Изотопное распределение в масс-спектрометрии: как читать M+1, M+2 и кластеры галогенов
Коротко: изотопное распределение — кластер пиков, который даёт молекула, потому что у её атомов несколько изотопов. Углерод добавляет около 1,1 % от M на каждый атом углерода в M+1. Один хлор даёт M : M+2 ≈ 3 : 1, один бром ≈ 1 : 1, а сера добавляет 4,4 % в M+2. CH₂Cl₂ показывает 100 : 64 : 10 при m/z 84, 86 и 88. Бесплатный калькулятор изотопного распределения рассчитывает точное распределение для любой формулы или SMILES с аддуктами, разрешением и сравнением с вашим спектром.
Основные термины в одном месте
| Изотопное распределение | Кластер пиков, который молекула даёт в масс-спектре, потому что её атомы существуют в виде разных изотопов. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M — моноизотопный ион. M+1 и M+2 тяжелее на 1 и 2 единицы массы. |
| Моноизотопная масса | Масса по наиболее распространённому изотопу каждого элемента. Кофеин C₈H₁₀N₄O₂: 194,0804. |
| Средняя масса | Масса по стандартным атомным массам. Кофеин: 194,19 g/mol. |
| Номинальная масса | Целочисленная масса по наиболее распространённым изотопам. Кофеин: 194. |
| Разрешающая способность | R = m/Δm, где Δm — ширина пика на половине высоты (FWHM). |
Эмпирические правила для изотопов
| Элемент | Тяжёлый изотоп | Природная распространённость | Влияние на распределение |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 1,1 % от M на атом углерода |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 0,37 % на атом азота |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 0,2 % на атом кислорода |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 4,4 % на атом серы |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 3 : 1 на атом хлора |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 1 : 1 на атом брома |
| F, P, I, Na | нет | 100 % один изотоп | дополнительных пиков нет |
При нескольких галогенах раскройте бином. Для n атомов хлора распределение примерно равно (3 + 1)ⁿ. Два Cl дают 100 : 64 : 10, три Cl — 100 : 96 : 31 : 3, два Br — 51 : 100 : 49, три Br — 34 : 100 : 97 : 32.
Как рассчитывается точное изотопное распределение
Каждый элемент даёт небольшой многочлен: массы его изотопов с их распространённостью. Для хлора это 0,7576 (масса 35) + 0,2424 (масса 37). Для молекулы с n атомами хлора его возводят в степень n. Затем многочлены всех элементов перемножают. Это называется полиномиальной свёрткой.
Калькулятор изотопного распределения делает это точно для каждого стабильного изотопа каждого элемента и сохраняет среднюю массу каждого пика. Он отбрасывает только слагаемые меньше 10⁻¹² от наибольшего. Для профильного спектра сохраняется и тонкая структура, поэтому пики, различающиеся на несколько mDa, могут разделяться при высокой разрешающей способности.
Как пользоваться калькулятором изотопного распределения
- Откройте калькулятор изотопного распределения.
- Выберите Тип ввода: Молекулярная формула или SMILES. Введите её в поле Формула или SMILES, например
C6H5BrилиPt(NH3)2Cl2. - Выберите Тип иона: M+• для ЭИ, [M+H]⁺, [M+Na]⁺ или [M+K]⁺ для положительного ИЭР, [M−H]⁻ или [M+Cl]⁻ для отрицательного режима или Ion as written для заряженной формулы, например
[Pt(NH3)4]2+. - Прочитайте моноизотопную, среднюю и номинальную массу, самый интенсивный пик и значения M+1 и M+2 с их оценками по эмпирическим правилам.
- Установите Отображение в режим Профиль (выберите разрешение) и введите Разрешающая способность (m/Δm), чтобы увидеть форму пиков на вашем приборе.
- Откройте Сравнить с наблюдаемым спектром, вставьте пары m/z и интенсивности и прочитайте вывод о совпадении. Нажмите Загрузить пример, чтобы попробовать.
- Сохраните результат кнопкой Скачать SVG, Скачать PNG или Скачать CSV.
Разобранные примеры
1. Дихлорметан, CH₂Cl₂
Ионы ³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl и ³⁷Cl₂ появляются при m/z 84, 86 и 88. Соотношение = 0.7576² : 2 × 0.7576 × 0.2424 : 0.2424² = 100 : 64 : 10. Небольшой M+1 (1,1 %) даёт единственный атом углерода.
2. Бромбензол, C₆H₅Br
M при m/z 156 и M+2 при m/z 158 в соотношении 100 : 97,5, потому что ⁷⁹Br и ⁸¹Br составляют 50,69 % и 49,31 %. M+1 равен 6,5 % от шести атомов углерода.
3. Кофеин при электрораспылении в положительном режиме
Моноизотопная масса C₈H₁₀N₄O₂ — 194,0804. Добавление протона (1,00728) даёт [M+H]⁺ при m/z 195,0877. M+1 составляет 10,3 % от M: 8 × 1,08 % от углерода плюс 4 × 0,37 % от азота.
4. Фуллерен C₆₀
Моноизотопная масса 720,0000. При 60 атомах углерода M+1 составляет 65 %, а M+2 — 21 % от M. Примерно выше 90 атомов углерода M+1 был бы выше M.
5. Ванкомицин, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ при m/z 1448,4375. 66 атомов углерода дают M+1 около 77 %, а два атома хлора поднимают M+2 примерно до 98 %, поэтому M, M+1 и M+2 почти одинаковой высоты.
6. Цисплатин, Pt(NH₃)₂Cl₂
У платины четыре основных изотопа (¹⁹⁴Pt 32,9 %, ¹⁹⁵Pt 33,8 %, ¹⁹⁶Pt 25,2 %, ¹⁹⁸Pt 7,4 %). Вместе с Cl₂ кластер растягивается от m/z 296 до 306, а самый высокий пик находится при m/z 300, а не при моноизотопном 299.
Сводная таблица: что говорит распределение
| Что вы видите | Вероятная причина |
|---|---|
| M+1 ≈ 1,1 % × n от M | n атомов углерода |
| M+2 ≈ 33 % от M | один атом хлора |
| M+2 ≈ M | один атом брома |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | два атома хлора |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | два атома брома |
| M+2 ≈ 4–5 % от M | один атом серы |
| Изотопные пики через 0,5 | ион с зарядом 2+ |
| Широкий кластер из многих пиков | металл с несколькими изотопами (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
Частые ошибки
- Сравнение пика ИЭР с массой нейтральной молекулы. Сначала прибавьте или вычтите аддукт.
- Использование средней массы в работе с высоким разрешением. HRMS измеряет моноизотопное m/z.
- Мнение, что M всегда самый высокий пик. У больших молекул и многих металлов самый высокий пик лежит выше M.
- Забытая масса электрона при точном m/z. Это 0,000549 Da на заряд, что важно на уровне ppm.
- Запись CO вместо кобальта или CL вместо хлора. Пишите Co и Cl.
Советы к экзамену
- A-level и IB: пара пиков 3 : 1 через две единицы означает один Cl; пара 1 : 1 — один Br. Три пика 1 : 2 : 1 — два Br; 9 : 6 : 1 — два Cl.
- A-level: число атомов углерода ≈ (высота M+1 / высота M) × 100 / 1,1.
- AP Chemistry: масс-спектры элементов прямо дают распространённость изотопов. Средняя атомная масса = Σ (масса изотопа × доля).
- JEE и NEET: тренируйтесь находить среднюю атомную массу по данным об изотопах, например для Cl: 0.7576 × 34.969 + 0.2424 × 36.966 = 35,45.
- Вуз: используйте точную массу (в пределах 5 ppm) вместе с изотопным распределением, чтобы выбрать между формулами-кандидатами, и пики A+2 — чтобы посчитать S, Cl и Br.
Проверьте любую формулу в калькуляторе изотопного распределения, а затем сравните её со своим спектром в инструменте просмотра масс-спектров.
Вопросы и ответы
Что такое изотопное распределение в масс-спектрометрии?
Это группа пиков, которую даёт молекула, потому что её атомы существуют в виде разных изотопов. Относительные высоты M, M+1, M+2 и т. д. зависят от элементов и их числа.
Как распознать хлор и бром в масс-спектре?
Один хлор даёт M и M+2 в соотношении 3 : 1. Один бром даёт M и M+2 в соотношении 1 : 1. Два хлора дают 100 : 64 : 10, а два брома — около 1 : 2 : 1.
Как найти число атомов углерода по пику M+1?
Разделите высоту M+1 (в процентах от M) на 1,1. M+1 в 11 % означает около 10 атомов углерода. Азот добавляет около 0,37 % на атом, поэтому при наличии N сначала вычтите его вклад.
Какова моноизотопная масса кофеина?
У кофеина C₈H₁₀N₄O₂ моноизотопная масса 194,0804, а средняя — 194,19. Его ион [M+H]⁺ появляется при m/z 195,0877.
Почему у больших молекул самый высокий пик — не моноизотопный?
Каждый атом углерода с вероятностью 1,07 % оказывается ¹³C. Примерно при 90 и более атомах углерода большинство молекул содержит хотя бы один ¹³C, поэтому пик M+1 становится выше M.
Чем режим центроидов отличается от профильного?
В режиме центроидов на каждый изотопный пик приходится одна линия. Профильный режим показывает реальную форму пика с шириной, заданной разрешающей способностью, FWHM = m/R, поэтому близкие пики при низком разрешении сливаются, а при высоком — разделяются.
Почему у некоторых ионов изотопные пики отстоят на 0,5?
Расстояние равно 1/z. У двухзарядного иона, например [M+2H]²⁺, изотопные пики отстоят на 0,5 m/z, а у трёхзарядного — на 0,33.