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

تاریخ دریافت : 1402/03/08 تاریخ پذیرش : 1402/06/04 تاریخ انتشار : 1402/12/27

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.

چکیده انگلیسی:

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.

منابع و مأخذ:

[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.

متن کامل:



 

علمی-پژوهشی

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: [e-mail] & [e-mail]

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

طیف تحرک یونی در غیاب نمونه

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  به­عنوان دوپه­کننده در دمای محفظه 200 درجه سلسیوس

 

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 خوشه­های یونی 

       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: [e-mail] & [e-mail]  

 

1

 

---

[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