S2-UP/MS/Hendig Winarno
1
SPEKTROMETRI MASSA (MASS SPECTROMETRY, MS)
Hendig Winarno
Revisi 03 April 2010
S2-UP/MS/Hendig Winarno
2
I. Introductions
II. Sample Handling
III. Instrumentation & Theory
IV. Interpretation of Mass Spectra &
Characteristic Peaks
S2-UP/MS/Hendig Winarno 3
spektrometri massa meliputi :
Metode ini sangat popular, karena berat molekul (BM) dan rumus molekul dengan cepat dapat ditentukan.
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 umumnya senyawa dpt diidentifikasi melalui MS.
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.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
4 m/z
inte
nsitas r
ela
tif (%
)
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
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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 300o C).
• Sejumlah kecil cuplikan padat atau cair (sekitar 10-100g)
dimasukkan menggunakan tabung cuplikan (bisa dibuka-
tutup) ke dalam ruang inlet.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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 150-250oC.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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 50oC.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
• Metoda derivatisasi telah mapan dan mudah dilakukan.
• Sering juga, molekul sukar menguap diubah dulu menjadi
derivat mudah menguap sebelum dimasukkan ke dalam
spektrometer.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
15
Skema thermospray interface
• 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.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
16
Contoh TIC yang diintroduksi mengg. reverse phase coloumn dan
thermospray interface
Methoxy polyethylene glycol
oligomer
Spektrum (PCI)
puncak 8 min 14 s
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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]+..
• Energi yang bertanggung jawab terhadap proses ionisasi hanya 10-
12 eV, tetapi dalam kenyataannya digunakan energi sebesar 70 eV.
ELECTRON IMPACT (EI) mode
(positive) electron impact merupakan mode yang umum dipakai.
M + e M 2e++
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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+..
AM ++ B+ (kation) (radikal)
CM ++
D+ (radikal kation) (molekul netral)
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
• Dalam CI, ion reagen dapat ion molekul, ion fragmen, produk
hasil reaksi ion-molekul dari ion-ion dan molekul reagen gas
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
23
Contoh spektrum PCI-MS
Methyl stearate
[288]
dengan + etana
Methyl stearate
[288]
dengan + isobutan
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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:
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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)+
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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)-.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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.
• Untuk nefative FAB-MS, 3-aminopropane-1,2-diol,
triethanolamine, dan diethanolamine umum digunakan.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
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)+.
S2-UP/MS/Hendig Winarno
31
MW=276
Contoh 1: (positive) FAB-MS; Matrix : Glycerine
(M+G+1)+
(M+H)+
COOH
octadeca-8,10-diynoic acid
[276]
(2M+H)+