1

INSTRUMENTNE ANALITIČKE METODE I

seminar

šk.g. 2006/07.

8 – MASENA SPEKTROMETRIJA

sastavila: V. Allegretti Živčić

ionskiizvor

visokonaponskonapajanje

bezionski dio uređajasmješten unutar

vakuumske komore

računalnizaslon ilipisač s papirom

pojačalo

kolektorskaploča

ionskisnop

deflektorskaploča

2

postoje 4 osnovna stupnja u mjernom procesu:

1. ionizacija – upareni uzorak se ionizira (obično se ukloni jedan elektron, ponekad dva; modernim metodama i više) – pozitivno nabijene vrste ulaze u akceleracijsku komoru;

2. akceleracija – ioni se podvrgnu djelovanju električnog polja;

3. otklon (deflekcija) – teži ioni se manje otklanjaju od lakših – odvajanje prema atomskim (molekulskim) masama (tj. omjeru m/z);

4. detekcija – samo ioni određene mase dolaze do detektora – za detekciju svih iona treba mijenjati akceleracijsko polje – detektor bilježi svaku vrstu kao zaseban vršak (“peak”).

primjer:spektrar bora

Interpretacija rezultata

rezultati prikaz izotopne učestalosti (%) prema omjeru masa/naboj

pretpostavka: naboj svakog iona je +1 omjer masa/naboj je jednak atomskoj masi iona

1. broj vršaka broj izotopa; npr.: 2;

2. atomska masa svakoga se odčita na apscisi; npr.: masa 10 i masa 11;

3. visina pika postotak učestalosti; npr.: 81.7 % atoma bora10 i 18.7 % atoma bora11;

prosječna izotopna masa bora je:(10 × 81.3/100) + (11 × 18.7/100) = 10.8

3

uobičajeni odpušteni fragmenti uobičajeni stabilni ioni

glavna primjenska područja:

• organska analiza• elementna analiza• izotopna analiza

atomske mase i učestalost izotopa elemenata obično sadržanih u organskim spojevima

4

83. Izračunajte omjere visina pikova (M+1)+ i M+ za sljedeća dva spoja: dinitrobenzen C6H4N2O4 (m = 168) i olefin C12H24 (m = 168).

račun iz tablice učestalosti izotopa:

(M+1)+/(M)+ = 13.32 %(M+1)+/(M)+ = 7.44 %

13C ⇒ 12x1.08 = 12.96 %2H ⇒ 24x0.015 = 0.36 %

13C ⇒ 6x1.08 = 6.48 %2H ⇒ 4x0.015 = 0.06 %

15N ⇒ 2x0.37 = 0.74 %17O ⇒ 4x0.04 = 0.16 %

C12H24C6H4N2O4

Ukoliko je moguće mjeriti visine pika (M)+ i (M+1)+ možese razlikovati između dva spoja identične cjelobrojnemolekulske mase.

84. Izračunajte omjer visina pikova (M+1)+ i M+ za “footballene” (formula: C60,fuleren), znajući da ugljik ima dva izotopa 12C: 12 amu (98,9%) i 13C: 13 amu (1,1%).

M (C60) = 60 x 12 = 720

intenzitet pika M+ I720 = 0,98960 = 0,515

intenzitet pika (M+1)+ I721 = 0,98959 x 0,011 x 60 = 0,344

omjer intenziteta I721/I720 = 100 x 0,344/0,515 = 66,7%

5

određivanje empirijske formule:

metode temeljene na izotopnoj učestalosti

N360C1111 nnM ,,)%( +=+

O20200

C22122

nnM ,),()%( +=+

relativni intenziteti pikova M+1 i M+2 (u %) za molekule koje sadrže C, H, N, O, P

nC, nN, nO… = broj pripadnih atoma u molekuli

pretpostavka: M = 100%Primjer:spektar benzena pojavljuju se pikovi na m/z 79, 80

benzen: C6H6 (M = 78)

• 1% svih ugljikovih atoma je 13C (tablica!) 6% benzenovihmolekula uključuje 13C te imaju masu 79• doprinos 2H je zanemariv (0,01%)• molekula benzena može sadržavati dva atoma 13C, dva deuterijeva atoma (D) ili jedan atom 13C i jedan atom D masa 80

primjenjuje se u masenoj spektrometriji niske rezolucije

određivanje izotopnih omjera elemenata:

• izotopna razdioba varira među živim organizmima ovisno o biosintetičkim putevima• metabolizam biljaka, biomedicinske primjene• detekcija primjesa u maslinovom ulju, voćnim sokovima, okusnim dodatcima

npr.: omjer 13C/12C u prirodnom vanilinu manji je od onog opaženog u sintetičkom vanilinu

• varijacije omjera 13C/12C može se odrediti relativno prema prihvaćenom univerzalnom standardu kalcijev karbonat (tvrtka Pee Dee, USA) koji ima povišenu učestalost 13C (13C/12C = 1,12372 x 10-2)• u praksi mjerenje intenziteta pika 13CO2 (45) i 12CO2 (44) dobivenih nakon spaljivanja spoja• računa se relativno odstupanje δ, u tisućinkama (obično negativno):

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

= 1

COCOCOCO

1000

areferencij212

213

uzorak212

213

δ

6

smjesa spojeva A i B

• δA, δB izotopni omjeri razdiobe• δM ukupna izotopna varijacija• x udio B• 1 – x udio A

( ) BAM 1 δδδ xx +−=

AB

AM

δδδδ

−−

=x

identifikacija uporabom banke spektara i podataka:

• smanjenje broja podataka spektar spoja se smanji na oko 16 pikova –ponajprije viših masa• prethodno pretraživanje• podrobno pretraživanje

fragmentiranje organskih iona:

• prvi proces: ionizacija (ne fragmentacija) nastaje radikal-kation• radikal-kation se eventualno fragmentira

čimbenici koji utječu na fragmentaciju:

• slabe veze se lakše fragmentiraju• povoljnija je fragmentacija do stabilne neutralne ili ionske vrste• povoljnije su reakcije pregradnje kad uključuju šesteročlani prsten premiještaj vodika na položaju radikal-kation

7

spektar masaspektar masa prikaz odnosa relativne koncentracije i masa pozitivno nabijenih fragmenata

primjer: metanol, CH3OH

izbijanjem jednog elektrona nastaje radikal-kation –molekulski ion M:

CH3OH + e CH3OH+• (m/e 32) + 2edaje podatak o molekulskoj masi spoja

najintenzivniji pik u spektru – bazni pikbazni pikpripisuje mu se vrijednost 100%

intenziteti ostalih pikova, uključujući i molekulski, izražavajuse kao postotak baznog pika

molekulski pikmolekulski pik – pik najvišeg masenog broja osim izotopnih pikova

Primjeri fragmentiranjaPrimjeri fragmentiranja

• fragmentiranje na ioniziranoj σ vezi:

ionizacija σ veze C-C u ugljikovodiku npr. u propanu nastaje etilni kation i metilni radikal:

CH3CH2CH3+• CH3CH2

+ + CH3•

• α-fragmentiranje:

ketoni: ionizacija keto skupine izbacivanje elektrona s kisikovog atoma cijepanje σ veze C-C koja je u α položaju u odnosu na ionizaciju

primjer: butanon (M = 72) CH3CO+ (m/z = 43), CH3CH2CO+ (m/z = 57)

8

Reakcije pregradnjeReakcije pregradnje

• primjeri:

fragmentacija dietiletera

McLafferty-jevapregradnja

atomska i molekulska masa općenito se izražava u atomskim jedinicama mase, amu (“atomic mass unit”) prema ugljikovom izotopu kojemu je pripisana masa točno 12 amu

1 amu = 1 dalton

C126

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

= − CC/mol atoma 106,0221CC/mol g 12

121

121223

1212

= 1,66054 x 10-24 g/atom 12C

= 1,66054 x 10-27 kg/atom 12C

9

85. Izotopni faktor ugljika δ, mjeren iz ugljičnog dioksida koji je nastao spaljivanjem prirodnog vanilina, iznosi δ = -20. Vrijednost sintetičkog vanilina iznosi δ = -30. Izračunajte postotni udio te dvije vrste u uzorku miješanog vanilina, uz poznavanje prethodno mjerene vrijednosti δ = -23,5.

xn, xs = frakcije prirodnog i sintetičkog vanilina

xn + xs = 1

δnxn + δsxs = δm

xn = (δm – δs) / (δn – δs)

xn = 6,5 / 10 = 0,65

sastav: 65 % prirodnog vanilina + 35 % sintetičkog vanilina

86. Vanadij ima dva izotopa čije relativne učestalosti iznose: 51V = 99,75% i 50V = 0,25%.Za određivanje koncentracije vanadija u uzorku čelika otopljeno je 2 g čelika u kiseloj sredini i rezultirajućoj otopini dodan je 1 µg 50V.Nakon miješanja izvršena je analiza pomoću ICP-MS, čime je dobiven spektar masa s dva vrška centrirana pri masama 50 i 51, istih veličina površine.

a) Izračunajte sadržaj (u %) svakog izotopa vanadija u uzorku, ako je omjer površina dva pika jednak omjeru masa dva izotopa.

b) Izračunajte točnije vrijednosti primjenjujući: 50V = 49,947 g/mol i 51V = 50,944 g/mol.

a) ako nakon miješanja pikovi 50 i 51 imaju istu površinu (intenzitet signala proporcionalan masi; intenzitet odražava broj stvorenih iona)

1 µg 51V u 2 g čelika 0,5 µg / g masena koncentracija = 0,5 ppm

b) točnije:

(51V / 50V)maseni = (50,944 / 49,947) (51V / 50V)int = 1,02(1/1) = 1,02

za x = količina vanadija u 2 g čelika (51V / 50V)maseni = 1,02 = (0,9975 x) / (0,025 x + 1)

x = 1,025 µg odnosno 0,531 ppm

10

87. Dibenzosuberon 1 je keton čija struktura je prikazana formulom a priložen je i dio spektra.

a) Izračunajte točnu masu najvećeg molekulskog pika i napišite izotopne sastave različitih vrsta koje čine pik M+1.

b) U spektru masa tog spoja se, između ostalih fragmenata, mogu opaziti dva iste nominalne mase, koji mogu predstavljati gubita bilo CO ili C2H2. Objasnite gubitak CO iz baznog pika, te objasnite nastaje li gubitkom C2H2 pozitivni ion, radikal ili kation-radikal.

c) Za dva pika navedite odgovarajuće molekulske formule i točne molekulske mase.d) Znajući da je rezolucijski faktor masenog spektrometra 15000, je li moguće

razlikovati različite vrste koje čine pik M+1?

a) molekulska formula: C15H12O

točna masa pomoću atomskih masa najučestalijih izotopa:15 x 12,0000 + 12 x 1,007825 + 1 x 15,994915 = 208,088815 amu

pik M+1 je zbroj koji uključuje tri manje učestale izotpone vrste:• 12C14

13C1H1216O (209,09217 amu)

• 12C151H11

2H16O (209,095054 amu)• 12C15

1H1217O (209,09321 amu)

b) dva načina razgradnje odgovaraju gubitak 28 amu nastali ioni (m/z = 180) slijede općenito pravilo radikal-kationa tipa CHO:

11

c) gubitak CO: m/z = 208,08822 – (12,000 + 15.99492) = 180,0939gubirak C2H2: m/z = 208,08822 – (24,000 + 4,0313) = 180,05732

položaj desni pik odgovara ionu nastalom gubitkom CO C14H12;lijevi pik odgovara molekulskoj formuli C13H8O

d) razlučivanje: R = m / ∆m ∆m u sredini visine najvišeg pika odgovara približno 0,012 – to vodi do R = 15000

Razlike masa tri izotopmera pika M+1 (dio zadatka a)) znatno su manje od ∆m pod tim uvjetima spektar te tri molekule je superponiran (nerazlučen)

88. Spektar masa dao je sljedeće informacije na temelju kojih treba odrediti formulu spoja:

0,88152 (M+2)10,2151 (M+1)100150 (M)

%m/e molekulski ion (M) = 150 molekulska masaM+2 ne dopušta prisutnost atoma sumpora

ili halogena u tablicama se pronađu najbolje kombinacije za

masu 150 i navedene vrijednosti M+1 i M+2:

na temelju “dušikovog pravila” eliminiraju se formule s neparnim brojem dušikovih atoma

najbolje odgovara: C9H10O2ne može se eliminirati niti C8H10N2O bez

dodatne provjere“dušikovo pravilo”:M = parni broj nema dušika ili ima paran broj dušikaM + neparni broj ima neparan broj dušika

12

89. Maseni spektri izomera pentanola

90. Maseni spektar etil sec-butiletera

13

91. Maseni spektar metil kaprilata

RazlučivanjeRazlučivanje

R = m / ∆m∆m = razlika masa dva susjedna vrška koji su upravo razlučenim = nominalna masa prvog vrška (ili srednja masa dva susjedna upravo razlučena pika

smatra se da su dva pika razlučena ako visina udoline između vršaka nije veća od nekoliko postotaka njihove visine (često 10%)

primjeri: • spektrometar razlučivanja 4000 razlučuje pikove vrijednosti m/z 400,0 i 400,1 (ili 40,0 i 40,01)• razlikovanje iona iste nominalne mase kao što su C2H4

+, CH2N+, N2+,

CO+ (nominalna masa 28 daltona; točne mase 28.0313, 28,0187, 28,0061 odnosno 27,9949 daltona) zahtijeva razlučivanje od nekoliko tisuća• ioni niskih molekulskih masa koji se razlikuju za 1 ili više, npr. NH3

+ (m= 17) i CH4

+ (m = 16) mogu se razlučiti uz razlučivanje manje od 50

14

analizator masa (magnetni sektor)

2

21 mvzeVEK ==

EK = kinetička energija ionam = masa ionaz = nabojni brojV = napon između ulazne i izlazne pukotinev = brzina iona poslije ubrzavanjae = naboj iona (e = 1,60 x 10-19 C)

BzevFM =FM = Lorentzova silaB = jakost magnetnog polja

rmvFC

2

= FC = centripetalna sila (ravnotežna)r = polumjer zakrivljenja magnetnog sektora

FM = FC ….. preuređenje za v =…, uvrštavanje v u EK….., konačan izraz:

VerB

zm

2

22

=

92. Koje je razlučivanje potrebno za odvajanje iona nominalne mase 28, a stvarnihmasa 28.0313 (C2H4

+) i 28.0187 (CH2N+)?

razlučivanje masenog spektrometra:m

mR∆

=

m = prosječna masa ili nominalna (nazivna) masa (srednja vrijednost)∆m = razlika masa susjedna dva pika koji su upravo razlučeni

račun:

0250.282

0187.280313.28=

+=m

0126.00187.280313.28 =−=∆m

31022.20126.00250.28

×==R

15

93. Koji je akceleracijski potencijal potreban za usmjerenje jednostruko nabijenemolekule vode kroz izlaznu pukotinu magnetnog masenog spektrometra, ukolikomagnet ima jakost polja 0.240 tesla, a polumjer zakrivljenja putanje iona krozmagnetno polje iznosi 12.7 cm?

pretvorba u SI-sustav:

Cez 19106.1 −×=

polumjer: mr 127.0=

masa: gkgmolOH

molOgHm 3

2232 10

1002.602.18 −××

=

magn. polje: 2240.0240.0 mWTB ==

osnovna formula:

VerB

zm

2

22=

račun:

[ ] [ ] [ ]

VkgmCW

kgCmmW

mezrBV

32

23

26

1922222

1049.21049.2

1099.221060.1127.0240.0

2

×=×=

=××

×==

−

−

naboj po ionu:

94. (a) Izračunajte kinetičku energiju koju postiže jednostruko nabijeni ion, ako jeubrzan potencijalom od 103 V u izvoru s elektronskim sudarom. (b) Je li kinetička energija iona ovisna o njegovoj masi?(c) Je li brzina iona ovisna o njegovoj masi?

a) kinetička energija iona rezultat je potencijala: VeEk ×=

V = naboj iona (1.6x10-19 C)

račun: JVCEk16319 106.110106.1 −− ×=××=

b) Kinetička energija koju ion postiže u izvoru neovisna je o masii ovisi samo o naboju i akceleracijskom potencijalu.

c) Translacijska komponenta kinetičke energije iona funkcija jemase iona m i njegove brzine v, prema jednadžbi:

2

21mvEk = odnosno:

212⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mEv k

Stoga, ako svi ioni postižu istu količinu Ek, oni najveće mase morajuimati najmanju brzinu.

16

95. (a) Izračunajte energiju (u J/mol) koju postižu elektroni kao rezultat akceleracijepotencijalom od 70 V.(b) Kakva je ta energija u usporedbi s onom tipične kemijske veze?

a) Ek pojedinačnog elektrona jednaka je umnošku naboja elektrona e i potencijala V kojim se akcelerira. Množenjem kinetičke energijejednog elektrona Avogadrovim brojem N dobije se energija po molu.

račun:

( )( )( )( )

molJ

moleeCV

NVeCNVeEk

6

2317

19

107.6

1002.61012.1

701060.1

×=

=××=

=×=××=−−−

−−

b) Tipične energije veze nalaze se u području 102 – 103 J/mol. Zatoelektron iz dijela a) ima najmanje 3 reda veličine veću energiju odone potrebne za prekidanje kemijske veze.

96. Magnetni sektor kućišta masenog spektrometra, zakrivljenja polumjera 25 cm, izložen je ionima. Akceleracijski napon se poveća na 5000 V. Maseni spektar snimljen je između 20-200 Da.Pretpostavlja se da svaki ion nosi jednostruki naboj (e = 1,6 x 10-19 C, 1 Da = 1,66 x 10-27 kg).Koje područje magnetnog polja treba primijeniti ukoliko se akceleracijski napon održava konstantnim?

UBR

em

2

22

= ( ) ( ) RemUB /21212=

M = 20 masenih jedinica B20 = 0,182 T

M = 200 masenih jedinica B200 = 0,566 T

omjer te dvije vrijednosti ograničuje polje: B200/B20 = 10 = 3,16