INTERPRETACE
HMOTNOSTNÍCH SPEKTER
Hmotnost je aditivní vlastnost hmoty (tedy vlastnost jednotlivých hmotných těles), která
vyjadřuje míru setrvačných účinků či míru gravitačních účinků hmoty.
Klidová hmotnost je hmotnost tělesa měřená ve vztažné soustavě, vůči které je těleso v
klidu. Částice jako fotony, které nikdy v klidu nejsou, mají klidovou hmotnost nulovou.
Vyjadřuje množství látky v tělese a je shodná s koncepcí hmotnosti v Newtonově klasické
mechanice.
Zákon zachování hmotnosti (1758 M. V. Lomonosov, 1774–1777 A. L. Lavoisier):
"V uzavřené soustavě se součet hmotností látek, které vstupují do reakce, rovná součtu
hmotností látek, které reakcí vznikají."
Na rozdíl od klasické fyziky při relativistických dějích neplatí zákon zachování klidové
hmotnosti. Například srážkou částic na urychlovači mohou vzniknout částice, jejichž úhrnná
klidová hmotnost je větší než klidová hmotnost původních částic.
Relativistická hmotnost je (až na jednotky) ekvivalentní
celkové energii tělesa podle vztahu E=mc². Relativistická
hmotnost roste s rychlostí, protože při zrychlování se
zvyšuje kinetická energie tělesa. Dané těleso má tedy
různou relativistickou hmotnost pro různé pozorovatele. Tato
veličina nevyjadřuje množství látky v tělese, protože látka
zrychlováním nepřibývá. Nicméně pro tuto hmotnost platí
zákon zachování, protože jde o ekvivalent zákona
zachování energie.
Jádra atomů izotopů jednoho prvku mají stejný počet protonů, ale mohou mít rozdílný
počet neutronů. Mají tedy stejné atomové číslo a rozdílné hmotové číslo a atomovou
hmotnost.
Izotopy
Hmotnostní defekt
Relativní atomová hmotnost
Ar = ma / mu
kde ma je klidová hmotnost atomu, mu je atomová hmotnostní konstanta (1.661 x 10−27 kg).
Číselně je relativní atomová hmotnost rovna molární hmotnosti (g/mol).
Pro jeden atom přibližně odpovídá nukleonovému číslu, tj. počtu nukleonů v jádře. U
prvků v přírodě je dána poměrným zastoupením izotopů prvku.
Relativní molekulová hmotnost je podíl klidové hmotnosti molekuly a atomové hmotnostní
konstanty.
Mr = Ma / mu
kde Ma je klidová hmotnost molekuly, mu je atomová hmotnostní konstanta (1.661 x 10−27 kg).
Číselně je relativní molekulová hmotnost rovna molární hmotnosti (g/mol).
Relativní molekulová hmotnost se rovná součtu relativních atomových hmotností jednotlivých
atomů v molekule. Udává poměr skutečné hmotnosti molekuly k atomové hmotnostní
konstantě
Izotopy v přírodě
Izotopy v přírodě
Hmotnostní spektrometrie
Hmotnostní spektrum
Hmotnostní spektrum = sloupcový diagram, intenzita vs m/z
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%Int.
1496 1498 1500 1502 1504 1506 1508 1510 1512 1514 1516 1518 1520 1522 1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536 1538 1540
m/z
1516.39
1517.391515.39
1519.39
1513.39
1520.38
1512.39
1521.39
1511.39
1510.39
1523.39
1509.39
1524.39
1508.39
1525.39
1507.39
1526.381506.39
1527.38
1505.39
1503.39 1529.38
1531.381501.39
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%Int.
1496 1498 1500 1502 1504 1506 1508 1510 1512 1514 1516 1518 1520 1522 1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536 1538 1540
m/z
1516.40
1517.401515.39
1519.41
1513.39
1520.40
1512.39
1521.39
1511.39
1510.39
1523.42
1509.37
1524.41
1508.37
1525.42
1507.36
1526.41
1506.36
1527.42
1505.36
1503.29 1529.49
1531.541501.35
Resolution 2000
Resolution 5000
Ge10Se10
Exaktní hmotnost (exact mass ): lze ji získat součtem hmotností jednotlivých izotopů
molekuly. Např. exaktní hmotnost vody obsahující dva 1H a jeden 16O je 1.0078 + 1.0078
+ 15.9949 = 18.0105. Pokud nejsou specifikovány izotopy, vztahuje se k nejrozšířenějším
z nich.
Nominální hmotnost (nominal mass): pro prvek hmotnost stabilního isotopu
převažujícího v přírodě, pro molekulu je nominální hmotnost sumou nominálních
hmotností jednotlivých atomů. Např. uhlík má 2 stabilní isotopy 12C zastoupený v přírodě
98.9% a 13C zastoupený 1.1%. Nominální hmotnost uhlíku je 12.
Průměrná hmotnost (average mass): získává se součtem průměrných atomových
hmotností jednotlivých prvků. Např. průměrná hmotnost vody H2O je 1.00794 + 1.00794
+ 15.9994 = 18.01528.
Nejvíce zastoupená hmotnost (most abundant mass): hmotnost molekuly s nejvíc v
přírodě zastoupenou distribucí izotopů.
Kendrickova hmotnost (Kendrick mass, F): je definována
F = exp. změřená hmotnost x nominální hmotnost / exaktní hmotnost
(podle Kendrickova postupu je hmotnost CH2 14.000 Da namísto 14.01565 Da)
Stabilita molekulového píku
Molekulový ion je stabilizován rezonancí (viz. PAHs)
Ionty jsou stabilizovány konjugací
násobných vazeb
Stabilita aromatických iontů
Platí pro molekuly běžných prvků (C, H, N, O, F, Si, P, S, Cl, Br, I).
Dusík je jediný z těchto prvků který má sudé atomové číslo a lichou vaznost.
Dusíkové pravidlo
lichý počet dusíků v molekule => lichá molekulová hmotnost
Vhodné pouze pro spektrometry s nízkým
rozlišením.
Nevhodné pro M > 500 Da v důsledku akumulace
ne-nominálních příspěvků
Změny energie ionizace
Stevensonovo pravidlo
Dochází-li k fragmentaci, zůstává kladný náboj na fragmentu s nejnižší ionizační energií.
Relativní důležitost píků
Nedostatek významných sudých iontů, především pro nízká m/z, indikuje
sudou molekulovou hmotnost.
M = 72.15 g/mol
Cykly a násobné vazby
Ekvivalent dvojné vazby (DBE, RDBE)
RDBE = C + H/2 + N/2 + 1
RDBE = C + Si - 1/2(H + F + Cl + Br + I) + 1/2(N + P) + 1
„Lewisovo“ oktetové pravidlo (pravidlo 6N + 2)
počet ne-vodíkových atomů = N
počet elektronů v sigma vazbách = 2(N – 1)
počet valenčních elektronů = V = Σ číslo skupiny atomu – náboj
počet valenčních elektronů v jednoduchých vazbách necyklické
Lewisovy oktetové struktury = A = 8N – 2(N – 1) = 6N + 2
A = 6 x 5 + 2 = 32
V = 4 x 4 + 6 x 1 + 1 x 4 – 0 = 26
EB = (A – V)/2 = (32 – 26)/2 = 3 (počet cyklů a dvojných vazeb)
furan
C4H4O
M = 68.07 g/mol
Pravidlo 13-ti
M/13 = n + r/13
CnHn+r
u = (n – r + 2)/2
u = stupeň nenasycenosti
(cykly + dvojné vazby)
82/13 = 6.3077 = 6 + 0.3077
n = 6
r = 0.3077 x 13 = 4
u = (6 – 4 + 2)/2 = 2cyklohexen
C6H10
M = 82.143 g/mol
Pravidlo 13-ti
M/13 = n + r/13
CnHn+r
u = (n – r + 2)/2
u = stupeň nenasycenosti
(cykly + dvojné vazby)
furan
C4H4O
M = 68.07 g/mol
68/13 = 5.231 = 5 + 0.231
n = 5
r = 0.231 x 13 = 3
ue = (5 – 3 + 2)/2 = 2
u = ue + de = ue + 1 = 3
U derivátů uhlovodíků se heteroatomy
nahrazují uhlovodíkovými ekvivalenty:
O CH4 du = 1
N CH2 du = ½
N2 C2H4 du = 1
Cl C2H11 du = 3
C4H4OC5H8
Fragmentové ionty
Ztráty neutrálních molekul
Derivatizace
Zvýšení těkavosti (GC)
Snadnější identifikace látek
(kyseliny vs. estery)
Silylaceace
Alkylace
Určení polohy dvojné vazby
Adice dimethyldisulfidu
Kontaminace vzorků
“ghost” píky
“krvácení” kolony (bleeding)
(5MS Methylpolysiloxan)
Ftaláty (plasty)
Izotopový pattern
View original version
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%Int.
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540
m/z
129.91
127.90
255.81
125.90
383.71
253.81
511.62381.71
509.62259.81 387.72
515.62
379.71251.81
124.90
505.62380.71252.81123.90
250.81 503.62121.90
247.81
500.62
119.90 369.71
Te
Te2
Te3
Te4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%Int.
140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340
m/z
160.88 204.83 326.87
158.88 202.83 324.87
255.81
200.82156.88 322.87
253.81
259.81
251.81
155.88 199.83 321.87
252.81 320.87154.88 198.82
250.81
196.82152.88 318.87
247.81
316.87194.83
TeP TeAs
Te2
AuTe
Hmotnostní spektrum (negativní mod, energie laseru 150 a.u.) a model. Model indikuje tvorbu
iontů (a) [Ti8C29O7H10]– (38.3 ± 0.6%) a [Ti9C29O4H9]– (61.8 ± 0.5%); (b) [Ti8C25O10H8]– (11 ± 1%),
[Ti8C25O10H9]– (43 ± 3%), a [Ti8C25O10H10]– (44 ± 1%).
MSn fragmentace
Určení sumárního vzorce
v − e + f = 1
v = počet vrcholů (vertices)
e = počet hran (edges)
f = počet ploch (faces)
f = e − v + 1
f = tzv. cyklomatické číslo (počet cyklů v molekule)
Cyklické a nenasycené uhlovodíky
v − e + 0 = 1
v = počet vrcholů (verices)
e = počet hran (edges)
f = počet ploch (faces) = 0
v = e - 1
Stupeň vrcholu grafu (valence vrcholu) = počet hran
zasahujících do daného vrcholu
deg(v1) + deg(v2) + …+ deg(vp) = 2(v – 1)
deg(C) = 4
deg(H) = 1
1 + 1 + 1 + 1 + 4 = 2(4 + 1 – 1)
h + 4c = 2(c + h -1)
h = 2c + 2
Alifatické alkany
Seniorovo pravidlo
Vychází ze Seniorova teorému z teorie grafů. Podmínky existence molekuly jsou:
1. Suma valencí nebo celkový počet atomů s lichou valencí jsou sudé.
2. Suma valencí je větší nebo rovna dvojnásobku maximální valence.
3. Suma valencí je větší nebo rovna dvojnásobku (N - 1)
1 < nC < N
0 ≤ nH ≤ 2nC + 2
0 ≤ nO ≤ 2nC
nC = N/12
nH ≤ 2nC + 2nN + 2
nO ≤ 2nC + 2nN + 2
nN < N
nH < 2nC + 2nN + 2 - nx
nO < 2nC + nN
nH + nN + nx = sudé číslo
Další pravidla
NOPS all > 1 N< 10, O < 20, P < 4, S < 3
NOP all > 3 N < 11, O < 22, P < 6
OPS all > 1 O < 14, P < 3, S < 3
PSN all > 1 P < 3, S < 3, N < 4
NOS all > 6 N < 19 O < 14 S < 8
Heuristické metody
Multiple element count restriction for compounds < 2000 Da, based on the examination of the Beilstein database
and the Dictionary of Natural Products
Heuristika = zkusmé řešení problémů, pro něž neznáme algoritmus nebo přesnější
metodu. Heuristické řešení je často jen přibližné, založené na poučeném odhadu, intuici,
zkušenosti nebo prostě na zdravém rozumu.
Hydrogen/Carbon ratio (H/C) for 42,000 diverse molecules (containing C, H, N, S, O, P, F, Cl, Br, I, Si) taken from the Wiley
mass spectral library.
Element ratios Common range (covering 99.7%) Extended range (covering 99.99%) Extreme range (beyond 99.99%)
H/C 0.2–3.1 0.1–6 < 0.1 and 6–9
F/C 0–1.5 0–6 > 1.5
Cl/C 0–0.8 0–2 > 0.8
Br/C 0–0.8 0–2 > 0.8
N/C 0–1.3 0–4 > 1.3
O/C 0–1.2 0–3 > 1.2
P/C 0–0.3 0–2 > 0.3
S/C 0–0.8 0–3 > 0.8
Si/C 0–0.5 0–1 > 0.5
Heuristické metody
Heuristické metody
Mass Range [Da] Library C max H max N max O max P max
< 500 DNP 29 72 10 18 4
Wiley 39 72 20 20 9
< 1000 DNP 66 126 25 27 6
Wiley 78 126 20 27 9
< 2000 DNP 115 236 32 63 6
Wiley 156 180 20 40 9
< 3000 DNP 162 208 48 78 6
Restrictions for number of elements during formula generation for small molecules based on examination of the
DNP and Wiley mass spectral databases. For each element, the higher count was taken for denominating the
element restriction rule #1
Mass Range [Da] Library S max F max Cl max Br max Si max
< 500 DNP 7 15 8 5
Wiley 10 16 10 4 8
< 1000 DNP 8 16 11 8
Wiley 14 34 12 8 14
< 2000 DNP 8 16 11 8
Wiley 14 48 12 10 15
< 3000 DNP 9 16 11 8
Zastoupení izotopických iontů
c % 13C
h % 2H
n % 15N
o1 a o2 % 17O a 18O
Přístroje s nízkým rozlišením
CxHy
Relative isotopic abundances of the M+1 and M+2 peak for all elemental compositions that
would fit a measured mass of 774.94831 Da (Cangrelor), determined at 1 ppm mass accuracy
(values exceeding 100% are removed in graphics). Most formulas can be discarded if isotope
ratios are measured with an accuracy of ± 5% and used as search constraint (red box).
nC = 0.07M – 6.9
nC = 0.07M – 14
RDBE = C+Si - 1/2(H+F+Cl+Br+I) + 1/2(N+P)+1
Compositional boundaries
Compositional boundaries
Kendrickova hmotnost
Kendrick mass = IUPAC mass × (14.00000/14.01565)
Kendrick mass defect = (Kendrick nominal mass - Kendrick exact mass)
Van Krevelenův diagram
Index aromaticity
DBEAI = 1 + nC – nO –nS –0.5nH
CAI = nC – nO – nN –nS –nP
AI = DBEAI / CAI
Kondenzované aromatické látky: AI > 0.67
Aromatické látky: AI > 0.5
Heatmap
Děkuji za pozornost !!