Spektrometri Jisim: Membaca Ion melalui Nisbah Jisim kepada Cas

Spektrometri jisim bukan penimbang kecil yang terus membaca jisim satu molekul. Instrumen terlebih dahulu menghasilkan ion dalam fasa gas. Ion itu kemudian dipisahkan mengikut nisbah jisim kepada nombor cas, lazimnya ditulis m/z, sebelum pengesan merekodkan berapa banyak ion sampai bagi setiap nilai tersebut.

Pengionan, pemisahan dan pengesanan membina spektrum

Sumber ion boleh memindahkan cas kepada molekul dengan pelbagai cara. Kaedah yang bertenaga boleh memecahkan molekul menjadi fragmen, manakala kaedah yang lebih lembut boleh mengekalkan lebih banyak ion berkaitan molekul asal. Selepas itu, penganalisis jisim menggunakan medan elektrik, medan magnet, masa penerbangan atau prinsip lain untuk membezakan ion yang mempunyai m/z berbeza. Pengesan akhirnya menukar ketibaan ion kepada isyarat.

Mengapa paksi utama ialah m/z, bukan jisim sahaja

Ion dengan satu cas positif sering mempunyai nilai m/z yang hampir dengan jisim nombornya, tetapi ion bercas dua akan muncul pada kira-kira separuh nilai itu. Oleh sebab itu, tafsiran spektrum perlu mempertimbangkan keadaan cas. Istilah m/z juga mengingatkan bahawa instrumen membezakan ion berdasarkan gabungan jisim dan cas, bukan jisim secara terasing.

Puncak isotop dan fragmen membawa maklumat berlainan

Unsur mempunyai isotop dengan jisim berbeza. Gabungan isotop dalam sesuatu molekul boleh menghasilkan gugusan puncak yang membantu mengehadkan komposisi unsur. Pada masa yang sama, pemecahan ion boleh menghasilkan siri fragmen. Corak fragmen kadangkala sangat berguna untuk mengenal pasti bahagian struktur, tetapi tafsirannya bergantung pada cara pengionan dan kimia molekul tersebut.

Contoh: karbon dioksida dan klorin

Karbon dioksida, CO₂, mempunyai jisim molekul kira-kira 44 u. Ion molekul CO₂⁺ yang bercas satu muncul pada m/z kira-kira 44, manakala ion bercas dua dengan jisim yang sama akan muncul pada m/z kira-kira 22. Klorin semula jadi mengandungi dua isotop utama, ³⁵Cl (kira-kira 75.8 peratus) dan ³⁷Cl (kira-kira 24.2 peratus), iaitu nisbah kira-kira 3 : 1. Oleh itu ion Cl⁺ tunggal menghasilkan dua puncak pada m/z 35 dan 37 dengan nisbah keamatan kira-kira 3 : 1, dan molekul Cl₂ menghasilkan gugusan puncak pada m/z 70, 72 dan 74 dengan keamatan relatif kira-kira 9 : 6 : 1.

Satu puncak jarang cukup untuk mengenal pasti bahan

Dua spesies berbeza boleh menghasilkan ion pada m/z yang sama, dan satu bahan pula boleh menghasilkan banyak ion melalui isotop, fragmen, kehilangan spesies tidak bercas atau pembentukan ion aduk. Pengenalpastian yang kukuh biasanya menggunakan beberapa ciri serentak, resolusi instrumen yang sesuai, corak isotop, fragmen, standard rujukan atau pemisahan kromatografi sebelum analisis.

Sejarah ringkas

J. J. Thomson membina instrumen awal yang memisahkan ion bercas menggunakan medan elektrik dan magnet, dan pada sekitar 1913 menunjukkan bahawa neon mempunyai dua isotop. Francis Aston memperbaiki instrumen itu menjadi spektrograf jisim pada 1919 dan menemui banyak isotop unsur stabil. Beliau dianugerahkan Hadiah Nobel Kimia 1922.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?