Hmotnostní spektrometrie uhlíkových nanotrubek

RNDr. Gracian Tejral, Ph.D.

Disertační práce

Mass spectrometry of carbon nanotubes

Anotace:

Uhlíkové nanotrubky (CNT) jsou materiály, ve kterých jsou grafitové vrstvy hypoteticky srolovány do tenké trubky. CNT mohou být dopovány nebo deprivatizovány chemickými skupinami. Uhlíkové nanotrubky modifikované kovalentními vazbami mezi deprivatizační chemickou skupinou a skeletem CNT jsou nazývány funkcionalizovanými CNT. Pro charakterizaci CNT, funkcionalizovaných CNT a dopovaných CNT byla použita hmotnostní spektrometrie s laserovou desorpcí a ionizací a s analyzátorem doby letu (LDI-TOF). Použitá instrumentace obsahovala dusíkový laser o vlnové délce emitovaného záření 337 nm. Experimentální část disertační práce obsahuje několik částí. 1) První část se zabývá problematikou vývoje nového software pro analýzu hmotnostních spekter, a to počítačových programů MassDistr a DosIzot. Jsou diskutovány problémy výpočtu izotopické distribuce, na které hmotnostní spektra závisejí, a je uveden příklad C++ kódu pro tento výpočet. 2) Druhá část diskutuje výsledky analýz funkcionalizovaných CNT. Byly studovány různé metody včetně MALDI a LDI. Bylo zjištěno, že matrice nejsou vhodné pro analýzu CNT a že LDI metoda je vhodnější. Byly použity různé iontové módy a optimalizovány analytické postupy s výsledkem rozlišení a charakterizace CNT funkcionalizované různými chemickými skupinami. K analýzám byly použity CNT funkcionalizované hydroxylovou (CNT-OH), karboxylovou (CNT-COOH) a aminovou (CNT-NH2) skupinou, při kterých byl pozorován převážný výskyt uhlíkových klastrů. Rozložení spektrálních píků bylo podobné pro všechny studované CNT. Ze srovnání hmotnostních spekter nebyly v pozitivním iontovém módu patrné signifikantní rozdíly mezi nefunkcionalizovanými a funkcionalizovanými CNT, avšak v negativním iontovém módu byly nalezeny hodnověrné „fingerprinty“. 3) Třetí část práce směřuje k analýzám borem dopovaných CNT, které mají velký technický význam. Detekce boru je obtížná i s použitím hmotnostní spektrometrie, avšak za použití optimalizovaných postupů byly chemické vazby C-B prokázány. 4) Dále bylo vypracováno a publikováno review zabývající se otázkami vlivu CNT na životní prostředí a jejich toxicitou.

Abstract:

The carbon nonotubes (CNTs) are materials in which graphite sheets are hypothetically rolled up into a tiny tube. CNTs can be doped or derivatized by chemical elements or chemical groups. The carbon nanotubes modified by covalent bounds between derivatizing chemical groups and skeleton of the CNT are called functionalized CNTs. The laser desorption ionization time of flight (LDI-TOF) mass spectrometry with 337 nm nitrogen laser was used to characterize CNTs, functionalized CNTs and doped CNTs. Experimental part of Dissertation consists of several items. 1) The first part deals with development of new software package to analyze of mass spectra, namely computer programs MassDistr and DosIzot. Problems of calculations of isotopic distribution, on which mass spectra patterns depends, are discussed. Example of C++ code for calculation of the isotopic distribution is presented. 2) The second part concerns with TOF mass spectrometry analysis of functionalized CNTs. Various approaches including MALDI and LDI were studied. It was found that matrices are not suitable to analyze of CNT and that LDI without using matrix is more usable. Different ionic modes were studied and the methods were optimized. Finally, analytical procedures able to distinguish and characterize CNT with different chemical groups were developed. The functionalized CNTs, derivatized with hydroxyl (CNT-OH), carboxylic (CNT-COOH) or amino groups (CNT-NH2) were analyzed. Mostly singly charged positive and negative charged carbon clusters are observed. Patterns of carbon clusters are very similar for all studied CNTs. The comparison of CNT mass spectra does not show any significant differences between functionalized and non- functionalized CNTs in the positive ion detection mode, while the reliable fingerprints are obtained using the negative ion detection mode. 3) The third part of the Dissertation aims toward the analysis of boron doped CNTs which are important for high technology. Detection of boron in CNT is quite difficult even using mass spectrometry. Via optimized analytical procedure suitable approach was developed and the chemical bound C-B in boron doped CNTs was proved. 4) In addition, extensive review concerning with environmental impact and toxicity aspects of CNT was worked out and published.

Klíčová slova

MALDI-TOF, LDI-TOF, CNT, hmotnostní spektrometrie, uhlíkové nanotrubky, izotopická distribuce, model hmotnostního spektra, dopované uhlíkové nanotrubky, derivatizované uhlíkové nanotrubky, funkcionalizované uhlíkové nanotrubky, modifikované uhlíkové nanotrubky, mass spectrometry, carbon nano-tubes, isotopic distribution, mass spektrum model, doped carbon nano-tubes, derivatized carbon nano-tubes, functionalized carbon nano-tubes, modified carbon nano-tubes

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 4. 9. 2009

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 5. 10. 2009
• Vedoucí: prof. RNDr. Josef Havel, DrSc.
• Oponent: prof. Ing. Tomáš Wágner, CSc., prof. Dr. E. M. Peňa-Mendes

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Analytická chemie