Spektrometri massa merupakan metode spektral yang berdasar bukan dari absorbsi energi oleh molekul senyawa organik, namun berdasarkan fragmentasi senyawa organik yang terjadi karena adanya tumbukan antara sebuah molekul organik dengan elektron berenergi tinggi. Tumbukan yang terjadi mengakibatkan sebuah elektron terlepas dari molekul sehingga terbentuk ion organik. Fragmen- fragmen yang lebih kecil dari suatu molekul organik terbentuk akibat instabilitas ion organik yang dihasilkan dari pembombardiran elektron, yang kemudian ditemukan dalam bentuk radikal bebas maupun ion-ion lain. Spektrum massa merupakan alur kelimpahan (abundance) versus nisbah massa/muatan (m/e atau m/z) dari fragmen-fragmen itu. Muatan ion dari kebanyakan partikel yang dideteksi dalam suatu spektrometer massa adalah + 1; nilai m/e untuk suatu ion semacam itu sama dengan massanya. Oleh karena itu, spektrum massa merupakan suatu rekaman dari massa partikel versus kelimpahan relatif partikel tersebut (Fessenden dan Joan, 1986).
Pada umumnya, analisis menggunakan spektrometer massa dipadukan dengan instrumen kromatografi seperti kromatografi gas (GC-MS) maupun kromatografi cair (LC-MS). Spektrometer massa berguna dalam analisis senyawa organik yang belum diketahui bentuk molekulnya berdasarkan analisis terhadap spektra massa yang nampak, sehingga dapat dikatakan merupakan suatu metode yang bersifat luas. Dalam analisis suatu senyawa organik yang telah diketahui atau ada sebelumnya, perangkat komputer menelusuri basis data untuk membandingkan analit dengan data spektra massa dari senyawa-senyawa yang
telah tersimpan dalam sistem sehingga dapat menjawab senyawa tersebut dengan detil. Sementara itu, dalam suatu analisis senyawa yang belum diketahui, ion molekuler, pola fragmentasi, serta pembuktian dari analisis spektrometri lainnya (seperti IR dan NMR) dapat membantu ditemukannya senyawa baru (Silverstein, 2005).
Pola fragmentasi suatu molekul bergantung pada kerangka karbon dan gugus fungsional yang terikat pada molekul tersebut. Karenanya, struktur dan massa fragmen memberikan petunjuk mengenai struktur molekul induknya; serta seringkali untuk menentukan bobot molekul suatu senyawa dari spektrum massanya (Fessenden dan Joan, 1986).
Suatu aturan dalam fragmentasi yang disebut dengan “aturan nitrogen” digunakan sebagai pertimbangan dalam menentukan pola fragmentasi. Suatu molekul dengan massa molekuler genap harus tidak mengandung nitrogen atau mengandung atom nitrogen dalam jumlah genap; sementara molekul dengan massa molekuler ganjil harus mengandung atom nitrogen dalam jumlah ganjil pula. Aturan ini berlaku untuk semua senyawa yang mengandung karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, dan halogen, juga atom-atom yang tidak lazim seperti fosfor, boron, silikon, arsen dan alkali tanah. Menurut pembuktian, dinyatakan bahwa fragmentasi ikatan tunggal sebuah ion molekuler berjumlah genap memberikan fragmen ion ganjil; sebaliknya ion molekuler berjumlah ganjil memberikan fragmen ion dalam jumlah genap. Pernyataan tersebut berlaku dengan catatan bahwa fragmen ion harus mengandung seluruh nitrogen (apabila
Intensitas puncak ion molekuler bergantung pada stabilitas ion molekulernya. Ion molekuler yang paling stabil berasal dari sistem aromatis murni. Apabila substituen yang memiliki jalur pemutusan yang lebih mungkin terjadi, puncak ion molekuler akan tidak terlalu intens, sehingga puncak fragmennya menjadi lebih intens secara relatif. Pada umumnya, gugus-gugus senyawa berikut ini diurutkan berdasarkan penurunan kemampuannya, menghasilkan puncak molekuler yang utama: senyawa aromatis > alkena terkonjugasi > senyawa siklik > sulfida organik > alkana rantai pendek > merkaptan. Ion-ion molekuler yang terdeteksi berdasarkan penurunan kemampuan: keton > amina > ester > eter > asam karboksilat ~ aldehida ~ amida ~ halida. Ion molekuler seringkali tidak dapat dideteksi pada alkohol alifatik, nitrit, nitrat, senyawa nitro, nitril, dan senyawa-senyawa dengan jumlah percabangan yang banyak (Silverstein, 2005).
Dalam menentukan puncak pola fragmentasi pada spektra EI, terdapat beberapa peraturan yang didasarkan pada konsep kimia organik fisik. Akan tetapi perlu dipahami terlebih dulu bahwa aturan fragmentasi ini berlaku bagi spektrometri massa EI. Hal ini dikarenakan teknik-teknik ionisasi (CI, dan lainnya) lainnya seringkali menghasilkan ion molekuler dengan energi lebih rendah atau ion kuasimolekuler dengan pola fragmentasi yang sangat berbeda, sehingga berlaku aturan yang berbeda. Berikut ini merupakan peraturan bagi spektra EI:
1. Tinggi relatif suatu puncak ion molekuler tertinggi pada senyawa dengan rantai lurus dan berkurang seiring dengan peningkatan jumlah percabangan (lihat aturan 3).
2. Tinggi relatif puncak ion molekuler biasanya berkurang dengan adanya peningkatan massa molekuler dalam deret homolog. Lemak ester menjadi suatu pengecualian.
3. Pemaksapisahan (cleavage) terjadi lebih pada atom karbon tersubstitusi alkil: semakin tersubstitusi, semakin besar kemungkinan terjadinya pemaksapisahan. Hal ini terjadi akibat peningkatan stabilitas karbokation tersier apabila dibandingkan dengan sekunder, yang lebih stabil daripada karbokation primer, yakni dengan urutan stabilitas sebagai berikut:
CH3+ < R2CH2+ < R3CH+ < R3C+
Pada umumnya, substituen terbesar pada suatu cabang menjadi subtituen yang paling mudah dieliminasi dalam bentuk radikal, diduga karena radikal rantai panjang dapat mencapai stabilitas melalui delokalisasi elektron bebas.
4. Ikatan rangkap, struktur siklik, terlebih cincin aromatis (atau heteroatomik) menstabilkan ion molekuler sehingga meningkatkan kemungkinan kemunculannya.
5. Dalam ikatan rangkap, pemaksapisahan alilik lebih mungkin terjadi dan memberikan karbokation alilik terstabilisasi resonansi. Aturan ini tidak berlaku untuk alkena sederhana karena adanya migrasi ikatan rangkap, namun berlaku bagi sikloalkena.
6. Cincin jenuh lebih mudah untuk kehilangan rantai samping berupa alkil pada ikatan �. Hal ini hanya pada kasus khusus dari percabangan (aturan 3). Muatan positif cenderung berada pada fragmen cincinnya.
7. Dalam senyawa aromatis tersubstitusi alkil, pemaksapisahan sangat mungkin terjadi pada ikatan � dalam cincin, sehingga membentuk ion benzyl yang terstabilisasi resonansi, atau seringkali ion tropilium.
8. Ikatan C—C yang terletak di sebelah heteroatom seringkali mengalami pemaksapisahan yang menghasilkan muatan pada fragmen yang mengandung heteroatom di mana elektron yang tidak berpasangan menyediakan stabilisasi resonansi.
9. Pemaksapisahan sering dihubungkan dengan eliminasi molekul-molekul yang kecil, stabil, netral, seperti karbon monoksida, olefin, air, amonia, hidrogen sulfida, hydrogen sianida, merkaptan, ketena, atau alkohol, yang seringkali muncul dengan mengalami penataan ulang (rearrangement) (Silverstein, 2005).