Isotopenmuster in der Massenspektrometrie: So liest du M+1, M+2 und Halogen-Cluster
Kurzantwort: Ein Isotopenmuster ist die Gruppe von Peaks, die ein Molekül liefert, weil seine Atome mehrere Isotope haben. Kohlenstoff trägt bei M+1 etwa 1,1 % von M pro Kohlenstoffatom bei. Ein Chloratom ergibt M : M+2 ≈ 3 : 1, ein Bromatom ≈ 1 : 1, und Schwefel fügt bei M+2 4,4 % hinzu. CH₂Cl₂ zeigt 100 : 64 : 10 bei m/z 84, 86 und 88. Der kostenlose Isotopenmuster-Rechner berechnet das exakte Muster für jede Formel und jeden SMILES, mit Addukten, Auflösung und Vergleich mit deinem Spektrum.
Die wichtigsten Begriffe auf einen Blick
| Isotopenmuster | Die Gruppe von Peaks, die ein Molekül im Massenspektrum liefert, weil seine Atome als verschiedene Isotope vorkommen. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M ist das monoisotopische Ion. M+1 und M+2 sind 1 bzw. 2 Masseneinheiten schwerer. |
| Monoisotopische Masse | Masse mit dem häufigsten Isotop jedes Elements. Koffein C₈H₁₀N₄O₂: 194,0804. |
| Mittlere Masse | Masse mit den Standard-Atomgewichten. Koffein: 194,19 g/mol. |
| Nominelle Masse | Ganzzahlige Masse aus den häufigsten Isotopen. Koffein: 194. |
| Auflösungsvermögen | R = m/Δm, wobei Δm die Peakbreite auf halber Höhe ist (FWHM). |
Faustregeln für Isotope
| Element | Schweres Isotop | Natürliche Häufigkeit | Wirkung auf das Muster |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 1,1 % von M pro Kohlenstoffatom |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 0,37 % pro Stickstoffatom |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 0,2 % pro Sauerstoffatom |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 4,4 % pro Schwefelatom |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 3 : 1 pro Chloratom |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 1 : 1 pro Bromatom |
| F, P, I, Na | keine | 100 % ein Isotop | keine zusätzlichen Peaks |
Bei mehreren Halogenen multipliziert man das Binom aus. Für n Chloratome ist das Muster ungefähr (3 + 1)ⁿ. Zwei Cl ergeben 100 : 64 : 10, drei Cl 100 : 96 : 31 : 3, zwei Br 51 : 100 : 49 und drei Br 34 : 100 : 97 : 32.
So wird ein exaktes Isotopenmuster berechnet
Jedes Element trägt ein kleines Polynom bei: seine Isotopenmassen mit ihren Häufigkeiten. Für Chlor ist es 0,7576 (Masse 35) + 0,2424 (Masse 37). Ein Molekül mit n Chloratomen erhebt es zur n-ten Potenz. Anschließend werden die Polynome aller Elemente miteinander multipliziert. Das nennt man Polynomfaltung.
Der Isotopenmuster-Rechner macht das exakt für jedes stabile Isotop jedes Elements und behält die mittlere Masse jedes Peaks bei. Er verwirft nur Terme, die kleiner als 10⁻¹² des größten sind. Für ein Profilspektrum bleibt auch die Feinstruktur erhalten, sodass Peaks, die sich um wenige mDa unterscheiden, bei hohem Auflösungsvermögen getrennt erscheinen können.
So verwendest du den Isotopenmuster-Rechner
- Öffne den Isotopenmuster-Rechner.
- Wähle bei Art der Eingabe Summenformel oder SMILES. Gib sie bei Formel oder SMILES ein, zum Beispiel
C6H5BroderPt(NH3)2Cl2. - Wähle den Ionentyp: M+• für EI, [M+H]⁺, [M+Na]⁺ oder [M+K]⁺ für positives ESI, [M−H]⁻ oder [M+Cl]⁻ für den negativen Modus oder Ion as written (Ion wie geschrieben) für eine geladene Formel wie
[Pt(NH3)4]2+. - Lies monoisotopische, mittlere und nominelle Masse, den intensivsten Peak sowie die Werte für M+1 und M+2 mit den Schätzungen nach Faustregel ab.
- Stelle Anzeige auf Profil (Auflösung wählen) und gib ein Auflösungsvermögen (m/Δm) ein, um die Form auf deinem Gerät zu sehen.
- Öffne Mit einem gemessenen Spektrum vergleichen, füge deine Paare aus m/z und Intensität ein und lies die Bewertung der Übereinstimmung ab. Mit Beispiel laden probierst du es aus.
- Speichere mit SVG herunterladen, PNG herunterladen oder CSV herunterladen.
Rechenbeispiele
1. Dichlormethan, CH₂Cl₂
Die Ionen ³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl und ³⁷Cl₂ erscheinen bei m/z 84, 86 und 88. Verhältnis = 0,7576² : 2 × 0,7576 × 0,2424 : 0,2424² = 100 : 64 : 10. Das kleine M+1 (1,1 %) stammt von dem einen Kohlenstoffatom.
2. Brombenzol, C₆H₅Br
M bei m/z 156 und M+2 bei m/z 158 im Verhältnis 100 : 97,5, weil ⁷⁹Br und ⁸¹Br zu 50,69 % und 49,31 % vorkommen. M+1 beträgt 6,5 % durch sechs Kohlenstoffatome.
3. Koffein im positiven Elektrospray
C₈H₁₀N₄O₂ hat die monoisotopische Masse 194,0804. Mit einem Proton (1,00728) ergibt sich [M+H]⁺ bei m/z 195,0877. M+1 beträgt 10,3 % von M: 8 × 1,08 % vom Kohlenstoff plus 4 × 0,37 % vom Stickstoff.
4. Fulleren C₆₀
Monoisotopische Masse 720,0000. Mit 60 Kohlenstoffatomen beträgt M+1 65 % und M+2 21 % von M. Ab etwa 90 Kohlenstoffatomen wäre M+1 höher als M.
5. Vancomycin, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ bei m/z 1448,4375. Die 66 Kohlenstoffatome bringen M+1 auf etwa 77 %, und die zwei Chloratome heben M+2 auf etwa 98 %, sodass M, M+1 und M+2 fast gleich hoch sind.
6. Cisplatin, Pt(NH₃)₂Cl₂
Platin hat vier Hauptisotope (¹⁹⁴Pt 32,9 %, ¹⁹⁵Pt 33,8 %, ¹⁹⁶Pt 25,2 %, ¹⁹⁸Pt 7,4 %). Zusammen mit Cl₂ erstreckt sich der Cluster von m/z 296 bis 306, und der höchste Peak liegt bei m/z 300, nicht beim monoisotopischen Wert 299.
Übersichtstabelle: Was das Muster verrät
| Was du siehst | Wahrscheinliche Ursache |
|---|---|
| M+1 ≈ 1,1 % × n von M | n Kohlenstoffatome |
| M+2 ≈ 33 % von M | ein Chloratom |
| M+2 ≈ M | ein Bromatom |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | zwei Chloratome |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | zwei Bromatome |
| M+2 ≈ 4 bis 5 % von M | ein Schwefelatom |
| Isotopenpeaks im Abstand von 0,5 | ein 2+-Ion |
| Breiter Cluster aus vielen Peaks | ein Metall mit mehreren Isotopen (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
Häufige Fehler
- Einen ESI-Peak mit der Masse des Neutralmoleküls vergleichen. Addiere oder subtrahiere zuerst das Addukt.
- Bei hochauflösenden Messungen die mittlere Masse verwenden. HRMS misst monoisotopische m/z-Werte.
- Annehmen, dass M immer der höchste Peak ist. Bei großen Molekülen und vielen Metallen liegt der höchste Peak über M.
- Die Elektronenmasse bei exakten m/z-Werten vergessen. Sie beträgt 0,000549 Da pro Ladung, was im ppm-Bereich zählt.
- CO für Cobalt oder CL für Chlor schreiben. Verwende Co und Cl.
Prüfungstipps
- A-Level und IB: Ein Paar im Verhältnis 3 : 1 im Abstand von zwei Einheiten bedeutet ein Cl, ein Paar 1 : 1 ein Br. Drei Peaks 1 : 2 : 1 bedeuten zwei Br, 9 : 6 : 1 zwei Cl.
- A-Level: Zahl der Kohlenstoffatome ≈ (Höhe von M+1 / Höhe von M) × 100 / 1,1.
- AP Chemistry: Massenspektren von Elementen liefern direkt die Isotopenhäufigkeiten. Mittlere Atommasse = Σ (Isotopenmasse × Anteil).
- JEE und NEET: Übe die Berechnung der mittleren Atommasse aus Isotopendaten, zum Beispiel Cl: 0,7576 × 34,969 + 0,2424 × 36,966 = 35,45.
- Studium: Nutze die exakte Masse (innerhalb von 5 ppm) zusammen mit dem Isotopenmuster, um zwischen möglichen Summenformeln zu wählen, und nutze die A+2-Peaks, um S, Cl und Br zu zählen.
Prüfe jede Formel mit dem Isotopenmuster-Rechner und vergleiche sie dann im Massenspektrum-Viewer mit deinem Spektrum.
Fragen und Antworten
Was ist ein Isotopenmuster in der Massenspektrometrie?
Es ist die Gruppe von Peaks, die ein Molekül liefert, weil seine Atome als verschiedene Isotope vorkommen. Die relativen Höhen von M, M+1, M+2 usw. hängen von den Elementen und ihrer Anzahl ab.
Wie erkenne ich Chlor und Brom in einem Massenspektrum?
Ein Chloratom ergibt M und M+2 im Verhältnis 3 : 1, ein Bromatom M und M+2 im Verhältnis 1 : 1. Zwei Chloratome ergeben 100 : 64 : 10, zwei Bromatome etwa 1 : 2 : 1.
Wie bestimme ich die Zahl der Kohlenstoffatome aus dem M+1-Peak?
Teile die Höhe von M+1 (in Prozent von M) durch 1,1. Ein M+1 von 11 % bedeutet etwa 10 Kohlenstoffatome. Stickstoff trägt etwa 0,37 % pro Atom bei; ziehe das zuerst ab, wenn N vorhanden ist.
Wie groß ist die monoisotopische Masse von Koffein?
Koffein, C₈H₁₀N₄O₂, hat eine monoisotopische Masse von 194,0804 und eine mittlere Masse von 194,19. Sein [M+H]⁺-Ion erscheint bei m/z 195,0877.
Warum ist bei großen Molekülen der höchste Peak nicht der monoisotopische?
Jedes Kohlenstoffatom ist mit 1,07 % Wahrscheinlichkeit ein ¹³C. Ab etwa 90 Kohlenstoffatomen enthalten die meisten Moleküle mindestens ein ¹³C, sodass der M+1-Peak höher wird als M.
Was ist der Unterschied zwischen Centroid- und Profilmodus?
Der Centroid-Modus zeigt einen Strich pro Isotopenpeak. Der Profilmodus zeigt die echte Peakform mit einer durch das Auflösungsvermögen bestimmten Breite, FWHM = m/R; nahe Peaks verschmelzen also bei niedriger Auflösung und trennen sich bei hoher.
Warum liegen die Isotopenpeaks mancher Ionen 0,5 auseinander?
Der Abstand beträgt 1/z. Ein zweifach geladenes Ion wie [M+2H]²⁺ hat Isotopenpeaks im Abstand von 0,5 m/z, ein dreifach geladenes im Abstand von 0,33.