stringtranslate.com

Масса (масс-спектрометрия)

Дж. Дж. Томсон открыл изотопы неона с помощью масс-спектрометрии.

Масса , регистрируемая масс-спектрометром, может относиться к различным физическим величинам в зависимости от характеристик прибора и способа отображения масс-спектра .

Единицы

Дальтон (символ: Da) — стандартная единица , используемая для обозначения массы в атомной или молекулярной шкале ( атомная масса ). [1] Единая атомная единица массы (символ: u) эквивалентна дальтону. Один дальтон приблизительно равен массе одного протона или нейтрона. [ 2] Единая атомная единица массы имеет значение1,660 538 921 (73) × 10 −27  кг . [3] А.е.м. без приставки «унифицированная» — устаревшая единица измерения на основе кислорода, которая была заменена в 1961 году .

Молекулярная масса

Теоретическое распределение изотопов для молекулярного иона кофеина

Молекулярная масса (сокращенно M r ) вещества , ранее также называемая молекулярной массой и сокращенно MW, представляет собой массу одной молекулы этого вещества относительно единой атомной единицы массы u (равной 1/12 массы одного атома 12 C ). Из-за этой относительности молекулярную массу вещества обычно называют относительной молекулярной массой и сокращенно обозначают M r .

Средняя масса

Средняя масса молекулы получается путем суммирования средних атомных масс составляющих ее элементов. Например, средняя масса природной воды с формулой H2O составляет 1,00794 + 1,00794 + 15,9994 = 18,01528 Да.

Массовое число

Массовое число , также называемое нуклонным числом, — это число протонов и нейтронов в атомном ядре . Массовое число уникально для каждого изотопа элемента и пишется либо после названия элемента, либо в виде верхнего индекса слева от символа элемента. Например, углерод-12 ( 12 C) имеет 6 протонов и 6 нейтронов.

Номинальная масса

Номинальная масса элемента — это массовое число его наиболее распространенного в природе стабильного изотопа, а для иона или молекулы номинальная масса — это сумма номинальных масс составляющих атомов. [4] [5] Распространенность изотопов сведена в таблицу ИЮПАК : [6] например, углерод имеет два стабильных изотопа 12 C при естественной распространенности 98,9% и 13 C при естественной распространенности 1,1%, таким образом, номинальная масса углерода равна 12. Номинальная масса не всегда является наименьшим массовым числом, например, железо имеет изотопы 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 58 Fe с распространенностью 6%, 92%, 2% и 0,3% соответственно, и номинальную массу 56 Да. Для молекулы номинальная масса получается путем суммирования номинальных масс составляющих ее элементов, например, вода имеет два атома водорода с номинальной массой 1 Да и один атом кислорода с номинальной массой 16 Да, поэтому номинальная масса H2O составляет 18 Да.

В масс-спектрометрии разница между номинальной массой и моноизотопной массой называется дефектом массы . [7] Это отличается от определения дефекта массы, используемого в физике, которое представляет собой разницу между массой составной частицы и суммой масс ее составных частей. [8]

Точная масса

Точная масса ( точнее, измеренная точная масса [9] ) — это экспериментально определенная масса, которая позволяет определить элементный состав. [10] Для молекул с массой менее 200 Да точность в 5 ppm часто достаточна для однозначного определения элементного состава. [11]

Точная масса

Точная масса изотопного вида (точнее, рассчитанная точная масса [9] ) получается путем суммирования масс отдельных изотопов молекулы. Например, точная масса воды, содержащей два водорода-1 ( 1 H) и один кислород-16 ( 16 O), составляет 1,0078 + 1,0078 + 15,9949 = 18,0105 Да. Точная масса тяжелой воды , содержащей два водорода-2 ( дейтерий или 2 H) и один кислород-16 ( 16 O), составляет 2,0141 + 2,0141 + 15,9949 = 20,0229 Да.

Когда точное значение массы приводится без указания изотопного вида, оно обычно относится к наиболее распространенному изотопному виду.

Моноизотопная масса

Моноизотопная масса — это сумма масс атомов в молекуле с использованием несвязанной массы покоя основного (наиболее распространенного) изотопа для каждого элемента. [12] [5] Моноизотопная масса молекулы или иона — это точная масса, полученная с использованием основных изотопов. Моноизотопная масса обычно выражается в дальтонах .

Для типичных органических соединений, где чаще всего используется моноизотопная масса, это также приводит к выбору самого легкого изотопа. Для некоторых более тяжелых атомов, таких как железо и аргон, основной изотоп не является самым легким изотопом. Пик масс-спектра, соответствующий моноизотопной массе, часто не наблюдается для больших молекул, но может быть определен из изотопного распределения. [13]

Наиболее распространенная масса

Теоретическое распределение изотопов для молекулярного иона глюкагона (C 153 H 224 N 42 O 50 S)

Это относится к массе молекулы с наиболее представленным распределением изотопов, основанным на естественном содержании изотопов. [14]

Изотопомер и изотополог

Изотопомеры (изотопные изомеры) — это изомеры, имеющие одинаковое количество каждого изотопного атома, но различающиеся по положению изотопных атомов. [15] Например, CH 3 CHDCH 3 и CH 3 CH 2 CH 2 D представляют собой пару структурных изотопомеров.

Изотопомеры не следует путать с изотопологами , которые являются химическими видами, которые различаются по изотопному составу своих молекул или ионов . Например, три изотополога молекулы воды с различным изотопным составом водорода: HOH, HOD и DOD, где D обозначает дейтерий ( 2H ).

масса Кендрика

Масса Кендрика — это масса, полученная путем умножения измеренной массы на числовой коэффициент. Масса Кендрика используется для помощи в идентификации молекул с похожей химической структурой по пикам в масс-спектрах . [16] [17] Метод указания массы был предложен в 1963 году химиком Эдвардом Кендриком.

Согласно процедуре, описанной Кендриком, масса CH2 определяется как 14,000 Да вместо 14,01565 Да. [18] [19]

Масса Кендрика для семейства соединений определяется по формуле [20]

Для анализа углеводородов = CH 2 .

Дефект массы (масс-спектрометрия)

Дефект массы, используемый в ядерной физике, отличается от его использования в масс-спектрометрии. В ядерной физике дефект массы — это разница между массой составной частицы и суммой масс ее составных частей. В масс-спектрометрии дефект массы определяется как разница между точной массой и ближайшей целой массой. [21] [22]

Дефект массы Кендрика — это точная масса Кендрика, вычтенная из ближайшего целого числа массы Кендрика. [23]

Фильтрация дефектов массы может использоваться для селективного обнаружения соединений с помощью масс-спектрометра на основе их химического состава. [7]

Фракция упаковки (масс-спектрометрия)

Фрэнсис Уильям Астон получил Нобелевскую премию по химии 1922 года за открытие с помощью масс-спектрографа изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел . [24] [25]

Термин «фракция упаковки» был определен Астоном как разность измеренной массы M и ближайшей целой массы I (на основе шкалы масс кислорода-16 ), деленная на величину, содержащую массовое число, умноженное на десять тысяч: [26]

.

Ранняя модель структуры ядра Астона (до открытия нейтрона ) постулировала, что электромагнитные поля плотно упакованных протонов и электронов в ядре будут мешать друг другу, и часть массы будет разрушена. [27] Низкая плотность упаковки указывает на стабильное ядро. [28]

Правило азота

Правило азота гласит, что органические соединения, содержащие исключительно водород , углерод , азот , кислород , кремний , фосфор , серу и галогены , либо имеют нечетную номинальную массу , которая указывает на нечетное число атомов азота, либо четную номинальную массу, которая указывает на четное число атомов азота в молекулярном ионе . [29] [30]

Гипотеза Праута и правило целых чисел

Правило целых чисел гласит, что массы изотопов являются целыми кратными массы атома водорода . [31] Правило является модифицированной версией гипотезы Праута, предложенной в 1815 году, согласно которой атомные веса являются кратными массе атома водорода. [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Международное бюро мер и весов (2019): Международная система единиц (СИ) , 9-е издание, английская версия, стр. 134. Доступно на веб-сайте BIPM.
  2. ^ Страйер, Джереми М. Берг; Джон Л. Тимочко; Луберт (2007). "2". Биохимия (3-е издание, 6-е изд.). Нью-Йорк: Freeman. стр. 35. ISBN 978-0-7167-8724-2.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Фундаментальные физические константы от NIST
  4. ^ Юрген Х. Гросс (14 февраля 2011 г.). Масс-спектрометрия: учебник. Springer Science & Business Media. стр. 71–. ISBN 978-3-642-10709-2.
  5. ^ ab J. Throck Watson; O. David Sparkman (9 июля 2013 г.). Введение в масс-спектрометрию: приборы, приложения и стратегии интерпретации данных. John Wiley & Sons. стр. 385–. ISBN 978-1-118-68158-9.
  6. ^ Берглунд, Михаэль; Визер, Михаэль Э. (2011). «Изотопные составы элементов 2009 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 83 (2): 397–410. doi : 10.1351/PAC-REP-10-06-02 . hdl : 11858/00-001M-0000-0029-C408-7 . ISSN  1365-3075.
  7. ^ ab Sleno, Lekha (2012). «Использование дефекта массы в современной масс-спектрометрии». Журнал масс-спектрометрии . 47 (2): 226–236. Bibcode :2012JMSp...47..226S. doi :10.1002/jms.2953. ISSN  1076-5174. PMID  22359333.
  8. ^ Имма Феррер; Э. М. Турман (6 мая 2009 г.). Жидкостная хроматография-времяпролетная масс-спектрометрия. John Wiley & Sons. стр. 18–22. ISBN 978-0-470-42995-2.
  9. ^ ab O. David Sparkman (2006). Mass Spec Desk Reference (2nd. ed.). стр. 60. ISBN 0-9660813-9-0.
  10. ^ Grange AH; Winnik W; Ferguson PL; Sovocool GW (2005), «Использование масс-спектрометра с тремя квадрупольными спектрами в точном режиме измерения масс и программы корреляции ионов для идентификации соединений», Rapid Commun. Mass Spectrom. (Представленная рукопись), 19 (18): 2699–715, Bibcode : 2005RCMS...19.2699G, doi : 10.1002/rcm.2112, PMID  16124033.
  11. ^ Гросс, ML (1994), «Точные массы для подтверждения структуры», J. Am. Soc. Mass Spectrom. , 5 (2): 57, doi : 10.1016/1044-0305(94)85036-4 , PMID  24222515.
  12. ^ "Моноизотопный масс-спектр". 2009. doi :10.1351/goldbook.M04014. ISBN 978-0-9678550-9-7. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) ; Отсутствует или пусто |title=( помощь )
  13. ^ Сенко, Майкл В.; Бью, Стивен К.; Маклаффертикор, Фред В. (1995). «Определение моноизотопных масс и ионных популяций для больших биомолекул из разрешенных изотопных распределений». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 6 (4): 229–233. doi : 10.1016/1044-0305(95)00017-8 . ISSN  1044-0305. PMID  24214167.
  14. ^ Горачко А. Дж. (2005), «Молекулярная масса и местоположение наиболее распространенного пика изотопомерного кластера молекулярного иона», Журнал молекулярного моделирования , 11 (4–5): 271–7, doi :10.1007/s00894-005-0245-x, PMID  15928922, S2CID  21949927.
  15. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «isotopomer». doi :10.1351/goldbook.I03352
  16. ^ Кендрик, Эдвард (1963), «Шкала масс, основанная на CH2 = 14,0000 для масс-спектрометрии высокого разрешения органических соединений», Anal. Chem. , 35 (13): 2146–2154, doi :10.1021/ac60206a048.
  17. ^ Маршалл АГ; Роджерс РП (январь 2004 г.), «Петролеомика: следующий грандиозный вызов химическому анализу», Acc. Chem. Res. , 37 (1): 53–9, doi :10.1021/ar020177t, PMID  14730994.
  18. ^ Моппер, Кеннет; Стаббинс, Арон; Ричи, Джейсон Д.; Биалк, Хайди М.; Хэтчер, Патрик Г. (2007), «Усовершенствованные инструментальные подходы к характеристике растворенного в морской воде органического вещества: методы экстракции, масс-спектрометрия и ядерно-магнитная резонансная спектроскопия», Chemical Reviews , 107 (2): 419–42, doi :10.1021/cr050359b, PMID  17300139
  19. ^ Мейя, Юрис (2006), «Математические инструменты в аналитической масс-спектрометрии», Аналитическая и биоаналитическая химия , 385 (3): 486–99, doi :10.1007/s00216-006-0298-4, PMID  16514517, S2CID  44611533
  20. ^ Ким, Сонгхван; Крамер, Роберт В.; Хэтчер, Патрик Г. (2003), «Графический метод анализа широкополосных масс-спектров сверхвысокого разрешения природных органических веществ, диаграмма Ван Кревелена», Аналитическая химия , 75 (20): 5336–44, doi :10.1021/ac034415p, PMID  14710810
  21. ^ J. Throck Watson; O. David Sparkman (4 декабря 2007 г.). Введение в масс-спектрометрию: приборы, приложения и стратегии интерпретации данных. John Wiley & Sons. стр. 274–. ISBN 978-0-470-51634-8.
  22. ^ Юрген Х. Гросс (22 июня 2017 г.). Масс-спектрометрия: учебник. Springer. стр. 143–. ISBN 978-3-319-54398-7.
  23. ^ Хьюи, Кристин А.; Хендриксон, Кристофер Л.; Роджерс, Райан П.; Маршалл, Алан Г.; Цянь, Куангнань (2001). «Спектр дефектов массы Кендрика: компактный визуальный анализ для широкополосных масс-спектров сверхвысокого разрешения». Аналитическая химия . 73 (19): 4676–4681. doi :10.1021/ac010560w. ISSN  0003-2700. PMID  11605846.
  24. ^ "Нобелевская премия по химии 1922 года". Нобелевский фонд . Получено 2008-04-14 .
  25. ^ Сквайрс, Гордон (1998). «Фрэнсис Астон и масс-спектрограф». Dalton Transactions (23): 3893–3900. doi :10.1039/a804629h.
  26. ^ Aston, FW (1927). «Атомы и их упаковочные фракции1». Nature . 120 (3035): 956–959. Bibcode :1927Natur.120..956A. doi :10.1038/120956a0. ISSN  0028-0836. S2CID  22601204.
  27. ^ Будзикевич, Герберт; Григсби, Рональд Д. (2006). «Масс-спектрометрия и изотопы: столетие исследований и дискуссий». Обзоры масс-спектрометрии . 25 (1): 146–157. Bibcode : 2006MSRv...25..146B. doi : 10.1002/mas.20061. ISSN  0277-7037. PMID  16134128.
  28. ^ Демпстер, А. Дж. (1938). «Энергетическое содержание тяжелых ядер». Physical Review . 53 (11): 869–874. Bibcode : 1938PhRv...53..869D. doi : 10.1103/PhysRev.53.869. ISSN  0031-899X.
  29. ^ Туречек, Франтишек; Маклафферти, Фред В. (1993). Интерпретация масс-спектров . Саусалито, Калифорния: University Science Books. стр. 37–38. ISBN 978-0-935702-25-5.
  30. ^ Дэвид О. Спаркман (2007). Справочник по масс-спектрометрии . Питтсбург: Global View Pub. стр. 64. ISBN 978-0-9660813-9-8.
  31. ^ Budzikiewicz H; Grigsby RD (2006). «Масс-спектрометрия и изотопы: столетие исследований и дискуссий». Mass Spectrometry Reviews . 25 (1): 146–57. Bibcode : 2006MSRv...25..146B. doi : 10.1002/mas.20061. PMID  16134128.
  32. ^ Праут, Уильям (1815). «О соотношении между удельным весом тел в газообразном состоянии и весом их атомов». Annals of Philosophy . 6 : 321–330 . Получено 08.09.2007 .

Внешние ссылки