و 5) ناشی از گونههای یونی هستند که جرم کمتری از MH+ دارند و با احتمال زیاد در نتیجه شکست MH+ بهوجود آمدهاند.
طیف تحرک یونی ایزوبوتیلآمین
با توجه به این که محتمل‌ترین مسیر برای شکست اسیدهای آمینه پروتونهشده، حذف H2O و CO است [19 و 20]، با احتمال زیاد یکی از نشانکهای 1 یا 2 مربوط به این تکه MH+-H2O-CO است. برای اثبات این ادعا طیف تحرک یونی ایزوبوتیلآمین بهدست آمد و با طیف تحرک یونی اسید آمینه والین مقایسه شد. طیف تحرک یونی بخار ایزوبوتیلآمین با دو یون واکنشگر هیدرونیم و آمونیم که در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس و دمای تزریق 260 بهدست آمده، در شکل 6 نمایش داده شده است.
| شدت نشانک (nA) |
زمان رانش (ms) |
|
شکل 6 طیف تحرک یونی ایزوبوتیلآمین با یون واکنشگر هیدرونیم (الف) و با یون واکنشگر آمونیم (ب) (طیفها در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس و دمای تزریق 260 درجه سلسیوس بهدست آمدهاند.) | |
در طیف تحرک یونی ایزوبوتیلآمین دو نشانک مشاهده میشود که با نمادهای A و B نمایش داده است. نشانک B مربوط به ایزوبوتیلآمین پروتونهشده (IH+) است. نشانک A که در زمان کمتری پدیدار شده است، باید مربوط به تکهایی باشد که از شکست ایزوبوتیلآمین پروتونهشده بهوجود آمده است. از مقایسه زمانهای رانش نشانکها در طیف تحرک یونی والین و ایزوبوتیلآمین مشخص میشود که نشانکهای 1 و 2 در طیف اسیدآمینه والین زمان رانشی یکسان با نشانکهای A و B در طیف ایزوبوتیلآمین دارند. ساختار فضایی ایزوبوتیلآمین پروتونهشده (IH+) و فرگمنت بهدستآمده از حذف H2O و CO از والین (MH+-H2O-CO) در شکل 7 نمایش داده شده است. همانطور که در شکل 7 مشاهده میشود، تکه بهدستآمده از شکست اسید آمینه والین (MH+-H2O-CO : B+) در واقع تنها دو پروتون کمتر از ایزوبوتیلآمین دارد و در نتیجه، نشانکهای مربوط به این دوگونه یونی باید در زمان رانش نزدیک به هم پدیدار شوند. نشانک شماره 1 اسید آمینه والین با نشانکA در زمان رانش یکسانی پدیدار شده است. این نشانک بهاحتمال از یک تکه با ساختار یکسان از دو ترکیب والین و ایزوبوتیلآمین بهوجود میآید. با توجه به این که محتمل‌ترین راه شکست آمینهای نوع اول پروتونهشده، حذف یک NH3 است، میتوان نشانک A را به تکهای با ساختار IH+-NH3 نسبت داد. با این استدلال میتوان نشانک 2 در طیف اسیدآمینه والین را به تکهای نسبت داد که در آن MH+ پس از حذف H2O و CO یک NH3 هم از دست داده است.
| |||
MH+-H2O-CO |
| IH+ | |
شکل 7 ساختار فضایی ایزوبوتیلآمین پروتونهشده (IH+) و تکه بهدستآمده از حذف آب و کربن منوکسید از اسید آمینه والین پروتونهشده (MH+-H2O-CO) | |||
تبدیل طیف تحرک یونی در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس به طیف جرمی
نشانک 4 را میتوان به یک خوشه بهدستآمده از پیوند گونههای سازنده نشانکهای 2 و 3 نسبت داد. یک راه برای شناسایی نشانکها در طیف تحرک یونی، استفاده از معادله ارتباط بین جرم و تحرک یونی برپایه دو جرم استاندارد (روش دو مرجعی) است، بهگونهای که میتوان طیف تحرک یونی را به طیف جرمی تبدیل کرد [18]. البته به شرطی که جرم مربوط به دو نشانک با قطعیت معلوم باشد.
یک چالش برای پیشبینی جرم یونها از روی طیف تحرک یونی آنها، عدم اطلاع دقیق از مقدار آبپوشی یونها در داخل محفظه دستگاه است. زیرا یونها در طیفسنجی تحرک یونی بیشتر آبپوشیده هستند و یک نشانک مشخص در طیف تحرک یونی از مخلوطی از یونها با تعداد مولکولهای آب افزودهشده متنوع به وجود میآید. مقدار آبپوشی یونها با مقدار رطوبت موجود در محیط رابطه مستقیم و با دمای سل رابطه عکس دارد. همچنین، ماهیت یونها و اندازه آنها نیز بر مقدار آبپوشی موثر است. بهطورکلی با بزرگترشدن اندازه یونها آبپوشی کاهش مییابد. برای مثال، در رطوبت ثابت برابر با ppm 10، میانگین تعداد مولکولهای آب افزدودهشده به یونهای H3O+، NH4+ و Cl- در دمای 50 درجه سلسیویس به ترتیب برابر 7/2، 8/1 و 75/0 است در حالیکه در دمای 150 درجه سلسیوس این تعداد به ترتیب به 5/1، 6/0 و 0 کاهش مییابد [27]. بنابراین، در صورتیکه طیف بهدستآمده در دمای 200 درجه سلسیوس برای تبدیل به طیف جرمی انتخاب شود، میتوان از آب پوشی یونهایی با جرم بیشتر از یونهای واکنشگر چشمپوشی کرد. به همین دلیل دو گونه یونی ایزوبوتیلآمین پروتونهشده و والین پروتونهشده بهعنوان مرجع انتخاب و طیف تحرک یونی در شکل 5-ب با روش دومرجعی به طیف جرمی تبدیل شد (شکل 8).
| شدت نشانک |
جرم |
|
شکل 8 طیف جرمی بهدستآمده از طیف تحرک یونی اسید آمینه والین در دماهای 200 و 260 درجه سلسیوس و با یون واکنشگر هیدرونیم به روش دومرجعی | |
در روش دومرجعی با نسبتدادن جرم‌های 72 و 118 به نشانکهای 2 و 3، جرم‌های 9/55 و 1/100 بهترتیب برای نشانکهای 1 و 5 بهدست آمد. بنابراین، با روش دومرجعی با خطای حدود 1 درصد میتوان نشانکهای 1 و 5 را بهترتیب به گونههای یونی C4H7+ و MH+-H2O نسبت داد. برای نشانک 4، جرم پیش‌بینیشده با روش دومرجعی 3/198 است. در نتیجه میتوان این نشانک را با 4 درصد خطا به گونه یونی B+M نسبت داد. به این ترتیب نشانکهای 1، 2، 5، 3 و 4 شناسایی و بهترتیب به گونههای یونیMH+-H2O-CO-NH3 (B+-NH3)، MH+-H2O-CO (B+)، MH+-H2O، MH+ و B+M نسبت داده شد. برای تایید پیشنهادهای ارائهشده در مورد ماهیت گونه و بهویژه نشانک 4، تحول زمانی نشانکها استفاده شد که در ادامه شرح داده میشود.
بررسی تغییر شدت نشانکها در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس با گذشت زمان
یک روش استخراج اطلاعات در مورد ماهیت گونههای یونی از طیف تحرک یونی بررسی تحول زمانی نشانکها است. در واقع طیفهای نمایش داده در شکلهای 3 تا 5 طیفهای با شدت نشانک بیشینه هستند، ولی از لحظه تزریق نمونه به دستگاه، ابتدا شدت نشانکهای نمونه افزایش یافته، به بیشینه رسیده و سپس کاهش مییابد تا این که همه نمونه تزریقشده وارد ناحیه یونش شود و تجزیه به پایان برسد. دستگاه در هر ثانیه چندین طیف ثبت میکند. اگر شدت نشانکها را بر حسب زمان سپریشده رسم کنیم، چگونگی تحول نشانکها با گذشت زمان مشخص میشود. برای توضیح بیشتر چگونگی استفاده از تحول زمانی نشانکها در تفسیر طیف تحرک یونی، تحول زمانی نشانکهای پدیدارشده در طیف والین با یون واکنشگر آمونیم (شکل 5-ج) در شکل 9 نمایش داده شده است. با ورود نمونه به ناحیه یونش شدت نشانک 3 شروع به افزایش کرده و همزمان شدت نشانک یونهای واکنشگر کاهش مییابد. بیشینهشدن شدت نشانک 3 معادل است با کمینهشدن شدت نشانک یونهای واکنشگر (NH4+). این مشاهده بیانگر این حقیقت است که یونهای MH+، با دریافت پروتون از NH4+ به وجود آمدهاند. همچنین، بیشینه شدت نشانکهای 1 و 2 زمانی بوده است که نشانک 3 رو به نزول می‌گذارد. از این مشاهده میتوان نتیجه گرفت که نشانکهای 1 و 2 با گونه‌هایی مرتبط است که پایداری کمتری نسبت به گونه سازنده نشانک 3 دارند.
| شدت نشانک (nA) |
زمان سپریشده (s) |
|
شکل 9 تحول زمانی نشانکهای پدیدارشده در طیف تحرک یونی والین با دمای محفظه 200 درجه سلسیوس و دمای محل تزریق 260 درجه سلسیوس و با یون واکنشگر آمونیم (مرتبط با شکل 5-ج) | |
نتیجه دیگری که از تحول زمانی نشانکها میتوان گرفت این است که نشانکهای 1 و 2 ناشی از گونه‌هایی هستند که از شکست MH+ (نشانک 3) به وجود آمدهاند (و نه در ناحیه تزریق). چون اگر این گونه‌ها در محل تزریق و در اثر شکست M (گونه والین خنثی) بهوجود آمده بودند، با درنظرگرفتن سبک‌تربودن، باید اندکی زودتر از M وارد ناحیه یونش شده و در لحظههای اولیه (پیشپدیدارشدن نشانک 3) برای آن شدت قابلتوجهی دیده می‌شد. شکل 10 تحول زمانی نشانکهای پدیدارشده در طیف تحرک یونی اسید آمینه والین با یون واکنشگر هیدرونیم (شکل 5-ب) را نشان میدهد.
| شدت نشانک (nA) |
زمان سپریشده (s) |
|
شکل 10 تحول زمانی نشانکهای پدیدار شده در طیف تحرک یونی والین با دمای محفظه 200 درجه سلسیوس و دمای محل تزریق 260 درجه سلسیوس و با یون واکنشگر هیدرونیم (مرتبط با شکل 5-ب) | |
همانطور که در شکل 10 مشاهده میشود، با ورود نمونه به ناحیه یونش، شدت نشانک یون واکنشگر پس از گذشت 5 ثانیه به صفر رسیده است. صفرشدن شدت نشانک یونهای واکنشگر همزمان با پدیدارشدن نشانک 4 و همچنین، کاهش موقتی شدت نشانک 3 شده است. نشانک 4 در زمانی که غلظت M در ناحیه یونش به بیشترین مقدار خود رسیده و یون واکنشگر نیز در محیط تمام شده ، پدیدار شده است. این مشاهده تایید میکند که نشانک 4 مربوط به گونه یونی است که دستکم یک واحد M دارد. دو حالت ممکن برای چنین خوشهای وجود دارد. (1) یک گونه M خنثی به یک MH+ متصل شود و دوپار با مرز پروتون ایجاد کند و (2) یک گونه M خنثی به یک تکه بهدستآمده از شکست MH+ متصل شود و یک خوشه یونی بهصورت B+M ایجاد کند. با توجه با زمان رانش نشانک 4 (شکل 5) تشکیل خوشه یونی B+M محتمل‌تر است.
اثر دمای محفظه بر طیف تحرک یونی اسید آمینه والین
یک مجموعه کامل طیفگیری با تغییر دمای محفظه از 200 تا 110 درجه سلسیوس انجام شد که برخی از نتیجهها به شرح زیر است. شکل 11 طیفهای تحرک یونی والین را در دماهای محفظه 200 ،170 ،140 و 110 درجه سلسیوس با یون واکنشگر آمونیم نشان میدهد. در تمام موارد دمای ناحیه تزریق 260 درجه سلسیوس بود. همانطورکه در شکل 11 مشاهده میشود، با کاهش دمای محفظه، زمان رانش یونها افزایش مییابد و نشانکها در زمانهای بالاتری پدیدار میشوند. دلیل این مشاهده این است که تحرک یونها به دما وابسته است. از طرفی با کاهش دمای ناحیه رانش، شدت نشانکها نیز تا حدودی کاهش مییابد. این مشاهده به این علت است که با افزایش زمان رانش، مقدار ازبینرفتن یونها در داخل محفظه دستگاه افزایش مییابد و تعداد یونهایی که به جمعکننده می رسد، کم میشود. افزون بر موارد فوق، با کاهش دمای محفظه تعداد نشانکهای پدیدارشده و همچنین، شدت نسبی آنها تغییر کرده است. در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس نشانکهای 1، 2، 3، 4 و 5 مشاهده میشوند. با کاهش دمای محفظه به 170 درجه سلسیوس، نشانک 6 هم پدیدار میشود. با کاهش دما به 140 درجه سلسیوس، شدت نشانک 6 به طور قابلتوجهی افزایش و به همان نسبت شدت نشانک 3، کاهش مییابد. این روند در دمای 110 درجه سلسیوس نیز مشاهده میشود بهطوری که نشانک 6 شدت بیشتری نسبت به سایر نشانک در این دما دارد. این مشاهدهها نشان میدهد که نشانک 6 مربوط به گونههای دوپار با مرز پروتون است. در دمای 110 درجه سلسیوس، نشانکهای 1 و 4 ناپدید شدهاند. چندین نتیجه از این مشاهده میتوان گرفت. نشانک 1 به حذف NH3 از تکه مشابه با ایزوبوتیلآمین (B+) نسبت داده شده است. عدم مشاهده این نشانک در دمای پایین اثبات میکند که حذف NH3 از تکه یونی B+ تحت تاثیر دما است و با افزایش دما حذف NH3 راحتتر صورت میگیرد. نشانک 4 به یک خوشه بهدستآمده از پیوستن تکه یونی B+ به مولکول خنثی والین نسبت داده میشود که با ساختار B+M نشان داده شده است. در دمای پایین مقدار تولید این تکه یونی کم میشود و در نتیجه این خوشه کمتر تولید میشود. عدم مشاهده این نشانک در دمای 110 درجه سلسیوس را میتوان ناشی از همین نکته دانست. دلیل دیگر میتواند به ماهیت رقابتی واکنشها برای تشکیل خوشههای یونی (دوپار متقارن MH+M و خوشه B+M) در ناحیه یونش مربوط باشد. البته محاسبههای ترمودینامیکی مرتبط با تشکیل این خوشههای یونی که در بخش انتهایی مقاله آمده است نشان میدهد که ماهیت رقابتی این واکنشها در این مورد چندان اهمیتی ندارد. به نظر می‌رسد در دمای 110 درجه سلسیوس، شدت نشانک 5 اندکی افزایش یافته است. با توجه به اینکه این نشانک به گونه MH+-H2O نسبت داده شده و یک گونه بهنسبت ناپایدار است و بهطور معمول در پی حذف آب از MH+، یک CO هم از آن جدا میشود، کاهش دما شانس باقیماندن این گونه در جمع فراوردههای یونش را افزایش میدهد.
| شدت نشانک (nA) | |
زمان رانش (ms) |
| |
شکل 11 طیفهای تحرک یونی اسید آمینه والین با یون واکنشگر آمونیم، دمای ناحیه تزریق 260 درجه سلسیوس و در دمای محفظه 200 (الف)، 170 (ب) ، 140 (ج) و 110 درجه سلسیوس (د) | ||
بررسی تغییر شدت نشانکها در دمای معینی از محفظه با گذشت زمان
در ادامه برای تایید ادعاهای بیان شده ، تحول زمانی نشانکها در دمای محفظه 140 درجه سلسیوس بررسی شد. نتیجههای نمایش دادهشده در شکل 11-ج، در شکل 12 ارائه شدهاند.
| شدت نشانک (nA) |
زمان سپریشده (s) |
|
شکل 12 تحول زمانی نشانکهای پدیدار شده در طیف تحرک یونی والین با دمای محفظه 140 درجه سلسیوس و دمای محل تزریق 260 درجه سلسیوس و با یون واکنشگر آمونیم (مرتبط با شکل 11-ج) | |
همانطور که در شکل 12 مشاهده میشود، در شرایطی که غلظت نمونه در دستگاه بیشترین مقدار را دارد (زمان سپریشده برابر با 3 تا 7 ثانیه)، نشانکهای 4 و 6 پدیدار شدهاند. پیدایش نشانکهای 4 و 6 شدت نشانک 3 را کاهش داده است. این مشاهده تایید میکند که گونههای سازنده نشانکهای 4 و 6 حاوی M یا MH+ هستند و بهترتیب مربوط به خوشه یونی B+M و دوپار متقارن MH+M هستند.
ساختار بهینه برای همپارهای ممکن خوشههای یونی MH+M (دوپار متقارن) و B+M در سطح محاسباتی B3LYP/6-311++G(d,p) [28] با نرم افزار گوسین 09 [29] بهدست آمد که در شکل 13 آورده شده است. بررسی ساختارها نشان داد که این خوشهها از راه پیوندهای هیدروژنی بین اجزاء خود تشکیل و پایدار شدهاند. انرژیهای نسبی (آورده شده در شکل) بیان میکند که خوشه با پیوند هیدروژنی NH…N پایدارتر از خوشه با پیوند هیدروژنی NH…O است. ΔH° و ΔG° برای تشکیل دوپار متقارن MH+M و خوشه B+M در جدول 1 گزارش شده است. این دادهها نشان میدهند که تشکیل این خوشههای یونی از لحاظ ترمودینامیکی امکانپذیر است.
MH+M_b 8/29
|
MH+M_a 0/0 |
|
|
| هیدروژن | ||
| اکسیژن | ||
B+M_b 08/34 |
B+M_a 0/0 |
| نیتروژن |
| کربن | ||
|
| ||
شکل 13 ساختار بهینه خوشههای یونی MH+M و B+M در سطح محاسباتی B3LYP/6-311++G(d,p) (طول پیوندها بر حسب Å و انرژیها بر حسب kJ mol-1) | |||
جدول 1 ΔH° و ΔG° محاسبهشده برای تشکیل خوشههای یونی MH+M و B+M در دمای K 298 با سطح محاسباتی B3LYP/6-311++G(d,p) | ||
ΔG° (kJ mol-1) | ΔH° (kJ mol-1) | واکنش تشکیل خوشه |
18/55- | 54/100- | MH++M→MH+M_a |
94/33- | 80/74- | MH++M→MH+M_b |
53/56- | 63/100- | B++M→B+M_a |
67/32- | 37/67- | B++M→B+M_b |
نتیجه‌گیری
یونش شیمیایی اسید آمینه والین در تخلیه کرونا از راه برهمکنش مولکولهای والین با یونهای هیدرونیم و آمونیم بررسی شد. فراوردههای بهدستآمده از یونش شامل مولکولهای پروتونهشده، تکههای یونی و خوشههای بهدستآمده از آنها، با استفاده از نتیجههای تجربی شناسایی شدند. روش تجربی بهکاررفته، طیفسنج تحرک یونی بود که یک ابزار ارزان و قدرتمند برای تعیین مقادیر ناچیز بسیاری از ترکیبهای شیمیایی است. در این پژوهش، کاربرد متداول این طیفسنج یعنی اندازهگیری ترکیبهای شیمیایی درنظر نبود، بلکه برای دنبالکردن یک فرایند شیمیایی (یونش والین) بهکارگرفته شد که یک کاربرد ویژه این دستگاه است. نتیجه آزمایشهای تجربی در موردیونش والین در اثر واکنش با یونهای هیدرونیم و آمونیم نشان داد که دست کم شش فراورده از این واکنش بهدست خواهد آمد که ماهیت یونی داشته و قابل شناسایی‌اند. یکی از نشانکها مربوط به والین پروتونهشده (MH+) و یکی دیگر به دوپار با مرز پروتون (MH+M) نسبت داده شد. سه نشانک مربوط به گونههای یونی بودند که در اثر شکست مولکول والین پروتونهشده بهدست آمدند. نتیجهها نشان داد که یکی از گونههای یونی، میتواند با حذف H2O از والین پروتونهشده (MH+-H2O ) بهدستآمده باشد. در ادامه با حذف یک مولکول CO، گونه یونی MH+-H2O-CO به وجود آمد (B+). حذف یک مولکول NH3 از تکه یونی B+ منجر به ایجاد گونه یونی
B+-NH3 شد. نتیجه مهم بهدست آمده، شناسایی یک خوشه یونی است که از افزایش تکه یونی B+ به یک مولکول خنثی بهدست آمد. این گونه یونی تنها در دماهای پایین محفظه شناسایی شد که نشاندهنده تولید کم تکه یونی سازنده آن (B+) و به عبارتی احتمال کمتر شکستهشدن MH+ و حذف H2O وCO در دمای پایین است.
سپاسگزاری
نویسندگان از حمایتهای مالی دانشگاه زنجان در اجرای این پروژه قدردانی میکنند.
مراجع
[1] Bramwell CJ, Colgrave ML, Creaser CS, Dennis R. Development and evaluation of a nano-electrospray ionisation source for atmospheric pressure ion mobility spectrometry. Analyst. 2002;127(11):1467-70. doi: 10.1039/b206847h
[2] Asbury GR, Hill Jr HH. Separation of amino acids by ion mobility spectrometry. J Chromatogr A. 2000;902(2):433-7. doi: 10.1016/s0021-9673(00)00799-8
[3] O’Donnell RM, Sun X, Harrington PdB. Pharmaceutical applications of ion mobility spectrometry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2008;27(1):44-53. doi: org/10.1016/j.trac.2007.10.014
[4] McCooeye MA, Ells B, Barnett DA, Purves RW, Guevremont R. Quantitation of morphine and codeine in human urine using high-filed asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) with mass spectrometric detection. J Anal Toxicol. 2001;25(2):81-7. doi: 10.1093/jat/25.2.81
[5] Khayamian T, Tabrizchi M, Jafari MT. Quantitative analysis of morphine and noscapine using corona discharge ion mobility spectrometry with ammonia reagent gas. Talanta. 2006;69(4):795-9. doi: 10.1016/j.talanta.2005.11.016
[6] Weston DJ, Bateman R, Wilson ID, Wood TR, Creaser CS. Direct analysis of pharmaceutical drug formulations using ion mobility spectrometry/quadrupole-time-of-flight mass spectrometry combined with desorption electrospray ionization. Analytical Chemistry. 2005;77(23):7572-80. doi: 10.1021/ac051277q
[7] Beegle LW, Kanik I, Matz L, Hill HH. Electrospray ionization high-resolution ion mobility spectrometry for the detection of organic compounds, 1. amino acids. Analytical Chemistry. 2001;73(13):3028-34. doi: 10.1021/ac001519g
[8] Zhang F, Guo S, Zhang M, Zhang Z, Guo Y. Characterizing ion mobility and collision cross section of fatty acids using electrospray ion mobility mass spectrometry. J Mass Spectrom. 2015;50(7):906-13. doi: 10.1002/jms.3600
[9] Tabrizchi M, Khayamian T, Taj N. Design and optimization of a corona discharge ionization source for ion mobility spectrometry. Review of Scientific Instruments. 2000;71(6):2321-8. doi: 10.1063/1.1150618
[10] Borsdorf H, Schelhorn H, Flachowsky J, Döring H-R, Stach J. Corona discharge ion mobility spectrometry of aliphatic and aromatic hydrocarbons. Analytica Chimica Acta. 2000;403(1):235-42. doi: org/10.1016/S0003-2670(99)00567-X
[11] Sunner J, Nicol G, Kebarle P. Factors determining relative sensitivity of analytes in positive mode atmospheric pressure ionization mass spectrometry. Analytical Chemistry. 1988;60(13):1300-7. doi: 10.1021/ac00164a012
[12] Ewing RG, Eiceman GA, Stone JA. Proton-bound cluster ions in ion mobility spectrometry. Int J Mass Spectrom Ion Process. 1999;193(1):57-68. doi: 10.1016/s1387-3806(99)00141-4
[13] Valadbeigi Y, Farrokhpour H, Tabrizchi M. Effect of hydration on the kinetics of proton-bound dimer formation: Experimental and theoretical study. J Phys Chem A. 2014;118(36):7663-71. doi: 10.1021/jp506140m
[14] Maziejuk M, Puton J, Szyposzyńska M, Witkiewicz Z. Fragmentation of molecular ions in differential mobility spectrometry as a method for identification of chemical warfare agents. Talanta. 2015;144:1201-6. doi: 10.1016/j.talanta.2015.07.039
[15] Amo-González M, Carnicero I, Pérez S, Delgado R, Eiceman GA, Fernández de la Mora G, et al. Ion Mobility Spectrometer-Fragmenter-Ion Mobility Spectrometer Analogue of a Triple Quadrupole for High-Resolution Ion Analysis at Atmospheric Pressure. Analytical Chemistry. 2018;90(11):6885-92. doi: 10.1021/acs.analchem.8b01086
[16] Bohnhorst A, Kirk AT, Yin Y, Zimmermann S. Ion fragmentation and filtering by alpha function in ion mobility spectrometry for improved compound differentiation. Analytical Chemistry. 2019;91(14):8941-7. doi: 10.1021/acs.analchem.9b00810
[17] Valadbeigi Y, Ilbeigi V, Michalczuk B, Sabo M, Matejcik S. Effect of basicity and structure on the hydration of protonated molecules, proton-bound dimer and cluster formation: An ion mobility-time of flight mass spectrometry and theoretical study. Journal of The American Society for Mass Spectrometry. 2019;30(7):1242-53. doi: org/10.1007/s13361-019-02180-z
[18] Tozihi M, Bahrami H, Farajmand B, Tabrizchi M. Ion mobility spectrometry and theoretical study for investigation of thermal decomposition, chemical ionization, and dimer formation of proline. International Journal of Mass Spectrometry. 2020;448:116272. doi: org/10.1016/j.ijms.2019.116272
[19] Choi SS, Song MJ, Kim OB, Kim Y. Fragmentation patterns of protonated amino acids formed by atmospheric pressure chemical ionization. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2013;27(1):143-51. doi: org/10.1002/rcm.6411
[20] Chen H-W, Lai J-H, Zhou Y-F, Huan Y-F, Li J-Q, Xie Z, et al. Instrumentation and characterization of surface desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry. Chinese Journal of Analytical Chemistry. 2007;35(8):1233-40. doi: org/10.1016/S1872-2040(07)60079-6
[21] Piraud M, Vianey-Saban C, Petritis K, Elfakir C, Steghens J-P, Morla A, et al. ESI-MS/MS analysis of underivatised amino acids: A new tool for the diagnosis of inherited disorders of amino acid metabolism. Fragmentation study of 79 molecules of biological interest in positive and negative ionisation mode. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2003;17(12):1297-311. doi: 10.1002/rcm.1054
[22] Zhang P, Chan W, Ang IL, Wei R, Lam MMT, Lei KMK, et al. Revisiting Fragmentation Reactions of Protonated α-Amino Acids by High-Resolution Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry with Collision-Induced Dissociation. Scientific Reports. 2019;9(1):6453. doi: org/10.1038/s41598-019-42777-8
[23] Fernandez-Maestre R, Wu C, Hill H. Separation of asparagine, valine and tetraethylammonium ions overlapping in an ion mobility spectrum by clustering with methanol introduced as a modifier into the buffer gas. Analytical Methods. 2015;7(3):863-9. doi: 10.1039/c4ay01814a
[24] Carroll D, Dzidic I, Stillwell R, Horning E. Identification of positive reactant ions observed for nitrogen carrier gas in plasma chromatograph mobility studies. Analytical Chemistry. 1975;47(12):1956-9. doi: org/10.1021/ac60362a029
[25] Tabrizchi M, Rouholahnejad F. Comparing the effect of pressure and temperature on ion mobilities. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005;38(6):857-62. doi: 10.1088/0022-3727/38/6/012
[26] Mason E. Ion mobility: Its role in plasma chromatography. New York: Plenum Press; 1984.
[27] Wolańska I, Piwowarski K, Budzyńska E, Puton J. Effect of humidity on the mobilities of small ions in ion mobility spectrometry. Analytical Chemistry. 2023;95:8505-8511. doi: org/10.1021/acs.analchem.3c00435
[28] Lee C, Yang W, Parr RG. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Physical Review B. 1988;37(2):785-9. doi: org/10.1103/PhysRevB.37.785
[29] Gwt MF, Frisch H, Schlegel G, et al. Gaussian 09, Revision A. 01. Wallingford: Gaussian Inc.; 2009.
Chemical ionization of valine amino acid at atmospheric pressure using ion mobility spectrometer equipped with corona discharge ionization source
M. Tozihi1,*, N. Najafloo2, H. Bahrami3
1. Assistant Prof. of Physical Chemistry, Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
2. M.Sc. Student of Physical Chemistry, Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
3. Associate Prof. of Physical Chemistry, Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
Abstract: In this research, chemical ionization of valine amino acid in atmospheric pressure has been investigated through its interaction with hydronium and ammonium ions by using ion mobility spectrometer equipped with corona discharge ionization source. It was found that in the presence of hydronium as reactant ion and ammonium as dopant, the ionization of valine took place through its protonation, fragmentation of protonated molecule, and also formation of adduct ions. At least six ionic species were identified as product. In ion mobility spectrum of valine, two signals were assigned to the protonated valine and its symmetric proton-bound dimer, respectively. Identification of two other signals were conducted by comparison of the ion mobility spectrum of valine and isobutylamine. Using mass-mobility correlation equation based on two standard masses, two other signals were assigned. One of them was attributed to an ionic cluster obtained from the interaction of the ionic fragment with the neutral molecule of valine and the other one was related to a carbocation resulting from the fragmentation of protonated valine through the elimination of water. By the study of time, evolution of product and reactant ions signals and also the change of cell temperature, the proposed origin of the signals was confirmed. Therefore, the identification of ion products without need to couple the ion mobility spectrometer to the mass spectrometer was performed.
Keywords: Valine amino acid, Ion mobility spectrometry, Protonation, Fragmentation, Adduct ions.
* Coresponding athour Email: tozihi@znu.ac.ir & mtozihi@gmail.com
[1] . Ion mobility spectrometry
[2] .Bramwell
[3] . Crona discharge
[4] . Polarity
[5] . Cluster
[6] . Dimer
[7] . Fragmentation
[8] . Basicity
[9] . fragment
[10] . Adduct ions
[11] . Mass spectrometry
[12] . Shutter grid
[13] . Probe
[14] . Dopant