Μοριακή μάζα

Η μοριακή μάζα (molecular mass) () είναι η μάζα ενός δεδομένου μορίου. Χρησιμοποιούνται συχνά ως μονάδες Ντάλτον (Da). Διαφορετικά μόρια της ίδιας ένωσης μπορεί να έχουν διαφορετικές μοριακές μάζες επειδή περιέχουν διαφορετικά ισότοπα ενός στοιχείου. Το παράγωγο μέγεθος σχετική μοριακή μάζα είναι ο αδιάστατος λόγος της μάζας ενός μορίου προς την σταθερά ατομικής μάζας (η οποία ισούται με ένα dalton).IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.
Η μοριακή μάζα και η σχετική μοριακή μάζα είναι διαφορετικές από την μολαρική μάζα, αλλά σχετίζονται με αυτήν. Η μολαρική μάζα ορίζεται ως η μάζα μιας δεδομένης ουσίας διαιρούμενη με την ποσότητα της ουσίας (amount of the substance) και εκφράζεται σε γραμμάρια ανά mol (g/mol). Αυτό καθιστά τη μολαρική μάζα έναν μέσο όρο πολλών σωματιδίων ή μορίων (που ενδεχομένως περιέχουν διαφορετικά ισότοπα), και τη μοριακή μάζα τη μάζα ενός συγκεκριμένου σωματιδίου ή μορίου. Η μολαρική μάζα είναι συνήθως το καταλληλότερο μέγεθος όταν πρόκειται για μακροσκοπικές (ζυγίσιμες) ποσότητες μιας ουσίας.
Ο ορισμός του μοριακού βάρους (molecular weight) είναι πιο έγκυρα συνώνυμος με τη σχετική μοριακή μάζα. Ωστόσο, στην κοινή πρακτική, η χρήση αυτής της ορολογίας είναι εξαιρετικά μεταβλητή. Όταν το μοριακό βάρος δίνεται με τη μονάδα Da, είναι συχνά ως σταθμισμένος μέσος όρος παρόμοιος με τη μολαρική μάζα αλλά με διαφορετικές μονάδες. Στη μοριακή βιολογία, η μάζα των μακρομορίων αναφέρεται ως το μοριακό τους βάρος και εκφράζεται σε kDa, αν και η αριθμητική τιμή είναι συχνά κατά προσέγγιση και αντιπροσωπευτική ενός μέσου όρου.
Οι όροι μοριακή μάζα (molecular mass), μοριακό βάρος (molecular weight) και μολαρική μάζα (molar mass) μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά σε λιγότερο επίσημα πλαίσια όπου δεν απαιτείται ορθότητα μονάδων και μεγέθους. Η μοριακή μάζα χρησιμοποιείται συχνότερα όταν αναφέρεται στη μάζα ενός μόνο ή συγκεκριμένου σαφώς καθορισμένου μορίου και λιγότερο συχνά από το μοριακό βάρος όταν αναφέρεται σε έναν σταθμισμένο μέσο όρο ενός δείγματος. Πριν από την αναθεώρηση του SI του 2019 οι ποσότητες που εκφράζονται σε Ντάλτον (Da) ήταν εξ ορισμού αριθμητικά ισοδύναμες με τη μολαρική μάζα που εκφράζεται σε μονάδες g/mol και επομένως ήταν αυστηρά αριθμητικά εναλλάξιμες. Μετά την αναθεώρηση του 2019, αυτή η σχέση είναι σχεδόν ισοδύναμη, αν και η διαφορά είναι αμελητέα για όλους τους πρακτικούς σκοπούς.
Η μοριακή μάζα ενός μικρού έως μεσαίου μεγέθους μορίων, που μετράται με φασματομετρία μάζας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης (Chemical composition) των στοιχείων στο μόριο. Οι μοριακές μάζες μακρομορίων, όπως οι πρωτεΐνες, μπορούν επίσης να προσδιοριστούν με φασματομετρία μάζας. Ωστόσο, μέθοδοι που βασίζονται στο ιξώδες και τη σκέδαση φωτός χρησιμοποιούνται επίσης για τον προσδιορισμό της μοριακής μάζας, όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα κρυσταλλογραφικά ή φασματομετρικά δεδομένα μάζας.
 Υπολογισμός 
Οι μοριακές μάζες υπολογίζονται από τις ατομικές μάζες κάθε νουκλεϊδίου που υπάρχει στο μόριο, ενώ οι μολαρικές μάζες και οι σχετικές μοριακές μάζες (μοριακά βάρη) υπολογίζονται από τις τυπικές ατομικές μάζες κάθε στοιχείου. Το τυπικό ατομικό βάρος λαμβάνει υπόψη την ισοτοπική κατανομή του στοιχείου σε ένα δεδομένο δείγμα (συνήθως θεωρείται "κανονική"). Για παράδειγμα, το νερό έχει μοριακή μάζα 18,0153(3) g/mol, αλλά τα μεμονωμένα μόρια νερού έχουν μοριακές μάζες που κυμαίνονται μεταξύ 18,010 564 6863(15)  Da (1H16O) και 22,027 7364(9) Da (2H18O).
Οι ατομικές και μοριακές μάζες αναφέρονται συνήθως σε Ντάλτον, η οποία ορίζεται ως η μάζα του ισότοπου 12C (άνθρακας-12). Ωστόσο, η ονομασία ενιαία ατομική μονάδα μάζας (u) εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στην κοινή πρακτική. Οι σχετικές ατομικές και μοριακές μάζες, όπως ορίζονται, είναι αδιάστατες. Οι μολαρικές μάζες, όταν εκφράζονται σε g/mol, έχουν σχεδόν ταυτόσημες αριθμητικές τιμές με τις σχετικές ατομικές και μοριακές μάζες. Για παράδειγμα, η μοριακή μάζα και η μοριακή μάζα του μεθανίου, του οποίου ο μοριακός τύπος είναι CH4, υπολογίζονται αντίστοιχα ως εξής:
Μολαρική μάζα του CH4   Τυπικό ατομικό βάρος        Αριθμόςατόμων  Ολική μολαρική μάζα (g/mol)  ή μοριακό βάρος (αδιάστατο) C    1       H    4       CH4               Μοριακή μάζα του 12C1H4   Νουκλεϊδική μάζα (Da ή u)       Αριθμόςατόμων  Ολική μοριακή μάζα (Da ή u) 12C  12,0000  1      12,0000 1H  1,007825  4       4,0313 CH4                16,0313
Η αβεβαιότητα στη μοριακή μάζα αντανακλά τη διακύμανση (σφάλμα) στη μέτρηση και όχι τη φυσική διακύμανση στις ισοτοπικές αφθονίες σε όλο τον κόσμο. Στη φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης, τα ισοτοπομερή (isotopomers) μάζας 12C1H4 και 13C1H4 παρατηρούνται ως διακριτά μόρια, με μοριακές μάζες περίπου 16,031 Da και 17,035 Da, αντίστοιχα. Η ένταση των κορυφών της φασματομετρίας μάζας είναι ανάλογη με τις ισοτοπικές αφθονίες στο μοριακό είδος. Το 12C 2H1H3 μπορεί επίσης να παρατηρηθεί με μοριακή μάζα 17 Da.

 Προσδιορισμός 
 Φασματομετρία μάζας 

Στη φασματομετρία μάζας, η μοριακή μάζα ενός μικρού μορίου αναφέρεται συνήθως ως μονοϊσοτοπική μάζα: δηλαδή, η μάζα του μορίου που περιέχει μόνο το πιο κοινό ισότοπο κάθε στοιχείου. Αυτό διαφέρει επίσης ελαφρώς από τη μοριακή μάζα στο ότι η επιλογή των ισοτόπων ορίζεται και επομένως είναι μια μοναδική συγκεκριμένη μοριακή μάζα από τις (ίσως πολλές) πιθανότητες. Οι μάζες που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της μονοϊσοτοπικής μοριακής μάζας βρίσκονται σε έναν πίνακα ισοτοπικών μαζών και δεν βρίσκονται σε έναν τυπικό περιοδικό πίνακα. Η μέση μοριακή μάζα χρησιμοποιείται συχνά για μεγαλύτερα μόρια, καθώς τα μόρια με πολλά άτομα είναι συχνά απίθανο να αποτελούνται αποκλειστικά από το πιο άφθονο ισότοπο κάθε στοιχείου. Μια θεωρητική μέση μοριακή μάζα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τα τυπικά ατομικά βάρη που βρίσκονται σε έναν τυπικό περιοδικό πίνακα. Η μέση μοριακή μάζα ενός πολύ μικρού δείγματος, ωστόσο, μπορεί να διαφέρει σημαντικά από αυτήν, καθώς ο μέσος όρος ενός μεμονωμένου δείγματος δεν είναι ο ίδιος με τον μέσο όρο πολλών γεωγραφικά κατανεμημένων δειγμάτων.
 Φωτομετρία μάζας 
Η φωτομετρία μάζας (MP) είναι μια γρήγορη, σε διάλυμα, χωρίς ετικέτα μέθοδος για την απόκτηση της μοριακής μάζας πρωτεϊνών, λιπιδίων, σακχάρων και νουκλεϊκών οξέων σε επίπεδο ενός μορίου. Η τεχνική βασίζεται στη συμβολομετρική μικροσκοπία σκεδαζόμενου φωτός.Young et al. (2018). Quantitative imaging of single biological macromolecules. Science 360, 423-427. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aar5839 Αντίθετα από το σκεδαζόμενο φως ανιχνεύεται από ένα μόνο συμβάν σύνδεσης στη διεπαφή μεταξύ του διαλύματος πρωτεΐνης και της γυάλινης αντικειμενοφόρου πλάκας και είναι γραμμικά ανάλογη με τη μάζα του μορίου. Αυτή η τεχνική μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της ομοιογένειας του δείγματος,Sonn-Segev, A., Belacic, K., Bodrug, T. et al. Quantifying the heterogeneity of macromolecular machines by mass photometry. Nat Commun 11, 1772 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15642-w  για την ανίχνευση καταστάσεων πρωτεϊνικής ολιγομερισμού και για την αναγνώριση σύνθετων μακρομοριακών συγκροτημάτων (ριβοσώματα, GroEL, αδενοσχετιζόμενος ιός (Adeno-associated virus, AAV)) και αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών, όπως αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης.Soltermman et al. Quantifying protein-protein interactions by molecular counting using mass photometry.  Angew. Chem Int Ed, 2020, 59(27), 10774-10779 Η φωτομετρία μάζας μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τη μοριακή μάζα σε ένα ευρύ φάσμα μοριακών μαζών (40 kDa – 5 MDa).
 Υδροδυναμικές μέθοδοι 
Σε μια πρώτη προσέγγιση, η βάση για τον προσδιορισμό της μοριακής μάζας σύμφωνα με τις σχέσεις Mark-HouwinkPaul, Hiemenz C., and Lodge P. Timothy. Polymer Chemistry. Second ed. Boca Raton: CRC P, 2007. 336, 338–339. είναι το γεγονός ότι το εσωτερικό ιξώδες (intrinsic viscosity) των διαλυμάτων (ή εναιωρημάτων) μακρομορίων εξαρτάται από την ογκομετρική αναλογία των διασπαρμένων σωματιδίων σε έναν συγκεκριμένο διαλύτη. Συγκεκριμένα, το υδροδυναμικό μέγεθος σε σχέση με τη μοριακή μάζα εξαρτάται από έναν συντελεστή μετατροπής, που περιγράφει το σχήμα ενός συγκεκριμένου μορίου. Αυτό επιτρέπει την περιγραφή της φαινομενικής μοριακής μάζας από ένα εύρος τεχνικών ευαίσθητων σε υδροδυναμικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής σκέδασης φωτός (dynamic light scattering, DLS), της χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους (size exclusion chromatography, SEC) (επίσης γνωστή ως χρωματογραφία διαπερατότητας πηκτής (Gel permeation chromatography, GPC) όταν το έκλουσμα είναι οργανικός διαλύτης), ιξωδομετρία (viscometry) και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (nuclear magnetic resonance spectroscopy) με διατεταγμένη διάχυση (diffusion ordered spectroscopy, DOSY). Το φαινομενικό υδροδυναμικό μέγεθος μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την προσέγγιση της μοριακής μάζας χρησιμοποιώντας μια σειρά από πρότυπα ειδικά για μακρομόρια. Καθώς αυτό απαιτεί βαθμονόμηση, περιγράφεται συχνά ως μέθοδος προσδιορισμού σχετικής μοριακής μάζας.
 Στατική σκέδαση φωτός 
Είναι επίσης δυνατό να προσδιοριστεί η απόλυτη μοριακή μάζα απευθείας από τη σκέδαση φωτός, παραδοσιακά χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Zimm. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω κλασικής στατικής σκέδασης φωτός, είτε μέσω ανιχνευτών σκέδασης φωτός πολλαπλών γωνιών (multi-angle light scattering). Οι μοριακές μάζες που προσδιορίζονται με αυτήν τη μέθοδο δεν απαιτούν βαθμονόμηση, εξ ου και ο όρος "απόλυτη". Η μόνη εξωτερική μέτρηση που απαιτείται είναι η αύξηση του δείκτη διάθλασης, η οποία περιγράφει την αλλαγή στον δείκτη διάθλασης με τη συγκέντρωση.
 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 A Free Android application for molecular and reciprocal weight calculation of any chemical formula
 Stoichiometry Add-In for Microsoft Excel  for calculation of molecular weights, reaction coefficients and stoichiometry.

Κατηγορία:Μολαρικά μεγέθη
Κατηγορία:Μάζα