Masa cząsteczkowa - Molecular mass

Masa cząsteczkowa ( m ) to masa danej cząsteczki: jest mierzona w daltonach (Da lub u). Różne cząsteczki tego samego związku mogą mieć różne masy cząsteczkowe, ponieważ zawierają różne izotopy pierwiastka. Powiązana względna masa cząsteczkowa, zgodnie z definicją IUPAC , jest stosunkiem masy cząsteczki do ujednoliconej jednostki masy atomowej (znanej również jako dalton) i jest niejednostkowa. Masa cząsteczkowa i względną masę cząsteczkową, lecz różnią się od związanej z masy molowej . Masę molową definiuje się jako masę danej substancji podzieloną przez ilość substancjii jest wyrażona w g/mol. Masa molowa jest zwykle bardziej odpowiednią wartością, gdy mamy do czynienia z makroskopowymi (możliwymi do ważenia) ilościami substancji.

Definicja masy cząsteczkowej jest najbardziej autorytatywnym synonimem względnej masy cząsteczkowej; jednak w powszechnej praktyce jest bardzo zmienny. Gdy masa cząsteczkowa jest stosowana z jednostkami Da lub u, często jest to średnia ważona podobna do masy cząsteczkowej, ale z różnymi jednostkami. W biologii molekularnej masę makrocząsteczek określa się jako ich masę cząsteczkową i wyraża się w kDa, chociaż wartość liczbowa jest często przybliżona i reprezentatywna dla średniej.

Określenia masy cząsteczkowej , masa cząsteczkowa , a masa cząsteczkowa są często używane zamiennie w dziedzinie nauki gdzie rozróżnienia pomiędzy nimi jest bezużyteczne. W innych dziedzinach nauki rozróżnienie jest kluczowe. Masę cząsteczkową stosuje się częściej w odniesieniu do masy pojedynczej lub określonej dobrze zdefiniowanej cząsteczki, a rzadziej niż masę cząsteczkową w odniesieniu do średniej ważonej próbki. Przed redefinicją w 2019 r. jednostek podstawowych SI ilości wyrażone w daltonach (Da lub u) były z definicji liczbowo równoważne z identycznymi wielkościami wyrażonymi w jednostkach g/mol, a zatem były ściśle liczbowo zamienne. Po redefinicji jednostek z 20 maja 2019 r. relacja ta jest tylko prawie równoważna.

Masę cząsteczkową małych i średnich cząsteczek, mierzoną za pomocą spektrometrii masowej, można wykorzystać do określenia składu pierwiastków w cząsteczce. Masy cząsteczkowe makrocząsteczek, takich jak białka, można również określić za pomocą spektrometrii masowej; jednak metody oparte na lepkości i rozpraszaniu światła są również wykorzystywane do określania masy cząsteczkowej, gdy dane krystalograficzne lub spektrometrii masowej nie są dostępne.

Obliczenie

Masy cząsteczkowe oblicza się na podstawie mas atomowych każdego nuklidu obecnego w cząsteczce, podczas gdy masy cząsteczkowe oblicza się na podstawie standardowych mas atomowych każdego pierwiastka . Standardowa masa atomowa uwzględnia rozkład izotopowy pierwiastka w danej próbce (zwykle przyjmuje się, że jest „normalny”). Na przykład woda ma masę cząsteczkową 18,0153(3) g/mol, ale poszczególne cząsteczki wody mają masy cząsteczkowe w zakresie 18.010 564 6863(15) Da ( 1 H
2
16 O) i 22,027 7364 (9), DA ( 2 H
2
18 O).

Masy atomowe i cząsteczkowe są zwykle podawane w daltonach, które określa się w stosunku do masy izotopu 12 C (węgiel 12), która z definicji jest równa 12 Da. Na przykład, ciężar cząsteczkowy, a masa cząsteczkowa metanu , którego Wzór cząsteczkowy oznacza CH 4 , oblicza się, odpowiednio, w następujący sposób:

Masa cząsteczkowa lub masa cząsteczkowa CH 4
Standardowa masa atomowa Numer Całkowita masa molowa (g/mol)
lub masa cząsteczkowa (Da lub g/mol)
C 12.011 1 12.011
h 1.008 4 4.032
CH 4 16.043
Masa cząsteczkowa 12 C 1 H 4
Masa nuklidów Numer Całkowita masa cząsteczkowa (Da lub u)
12 stopni 12.00 1 12.00
1 godz 1.007825 4 4.0313
CH 4 16.0313

Bardziej formalnie zdefiniowanym terminem jest „względna masa cząsteczkowa”. Zdefiniowane względne wartości masy atomowej i cząsteczkowej są bezwymiarowe . Jednak „jednostka” Dalton jest używana w powszechnej praktyce. Masę 1 mola substancji określa się jako masę molową . Z definicji masa molowa ma jednostki gramów na mol .

W powyższym przykładzie standardowa masa atomowa węgla wynosi 12,011 g/mol, a nie 12,00 g/mol. Dzieje się tak, ponieważ naturalnie występujący węgiel jest mieszaniną izotopów 12 C, 13 C i 14 C, które mają masy odpowiednio 12 Da, 13.003355 Da i 14.003242 Da. Co więcej, proporcje izotopów różnią się między próbkami, więc 12,011 g/mol jest średnią wartością w różnych miejscach na ziemi. W przeciwieństwie do tego, występuje mniejsza zmienność w naturalnie występującym wodorze, więc standardowa masa atomowa ma mniejszą zmienność. Precyzja masy molowej jest ograniczona przez najwyższy standard wariancji masy atomowej, w tym przypadku węgla. Ta niepewność nie jest tym samym, co niepewność masy cząsteczkowej, która odzwierciedla wariancję (błąd) pomiaru, a nie naturalną wariancję obfitości izotopów na całym świecie. W spektrometrii masowej o wysokiej rozdzielczości izotopomery masowe 12 C 1 H 4 i 13 C 1 H 4 są obserwowane jako odrębne cząsteczki o masach cząsteczkowych odpowiednio około 16,031 Da i 17,035 Da. Intensywność pików spektrometrii masowej jest proporcjonalna do obfitości izotopów w cząsteczkach. 12 C 2 H 1 H 3 można również zaobserwować przy masie cząsteczkowej 17 Da.

Determinacja

Spekrtometria masy

W spektrometrii mas masę cząsteczkową małej cząsteczki podaje się zwykle jako masę monoizotopową , to znaczy masę cząsteczki zawierającej tylko najpowszechniejszy izotop każdego pierwiastka. Należy zauważyć, że różni się to również nieznacznie od masy cząsteczkowej tym, że wybór izotopów jest zdefiniowany, a zatem jest pojedynczą określoną masą cząsteczkową z wielu możliwości. Masy użyte do obliczenia monoizotopowej masy cząsteczkowej znajdują się w tablicy mas izotopowych i nie występują w typowym układzie okresowym. Średnia masa cząsteczkowa jest często stosowana w przypadku większych cząsteczek, ponieważ cząsteczki z wieloma atomami prawdopodobnie nie składają się wyłącznie z najliczniejszego izotopu każdego pierwiastka. Teoretyczną średnią masę cząsteczkową można obliczyć przy użyciu standardowych mas atomowych znajdujących się w typowym układzie okresowym, ponieważ prawdopodobnie istnieje statystyczny rozkład atomów reprezentujących izotopy w cząsteczce. Jednak średnia masa cząsteczkowa próbki zwykle znacznie się od niej różni, ponieważ średnia pojedynczej próbki nie jest taka sama jak średnia wielu próbek rozmieszczonych geograficznie.

Fotometria masowa

Fotometria masowa (MP) to szybka, dostępna w roztworze, wolna od znaczników metoda uzyskiwania masy cząsteczkowej białek, lipidów, cukrów i kwasów nukleinowych na poziomie pojedynczych cząsteczek. Technika ta opiera się na interferometrycznej mikroskopii światła rozproszonego. Kontrast od rozproszonego światła przez pojedyncze wiązanie na granicy między roztworem białka i szkiełkiem jest wykrywany i jest liniowo proporcjonalny do masy cząsteczki. Technika ta umożliwia również pomiar jednorodności próbki, wykrywanie stanu oligomeryzacji białek , charakteryzację złożonych zespołów makromolekularnych ( rybosomy , GroEL , AAV ) oraz interakcje białkowe, takie jak interakcje białko-białko. Fotometria masowa umożliwia dokładny pomiar masy cząsteczkowej w szerokim zakresie mas cząsteczkowych (40kDa – 5MDa).

Metody hydrodynamiczne

W pierwszym przybliżeniu, podstawą wyznaczania masy cząsteczkowej według relacji Marka-Houwinka , jest fakt, że lepkość istotna z roztworów (lub zawiesiny ) makrocząsteczek w zależności od objętościowego udziału cząstek rozproszonych w danym rozpuszczalniku. W szczególności wielkość hydrodynamiczna w odniesieniu do masy cząsteczkowej zależy od współczynnika konwersji opisującego kształt określonej cząsteczki. Pozwala to na opisanie pozornej masy cząsteczkowej za pomocą szeregu technik wrażliwych na efekty hydrodynamiczne, w tym DLS , SEC (znany również jako GPC, gdy eluentem jest rozpuszczalnik organiczny), wiskozymetria i spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego z uporządkowaną dyfuzją (DOSY). Pozorną wielkość hydrodynamiczną można następnie wykorzystać do przybliżenia masy cząsteczkowej przy użyciu szeregu wzorców specyficznych dla makrocząsteczek. Ponieważ wymaga to kalibracji, często określa się ją jako „względną” metodę wyznaczania masy cząsteczkowej.

Statyczne rozpraszanie światła

Możliwe jest również wyznaczenie bezwzględnej masy cząsteczkowej bezpośrednio z rozpraszania światła, tradycyjnie metodą Zimma . Można to osiągnąć za pomocą klasycznego statycznego rozpraszania światła lub za pomocą wielokątowych detektorów rozpraszania światła . Masy cząsteczkowe wyznaczone tą metodą nie wymagają kalibracji, stąd określenie „bezwzględne”. Jedynym wymaganym pomiarem zewnętrznym jest przyrost współczynnika załamania światła , który opisuje zmianę współczynnika załamania wraz ze stężeniem.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki