Maldı-kütle spektrometresi'nde iyon oluşma mekanizmalarına etki eden bazı faktörlerin belirlenmesi
Determination of various factors affecting ion generation mechanisms in maldi-mass spectrometry
Yazar: EMRE BİROL
Danışman: PROF. DR. BEKİR SALİH
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
MALDI kütle spektrometrisinin hızlı örnek hazırlama ve çalışma süresi, yüksek hassasiyet, karmaşık örneklerin ciddi ayrıştırma ön basamakları gerektirmeden analizi gibi önemli avantajları bulunmasına rağmen özellikle nicel analiz için kullanımı sınırlıdır. Bunun nedenleri arasında tekrar edilebilirliğin düşük olması ve iyonlaşma mekanizmalarının iyi anlaşılamaması sayılabilir. İyonlaşma mekanizmalarının aydınlatılmasıyla standart analiz yöntemleri geliştirilip tekniğin kullanımı yaygınlaştırılabilir.

Bu amaçla tez kapsamında MALDI'de iyon oluşumuna etki eden bazı parametreler incelenmiştir. Farklı örnek türlerinin MALDI çalışmalarının öncesinde matrikslerin LDI iyon oluşum profilleri araştırılmıştır. Pozitif modda 3-HPA ve PNA dışındaki matriksler hem radikal katyon şeklinde hem de protonlanarak iyonlaştıkları gözlenmiştir. Radikal katyon şeklinde iyonlaşan matrikslerin hepsinin aynı zamanda hidrojen atom transferi de yaparak indirgenme eğiliminde oldukları saptanmıştır. Asit varlığının hem matrikslerin hem de örneklerin iyonlaşma karakterine etki etmediği sadece kristallenme karakterini değiştirdiği gözlenmiştir. 3-HPA ve PNA matriksin disproporsiyon reaksiyonuyla iyonlaştığı görülmüştür. İyonik organometalik bileşiklerin incelenmesinde matrikslerin katıda halihazırda iyon şeklinde bulunan bu türlerin iyonlaşma karakterine etki etmediği belirlenmiştir. Ancak metal merkezinden birden fazla iyonun ayrılmasıyla oluşan çok yüklü yapıların MALDI'de kararlı olmayışının bir sonucu olarak bu iyonların tek yüklü hale geçişlerinde matrikslere bağlı farklılıklar gözlenmiştir. CHCA, SA ve DHB matrikslerinin örneğe elektron aktararak, diğerlerinin ise örnekten proton alarak tek yüke düşme eğiliminde oldukları görülmüştür. Kolay verebileceği protonu olan bir diğer iyonik organometalik bileşikte elektron alımı sonucu tek yüke indirgenme gözlenmemiştir. Yan grupları farklı bazik perilen diimid türevi organik moleküllerde pozitif modda iyonlaşma büyük oranda protonlanarak gerçekleşmiştir. Yan gruplarında klor atomu bulunan molekülde radikal katyon oluşumu hiç gözlenmezken diğerlerinde matrikslerin elektron aktarma özelliklerine göre farklı bağıl şiddetlerde radikal katyon oluşumu görülmüştür. Buna göre matrikslerin elektron transferiyle radikal katyon oluşturma eğilimlerinin DCTB > PNA > 3-HPA sırasını izlediği tespit edilmiştir. Aynı moleküllerde hidrojen aktarımına ait izotopik pik dağılımları da gözlemlenmiştir. [M+2H]+/[M+H]+ piklerinin bağıl şiddet oranları incelenerek yapılan karşılaştırmada asidik özellikteki matrikslerin hidrojen atomu aktarma eğilimleri DHB > SA > CHCA olarak belirlenmiştir. Merkez metali değişen ftalosiyanin komplekslerinin MALDI incelemesinde radikal katyon ve protonlanma şeklinde iyonlaşmanın yarışma şeklinde olduğu görülmüştür. MnPc kompleksi tamamen radikal katyon şeklinde iyonlaşırken NiPc ve CoPc komplekslerinin hem protonlanarak hem de radikal katyon şeklinde iyonlaştığı saptanmıştır. Mangan ve kobaltın ftalosiyanin komplekslerinde +3/+2 indirgenme potansiyellerinin bu verilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Nikel ftalosiyanin komplekslerinde nikel elektron transferlerinde aktif olmadığından mevcut iyonlaşma karakterinin ftalosiyanin üzerinden yürüdüğü çıkarımı yapılmıştır. +3 yükseltgenme basamaklı kompleksi bulunmayan çinko için de nikele benzer etkileşimlerle iyonlaşmanın ftalosiyanin üzerinden olduğu ve bu etkileşimlerin nikele kıyasla elektron aktarımını kolaylaştırarak radikal katyon şeklinde iyonlaşma eğilimini arttırdığı anlaşılmıştır. Bu bulgular matrikslerin ve örneklerin proton ilgisi, iyonlaşma enerjisi ve elektrokimyasal parametreleriyle yer yer örtüşürken iyonlaşma karakterini açıklamada tüm parametrelerin bir arada değerlendirilmesi gerektiği, daha çok ve güvenilir fizikokimyasal ölçümlere ihtiyaç olduğu kanaatini ortaya koymuştur.

Abstract:
MALDI mass spectrometry has important advantages such as fast sample preparation and working time, high sensitivity, analysis of complex samples without requiring serious separation preliminary steps. Despite this fact, its usage is limited, especially for quantitative analysis. The reasons for this include the low reproducibility and the poor understanding of ionization mechanisms. By enlightening the ionization mechanisms, standard analysis methods can be developed and the use of the technique can be expanded.

For this purpose, various parameters that affect ion formation in MALDI were examined within the scope of the thesis. LDI ion formation profiles of matrices were investigated before MALDI studies of different sample types. In positive mode, it was observed that matrices other than 3-HPA and PNA were ionized both as radical cation and by protonation. It was determined that all the matrix molecules ionized in the form of radical cations also tend to be reduced by hydrogen atom transfer. It was found that the presence of acid did not affect the ionization character of both matrices and samples, but only changed the crystallization behavior. It was observed that 3-HPA and PNA matrix were ionized by disproportionation reaction. In the study of ionic organometallic compounds, it was determined that matrices do not affect the ionization character of these species, which are already in the form of ions in the solid. However, as a result of the instability of the highly charged structures formed upon removal of more than one ion from the metal center in MALDI, differences due to matrices were observed in the transition of these ions to single charged state. It was observed that CHCA, SA, and DHB matrices tend to drop to single charge state by transferring electrons to the sample, while others tend to take protons from the sample. In another ionic organometallic compound that has a proton that it can give easily, charge reduction was not observed as a result of electron uptake. Ionization in positive mode in organic molecules of basic perylene diimide derivative with different side groups was mostly due protonation. While no radical cation formation was observed for the molecule with chlorine in its side groups, radical cation formation with different relative intensities was observed with the others depending on the electron transfer properties of the matrix. Accordingly, it was found that the tendency of the matrices to induce radical cations by electron transfer follows the order of DCTB> PNA> 3-HPA. Isotopic distribution variations caused by hydrogen transfer were also observed in the same molecules. Examining the relative intensity ratios of [M + 2H]+/[M + H]+ peaks, hydrogen atom transfer tendencies of acidic matrices were determined as DHB> SA> CHCA. In MALDI analysis of phthalocyanine complexes with different metal centers, it was observed that ionization in the form of radical cation and protonation competed. While the manganese complex was completely ionized as a radical cation, it was found that nickel and cobalt phthalocyanine complexes were ionized both by protonation and as radical cation. It was seen that + 3 / + 2 reduction potentials of manganese and cobalt phthalocyanine complexes were compatible with these data. As nickel is not active in electron transfers in nickel phthalocyanine complexes, it was concluded that the observed ionization character is based on phthalocyanine. 
It was found that for zinc, which does not have a known +3 oxidation state complex, ionization takes place through phthalocyanine with interactions similar to nickel, and these interactions increase the tendency of ionization in the form of radical cation by facilitating electron transfer stronger compared to nickel. While these findings partially agree with the proton affinity, ionization energy and electrochemical parameters of the matrices and samples, it was concluded that all parameters should be evaluated together and more reliable physicochemical measurements were needed to explain the ionization character.