PODSTAWY INTERPRETACJI
WIDM MASOWYCH
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
1. Ustalanie masy czÄ…steczkowej
Metody:
" widmo EI 70 eV i np. 12 eV;
" Å‚agodne metody jonizacji (FAB, LSIMS, CI, ESI,
APCI, MALDI, FI) w celu otrzymania jonu
molekularnego.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
TERMINOLOGIA
Jon molekularny: jon o masie równej masie cząsteczkowej
badanego związku (z dokładnością do masy elektronu)
powstajÄ…cy w wyniku oderwania lub (znacznie rzadziej)
przyłączenia elektronu przez cząsteczkę.
Jon pseudomolekularny, quasimolekularny lub jon typu
jonu molekularnego: jon powstajÄ…cy w wyniku
przyłączenia prostego jonu (najczęściej H+, Na+, Cl-) do
czÄ…steczki badanego zwiÄ…zku lub oderwania jonu H+ od tej
czÄ…steczki. Obecnie zaleca siÄ™ stosowanie nazw typu:
protonowana czÄ…steczka, deprotonowana czÄ…steczka itp.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Copyright © 2005
 REGUA
A AZOTOWA
Witold Danikiewicz
Parzysta liczba atomów azotu =
= parzysta masa czÄ…steczkowa (nominalna)
Nieparzysta liczba atomów azotu =
= nieparzysta masa czÄ…steczkowa (nominalna)
W spektrometrii mas dotyczy jonów nieparzystoelektronowych.
Dla jonów parzystoelektronowych jest na odwrót.
Jony parzystoelektronowe: M + H+, M  H+, M + Na+, M + Cl- itp.
 powstajÄ… w wyniku jonizacji ESI, APCI, MALDI
Jony nieparzystoelektronowe: M+"  powstajÄ… w wyniku jonizacji EI
i FI
LICZBA MIEJSC NIENASYCENIA
Dla czÄ…steczki o wzorze CxHyNzOn liczba
miejsc nienasycenia N wynosi:
1 1
N = x - y + z +1
2 2
Ogólniej: typ x: C, Si
typ y: H, F, Cl, Br, I
typ z: N, P
typ n: O, S
Dla cząsteczek obojętnych i kationo- lub anionorodników
liczba miejsc nienasycenia musi być całkowita i dodatnia
lub równa 0.
Dla jonów parzystoelektronowych  ułamkowa i nie
mniejsza niż  0.5.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Warunki, które musi spełnić jon molekularny w
widmie EI (konieczne, ale nie wystarczajÄ…ce)
1. Musi być jonem o najwyższej masie w danym widmie
(z uwzględnieniem jonów izotopowych).
2. Musi być jonem nieparzystoelektronowym, czyli
odpowiadający mu wzór sumaryczny musi spełniać
 regułę azotową .
3. Masy najbliższych mu jonów fragmentacyjnych (czyli
fragmentów o najwyższych masach) muszą dać się
wyjaśnić utratą fragmentów obojętnych (cząsteczek lub
rodników) o logicznych masach.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Warunki, które musi spełnić jon pseudomolekularny
w widmie LSIMS, ESI lub APCI
1. Musi być jonem parzystoelektronowym, a odpowiadający mu wzór
sumaryczny musi spełniać regułę azotową po odjęciu lub dodaniu jonu
odpowiedzialnego za jonizację (najczęściej H+, Na+, Cl- itp.).
2. Jego masa musi umożliwić wyjaśnienie obecności ewentualnych klasterów
typu (nM+ Kat)+, (nM Kat) lub (nM+ A) , a także klasterów z matrycą
(w LSIMS) lub rozpuszczalnikiem (w ESI).
3. Jego masa musi być zgodna z masami obserwowanych jonów
naładowanych wielokrotnie (w ESI, czasem także w LSIMS).
4. W większości przypadków zakwaszenie próbki powinno spowodować
wzrost intensywności jonu M + H+, a dodanie soli sodowej  jonu M + Na+.
5. W przypadku próbek o charakterze amfoterycznym (np. peptydy) dodatni
jon pseudomolekularny powinien mieć masę o dwie jednostki większą niż
ujemny jon pseudomolekularny (dotyczy jonów M + H+ i M  H+).
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
88
Zależność wyglądu
widma EI octanu
M+"
etylu od energii
70
elektronów
61
43
O
H3C C
O CH2 CH3
M = 88
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
PROFILE IZOTOPOWE JONÓW W FUNKCJI ICH MASY
C3H7NO2 C6H12N2O3 C15H33N5O9 C30H68N10O19 C60H138N20O39 C150H348N50O99
89 160 427 872 1762 4432
89.05 160.09 427.23 872.47 1762.94 4434.37
89.09 160.17 427.43 89.93 1763.87 4436.69
Masa nominalna Masa monoizotopowa Masa średnia
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Przykład widma związku cynoorganicznego
Sn,10
111.90482300, 0.95, 1
113.90278100, 0.65, 1
114.90334410, 0.34, 1
115.90174350, 14.24, 1
116.90295360, 7.57, 1
117.90160660, 24.01, 1
118.90331020, 8.58, 1
119.90219900, 32.97, 1
121.90344000, 4.71, 1
123.90527100, 5.98, 1
Sn
M = 236
M+"
Witold Danikiewicz
Copyright © 2005
Widmo ESI związku o małej cząsteczce
(M = 397, MeOH, jony dodatnie)
Spec #1[BP = 817.4, 2132] 2M + Na+
817.3
2132
100
90
Ph O
80
N O Ph
70
M + Na+
O
M + H+
420.2
OH
60
398.2
818.4
M = 397
50
40
M + K+
30
436.2
20
616.3
819.4
623.7
10
0 0
300 420 540 660 780 900
Mass (m/z)
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
% Intensity
Widma ESI aldehydu o M = 269 Da w MeOH i EtOH
Mariner Spec /27:32 (T /1.39:1.82) ASC[BP = 324.1, 611]
324.1
611.2
100
Widmo w MeOH
M + MeOH + Na+
90
80
Aldehydy
70
często tworzą 60
50
hydraty i
M + MeOH + H+
40
hemiacetale:
M + H2O + Na+
302.2
30
M + H+ M + Na+
20
325.1
310.1
O
10
173.1 292.1
217.1
270.1
349.2
325.5
239.2
0 0
R' OH
+
R
150 200 250 300 350 400
Mass (m/z)
H
Mariner Spec /7:26 (T /0.38:2.00) ASC[BP = 338.2, 355]
O
H
338.2
354.9
100
R OR'
Widmo w EtOH
M + EtOH + Na+
90
H 80
70
60
50
40
M + H2O + Na+
30
M + Na+
20
10
339.2
310.1
Copyright © 2005 185.1 292.1
217.1
0 0
150 200 250 300 350 400
Mass (m/z)
Witold Danikiewicz
% Intensity
% Intensity
Widma ESI trietylenotetraminy w różnych rozpuszczalnikach
Mariner Spec /9:18 (T /0.42:0.88) ASC[BP = 147.1, 4623]
H
147.1
4622.6
100
Widmo w MeOH
N NH2
M + H+
90
H2N N
80
H
70
60
50
Aminy mogą reagować
40
z formaldehydem
30
(powstajÄ…cym w wyniku
20
anodowego utleniania
M + Na+
10
metanolu), dajÄ…c
190.2
169.1
130.1
0 0
kationy imoniowe:
50 90 130 170 210 250
Mass (m/z)
H O
Mariner Spec /2:42 (T /0.05:2.13) ASC[BP = 147.1, 26]
+
N C
147.1
25.9
100
R R H H
Widmo w
M + H+
90
MeOH/H2O/NaOAc
80
159.1
CH2
CH2OH
+ H+
70
M + CH2O - H2O + H+
N+
60
N
- H2O
R R
R R
50
formalnie: [M + CH]+
40
30
Taka reakcja jest dość
20
rzadko spotykana w
10
ESI, ale trzeba siÄ™ z niÄ…
0 0
liczyć. 50 90 130 170 210 250
Mass (m/z)
% Intensity
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
% Intensity
2. Jaki jest skład elementarny związku (wzór
sumaryczny)?
Metody:
" dokładny pomiar masy jonu molekularnego lub
peudomolekularnego i komputerowe dopasowanie
możliwych składów elementarnych;
" badanie profilu izotopowego.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Dokładne masy atomowe i składy izotopowe
najlżejszych pierwiastków
H, 2 Al, 1
N, 2
1.00782504, 99.985 26.98154130, 100.0
14.00307401, 99.635
2.01410179, 0.015
15.00010898, 0.365
Si, 3
He, 2
O, 3
27.97692840, 92.18
3.01602930, 0.00013 28.97649640, 4.71
15.99491464, 99.759
4.00260325, 99.99987 29.97377170, 3.12
16.99913060, 0.037
17.99915939, 0.204
Li, 2 P, 1
F, 1
6.01512320, 7.52 30.97376340, 100.0
7.01600450, 92.48
18.99840325, 100.0
S, 4
Ne, 3
Be, 1
31.97207180, 95.018
19.99243910, 90.92
9.01218250, 100.0 32.97145910, 0.750
20.99384530, 0.257
33.96786774, 4.215
B, 2
21.99138370, 8.82
35.96707900, 0.107
10.01293800, 18.98
Na, 1
Cl, 2
11.00930530, 81.02
22.98976970, 100.0
34.96885273, 75.4
C, 2
36.96590262, 24.6
Mg, 3
12.00000000, 98.892
23.98504500, 78.60
13.00335484, 1.108
Copyright © 2005
24.98583920, 10.11
25.98259540, 11.29
Witold Danikiewicz
Definicje zdolności rozdzielczej spektrometru mas
M
M
FWHM =
R10% =
"M
"M
"M
h
h
"M
0,5 h
0,1 h
0,05 h
M
M
Szerokość połówkowa
10%-owa dolina (R10%)
(FWHM  Full Width
- odpowiada szerokości
na poziomie 5%
at Half Maximum)
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Wpływ definicji zdolności rozdzielczej spektrometru
na wyglÄ…d widma
R10% FWHM
Widma dla takiej samej nominalnie rozdzielczości
R10% i FWHM
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Przykład wymagań dotyczących rozdzielczości
niezbędnej dla rozróżnienia pików
M "M R
CO 27,9949
0,0113 2478
N2 28,0062
0,0250 1120
C2H4 28,0312
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Wpływ zdolności rozdzielczej spektrometru
na wyglÄ…d widma
100
80
R = 10 000
60
40
20
0
100
80
R = 5 000
60
40
20
0
100
R = 3 000
80
60
40
20
0
M1=100,00 M2=100,02
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Wpływ masy jonów przy stałej różnicy masy
i rozdzielczości na wygląd widma
100
M = 100
80
R = 10 000
60 "M = 0,02
40
20
0
100
M = 200
80
"M = 0,02
R = 10 000
60
40
20
0
100
80 M = 350
R = 10 000
60 "M = 0,02
40
20
0
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Dokładny pomiar masy - wymagania
Ważne:
Dokładny pomiar masy nie zastępuje analizy elementarnej, ponieważ
nie dostarcza informacji o czystości próbki. Pozwala jedynie na
stwierdzenie, że w widmie masowym badanej próbki znajduje się pik
pochodzący od jonu o masie odpowiadającej założonemu wzorowi
sumarycznemu. Czystość związku należy udowodnić w inny sposób.
Wymagania większości czasopism odnośnie
dokładnych pomiarów masy są następujące:
1. Pomiar musi dotyczyć jonu molekularnego lub
pseudomolekularnego (a nie jonów fragmentacyjnych).
2. Dokładność pomiaru powinna wynosić 5 ppm
(w niektórych czasopismach dopuszcza się 10 ppm,
zwłaszcza dla wyższych mas).
3. Można mierzyć masy nie przekraczające 800 u.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Wpływ dokładności pomiaru masy na liczbę
możliwych wzorów sumarycznych
Elements: C12:20 H1:30 N14:4 O16:6 S32:l
Tolerance window: 2 mmu (ok. 8 ppm)
Mass Deviation Formula
(u) (mmu)
260.08306 .0 C:10 H:16 N:2 O:4 S:l
-.7 C:16 H:10 N:3 O:l S:0
.7 C:18 H:12 N:0 O:2 S:0
Elements: C12:20 H1:30 N14:4 O16:6 S32:l
Tolerance window: 5 mmu (ok. 19 ppm)
Mass Deviation Formula
(u) (mmu)
260.08306 -4.0 C:5 H:16 N:4 O:6 S:l
.0 C:10 H:16 N:2 O:4 S:l
-3.4 C:13 H:12 N:2 O:4 S:0
2.7 C:13 H:14 N:3 O:1 S:l
4.0 C:15 H:16 N:0 O:2 S:l
-.7 C:16 H:10 N:3 O:1 S:0
.7 C:18 H:12 N:0 O:2 S:0
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Elements: C12:12 H1:30 N14:4 O16:4 S32:l
Tolerance window: 5 mmu
Mass Deviation Formula
(u) (mmu)
Wpływ wyboru
260.08306 .0 C:10 H:16 N:2 O:4 S:l
pierwiastków na
Elements: C12:16 H1:30 N14:4 O16:4 S32:l
Tolerance window: 5 mmu
liczbę możliwych
Mass Deviation Formula
wzorów
(u) (mmu)
260.08306 .0 C:10 H:16 N:2 O:4 S:l
sumarycznych
-3.4 C:13 H:12 N:2 O:4 S:0
2.7 C:13 H:14 N:3 O:1 S:l
4.0 C:15 H:16 N:0 O:2 S:l
-.7 C:16 H:10 N:3 O:1 S:0
Elements: C12:16 H1:30 N14:4 O16:4
Tolerance window: 5 mmu
Mass Deviation Formula
(u) (mmu)
260.08306 -3.4 C:13 H:12 N:2 O:4
-.7 C:16 H:10 N:3 O:1
Elements: C12:20 H1:20 O16:2 S32:l
Tolerance window: 5 mmu
Mass Deviation Formula
(u) (mmu)
260.08306 4.0 C:15 H:16 O:2 S:l
Copyright © 2005
.7 C:18 H:12 O:2 S:0
Witold Danikiewicz
Profile izotopowe kombinacji pospolitych
pierwiastków dwuizotopowych typu M+2
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Porównanie profilu izotopowego
zmierzonego i obliczonego
100
782.2
90
Widmo zmierzone
80
70
781.2
784
60
780.1
50
783.1
779.2
40
30
785.1
776.2
20
778.2
777.1
10
0
776 778 780 782 784 786 788 790 792
Low Resolution M/z
100
782.17345
90
Widmo obliczone dla
80
składu: C35H38F6N2O5Ru
70
781.17543
784.17414
60
50
779.1754
40
30
776.17602
20
778.17517
786.18044
10
787.18277
789.19169
0
776 778 780 782 784 786 788 790 792
Mass
Intensity (%age)
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Intensity (%age)
3. Czy zwiÄ…zek jest czysty?
Metody:
" zachowanie próbki podczas parowania w z
ródle jonów
(w EI);
" stwierdzenie obecności więcej niż jednego jonu
molekularnego;
" stwierdzenie wzajemnej niezgodności widm jonów
dodatnich i ujemnych.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Badanie zachowania próbki podczas parowania
w z
ródle jonów EI
Copyright © 2005
278
Witold Danikiewicz
35 - 300
255
255 270
270
278
295
295
4. Jaka jest budowa czÄ…steczki zwiÄ…zku
(wzór strukturalny)?
Metody:
" analiza fragmentacji w standardowym widmie EI;
" identyfikacja związków znanych przez porównanie widma
eksperymentalnego z widmami z komputerowej biblioteki
widm;
" badanie ścieżek fragmentacji poprzez rejestrowanie jonów
metastabilnych i jonów powstających w wyniku aktywacji
zderzeniowej (CID);
" dokładne pomiary masy jonów fragmentacyjnych;
" wymiana izotopowa;
" otrzymywanie i badanie pochodnych.
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Identyfikacja produktu reakcji na podstawie widma masowego
OC2H5 OH
Copyright © 2005
O
Witold Danikiewicz
OH OC2H5
NaOH
czy
?
EtOH
x 5
100
315
90
344
80
59 = C3H7O
70
60
M+"
50
- 59
40
189
160
403
30
316
20
105 130
234
10
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Low Resolution M/z
Intensity (%age)
Chromatogram GC/MS olejku cytrynowego.
Składniki zidentyfikowano na podstawie
biblioteki widm Wiley a
4.78
geranial
²-bisabolen
(96 %)
limonen (95 %)
14.19
(99 %)
Ä…-bergamoten
14.07
Z-cytral
linalool
octan
(98 %)
octan
(97 %)
(97 %)
linalylu
geranylu
11.57 13.52
(91 %)
(91 %)
Ä…-terpi-
11.72
neol
14.45
²-kariofilen
(91 %)
12.12
(99 %)
13.69
12.30
²-pinen
Å‚-terpinen
(97 %)
(97 %)
3.17 5.82 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.50
sabinen
(97 %)
p-cymen
Ä…-pinen
14.19
(97 %)
(96 %)
mircen
Ä…-terpinolen
13.52
11.57
2.33
(96 %)
3.33
14.45
(98 %)
6.40
12.12
3.96
6.66
min.
2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00
Liczby w nawiasach określają w procentach współczynnik
zgodności widma zmierzonego i bibliotecznego
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Statystyka procedury porównywania widm
Average of 14.039 to 14.086 min.: CYTR6.D
Copyright © 2005
olejek cytrynowy w heksanie 0.2 ul
Witold Danikiewicz
PBM Search of library d:\DATABASE\Wiley275.L
Name MolWt Formula Qual
1. .BETA.-BISABOLENE 204 C15H24 92
2. .beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatriene, 204 C15H24 90
3. NEROL 154 C10H18O 90
4. trans-.beta.-Farnesene $$ (E)-.beta.-Far 204 C15H24 90
5. .beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H24 81
6. .BETA.-BISABOLENE 204 C15H24 72
7. .beta. bisabolene $$ BETA-BISABOLENE 204 C15H24 70
8. (Z)-.beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatri 204 C15H24 70
9. 5-BROMO-3-PENTENE $$ 1-Pentene, 5-bromo- 148 C5H9Br 60
10. CIS-.ALPHA.-BISABOLENE 204 C15H24 53
11. .alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H24 52
12. .alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H24 50
13. .alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H24 50
14. .alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H24 50
15. .ALPHA.-HUMULENE $$ ALPHA-HUMULENE 204 C15H24 50
16. .alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H24 38
17. CIS-.ALPHA.-BISABOLENE 204 C15H24 38
18. .beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H24 38
19. .beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H24 38
20. .beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H24 38
Widma EI
100
Wykorzystanie
120 137
90
wymiany
80
Widmo standardowe
70
izotopowej do
60
ustalania liczby
50
92
wymienialnych 40
30
65
atomów
20
121
39
55
93
66
46 52 60
80 108
wodoru 10 37 74 109 136
0
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Low Resolution M/z
O OH
d1
100
121
Widmo po kilkakrotnym
138
90
80 odparowaniu próbki d2
70
z CH3OD
120
60
50
93
40
NH2
66
d3
65
92
30
M = 137
39
20
44
55
47
52
61
37 141
81
74
33 109
10 73 77 89 108 131 149
0
Copyright © 2005
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Low Resolution M/z
Witold Danikiewicz
Intensity (%age)
Intensity (%age)
138
M + Na+
100
Wykorzystanie
Widma ESI
M + H+
90 160
wymiany
80
izotopowej do
70
Widmo w
60
MeOH/H2O
ustalania liczby
50
wymienialnych
40
atomów
30
20
wodoru
10
161
139
0
100 120 140 160 180 200
Mass (m/z)
O OH
100
163 d3-M + Na+
90
d2-M + Na+
80 162
Widmo w
70
MeOD/D2O
60
d2-M + D+
50
d3-M + H+
d1-M + Na+
NH2
40
d3-M + D+
d-M + D+
M = 137
30
d2-M + H+ 141 161
140
20
M + D+ 139 142
10
Copyright © 2005
d-M + H+
0
100 120 140 160 180 200
Mass (m/z)
Witold Danikiewicz
% Intensity
% Intensity
Typowe zanieczyszczenia
próbek obserwowane
w widmach masowych
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Węglowodory nasycone
(na przykładzie triakontanu  C30H62)
M = 422
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Silikony
Abundance
#275767: SILIKONFETT SE30 (GREVELS)
73
9000
CH3 CH3 CH3
8000
RO Si O Si O Si OR
CH3 CH3 CH3
7000
n
6000
M = 74
221
147
5000
355
4000
207
281
429
3000
295
2000
503
26
1000
111
401
577
325
181
475 652
253
534
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
m/z-->
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Ftalan di-n-butylu
M = 278
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Ftalan diizooktylu
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
M = 390
Copyright © 2005
Widmo ESI ftalanów
Witold Danikiewicz
Spec /2:19 ASC[BP = 413.3, 542]
413.3
542.4
100
ftalan diizooktylu + Na+
90
413
80
70
60
50
ftalan di-n-butylu + Na+
40
301
301.1
30
(ftalan diizooktylu)2 + Na+
414.3
20
803
393.3
10
302.1
803.6
349.2
437.2
360.3 481.3
311.3
394.3
149.0
447.3 525.3 691.4
285.2 805.5
569.4 613.4 657.5
251.1
421.3 745.5
103.0 182.9 357.2 475.3 717.5
215.0
0 0
100 280 460 640 820 1000
Mass (m/z)
% Intensity
Siarka
(widmo rzeczywistej próbki zanieczyszczonej siarką)
100
64 256
S2
S8
90
S5
80
160
S4
70
128
60
50
S6
192
40
30
S3
96
162
20
S7
66
85
260
10
34
224
136 247
41
55 108
184
0
50 100 150 200 250 300
Low Resolution M/z
Copyright © 2005
Witold Danikiewicz
Intensity (%age)