Молекулярная масса

Молекулярная масса ( m ) — это масса данной молекулы . Да ) . Часто используется единица дальтон ( ^{[ 1 ]} Разные молекулы одного и того же соединения могут иметь разную молекулярную массу, поскольку содержат разные изотопы элемента. Полученная величина относительной молекулярной массы представляет собой безразмерное отношение массы молекулы к константе атомной массы (которая равна одному дальтону). ^{[ 2 ]}

Молекулярная масса и относительная молекулярная масса отличаются от молярной массы, но связаны с ней . Молярная масса определяется как масса данного вещества, деленная на количество вещества , и выражается в граммах на моль (г/моль). Это делает молярную массу средним числом многих частиц или молекул (потенциально содержащих разные изотопы ), а молекулярную массу — массой одной конкретной частицы или молекулы. Молярная масса обычно является более подходящей величиной при работе с макроскопическими (весовыми) количествами вещества.

Определение молекулярной массы является наиболее авторитетным синонимом относительной молекулярной массы; однако в обычной практике использование этой терминологии сильно варьируется. Когда молекулярная масса указывается в единицах Да, она часто представляет собой средневзвешенное значение, аналогичное молярной массе, но с другими единицами измерения. В молекулярной биологии массу макромолекул называют их молекулярной массой и выражают в кДа, хотя числовое значение часто является приблизительным и представляет собой среднее значение.

Термины «молекулярная масса», «молекулярная масса» и «молярная масса» могут использоваться как взаимозаменяемые в менее формальных контекстах, где не требуется корректность единиц измерения и количества. Молекулярная масса чаще используется, когда речь идет о массе одной или конкретной четко определенной молекулы, и реже, чем молекулярная масса, когда речь идет о средневзвешенном значении образца. До переопределения базовых единиц СИ в 2019 году величины, выраженные в дальтонах (Да), по определению были численно эквивалентны молярной массе, выраженной в единицах г / моль, и, таким образом, были строго взаимозаменяемы численно. После переопределения единиц 20 мая 2019 года это соотношение практически эквивалентно, хотя для всех практических целей разница незначительна.

Молекулярная масса молекул малого и среднего размера, измеренная методом масс-спектрометрии, может использоваться для определения состава элементов в молекуле. Молекулярные массы макромолекул, например белков, также можно определить с помощью масс-спектрометрии; однако методы, основанные на вязкости и светорассеянии, также используются для определения молекулярной массы, когда кристаллографические или масс-спектрометрические данные недоступны.

Расчет

Молекулярные массы рассчитываются на основе атомных масс каждого нуклида , присутствующего в молекуле, а относительные молекулярные массы рассчитываются на основе стандартных атомных масс. ^{[ 3 ]} каждого элемента . Стандартный атомный вес учитывает изотопное распределение элемента в данном образце (обычно считается «нормальным»). Например, вода имеет относительную молекулярную массу 18,0153(3), но отдельные молекулы воды имеют молекулярную массу в диапазоне 18,010 564 6863(15) Да ( ¹ЧАС
₂¹⁶О) и 22,027 7364(9) Да ( ²ЧАС
₂¹⁸ТЕМ).

Атомные и молекулярные массы обычно выражаются в дальтонах , которые определяются через массу изотопа . ¹²С (углерод-12). Относительные атомные и молекулярные массы, как они определены, безразмерны . Однако название «единая атомная единица массы» (u) до сих пор используется в обычной практике. Например, относительная молекулярная масса и молекулярная масса метана , молекулярная формула которого CH ₄ , рассчитываются соответственно следующим образом:

Относительная молекулярная масса CH ₄
	Стандартный атомный вес	Число	Общая молекулярная масса (безразмерная)
С	12.011	1	12.011
ЧАС	1.008	4	4.032
СН ₄			16.043
Молекулярная масса ¹²С ¹Ч ₄
	Масса нуклида	Число	Общая молекулярная масса (Да или ед.)
¹²С	12.00	1	12.00
¹ЧАС	1.007825	4	4.0313
СН ₄			16.0313

Неопределенность молекулярной массы отражает дисперсию (ошибку) измерения, а не естественную дисперсию содержания изотопов по всему миру. высокого разрешения В масс-спектрометрии масс-изотопомеры ¹²С ¹Н ₄ и ¹³С ¹H ₄ наблюдаются в виде отдельных молекул с молекулярной массой примерно 16,031 Да и 17,035 Да соответственно. Интенсивность пиков масс-спектрометрии пропорциональна содержанию изотопов в молекулярных частицах. ¹²С ²ЧАС ¹H ₃ также можно наблюдать с молекулярной массой 17 Да.

Определение

Масс-спектрометрия

В масс-спектрометрии молекулярную массу небольшой молекулы обычно называют моноизотопной массой , то есть массой молекулы, содержащей только наиболее распространенный изотоп каждого элемента. Это также немного отличается от молекулярной массы тем, что выбор изотопов определен и, таким образом, представляет собой единую конкретную молекулярную массу из многих возможностей. Массы, используемые для расчета моноизотопной молекулярной массы, находятся в таблице изотопных масс и не встречаются в типичной таблице Менделеева. Средняя молекулярная масса часто используется для более крупных молекул, поскольку молекулы со многими атомами вряд ли состоят исключительно из наиболее распространенного изотопа каждого элемента. Теоретическая средняя молекулярная масса может быть рассчитана с использованием стандартных атомных весов, найденных в типичной таблице Менделеева, поскольку, вероятно, существует статистическое распределение атомов, представляющих изотопы, по всей молекуле. Однако средняя молекулярная масса образца обычно существенно отличается от этой, поскольку среднее значение для одного образца не совпадает со средним значением для многих географически распределенных образцов.

Массовая фотометрия

Масс-фотометрия (МП) — это быстрый метод определения молекулярной массы белков, липидов, сахаров и нуклеиновых кислот в растворе без использования меток на уровне одной молекулы. Метод основан на интерферометрической микроскопии рассеянного света. ^{[ 4 ]} Контраст от рассеянного света за счет одного события связывания на границе раздела между раствором белка и предметным стеклом обнаруживается и линейно пропорционален массе молекулы. Этот метод также позволяет измерять однородность образца. ^{[ 5 ]} обнаружение состояния олигомеризации белка , характеристика сложных макромолекулярных ансамблей ( рибосомы , GroEL , AAV ) и белковых взаимодействий, таких как белок-белковые взаимодействия. ^{[ 6 ]} Масс-фотометрия позволяет с высокой точностью измерить молекулярную массу в широком диапазоне молекулярных масс (40 кДа – 5 МДа).

Гидродинамические методы

В первом приближении основы определения молекулярной массы по соотношениям Марка–Хаувинка ^{[ 7 ]} Дело в том, что вязкость растворов характеристическая (или суспензий ) макромолекул зависит от объемной доли дисперсных частиц в конкретном растворителе. В частности, гидродинамический размер по отношению к молекулярной массе зависит от коэффициента преобразования, описывающего форму конкретной молекулы. Это позволяет описывать кажущуюся молекулярную массу с помощью ряда методов, чувствительных к гидродинамическим эффектам, включая DLS , SEC (также известный как GPC , когда элюент представляет собой органический растворитель), вискозиметрию и диффузионно-упорядоченную спектроскопию ядерного магнитного резонанса (DOSY). ^{[ 8 ]} Затем кажущийся гидродинамический размер можно использовать для приблизительного определения молекулярной массы с использованием ряда стандартов, специфичных для макромолекул. ^{[ 9 ]} Поскольку для этого требуется калибровка, его часто называют методом определения «относительной» молекулярной массы.

Статическое рассеяние света

Также можно определить абсолютную молекулярную массу непосредственно по рассеянию света, традиционно используя метод Зимма . Этого можно достичь либо с помощью классического статического светорассеяния , либо с помощью детекторов многоуглового светорассеяния . Молекулярные массы, определенные этим методом, не требуют калибровки, отсюда и термин «абсолютные». Единственное необходимое внешнее измерение — это приращение показателя преломления , которое описывает изменение показателя преломления с концентрацией.

См. также

Ссылки

^ Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., стр. 145, ISBN 978-92-822-2272-0
^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено А.Д. Макнотом и А. Уилкинсоном. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная С. Дж. Чоком. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook .
^ «Атомный вес и изотопный состав всех элементов» . НИСТ . Проверено 14 октября 2007 г.
^ Янг и др. (2018). Количественная визуализация отдельных биологических макромолекул. Наука 360, 423–427. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aar5839.
^ Сонн-Сегев А., Белачич К., Бодруг Т. и др. Количественная оценка гетерогенности макромолекулярных машин методом массовой фотометрии. Нацкоммуна 11, 1772 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15642-w
^ Солтермман и др. Количественная оценка белок-белковых взаимодействий путем молекулярного подсчета с использованием масс-фотометрии. Энджью. Chem Int Ed, 2020, 59(27), 10774-10779.
^ Пол, Хименц К. и Лодж П. Тимоти. Полимерная химия. Второе изд. Бока-Ратон: CRC P, 2007. 336, 338–339.
^ Джонсон-младший, CS (1999). «Диффузионно-упорядоченная спектроскопия ядерного магнитного резонанса: принципы и приложения». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 34 (3–4): 203–256. дои : 10.1016/S0079-6565(99)00003-5 .
^ Нойфельд, Р.; Сталке, Д. (2015). «Точное определение молекулярной массы малых молекул с помощью DOSY-ЯМР с использованием внешних калибровочных кривых с нормализованными коэффициентами диффузии» (PDF) . хим. наук. 6 (6): 3354–3364. дои : 10.1039/C5SC00670H . ПМК 5656982 . ПМИД 29142693 .

Внешние ссылки

Бесплатное приложение для Android для расчета молекулярной и обратной массы любой химической формулы.
Надстройка стехиометрии для Microsoft Excel. Архивировано 11 мая 2011 г. на Wayback Machine для расчета молекулярных масс, коэффициентов реакций и стехиометрии.

[SI-1] Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., стр. 145, ISBN 978-92-822-2272-0

[2] ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено А.Д. Макнотом и А. Уилкинсоном. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная С. Дж. Чоком. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook .

[3] «Атомный вес и изотопный состав всех элементов» . НИСТ . Проверено 14 октября 2007 г.

[4] Янг и др. (2018). Количественная визуализация отдельных биологических макромолекул. Наука 360, 423–427. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aar5839.

[5] Сонн-Сегев А., Белачич К., Бодруг Т. и др. Количественная оценка гетерогенности макромолекулярных машин методом массовой фотометрии. Нацкоммуна 11, 1772 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15642-w

[6] Солтермман и др. Количественная оценка белок-белковых взаимодействий путем молекулярного подсчета с использованием масс-фотометрии. Энджью. Chem Int Ed, 2020, 59(27), 10774-10779.

[7] Пол, Хименц К. и Лодж П. Тимоти. Полимерная химия. Второе изд. Бока-Ратон: CRC P, 2007. 336, 338–339.

[8] Джонсон-младший, CS (1999). «Диффузионно-упорядоченная спектроскопия ядерного магнитного резонанса: принципы и приложения». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 34 (3–4): 203–256. дои : 10.1016/S0079-6565(99)00003-5 .

[9] Нойфельд, Р.; Сталке, Д. (2015). «Точное определение молекулярной массы малых молекул с помощью DOSY-ЯМР с использованием внешних калибровочных кривых с нормализованными коэффициентами диффузии» (PDF) . хим. наук. 6 (6): 3354–3364. дои : 10.1039/C5SC00670H . ПМК 5656982 . ПМИД 29142693 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]