Masa monoizotopowa - Monoisotopic mass
Masa monoizotopowa (M mi ) jest jednym z kilku rodzajów mas cząsteczkowych stosowanych w spektrometrii mas . Teoretyczną masę monoizotopową cząsteczki oblicza się, biorąc sumę dokładnych mas (łącznie z defektem masy ) najobficiej występującego naturalnie stabilnego izotopu każdego atomu w cząsteczce. W przypadku małych cząsteczek składających się z pierwiastków o niskiej liczbie atomowej masa monoizotopowa jest obserwowana jako izotopowo czysty pik w widmie masowym . Różni się ona od nominalnej masy cząsteczkowej, która jest sumą liczby masowej pierwotnego izotopu każdego atomu w cząsteczce i jest liczbą całkowitą . Różni się również od masy molowej , która jest rodzajem masy średniej. W przypadku niektórych atomów, takich jak węgiel, tlen, wodór, azot i siarka, Mmi tych pierwiastków jest dokładnie taka sama, jak masa ich naturalnego izotopu, który jest najlżejszy. Jednak nie dotyczy to wszystkich atomów. Najpopularniejszy izotop żelaza ma liczbę masową 56, podczas gdy stabilne izotopy żelaza różnią się liczbą masową od 54 do 58. Masa monoizotopowa jest zwykle wyrażana w daltonach (Da), zwanych także zunifikowanymi atomowymi jednostkami masy (u).
Masa nominalna a masa monoizotopowa
Masa nominalna
Masa nominalna jest terminem używanym w dyskusjach na wysokim poziomie spektrometrii mas, można ją obliczyć na podstawie liczby masowej izotopu w największej liczbie atomów, bez względu na defekt masy. Na przykład przy obliczaniu masy nominalnej cząsteczki azotu (N 2 ) i etylenu (C 2 H 4 ) otrzymujemy jako.
(2 * 14) = 28 Da
(2 * 12) + (4 * 1) = 28 Da
Oznacza to, że przy użyciu spektrometru mas z niewystarczającym źródłem mocy o „niskiej rozdzielczości”, jak kwadrupolowy analizator masy lub kwadrupolarna pułapka jonowa , te dwie cząsteczki nie będą mogły być rozróżnione po jonizacji , zostanie to pokazane krzyżykiem docieranie pików m / z . Jeśli używany jest instrument o wysokiej rozdzielczości, taki jak orbitrap lub jonowy rezonans cyklotronowy , można rozróżnić te dwie cząsteczki.
Masa monoizotopowa
Przy obliczaniu mas monoizotopowych, używając masy pierwotnego izotopu pierwiastków, w tym defektu masy:
(2 * 14,003) = 28,006 Da
(2 * 12,000) + (4 * 1,008) = 28,032 Da
gdzie będzie jasne, że dwie różne cząsteczki przechodzą przez spektrometr mas. Należy zauważyć, że masa stosować ani całkowite liczby masowe ani naziemnie uśrednione standardowe masy atomowej znalezionych w układzie okresowym.
Masa monoizotopowa jest bardzo przydatna przy analizie małych związków organicznych, ponieważ związki o podobnej masie nie będą różnicowane, jeśli zostanie zastosowana masa nominalna. Na przykład, porównując tyrozynę, która ma strukturę cząsteczkową o masie monoizotopowej 182,081 Da i sulfon metioniny, który jest wyraźnie 2 różnymi związkami, ale sulfon metioniny ma 182,048 Da.
Bogactwo izotopowe
Gdyby kawałek żelaza został umieszczony w spektrometrze mas w celu analizy, widma masowe żelaza (Fe) dawałyby wiele pików widm masowych z powodu istnienia izotopów żelaza, 54
Fe
, 56
Fe
, 57
Fe
, 58
Fe
. Widmo masowe Fe pokazuje, że masa monoizotopowa nie zawsze jest najbardziej rozpowszechnionym pikiem izotopowym w widmie, mimo że zawiera najobficiej izotop dla każdego atomu. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem liczby atomów w cząsteczce wzrasta również prawdopodobieństwo, że cząsteczka zawiera co najmniej jeden atom ciężkiego izotopu. Jeśli jest 100 atomów węgla 12
do
w cząsteczce, a prawdopodobieństwo, że każdy atom węgla wynosi około 1%, jest ciężkim izotopem 13
do
, istnieje duże prawdopodobieństwo, że cała cząsteczka zawiera co najmniej jeden ciężki atom izotopu węgla-13, a najobficiej skład izotopowy nie będzie już taki sam jak pik monoizotopowy.
Pik monoizotopowy jest czasami nieobserwowalny z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, pik monoizotopowy może nie zostać oddzielony od innych pików izotopowych. W takim przypadku można zaobserwować tylko średnią masę cząsteczkową. W niektórych przypadkach, nawet po rozwiązaniu pików izotopowych, na przykład w przypadku spektrometru mas o wysokiej rozdzielczości, pik monoizotopowy może znajdować się poniżej poziomu szumu, a wyższe izotopy mogą całkowicie dominować.
Masa monoizotopowa w spektrometrii
Masa monoizotopowa nie jest często używana w polach poza spektrometrią mas, ponieważ inne pola nie mogą rozróżnić cząsteczek o różnym składzie izotopowym. Z tego powodu stosuje się głównie średnią masę cząsteczkową lub jeszcze częściej masę molową . W przypadku większości celów, takich jak odważanie chemikaliów luzem, istotna jest tylko masa molowa, ponieważ to, co się waży, jest statystycznym rozkładem różnych składów izotopów.
Ta koncepcja jest najbardziej pomocna w spektrometrii mas, ponieważ mierzone są poszczególne cząsteczki (lub atomy, jak w ICP-MS), a nie ich średnia statystyczna jako całość. Ponieważ spektrometria mas jest często stosowana do ilościowego oznaczania związków na poziomie śladowym, zwykle pożądana jest maksymalizacja czułości analizy. Wybierając poszukiwanie najbardziej rozpowszechnionej izotopowej wersji cząsteczki, analiza będzie prawdopodobnie najbardziej czuła, co umożliwia ilościowe oznaczenie nawet mniejszych ilości związków docelowych. Dlatego koncepcja jest bardzo przydatna dla analityków poszukujących śladowych ilości pozostałości cząsteczek organicznych, takich jak pozostałości pestycydów w żywności i produktach rolnych.
Masy izotopowe mogą odgrywać ważną rolę w fizyce, ale fizyka rzadziej zajmuje się cząsteczkami. Cząsteczki różniące się izotopem są czasami odróżniane od siebie w spektroskopii molekularnej lub w dziedzinach pokrewnych; jednak zwykle obserwuje się raczej pojedynczą zmianę izotopu w większej cząsteczce niż skład izotopowy całej cząsteczki. Podstawienie izotopowe zmienia częstotliwości drgań różnych wiązań w cząsteczce, co może mieć obserwowalny wpływ na reaktywność chemiczną poprzez kinetyczny efekt izotopowy , a nawet w niektórych przypadkach nawet na aktywność biologiczną.