Masse (massespektrometri)

J. J. Thomson oppdaget isotoper av neon ved hjelp av massespektrometri.

Massen registrert av et massespektrometer kan referere til forskjellige fysiske størrelser, avhengig av egenskapene til instrumentet og måten massespektret vises på.

Enheter

Dalton (symbol: Da) er standardenheten som brukes til å indikere masse på en atom- eller molekylær skala (atommasse). Den enhetlige atommasseenheten (symbol: u) tilsvarer dalton. Én dalton er omtrent massen av et enkelt proton eller nøytron. Den enhetlige atommasseenheten har en verdi på 1.660538921(73)×10⁻²⁷ kg. Amu uten det "enhetlige" prefikset er en foreldet enhet basert på oksygen, som ble erstattet i 1961.

Molekylær masse

Teoretisk isotopfordeling for koffeinets molekylære ion

Molekylmassen (forkortet M_r) til et stoff, tidligere også kalt molekylvekt og forkortet MW, er massen til ett molekyl av det stoffet, i forhold til den enhetlige atommassenheten u (lik 1/12 massen til et atom av ¹²C). På grunn av denne relativiteten blir molekylmassen til et stoff ofte referert til som den relative molekylmassen, og forkortet til M_r.

Gjennomsnittlig masse

Den gjennomsnittlige massen til et molekyl oppnås ved å summere de gjennomsnittlige atommassene til bestanddelene. For eksempel er den gjennomsnittlige massen av naturlig vann med formel H₂O $1.00794+1.00794+15.9994=18.01528Da$.

Massetall

Utdypende artikkel: Massetall

Massetallet, også kalt nukleonnummeret, er antall protoner og nøytroner i en atomkjerne. Massetallet er unikt for hver isotop av et element og skrives enten etter elementnavnet eller som et overskrift til venstre for et elementets symbol. For eksempel har karbon-12 (¹²C) 6 protoner og 6 nøytroner.

Nominell masse

Den nominelle massen for et element er massetallet på den mest vanlige, naturlig forekommende stabile isotopen, og for et ion eller molekyl er den nominelle massen summen av de nominelle massene til de sammensatte atomer. Isotopforekomster er tabellert av IUPAC: for eksempel har karbon to stabile isotoper ¹²C ved 98,9% naturlig overflod og ¹³C ved 1,1% naturlig overflod, og dermed er den nominelle massen av karbon 12. Den nominelle massen er ikke alltid det laveste massetallet, jern har for eksempel isotoper ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe og ⁵⁸Fe med overflod henholdsvis 6%, 92%, 10% og 2% og en nominell massen er da på 56 Da. For et molekyl oppnås den nominelle massen ved å summere de nominelle massene til bestanddelene, for eksempel har vann to hydrogenatomer med nominell masse 1 Da og et oksygenatom med nominell masse 16 Da, derfor er den nominelle massen av H₂O 18 Da.

I massespektrometri er forskjellen mellom den nominelle massen og den monoisotopiske massen massedefekten. Dette skiller seg fra definisjonen av massefeil brukt i fysikk, som er forskjellen mellom massen til en sammensatt partikkel og summen av massene til dens bestanddeler.

Nøyaktig masse

Den nøyaktige massen (mer hensiktsmessig er den målte nøyaktige massen) en eksperimentelt bestemt masse som gjør at elementersammensetningen kan bestemmes. For molekyler med en masse under 200 Da, er 5 ppm nøyaktighet ofte tilstrekkelig til å bestemme den unike sammensetningen.

Eksakt masse

Den eksakte massen til en isotopisk art (mer hensiktsmessig er den beregnede eksakte massen) oppnådd ved å summere massene til de enkelte isotoper av molekylet. For eksempel er den eksakte massen av vann som inneholder to hydrogen-1 (¹H) og en oksygen-16 (¹⁶O) $1,0078+1,0078+15,9949=18,0105Da$. Den nøyaktige massen av tungtvann, som inneholder to hydrogen-2 (deuterium eller ²H) og en oksygen-16 (¹⁶O) er $2.0141+2.0141+15.9949=20.0229Da$.

Når en eksakt masseverdi er gitt uten å spesifisere en isotopisk art, refererer den vanligvis til den mest utbredte isotoparten.

Monoisotopisk masse

Den monoisotopiske massen er summen av massene til atomene i et molekyl som bruker den ubundne, grunntilstand. hvilemassen til den viktigste (mest utbredte) isotopen for hvert element. Den monoisotopiske massen til et molekyl eller ion er den eksakte massen som oppnås ved bruk av hovedisotopene. Monoisotopisk masse uttrykkes vanligvis i dalton.

For typiske organiske forbindelser, der den monoisotopiske massen er mest brukt, resulterer dette også i at den letteste isotopen blir valgt. For noen tyngre atomer som jern og argon er ikke den viktigste isotopen den letteste isotopen. Massespektretoppen som tilsvarer den monoisotopiske massen blir ofte ikke observert for store molekyler, men kan bestemmes ut fra isotopfordelingen.

Mest forekommende masse

Teoretisk isotopfordeling for det molekylære ionet av glukagon (C₁₅₃H₂₂₄N₄₂O₅₀S)

Dette refererer til massen til molekylet med den høyest representerte isotopfordelingen, basert på isotopens naturlige forekomst.

Isotopomer og isotopolog

Isotopomerer (isotopiske isomerer) er isomerer som har samme antall av hvert isotopatom, men som er forskjellige i posisjonene til isotopatomene. For eksempel er CH₃CHDCH₃ og CH₃CH₂CH₂D et par strukturelle isotopomerer.

Isotopomerer bør ikke forveksles med isotopologer, som er kjemiske arter som avviker i den isotopiske sammensetningen av deres molekyler eller ioner. For eksempel er tre isotopologer av vannmolekylet med forskjellig isotopisk sammensetning av hydrogen: HOH, HOD og DOD, hvor D står for deuterium (²H).

Kendrick-masse

Kendrick-massen er en masse oppnådd ved å multiplisere den målte massen med en numerisk faktor. Kendrick-massen brukes til å identifisere molekyler med lignende kjemisk struktur fra topper i massespektre. Metoden for å oppgi masse ble foreslått i 1963 av kjemikeren Edward Kendrick.

Ifølge prosedyren skissert av Kendrick, er massen av CH₂ definert som 14.000 Da, i stedet for 14.01565 Da.

Kendrick-massen for en familie av forbindelser F er gitt med:

${\text{Kendrick masse }}(F)=({\text{observet masse}})\times {{\text{nominal masse }}F \over {\text{eksakt masse }}F}$

For hydrokarbonanalyse, F = CH₂.

Massedefekt (massespektrometri)

Massedefekten som brukes i kjernefysikk er forskjellig fra dens bruk i massespektrometri. I kjernefysikk er massedefekten forskjellen i massen til en sammensatt partikkel og summen av massene til komponentdelene. I massespektrometri er massedefekten definert som forskjellen mellom den nøyaktige massen og nærmeste heltallsmasse.

Kendrick-massedefekten er den eksakte Kendrick-massen trukket fra nærmeste heltall Kendrick-masse.

Massedefektfilitrering kan brukes til selektivt å oppdage forbindelser med et massespektrometer basert på deres kjemiske sammensetning.

Pakningsfraksjon (massespektrometri)

Begrepet pakningsfraksjon ble definert av Aston som differansen mellom den målte massen M og den nærmeste heltallsmassen I (basert på oksygen-16 masseskalaen) delt på mengden som omfatter massetallet multiplisert med ti tusen:

$f={M-I \over 10^{4}I}$

Astons tidlige modell av kjernestruktur (før oppdagelsen av nøytronet) postulerte at de elektromagnetiske feltene til tett pakket protoner og elektroner i kjernen ville forstyrre og en brøkdel av massen ville bli ødelagt. En lav pakningsfraksjon er indikativ for en stabil kjerne.

Nitrogenregel

Nitrogenregelen sier at organiske forbindelser som inneholder utelukkende hydrogen, karbon, nitrogen, oksygen, silisium, fosfor, svovel og halogenene enten har en merkelig nominell masse som indikerer et oddetall nitrogenatomer er til stede eller en jevn nominell masse som indikerer en jevnt antall nitrogenatomer er til stede i molekylionet.

Prouts hypotese og heltallregelen

Heltallsregelen sier at massene til isotopene er heltallsmultipler av hydrogenatomets masse. Regelen er en modifisert versjon av Prouts hypotese som ble foreslått i 1815, slik at atomvekter er multipler av vekten av hydrogenatomet.