Ćwiczenie 12

SPEKTOMETRIA MAS W POŁĄCZENIU Z CHROMATOGRAFIĄ GAZOWĄ
1. Spektrometry mas
Za ojca spektrometrii masowej uważa się J.J. Thomsona, który w 1913 r. rozdzielił izotopy
neonu przy pomocy spektrometru, który skonstruował dwa lata wcześniej. Od tej pory
spektrometry masowe ulegały ciągłym udoskonaleniom lecz główna zasada pozostała ta
sama: pomiar stosunku masy do ładunku jonów w fazie gazowej poprzez rozdział za pomocą
pola magnetycznego i/lub elektrycznego w warunkach niskiego ciśnienia.
W latach 70 metoda GC/MS zrewolucjonizowała analizę substancji lotnych a także nielotnych
przekształconych w lotne pochodne poprzez proces derywatyzacji. W połowie lat 80, kolejna
rewolucja umożliwiła zastosowanie technik MS do analizy związków takich jak białka,
oligosacharydy fosfolipidy, glukuroniany czy syntetyczne polimery o masie przekraczającej
100 00 daltonów. Dzięki rozwojowi tandemowej spektrometrii mas, można było uzyskać
informacje o mieszaninach związków naturalnych.
1.1
Analizatory
Podstawowym elementem spektrometru jest analizator, czyli ta część spektrometru gdzie
następuje rozdział jonów, powstałych we wcześniejszym elemencie spektrometru, nazwanym
źródłem jonów. W spektrometrach mas sprzęgniętych z chromatografem gazowym
najczęściej występują trzy rodzaje analizatorów oraz ich liczne modyfikacje:
 Analizator magnetyczny
 Analizator magneto-elektrostatyczny
 Analizator kwadrupolowy
Szczególnie popularny jest ten ostatni, który swą nazwę wziął od czterech prętów
o przekroju hiperbolicznym ułożonych precyzyjnie względem siebie Ryc.1
Ryc.1 Spektrometr kwadrupolowy składający się ze źródła jonów płytek ogniskujących, prętów
kwadrupola oraz detektora. U-Napięcie stałe, V-amplituda napięcia o częstotliwości radiowej
Jon „wypychany” ze źródła do analizatora kwadrupolowego poddawany jest działaniu pola
elektrycznego składającego się z kwadrupolowego pola zmiennego nałożonego na pole stałe,
co wynika z potencjałów przyłożonych do odpowiednich prętów. Jony o poszczególnych wartościach
masy do ładunku (m/z) są sortowane w zależności od napięcia. W zależności od wartości zmiennych
U oraz V jony o określonych wartościach m/z posiadają stabilną trajektorię przelotu wzdłuż osi
kwadrupola i trafiają do detektora pozostałe jony zastają rozładowane na prętach kwadrupola.
W analizatorach magnetycznych jony w fazie gazowej, przyspieszane są poprzez napięcie rzędu kV
i wpadają do analizatora magnetycznego. Odbywa to się w warunkach wysokiej próżni, więc
zderzenia z gazem obojętnym są mało prawdopodobne. Pole magnetyczne działające prostopadle do
osi po której podążają jony wytwarzane jest przez analizator o krzywiźnie r. Ponieważ wszystkie jony
maja taką samą energię kinetyczną zmieniając natężenie pola magnetycznego B prostopadłego do
wektora prędkości, można zaobserwować kolejno jony o różnych wartościach m/q. Jeżeli wartość
z=1, wówczas q=e i analizator magnetyczny dzieli jony o tej samej energii kinetyczne mv 2 względem
ich mas. Odmianą analizatora magnetycznego jest analizator dyspersyjny, gdzie zamiast zakrzywionej
rury jest prosty element a jony nie rozładowują się na zakrzywionym analizatorze tylko „wylatują”
z pola magnetycznego w różnych miejscach.
𝑚𝑣
2
= 2𝑞𝑉𝑠 𝑠𝑘ą𝑑
𝑚 𝑟 2 𝐵2
=
𝑣
2𝑉𝑠
gdzie: B-natężenie pola magnetycznego; m-masa jonu; v-prędkość jonu; r-krzywizna rury analizatora;
q-ładunek jonu; Vs-napięcie przyspieszające w źródle jonów
Analizator magneto-elektrostatyczny zbudowany jest podobnie jak magnetyczny, z tym, że za
sektorem magnetycznym (czasami przed nim) znajdują się dwie wygięte płyty metalowe, do których
przyłożone jest przeciwne napięcie elektryczne. Dzięki zastosowaniu tego elementu kompensowane
są różnice w energii kinetycznej jonów opuszczających źródło, wynikające z niejednorodności pola
w źródle oraz ze zjawiska rozkładu Boltzmana. Dzięki użyciu pola magnetycznego oraz elektrycznego,
można odróżnić jony o tej samej masie nominalnej np. 28 Da – N2 i CO. Rozdzielczość tego typu
analizatorów, które sprzęgnięte są z chromatografem gazowym, wynosi od 2000 do 10 000 i jest
znacznie większa niż rozdzielczość analizatorów kwadrupolowych, gdzie rozdzielczość jest ustawiona
na najmniejszą możliwą wartość i umożliwia rozróżnienie mas różniących się o 1 Da.
Pozycja piku określana jest wartością napięcia, która musi być przetworzona na wartości mas,
a precyzyjniej wartości m/z. Wymaga to wstępnej kalibracji za pomocą odnośników znanych
związków chemicznych jak PFK (perfluorokerosen-mieszanina perfluorowanych węglowodorów
nasyconych) lub PFTBA (heptakozafluorotributyloamina). Wartości mas dostarczane przez związek
kalibrujący są zapamiętywane przez komputer. Następnie, biorąc piki w widmie o znanych masach
za wzorcowe, ustalana jest zależność typu m=ax+b lub krzywoliniowa, która w razie potrzeby jest
poprawiana za pomocą innych pików o znanych masach, położonych w innej części widma.
1.2
Źródła jonów
Istnieje wiele technik jonizacji dostępnych w różnorakich typach spektrometrów masowych. Typy te
dzielą się jeszcze na podtypy w zależności od rozwiązań technicznych zastosowanych przez
poszczególnych producentów. Jednakże dla aparatów typu GC/MS wyróżniamy dwa rodzaje jonizacji:


Jonizacja elektronami (elektron impact, EI)
Jonizacja chemiczna (chemical ionization CI)
Ponieważ do jonizacji chemicznej potrzebna jest najpierw jonizacja elektronami, przeważnie źródła EI
mają jako opcje jonizację chemiczną.
Jonizacja elektronami (EI) polega na bombardowaniu cząsteczek wydostających się z chromatografu
gazowego elektronami, wytwarzanymi poprzez przyłożenie napięcia 70 V (czyli o energii 70 eV) do
żarnika wykonanego najczęściej z renu. Całość jonizacji odbywa się w warunkach wysokiej próżni
i wysokiej temperaturze (150-400 oC). Dzięki zastosowaniu próżni nie dochodzi do zderzeń pomiędzy
cząsteczkami oraz spalenia żarnika. Reakcje obserwowane w klasycznej spektrometrii mas są
fragmentacjami jednocząsteczkowymi. Rekombinacje fragmentów są niemożliwe dzięki utrzymaniu
wysokiej próżni. Reakcje zależą więc wyłącznie od budowy i energii wewnętrznej cząsteczki.
W wyniku jonizacji cząsteczki powstaje kationorodnik (jon o nieparzystej liczbie elektronów) zwany
jonem molekularnym oznaczany M•+. Jon molekularny ulega następnie fragmentacji na inny
kationorodnik i cząsteczkę obojętną lub kation i rodnik. Kationorodniki oraz kationy (jony) są
analizowane w analizatorze i mogą być wykryte przez detektor(fotopowielacz). Cząsteczki obojętne
są „niewidzialne” dla spektrometru MS. Jony dostarczają informacji o naturze i strukturze cząsteczki,
z której powstały w wyniku rozpadu. W widmie czystej substancji jon molekularny, o ile jest obecny,
będzie ostatni. Zakładając powstanie kationu jednododatniego, odpowiada on masie cząsteczkowej
substancji. Należy jednak pamiętać że zazwyczaj znajdują się wokół niego piki jonów izotopowych,
wynikające z obecności izotopów atomów wchodzących w skład cząsteczki. Tak więc, w widmie
metanolu można odnaleźć jon molekularny o masie 32 a za nim 33, wynikający z obecności węgla 13C
i intensywności 1,1% intensywnności piku o masie 32. Na widmie masowym masa jonu oraz
otaczające je masy wynikające z obecności izotopów stanowią tak zwany profil izotopowy jonu.
Jonizacja chemiczna (CI) różni się tym od EI, że źródło jonów pracuje w nieco wyższym ciśnieniu (0,5
Torr’a). Ciśnienie to wytwarzane jest przez gaz jonizujący: metan, amoniak, izobutan i inne.
Ze względu na przewagę liczebną żarnik strumieniem elektronów jonizuje najpierw wprowadzony
gaz. Zjonizowany gaz ulega następnie fragmentacji ale też ze względu na wyższe ciśnienie niż w
przypadku EI powstałe jony mogą ze sobą reagować jak pokazano to na ryc.2 na przykładzie metanu.
Ryc.2 Reakcje jonizacji, fragmentacji i wzajemnych reakcji metanu zjonizowanego elektronami.
W rezultacie otrzymujemy dwie stabilne w plazmie metanolowej (nie reagujące z metanem)
cząsteczki CH5+ oraz C2H5+ zwane jonami reagującymi. Są to silne kwasy wg teorii Bronsteda i są
zdolne do jonizowania większości związków poprzez przeniesienie protonu. Ten typ jonizacji zwany
jest miękką jonizacją, gdyż za jej pomocą można uzyskać jony molekularne [M-H]+ w przypadku
związków gdzie twarda jonizacja typu IE prowadziła do ich całkowitego rozpadu. Zamieniając gaz na
izobutan lub dodając amoniak do metanu możemy wytworzyć słabe kwasy typu t-C4H9+ który
dostarcza mniej energii do cząsteczki którą jonizuje (jonizacja „bardziej miękka”) lub NH4+, który
przenosi proton tylko na cząsteczki, które są bardziej zasadowe (mają większe powinowactwo
do protonu).
Jonizacja chemiczna jonów ujemnych zachodzi również podczas jonizacji chemicznej. We wszystkich
gazach reagujących obecne są niskoenergetyczne elektrony, pochodzące częściowo z katody o energii
obniżonej wskutek licznych zderzeń oraz elektrony wtórne wytworzone w pierwotnych reakcjach
jonizacji. Elektrony te mogą być wychwytywane przez cząsteczkę co prowadzi do powstania jonu
molekularnego M-•. Wyjątkiem są cząsteczki zawierające wiele atomów elektroujemnych lub takich,
których struktura umożliwia stabilizację anionorodnika przez rezonans. W niektórych przypadkach
czułość detekcji jest wyższa niż dla jonów dodatnich. Elektrony termiczne tj o energii niższej niż 1 eV
mogą powodować powstanie anionorodników. Elektrony o energii od 1-kilkuset eV zachowują się jak
fala i przekazują energię bez kolizji. Elektrony o jeszcze wyższych energiach powodują, że cząsteczki
staja się „przezroczyste”; wchodzimy tu w dziedzinę mikroskopii elektronowej.
Jony ujemne mogą powstawać również w reakcjach typu kwas-zasada z jonami plazmy gazu
reagującego lub przez tworzenie adduktów. W mieszaninie metanu i tlenku azotu (I) następuje
jonizacja prowadząca zarówno jonów ujemnych jak i dodatnich. Dzięki temu można tylko poprzez
zmianę trybu rejestracji aparatu obserwować jony ujemne jak i dodatnie bez konieczności zmiany
gazu.
Podczas jonizacji chemicznej wszystkie jony obecne w gazie reagującym są zdolne do tworzenia
połączeń z cząsteczkami polarnymi. Proces ten jest faworyzowany poprzez tworzenie wiązań
wodorowych. Aby addukt był trwały cząsteczka musi oddać nadmiar energii poprzez kolizję z trzecim
partnerem. Dlatego w widmach, zaobserwować możemy jony powstałe z asocjacji cząsteczki gazu,
fragmentacyjnego jonu potomnego, pozornego jonu molekularnego etc. Tak więc każdy jon obecny
w plazmie jest w stanie przyłączyć się do cząsteczki analizowanej substancji lub gazu jonizacyjnego.
Addukty mogą być przydatne przy potwierdzeniu masy cząsteczkowej lub być dowodem, że badana
próbka jest nierozdzieloną mieszaniną różnych substancji.
1.3
Detektory
Detekcja jonów które docierają z analizatora najczęściej dokonywana jest poprzez użycie
fotopowielacza. Rozróżniamy fotopowielacze z dynodą dyskretną oraz częściej z dynodą ciągłą. Typ
dyskretny fotopowielacza posiada szereg dynod połączonych łańcuchem oporników w ten sposób,
że pierwsza dynoda posiada wyższy ujemny potencjał niż następna. Elektrony emitowane przez
pierwsza dynodę są przyspieszane przez odpowiednio wysokie napięcie i powodują wielokrotną
emisję elektronów z drugiej dynody itd. Prowadzi to do efektu kaskadowego w wyniku którego na
końcu powstaje odpowiednio mocny sygnał rejestrowany przez komputer. Fotopowielacze typu
ciągłego różnią się tym, że posiadają ciągłą powyginaną powierzchnię wzdłuż której przeskakuje
napięcie. Gdy wykrywamy jony dodatnie na pierwszej dynodzie, w którą uderza jon ustawiamy
potencjał ujemny. W przypadku jonów ujemnych może to spowodować spowolnienie jonów przed
dotarciem do dynody. Problem ten rozwiązano umieszczając dynodę konwersyjną przed
fotopowielaczem. Jon ujemny uderza najpierw w dynodę konwersyjną z jej powierzchni emitowane
są jony dodatnie i elektrony które przyciągane są przez pierwszą ujemną dynodę.
1.4
Widma masowe
Widma masowe przedstawiane są najczęściej w układzie współrzędnych gdzie na osi rzędnej
umieszcza się intensywność (najczęściej względną) a na osi odciętych wartość m/z. W większości
instrumentów widma masowe uzyskane w wyniku jonizacji elektronami są na tyle podobne,
że możliwe jest użycie przy identyfikacji biblioteki widm - zdygitalizowanych widm masowych
związków, które porównywane są z otrzymanym widmem. Dzięki temu program komputerowy
wyrzuca propozycje związków, ułatwiając tym samym identyfikacje nieznanej substancji.
Interpretując widma masowe należy pamiętać, że mogą się na nim znaleźć nie tylko masy
analizowanego związku ale także masy związków pochodzące z fazy ciekłej kolumny, składniki
powietrza i inne związki stanowiące tzw. tło widma. W analizie jakościowej ważne jest, zarówno
umiejscowienie mas jak i ich intensywność. Suma wszystkich sygnałów stanowi tak zwany Całkowity
Prąd Jonowy (TIC-Total Ion Current), który tworzy chromatogram. Zbadanie widma w różnych
rejonach jednego piku chromatograficznego daje nam możliwość wykrycia nierozdzielonej
mieszaniny nawet w pozornie „dobrze wykształconym” piku chromatograficznym.
SIM oraz Full Scan –to dwa podstawowe typy skanowania mas w technikach GC/MS. SIM (Selected
Ion Monitoring) jest to tryb rejestrowania mas charakterystycznych dla danego związku. Analizator
poprzez zmianę napięć i częstotliwości przeskakuje w danym oknie czasowym tylko w obrębie
zadanych mas. Dzięki temu bez przerwy w obrębie określonego okna retencyjnego do fotopowielacza
dociera sygnał. Dzięki temu w przeciwieństwie do trybu Full Scan gdzie zadaje się zakres m/z i przez
większość czasu do fotopowielacza nie dociera żaden sygnał, w trybie SIM wielkość sygnału TIC jest
wielokrotnie większa. Dlatego też tryb Full Scan używamy w analizie jakościowej nieznanych
substancji, natomiast SIR w analizie ilościowej a szczególnie analizie śladowej. Dzięki zmniejszeniu
szumu tła oraz zwiększeniu sygnału właściwego piku zwiększamy znacznie czułość aparatu.
Teoretycznie w trybie SIM możemy analizować pikogramy substancji lecz w rzeczywistości efekt
matrycy znacznie zwiększa limit oznaczalności oraz wykrywalności.
1.5
Połączenie chromatografu gazowego ze spektrometrem masowym
W przeciwieństwie do chromatografów cieczowych, nie jest potrzebne użycie żadnych przejściowych
urządzeń zmniejszających objętość próbki. Obecnie spektrometry masowe sprzęgane są wyłączne
z wysokorozdzielczymi chromatografami gazowymi, zaopatrzonymi w kolumny kapilarne, gdzie
przepływ wynosi od 0,5 do kilku mililitrów gazu na minutę. Dlatego połączenie tych dwóch urządzeń
polega na umieszczeniu końca kolumny chromatograficznej bezpośrednio w źródle. Elementem
łączącym oba instrumenty jest ogrzewana metalowa rurka zwana „inlet line”. Cechą
charakterystyczną dla spektrometru masowego jako detektora chromatografu gazowego jest użycie
helu jako gazu nośnego i elementów uszczelniających kolumnę tzw. ferruli wykonanych z grafitu.
2
Analiza jakościowa
2.1
Reakcje fragmentacji
W rutynowej spektrometrii mas , przy jonizacji elektronami wszystkie procesy przebiegają w na tyle
wysokiej próżni, że zderzenia i wzajemne reakcje są mało prawdopodobne. Jon przebywa w źródle
10-6 - 10-7 sekundy i około dwa rzędy dłużej w analizatorze. Wzbudzenie elektronowe powoduje
oddanie energii w postaci promieniowania widzialnego lub UV w czasie około 10-8 sekundy.
Wzbudzenie poziomów rotacyjnych oraz oscylacyjnych wymaga czasu od milisekund do kilku sekund.
Problem polega więc na tym, że do izolowanych cząsteczek zostaje przekazany duży nadmiar energii.
W tej sytuacji traci sens pojecie temperatury jako statycznego rozdziału energii. Po kilku
mikrosekundach wszystko jest zakończone: reakcja zaszła lub nie i wykrywa się ewentualne produkty.
Reakcje w spektrometrii mas zależą tylko od budowy i energii wewnętrznej cząsteczki. Jonizacja
obojętnej cząsteczki wymaga minimalnego potencjału możliwego do zmierzenia nawet prostym
spektrometrem masowym. Należy zwiększać napięcie na żarniku stopniowo, tak długo aż pojawi się
jon macierzysty. Napięcie przy którym to nastąpi wyrażone w eV jest to minimalny potencjał
jonizacyjny cząsteczki. Jon fragmentacyjny pojawi się w widmie przy wartości potencjału, na którą
składa się energia jonizacji obojętnej cząsteczki, energia aktywacji i przesunięcie kinetyczne. Jon
molekularny ulegnie fragmentacji dopiero wtedy, gdy mu się dostarczy wystarczający do rozpadu
nadmiar energii, zwany progiem aktywacji.
2.2
Fragmentacje kationów nieparzystoelektronowych
Fragmentacja bez przegrupowania, czyli bez zachodzącego w strukturach cyklicznych rozerwania
parzystej liczby wiązań, prowadzi w tych jonach zawsze do powstania jonu parzystoelektronowego
i obojętnego rodnika .Wynika to z reguły parzystości:
Przy nieobecności azotu każdy jon o masie parzystej będzie miał nieparzystą liczbę elektronów
i będzie kationorodnikiem. Przeciwnie, każdy jon o masie nieparzystej będzie miał parzystą liczbę
elektronów i będzie kationem.
2.2.1
Dysocjacja bezpośrednia (σ) i rozerwanie wiązania przy heteroatomie (i)
Wybicie elektronu z wiązania σ może powodować jego bezpośrednie rozerwanie. Mówi się wtedy
o fragmentacji σ. Jeden z fragmentów zachowa ładunek, drugi zaś pozostanie rodnikiem ryc.3.
Ryc.3 Fragmentacja typu σ
Jest rzeczą oczywistą, że w przewadze będzie występował kation odpowiadający rodnikowi o niższym
potencjale jonizacji. W kationorodnikach ładunek rozproszony jest w obrębie całej cząsteczki, lecz
trzeba pamiętać, że w większym stopniu zlokalizowany jest na heteroatomach o niskim potencjale
jonizacji. Podczas opisywania reakcji fragmentacji ładunek umieszcza się w miejscu o najniższym
potencjale. Rozerwanie wiązania z dwoma heteroatomami zachodzi podobnie do bezpośredniej
dysocjacji, lecz następuje dopiero po jonizacji. Tutaj także ma zastosowanie reguła preferująca kation
o niższym potencjale jonizacji, jednak często obserwuje się, że nawet heteroatom o niskim potencjale
ma skłonność do przyłączania elektronu i tworzenia rodnika. Spowodowane to jest efektem
indukcyjnym. Taki rodzaj fragmentacji nazywamy rozerwaniem indukowanym i oznaczamy literą i.
2.2.2
Rozerwanie wiązania α
Fragmentacją α inicjowaną przez rodnik nazywamy rozerwanie kationorodnika w pozycji α przez
przeniesienie elektronu z tego wiązania ryc.4
Ryc.4 Fragmentacja α inicjowana przez rodnik. Strzałka w kształcie haczyka oznacza przeniesienie
pojedynczego elektronu
Jeżeli rodnik może powstać przez oderwanie różnych łańcuchów alkilowych, uprzywilejowana jest
utrata dłuższego łańcucha.
Ryc. 5 przedstawia podobną fragmentację, lecz tym razem inicjowana przez ładunek.
Ryc.5 Rozerwanie wiązania α inicjowane przez ładunek
2.2.3
Konkurencja między rozrywaniem wiązania przy heteroatomie i wiązania α
Rozerwanie wiązania przy heteroatomie zachodzi łatwiej im większy jest heteroatom. Dla atomów
o zbliżonej wielkości, rozerwaniu ulegnie atom bardziej elektroujemny. Rozpad wiązania α pozostaje
w przewadze dla donorów elektronów: Br,Cl<wiązanie π,S,O<N. Dlatego oderwanie rodnika X• przez
rozerwanie wiązania przy heteroatomie w chlorowcopochodnych zachodzi łatwo podczas gdy aminy
tracą rodnik poprzez rozerwanie wiązania α
2.2.4
Fragmentacja kationorodników z przegrupowaniem
Przegrupowania w spektrometrii mas są zmorą interpretacji widm. Niektóre z nich są powszechne
i dobrze opisane inne bardzo specyficzne. Najbardziej znane przegrupowanie McLafferty’go polega
na przeniesieniu atomu wodoru do miejsca lokalizacji kationorodnika przebiegając przez
sześcioczłonowy stan przejściowy (ryc.6). Po przegrupowaniu następuje fragmentacja indukowana
bądź przez rodnik bądź przez kation, w wyniku której w obu przypadkach powstają: nowy
kationorodnik i cząsteczka obojętna. Jeżeli związek nie zawiera azotu produkty te są łatwe do
odnalezienia w widmie masowym - jony o masie parzystej.
Ryc.6 Przegrupowanie z fragmentacją i widmo masowe heksan-2-onu.
2.3
Interpretacja widm
Pierwszą czynnością która powinno się wykonać podczas interpretacji widm masowych jest
odnalezienie jonu molekularnego. Jeżeli jon molekularny nie występuje w widmie należy go określić
metodą dedukcji poprzez poszukanie mas: M+1, M-1, M-15, M-18, M-19, M-20, M-26, M-27, M-28,
M-29, M-30, M-31, M-32, M-34, M-35, M-40, M-41, M-42, M-43, M-44, M-45, M-46 itd. Przy
interpretacji widm pomocna jest także reguła azotu która mówi, że masa cząsteczkowa jest zawsze
parzysta, jeżeli liczba atomów azotu w cząsteczce jest parzysta lub równa zero. Wynika to z faktu,
że azot jako jedyny z pospolicie występujących pierwiastków ma różną parzystość masy i liczby
elektronów walencyjnych. Należy pamiętać, że twierdzenie to jest prawdziwe, gdy rozważamy
główny izotop. W przypadku nieobecności w widmie jonu molekularnego należy pamiętać, że jon
molekularny musi posiadać największą ilość atomów każdego obecnego pierwiastka. Na przykład, gdy
jon o najwyższej masie posiada trzy atomy chloru a jon o niższej masie aż cztery do jonu o najwyższej
masie trzeba co najmniej dodać masę 35 Da. Jeżeli występuje intensywny pik molekularny, może to
świadczyć o obecności związku aromatycznego lub nienasyconym pierścieniu. Jeżeli nie jesteśmy
w żaden sposób w stanie określić jonu molekularnego pozostaje zastosowanie bardziej miękkiej
jonizacji jak np. jonizacja chemiczna.
Dużym ułatwieniem w interpretacji widm są dostępne w literaturze tabele z masami sugerującymi
fragmenty charakterystycznych związków. Dwa lub więcej jonów o charakterystycznych m/z
na jednym widmie masowym sugeruje rodzaj analizowanego związku. Na przykład obecność takich
jonów sugeruje występowanie następujących związków:
m/z
15, 29, 43, 57, 71,85,99: alifatyczne węglowodory
m/z
19, 31, 50, 69: perfluorowane związki organiczne
m/z
30, 44, 58: aminy
m/z
31, 45, 59: alkohole lub etery
m/z
39, 50, 51, 52, 63, 65, 76, 77, 91: aromatyczne węglowodory
m/z
41, 55, 69: nitryle alifatyczne
m/z
41, 55, 69: nienasycone węglowodory
m/z
41, 69: met akrylany
m/z
43, 58: ketony z grupą metylową
m/z
43, 87: dioctan glikolu
m/z
44, 42: (CH3)2N-
m/z
53, 80: pochodne pirolu
m/z
55, 99: diakrylan glikolu
m/z
59, 72: amidy
m/z
60, 73: kwasy organiczne
m/z
61, 89: związki siarkowe
m/z
74, 87: estry metylowe
m/z
76, 42, 61: (CH3)2NS-
m/z
89, 61: związki zwierające siarkę
m/z
86, 100, 114: diaminy
m/z
104, 91: alkilobenzen
m/z
104, 117: alkilobenzen
Przydatny może okazać się również rozkład izotopów najczęściej znajdujących się w związkach
organicznych. Rozkład taki przedstawiono w tabeli poniżej.
Izotop
12
C
13
C
32
S
34
S
35
Cl
37
Cl
79
Br
81
Br
Względna zawartość (%)
98,90
1,10
95,02
4,21
75,77
24,23
50,69
49,31
Masa (Da)
12,0000
13,0034
31,9721
33,9679
34,9689
36,9659
78,9183
80,9163
Tabela ta pokazuje że na każde 100 atomów 12C przypada 1,1% 13C. Analogicznie przedstawia to dla
siarki, chloru i bromu.
Załóżmy że zaobserwowaliśmy dwa piki w profilu izotopowym jonu molekularnego:
m/z:
78 = 100% [M]
79 = 6,6% [M +1]
6,6/1,1=6 atomów węgla (podzielono zaobserwowaną intensywność [M+1] przez intensywność
z tabeli 13C )
6x12 = 72 (pomnożono 6 atomów węgla przez masę monoizotopowego węgla)
78-72 = 6 atomów wodoru (odjęto od masy M otrzymana wartość 72)
Maksymalna ilość atomów węgla i wodoru wynosi 6, więc prawdopodobny wzór sumaryczny związku
to C6H6.
3
Analiza ilościowa
3.1
Metoda Powierzchni Piku
Metoda ta służy do wstępnego oszacowania stężenia składników mieszaniny. Metoda ta zakłada,
że procent powierzchni jest mniej więcej równy procentowi zawartości. Powierzchnia każdego piku
dzielona jst przez sumę powierzchni wszystkich pików.
𝐴 (100)
𝑥
Składnik 𝑋% = ∑𝑛𝑖=𝑛
𝑛=1
3.2
𝐴𝑛𝑖
Metoda Względnego Czynnika Odpowiedzi
Metoda Powierzchni Piku opisana wyżej może być użyta do oszacowania ilości składników
w mieszaninie wzorców wykorzystywanej w metodzie Względnego Czynnika Odpowiedzi. Istotne jest
aby stężenia wzorców były mniej więcej takie same jak w badanej próbce. Następnie należy
przydzielić do jednego ze składników czynnik (RF) o wartości 1,0. Ten składniki staje się odnośnikiem.
Czynnik odpowiedzi dla innych składników oblicza się ze wzoru
Gdzie: SAR jest powierzchnią piku referencyjnego, SAx jest powierzchnią składnika x, AR jest
powierzchnią AX to powierzchnia substancji badanej, WX ilość substancji badanej , WR to ilość
substancji referencyjnej.
Procentową zawartość badanej substancji obliczany ze wzoru:
3.3
Metoda wzorca wewnętrznego
Metoda powszechnie stosowana w metodach chromatograficznych. Spektrometria mas daje jednak
możliwość użycia jako wzorca wewnętrznego tej samej substancji co w oznaczanej mieszaninie tylko
znaczonej deuterem. Dobierając deuterowany wzorzec należy pamiętać, aby atomy deuteru
znajdowały się w pozycjach, które umożliwią później zidentyfikowanie ich w powstających
fragmentach. Metoda ta polega na dodaniu określonej ilości deuterowanego wzorca do próbki przed
czynnościami przygotowującymi ją do analizy (ekstrakcją, odparowywaniem, czy derywatyzacją).
Identyczne ilości wzorca dodawane są do roztworów wzorcowych służących do sporządzenia krzywej
wzorcowej. Po sporządzeniu krzywej wzorcowej, gdzie na osi rzędnej znajduje się powierzchnia
substancji wzorcowej podzielona przez powierzchnię wzorca wewnętrznego An/Ais, a na osi odciętej
ilość substancji wzorcowej do ilości wzorca wewnętrznego Wn/Wis odczytaną powierzchnię badanej
substancji również dzielimy przez powierzchnię wzorca wewnętrznego. Odczytujemy z krzywej
regresji, a dokładniej z równania regresji, wartość Wx/Wis. Konwersję zmierzonego stosunku ilości
badanej substancji do wzorca wewnętrznego przeprowadzamy poprzez pomnożenie tej wartości
przez ilość wzorca wewnętrznego. Dzięki zastosowaniu tej metody jesteśmy w stanie określić
rzeczywistą ilość badanej substancji bez względu na straty jakie mogą nastąpić podczas
przygotowania próbki do analizy. Odmianą metody wzorca wewnętrznego z użyciem deuterowanych
wzorców substancji badanych jest metoda rozcieńczeń izotopowych. Deuterowany odpowiednik
substancji nazywany jest czasem w literaturze izotopomerem.