INSTRUMENTNE ANALITIČKE METODE I seminar šk.g. 006/07. 8 MASENA SPEKTROMETRIJA sastavila: V. Allegretti Živčić ionski izvor računalni zaslon ili pisač s papirom visokonaponsko napajanje bezionski dio uređaja smješten unutar vakuumske komore pojačalo deflektorska ploča ionski snop kolektorska ploča 1
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;. 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.: ;. 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
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 3
83. Izračunajte omjere visina pikova (M+1) + i M + za sljedeća dva spoja: dinitrobenzen C 6 H 4 N O 4 (m = 168) i olefin C 1 H 4 (m = 168). račun iz tablice učestalosti izotopa: C 6 H 4 N O 4 13 C 6x1.08 = 6.48 % H 4x0.015 = 0.06 % 15 N x0.37 = 0.74 % 17 O 4x0.04 = 0.16 % (M+1) + /(M) + = 7.44 % C 1 H 4 13 C 1x1.08 = 1.96 % H 4x0.015 = 0.36 % (M+1) + /(M) + = 13.3 % Ukoliko je moguće mjeriti visine pika (M) + i (M+1) + može se razlikovati između dva spoja identične cjelobrojne molekulske mase. 84. Izračunajte omjer visina pikova (M+1) + i M + za footballene (formula: C 60, fuleren), znajući da ugljik ima dva izotopa 1 C: 1 amu (98,9%) i 13 C: 13 amu (1,1%). M (C 60 ) = 60 x 1 = 70 intenzitet pika M + I 70 = 0,989 60 = 0,515 intenzitet pika (M+1) + I 71 = 0,989 59 x 0,011 x 60 = 0,344 omjer intenziteta I 71 /I 70 = 100 x 0,344/0,515 = 66,7% 4
određivanje empirijske formule: metode temeljene na izotopnoj učestalosti ( M + 1)% = 111, nc + 0, 36nN ( 1, nc) ( M + )% = + 0, no 00 relativni intenziteti pikova M+1 i M+ (u %) za molekule koje sadrže C, H, N, O, P nc, nn, no = broj pripadnih atoma u molekuli Primjer: spektar benzena pojavljuju se pikovi na m/z 79, 80 1% svih ugljikovih atoma je 13 C (tablica!) 6% benzenovih molekula uključuje 13 C te imaju masu 79 doprinos H je zanemariv (0,01%) molekula benzena može sadržavati dva atoma 13 C, dva deuterijeva atoma (D) ili jedan atom 13 C i jedan atom D masa 80 pretpostavka: M = 100% benzen: C 6 H 6 (M = 78) 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 13 C/ 1 C u prirodnom vanilinu manji je od onog opaženog u sintetičkom vanilinu varijacije omjera 13 C/ 1 C može se odrediti relativno prema prihvaćenom univerzalnom standardu kalcijev karbonat (tvrtka Pee Dee, USA) koji ima povišenu učestalost 13 C ( 13 C/ 1 C = 1,137 x 10 - ) u praksi mjerenje intenziteta pika 13 CO (45) i 1 CO (44) dobivenih nakon spaljivanja spoja računa se relativno odstupanje δ, u tisućinkama (obično negativno): 13 CO 1 CO uzorak δ = 1000 1 13 CO 1 CO referencija 5
smjesa spojeva A i B δ A, δ B izotopni omjeri razdiobe δ M ukupna izotopna varijacija x udio B 1 x udio A ( x ) δ A + x B δm = 1 δ δm δ A x = δ δ B A 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 6
spektar masa prikaz odnosa relativne koncentracije i masa pozitivno nabijenih fragmenata primjer: metanol, CH 3 OH izbijanjem jednog elektrona nastaje radikal-kation molekulski ion M: CH 3 OH + e CH 3 OH + (m/e 3) + e daje podatak o molekulskoj masi spoja najintenzivniji pik u spektru bazni pik pripisuje mu se vrijednost 100% intenziteti ostalih pikova, uključujući i molekulski, izražavaju se kao postotak baznog pika molekulski pik pik najvišeg masenog broja osim izotopnih pikova Primjeri fragmentiranja fragmentiranje na ioniziranoj σ vezi: ionizacija σ veze C-C u ugljikovodiku npr. u propanu nastaje etilni kation i metilni radikal: CH 3 CH CH + 3 CH 3 CH + + CH 3 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 = 7) CH 3 CO + (m/z = 43), CH 3 CH CO + (m/z = 57) 7
Reakcije pregradnje primjeri: fragmentacija dietiletera McLafferty-jeva pregradnja atomska i molekulska masa općenito se izražava u atomskim jedinicama 1 mase, amu ( atomic mass unit ) prema ugljikovom izotopu 6C kojemu je pripisana masa točno 1 amu 1 amu = 1 dalton 1 1 1 g C/mol 1 6,01 10 atoma = 3 1 C C/mol = 1,66054 x 10-4 g/atom 1 C = 1,66054 x 10-7 kg/atom 1 C 1 1 C 8
85. Izotopni faktor ugljika δ, mjeren iz ugljičnog dioksida koji je nastao spaljivanjem prirodnog vanilina, iznosi δ = -0. Vrijednost sintetičkog vanilina iznosi δ = -30. Izračunajte postotni udio te dvije vrste u uzorku miješanog vanilina, uz poznavanje prethodno mjerene vrijednosti δ = -3,5. x n, x s = frakcije prirodnog i sintetičkog vanilina x n + x s = 1 δ n x n + δ s x s = δ m x n = (δ m δ s ) / (δ n δ s ) x n = 6,5 / 10 = 0,65 sastav: 65 % prirodnog vanilina + 35 % sintetičkog vanilina 86. Vanadij ima dva izotopa čije relativne učestalosti iznose: 51 V = 99,75% i 50 V = 0,5%. Za određivanje koncentracije vanadija u uzorku čelika otopljeno je g čelika u kiseloj sredini i rezultirajućoj otopini dodan je 1 µg 50 V. 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: 50 V = 49,947 g/mol i 51 V = 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 51 V u g čelika 0,5 µg / g masena koncentracija = 0,5 ppm b) točnije: ( 51 V / 50 V) maseni = (50,944 / 49,947) ( 51 V / 50 V) int = 1,0(1/1) = 1,0 za x = količina vanadija u g čelika ( 51 V / 50 V)maseni = 1,0 = (0,9975 x) / (0,05 x + 1) x = 1,05 µg odnosno 0,531 ppm 9
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 C H. Objasnite gubitak CO iz baznog pika, te objasnite nastaje li gubitkom C H 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: C 15 H 1 O točna masa pomoću atomskih masa najučestalijih izotopa: 15 x 1,0000 + 1 x 1,00785 + 1 x 15,994915 = 08,088815 amu pik M+1 je zbroj koji uključuje tri manje učestale izotpone vrste: 1 C 14 13 C 1 H 1 16 O (09,0917 amu) 1 C 151 H 11 H 16 O (09,095054 amu) 1 C 151 H 1 17 O (09,0931 amu) b) dva načina razgradnje odgovaraju gubitak 8 amu nastali ioni (m/z = 180) slijede općenito pravilo radikal-kationa tipa CHO: 10
c) gubitak CO: m/z = 08,088 (1,000 + 15.9949) = 180,0939 gubirak C H : m/z = 08,088 (4,000 + 4,0313) = 180,0573 položaj desni pik odgovara ionu nastalom gubitkom CO C 14 H 1 ; lijevi pik odgovara molekulskoj formuli C 13 H 8 O d) razlučivanje: R = m / m m u sredini visine najvišeg pika odgovara približno 0,01 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: m/e 150 (M) 151 (M+1) 15 (M+) % 100 10, 0,88 molekulski ion (M) = 150 molekulska masa M+ ne dopušta prisutnost atoma sumpora ili halogena u tablicama se pronađu najbolje kombinacije za masu 150 i navedene vrijednosti M+1 i M+: dušikovo pravilo : M = parni broj nema dušika ili ima paran broj dušika M + neparni broj ima neparan broj dušika na temelju dušikovog pravila eliminiraju se formule s neparnim brojem dušikovih atoma najbolje odgovara: C 9 H 10 O ne može se eliminirati niti C 8 H 10 N O bez dodatne provjere 11
89. Maseni spektri izomera pentanola 90. Maseni spektar etil sec-butiletera 1
91. Maseni spektar metil kaprilata Razlučivanje R = m / m m = razlika masa dva susjedna vrška koji su upravo razlučeni m = 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 C H 4+, CH N +, N +, CO + (nominalna masa 8 daltona; točne mase 8.0313, 8,0187, 8,0061 odnosno 7,9949 daltona) zahtijeva razlučivanje od nekoliko tisuća ioni niskih molekulskih masa koji se razlikuju za 1 ili više, npr. NH 3+ (m = 17) i CH 4+ (m = 16) mogu se razlučiti uz razlučivanje manje od 50 13
analizator masa (magnetni sektor) 1 EK = zev = mv F M = Lorentzova sila B = jakost magnetnog polja E K = kinetička energija iona m = masa iona z = nabojni broj V = napon između ulazne i izlazne pukotine v = brzina iona poslije ubrzavanja e = naboj iona (e = 1,60 x 10-19 C) F M = Bzev mv F C = r F C = centripetalna sila (ravnotežna) r = polumjer zakrivljenja magnetnog sektora F M = F C.. preuređenje za v =, uvrštavanje v u E K.., konačan izraz: m B r e = z V 9. Koje je razlučivanje potrebno za odvajanje iona nominalne mase 8, a stvarnih masa 8.0313 (C H 4+ ) i 8.0187 (CH N + )? razlučivanje masenog spektrometra: m R = m m = prosječna masa ili nominalna (nazivna) masa (srednja vrijednost) m = razlika masa susjedna dva pika koji su upravo razlučeni račun: 8.0313 + 8.0187 m = = 8.050 m = 8.0313 8.0187 = 0.016 8.050 R = =. 10 0.016 3 14
93. Koji je akceleracijski potencijal potreban za usmjerenje jednostruko nabijene molekule vode kroz izlaznu pukotinu magnetnog masenog spektrometra, ukoliko magnet ima jakost polja 0.40 tesla, a polumjer zakrivljenja putanje iona kroz magnetno polje iznosi 1.7 cm? pretvorba u SI-sustav: osnovna formula: m B r e = z V naboj po ionu: polumjer: masa: ez = 1.6 10 19 r = 0. 17m C 18.0 gh O mol m = 10 3 6.0 10 H O mol 3 kg g magn. polje: B = 0.40T = 0.40W m račun: B r ez V = = m 19 [ 0.40W m ] [ 0.17m] [ 1.60 10 C].99 10 3 W C 3 =.49 10 =.49 10 V m kg 6 kg = 94. (a) Izračunajte kinetičku energiju koju postiže jednostruko nabijeni ion, ako je ubrzan potencijalom od 10 3 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: E k = e V V = naboj iona (1.6x10-19 C) račun: 19 3 16 E k = 1.6 10 C 10 V = 1.6 10 J b) Kinetička energija koju ion postiže u izvoru neovisna je o masi i ovisi samo o naboju i akceleracijskom potencijalu. c) Translacijska komponenta kinetičke energije iona funkcija je mase iona m i njegove brzine v, prema jednadžbi: Ek = 1 mv odnosno: E v = m k 1 Stoga, ako svi ioni postižu istu količinu E k, oni najveće mase moraju imati najmanju brzinu. 15
95. (a) Izračunajte energiju (u J/mol) koju postižu elektroni kao rezultat akceleracije potencijalom od 70 V. (b) Kakva je ta energija u usporedbi s onom tipične kemijske veze? a) E k pojedinačnog elektrona jednaka je umnošku naboja elektrona e i potencijala V kojim se akcelerira. Množenjem kinetičke energije jednog elektrona Avogadrovim brojem N dobije se energija po molu. račun: E k = = e V N = 19 ( 1.60 10 C e )( 70V ) 17 3 ( 1.1 10 CV e )( 6.0 10 e mol) = 6.7 10 6 J mol N = = b) Tipične energije veze nalaze se u području 10 10 3 J/mol. Zato elektron iz dijela a) ima najmanje 3 reda veličine veću energiju od one potrebne za prekidanje kemijske veze. 96. Magnetni sektor kućišta masenog spektrometra, zakrivljenja polumjera 5 cm, izložen je ionima. Akceleracijski napon se poveća na 5000 V. Maseni spektar snimljen je između 0-00 Da. Pretpostavlja se da svaki ion nosi jednostruki naboj (e = 1,6 x 10-19 C, 1 Da = 1,66 x 10-7 kg). Koje područje magnetnog polja treba primijeniti ukoliko se akceleracijski napon održava konstantnim? m e R B U 1 1 = B = ( U ) ( m e) / R M = 0 masenih jedinica B 0 = 0,18 T M = 00 masenih jedinica B 00 = 0,566 T omjer te dvije vrijednosti ograničuje polje: B 00 /B 0 = 10 = 3,16 16