SPEKTROSKOPI MASSA ( MS )

A. Teori Spektroskopi Massa.

Spektrotrometer massa adalah suatu instrument yang digunakan untuk

mengukur massa molekuler dari sample dimana molekul – molekul sampelnya terdaat

dalam bentuk gas. Untuk sample besar seperti bimolekuler, massa molekuler dapat

diukur sampai keakuratan 0,01 % dari total massa molekuler sample. Untuk molekul

organic kecil, massa molekuler dapat diukur sampai keakuratan 5 ppm atau kurang,

sehingga cukup untuk dpat menunjukkan rumus molekul dari senyawa.

Umumnya spectrum massa diperoleh dengan mengubah senyawa suatu

sample menjadi ion – ion yang bergerak cepat yang dipisahkan berdasarkan

perbandingan massa terhadap muatan (m/e). Proses ionisasi menghasilkan partikel –

partikel bermuatan positif . Biasanya sample ditembaki dengan berks electron yang

mengahsilkan suatu ion molekul atau fragmen ionic. Fragmen – fragmen bermuatan

ini dapat dipisahkan menurut massanya.

Molecular ion

Adalah ion yang dihasilkan dari molekul yang kehilangan elektronnya.

Base peakIntensitas puncak yang paling tinggi pada MS, ditunjukkan pada intensitas 100%.

M+ Simbol yang diberikan untuk molekuler ionRadical cation

+ve charged species with an odd number of electrons

Fragment ions

Kation yang dibentuk oleh dekomposisi ion molekuler. These often dapat disamakan dengan karbakation yang stabil.

Bila suatu molekul berbentuk gas disinari oleh electron berenergi tinggi

didalam system hampa maka terjadi ionisasi, ion molekul terbentuk dan ion molekul

yang tak stabil pecah menjadi ion-ion yang lebih kecil.

Pengionan suatu molekul organic biasanya memerlukan kira – kira 10 – 15

eV. Tetapi, pada spektrometri massa, molekul dibom dengan electron berenergi 70

ev. Satu electron trlepas dari molekul dan terbentuk kation radika berenergi tinggi

yang mempunyai kebolehjadian besar untuk terpecah – pecah, yaitu untuk melepas

kelebihan energinya.

Pada umumnya, elelktron akan dilepas dari bagian atau tempat molekul yang

paling mudah terionlan, misalnya dari pasangan electron sunyi pada atom O, N, S

atau halogen atau dari ikatan rangkap. Bila molekul tidak mempunyai pasangan

electron sunyi atau ikatan rangkap, maka barulah electron akan dilepas dari ikatan

sigma. Ikatan sigma C-C lebih mudah terionkan daripada ikatan sigma C – H.

Sumbangan ( Kontribusi ) Isotop.

Banyak unsure yang biasa terdapat dalam senyawa organic terdapat di alam

sebagai campuran isotopnya. Adanya isotop, terutama untuk C, Cl, Br dan S

mungkin menimbulkan ion molekul labih dari satu. Ion molekul ( M) mengandung

isotop unsure yang paling banyak dialam. Angka banding kelimpahan alamiah

unsur terhadap isotopnya adalah sebagai berikut :

Element Isotope Relative Abundance Isotope Relative

Abundance Isotope Relative Abundance

Carbon 12C 100 13C 1.11    

Hydrogen 1H 100 2H .016    

Nitrogen 14N 100 15N .38    

2

Oxygen 16O 100 17O .04 18O .20

Sulfur 32S 100 33S .78 34S 4.40

Chlorine 35Cl 100      37Cl 32.5

Bromine 79Br 100

B. Alat Spektroskopi Massa

Simplified schematic of a mass spectrometer

1. Sumber ion

3

Molekul-molekul diubah menjadi ion dalam bentuk gas. Cara yang umum

untuk menghasilkan ion-ion meliputi penembakan sample dengan berkas electron

berenergi tinggi yang berasal dari suatu ion gun. Pada cara electron impact, tumbukan

dengan electron menyebabkan fragmentasi molekul-molekul yang membentuk

sejumlah ion-ion positif dari berbagai massa. Pada cara chemical ionization, CH4

dimasukkan ke dalam sumber berkas electron. Interaksi berkas electron dengan gas

CH4 menghasilkan sekumpulan ion-ion seperti CH5+, CH4

+, CH2+ dan sebagainya.

CH5+ merupakan donor proton yang kuat dan bereaksi lebih lanjut seperti CH5

+ MH-

MH2+ CH4, dimana MH adalah sample yang dianalisis. Metode ini memberikan

fragmentasi yang lebih sederhana.

2. Penganalisis massa

Fungsi utama dari penganalisis massa adalah untuk memisahkan ion yang

dibentuk dari sumber ion dari spectrometer massa berdasarkan muatan per massa

( m/ z) Penganalisis massa memliki beberapa perbedaan berdasarkan range m/z yang

dapat ditutup, keakuratan massa dan Resolusinya. Contohnya, semua jenis

penganalisis massa dapat digunakan dengan dihubungakan dengan electrospray

ionization, kecuali MALDI yang dtidak dapat digandengkan dengan quadrupole

analyzer.

Tandem (MS-MS) mass spectrometers adalah instrument yang memiliki lebih

dari satu analiser sehingga dapat digunakan untuk menenentukan struktur Tandem

yang lebih popular adalah quadrupole-quadrupole, magnetic sector-quadrupole , dan,

the quadrupole-time-of-flight geometries.

Penganalisis massa harus dapat membedakan selisih massa yang kecil serta

dapat menghasilkan arus ion yang tinggi. Ada beberapa jenis penganalisis yaitu:

a) Penganalisis berfokus tunggal dengan pembelokan magnit

4

Pada penganalisis ini, pemisah adalah lintasan berkas dengan sudut 180, 90,

60. Gaya sentripetal Fm = Hev dimana H = medan magnet, v = kecepatan

partikel, e = muatan ion. Gaya sentrifugal yang menyeimbangkan gaya

sentripetal adalah = mv2/r. Persamaan tersebut jika digabung menjadi m/e =

H2r2/2v dimana v = tegangan yang dipakai dalam ruang pengionisasi. Agar

lintasan berupa lingkaran, Fm dan Fe harus sama berarti Hev = mv2/r. Dalam

kebanyakan instrument, H dan v tetap sehingga e/m partikel-partikel

berbanding terbalik dengan teganggannya.

b) Penganalisis berfokus ganda

Pemisah berfokus ganda digunakan untuk ion-ion dengan m/e sama dan

mempunyai kecepatan yang sama. Berkas elektron dilewatkan melalui

medan elektrostatik. Medan ini hanya memfokuskan partikel-partikel yang

berenergi kinetik sama.

c) Penganalisis lintasan waktu ( time – of- Flight).

Semua ion-ion meninggalkan medan pemercepat dengan energi kinetik yang

sama, tetapi dengan kecepatan yang tegantung massanya. Dengan memfokus

magnetik, ion-ion akan dipisahkan akibat perubahan arahnya. Apabila ion-

ion mulai melintas sepanjang garis lurus melalui daerah bebas medan, ion-

ion tersebut memerlukan waktu yang berbeda-beda untuk menempuh

lintasan yang sama. Pengukuran waktu lintasan adalah dasar alat pemisah

non-magnetik.

d) Penganalisis kuadrupol

Pada penganalisis ini, memakai batang-batang logam yang disusun paralel

disekeliling berkas elektron. Kombinasi medan menyebabkan partikel-

partikel bergetar selaras dengan sumbu lintasannya.Ion – ion melewati ruang

antara elektroda – elektroda pada arah z dan bergetart hanya sepanjang

sumbu z, hanya partikel- partikel dengan perbandingan m/e tertentu yang

dapat lewat tanpa menumbuk elektroda.

 

5

Analyzer System Highlights

Quadrupole Unit mass resolution, fast scan, low cost

Sector (Magnetic and/or Electrostatic)

Resolution tinggi, exact mass

Time-of-Flight (TOF)Theoretically, no limitation for m/z maximum, high throughput

Ion Cyclotron Resonance (ICR)Resolution sangat tinggi, exact mass, perform ion chemistry

3. Detektor.

Detektor memonitor arus ion, sinyal yang diberikan diteruskan ke system data

yang akan dicatat dalam bentuk spketra massa. Ion yang telah dipisahkan

berdasarkan masa dan muatannya dideteksi dan dihitung yang hasilnya ditunjukkan

da;lam sebuah grafik. Tipe dektektor yang sering digunakan adalah Photomultiplier,

Elektron multiplier dan micro-channel plate detector.

6

Operasi Spektroskopi Massa.

1). Sampel cair diuapkan dalam vakum di dalam wadah yang dipanaskan dan uap

itu dimasukkan ke dalam ruang pengionan. Sampel padat dimasukkan kedalam

ruang pengionan dengan meletakkannya pada ujung alat pemasukan sample

( Insertion probe ).

2). Didalam sumber ion, sample dibom dengan arus electron yang berenergi 70

ev. Energi yang diserap oleh molekul mendorong pengionan karena

pembebesasan leketron dari orbital ikatan dan orbital tak – ikatan. Ion yang

terbentuk karena pembebaasam satu elektron dari molekul asal disebut ion

molekul ataui ion induk. Beberapa ion molekul terpecah menjadi ion anak

yang lebih kecil dari pecahan netral. Ion positif dan ion negatif keduanya

terbetnuk tetapi yang kita perlukan ialah ion positif. Potensial positif yang

kecil digunkan untuk menolah ion positif dari ruang pengionan.

3). Suatu lempeng pemercepat yang mempunyai potensial positif 2000 volt

digunakan untuk memeprcepat ion positif dalam tabung memasuki daerah

medan magnet.

4). Ion dibelokkan berbeda – beda oleh medan magnet tergantung kepada

perbandingan massa / muatan.

5). Masing – masing komponen berkas ion dilalukan melalui celah pengumpul

dan menumbuk lempeng pengumpul. Masing – masing ion menerima elektron

dari lempeng yang menetralkan muatan positifnya. Suatu aliran arus terjadi

pada rangkaian pengumpul, dieprkuat dan direkam sebagai fungsi

perbandingan massa/muatan. Besarnya masing – masing puncak merupakan

ukuran jumlah relatif ion dalam masing – masing komponen berkas ion.

7

Metode Ionisasi sampel pada Spektrometri Massa

Banyak metode ionisasi yang ada memiliki keuntungan dan keurangan masing –

masing. Metode ionisasi yang digunakan bergantung pada tipe dari investigasi sample

dan spectrometer massa yang. Beberapa metode ionisasi dapat dilihat dibawah ini :

1. Chemical Ionisasi (CI)

CI menggunakan suatu reagen ion untuk bereaksi dengan analyte molekul

untuk membentuk ion juga proton maupun transfer hydride:

MH + C2H5+ → MH2

+ + C2H4

MH + C2H5+ → M+ + C2H6

Reagen ion dihasilkan oleh suatu kelebihan yang besar dari metana (analyte

relativ) ke dalam suatu elektron impact (EI) sumber ion. Benturan elektron akan

menghasilkan CH4+ dan CH3

+ yang lebih lanjut bereaksi dengan metana membentuk

CH5+ dan C2H5

+.

CH4+

+ CH4 → CH5+ + CH3

CH3+

+ CH4 → C2H5+ + H2

2. Elektron Impact (EI)

Sumber EI menggunakan elelktron beam, yang pada umumnya dihasilkan

dari suatu kawat pijar tungsten, untuk mengionisasikan fase gas atom atau molekul.

Suatu berkas cahaya dari elektron menghentikan suatu elektron analyte atom atau

molekul untuk menciptakan ion.

CH3OH + 1 electron CH3OH+.+ 2 electrons

        (note:  the symbols  +. indicate that a radical cation was formed)

CH3OH+.(molecular ion) CH2OH+(fragment ion) + H

.

or)   CH3OH+.(molecular ion) CH3

+(fragment ion) + .OH

3. Electrospray Ionisasi ( ESI)

8

Sumber ESI terdiri dari suatu jarum yang baik dan satu rangkaian. Suatu

larutan sampel disemprotkan ke dalam kamar sumber untuk membentuk droplets.

Droplets membawa beban ketika keluar dari kapiler dan pelarut diuapkan droplets

hilang meninggalkan molekul analyte. ESI bermanfaat untuk molekul biologi yang

besar yang sukar untuk diuapkan atau diionisasikan.

4. Plasma and glow discharge

Suatu plasma adalah gas panas, gasnya terionisasi parsial yang tereksitasi

efektif dan ionisasi atom.

glow discharge adalah suatu plasma tekanan rendah yang dipertahankan

antara dua elektroda. Partikelnya efektif saat memercik dan mengionisasi material

dari permukaan padat.

4. Fast-Atom Bombardemen ( FAB)

Di dalam FAB suatu berkas cahaya berenergi tinggi adalah atom netral, yang

secara khas adalah Xe atau Ar, membentur suatu sampel padat yang menyebabkan

desorpsi dan ionisasi. Itu digunakan untuk molekul biologi yang besar yang sukar

untuk memasuki fase gas itu. FAB menyebabkan sedikit fragmentasi dan biasanya

membuat suatu moleculer ion besar mencapai puncak, hal itu digunakan dalam

penentuannya.

Berkas cahaya atom dihasilkan dengan mempercepat ion dari suatu sumber

ion meskipun hanya suatu pertukaran muatan sel. Ion mengambil suatu elektron dari

9

benturan dengan atom netral untuk membentuk suatu berkas cahaya atom energi

tinggi

5. Laser ionization (LIMS)

Suatu pulsa laser mengablasi material dari permukaan suatu sampel dan

menciptakan suatu microplasma yang mengionisasikan sebagian dari unsur sampel.

6. Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisasi ( MALDI)

MALDI adalah suatu metoda LIMS yang menguapkan dan mengionisasi

molekul biologi yang besar seperti protein atau fragmen DNA. Molekul biologi

didispersikan ke dalam matriks padat seperti asam nicotinic.

Suatu pulsa laser UV ablates pada matriks yang membawa beberapa molekul

besar ke dalam fase gas dalam bentuk diionisasi sehingga mereka dapat diekstraksi ke

dalam suatu spectrometer massa.

7. Plasma-Desorption Ionisasi ( PD)

Pancaran 252CF menghasilkan dua fragmen fisi yang berseberangan atau arah

kebalikan. Satu fragmen membentur sampel yang merobohkan 1-10 ions analyte.

Fragmen lain membentur suatu detektor dan mulai mendapatkan data. Metoda

ionisasi ini terutama bermanfaat untuk molekul biologi yang besar.

8. Ionisasi Resonansi ( RIMS)

Satu atau lebih berkas cahaya laser disetel di dalam resonansi ditransisikan ke

suatu fase gas atom atau molekul untuk mempromosikannya di dalam suatu potensial

ionsasinya untuk menciptakan suatu ion. Sampel padat harus diuapkan dengan

pemanasan, memercik, atau ablasi laser.

9. Secondary Ionisasi ( SIMS)

10

Suatu berkas cahaya ion; seperti 3He+, 16O+, atau 40Ar+ difokuskan ke

permukaan suatu sampel dan dipercikkan material ke dalam fase gas. Yang kira-kira

1% material yang dipercik berubah seperti ion.

10. Spark Source (Percikan Nyala)

suatu sumber percikan mengionisasikan analite di dalam sampel padat dengan

berdenyut ( puls ) suatu electric menyilang dua electroda. Jika sampel adalah suatu

logam itu dapat bertindak sebagai salah satu dari electroda, jika tidak itu dapat

dicampur dengan grafit dan ditempatkan di dalam suatu electroda cup-shaped.

11. Ionisasi Termal ( TIMS)

Ionisasi termal digunakan untuk unsur atau material keras. Sampel dapat

disimpan pada suatu pita Pt, Re. Pita adalah sering dilapisi dengan grafit untuk

mengurangi efek reduksi.

C. Identifikasi Senyawa Murni Dengan Spektroskopi Massa

Spektrum massa merupakan output dari pengukuran spektroskopi massa.

Sumbu horizontal dinamai sumbu m/z (perbandingan massa terhadap muatan) dan

sumbu vertikal disebut intensitas. Di dalam spectrum massa kita melihat spektrum-

spektrum yang menunjukkan massa dari gugus molekul. Sehingga memungkinkan

kita untuk mengidentifikasi suatu senyawa yang tidak diketahui.

4-methyl-3-pentene-2-one

11

Pola Fragmentasi.

Biasanya spectrum massa dioperasikan pada 70eV, suatu nilai yang cukup

untuk memutuskan semua ikatan. Setiap komponenn memberikan rangkaian

fragmentasi yang spesifik dan disebut pola fragmentasi. Puncak – puncak yang

kelimpahannya kecil isebut puncak isotop. Instrumen beresolusi tinggi dapat

memberikan informasi tentang defek massa, misalnya perbedaan antara atom dan

molekul dan semua nilai nominal. Puncak – puncak yang lebih besar dari puncak

normal sehingga saling tumpang tindih dalam spectrometer biasa dapat diamati

dengan spectrometer massa resolusi timggi.

Ciri khas pecahan – pecahan sering memberikan sebuah tanda pada struktur

molekul, tetapi jika molekul ion mempunyai sebuah massa yang lebih kecil sehingga

tidak akan bertahan lama untuk diamati. Diantara campuran organic kebanyakan

molekul ion yang stabil adalah dari cincin aromatic, selain itu dari konjugasi electron-

phi dari system dan sikloalkana. . Misalnya pada C2H6. pola fragmentasinya adalah :

CH3 . .CH3 CH3+ . CH3 CH3

+ + . CH3

12

1. Alkohol

sebuah ion molekul dari Alkohol adalah kecil atau tidak ada. Pemecahan dari

ikatan C-C biasanya terjadi dengan oksigen. Dan melepaskan H2O yang terdapat

dalam spectrum.

3-Pentanol C5H12O MW = 88.15

2. Aldehid

Pemecahan berikutnya dari ikatan gugus karbonil mengakibatakan hilangnya

unsur hidrogen (ion molekuler kurang dari 1) atau kehilangan CHO (ion molekuler

kurang 29).

13

3-Phenyl-2-propenal C9H8O MW = 132.16

3. Keton

Sebagian besar fragmen membentuk puncak dari perpecahan antara ikatan C-

C yang berdekatan dengan gugus karbonil.

4-Heptanone C7H14O MW = 114.19

4. Asam Karboksilat

Pada asam rantai pendek, puncak kehilangan gugus OH (ion molekuler kurang

17) dan gugus COOH (ion molekuler kurang 45) yang menonjol yang selanjutnya

pecah dari ikatan yang berikutnya dari C=O

14

2-Butenoic acid C4H6O2 MW = 86.09

5. Ester

Fragmen yang muncul menyebabkan pecah ikatan setelah menjadi C = O

(golongan alkoxy hilang –OR) dan penyusunan ulang atom hydrogen..

Ethyl acetate C4H8O2 MW = 88.11

15

6. Eter

Gugus yang terfragmen terlebih dahulu adalah ikatan C-C alfa yang berikatan

langsung dengan atom oksigen.

Ethyl methyl ether C3H8O MW = 60.10

7. Amida

Amida primer menunjukan

puncak dasar dari McLafferty

3-Methylbutyramide C5H11NO MW = 101.15

8. Amina

`Puncak ion molekuler adalah berjumlah ganji. Pemecahan C – alfa yang

mendominasi amina alifatik.

n-Butylamine C4H11N MW = 73.13

16

9. Alkana.

Puncak ion molekuler yang ada memliki intensitas kecil. Pola fragmentasi

berisi cluster pada puncak dengan 14 bagian unit massa yang mengggambarkan

hilangnya (CH2)nCH3).

Hexane C6H14 MW = 86.18

10. Halida.

Yang mudah lepas atau terfragmentasi terlebih dahulu adalah unsure – unsure

halogen.

1-

Bromopropane C3H7Br MW = 123.00

17

11. Aromatik.

Puncak – puncak ion molekuler adalah berada kuat pada struktur yang stabil.

Naphthalene C10H8 MW = 128.17

D. Aplikasi Spektroskopi.

Spektroskopi massa digunakan dalam industry dan akademik baik itu

untukkeperluan biasa atau untuk mencapai tujuan tertentu..:

Biotechnology: analisis proteins, peptides, oligonucleotides

Pharmaceutical: menemukan drug, combinatorial chemistry,

pharmacokinetics, drug metabolism

Clinical: neonatal screening, haemoglobin analysis, drug testing

Environmental: PAHs, PCBs, water quality, food contamination

Geological: komposisi minyak

18

Analisis Kuantitatif.

Spektrometer massa dapat dipakai untuk analisis kuantitatif suatu campuran

senyawa-senyawa yang dekat hubungannya. Analisis ini dapat digunakan untuk

analisis campuran, baik senyawa organic maupun anorganik yang bertekanan uap

rendah. Karena pola fragmentasi senyawa campuran adalah aditif sifatnya, suatu

campuran dapat dianalisis jika berada dalam kondisi yang sama. Spektrometer massa

akan memberikan hasil yang lebih baik jika dikombinasilan dengan GC. Biasanya

GC digabungkan dengan spectrometer quadrupole. Persyaratan dasar analisisnya

adalah setiap senyawa harus mempunyai paling tidak satu puncak yang spesifik,

kontribusi puncak harus aditif dan sensitivitas harus reproduksibel serta adanya

senyawa referens yang sesuai.

Dengan spectrometer

massa beresolusi tinggi, senyawa-senyawa polimer dengan berat molekul besar dapat

dianalisis, juga dapat digunakan untuk menganalisis produk-produk petroleum

seperti: paraffin (m/e = 43-85), sikloparafin (m/e = 41-97), sikloolefin (m/e = 67-96)

dan alkyl benzene (m/e = 77-134). Analisis semacam ini dipakai untuk mengenali

sifat-sifat bahan baker, minyak pelumas, aspal dan sebagainya.

Spektrometer massa dapat dipergunakan untuk analisis runutan anorganik

terutama dengan menggunakan sumber bunga api listrik, dan dapat digunakan

menganalisis unsur-unsur runutan dalam paduan atau dalam super konduktor. Tipe

bunga api listrik mempunyai sensitivitas tinggi dan dapat menentukan sampai tingkat

ppb. Kekurangan dari spectrometer massa bunga api listrik adalah ketidakberaturan

dari sumber dan kurang reproduksibel, tetapi kekurangan ini dapat diatasi dengan

19

memakai system deteksi fotografi. Analisis kuantitatif instrument semacam ini

didasarkan pada garis-garis fotografi dengan standar yang sesuai.

Analisis Kualitatif

Spektroskopi massa memungkinkan kita untuk mengidentifikasi suatu senyawa

yang tidak diketahui, dengan mengkalibrasikan terhadap senyawa yang telah dikenal

seperti: uap merkuri (m/e = 198-204) atau perfluoro kerosin (PFK) dengan puncak-

puncak CF3 (69), C3F3 (93), CC4F3 (105), C3F5 (131). Jadi spektrim massa dipakai

untuk menentukan berat molekul atau rumus molekul atau mengidentifikasi senayawa

dari pola fragmentasinya. Contoh spectrum massa ditunjukkan pada gambar dibawah

ini. Puncak ion molekul terjadi pada suatu massa yang sesuai dengan berat molekul

dari molekul netralnya.

Spektrum Massa Metilen Klorida

Puncak ion molekul metilen klorida terjadi pada m/z = 88. Base peak

merupakan pecahan molekul yang mempunyai massa lebih kecil daripada berat

molekul senyawa aslinya. Untuk metilen klorida, base peak terjadi pada massa 49

sesuai dengan ion yang dibentuk dengan hilangnya satu atom klor.

Rrumus molekul suatu ssenyawa dapat ditentukan jika puncak ion molekul

sudah dikenal, tetai untuk hal – hal semacam ini diperlukan spektrometri beresolusi

tinggi. Pola fragmentasi dipergunakanuntuk mengidentifikasi senyawa juga

20

memunkinkan terhadap pengenalan gugus fungsi dengan melihat puncak – puncak

fragmentasi spesifik.

MS dari benzyl alcohol diperlihatkan pada gambar dibawah ini. ion molecular

terlihat pada m/z = 108.  fragmentasi dari kehilangannya 17 (-OH) memebreikan

fragmentasi yang terlihat pada benzen pada m/z = 91. Kehilangan dari 31 (-CH2OH)

dari ion molecular memberikan 77 hubungan untuk kation fhenil. Catatan, puncak

kecil pada 109 dan 110 menunjukkan adanya kelimpahan dari 13C dalam sampel

(dimana kelimpahannya 1 % ).

21