Experimental and theoretical investigations of molecular ions by spectroscopy as well as ion mobility and mass spectrometry

Experimentelle und theoretische Untersuchungen molekularer Ionen durch Spektroskopie sowie Ionenmobilitäts- und Massenspektrometrie

  • The aim of this thesis was the elucidation of different ionization methods (resonance-enhanced multiphoton ionization – REMPI, electrospray ionization – ESI, atmospheric pressure chemical ionization – APCI) in ion mobility (IM) spectrometry. In order to gain a better understanding of the ionization processes, several spectroscopic, mass spectrometric and theoretical methods were also used. Another focus was the development of experimental techniques, including a high resolution spectrograph and various combinations of IM and mass spectrometry. The novel high resolution 2D spectrograph facilitates spectroscopic resolutions in the range of commercial echelle spectrographs. The lowest full width at half maximum of a peak achieved was 25 pm. The 2D spectrograph is based on the wavelength separation of light by the combination of a prism and a grating in one dimension, and an etalon in the second dimension. This instrument was successfully employed for the acquisition of Raman and laser-induced breakdown spectra. DifferentThe aim of this thesis was the elucidation of different ionization methods (resonance-enhanced multiphoton ionization – REMPI, electrospray ionization – ESI, atmospheric pressure chemical ionization – APCI) in ion mobility (IM) spectrometry. In order to gain a better understanding of the ionization processes, several spectroscopic, mass spectrometric and theoretical methods were also used. Another focus was the development of experimental techniques, including a high resolution spectrograph and various combinations of IM and mass spectrometry. The novel high resolution 2D spectrograph facilitates spectroscopic resolutions in the range of commercial echelle spectrographs. The lowest full width at half maximum of a peak achieved was 25 pm. The 2D spectrograph is based on the wavelength separation of light by the combination of a prism and a grating in one dimension, and an etalon in the second dimension. This instrument was successfully employed for the acquisition of Raman and laser-induced breakdown spectra. Different spectroscopic methods (light scattering and fluorescence spectroscopy) permitting a spatial as well as spectral resolution, were used to investigate the release of ions in the electrospray. The investigation is based on the 50 nm shift of the fluorescence band of rhodamine 6G ions of during the transfer from the electrospray droplets to the gas phase. A newly developed ionization chamber operating at reduced pressure (0.5 mbar) was coupled to a time-of-flight mass spectrometer. After REMPI of H2S, an ionization chemistry analogous to H2O was observed with this instrument. Besides H2S+ and its fragments, H3S+ and protonated analyte ions could be observed as a result of proton-transfer reactions. For the elucidation of the peaks in IM spectra, a combination of IM spectrometer and linear quadrupole ion trap mass spectrometer was developed. The instrument can be equipped with various ionization sources (ESI, REMPI, APCI) and was used for the characterization of the peptide bradykinin and the neuroleptic promazine. The ionization of explosive compounds in an APCI source based on soft x-radiation was investigated in a newly developed ionization chamber attached to the ion trap mass spectrometer. The major primary and secondary reactions could be characterized and explosive compound ions could be identified and assigned to the peaks in IM spectra. The assignment is based on the comparison of experimentally determined and calculated IM. The methods of calculation currently available exhibit large deviations, especially in the case of anions. Therefore, on the basis of an assessment of available methods, a novel hybrid method was developed and characterized.show moreshow less
  • Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung unterschiedlicher Ionisationsmethoden (Resonanz-verstärkte Mehrphotonenionisation – REMPI, Elektrosprayionisation – ESI, chemische Ionisation bei Atmosphärendruck – APCI) in der Ionenmobilitäts (IM)-Spektrometrie. Um ein besseres Verständnis der Ionisationsprozesse zu erhalten, wurden zusätzlich ver¬schiedene spektroskopische, massenspektrometrische und theoretische Methoden eingesetzt. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung neuer experimenteller Techniken, darunter ein hochauflösender Spektrograph und verschiedene Kombinationen von IM- und Massenspektrometern. Der neuartige, hochauflösende 2D Spektrograph ermöglicht spektroskopische Auflösungen im Bereich kommerzieller Echelle-Spektrographen. Die geringste erreichte Halbwertsbreite eines Peaks betrug 25 pm. Der 2D Spektrograph beruht auf der Wellenlängenseparation von Licht durch eine Kombination aus einem Prisma und einem Gitter in der einen Dimension und einem Etalon in der zweiten Dimension. Das Instrument wurdeZiel dieser Arbeit war die Aufklärung unterschiedlicher Ionisationsmethoden (Resonanz-verstärkte Mehrphotonenionisation – REMPI, Elektrosprayionisation – ESI, chemische Ionisation bei Atmosphärendruck – APCI) in der Ionenmobilitäts (IM)-Spektrometrie. Um ein besseres Verständnis der Ionisationsprozesse zu erhalten, wurden zusätzlich ver¬schiedene spektroskopische, massenspektrometrische und theoretische Methoden eingesetzt. Ein weiterer Schwerpunkt war die Entwicklung neuer experimenteller Techniken, darunter ein hochauflösender Spektrograph und verschiedene Kombinationen von IM- und Massenspektrometern. Der neuartige, hochauflösende 2D Spektrograph ermöglicht spektroskopische Auflösungen im Bereich kommerzieller Echelle-Spektrographen. Die geringste erreichte Halbwertsbreite eines Peaks betrug 25 pm. Der 2D Spektrograph beruht auf der Wellenlängenseparation von Licht durch eine Kombination aus einem Prisma und einem Gitter in der einen Dimension und einem Etalon in der zweiten Dimension. Das Instrument wurde erfolgreich zur Aufnahme von Raman- und laserinduzierten Plasmaspektren ein¬gesetzt. Verschiedene spektroskopische Methoden (Lichtstreuung und Fluoreszenzspektroskopie), die sowohl eine räumliche, als auch eine spektrale Auflösung erlauben, wurden zur Untersuchung der Freisetzung der Ionen im Elektrospray angewandt. Die Untersuchung beruht auf der Verschiebung der Fluoreszenzbande von Rhodamin 6G-Ionen um 50 nm beim Übergang aus den Elektrospray-Tropfen in die Gasphase. Eine neuent¬wickelte Ionisationskammer bei reduziertem Druck (0,5 mbar) wurde an ein Flugzeit-Massenspektrometer gekoppelt. Darin wurde nach REMPI von H2S eine zum H2O analoge Ionisationschemie beobachtet. Neben H2S+ und seinen Fragmenten wurden als Ergebnis von Proto-nen-Transferreaktionen H3S+ und protonierte Analytionen beobachtet. Zur Aufklärung der Peaks in IM-Spektren wurde eine Kopplung von IM-Spektrometer und linearem Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer entwickelt. Die Kopplung kann mit verschiedenen Ionisationsquellen (ESI, REMPI, APCI) ausgestattet werden und wurde zur Charakterisierung des Peptids Bradykinin und des Neuroleptikums Promazin angewendet. Die Ionisation von Sprengstoffen in einer APCI-Quelle, die auf weicher Röntgenstrahlung beruht, wurde in einer neu entwickelten, an das Ionenfallen-Massenspektrometer gekoppelten Ionisationskammer untersucht. Dabei konnten die wichtigsten Primär- und Sekundärreaktionen charakterisiert, sowie Sprengstoffionen identifiziert und den Peaks in den IM-Spektren zugeordnet werden. Diese Zuordnung beruht auf dem Vergleich von experimentell bestimmten und berechneten IM. Da die aktuell verfügbaren Berechnungsmethoden insbesondere für Anionen zu große Abweichungen zu den experimentell bestimmten IM aufweisen, wurde auf Basis der Bewertung verfügbarer Methoden eine neue Hybridmethode entwickelt und charakterisiert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Daniel Riebe
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94632
Advisor:Hans-Gerd Löhmannsröben
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/07/14
Release Date:2016/09/21
Tag:Ionenmobilitäts-Berechnungen; Ionenmobilitätsspektrometrie; Massenspektrometrie; Photoionisation; Röntgenstrahlung; Sprengstoffe
X-ray; explosives; ion mobility calculations; ion mobility spectrometry; mass spectrometry; photoionization
Pagenumber:143
RVK - Regensburg Classification:VE 5070, VE 9907
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
PACS Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.80.-d Chemical analysis and related physical methods of analysis (for related instrumentation, see section 07; for spectroscopic techniques in biological physics, see 87.64.-t) / 82.80.Ms Mass spectrometry (including SIMS, multiphoton ionization and resonance ionization mass spectrometry, MALDI)
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