Ισοτοπικές κορυφές ιοντικών θραυσμάτων στη Φασματομετρία Μαζών

 

Θεωρία

Η φασματομετρία μαζών βασίζεται στην παραγωγή δέσμης ιοντικών θραυσμάτων με βομβαρδισμό των εξεταζόμενων μορίων συνήθως με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Τα παραγόμενα θραύσματα στη συνέχεια διαχωρίζονται με εφαρμογή ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου ή με συνδυασμό και των δύο. Ο διαχωρισμός βασίζεται στον διαφορετικό λόγο μάζας-προς-φορτίο (m/z) κάθε ιοντικού θραυσματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα θραύσματα είναι μονοφορτισμένα (z=1) και για τον λόγο αυτό ο όρος "λόγος μάζα-προς-φορτίο"  αντικαθίσταται από τον πλέον εύχρηστο όρο μάζα.

Η ικανότητα ενός φασματομέτρου μαζών να διαφοροποιήσει το ένα ιοντικό θραύσμα από το άλλο συνήθως αναφέρεται ως "διαχωριστική  ικανότητα" (resolution), η οποία ορίζεται ως R = m/Dm. Dm είναι η διαφορά μαζών μεταξύ δύο μόλις διαχωριζόμενων κορυφών και m είναι η ονομαστική μάζα της πρώτης κορυφής. Π.χ. για να διακριθούν τα ιοντικά σωματίδια C2H4+ και CH2N+, που έχουν την ίδια ονομαστική μάζα (Μ=28), αλλά διαφορετικές ακριβείς μάζες (28,0313 και 28,0187, αντίστοιχα) απαιτείται όργανο με διαχωριστική ικανότητα τουλάχιστον R = 28/(28,0313-28,0187) 2200. Τα φθηνότερα φασματόμετρα μαζών με μικρή διαχωριστική ικανότητα (R 500-1000) μπορούν εύκολα να διακρίνουν απλά ιόντα (σχετικά μικρού μοριακού βάρους) διαφορετικής ονομαστικής μάζας.

 

Ισοτοπικές κορυφές

Ιοντικά θραύσματα του ίδιου χημικού τύπου συνήθως εκπροσωπούνται από πολλαπλές γειτονικές κορυφές διαφορετικής ονομαστικής μάζας, οι οποίες οφείλονται σε ιόντα διαφορετικής ισοτοπικής σύνθεσης. Η σχετική ένταση κάθε ισοτοπικής κορυφής εξαρτάται από τον χημικό τύπο του ιόντος και τη φυσική ισοτοπική σύσταση κάθε στοιχείου. Για παράδειγμα το ιόν CH3+ αποδίδεται από κορυφές με ονομαστική μάζα 15 (για το "ελαφρύτερο" ιόν 12C1H3+) έως και 19 (για το "βαρύτερο" ιόν 13C2H3+). Η επί τοις εκατό ισοτοπική αφθονία (isotopic abundance) για τον C είναι 98,90% 12C - 1,10% 13C και για το Η είναι 99,985% 1H - 0,015% 2H, οπότε η εντονότερη κορυφή M=15 οφείλεται στο πλέον άφθονο 12C1H3+. H επόμενη σε ένταση κορυφή M+1=16 (πολύ μικρότερη σε σχέση με την κορυφή Μ), οφείλεται στα ιόντα 13C1H3+ και 12C1H22H+, ενώ η κορυφή M+4=19, που οφείλεται στο 13C2H3+, έχει μηδαμινό ύψος λόγω της εξαιρετικά μικρής πιθανότητας να βρεθούν όλα τα "βαριά" ισότοπα στο ίδιο ιοντικό θραύσμα.

Στο επόμενο σχήμα δείχνεται πώς πραγματοποιείται ο ακριβής (δηλ. χωρίς προσεγγίσεις) υπολογισμός για το ιοντικό θραύσμα CH2Cl+, λαμβάνοντας υπόψη τις ισοτοπικές αφθονίες των C, H και Cl (75,77% 35Cl και 24,23% 37Cl).

Η ένταση κάθε κορυφής (από M έως M+5) είναι ανάλογη προς την πιθανότητα εμφάνισης κάθε μάζας. Η πιθανότητα αυτή είναι το άθροισμα των πιθανοτήτων εμφάνισης όλων των συνδυασμών που οδηγούν στην ίδια τιμή ονομαστικής μάζας. Η εντονότερη κορυφή ονομάζεται "βασική κορυφή" (base peak) και οι υπόλοιπες κορυφές εκφράζονται ως επί τοις εκατό (%) τιμές της βασικής κορυφής (μπλε αριθμοί στο σχήμα). Συνήθως η βασική κορυφή αντιστοιχεί στο ισοτοπικά "ελαφρύτερο" ιόν, εκτός αν το θραύσμα περιέχει άτομα στοιχείων (όπως τα B, Fe, Se, Hg), των οποίων τα πλέον άφθονα ισότοπα είναι εκείνα με μεγαλύτερη μάζα.

Η σχετική ένταση των ισοτοπικών κορυφών (όπως και το γενικότερο σχηματόγραμμά τους) αποτελεί χρήσιμο μέσο ταυτοποίησης ιοντικών θραυσμάτων της ίδιας ονομαστικής μάζας, που δεν μπορούν να διαχωρισθούν παραπέρα με φασματογράφο μαζών χαμηλής διαχωριστικής ικανότητας. Για παράδειγμα οι σχετικές εντάσεις της κορυφής Μ+1 των ιοντικών θραυσμάτων N2+, CO+, CH2N+, and C2H4+ (όλα έχουν την ίδια ονομαστική μάζα: M=28) είναι: 0,74%, 1,15%, 1,51% και 2,28%, αντίστοιχα. Έτσι, δύο κορυφές σε M=28 και M+1=29 με λόγο εντάσεων 100:1,51 μπορούν με ασφάλεια να αποδοθούν στο ιόν CH2N+.

 

Applet

Με αυτό το εύχρηστο applet μπορείτε να λάβετε τις σχετικές εντάσεις ισοτοπικών κορυφών ιοντικών θραυσμάτων και να παρατηρήσετε τον αναμενόμενο σχηματόγραμμα κορυφών στο φάσμα μαζών. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν 18 διαφορετικά στοιχεία, ενώ τα θραύσματα μπορούν να αποτελούνται  από 1 έως και 15 άτομα.

Για να παρατηρήσετε αυτά τα δεδομένα για θα πρέπει να εισάγετε τον εμπειρικό τύπο του θραύσματος κτυπώντας (με το ποντίκι) τα πλήκτρα των αντίστοιχων ατόμων, τόσες φορές όσες εμφανίζονται στο θραύσμα και στη συνέχεια κτυπώντας το πλήκτρο "CALCULATE". Χρησιμοποιήστε το πλήκτρο "CLEAR" για να σβήσετε ένα εμπειρικό τύπο, πριν εισάγετε τον επόμενο.

Τα αριθμητικά αποτελέσματα μπορούν να εκφρασθούν ως % τιμές της βασικής κορυφής ("% Base Peak"), που αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο τρόπο έκφρασης, ή ως % αφθονία ("% Abundance"). Επιλέξτε τον τρόπο έκφρασης μέσω του αντίστοιχου ραδιοπλήκτρου.

Οι υπολογισμοί είναι ακριβείς και μπορεί να χρειαστεί κάποιος χρόνος ιδιαίτερα σε περιπτώσεις ιοντικών θραυσμάτων με πολλά άτομα στοιχείων αποτελούμενων από πολλά ισότοπα, όπως είναι τα: Se, Hg και Zn. Η φυσική ισοτοπική αφθονία κάθε στοιχείου μπορεί να διαπιστωθεί εύκολα εισάγοντας ως ιοντικό θραύσμα ένα και μόνο άτομο του εξεταζόμενου στοιχείου.

Οι φυσικές ισοτοπικές αφθονίες των στοιχείων ελήφθησαν από το: J. Emsley: "The Elements", 3rd ed., Oxford University Press, 1998.

 

ΠΡΟΣΟΧΗ:  

Αν το applet δεν "παίζει" κάνετε κλικ εδώ.

Αν το applet δεν φαίνεται κάνετε κλικ εδώ.

Για μια πλήρη λίστα των applet κάνετε κλικ εδώ.

Υπεύθυνος σελίδας: Καθ. Κωνσταντίνος Η. Ευσταθίου