SPEKTROMETRI MASSA (MS)

Teori MS adalah teknik penentuan struktur molekul organik yang didasarkan pada perbandingan massa relatif molekul terhadap jumlah muatannya = m/eMS tidak melibatkan interaksi antara radiasi ektromagnetik dan materi.Prinsip :Molekul senyawa murniberfase uape berenergi tinggi (70eV)Ion molekul (M+)Ion fragmen Nilai m/e dan corak fragmentasi

Dalam spektrometri massa, molekul sampel dalam fase uap dibombardir dengan elektron berenergi tinggi (70 eV) yang menyebabkan lepasnya satu elektron dari kulit valensi molekul tersebut.Molekul yang kehilangan satu electron akan menjadi suatu kation radikal (M) + e- (M+.) + 2e-

Kation radikal tersebut mengandung semua atom-atom dari molekul asal, minus satu elektron, dan disebut ion molekul /molecular ion, dan dinyatakan dengan M+. Contoh.

MM+

Sebagai hasil dari tabrakan dengan elektron berenergi tinggi, ion molekul akan mempunyai energi yang tinggi dan dapat pecah menjadi fragmen yang lebih kecil (kation, radikal atau molekul netral). M+. m1+ + m.2 atau M+. m1+. + m2

Ion molekul, ion fragmen dan ion radikal fragmen dipisahkan menggunakan medan magnet sesuai dengan perbandingan massa /muatannya (m/e), dan menghasilkan arus listrik (arus ion) pada kolektor/detektor yang sebanding dengan kelimpahan relatifnya.

Fragmen dengan m/z yang besar akan turun terlebih dahulu diikuti fragmen dengan m/z yang lebih kecil.

Partikel netral (yang tak bermuatan) yang dihasilkan dalam fragmentasi tidak terdeteksi secara langsung dalam spektrometer massa.

Kebanyakan kation yang dihasilkan dalam spectrometer massa mempunyai muatan = 1 ( atau e = 1), sehingga m/e secara langsung menunjukkan massa dari kation tersebut

Instrumentasi MSSecara umum :Ionisation unitAnalyzerDetector

Instrumentasi (spektrometer Massa)

Sampel diuapkan di bawah vakum dan diionkan menggunakan berkas elektron. Ion sampel dipercepat menggunakan medan listrik memasuki tabung penganalisis dan dilewatkankan dalam medan magnet. Dalam kekuatan medan magnet yang diberikan, hanya ion-ion positif dan radikal positif yang akan sampai ke detector, sedang ion-ion yang lain (radikal netral) akan dibelokkan ke dinding tabung. Ion dengan m/e lebih besar akan mencapai detektor lebih dulu diikuti m/eyang lebih kecil. Arus listrik yang diterima detektor akan diperkuat dan spektrum massa dari sampel akan direkam.

Teknik Ionisasi 1. EI-MS: Electron Impact - Mass SpectrometerIonisasi sampel dilakukan berkas elektron berenergi tinggi (electron bombardment).

Sumber elektron: filamen rhenium/tungsten dipanaskanKarena energinya tinggi, maka fragmentasi banyak dan kelimpahan M+. relatif kecil. Intensitas puncak ion molekul kecil, bahkan sering tidak nampak, sehingga kadang menyulitkan interpretasi spektra.

M M+

Instrumentasi

Typical Reactions during Electron Impact

Spektra NMR pada EI-MS : banyak puncak fragmen

2. CI-MS:Chemical Ionization-Mass Spektro-meterPola ionisasinya menggunakan gas (mis: metan, isobutan atau ammonia) yang diionkan. Pada tekanan rendah : 10-5 10-7 torr

Pada tekanan tinggi : 0,5 -1 torr

CH4 + e- CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ +C+m/e 16, 15, 14, 13, 12CH4+ + CH4 CH5+ + CH3m/e = 17CH4 + CH3+ C2H5+ + H2m/e = 29CH4 + C2H5+ C3H5+ + H2m/e = 41

Proses ionisasi sampelDengan sample-to-methane ratio 10-3, molekul sampel akan terionisasi melalui tumbukan ion-ion molekul. Suatu tumbukan biasanya meliputi sebuah molekul netral dari sampel dengan satu ion positif dari metana (m/e 17; 29; dan 41). Kebanyakan molekul sampel bertumbukan dengan limpahan ion CH5+ (m/e 17) untuk menghasilkan sebuah ion molekul terprotonasi, yakni:

M + CH5+ (M+1)+ + CH4

Interaksi dengan spesies ion positif yang lain juga terjadi (m/e 29 dan 41), biasanya menghasilkan proses transfer alkil, dengan produksi ion-ion seperti:M + C2H5+ (M+29)+M + C3H5+ (M+41)+

Dalam spectra CI, informasi mengenai BM molekul sample diperoleh dari protonasi molekul sample, dan harga m/e yang diperoleh adalah satu unit lebih besar dibanding BM yang sesungguhnya (M+1)+. Reaksi lain juga dapat terjadi pada CI menghasilkan proton abstraksi (M-1)+ dan transfer muatan (M+1-18)+ atau loss of waterEnergi ionisasi lebih kecil dibanding EI-MS, sehingga fragmentasinya lebih kecil dan kelimpahan relatif M+. tinggi.Profil spektra massa lebih sederhana daripada yang dihasilkan oleh EI

3. Desorption Technique :Soft ionization techniques that usually result in spectra that consist of only M or M+1 peaks.Commonly used for biological samples (i.e. proteins & DNA) or thermally unstable molecules and can measure molecular weights that exceed 10,000 amu.Jenis : FAB-MS :Fast Atom Bombardment - Mass SpectrometerESI-MS : Electrospray Ionization - Mass SpectrometerMALDI : Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization

FAB-MS :Fast Atom Bombardment - Mass SpectrometerIonisasi dilakukan dengan menggunakan 'fast atoms', misalnya He, Ne, Ar. Biasanya sample dilarutkan dulu dalam suatu matrix, misalnya gliserol kemudian dibombardment dengan atom Ne atau Ar berkecepatan tinggiAnalyte anions and cations sputter off the sample, but only cations enter the mass analyzer due to a negatively charged accelerator/repeller plate at the analyzer inlet.Matrik tersebut akan mengurangi fragmentasi analit dengan cara menyerap energi yang dilepaskan oleh by the fast atom stream.

3. FI-MS : Field Ionization - Mass Spectro-meterProses ionisasinya menggunakan medan listrikSample diletakkan pada celah antara anoda dan katoda sebsar 0,5-2mmSample akan terionisasi oleh elektron dengan potensial 5-20kV medan listrik 108 V/cm molekul gas terionisasiM+ and [M+Na]+Keuntungan utama FI adalah kemampuannya menghasilkan ion molekuler stabil dengan energy yang kecil/tak berlebihan, sehingga hampir tidak ada fragmentasi. Hal ini kadang-2 berguna dalam analisis natural product dan molekul besar lainnya, di mana parent ion sulit ditemukan jika menggunakan sumber electron impact.

MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization )-MS The sample is prepared in an aqueous/alcohol solution and mixed with a large excess of a radiation-absorbingThe sample matrix is then dried (evaporated) on the surface of a metallic probe.The mixture is then irradiated with a pulsed laser beam of the same wavelength that the radiation-absorbing matrix absorbs. Analyte cations are released from the mixture and enter a time-of-flight mass analyzer.The entire mass spectrum is obtained between laser pulses. MALDI has found widespread application for large (mw > 100,000) biological macromolecules since its inception in 1988.

Jenis matriks dalam MALDI Contoh hasil analisis sampel biologi

Mass Analyzer (penganalisa massa)Untuk memisahkan ion-ion yang didasarkan pada perbedaan massaHarus mampu membedakan perbedaan massa yang sangat kecil, misalnya C2H4+ (28,031), CH2N+ (28,019), dan CO+(27,995)Jenis :Magnetik (Single focusing dan Double-focusing)Time-of-flightQuadrupole (Ion Travel and Ion Trap)

Magnet (1912) ions are deflected in magnetic fieldQuadrupole (1953) ions travel down a flight path between four parallel rods to which varying electric potentials are appliedQuadrupole Ion Trap (1960) ions are trapped in & selectively released from a circular cavity made up of three electrodesTime of Flight (1955) ions are timed from source to detector

a. Single focusing :Digunakan medan magnitIon-ion dengan massa (m/e) berbeda akan terpisah oleh adanya medan magnet. Ion bermuatan mempunyai gaya magnet sentripetal (F) FP = H.e ( H : kekuatan medan magnet, e: muatan ion, v : kecepatan partikel)Yang seimbang dengan gaya sentrifugal FF = m 2 /r (r : jari-jari lengkungan, m : massa ion, V: tegangan percepatan yang digunakan dalam daerah ionisasi)Energi kinetik partikel (Ek) = e.V = m V2Semua ion yang bermuatan sama, tidak memperhatikan massa, dianggap memperoleh energi kinetik yang sama selama percepatan di medan listrik

Agar ion berjalan melingkar maka FP=FFatau H.e = m 2 /r H.e = m /r Energi kinetiknya : eV = m 2 = m( m 2 /m) = m H2 e2 r2/m2

m/e = H2 r2 /2V m/e tergantung pada V karena H dan r tetap

= H e r /m This equation shows that the m/q ratio of the ions that reach the detector can be varied by changing either the magnetic field (H) or the applied voltage of the ion optics (V).

Instrumentasi :

b. Double focusing : Lebih peka daripada single focusingDigunakan medan listrik dan medan magnitIon-ion molekul dan hasil fragmentasi melewati medan listrikHanya ion-ion dengan kecepatan atau energi kinetik sama yang akan dipengaruhi oleh medan listrik, yang kemudian masuk ke medan magnetPada medan magnet, ion dengan m/e berbeda akan mencapai detektor dengan kecepatan berbedaDiperlukan arus ion yang sangat rendah

c. Time of light (waktu terbang):Pemisaham tanpa medan magnetIon positip dihasilkan berselang-seling oleh penembakan denyut elektron.Frekuensi denyut elektron 10000 Hz dengan umur 0,25 mikrodetikIon yang dihasilkan dipercepat oleh denyut medan listrik yang frekuensinya sama dan melewati tabung pemisahan sepanjang 1m Semua partikel yang masuk mempunyai energi kinetik yang samaJadi kecepatan hanya tergantung pada massa Ek = mv2 = eV v =2 eV/m = d/t

t = d m/2 e V partikel yang lebih ringan akan mencapai detektor lebih awal (t = waktu, d = jarak, V ; kecepatan)

Select mass based on the time it takes an ion to fly through a field free, evacuated tube and reach a negatively charged detector. Ions with higher m/z will take longer to reach the detector than ions of lower m/z.Used for high molecular weight compound due to the limited resolution and sensitivity of the analyzer.

Susunan instrumentasi

d. Quadrupole : Menggunakan 4 kutub listrik dan tanpa menggunakan medan magnetIon-ion masuk dengan kecepatan yang tetap dan arahnya sejajar atau paralel dengan kutubSepasang kutub dihubungkan dengan sumber arus searah (dc) pada ujung positip dan sepasang lainnya pada ujung negatip.Kedua pasang kutub tsb juga dialiri potensial ac dengan dfrekuensi radioGabungan kedua medan menyebabkan m/e tertentu saja yang dapat melewatinya

Constructed of four metal rods, which have an alternating charge appliedAt a given rate of alternation of the rod charges, only ions of the proper m/z will pass through the quadrapole and reach the detector slit. Quadrapole filters have very fast scan times (< 1 s) and are often used as detectors for gas chromatography or liquid chromatography systems.

DetektorIon-ion yang keluar dari ruang ionisasi akan dipercepat oleh tegangan pemercepat sehingga meiliki energi translasi E= eV yang kemudian diubah menjadi energi kinetik E =1/2 mv2Jenis detektor : Faraday cup :Elektron Multiplier :

Faraday cup :Berbentuk cawan (cup)Terdiri dari konduktor yang diisolasi dan langsung dihubungkan dengan elektrometer amplifierCukup peka

Electron multiplier -Discrete DynodeLebih peka dari faraday cupTerdiri dari sepasang plat gelas yang ditutup dengan film logam yang mempunyai tahanan tinggiSepanjang plat dilapisi grid elektrik dan dilewati medan magnetIon akan menumbuk salah satu plat dan melepaskan elektron yang bergerak sepanjang plat. Kemudian akan memberikan sinyal

Electrons cascade through a series of discrete dynodes to amplify the signal ~107 times.

Spektra Massam/z lawan kelimpahanC5H8-(CH3)2

Jenis puncak : Ion puncak molekul M+ m/z = Mr molekul netralBase peak (puncak tertinggi : 100%) m/z < Mr senyawa asliPuncak isotop m/z>m/z ion utama/molekulKelimpahan fragmen tergantung pada kesetimbangan antara kecepatan pembentukan dan dekomposisinya. Fragmen yang melimpah terbentuk dengan mudah dan mempunyai tendensi yang rendah untuk terfragmentasi lebih lanjut, atau relatif stabil.Fragmen yang paling melimpah dinyatakan mempunyai kelimpahan relatif (relative abundance = RA) 100% dan disebut dengan base peak. Kelimpahan fragmen-fragmen yang lain dinyatakan relatif terhadap base peak

Penentuan Rumus molekulPuncak isotop : Senyawa organik : CHON Cl Br SKarena adanya isotop, puncak MS muncul :C, H, dan N M.+ +1O, S, Br, dan Cl M.+ +2

Select a candidate peak for the molecular ion (M+)Examine spectrum for peak clusters of characteristic isotopic patternsTest (M+) peak candidate by searching for other peaks correspond to reasonable lossesLook for characteristic low-mass fragment ionsCompare spectrum to reference spectra

Fragmentasi Proses fragmentasi karena terjadinya pergeseran elektron konsep stabilisasi muatan oleh induksi dan resonansiFragmentasi : pemutusan ikatanFaktor-faktor yang mempengaruhi pemutusan iktan :Ikatan kimiaKestabilan relatif kabokationKestabilan radikal bebas

Pemutusan Ikatan : Homolitik : pemindahan elektron tunggal ( )Heterolitik : pemindahan sepasang elektron ( )

Contoh Pemutusan homolitik :

CH3 - CH2 - +CH2 .CH3 + +CH2- CH2CH3 - CH2 - CH2 CH3 + CH2 = CH2Contoh Pemutusan heterolitik :

Dalam pemutusan ikatan elektron yang paling mudah lepas adalah : Ikatan sigma () : C-C lebih mudah putus daripada C-HIkatan phi () dari ikatan rangkap 2 dan rangkap 3Elektron-elektron pada atom oksigen dan nitrogen

Fragmentasi melalui Pemutusan homolitik :Dihasilkan 1 buah kation dan 1 radikal bebas :

[R-C-]+ R. + +C

Kelimpahan relatif ion hasil pemutusan ikatan tergantung pada kestabilan karbokation dan radikal bebasa, yng lebih penting karbokation contoh :fragmentasi propanaCH3CH2. +CH3 CH3-CH2+ + .CH3CH3CH2. +CH3 CH3-CH2. + +CH3

Dari spektrum Massanya puncak yang muncul m/z = 29 (100%) dan 15 (5,6%) CH3-CH2+ lebih stabil daripada +CH3

Pemutusan heterolitik :Hasil pemutusan berupa kation radikal dan molekul netral

R-CH2- +CH2-OH R-+CH-CH2 + H-O-H M M+ (m-18)

Contoh spektra MS 1

Contoh spektra MS 2

Kelimpahan Isotop:

Meskipun I dan F adalah monoisotopik, namun terdapat dua isotop Cl, yaitu 35Cl dan 37Cl dengan ratio kurang lebih 3:1 dan dua isotop Br, yaitu 79Br dan 81Br dengan ratio kurang lebih 1:1. Dengan demikian suatu ion molekul atau ion fragmen dengan satu atom Cl atau Br juga akan memberikan puncak pada 2 mass units lebih besar (M+2) dengan kelimpahan berturut-turu kurang lebih 30% dan 100% dari puncak (M+).Isotopes: present in their usual abundance.Hydrocarbons contain 1.1% C-13, so there will be a small M+1 peak.If Br is present, M+2 is equal to M+.If Cl is present, M+2 is one-third of M+.If iodine is present, peak at 127, large gap.If N is present, M+ will be an odd number.If S is present, M+2 will be 4% of M+.

Spektra molekul terhalogenasi

Daftar molekul isotop

Daftar molekul yang terfragmentasi

Spektra molekul yang mengandung sulfur

Spektra molekul senyawa alkana

Spektra molekul yang mengandung atom bromin

GC-MSA mixture of compounds is separated by gas chromatography, then identified by mass spectrometry

***