ESI-Mass in inorganic complex

질량을 분석하는 여러가지 방법 중에 하나가 ESI-Mass이다. 그 차이점과 용도에 따라서 LC Mass도 사용하고 GC Mass도 사용하긴 하지만, 착물의 질량 분석에는 ESI-Mass가 많이 사용되는 것으로 알고 있다. GC등으로 찍었을 때는 착물이 관을 막히게 하는 것으로 알고 있다.

ESI-mass spectrum 실제 샘플 사진

ESI 는 Electrospray Ionization의 약자이다.

전자 분무 이온화 라고도 하는데, 관에 샘플링을 분무(spray)식으로 뿌려주면서 디텍터에 검출 시키는 방식이다.

이때 디텍터의 하전에 따라서 +(positive) / -(negative) charge로 검출을 할 수가 있다.

가령 디텍터가 negative로 하전되어 있으면 + charge의 착물 조각들이 검출되는 식이다.

일반적인 단순 리간드 샘플보다 Complex가 전하를 더 잘 띠기 때문에 검출하기에 더 쉽다.

그래서 대부분의 착물은 + charge를 가진 상태의 피크가 많이 나타나는 편이다.

디텍터에서 검출한 피크에 대해서 알 수 있는 사실은 몇 가지가 있는데,

1. 착물의 전하 상태

2. 착물의 질량 (m/z 값)

3. 착물이 결합하고 있는 금속원자의 종류

크게 이 세가지로 볼 수 있다.

1. 전하 상태

-우선 +/- mode에 따라서 전하 값이 어떤지를 알 수 있고, 또 mass detector에서 가로축은 m/z로 표시가 되는데 이는 단순 질량값이 아닌, 질량 값을 갖고 있는 전하로 나눠 준 값이다. 그렇기 때문에, 전하가 +1인 경우는 피크의 x 값이 m과 동일하게 되기 때문에 질량 값을 확인하기가 쉽다. 또한, 피크와 다음 피크 사이의 간격은 ≒1로 벌어지게 된다.

-가령 피크 사이의 간격이 0.5로 좁아지는 경우가 있는데, 이는 z가 2를 나타내어서, 1 간격으로 나타나는 질량수를 절반으로 나눠줬기 때문이다. 동위원소의 경우 질량이 거의 1차이가 나기 때문에 전하가 1(z=1)인 경우 피크 간격이 1이 되지만, 전하가 2가 되는 경우 이것이 절반 값의 간격을 가지며 피크를 나타내게 된다. 즉 피크 사이 간격 값을 통해서 전하 값을 유추할 수도 있다.

하지만 착물의 정확한 산화수를 알기에는 힘들다. 가령 철착물의 경우, inert condition에서 2가로 만들었음에도 Mass에서는 산화되어 3가로 나타날 수 있기 때문이다. 이런 경우 때문에 다른 분광학적 방법을 통해서, 예를 들면 EPR이나 XAS와 같은 방법, 산화상태를 확인한다.

2. 착물의 질량

-m/z를 통해서 Exact mass와 대조할 수 있다. 우리가 일반적으로 확인하는 molecular weight (m.w.)의 경우, 동위원소의 존재비를 감안한 질량값으로 계산 된 것이기 때문에, 여러 동위 원소 중 한가지만 존재 했을 때 나타나는 mass 값은 이와 약간 다르게 된다. 특히 동위원소의 질량 차이가 있더라도 존재비가 매우 차이나는 12C, 13C의 경우는 거의 대부분 12C로 환산되어서 Exact mass와 Molecular weight와의 차이가 크지 않으나, 동위원소가 35Cl과 37Cl로 존재하는 염소의 경우에는 값이 2 이상으로 벌어지기도 한다.

3. 착물이 결합하고 있는 금속원자의 종류

-사실 착물의 mass 값을 통해서 얻고 싶은 가장 큰 이유 중에 하나라고 할 수 있는 것이 바로 이 붙은 금속의 종류를 확인하고 싶기 때문이다. 이는 isotope pattern으로도 확인한다고 할 수 있는데, 많은 수의 전이 금속들은 다양한 동위원소를 가지고 있어서 그 패턴이 다른 금속과 대단히 차이가 나게 보인다.

위의 표는 그러한 여러 전이금속 들의 동위원소를 나타낸 것이다. 각 동위원소의 존재비, 그리고 질량 값 또한 차이가 나기 때문에 이를 결합한 리간드의 질량과 함께 환산한 Isotope pattern은 마치 지문과 같은 역할로 어떤 금속이 결합하고 있는지 확실하게 알 수 있게 해준다. 또한 금속이 한 개 붙은 패턴과, 그 이상 붙은 패턴은 더 복잡해지고 다양해지기 때문에 몇 개가 붙었는지도 확인이 가능하다.

주의해야 할 점은 Cobalt와 같이 전이금속 임에도 동위원소가 한 개 뿐인 금속이 붙은 것은 질량 값으로만 유추해야 한다는 것이다. 이는 질량 값만 더해주고, 리간드와 동일한 패턴으로 나타날 것이기 때문이다.

그리고 기타 팁으로 Mass 값을 확인하던 중에 Na+가 같이 assign되는 경우가 있다. 분명히 샘플링 하던 와중에 들어갈 여지가 없는데도 불구하고 피크로는 딱 22.9 혹은 23.0 차이가 나서 Na+가 나타나는 경우가 있는데, 이에 대한 문헌을 찾아 본 결과 아직도 정확한 원인은 밝혀지지 않은 것 같다.

As far as known to the authors, no models have been proposed specifically for adduct formation via ESI. There is no universal way to decide to what extent a compound forms sodium adduct in ESI and how this extent depends on molecular structure and ionization conditions.

J. Mass Spectrom. 2013, 48, 695–702

어쨌든 패턴 맞고, 질량도 딱 23정도 벌어지는 피크라면 Na+가 들어있겠거니 하고 Assign을 하면 되겠다.

Researchgate에서 찾은 결과를 토대로 하면, 샘플링 과정에서의 바이알 혹은 시판되는 용매에도 나타난다는 의견도 있었다. HPLC grade로 분류되는 높은 순도의 용매에서도 0.1 ppm정도 발견된다는 결과도 있는 것 같고..어쨌든 확실하진 않지만 덕분에 단순 protonation, deprotonation으로 피크가 나타나기 어려운 경우에 도움이 되는 이온이라고 할 수 있겠다.

https://www.researchgate.net/post/Why_does_sodium_adduct_abundance_appear_in_mass_spectrum