PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG
7.2. ĐỔNG VỊ TRONG PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHÓI LƯỢNG [87,116]
7.2.1. Biểu hiện của các đồng vị trên phổ khối lượng
Nếu phân tử chất nghiên cứu chứa một nguyên tố có hơn một đồng vị bển với hàm lượng tự nhiên đủ lớn thì với mỗi ion chứa nguyên tố xìó sẽ quan sát thấy nhiều hơn một pic. Thí dụ, ở phổ của CH3Br có 2 pic với cường độ như nhau ở m/z = 94 và 96 tương ứng với ion [CH379Br]+ và [CH381Br]+. Hai đồng vị 79Br và 8lBr có hàm lượng tự nhiên hầu như bằng nhau (50,54 và 49,46% ), vì th ế mỗi ion m ảnh có chứa Br đều thể hiện ở 2 pic với cường độ gần như bằng nhau và ở cách nhau hai đơn vị m/z.
Hàm lượng tự nhiên của 35C1 gấp ba lần của 37C1 (bảng 3.1), do đó ion có chứa một nguyên tử clo sẽ cho hai pic cách nhau 2 đơn vị m/z với cường độ 3: 1. Ion phân tử hoặc ion m ảnh nếu chứa 2 nguyên tử brom (hoặc clo) sẽ cho một nhóm 3 pic, nếu chứa 3 nguyên tử brom (hoặc clo) sẽ cho một nhóm 4 pic, các pic này đều cách nhau 2 đơn vị m/z và có cường độ tính được nhờ toán xác suất, chẳng hạn như ở hình 7.3.
Ề "°1
50 DO
a,
X ô2
X ô,J5
no
50
<H
no
ụ Cl2
X ằ2 ự
X*m70
ễ
1—4— I
H ìn h 7.3. Cường độ tương đối của các ion đồng vị chứa 1, 2, 3 hoặc 4 nguyên tử Cl.
Đối với lưu huỳnh, đồng vị 32s chiếm 95%, đồng vị Ms chiếm 4% do đó ờ hợp chất chứa một nguyên tử s sẽ có hai pic ion phân tử với khói lượng M và M + 2.
Cường độ của pic M + 2 bằng 4% cường độ pic M. Điều này có thể thấy rõ trên phổ của benzothiazol được trình bày ở hình 7.4: bên cạnh pic ion phàn từ ờ m /z = 135 có pic ở m/z = 137 với cường độ là 4%.
25 50 75 100 125 m/z
H ìn h 7.4. Phổ khối lượng của benzothiazol.
Đổng vị 13c có hàm lượng tự nhiên là 1,1% do đó tất cả các ion có chứa cacbon đều có thêm một pic với khối lượng lớn hơn m ột đơn vị. Đ ối với m ột ion chứa n nguyên tử cacbon thì cường độ của pic đồng vị 13c sẽ bằng n X 1,1% so với pic đồng vị 12c . Chẳng hạn, các ion [Q H jj]* , [C^Hto]* và [C100H ,70]+* sẽ tạo ra các pic đồng vị có khối lượng lớn hơn m ột đơn vị và có cường độ bằng khoảng 5,5; 44 và 110% so với pic của ion chỉ chứa đồng vị 12c . Tất nhiên là xác suất để tìm thấy hai nguyên tử l3C trong một ion là rất thấp, vì th ế pic M + 2 thường có cường độ không đáng kể. ở phổ của benzothiazol (hình 7.4), giữa pic M (m/z = 135) và pic M + 2 (do đổng vị 34s tạo nên) có pic M + 1 với cường độ bằng 8% cường độ pic M. N ếu cho rằng về cơ bản pic M + 1 là do đổng vị 13c gây nên thì ta có thể tính được gần đúng số nguyên tử cacbon trong phân tử benzothiazol là 7 (bằng cách lấy tỉ số cường độ của pic đó và cường độ của pic ion phân tử, I(M+1/ I M, chia cho hàm lượng tự nhiên của đồng vị l?C):
_ ỊtM+i)-100 _8_ _ I(Mt„ .l,l “ 1,1 -
Đổng vị l5N chỉ chiếm có 0,36%, đổng vị 14N chiếm 99,64% , vì vậy có thể cho ràng ở các ion phân tử chỉ chứa đổng vị 14N. Người ta rút ra “ q u y tắc n itơ” như sau:
Đối với hợp chất chứa nitơ, nếu khối lượng của ion phân tử là số lẻ, thì phân tử có chứa một số lẻ nguyên tử nitơ ; nếu khối lượng của ion phân tử là số chẫn, thì phân từ có chứa m ột số chẵn nguyên tử nitơ. Chẳng hạn, trên phổ của benzothiazol (hình 7.4) pic ion phân tử có khối lượng 135, vậy phân tử có chứa một nguyên tử nitơ (số nguyên tử c và s đã xét ở trên).
Platin có nhiều đồng vị, trong đó 4 đồng vị có hàm lượng đáng kể là: 194Pt, 195Pt, '96Pt, l98Pt (bảng 7.1). Hãy xem xét phổ khối lượng của cis-đicloro(anilin) (quinolin) platin (II) ở hình 7.5.
1 0 0 0 0 0
BOOOO
60000
ô0000
2Ó000
93
102
129
4 15
..í ..li 111 las 135 143 i[> i l
■/■••> W W ' i 1 0' ĩ ĩ o U 0 l ỉ o T i T ĨT o ' . i . 4 Ĩ Ĩ ' • ■ n o
4 5 2 486
H ìn h 7.5. Phổ khối lượng của c/í-[P tC l2(C6H5N H2)(C9H7N)].
Phức chất cjs-fPtClzCQHsNI^XC^N)] có phân tử khối thấp nhất (tính với các đồng vị nhẹ nhất) là 486, ở cụm pic ion phân tử của nó có các pic với m/z lần lượt là: 486, 487, 488, 489 và 490. Đối với các phức cz's-diamin của Pt mà chúng tôi nghiên cứu, tương tự như ở hình 7.5, các cụm pic ion phân tử của chúng đều gồm từ 4 vạch trở lên. Đó là biểu hiện sự tổ hợp các đồng vị của Pt, Cl, c là chủ yếu (xem bảng 7.1).
7.2.2. P h ổ k h ố i lượng p h â n giải cao
Thực ra khối lượng tính theo đơn vị c của hầu hết các đổng vị đều không phải là các số tròn đơn vị m à là các số thập phân như thấy ở bảng 7.1.
Bảng 7.1. Khối lượng nguyên từ và hàm lượng tự nhiên cùa m ột số dóng vị Đồng vị
Khối lượng nguyên tử (12c = 12,000000)
Hàm lượng
tự nhiên, % Đổng vị
Khối lượng nguyên từ ( ,2C = 12,000000)
Hàm lượng tự nhiên, %
'H 1,007825 99,985 33s 32,971461 0,76
2h 2,014102 0,0015 34s 33,967865 4,2
12c 12,000000 98,9 35C1
34,968855 75,8
13c 13,003354 1,1 37C1 36,965896 24,2
,4n 14,003074 99,64 79 Br 78,918348 50,5
15n 15,000108. 0,36 81 Br 80,916344 49,5
160 15,994915 99,8 127j 126,904352 100
170 16,999133 0,04 127 J 126,904352 100
180 17,999160 0,2 127j 126,904352 100
19f 18,998405 100 194Pt 193,9627 32.9
28s, 27,976927 92,2 195Pt 194,9648 33,8
31p 30,973763 100 196Pt 195,9649 25,3
32s 31,972074 95,0 VO 00 3 197,9679 7,21
Chính vì vậy không có gì là ngạc nhiên khi c o , H2CN, C2H4 và N2 được "chấp nhận" có phân tử khối đều là 28 thực ra lại là những tiểu phân có khối lượng khác nhau đáng kể:
Tiểu phân: ‘H 160 14N c o H 2CN Q H4 N2
Khối lượng: 1,00782 15,9949 14,0031 27,9949 28,0187 28,0313 28,0061 Phương pháp p h ổ khối lượng phân giải cao cho phép phân biệt được các ion dương tương ứng với các tiểu phân kể trên. Người ta đạt được độ phân giải cao bằng cách cho chùm ion đi qua m ột bộ phận phân tách bằng tĩnh điện trước ịchi đi vào bộ phận phân tách bằng từ trường. Cách phân tách hai lần như vậy cho phép có thể xác định được khối lượng chính xác tới cỡ phần vạn đvC hoặc nhỏ hơn nữa.
ở phương pháp phổ khối lượng phân giải cao, các thông tin được x ử lí ờ mội máy tính đã được chương trình hoá với khối lượng chính xác của c , H, o , N... (xem bảng 7.1). Từ khối lượng chính xác của các ion, m áy tính sẽ cho biết thành phần của chúng. Thành phần của các ion được tự động ghi ra theo chiều tăng giá trị m /z và được sắp xếp theo từng loại (thí dụ loại ion chứa c , H, loại ion chứa c , H. o ...) Người ta gọi' đó là “bản đổ nguyên tố ” của chất.
Nhờ xác định được khối lượng chính xác tới phần vạn, phần triệu đvC, thông qua máy tính, người ta đã xác định được cách tổ hợp các nguyên tử ở ion phân tử, tức là xác định được công thức phân tử mà không cần phải phân tích định lượng nguyên tố. Đó là một thành công tuyệt vời của phương pháp phổ khối lượng phân giải cao.
Như thế, ngày nay chỉ cần m ột lượng mẫu rất nhỏ (cỡ ng thậm chí vài pg chất nghiên cứu) cũng đủ để xác định công thức phân tử của nó.