Pattern isotopici in spettrometria di massa: come leggere M+1, M+2 e i cluster degli alogeni
Risposta breve: un pattern isotopico è il gruppo di picchi che una molecola dà perché i suoi atomi hanno più isotopi. Il carbonio aggiunge circa l'1,1% di M per carbonio a M+1. Un cloro dà M : M+2 ≈ 3 : 1, un bromo ≈ 1 : 1 e lo zolfo aggiunge il 4,4% a M+2. CH₂Cl₂ mostra 100 : 64 : 10 a m/z 84, 86 e 88. Il calcolatore di pattern isotopici gratuito calcola il pattern esatto per qualsiasi formula o SMILES, con addotti, risoluzione e confronto con il tuo spettro.
Termini chiave in un unico posto
| Pattern isotopico | Il gruppo di picchi che una molecola dà in uno spettro di massa perché i suoi atomi esistono come isotopi diversi. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M è lo ione monoisotopico. M+1 e M+2 sono più pesanti di 1 e 2 unità di massa. |
| Massa monoisotopica | Massa calcolata con l'isotopo più abbondante di ogni elemento. Caffeina C₈H₁₀N₄O₂: 194,0804. |
| Massa media | Massa calcolata con i pesi atomici standard. Caffeina: 194,19 g/mol. |
| Massa nominale | Massa intera dagli isotopi più abbondanti. Caffeina: 194. |
| Potere risolutivo | R = m/Δm, dove Δm è la larghezza del picco a metà altezza (FWHM). |
Regole pratiche sugli isotopi
| Elemento | Isotopo pesante | Abbondanza naturale | Effetto sul pattern |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 1,1% di M per carbonio |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 0,37% per azoto |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 0,2% per ossigeno |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 4,4% per zolfo |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 3 : 1 per cloro |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 1 : 1 per bromo |
| F, P, I, Na | nessuna | 100% un solo isotopo | nessun picco aggiuntivo |
Con più alogeni, sviluppa il binomio. Per n cloro il pattern è all'incirca (3 + 1)ⁿ. Due Cl danno 100 : 64 : 10, tre Cl danno 100 : 96 : 31 : 3, due Br danno 51 : 100 : 49 e tre Br danno 34 : 100 : 97 : 32.
Come si calcola un pattern isotopico esatto
Ogni elemento contribuisce con un piccolo polinomio: le masse dei suoi isotopi con le relative abbondanze. Per il cloro è 0,7576 (massa 35) + 0,2424 (massa 37). Una molecola con n atomi di cloro lo eleva alla potenza n. I polinomi di tutti gli elementi vengono poi moltiplicati tra loro. Questo si chiama convoluzione polinomiale.
Il calcolatore di pattern isotopici lo fa in modo esatto per ogni isotopo stabile di ogni elemento e conserva la massa media di ogni picco. Scarta solo i termini inferiori a 10⁻¹² del più grande. Per uno spettro di profilo conserva anche la struttura fine, così picchi che differiscono di pochi mDa possono separarsi ad alto potere risolutivo.
Come usare il calcolatore di pattern isotopici
- Apri il calcolatore di pattern isotopici.
- Scegli il Tipo di input: Formula molecolare o SMILES. Digitalo in Formula o SMILES, per esempio
C6H5BroPt(NH3)2Cl2. - Scegli il Tipo di ione: M+• per EI, [M+H]⁺, [M+Na]⁺ o [M+K]⁺ per ESI positivo, [M−H]⁻ o [M+Cl]⁻ per la modalità negativa, oppure Ione come scritto per una formula carica come
[Pt(NH3)4]2+. - Leggi la massa monoisotopica, media e nominale, il picco più intenso e i valori di M+1 e M+2 con le stime delle regole pratiche.
- Imposta Visualizzazione su Profilo (scegli la risoluzione) e digita un Potere risolutivo (m/Δm) per vedere la forma che avresti sul tuo strumento.
- Apri Confronta con uno spettro osservato, incolla le coppie m/z e intensità e leggi il giudizio di corrispondenza. Premi Carica un esempio per provarlo.
- Salva con Scarica SVG, Scarica PNG o Scarica CSV.
Esempi svolti
1. Diclorometano, CH₂Cl₂
Gli ioni ³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl e ³⁷Cl₂ compaiono a m/z 84, 86 e 88. Rapporto = 0.7576² : 2 × 0.7576 × 0.2424 : 0.2424² = 100 : 64 : 10. Il piccolo M+1 (1,1%) deriva dall'unico carbonio.
2. Bromobenzene, C₆H₅Br
M a m/z 156 e M+2 a m/z 158 in rapporto 100 : 97,5, perché ⁷⁹Br e ⁸¹Br sono il 50,69% e il 49,31%. M+1 è il 6,5%, dovuto ai sei carboni.
3. Caffeina in electrospray positivo
C₈H₁₀N₄O₂ ha massa monoisotopica 194,0804. Aggiungendo un protone (1,00728) si ottiene [M+H]⁺ a m/z 195,0877. M+1 è il 10,3% di M: 8 × 1,08% dal carbonio più 4 × 0,37% dall'azoto.
4. Fullerene C₆₀
Massa monoisotopica 720,0000. Con 60 carboni, M+1 è il 65% e M+2 il 21% di M. Oltre circa 90 carboni, M+1 sarebbe più alto di M.
5. Vancomicina, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ a m/z 1448,4375. I 66 carboni portano M+1 a circa il 77% e i due cloro spingono M+2 a circa il 98%, quindi M, M+1 e M+2 hanno quasi la stessa altezza.
6. Cisplatino, Pt(NH₃)₂Cl₂
Il platino ha quattro isotopi principali (¹⁹⁴Pt 32,9%, ¹⁹⁵Pt 33,8%, ¹⁹⁶Pt 25,2%, ¹⁹⁸Pt 7,4%). Combinato con Cl₂, il cluster si estende da m/z 296 a 306 e il picco più alto è a m/z 300, non al monoisotopico 299.
Tabella riassuntiva: cosa ti dice il pattern
| Cosa vedi | Causa probabile |
|---|---|
| M+1 ≈ 1,1% × n di M | n atomi di carbonio |
| M+2 ≈ 33% di M | un cloro |
| M+2 ≈ M | un bromo |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | due cloro |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | due bromo |
| M+2 ≈ 4-5% di M | uno zolfo |
| Picchi isotopici distanti 0,5 | uno ione 2+ |
| Cluster ampio di molti picchi | un metallo con più isotopi (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
Errori comuni
- Confrontare un picco ESI con la massa neutra. Aggiungi o sottrai prima l'addotto.
- Usare la massa media per lavori ad alta risoluzione. L'HRMS misura l'm/z monoisotopico.
- Dare per scontato che M sia sempre il picco più alto. Molecole grandi e molti metalli hanno il picco più alto sopra M.
- Dimenticare la massa dell'elettrone per l'm/z esatto. È 0,000549 Da per carica, e conta a livello di ppm.
- Scrivere CO per il cobalto o CL per il cloro. Usa Co e Cl.
Consigli per l'esame
- A-level e IB: una coppia 3 : 1 a due unità di distanza indica un Cl; una coppia 1 : 1 indica un Br. Tre picchi 1 : 2 : 1 indicano due Br; 9 : 6 : 1 indica due Cl.
- A-level: numero di carboni ≈ (altezza di M+1 / altezza di M) × 100 / 1,1.
- AP Chemistry: gli spettri di massa degli elementi danno direttamente le abbondanze isotopiche. Massa atomica media = Σ (massa dell'isotopo × frazione).
- JEE e NEET: esercitati a calcolare la massa atomica media dai dati isotopici, per esempio Cl: 0.7576 × 34.969 + 0.2424 × 36.966 = 35.45.
- Università: usa la massa accurata (entro 5 ppm) insieme al pattern isotopico per scegliere tra le formule candidate, e usa i picchi A+2 per contare S, Cl e Br.
Verifica qualsiasi formula con il calcolatore di pattern isotopici, poi confrontala con il tuo spettro nel visualizzatore di spettri di massa.
Domande e risposte
Che cos'è un pattern isotopico in spettrometria di massa?
È il gruppo di picchi che una molecola dà perché i suoi atomi esistono come isotopi diversi. Le altezze relative di M, M+1, M+2 e così via dipendono dagli elementi e da quanti atomi di ciascuno sono presenti.
Come riconosco cloro e bromo in uno spettro di massa?
Un cloro dà M e M+2 in rapporto 3 : 1. Un bromo dà M e M+2 in rapporto 1 : 1. Due cloro danno 100 : 64 : 10 e due bromo circa 1 : 2 : 1.
Come trovo il numero di atomi di carbonio dal picco M+1?
Dividi l'altezza di M+1 (in percentuale di M) per 1,1. Un M+1 dell'11% significa circa 10 carboni. L'azoto aggiunge circa lo 0,37% per atomo, quindi sottrailo prima se è presente N.
Qual è la massa monoisotopica della caffeina?
La caffeina, C₈H₁₀N₄O₂, ha massa monoisotopica 194,0804 e massa media 194,19. Il suo ione [M+H]⁺ compare a m/z 195,0877.
Perché nelle molecole grandi il picco più alto non è quello monoisotopico?
Ogni carbonio ha l'1,07% di probabilità di essere ¹³C. Con circa 90 carboni o più, la maggior parte delle molecole contiene almeno un ¹³C, quindi il picco M+1 diventa più alto di M.
Qual è la differenza tra modalità centroide e profilo?
La modalità centroide mostra un bastoncino per ogni picco isotopico. La modalità profilo mostra la forma reale del picco, con una larghezza fissata dal potere risolutivo, FWHM = m/R: i picchi vicini si fondono a bassa risoluzione e si separano ad alta risoluzione.
Perché per alcuni ioni i picchi isotopici distano 0,5?
La spaziatura è 1/z. Uno ione con due cariche come [M+2H]²⁺ ha picchi isotopici distanti 0,5 m/z, e uno ione con tre cariche ha picchi distanti 0,33.