Masių spektrometrija, jonizacija ir fragmentacija

Detektorius stebi apibrėžtu procesu susidariusį joną

Masių spektrometrijoje sukuriami ir stebimi jonai. Jonizacija elektronais, jonizacija elektropurškimu ir kiti jonizacijos procesai turi skirtingus mechanizmus ir gali sukurti skirtingas krūvio būsenas, aduktus ar fragmentus. Pradinės neutralios medžiagos ir aptikto jono formulė, krūvis ar masė nebūtinai sutampa.

Čia naudojamai spektro ašies konvencijai apibrėžkite ξ=(m_ion/u)/|z|, kur m_ion yra jono masė, u – unifikuotas atominės masės vienetas, o z – krūvio skaičius su ženklu. Ašies vertė yra bedimensė, masę sunorminus pagal u ir padalijus iš krūvio skaičiaus modulio. Naudojant įprastą „m/z“ žymėjimą, būtina suprasti šią konvenciją; dalijant iš z su ženklu, neigiamasis jonas klaidingai atsidurtų neigiamoje masės ašies dalyje.

Istorinė terminija gali skirtis. Senesniame Gold Book įraše vartota masės skaičiaus sąvoka, o 2013 IUPAC rekomendacija ašį apibrėžia per jono masę/u ir absoliutųjį krūvio skaičių. Masės skaičius yra sveikasis nukleonų skaičius; šiuose skaičiavimuose jis neturėtų pakeisti nurodytos nuo izotopų priklausančios jono masės. Tikslioji masė apskaičiuojama nurodytiems izotopams, o tiksliai išmatuota masė reiškia matavimo rezultatą.

Adukto ir krūvio priskyrimas lemia išvadą apie neutraliąją masę

Išgalvotai neutraliai dalelei M priskirta masė 1000.00000 u. Aiškiai adityviajame masės modelyje naudokite suapvalintą protono masę 1.00728 u. Nurodyto [M+H]⁺ jono masė yra 1001.00728 u ir ξ=1001.00728. Nurodyto [M+2H]²⁺ jono masė yra 1002.01456 u ir ξ=501.00728.

Antrasis jonas yra sunkesnis už pirmąjį, nors jo ašies vertė yra maždaug perpus mažesnė. Atvirkštinis skaičiavimas, priskyrus dvigubą krūvį, duoda neutraliąją masę |z|ξ u−2m_proton=1000.00000 u. Jis remiasi nurodytu aduktu ir krūviu, o ne vien ašies padėtimi. Protono prijungimas skiriasi nuo neutralaus vandenilio atomo prijungimo; pastarasis turi ir elektroną.

Nurodykite dirbtinį izotopinės masės prieaugį 1.0034 u. Atitinkamas atstumas ašyje yra 1.0034 viengubo krūvio jonui ir 0.5017 dvigubo krūvio jonui. Pradiniai duomenys yra hipotetiniai ir suapvalinti, o adityviajame modelyje neįtrauktos masės pataisos dėl ryšio energijos. Krūvio bei adukto priskyrimui ir bet kokiai tikrai izotopinei interpretacijai reikia atskirų įrodymų.

Siauresnė smailė nepašalina jos centro paklaidos

Pateikdami skiriamosios gebos vertę, nurodykite pločio kriterijų. Čia skiriamąją gebą pagal FWHM apibrėžkite kaip R_FWHM=ξ/Δξ_FWHM, naudodami visą plotį pusės maksimumo aukštyje nurodytoje ašies padėtyje. Kitas smailės pločio ar slėnio kriterijus yra kita konvencija, kurios negalima universaliai perskaičiuoti be tinkamo smailės modelio.

Duota hipotetinė ξ=500 ir FWHM 0.0250. Tuomet R_FWHM=20000. Atskirai tarkime, kad mokomajame matavimo pavyzdyje smailės centras yra 500.005, o žinoma etaloninė vertė yra 500.000. Santykinė centro paklaida su ženklu yra 10⁶(500.005−500.000)/500.000=+10.0 ppm. Tai išgalvoti pradiniai duomenys, o ne prietaiso veiksmingumo bandymas.

Sumažinus FWHM perpus iki 0.0125, R_FWHM padvigubėja iki 40000, tačiau palikus tą patį smailės centrą, +10.0 ppm paklaida nekinta. Glaudumas, kalibravimas, paklaida, smailės plotis ir dviejų skirtingų jonų atskyrimas yra susiję praktiniai klausimai, turintys skirtingas apibrėžtis. Vien pločio vertė negarantuoja vienintelės formulės ar galimybės atskirti dvi smailes.

Izotopiniam profiliui reikia tikimybių ir atsako prielaidų

Naudokite išgalvotą pozicijos žymenį X, kuris nereiškia tikro cheminio elemento. Nurodytos dvi nepriklausomos X pozicijos, kurių kiekvienos lengvosios būsenos tikimybė yra 0.750, o sunkiosios – 0.250, ir nurodytas sunkiosios būsenos masės prieaugis 2.00 u. Tarkime, visų gaunamų formų detektoriaus atsakas vienai dalelei vienodas, o krūvio modulis lygus vienetui.

Sugrupuotos nulio, vienos ir dviejų sunkiųjų pozicijų tikimybės yra (0.75)²=0.5625, 2×0.75×0.25=0.3750 ir (0.25)²=0.0625. Jų suma lygi vienetui, o santykis yra 9:6:1 esant nurodytiems masės poslinkiams 0, 2 ir 4 u. Vidurinė grupė apima du skirtingus pozicijų priskyrimus: lengvoji–sunkioji ir sunkioji–lengvoji.

Tikėtinas sunkiųjų pozicijų skaičius yra 2×0.25=0.500. Grafike parodytas šis dirbtinis tikimybių skirstinys pagal sunkiųjų pozicijų skaičių, o ne tikras masių spektras ar išmatuoti izotopų intensyvumai. Jame nepriskiriamas chloras, bromas ar kitas natūralusis izotopų gausis ir negalima vienareikšmiškai nustatyti tikros molekulės.

Tvermė būtina, tačiau ji nepatvirtina fragmentacijos kelio

Formaliąją suminę lygtį galima patikrinti neteigiant, kad ji stebima. Pasirinkite pradinį radikalkatijoną C₃H₆O⁺• ir produktus C₂H₃O⁺ bei neutralų metilo radikalą CH₃•. Pasirinkta suminė lygtis išsaugo C, H ir O atomus bei bendrą krūvį +1.

Naudojant nurodytas nominaliąsias atomų mases C=12, H=1 ir O=16, nominaliosios masės yra 58, 43 ir 15, o 58=43+15. Elektronų skaičiai, apskaičiuoti pagal atominius skaičius ir krūvį, yra 31 pradiniam jonui, 22 įkrautam produktui ir 9 neutraliam radikalui, taigi balansas vėl tenkinamas. Pradinis jonas su nelyginiu elektronų skaičiumi dera su šiais pasirinktais lyginio elektronų skaičiaus ir radikaliniu produktais.

Tai formalieji dalelių ir nominaliųjų masių balansai. Jie neparodo išmatuotos smailės, tikro fragmentacijos mechanizmo, vyraujančio kanalo, visos reakcijos ar tiksliai išmatuotos / vidutinės masės rezultato. Gali egzistuoti alternatyvios subalansuotos suminės lygtys. Tikram keliui nustatyti reikia cheminio konteksto ir stebimų papildomų įrodymų.

Tikėtiną priskyrimą vis tiek reikia atskirti nuo alternatyvų

Ašies vertė, izotopinis profilis ar fragmentas gali apriboti priskyrimą, tačiau izomerams ir alternatyvioms jonų formoms kai kurie stebiniai gali būti bendri. Mėginio paruošimą, atskyrimą, jonizaciją ir atsaką reikėtų susieti su chemine dalele ir pateikiamu dydžiu.

Derinkite tinkamus kalibruotus matavimus ir etalonus, išlaikydami neapibrėžtį bei neatmestus kandidatus. Šioje pamokoje naudojamos hipotetinės masės ir tikimybės bei pasirinkti formalieji formulių balansai; į ją neperkeliami etaloniniai spektrai, darbo nuostatos ar matavimais nustatyta struktūrinė tapatybė.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Priskirkite [M+3H]³⁺, naudodami tas pačias neutraliąją bei protono mases ir izotopinį prieaugį. Raskite ašies vertę ir izotopinį atstumą ašyje.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   334.340613 ir 0.334466667.

   Jono masė yra 1003.02184 u; jo masę/u ir 1.0034 prieaugį padalykite iš krūvio modulio, lygaus trims.

2. Palikite hipotetinį smailės centrą 500.005 ir etaloninę vertę 500.000, tačiau sumažinkite FWHM perpus iki 0.0125. Kas pasikeičia ir kas lieka pastovu?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   R_FWHM tampa 40000; smailės centro paklaida su ženklu išlieka +10.0 ppm.

   Siauresnis plotis pakeičia pločiu pagrįstą santykį, o nekintantis skirtumas nuo etaloninės vertės palieka santykinę paklaidą tokią pačią.

3. Naudokite vieną išgalvotą X poziciją su ta pačia sunkiosios būsenos tikimybe 0.250. Pateikite dvi grupių tikimybes ir nurodytus masės poslinkius.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   0.750 ir 0.250, santykis 3:1, esant poslinkiams 0 ir 2 u.

   Vienos pozicijos galimybės apima visus atvejus; dviejų pozicijų binominis kartotinumas nebetaikomas.

4. Ar formalusis H₂O atskilimas nuo C₃H₆O⁺• gali išsaugoti atomus, krūvį ir elektronus? Įvardykite likusį joną ir nominaliąją masę, tada nurodykite išvados ribą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   C₃H₄⁺• su nominaliąja mase 40 ir H₂O su 18; balansas tenkinamas, tačiau vyksmas neįrodytas.

   Atomai ir +1 krūvis išlieka; elektronų skaičių balansas 31=21+10 taip pat tenkinamas. Subalansuota alternatyva nėra stebimas kelias.

Ką verta įsidėmėti

• Nurodykite aptiktą joną, aduktą ir krūvį.
• Pagal deklaruotą ašies konvenciją normuokite jono masę pagal u ir dalykite iš absoliučiojo krūvio skaičiaus.
• Kartu su skiriamąja geba pateikite jos pločio kriterijų ir padėtį.
• Izotopiniam modeliui reikia nurodytų tikimybių ir atsako prielaidų.
• Formalioji atomų ir elektronų tvermė nepatvirtina stebimos fragmentacijos.