Mass Spectrometry of Inorganic Materials and Organic Molecules

Govinda Mandal, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem tohoto výzkumu je studium vybraných anorganických materiálů a organických molekul pomocí laserové ablace/laserové desorpční ionizace (LA/LDI) nebo maticově/povrchově asistované laserové desorpční ionizace (MALDI/SALDI) s dobou letu /hmotnostní spektrometrie doby letu s kvadrupólovou iontovou pastí (TOF/QIT TOF MS) a další analytické techniky jež jsou podrobně rozebrány v dalších částech. Tato disertace je předložena jako soubor pěti prací: Anorganické materiály (4 práce) a Organické molekuly (1 práce). A) Hmotnostní spektrometrie anorganických materiálů: Nanokompozity (1) První práce se zabývá syntézou pomocí laserové ablace (LAS) fosfidů uhlíku neboli karbidů fosforu z prekurzorů kompozitu grafen/nanodiamanty-fosfor. Bylo pozorováno, že pomocí laserové desorpční ionizace (LDI) nebo LAS bylo z grafenu nebo nanodiamantových kompozitů s červeným/černým fosforem nebo s fosforenem generováno několik nových sérií klastrů uhlík-fosfor. Chalkogenidy (2) Tato studie popisuje generování klastrů z Ge-Bi-Se tenkých filmů anebo ze směsí Ge, Bi, a Se prostřednictvím LA. Nakonec byla stechiometrie generovaných klastrů z tenkých filmů porovnávána se stechiometrií klastrů, které byly detegovány z elementárních směsí. Kromě toho byly struktury některých vybraných binárních a ternárních klastrů vypočteny pomocí hustotní funkční teorie pro osvětlení geometrie generovaných klastrů. (3) Tato práce je zaměřena na studium generování shluků vizmutu a selenidu ze směsí elementy a z krystalů Bi2Se3 a/nebo tenkých filmů pomocí LDI a/nebo povrchově podporovaného LDI. Bylo studováno generování takových shluků z povrchu grafenu a nanodiamantů ale bylo zjištěno že není žádný rozdíl ve srovnání s kovovým povrchem. (4) V této práci byla laserová ablace tenkých filmů chalkogenidů Ga-Sb-Te sledována pomocí hmotnostní spektrometrie s analysou doby letu a s aplikací kvadrupólové iontové pasti (QIT TOF MS). Bylo identifikováno několik sérií klastrů. Fragmentace byla snížena pokrytím povrchu tenkých filmů parafiny, glycerolem nebo tenkými vrstvami cukru trehalózy. B) Hmotnostní spektrometrie organických molekul: (5) Tato práce se zabývá hodnocením černého fosforu (BP) za účelem lepší diskriminace hmotnostní spektrometrie intaktních buněk. Rozlišování tří buněčných linií bylo významně zlepšeno, když byla PCA provedena z hmotnostních spekter získaných pomocí matrice SA obohacené o BP ve srovnání se samotnou společnou matricí (SA). Kromě toho běžné matrice (α-kyano-4-hydroxy skořicová (CHCA) nebo kyselina SA) obohacené o BP významně zvýšily citlivost detekce biomolekul (aminokyselin, peptidů a proteinů). Závěrem bylo prokázáno, že LA/LDI s TOF/QIT TOF MS nebo MALDI/SALDI jsou účinnými technikami pro generování klastrů a tím pro charakterizaci anorganických materiálů, jakož i biomolekul.

Abstract:

The objective of this research is to study the selected inorganic materials and organic molecules using laser ablation/laser desorption ionization (LA/LDI), or matrix-assisted/surface-assisted laser desorption ionization (MALDI/SALDI) with time-of-flight/quadrupole ion trap time-of-flight mass spectrometry (TOF/QIT TOF MS), and other analytical techniques that are discussed in detail in the further sections. The Dissertation is presented as a collection of five works: Inorganic materials (4 works) and Organic molecules (1 work). A) Mass Spectrometry of Inorganic Materials: Nanocomposites (1) The first work deals with laser ablation synthesis (LAS) of carbon-phosphides from graphene/nanodiamond-phosphorus composite precursors. It was observed that several novel series of carbon-phosphide clusters were generated via laser desorption ionization (LDI) or LAS from graphene or nanodiamond composites with red/black phosphorus or with phosphorene. Chalcogenides (2) This study describes the generation of clusters from Ge-Bi-Se thin films and from Ge, Bi, and Se elemental mixtures via LA. Finally, the stoichiometry of generated clusters from thin films was compared with the stoichiometry of those detected from the elemental mixtures. Furthermore, the structures of some selected binary and ternary clusters were calculated using density functional theory to understand the geometry of the generated clusters. (3) This work focuses on the generation of bismuth-selenide clusters from the mixtures of elements and from Bi2Se3 crystals and/or thin films using LDI and/or surface-assisted LDI. The generation of such clusters from the surface of graphene and nanodiamonds was studied. It was found that no remarkable difference with comparison to the metal surface was observed. (4) In this work, laser ablation of Ga-Sb-Te chalcogenide thin films was monitored with the quadrupole ion trap time of flight mass spectrometry (QIT TOF MS). Several series of clusters were identified. The fragmentation was diminished by covering the surface of thin films with paraffins, glycerol, or trehalose sugar thin layers. B) Mass Spectrometry of Organic Molecules: (5) This work deals with the evaluation of black phosphorus (BP) for improved discrimination of intact cells via mass spectrometry. The discrimination of three cell lines was significantly improved when PCA of mass spectra acquired using the BP enriched sinapinic acid (SA) matrix as compared to the common SA matrix alone was performed. Furthermore, BP enriched α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) and/or SA matrices enhanced significantly the sensitivity of various biomolecules (amino acids, peptides, and proteins or intact cells) detection. Concluding, it has been demonstrated that LA/LDI with TOF/QIT TOF MS and/or MALDI/SALDI MS are powerful techniques for the generation of clusters and characterization of inorganic materials as well as biomolecules.

Keywords

Nanocomposites, chalcogenides, thin films, clusters, diminishing clusters fragmentation, laser ablation, laser desorption/ionization, matrix-assisted laser desorption/ionization, time-of-flight mass spectrometry, biomolecules, intact cells mass spectrometry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 10. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 14. 12. 2021
• Supervisor: prof. RNDr. Josef Havel, DrSc.
• Reader: Ing. Petr Halada, Ph.D., prof. Victoria Salvado, prof. Ing. Tomáš Wágner, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry