SUPERVISOR
Mahmoud Tabrizchi,Hossein Farrokhpour,Mehdi Kadivar
محمود تبریزچی (استاد راهنما) حسین فرخ پور (استاد راهنما) مهدی کدیور (استاد مشاور)
STUDENT
Fatemah Abyarfirouzabady
فاطمه آبیار فیروزآبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Laser Mass Spectrometry of Amino acids and Calculation of Photoelectron Spectra of Biomolecules
Mass spectrometry is one of the most powerful techniques in chemistry. This technique includes a wide range of applications such as elemental analysis, surface analysis, measurement of molecular mass, molecular structure identification, evaluation and determination of the concentration of reactive gas phase components of in a sample. In the present work, The Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI) mass spectrometry method was started-up in Iran for the first time. In MALDI mass spectrometry, a matrix for the protonation of sample and laser radiation for the vaporization and ionization of sample are used. The results of this section includes the recorded MALDI spectra of the amino acids which the ionic fragmente (MH + ) is observable in the spectra. In addition, the effect of the experimental conditions such as wavelength radiation, the kind of surface and the concentration of amino acids on the MALDI spectra were studied. It was found that the gold surface, the concentration about 400 µM of amino acid and IR radiation are the best optimized conditions for the MALDI mass spectrometry in our work. In the second part, ion attachment method were used for the ionization of species. Ion attachment mass spectrometry (IAMS) is one of the types of mass spectrometry soft ionization techniques which the fragmentation of sample molecules is low. Cations of samples are created from alkali salts by laser radiation directly on the sample so that the metal cations are attached the sample molecules. The mass spectra of proline and glycine were recorded by this method and the ions as [AA + 2M-H] + and [AA + M] + were observed where AA identifies amino acids and M alkali metal cation. In the third part of this section, the laser light was irradiated indirectly (from backside) on the sample plate and alkali ions were connected to the sample molecules and the desired species were observed. The recorded spectra by Indirect Laser Desorption Ionization (ILDI) method were better than those recorded by the direct radiation method. This method can be considered as a new technique, a simple, easy and effective way for the mass spectrometry of biological molecules. In computational section of thesis, the photoelectron spectra of biological molecules including of unsaturated, saturated steroids and fat-soluble vitamins in the range of 7-13 eV, were calculated. The calculated photoelectron spectrum of each compound was compared with its corresponding experimental spectrum reported in literature. It was observed that the assignment of ionization bands of steroid are very sensitive to the molecular structure so that a negligible change of composition and /or conformation, yields changes in the assignments of the ionization bands and creates dramatic changes of modes of action of steroid. It should be mentioned that although the most probable sites for ionization (below 11 eV) in the considered steroids in this work are p C=C and lone electron pairs of oxygen atoms of carbonyl and hydroxyl groups but, the energy order of ionization bands related to them are strongly depend on the geometrical structure of steroid. Finally, we found that the ionization of the selected steroids from the p electrons of C=O bond is not probable for the binding energy below 11 eV. In addition In other section of thesis, the ionization energies and valence photoelectron spectra of different vitamins including A, K, E and D were calculated using direct SAC-CI method. The present calculations finely simulated the shape of the experimental spectra and provided the detailed assignment of the spectra.
طیفسنجی جرمی یکی از قویترین روشها در شیمی است. این روش در گستره ی وسیعی از جمله آنالیز عنصری، آنالیز سطح، اندازه گیری جرم مولکولی، شناسایی ساختار مولکولی، بررسی واکنش پذیری فاز گازی و تعیین غلظت اجزای یک نمونه بهکار گرفته می شود. در این رساله برای اولین بار در ایران طیف سنجی جرمی به روش MALDI انجام شده است. در این روش از یک ماتریس برای پروتون دار کردن گونه ها استفاده می شود و از لیزر برای تبخیر و یونش گونه استفاده می شود. نتایج این بخش شامل طیف سنجی برای گونه های آمینواسید بوده است که یون های MH + و اجزای آنها مشاهده شد. بهینه سازی شرایط آزمایشگاهی برای اجرای روش MALDI صورت گرفت. شرایط مختلف شامل طول موج تابش، سطحی که نمونه روی آن قرار می گیرد و غلظت آمینواسید برای روش MALDI؛ با توجه به امکانات موجود در آزمایشگاه لیزر بهینه شد. با آزمایشات انجام گرفته غلظت 400 میکرومولار آمینواسید?، سطح طلا و تابش IR برای اجرای روش MALDI برای آمینواسید ها انتخاب شد. در بخش دوم از روش اتصال کاتیونی برای یونش گونه ها استفاده شد. طیف سنجی جرمی اتصال یون (IAMS) ، یکی از انواع طیف سنجی جرمی می باشد که در آن از روش یونش نرم استفاده کرده تا قطعه قطعه شدن به حداقل برسد و نمونه به همراه کاتیون مورد نظر به صورت یک پیک شدید قابل شناسایی باشد. کاتیون ها از تابش مستقیم لیزر به یک نمک کاتیونی ایجاد شدند، گونه های مورد نظر نیز، تبخیر از سطح به یون های قلیایی متصل شدند. طیف جرمی گونه های پرولین و گلایسین با این روش ثبت شد و یون های [2M+N-H] + و + [M+N]که در اینجا M آمینواسید و N کاتیون فلز قلیایی است، مشاهده شد. در بخش سوم تابش لیزر به صورت غیرمستقیم (از پشت صفحه) به نمونه تابیده شد و یون های قلیایی و اتصال آنها به گونه های مورد نظر مشاهده شد. روش واجذب یونش لیزری غیرمستقیم طیف های خلوت و بهتری نسبت به تابش مستقیم ایجاد نمود. این روش به عنوان یک روش جدید، ساده، آسان و مؤثر برای طیف جرمی مولکول های زیستی معرفی شده است. در بخش محاسباتی این رساله؛ طیف فوتوالکترون مولکولهای زیستی شامل استروئیدهای اشباع نشده، اشباع شده و برخی از ویتامین ها در محدوده ی 7 تا 13 الکترون ولت محاسبه شده است. یکی عوارض اصلی تابش های پرانرژی (مانند تابش های مورد استفاده در درمان های رادیویی و یا اشعه های کیهانی) بر روی سلول های بدن انسان، یونش مولکول های زیستی از جمله استروئید ها و ویتامین هاست. از این رو مطالعه ی یونش مولکولهای زیستی در فاز گازی در سالهای اخیر توجه بسیاری از محققین در شاخه های مختلف علوم از جمله شیمی و فیزیک را به خود اختصاص داده است. در این رساله تغییر انرژی یونش با تغییر ساختار بررسی شد. سپس طیف فوتوالکترون محاسبه شده تجزیه و تحلیل شده و با طیفهای تجربی موجود در مقالات مقایسه شد. مشاهده شد که تجزیه و تحلیل نوار های یونش استروئیدها به ساختار مولکولی بسیار حساس است، به طوری که یک تغییر بسیار ناچیز در ترکیب و یا ساختار، باعث تغییرات در باند یونش و ایجاد تغییرات چشمگیر در عملکرد استروئید می شود. علاوه بر این، صورت بندی های چرخشی استروئید انتخاب شده در طیف فوتوالکترون نیز در این کار بررسی شده است. اگر چه محتملترین مکان های یونش (زیر eV 11) در استروئید های بررسی شده در این کار ? C = C و جفت الکترون های تنهای اتمهای اکسیژن گروه های کربونیل و هیدروکسیل هستند. اما، ترتیب انرژی نوار یونش مربوط به آن ها به شدت به ساختار هندسی استروئید بستگی دارد. در نهایت، می توان گفت که یونش از الکترون ? باند C = O این استروئید ها در انرژی های بستگی زیر eV 11 محتمل نیست. همچنین در بخش دیگر رساله، انرژی یونش و طیف فوتوالکترون ظرفیتی ویتامینهای مختلف از جمله A، K، E و D با استفاده از روش SAC-CI مستقیم محاسبه شده است. در محاسبات حاضر شکل شبیه سازی شده ی ظریف طیف تجربی و تجزیه و تحلیل دقیق طیف ارائه شده است.