질량 분석의 동위원소 패턴: M+1, M+2, 할로젠 클러스터 읽는 법
짧은 답: 동위원소 패턴은 원자에 여러 동위원소가 있기 때문에 분자가 내는 피크 무리입니다. 탄소는 M+1에 탄소 하나당 M의 약 1.1%를 더합니다. 염소 하나는 M : M+2 ≈ 3 : 1, 브로민 하나는 ≈ 1 : 1을 주고, 황은 M+2에 4.4%를 더합니다. CH₂Cl₂는 m/z 84, 86, 88에서 100 : 64 : 10을 보입니다. 무료 동위 원소 패턴 계산기는 어떤 분자식이나 SMILES에 대해서도 부가물, 분해능, 실측 스펙트럼 비교까지 포함한 정확한 패턴을 계산합니다.
핵심 용어 한눈에 보기
| 동위원소 패턴 | 원자가 여러 동위원소로 존재하기 때문에 분자가 질량 스펙트럼에서 내는 피크 무리. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M은 단일 동위원소 이온입니다. M+1과 M+2는 각각 1, 2 질량 단위 더 무겁습니다. |
| 단일 동위원소 질량 | 각 원소에서 가장 풍부한 동위원소를 써서 구한 질량. 카페인 C₈H₁₀N₄O₂: 194.0804. |
| 평균 질량 | 표준 원자량을 써서 구한 질량. 카페인: 194.19 g/mol. |
| 공칭 질량 | 가장 풍부한 동위원소로 구한 정수 질량. 카페인: 194. |
| 분해능 | R = m/Δm, 여기서 Δm은 반높이에서의 피크 폭(FWHM)입니다. |
동위원소 경험 규칙
| 원소 | 무거운 동위원소 | 자연 존재비 | 패턴에 미치는 영향 |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 탄소 하나당 M의 1.1% |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 질소 하나당 0.37% |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 산소 하나당 0.2% |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 황 하나당 4.4% |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 염소 하나당 3 : 1 |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 브로민 하나당 1 : 1 |
| F, P, I, Na | 없음 | 동위원소 하나가 100% | 추가 피크 없음 |
할로젠이 여러 개면 이항식을 전개하세요. 염소 n개의 패턴은 대략 (3 + 1)ⁿ입니다. Cl 두 개는 100 : 64 : 10, Cl 세 개는 100 : 96 : 31 : 3, Br 두 개는 51 : 100 : 49, Br 세 개는 34 : 100 : 97 : 32입니다.
정확한 동위원소 패턴을 계산하는 방법
각 원소는 동위원소 질량과 존재비로 이루어진 작은 다항식을 만듭니다. 염소라면 0.7576 (질량 35) + 0.2424 (질량 37)입니다. 염소 원자가 n개인 분자는 이를 n제곱합니다. 그런 다음 모든 원소의 다항식을 곱합니다. 이를 다항식 합성곱(polynomial convolution)이라고 합니다.
동위 원소 패턴 계산기는 모든 원소의 모든 안정 동위원소에 대해 이 계산을 정확히 수행하고 각 피크의 평균 질량을 유지합니다. 가장 큰 항의 10⁻¹²보다 작은 항만 버립니다. 프로파일 스펙트럼에서는 미세 구조도 유지하므로, 몇 mDa 차이 나는 피크가 높은 분해능에서 갈라질 수 있습니다.
동위원소 패턴 계산기 사용법
- 동위 원소 패턴 계산기를 엽니다.
- 입력 유형에서 분자식 또는 SMILES를 고릅니다. 분자식 또는 SMILES에 입력합니다. 예:
C6H5Br또는Pt(NH3)2Cl2. - 이온 유형을 고릅니다: EI는 M+•, 양이온 ESI는 [M+H]⁺, [M+Na]⁺, [M+K]⁺, 음이온 모드는 [M−H]⁻ 또는 [M+Cl]⁻,
[Pt(NH3)4]2+같은 하전된 분자식은 Ion as written. - 단일 동위원소 질량, 평균 질량, 공칭 질량, 가장 센 피크, 그리고 경험 규칙 추정값과 함께 M+1, M+2 값을 읽습니다.
- 표시를 프로파일 (분해능 선택)로 설정하고 분해능 (m/Δm)을 입력하면 내 장비에서의 모양을 볼 수 있습니다.
- 관측 스펙트럼과 비교를 열고 m/z와 세기 쌍을 붙여 넣은 뒤 일치 판정을 읽습니다. 시험해 보려면 예제 불러오기를 누르세요.
- SVG 다운로드, PNG 다운로드, CSV 다운로드로 저장합니다.
풀이 예제
1. 다이클로로메테인, CH₂Cl₂
³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl, ³⁷Cl₂ 이온이 m/z 84, 86, 88에 나타납니다. 비율 = 0.7576² : 2 × 0.7576 × 0.2424 : 0.2424² = 100 : 64 : 10. 작은 M+1(1.1%)은 탄소 하나에서 나옵니다.
2. 브로모벤젠, C₆H₅Br
⁷⁹Br과 ⁸¹Br이 각각 50.69%, 49.31%이므로 m/z 156의 M과 m/z 158의 M+2가 100 : 97.5 비율로 나타납니다. M+1은 탄소 여섯 개에서 나온 6.5%입니다.
3. 양이온 전기분무에서의 카페인
C₈H₁₀N₄O₂의 단일 동위원소 질량은 194.0804입니다. 양성자(1.00728)를 더하면 [M+H]⁺가 m/z 195.0877에 나옵니다. M+1은 M의 10.3%로, 탄소에서 8 × 1.08%, 질소에서 4 × 0.37%가 나옵니다.
4. C₆₀ 풀러렌
단일 동위원소 질량 720.0000. 탄소가 60개이므로 M+1은 M의 65%, M+2는 21%입니다. 탄소가 약 90개를 넘으면 M+1이 M보다 높아집니다.
5. 반코마이신, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺는 m/z 1448.4375. 탄소 66개 때문에 M+1이 약 77%가 되고, 염소 두 개 때문에 M+2가 약 98%까지 올라가 M, M+1, M+2의 높이가 거의 같습니다.
6. 시스플라틴, Pt(NH₃)₂Cl₂
백금에는 주요 동위원소가 네 개 있습니다(¹⁹⁴Pt 32.9%, ¹⁹⁵Pt 33.8%, ¹⁹⁶Pt 25.2%, ¹⁹⁸Pt 7.4%). Cl₂와 합쳐지면 클러스터가 m/z 296에서 306까지 퍼지고, 가장 높은 피크는 단일 동위원소 피크인 299가 아니라 m/z 300에 있습니다.
요약 표: 패턴이 알려 주는 것
| 보이는 것 | 가능한 원인 |
|---|---|
| M+1 ≈ M의 1.1% × n | 탄소 원자 n개 |
| M+2 ≈ M의 33% | 염소 하나 |
| M+2 ≈ M | 브로민 하나 |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | 염소 두 개 |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | 브로민 두 개 |
| M+2 ≈ M의 4~5% | 황 하나 |
| 동위원소 피크 간격 0.5 | 2+ 이온 |
| 여러 피크로 이루어진 넓은 클러스터 | 동위원소가 여러 개인 금속 (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
흔한 실수
- ESI 피크를 중성 질량과 비교하는 것. 먼저 부가물을 더하거나 빼세요.
- 고분해능 작업에 평균 질량을 쓰는 것. HRMS는 단일 동위원소 m/z를 측정합니다.
- M이 항상 가장 높은 피크라고 가정하는 것. 큰 분자와 많은 금속은 M보다 무거운 쪽에 가장 높은 피크가 있습니다.
- 정확한 m/z에서 전자 질량을 잊는 것. 전하당 0.000549 Da로, ppm 수준에서는 중요합니다.
- 코발트를 CO로, 염소를 CL로 쓰는 것. Co와 Cl을 쓰세요.
시험 팁
- A-level과 IB: 2 단위 떨어진 3 : 1 쌍은 Cl 하나, 1 : 1 쌍은 Br 하나를 뜻합니다. 1 : 2 : 1의 세 피크는 Br 두 개, 9 : 6 : 1은 Cl 두 개를 뜻합니다.
- A-level: 탄소 수 ≈ (M+1 높이 / M 높이) × 100 / 1.1.
- AP Chemistry: 원소의 질량 스펙트럼은 동위원소 존재비를 바로 보여 줍니다. 평균 원자 질량 = Σ (동위원소 질량 × 비율).
- JEE와 NEET: 동위원소 데이터로 평균 원자 질량을 구하는 연습을 하세요. 예: Cl: 0.7576 × 34.969 + 0.2424 × 36.966 = 35.45.
- 대학: 정확한 질량(5 ppm 이내)과 동위원소 패턴을 함께 써서 후보 분자식 중에서 고르고, A+2 피크로 S, Cl, Br의 개수를 세세요.
동위 원소 패턴 계산기로 어떤 분자식이든 확인한 다음 질량 스펙트럼 뷰어에서 실제 스펙트럼과 비교하세요.
질문과 답변
질량 분석에서 동위원소 패턴이란?
원자가 여러 동위원소로 존재하기 때문에 분자가 내는 피크 무리입니다. M, M+1, M+2 등의 상대 높이는 어떤 원소가 몇 개 있는지에 따라 달라집니다.
질량 스펙트럼에서 염소와 브로민은 어떻게 알아보나요?
염소 하나는 M과 M+2를 3 : 1 비율로, 브로민 하나는 M과 M+2를 1 : 1 비율로 줍니다. 염소 두 개는 100 : 64 : 10, 브로민 두 개는 약 1 : 2 : 1입니다.
M+1 피크로 탄소 원자 수는 어떻게 구하나요?
M+1 높이(M에 대한 백분율)를 1.1로 나누세요. M+1이 11%이면 탄소가 약 10개입니다. 질소는 원자당 약 0.37%를 더하므로, N이 있으면 먼저 그만큼을 빼세요.
카페인의 단일 동위원소 질량은?
카페인 C₈H₁₀N₄O₂의 단일 동위원소 질량은 194.0804, 평균 질량은 194.19입니다. [M+H]⁺ 이온은 m/z 195.0877에 나타납니다.
큰 분자에서는 왜 가장 높은 피크가 단일 동위원소 피크가 아닌가요?
탄소 하나하나가 ¹³C일 확률은 1.07%입니다. 탄소가 약 90개 이상이면 대부분의 분자가 ¹³C를 적어도 하나 포함하므로 M+1 피크가 M보다 높아집니다.
센트로이드 모드와 프로파일 모드는 무엇이 다른가요?
센트로이드 모드는 동위원소 피크 하나당 막대 하나를 보여 줍니다. 프로파일 모드는 분해능으로 정해지는 폭(FWHM = m/R)을 가진 실제 피크 모양을 보여 주므로, 가까운 피크가 낮은 분해능에서는 합쳐지고 높은 분해능에서는 갈라집니다.
어떤 이온은 왜 동위원소 피크 간격이 0.5인가요?
간격은 1/z입니다. [M+2H]²⁺ 같은 2가 이온은 동위원소 피크가 m/z 0.5 간격으로, 3가 이온은 0.33 간격으로 나타납니다.