13.4 Massaspectrometrie

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

13.4 Massaspectrometrie

13.4 Massaspectrometrie

Deze les leer je over massaspectrometrie (MS)

- MS apparaat (werking)

- MS spectrum uitpluizen en verklaren (stoffen herkennen)

Vóór een massa spectrometer zit vaak een apparaat om de stoffen eerst te scheiden, Zo gaan ze één voor één de MS in.

In de MS worden atoombindingen in de moleculen van de onderzochte stoffen  door een elektronenbombardement kapot gemaakt. Deze fragmeten worden gemeten.

hoe werkt massa spectrometrie?

• Wordt vooral gebruikt voor isotopen en moleculen
• Moleculen worden met elektronen beschoten
• De moleculen krijgen hierdoor een lading (ionisatie)
  
• De moleculen vallen uiteen in brokstukken (fragmentatie)
  
• Detector meet de massa en relatieve hoeveelheid van geladen deeltjes
• Dit wordt weergegeven in een massaspectrum

Werking van de massaspectrometer:

stap 1

elektronen bombardement

1. Een stof wordt in de vacuümkamer geïoniseerd door een elektronenbundel
2. elektronen schieten één elektron weg van een molecuul (M)
3. in reactievergelijking:     M  +  e-   →    M•+  +  2 e-
   
4. Er ontstaan positieve ionen, M•+ ("het molecuul-ion").
   
5. Deze ionen zijn onstabiel en vallen uiteen in fragmenten

een massaspectrometer scheidt deeltjes op basis van

1. alleen massa
2. alleen lading
3. massa én lading
4. massa óf lading

hoe scheid je al deze fragmenten?

stap 2

De geladen moleculen en fragmenten met een +-lading worden door een magnetisch veld allemaal op een andere manier afgebogen. De massa is traag... dus de grote (zware) deeltjes buigen anders af dan kleinere deeltjes.

Hoe meet je welke fragmenten aanwezig zijn?

stap 3

13.4 massaspectrometrie

1. elektronenkanon geeft plus-lading:

er ontstaan een molecuulion en fragmenten

2. Magneet buigt kleine, geladen deeltjes het sterkst af, hier vindt scheiding plaats op basis van massa.

3. Detector meet massa en lading en zet het om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

massaspectrum van pentaan (C₅H₁₂)

• Op de x-as staat de m/z waarde; uitgaande van een ionlading z = 1+ komt dit overeen met de molecuulmassa in u. 
• De piek bij de hoogste m/z waarde hoort bij het molecuul-ion. Dit is het complete molecuul waaruit slechts één elektron is weggeschoten. 
• De piek bij m/z = 72 komt dus van het ion C₅H₁₂•+.

m/z

m/z staat voor

1. molecuulmassa / lading
2. massa / lading
3. molecuulmassa / volume
4. massa / volume

massaspectrum van pentaan (C₅H₁₂)

• op de y-as staat de relatieve intensiteit: de hoogste piek hoort bij het fragment dat het meest voorkomt en wordt altijd op 100 gezet
• de massa van de pieken zegt iets over de fragmentionen die zijn ontstaan. De piek bij m/z = 43 is van het ion C3H7+.
• de afstand tussen de pieken zegt iets over de fragmenten die zijn afgesplitst. Het verschil tussen m/z = 72 en m/z = 57 is 15 u. Dit komt overeen met het fragment •CH3

m/z

m/z

de hoogste piek in een MS spectrum ...

1. hoort bij het zwaarste molecuul
2. hoort bij het zwaarste fragment
3. hoort bij het meest geladen molecuul
4. hoort bij het meest voorkomende fragment

filmpje

Nu volgt een filmpje (Engels), waarbij massaspectrometrie bij onderzoek aan isotopen wordt besproken.

Wat zijn ook alweer isotopen?

voorbeeld chloor-15 en chloor-17

Dit gebeurt er allemaal met een monster (sample) als het de massaspectro-meter in gaat.

kennis even testen 

Het molecuul-ion is:

1. Negatief geladen
2. Positief geladen
3. Neutraal geladen
4. Kan zowel positief als negatief geladen zijn.

Het molecuul-ion valt in
fragmenten uiteen omdat...

1. het in een elektrische veld komt.
2. het in een magnetische veld komt.
3. het instabiel is geworden.
4. doordat het in de gasfase zit.

Het molecuul-ion ontstaat na...

1. beschieting met elektronen.
2. beschieting met protonen.
3. door het elektrische veld.
4. door het magnetische veld.

Het elektrisch veld...

1. zorgt voor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

Het magnetisch veld...

1. zorgt voor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

De detector registreert...

1. de massa van de brokstukken.
2. hoe vaak een bepaald brokstuk voorkomt.
3. hoe snel een brokstuk gaat.
4. de massa en hoe vaak een brokstuk voorkomt.

De hoogste piek in
een massaspectrum...

1. is het fragment dat het meest voorkomt.
2. is het fragment dat het zwaarst is.
3. is het molecuul-ion.
4. is alle drie voorgaande antwoorden.

Massaspectrum

uit een spectrum haal je informatie over welke fragmenten zijn afgesplitst van het molecuul-ion.

je kunt in een spectrum de volgende informatie halen van het te onderzoeken molecuul

1. de massa van het totale ion
2. welk deel is afgesplitst
3. welk deel is achtergebleven

Massaspectrometrie mbv Binas 39D

Hier kun je uithalen welke fragmenten zijn afgesplitst

Massaspectrometrie mbv Binas 39D

Hier kun je uithalen welke fragmenten in het spectrum staan (dus waarvan de m/z gemeten zijn)

Massaspectrometrie
gebruiken we om...

1. te bepalen hoe zwaar een stof is.
2. te meten uit hoeveel fragmenten een stof bestaat.
3. de structuur van een stof te bepalen.
4. de molecuulformule van een stof te bepalen.

Uit een massaspectrum kun je direct de structuur van een molecuul bepalen.

1. Ja, je telt gewoon alle fragmenten op.
2. Ja, daarvoor heb je BT 39D.
3. Nee, met behulp van de verschillende fragmenten moet je puzzelen.
4. Nee, daarvoor moet je super slim zijn.

Nog tijd om te oefenen?

bekijk dit spectrum van pentaan-3-on

voor de volgende vraag: onthoud 86, 57 en 29

Het gaat om het MS spectrum van pentaan-3-on.
Wat kan het fragment zijn dat van het molecuulion (m/z = 86) is afgesplitst, waardoor een fragment met m/z van 57 is ontstaan?

pentaan-3-on

tekenen helpt!

Teken de structuur van pentaan-3-on en bekijk welk fragment van 86-57 = ...? kan zijn afgesplitst?

spectrum

1. -CH₂ en -CH₃
2. -CH₂CH₃
3. -C=O en -H
4. -C-OH

86 - 57 = 29

dit komt overeen met de massa van het fragment

-CH2-CH3

dit fragment kan er in één keer af.

bekijk dit spectrum van methoxyethaan

wat is de juiste structuur van methoxyethaan?

1. 
2. 
3. 
4. 

de molecuulmassa van methoxyethaan is 60 u.

bedenk nu welke fragmenten de pieken bij 45 en 29 kunnen verklaren

Wat is waar?
I. gemeten m/z 60 staat voor het molecuul-ion
II. gemeten m/z 29 staat voor het CH₃-O- fragment

tip

Gemeten m/z beteken dat dit fragment op de detector is gekomen. Het is dus achtergebleven nadat er een e- vanaf is 'geschoten'..

1. alleen I
2. alleen II
3. beiden
4. geen van beiden

I=waar:

60 = molecuul-ion

II = onwaar

29 staat voor het afsplitsen van het CH₃-O• fragment (m=31) dus voor 60-31 = 29. M=29 blijft  over en dit wordt gemeten. Het fragment dat eraf gaat, is niet gemeten!

Isotopen in een MS spectrum

Isotopen zorgen voor pieken die een hogere of lagere m/z hebben.

Je kan de verhouding isotopen aflezen in het spectrum en vergelijken met Binas Tabel 25.

Vooral met halogenen gaat dat mooi. 

Verklaar dit spectrum in de volgende slide 

MS spectrum van Broom (Br₂)

Verklaar het spectrum van broom (Br₂). Wat geven de verschillende pieken aan? Kijk eens in Binas 25A...

Isomeren.

Is dit het spectrum van propaan-1-ol of propaan-2-ol? Leg uit.

m/z

Isomeren. Is dit het spectrum van propaan-1-ol of propaan-2-ol? Leg uit.