Name: mass accuracy in hrms analysis
Uploaded: 2024-04-04T10:51:34.000Z
Duration: 1 min 15 s
Channel: JoVE

למעט איזוטופ 12C, המסות של גרעיני היסוד קרובות – אך לא בדיוק – למספרים שלמים.
עם זאת, ספקטרום מסות בדרך כלל מראה את מסת החלקיקים מעוגלת למספר השלם הקרוב ביותר, הנקרא המסה האטומית או המולקולרית הנומינלית.
קירוב זה מקשה להבחין בין מולקולות בעלות מסות מולקולריות דומות הנבדלות זו מזו רק בנקודות עשרוניות.
לדוגמה, לציקלופנטנון וציקלוהקסאן יש אותה מסה מולקולרית נומינלית כאשר הם מעוגלים למספר השלם הקרוב ביותר. מולקולות כאלה ניתן להבחין באמצעות ספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה.
HRMS משתמש בשלבי שדה מגנטי צרים כדי לזהות מסות חלקיקים בדיוק של 0.0001 יחידות מסה אטומית מאוחדת. המסה שנקבעת על ידי ספקטרומטריית מסות ברזולוציה גבוהה ידועה כמסה המולקולרית המדויקת.
הפרטים של המסה המולקולרית המדויקת יכולים לשמש כדי להבחין בין מולקולות עם אותה מסה מולקולרית נומינלית. זה, בתורו, מסייע לזהות את הנוסחה המולקולרית של המדגם.

ספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה (hrms)

High-Resolution Mass Spectrometry (HRMS)

הרזולוציה של ספקטרומטר מסה תלויה ביעילות של הפרדת יונים בעלי מסות יונים שונות. מסתו של אטום משוערת לסכום מסות הפרוטונים והנייטרונים שבתוכו, בהתחשב במסות הפרוטונים והנייטרונים כשוות. עם זאת, המסות של הפרוטון (1.6726 × 10-24 גרם) והנייטרון (1.6749 × 10-24 גרם) אינן שוות באמת. ישנה טעות מינורית בביטוי המסות האטומיות ביחס לאטום הפשוט ביותר של מימן. לדוגמה, המסה של הליום (2 פרוטונים + 2 נויטרונים) אינה במדויק פי ארבעה מהמסה של מימן (פרוטון אחד). כמו כן, כאשר מספר נוקליאונים כלואים בגרעין, זה גורם לעלייה באנרגיה הפוטנציאלית ולירידה במסה (מהמרה הדדית של מסה ואנרגיה). זו הסיבה למסה נמוכה יותר של 12C בהשוואה למסה של שישה אטומי דאוטריום (2H), למרות שהמספר הכולל של הפרוטונים והנייטרונים זהה בשני המקרים. מסות אטומיות מתבטאות לעתים קרובות ביחידות מסה אטומית מאוחדת (u), המוגדרות כמסת המנוחה של אטום חופשי במצב קרקע 12C חלקי 12. (יחידת המסה האטומית המאוחדת ידועה גם כדלתון עם הסמל Da. היא נקראת לעתים קרובות 'יחידת המסה האטומית' עם הסמל 'אמו', שהיו השם והסמל של יחידה דומה המבוססת על חמצן שהוחלפה ביחידת המסה האטומית המאוחדת.)

עבור כל גרעיני האטום למעט חופשי, מצב קרקע, במנוחה 12C, המסה האטומית המדויקת אינה מספר שלם. כתוצאה מכך, המסה המולקולרית אינה בהכרח מספר שלם. בדרך כלל, המסה האטומית והמולקולרית משוערת למספר השלם הקרוב ביותר (המכונה מסה נומינלית). המסה של איזוטופ נתון יכולה להתבטא גם כמסה יחסית, שהיא מסת האיזוטופ חלקי קבוע המסה האטומית, השווה ל-1 u. Table 1 מפרטת את המסה היחסית, המסה המדויקת והמסה הנומינלית עבור איזוטופים שונים.

<table style="margin-left: auto; margin-right: auto;">
	<thead>
		<tr>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">אִיזוֹטוֹפּ</th>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מספר פרוטונים</th>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מספר נויטרונים</th>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מסה יחסית</th>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מסה מדויקת</th>
			<th style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מסה נומינלית</th>
		</tr>
	</thead>
	<tbody>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1H</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">0</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.0078 u</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1 u</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">4He</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">2</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">2</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">4</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">4.0026 u</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">4 u</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">12C</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">6</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">6</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">12</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">12.0000 u</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">12 u</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">14N</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">7</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">7</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">14</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">14.0032 u</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">14 u</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">16O</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">8</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">8</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">16</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">15.9949 u</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">16 u</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

Table 1: המסה היחסית, המסה המדויקת והמסה הנומינלית של האיזוטופים הנפוצים ביותר של מימן, הליום, פחמן, חנקן וחמצן.

ספקטרומטרי מסה רגילים יכולים להבחין בין יונים הנבדלים ב-1 u לפחות. זה מעורר קושי להבחין בין מולקולות שונות עם אותם ערכי מסה נומינליים. שקול את הדוגמה של ציקלופנטנון וציקלוהקסאן: לשניהם יש אותה מסה מולקולרית נומינלית של 84 u; עם זאת, יש להם מסות מולקולריות מדויקות שונות, מבנים כימיים ומספרי אטומים (ציקלופנטנון: (CH2)4CO, 84.0573 u; ציקלוהקסאן: C6H11, 84.0936 u). עם זאת, ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה יכול אפילו להבדיל בין יונים הנבדלים רק ב-0.0001 u. ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה משתמש בצעדי שדה מגנטי זעירים כדי לסרוק את המינים הטעונים בתא הניתוח. הצעדים הדקים יעילים בהפרדת יונים בעלי משקל מולקולרי דומה על ידי הסטת נתיבי היונים בהתאם למשקל המולקולרי המדויק שלהם.

ספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה (HRMS)

הרזולוציה של ספקטרומטר מסות תלויה ביעילות הפרדת יונים בעלי מסות יונים שונות. המסה של אטום משוערת ל ...

Education

JoVE Core

Analytical Chemistry

כימיה אנליטית

Unit 1

יחידה 1

Principles of Mass Spectrometry

עקרונות ספקטרומטריית מסה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגי מפתח

mass accuracy in hrms analysis

High-resolution mass spectrometry separates ions by very small differences in mass. This matters because atomic masses are not always exact whole numbers, even though they are often rounded for simple calculations.

Atomic mass is usually estimated by adding the masses of protons and neutrons. In reality, the proton and neutron do not have exactly the same mass. That creates small differences when atomic masses are compared to the simplest hydrogen atom. Helium, for example, is made of 2 protons and 2 neutrons, but its mass is not exactly four times the mass of hydrogen.

Mass can also change because of energy inside the nucleus. When many nucleons are packed together, potential energy increases and mass decreases through mass-energy interconversion. This is why 12C has a lower mass than six deuterium atoms, even though both contain the same total number of protons and neutrons.

Atomic masses are commonly given in unified atomic mass units, or u. This unit is defined as one-twelfth of the rest mass of a free, ground-state 12C atom. It is also called the dalton, or Da. The older term amu was used for a similar oxygen-based unit that has been replaced.

For most nuclei other than free, ground-state, at-rest 12C, the exact atomic mass is not a whole number. That means molecular mass is not always a whole number either. Scientists often round to the nearest whole number and call that the nominal mass. The mass of an isotope can also be written as a relative mass, which is the isotope mass divided by the atomic mass constant, equal to 1 u. Table 1 shows relative mass, exact mass, and nominal mass for common isotopes such as 1H, 4He, 12C, 14N, and 16O.

Normal mass spectrometers usually separate ions that differ by at least 1 u. That can make it hard to tell apart molecules with the same nominal mass. Cyclopentanone and cyclohexane are one example. Both have a nominal molecular mass of 84 u, but their exact masses, structures, and atom counts are different. Cyclopentanone is (CH2)4CO at 84.0573 u, while cyclohexane is C6H11 at 84.0936 u.

A high-resolution mass spectrometer can separate ions that differ by only 0.0001 u. It uses very small magnetic field steps in the analyzing chamber to scan charged species. These fine steps deflect ions according to exact molecular weight and help distinguish compounds with very similar masses.

Mass Accuracy in HRMS Analysis

mass spectrometry: overview

Mass Spectrometry and Molecular Identity

Mass spectrometry helps identify a compound by measuring its molecular mass and molecular formula. It does this by turning the analyte molecule into ions and then comparing ion abundance with mass-to-charge ratio. One common ionization method is electron ionization, or EI. In EI, high-energy electron beams strike analyte molecules in the gas phase. The beam removes an electron and leaves a molecular ion behind. A molecular ion is a radical cation, so it has a positive charge and an unpaired...

mass spectrometry: isotope effect

Isotope Peaks in Mass Spectra

Isotope peaks in mass spectra show how natural isotope mixtures change the signal of a molecule. Most elements occur as a mix of isotopes, which are atoms of the same element with different numbers of neutrons. Because isotopes have different masses, the same fragment can appear at more than one position in a spectrum. The mass of a molecule depends on which isotopes are present in its atoms. The size of each isotope peak also depends on how common those isotopes are in nature. Carbon is a...

mass spectrometry: molecular fragmentation overview

mass-spectrometry-molecular-fragmentation-overview

Mass Spectrometry Fragmentation Patterns

Mass spectrometry fragmentation patterns show how a molecular ion breaks apart after ionization. When a molecule loses an electron inside the mass spectrometer, its structure becomes unstable. The ion then fragments at bonds that often produce the most stable pieces. One common pattern is cleavage of a single bond in the molecular ion. This break forms a radical and a cation. The bond can split in more than one way, but the favored path is the one that gives the more stable carbocation rather...

mass spectrometers

How Mass Spectrometers Sort Ions

A mass spectrometer sorts charged ions by their mass-to-charge ratio and records their relative abundance. It turns vaporized analyte molecules into ions, separates them, and then measures the signal from each type of ion. The process begins in the ionization chamber. The analyte is in the gas phase inside a vacuum, and it is struck by high-energy electrons. The electrons have about 70 eV of energy, which is enough to remove an electron from the analyte and form a molecular ion. After...

mass spectrum

Reading Peaks in a Mass Spectrum

A mass spectrum shows the charged fragments in an analyte as peaks plotted by mass-to-charge ratio, or m/z. The x-axis gives the mass of each charged fragment divided by the number of charges it carries. The y-axis shows the relative abundance of each charged species based on the signal intensity recorded at the detector. The tallest peak is called the base peak. It is assigned an abundance of 100%, and the other peaks are scaled against it. The peak from the molecular ion is called the parent...

mass spectrum: interpretation

Decoding Molecular Ions in Mass Spectra

Mass spectra help scientists identify an unknown compound by finding the molecular ion peak. The molecular ion peak shows the mass of the intact molecule, but it is often weak or missing because high-energy electron beams cause strong fragmentation. When that happens, a soft-energy electron beam can be used to scan the spectrum and improve the molecular ion signal. Other ionization methods can also give a stronger molecular ion peak. Chemical ionization, field ionization, and desorption...

mass analyzers: overview

Mass Analyzers and Ion Separation

Mass analyzers separate ions by their mass-to-charge ratio, or m/z, in a mass spectrometer. After a sample is vaporized in the ionization chamber, it is hit with a high-energy electron beam. This creates a radical cation and also produces neutral molecules, radicals, and cations. Negatively charged accelerator plates then push the cations into the mass analyzer, where they are sent on to the detector. Several mass analyzer designs are commonly used. These include magnetic sector,...

mass analyzers: common types

Quadrupole, TOF, and Ion Trap Analyzers

Quadrupole, time-of-flight, and ion trap mass analyzers each separate ions in a different way. They are common tools in mass spectrometry and help sort ions by their mass-to-charge ratio, or m/z. A quadrupole mass analyzer uses four cylindrical metal rods arranged in a diamond shape. The rods carry a direct current, or DC, voltage and a radio-frequency AC voltage. Ion motion depends on the field strength, so only ions with a certain m/z resonate and reach the detector at that setting. This...

high-resolution mass spectrometry (hrms)

High-resolution mass spectrometry separates ions by very small differences in mass. This matters because atomic masses are not always exact whole numbers, even though they are often rounded for simple calculations. Atomic mass is usually estimated by adding the masses of protons and neutrons. In reality, the proton and neutron do not have exactly the same mass. That creates small differences when atomic masses are compared to the simplest hydrogen atom. Helium, for example, is made of 2...

mass spectrometry: complex analysis

Hyphenated Mass Spectrometry Methods

Mass spectrometry can be paired with separation methods to study complex mixtures. This combination is called a hyphenated method. It helps when a pure mass spectrum is too hard to read because a mixture causes too much fragmentation and too many overlapping signals. GC-MS is one common hyphenated method. GC stands for gas chromatography, which separates volatile, thermally stable compounds in narrow capillary columns before they enter the mass spectrometer. This approach is widely used in...

tandem mass spectrometry

MS/MS Scan Modes and Fragment Ions

Tandem mass spectrometry uses two or more mass analyzers in series to improve selectivity and lower chemical noise during analyte detection. A set of analyzers separated by an interaction cell lets the instrument break ions apart and study the fragment ions that form. Fragmentation happens in the interaction cell and can be caused in several ways. Collision-induced dissociation, or CID, uses inert gases such as nitrogen, argon, or helium. Other methods include surface-induced dissociation...

gas chromatography&ndash;mass spectrometry (gc&ndash;ms)

How GC-MS Separates and Identifies Compounds

Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) separates compounds in a mixture and then identifies them. A gas chromatograph first splits the mixture into its parts. A mass spectrometer then analyzes each part on its own to determine molecular masses and molecular structures. The gas chromatograph uses a long, narrow capillary column. The inner wall of the column has a polysiloxane coating. This coating serves as the stationary phase. It has a high boiling point, low viscosity, and low polarity.

inductively coupled plasma&#8211;mass spectrometry (icp&#8211;ms): overview

inductively-coupled-plasmamass-spectrometry-icpms-overview

ICP-MS Sample Ionization and Detection

ICP-MS uses an inductively coupled plasma torch to turn samples into ions for mass analysis. Solid samples are first dissolved and volatilized before they enter the hot argon plasma. Solution samples are nebulized, which means they are converted into a fine spray, and then passed through the same plasma. Inside the plasma, the analytes break apart. Their atoms become positively charged ions, along with some molecular species. These positive ions are sent to the mass spectrometer, where they...

inductively coupled plasma-mass spectrometry (icp-ms): interferences

inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms-interferences

ICP-MS Signal Interference Sources and Fixes

Inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) is a sensitive method for elemental analysis, but its spectra can be affected by interferences. These interferences can make the mass signal less accurate, even when the instrument is working well. Spectroscopic interferences happen when ions in the plasma have the same mass-to-charge ratio, or m/z, as the analyte ion. This group includes isobaric interferences, polyatomic ion interferences, and refractory oxide ion interferences. Isobaric...

key terms and concepts

Explore how high-resolution mass spectrometry separates ions by exact mass, distinguishes isotopes, and tells apart molecules with the same nominal mass.

Mass Accuracy in HRMS Analysis | JoVE K12

analytical chemistry

JoVE Core Analytical Chemistry simplifies complex chemical principles by breaking them down into clear, engaging animations, making topics from SI Units to NMR spectroscopy more accessible and straightforward. Additionally, the scientist-in-action videos highlight the application of these concepts in real-world research conducted in laboratories globally.

Mass Accuracy in HRMS Analysis

Description

Transcript