Isotooppatronen in massaspectrometrie: zo lees je M+1, M+2 en halogeenclusters
Kort antwoord: een isotooppatroon is de cluster pieken die een molecuul geeft doordat zijn atomen meerdere isotopen hebben. Koolstof voegt bij M+1 ongeveer 1,1% van M per koolstofatoom toe. Eén chlooratoom geeft M : M+2 ≈ 3 : 1, één broomatoom ≈ 1 : 1, en zwavel voegt 4,4% toe bij M+2. CH₂Cl₂ toont 100 : 64 : 10 bij m/z 84, 86 en 88. De gratis isotooppatroon-calculator berekent het exacte patroon voor elke formule of SMILES, met adducten, resolutie en een vergelijking met je spectrum.
De belangrijkste begrippen op één plek
| Isotooppatroon | De cluster pieken die een molecuul in een massaspectrum geeft doordat zijn atomen in verschillende isotopen voorkomen. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M is het monoisotopische ion. M+1 en M+2 zijn 1 en 2 massa-eenheden zwaarder. |
| Monoisotopische massa | Massa met het meest voorkomende isotoop van elk element. Cafeïne C₈H₁₀N₄O₂: 194,0804. |
| Gemiddelde massa | Massa met de standaardatoommassa's. Cafeïne: 194,19 g/mol. |
| Nominale massa | Gehele massa uit de meest voorkomende isotopen. Cafeïne: 194. |
| Oplossend vermogen | R = m/Δm, waarbij Δm de piekbreedte op halve hoogte is (FWHM). |
Vuistregels voor isotopen
| Element | Zwaar isotoop | Natuurlijke abundantie | Effect op het patroon |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 1,1% van M per koolstofatoom |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 0,37% per stikstofatoom |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 0,2% per zuurstofatoom |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 4,4% per zwavelatoom |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 3 : 1 per chlooratoom |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 1 : 1 per broomatoom |
| F, P, I, Na | geen | 100% één isotoop | geen extra pieken |
Bij meerdere halogeenatomen werk je de binomiaal uit. Voor n chlooratomen is het patroon ruwweg (3 + 1)ⁿ. Twee Cl geven 100 : 64 : 10, drie Cl 100 : 96 : 31 : 3, twee Br 51 : 100 : 49 en drie Br 34 : 100 : 97 : 32.
Zo wordt een exact isotooppatroon berekend
Elk element draagt een kleine veelterm bij: de isotoopmassa's met hun abundanties. Voor chloor is dat 0,7576 (massa 35) + 0,2424 (massa 37). Een molecuul met n chlooratomen verheft die tot de macht n. Daarna worden de veeltermen van alle elementen met elkaar vermenigvuldigd. Dit heet polynoomconvolutie.
De isotooppatroon-calculator doet dit exact voor elk stabiel isotoop van elk element en houdt de gemiddelde massa van elke piek bij. Hij laat alleen termen weg die kleiner zijn dan 10⁻¹² van de grootste. Voor een profielspectrum houdt hij ook de fijnstructuur bij, zodat pieken die een paar mDa verschillen bij hoog oplossend vermogen kunnen splitsen.
Zo gebruik je de isotooppatroon-calculator
- Open de isotooppatroon-calculator.
- Kies het Invoertype: Molecuulformule of SMILES. Typ die in Formule of SMILES, bijvoorbeeld
C6H5BrofPt(NH3)2Cl2. - Kies het Iontype: M+• voor EI, [M+H]⁺, [M+Na]⁺ of [M+K]⁺ voor positieve ESI, [M−H]⁻ of [M+Cl]⁻ voor de negatieve modus, of Ion zoals geschreven voor een geladen formule zoals
[Pt(NH3)4]2+. - Lees de monoisotopische, gemiddelde en nominale massa af, de piek met de hoogste intensiteit en de waarden voor M+1 en M+2 met hun schatting volgens de vuistregel.
- Zet Weergave op Profiel (kies resolutie) en typ een Oplossend vermogen (m/Δm) om de vorm op je instrument te zien.
- Open Vergelijken met een gemeten spectrum, plak je paren van m/z en intensiteit en lees het oordeel over de overeenkomst. Druk op Voorbeeld laden om het uit te proberen.
- Sla op met SVG downloaden, PNG downloaden of CSV downloaden.
Uitgewerkte voorbeelden
1. Dichloormethaan, CH₂Cl₂
De ionen ³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl en ³⁷Cl₂ verschijnen bij m/z 84, 86 en 88. Verhouding = 0,7576² : 2 × 0,7576 × 0,2424 : 0,2424² = 100 : 64 : 10. De kleine M+1 (1,1%) komt van het ene koolstofatoom.
2. Broombenzeen, C₆H₅Br
M bij m/z 156 en M+2 bij m/z 158 in de verhouding 100 : 97,5, omdat ⁷⁹Br en ⁸¹Br 50,69% en 49,31% zijn. M+1 is 6,5%, van zes koolstofatomen.
3. Cafeïne in positieve electrospray
C₈H₁₀N₄O₂ heeft monoisotopische massa 194,0804. Een proton erbij (1,00728) geeft [M+H]⁺ bij m/z 195,0877. M+1 is 10,3% van M: 8 × 1,08% van koolstof plus 4 × 0,37% van stikstof.
4. C₆₀-fullereen
Monoisotopische massa 720,0000. Met 60 koolstofatomen is M+1 65% en M+2 21% van M. Boven ongeveer 90 koolstofatomen zou M+1 hoger zijn dan M.
5. Vancomycine, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ bij m/z 1448,4375. De 66 koolstofatomen maken M+1 ongeveer 77% en de twee chlooratomen duwen M+2 naar ongeveer 98%, dus M, M+1 en M+2 zijn bijna even hoog.
6. Cisplatine, Pt(NH₃)₂Cl₂
Platina heeft vier belangrijke isotopen (¹⁹⁴Pt 32,9%, ¹⁹⁵Pt 33,8%, ¹⁹⁶Pt 25,2%, ¹⁹⁸Pt 7,4%). Gecombineerd met Cl₂ spreidt de cluster zich van m/z 296 tot 306 en ligt de hoogste piek bij m/z 300, niet bij de monoisotopische 299.
Overzichtstabel: wat het patroon je vertelt
| Wat je ziet | Waarschijnlijke oorzaak |
|---|---|
| M+1 ≈ 1,1% × n van M | n koolstofatomen |
| M+2 ≈ 33% van M | één chlooratoom |
| M+2 ≈ M | één broomatoom |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | twee chlooratomen |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | twee broomatomen |
| M+2 ≈ 4 tot 5% van M | één zwavelatoom |
| Isotooppieken 0,5 uit elkaar | een 2+-ion |
| Brede cluster met veel pieken | een metaal met meerdere isotopen (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
Veelgemaakte fouten
- Een ESI-piek vergelijken met de neutrale massa. Tel het adduct eerst op of trek het af.
- Gemiddelde massa gebruiken voor werk met hoge resolutie. HRMS meet de monoisotopische m/z.
- Aannemen dat M altijd de hoogste piek is. Grote moleculen en veel metalen hebben een hoogste piek boven M.
- De elektronmassa vergeten voor exacte m/z. Die is 0,000549 Da per lading, wat op ppm-niveau uitmaakt.
- CO schrijven voor kobalt of CL voor chloor. Gebruik Co en Cl.
Examentips
- A-level en IB: een paar 3 : 1 met twee eenheden ertussen betekent één Cl; een paar 1 : 1 betekent één Br. Drie pieken 1 : 2 : 1 betekenen twee Br; 9 : 6 : 1 betekent twee Cl.
- A-level: aantal koolstofatomen ≈ (hoogte van M+1 / hoogte van M) × 100 / 1,1.
- AP Chemistry: massaspectra van elementen geven direct de isotoopabundanties. Gemiddelde atoommassa = Σ (isotoopmassa × fractie).
- JEE en NEET: oefen de gemiddelde atoommassa uit isotoopgegevens, bijvoorbeeld Cl: 0,7576 × 34,969 + 0,2424 × 36,966 = 35,45.
- Universiteit: gebruik de nauwkeurige massa (binnen 5 ppm) samen met het isotooppatroon om tussen kandidaatformules te kiezen, en gebruik de A+2-pieken om S, Cl en Br te tellen.
Controleer elke formule met de isotooppatroon-calculator en vergelijk die daarna met je spectrum in de massaspectrumviewer.
Vragen en antwoorden
Wat is een isotooppatroon in massaspectrometrie?
Het is de groep pieken die een molecuul geeft doordat zijn atomen als verschillende isotopen voorkomen. De relatieve hoogtes van M, M+1, M+2 enzovoort hangen af van de elementen en hoeveel er van elk aanwezig zijn.
Hoe herken ik chloor en broom in een massaspectrum?
Eén chlooratoom geeft M en M+2 in een verhouding 3 : 1. Eén broomatoom geeft M en M+2 in een verhouding 1 : 1. Twee chlooratomen geven 100 : 64 : 10, en twee broomatomen ongeveer 1 : 2 : 1.
Hoe bepaal ik het aantal koolstofatomen uit de M+1-piek?
Deel de hoogte van M+1 (als percentage van M) door 1,1. Een M+1 van 11% betekent ongeveer 10 koolstofatomen. Stikstof voegt ongeveer 0,37% per atoom toe, dus trek dat eerst af als er N aanwezig is.
Wat is de monoisotopische massa van cafeïne?
Cafeïne, C₈H₁₀N₄O₂, heeft een monoisotopische massa van 194,0804 en een gemiddelde massa van 194,19. Het [M+H]⁺-ion verschijnt bij m/z 195,0877.
Waarom is bij grote moleculen de hoogste piek niet de monoisotopische piek?
Elk koolstofatoom heeft 1,07% kans om ¹³C te zijn. Bij ongeveer 90 koolstofatomen of meer bevatten de meeste moleculen minstens één ¹³C, dus wordt de M+1-piek hoger dan M.
Wat is het verschil tussen centroïde- en profielmodus?
De centroïdemodus toont één staaf per isotooppiek. De profielmodus toont de echte piekvorm met een breedte die wordt bepaald door het oplossend vermogen, FWHM = m/R, zodat dicht bij elkaar liggende pieken bij lage resolutie samenvallen en bij hoge resolutie splitsen.
Waarom liggen isotooppieken bij sommige ionen 0,5 uit elkaar?
De afstand is 1/z. Een tweewaardig geladen ion zoals [M+2H]²⁺ heeft isotooppieken op 0,5 m/z van elkaar, en een driewaardig geladen ion pieken op 0,33 van elkaar.