SPEKTROMETRI MASSA

SPEKTROMETRI MASSA

Suatu spectrum massa diperoleh dengan mengubah komponen-komponen sampel menjadi ion-ion fase gas yang sangat mudah menguap, dan pemecahannya berdasarkan perbandingan massa vs. muatan (mass-to-charge ratios).

Spektrometri Massa mungkin merupakan instrument analitik yang paling aplikatif untuk para ilmuwan, mengingat teknik ini mampu menyediakan informasi kualitatif dan kuantitatif tentang atom dan komposisi molekuler dari senyawa organic dan anorganik. Namun, tingginya biaya operasional dan perawatan alat cukup membatasi penggunaannya.

Pada awal 1940, Mass Spect pertama dirancang untuk penentuan komponen dalam campuran hidrokarbon kompleks dalam industry minyak., kemudian berkembang untuk penggunaan berbagai senyawa organic yang dihasilkan oleh industry kimia.

Pertengahan 1950, dirancang untuk penentuan unsure secara kualitatif dan kuantitatif berdasar mass to charge ratio ion-ion dasar yang dihasilkan oleh electric spark. Hal ini dimanfaatkan baik oleh industry elektronika maupun nuklir. Keduanya berdasar pada material yang sensitive untuk trace kontaminan.

Aawal 1960, Mass Spect digunakan untuk identifikasi dan analisis struktur molekul yang kompleks. Basisnya adalah pola fragmen ion masing-masing dengan massa berbeda, yang terbentuk saat molekul besar terionisasi. Mass Spect lebih mudah diidentifikasi daripada spectra IR dan NMR, mengingat alat ini menyediakan informasi massa struktur komponen dan MR molekul.

Perkembangan terakhir, Spektrometri Massa  digunakan secara luas sebagai detector untuk kromatografi gas maupun cair.

METODE PRODUKSI ION

1. Ionisasi Elektron (EI)

Sebuah sumber electron impact ion diilustrasikan pada Gambar 16-1. Molekul sampel mengalir akibat perbedaan tekanan yang melalui lubang inlet, berkisar 10^-2 sampai 10^-5 torr. Suatu filament A yang dipanasi secara elektrik akan menghasilkan electron yang dapat diakselerasi dengan anoda B, dan membentuk berkas electron yang berintekseksi dengan aliran molekul sampel. Ion-ion bermuatan  positif akan dihasilkan oleh tumbukan electron yang dihasilkan oleh medan listrik yang berada di antara repeller C yang bermuatan positif dan plate akselerator pertama D. Plate intermediate E memfokuskan berkas ion dan akselerator kedua, F memberikan akselerasi akhir terhadap ion-ion.

                Energi berkas electron diatur dengan potensial pada anode B. Potensial ionisasi dari kebanyakan senyawa organic berkisar pada 10 eV, dan dengan energy minimum maka proses utamanya adalah produksi ion-ion molekuler bermuatan tunggal:

                                                                M + e^- → M⁺ + 2e^-

Dan memberikan suatu spectrum massa yang berisi hamper semuanya single peak yang sesuai dengan massa molekul asalnya. Jika energy berkas electron dinaikkan maka akan dihasilkan ion tereksitasi tinggi dan akan terfragmentasi bila kompleks, atau electron kedua mungkin akan terlempar (seperti atom Argon).  Untuk kebanyakan aplikasi, berkas electron diberikan oleh energy 50-70 eV, yang menghasilkan spectra yang lebih reproducible. Ion-ion bermuatan ganda jarang terjadi pada potensial tersebut.

                Perbedaan potensial antara C dan D (Gambar 16-2) hanya beberapa volt tetapi sangat efisien memindahkan ion positif dari berkas electron. Sehingga ion-ion positif yang mencapai D sangat bervariasi namun memiliki energy kinetic yang relative kecil. Pada voltase percepatan, seluruh ion bermuatan positif tunggal memberikan energy kinetic:

                                                                E = ½ mv² = eV

Di mana m= massa ion, v = kecepatan, e= muatan elektronik dan V potensial akselerasi.

2. Ionisasi Kimia (CI)

Biasanya tekanan suatu spektrofotometer dijaga tetap pada tekanan yang sangat rendah, yakni 10^-5 – 10^-7 torr. Dengan kondisi ini, molekul metana akan dibombardir dengan aliran electron (EI) dan menyebabkan ionisasi serta fragmentasi (Gambar 16-4)

                CH₄ + e^- → CH₄⁺ + CH₃⁺ + CH₂⁺ + CH⁺ +C⁺

                m/e             16        15         14        13    12

Jika tekanan dibuat lebih tinggi disanding kondisi normal spektrofotometer massa (0,5 -1 torr), reaksi-reaksi  ion-molekul akan terjadi dengan tumbukan. Resultante dari Mass Spect pada gambar menunjukkan kelimpahan relatif dari berat molekul ion-ion positif yang lebih tinggi. (Gambar 16-5)

                CH₄⁺ + CH₄ → CH₅⁺ + CH₃

                                       m/e = 17

                CH₄ + CH₃⁺ → C₂H₅⁺ + H₂

                                     m/e = 29

                CH₄ + C₂H₅⁺ → C₃H₅⁺ + H₂

                              m/e = 41

Dengan sample-to-methane ratio 10^-3, molekul sampel akan terionisasi melalui tumbukan ion-ion molekul. Suatu tumbukan biasanya meliputi sebuah molekul netral dari sampel dengan satu ion positif dari metana (m/e 17; 29; dan 41). Kebanyakan molekul sampel bertumbukan dengan limpahan ion CH₅⁺ (m/e 17) untuk menghasilkan sebuah ion molekul terprotonasi, yakni:

                M + CH₅⁺ → (M+1)⁺ + CH₄

Interaksi dengan spesies ion positif yang lain juga terjadi (m/e 29 dan 41), biasanya menghasilkan proses transfer alkil, dengan produksi ion-ion seperti:

                M + C₂H₅⁺ → (M+29)⁺

                M + C₃H₅⁺ → (M+41)⁺

Mass Spect dengan metode CI memiliki profil yang biasanya lebih sederhanadaripada yang dihasilkan oleh EI (Gambar 16-6 dan 16-7). Spektrum CI menampilkan ion molekuler terprotonasi yang Nampak jelas (M+1)⁺. Adanya kuasi ion molekuler sangat membantu identifikasi BM senyawa yang diteliti, dan kadang-2 teknik EI tidak menunjukkan ion M⁺. Reaksi lain juga dapat terjadi pada CI menghasilkan proton abstraksi (M-1)⁺ dan transfer muatan (M+1-18)⁺ atau loss of water.

3. Ionisasi Medan (FI)

Jika molekul memiliki momen dipole yang besar dan polarisabilitas tinggi maka akan dapat memiliki medan listrik yang baik (10⁸ V/cm), sebuah electron akan dilepaskan menghasilkan ion positif. Suatu sumber ion berisi anoda dengan sharp point atau edge, dan katoda yang diletakkan dengan jarak 1 mm. Voltase 5 -20 kV akan menghasilkan medan pada anoda. Desain dan bahan yang dipakai untuk membuat sharp point sangatlah critical, faktanya: commercial razor blades dapat digunakan dengan baik. Kini, multipoint sources dapat meningkatkan efisiensinya.

                Keuntungan utama FI adalah kemampuannya menghasilkan ion molekuler stabil dengan energy yang kecil/tak berlebihan, sehingga hamper tidak ada fragmentasi. Hal ini kadang-2 berguna dalam analisis natural product dan molekul besar lainnya, di mana parent ion sulit ditemukan jika menggunakan sumber electron impact. Namun, the sharp edge cukup fragile dan mudah rusak karena arcing.