SPEKTROMETRI MASSA (MASS SPECTROMETRY, MS)

(1)

SPEKTROMETRI MASSA

(MASS SPECTROMETRY, MS)

Revisi 03 April 2010

(2)

S2-UP/MS/Hendig Winarno 2

I. Introductions

II. Sample Handling

III. Instrumentation & Theory

IV. Interpretation of Mass Spectra &

Characteristic Peaks

(3)

spektrometri massa

meliputi :

Produksi ion fragmen akan memberikan informasi yg berguna berhubungan dng struktur molekul induk. Pola fragmentasi setiap senyawa umumnya unik atau berbeda dr yg lain, shg pemisahan dan pengukuran ion, baik ion negatif maupun ion positif dalam fasa gas berdasarkan rasio massa terhadap muatan (m/z)

Oleh karena cuplikan biasanya bermuatan netral, maka cuplikan pertama-tama harus diionisasi.

Ionisasi molekul senyawa sering diikuti dengan seri reaksi peruraian atau fragmentasi kompetitif secara spontan yang menghasilkan ion-ion tambahan.

(4)

S2-UP/MS/Hendig Winarno m/z 4

intensitas relatif (%)

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

butil asetat (M.W. 116) spektrum massa: sajian intensitas spesi / fragmen bermuatan

sebagai fungsi massa,atau rasio massa (m/z) Posisi dan intensitas nilai m/z memberikan informasi kualitatif perihal bentuk senyawanya.

Contoh spektrum asam karboksilat alifatik

(5)

Spektrometri massa sangat penting diantara metoda penentuan struktur yang lain karena informasi yang diperoleh berupa informasi kimiawi.

Informasi kuantitatif diperoleh dengan pengamatan ion tertentu yang karakteristik sebagai fungsi jumlah cuplikan, dibandingkan dengan standar.

(6)

73

58

44

(7)

137

(8)

Skema sederhana EI-Mass Spectrometer

(9)

Instrumentasi yang diperlukan untuk ini terdiri 4 komponen utama :

1. sistem inlet untuk penguapan,

2. sumber yang mengionisasi dan menahan ion- ion untuk sementara waktu (biasanya sekitar 1

sec) agar fragmentasi dapat terjadi, 3. sistem analisis massa, dan

4. sistem deteksi

(10)

SISTEM INLET

Heated Inlet

(untuk sampel murni, mudah menguap)

• Cairan volatil umumnya diinjeksikan melalui septum ke dalam reservoir panas pada tekanan 10^-2 Torr yang dihubungkan ke sumber ion pada 10^-6 Torr.

• Karena banyak senyawa tidak mempunyai tekanan uap keseimbangan cukup besar pada suhu kamar, maka inlet harus beroperasi pada

• Sistem inlet harus mampu menguapkan molekul senyawa.

tekanan rendah (10^-5 sampai 10^-7 torr) dan suhu tinggi oven (sampai 300^o C).

• Sejumlah kecil cuplikan padat atau cair (sekitar 10-100g) dimasukkan menggunakan tabung cuplikan (bisa dibuka- tutup) ke dalam ruang inlet.

(11)

Direct Inlet

(untuk sampel murni, tidak mudah menguap)

• Cairan non volatil atau padatan diinjeksikan ke dalam sumber ion dengan cara ditempatkan dalam mini cup yang terbuat dari gelas, kuarsa, stainless steel, atau emas dan diletakkan pada ujung probe dengan melewati vaccum lock.

• Sampel masuk hingga mencapai ion chamber yang umumnya dipanaskan 150-250^oC.

(12)

Skema DIP dan vaccun lock

• Posisi probe dibuat tepat sehingga memberikan kecepatan evaporasi sampel yang sesuai yang dapat dimonitor pada TIC (total ion current) recorder.

• Waktu yang diperlukan untuk mendapatkan spektra pada umumnya tidak lebih dari 5 menit, meskipun untuk mengeluarkan probe harus menunggu suhu mencapai kurang lebih 50^oC.

(13)

Kromatografi Gas, GC

(sampel murni / campuran)

• Sampel diinjeksikan ke dalam GC, setelah terpisah, masing masing puncak (senyawa) masuk ke dalam sumber ion melalui interface/transfer line.

• Contoh termasuk derivat trimetilsilil alkohol atau molekul yang mengandung gugus karbohidrat, atau derivat ester asam organik.

• Sering juga, molekul sukar menguap diubah dulu menjadi derivat mudah menguap sebelum dimasukkan ke dalam spektrometer.

(14)

Kromatografi Cair, HPLC

(sampel murni / campuran)

• Sampel diinjeksikan ke dalam HPLC, setelah terpisah, masing masing puncak (senyawa) masuk ke dalam sumber ion.

• Dalam LC-MS, sampel dapat diintroduksikan secara langsung, direct liquid introduction (DLI), dari kolom LC sebagian sampel langsung masuk ke dalam MS detektor tanpa perlakukan khusus. Umumnya untuk sampel volatil.

• Packed column GC – carrier gas He, molekul ditarik lebih cepat ke vakum karena massanya kecil. Komponen yang terpisah langsung masuk ke spektrometer.

(15)

• Cara lain untuk memasukkan sampel ke dalam ion souce yaitu termospray method.

• Sampel setelah malalui pemisahan dengan LC, disemburkan ke dalam sistem vacum MS dalam flow rate yang tinggi, kmd diionisasi.

(16)

Contoh TIC yang diintroduksi mengg. reverse phase coloumn dan thermospray interface

Methoxy polyethylene glycol oligomer

Spektrum (PCI) puncak 8 min 14 s

(17)

1.2. SISTEM IONISASI

• Molekul sampel M masuk ke dalam ruang ion yang bekerja dengan sistem vakum tinggi (10^-4 ~10^-6 Torr).

• Molekul M akan ditumbuk oleh elektron (e)yang berasal dari filamen panas (biasanya terbuat dari Tungsten atau Rhenium), sehingga elektron terlempar keluar dari molekul menghasilkan radikal kation [M]⁺^..

ELECTRON IMPACT (EI) mode

(positive) electron impact merupakan mode yang umum dipakai.

M + e M

⁺

+ 2e

(18)

• Kelebihan energi dapat menyebabkan ion molekul mengalami fragmentasi lebih lanjut.

• Dua buah tipe fragmentasi yang penting :

• Hanya spesi yang bermuatan positif akan dideteksi berdasarkan perbandingan massa/muatan (m/z), dan spektrum massa akan menunjukkan sinyal tidak hanya [M]^+., tetapi juga A⁺, dan C^+., hingga ion fragmen yang berasal dari fragmentasi lebih lanjut dari A⁺ dan C^+..

M

⁺

A

⁺ ^(kation)

+ B

^(radikal)

M

⁺

C

⁺ (radikal kation)

+ D

(molekul netral)

(19)

Contoh: Hept-6-ynol, DIP, EI-MS mode

(20)

Contoh: Methyl dodecanoate, EI-MS mode

(21)

(positive) CHEMICAL IONIZATION (PCI) mode

• Teknik ini dipopulerkan th 1966 setelah EI.

• Perlu ditambahkan senyawa-antara (metana, isobutana) dengan konsentrasi lebih tinggi daripada senyawa yang dianalisis.

• Memerlukan tekanan tinggi (~1 Torr) dari gas reagen dala ion source, tetapi energi yang diperlukan < 5 eV.

• Gas pembawa diionisasi, selanjutnya sampel diionisasi dengan cara ditumbuk oleh ion dari gas pembawa.

• Salah satu teknik CI adalah atmospheric pressure CI (APCI), yang merupakan simtem inletnya dari HPLC.

(22)

Tahap II: ion primer bereaksi dengan kelebihan gas menghasilkan ion sekunder.

Tahap III: ion sekunder bereaksi dengan molkl. sampel (RH) menghasilkan ion sampel

CH₅+

C₂H₅+

RH RH

RH₂⁺ RH₂⁺

CH₄ +

C₂H₄ +

+ +

Tahap I: interaksi metana dengan elektron (dari filamen) menghasilkan ion primer/mayor.

(23)

Contoh spektrum PCI-MS

Methyl stearate [288]

dengan + etana

Methyl stearate [288]

dengan + isobutan

(24)

(negative) CHEMICAL IONIZATION (NCI) mode

• Dalam kondisi CI, reagen gas menghasilkan reagen ion positif, bersama dengan elektron dari energi termal dan ion reagen bermuatan negatif, jika anion stabil dpt terbentuk dari gas reagen.

• Jadi reaksi lebih lanjut untuk menghasilkan ion negatif dari sampel melalui e kategori, yaitu tangkapan elektron termal oleh molekul sampel dan reaksi ion-molekul antara sampel dan ion gas reagen.

• Pembentukan ion negatif oleh interaksi elektron dan molekul dapat terjadi melalui 3 mekanisme sbb:

(25)

Contoh spektrum NCI senyawa

purpureaglycoside A

(26)

Fast Atomic Bombardment (FAB) mode

• Untuk sampel dengan titik didih tinggi, misalnya peptida, karbohidrat;

• sampel yang mudah terurai; senyawa garam;

• senyawa dengan BM tinggi, misalnya glikosida

• Senyawa polar, misalnya polifenol

• Atom cepat dihasilkan dari sumber ion, dengan cara memasukkan accelerated ion beam ke dalam collision chamber dan bertukar energi dengan atom netral.

Xe (fast) + Xe

⁺

Xe + Xe (fast)

⁺

(27)

Skema diagram sumber ion pada FAB-MS

(28)

Umumnya digunakan Ar atau Xe.

Xe : massanya >>> energi >>> produksi ion smpel >>>

• Atom cepat yang dihasilkan diarahkan langsung ke sampel dalam cairan matriks (umumnya gliserol).

• Dengan mengatur potensial sumber ion, maka terbentuk muatan positif atau negatif.

• Senyawa polar lebih mudah dianalisis dengan FAB, karena mudah menerima atau melepas proton.

• Pada (positive) FAB-MS, akan terdeteksi m/z (M+1)⁺ dan seringkali muncul (M+G+1)⁺atau (2M+1)⁺; G = gliserol = 92.

• Pada (neg.) FAB-MS, akan terdetekdi (M-1)^-dan (M+G-1)^-.

(29)

Preparasi sampel adalah sebagai berikut:

• Ujung logam dibersihkan dengan solven atau asam agar tidak ada impuritis.

• Satu mikroliter (1 l) lrt sampel dalam solven yang sesuai (air, metanol, asetonitril (1 g/l), bersama dengan aditif (asam, TFA, garam kationik) ditambahkan ke dalam gliserol 2-3 l (sbg matriks) yang telah didispersikan pada ujung probe. Kemudian probe diintroduksikan MS dan dihasilkan spektra.

• Selain gliserol, m-nitrobenzil alkohol (m-NBA) juga dapat digunakan sbg matriks.

(30)

• Dalam kondisi normal, FAB-MS akan memberikan hasil yang baik jika senyawa yang dianalisis mempunyain pusat asam/basa relatif , misalnya mampu beraksi sbg donor atau akseptor proton. Atau senyawa yg telah memiliki pusat muatan, misal garam -NH₄, garam –Na, asam karboksilat.

• Senyawa aditif dapat mempromosikan terbentuknya ion dalam fase kondensasi, sehingga menghasilkan spektra yang lebih intens. TFA, acetic acid, p-toluenesufonic acid memperbesar intensitas (M+H)⁺ bagi senyawa yng mempunyai basic center, sedangkan NH₄OH, NaOH, t- Buthylammonium hydroxide memperbesar intensitas (M-H)^-.

• Aditif garam: NaCl, Li+, K+, juga sering digunakan untuk menghasilkan (M+Na)⁺, (M+Li)⁺, (M+K)⁺.

(31)

MW=276

Contoh 1: (positive) FAB-MS; Matrix : Glycerine

(M+H⁾⁺

COOH

octadeca-8,10-diynoic acid

[276]

(32)

Contoh 2: (positive) FAB-MS; Matrix : Glycerine

(M+H)⁺

(M+Na)⁺

(33)

Lanjutan contoh 2: (positive) FAB-MS; Matrix : Glycerine

COOCH