Analizzatore magnetico

Diagramma a blocchi: tipi di analizzatori
Sistema di vuoto
Introduzione
Sorgente
di ioni
Analizzatore
Detector
Data
System
Diagramma a blocchi: tipi di analizzatori
Sistema di vuoto
Introduzione
Sorgente
di ioni
Analizzatore
Time of flight (TOF)
Quadrupole
Ion Trap
Magnetic Sector
FTMS
Detector
Data
System
ANALIZZATORI
L’analizzatore consente di differenziare gli ioni molecolari
generati, nonché i loro frammenti, in base al loro rapporto
massa/carica (m/z).
I più comuni sono:
Analizzatore Magnetico
Analizzatore a Doppia Focalizzazione
Analizzatore a Quadrupolo
Analizzatore a tempo di volo (TOF, Time of Flight)
Analizzatore a Trappola Ionica
ANALIZZATORE MAGNETICO
Porta gli ioni a percorrere traiettorie circolari, il cui raggio dipende dal
rapporto massa/carica dello ione. Cambiando le traiettorie degli ioni
mediante variazioni del campo magnetico applicato, ioni con
diverso rapporto m/z possono essere focalizzati sul rivelatore.
ANALIZZATORE MAGNETICO
E’ costituito da un tubo lungo circa 1 metro, piegato con un raggio
di curvatura r' ed immerso in un campo magnetico di intensità B.
Analizzatore magnetico: come funziona
Quando gli IONI che escono dalla camera di ionizzazione
entrano nel tubo analizzatore, per effetto del campo magnetico B
subiscono una deviazione (deflessione) dalla loro traiettoria
rettilinea che viene curvata.
Energia cinetica degli ioni
All'uscita della camera di ionizzazione il fascio di ioni è
accelerato attraverso un potenziale V di 6000 - 8000 Volt. Gli
ioni vengono espulsi, attraverso una fenditura di uscita, con
circa la stessa energia cinetica pari a:
Energia cinetica degli ioni: Ec =
- z è la carica degli ioni; in genere = 1
- V è il potenziale della griglia
- m è la massa dello ione
- v è la velocità dello ione
Eq. I
(Energia potenziale)
L’accelerazione che gli ioni subiscono è proporzionale al
potenziale V delle piastre acceleratrici.
Traiettoria degli ioni nel analizzatore magnetico
Quando gli ioni entrano nel campo magnetico B subiscono
una forza centripeta che tende a far loro percorrere una
traiettoria circolare di raggio r :
B.z.v
Tale forza centripeta è bilanciata dalla forza centrifuga:
m . v2 / r
Cioè, semplificando :
B . z . v = m . v2 / r
Possiamo scrivere allora:
Interazione campo magnetico / ione:
B = intensità del campo magnetico
r = raggio di deflessione
B
Eq. II
Traiettoria degli ioni nel analizzatore magnetico
Interazione campo magnetico / ione:
B
Eq. II
La nuova traiettoria CURVILINEA ha un raggio di curvatura r che è
direttamente proporzionale alla quantità di moto dello ione (m . v) e
inversamente proporzionale al campo magnetico B.
Analizzatore magnetico
Interazione campo magnetico / ione:
B
Eq. II
Poichè ricavando v 2 dall’energia cinetica degli ioni (Eq. I)
Ec =
abbiamo che:
Eq. I
Eq. III
Combinando la seconda espressione (Eq. II) con la terza (Eq. III) si ottiene:
Equazione fondamentale dell’analizzatore magnetico
2
Vv
2
B
m
2
22
B
B = intensità del campo magnetico
V = potenziale di accelerazione
Di conseguenza per un certo valore della coppia B e V esisterà
un solo valore di massa m (m/z) per cui il raggio di deflessione r
coincide con il raggio di curvatura del tubo r'.
Analizzatore magnetico
Gli ioni che hanno questo valore di massa escono dal tubo e
giungono al rivelatore, gli altri no!
giusta
giusta traiettoria
traiettoria per
per
giungere
giungere al
al rivelatore
rivelatore
Analizzatore magnetico
Operando a potenziale V costante e facendo una scansione
dell’intensità di campo B è possibile fare uscire dal tubo gli ioni a
diversa massa in tempi diversi.
In altre parole è possibile far percorrere agli ioni la traiettoria corretta per
giungere al rivelatore variando opportunamente o l'intensità del campo
magnetico B oppure quella del potenziale acceleratore V.
ANALIZZATORE DI MASSA A DOPPIA FOCALIZZAZIONE
E' l'analizzatore che consente di ottenere le risoluzioni migliori*.
Aggiungendo prima dell'analizzatore magnetico un analizzatore
elettrostatico (ESA) il percorso degli ioni positivi viene focalizzato
ulteriormente in direzione dal campo elettrico statico.
*Vedi massa esatta ed alta risoluzione
Analizzatore di massa a doppia focalizzazione.
Così la risoluzione può raggiungere 100.000 e oltre. Ciò permette
di misurare la così detta “massa esatta” fino alla quarta cifra
decimale.
Gli spettrometri ad alta risoluzione possono separare ioni che
hanno la stessa massa nominale ma che hanno diversa formula
bruta, come:
C2H4, N2 e CO a m/z 28.
Le masse esatte di C2H4, N2 e CO sono 28.0313, 28.0061, and
27.9949 Daltons.
Gli spettrometri ad alta risoluzione di questo genere sono
apparecchiature complicate e costose, e quindi il loro impiego non
è molto diffuso.
Analizzatore di massa a doppia focalizzazione: come funziona
Nel settore elettrostatico (ES) gli ioni non vengono separati in
funzione del rapporto massa/carica, ma solo focalizzati in base alla
loro ENERGIA TRASLAZIONALE.
Gli ioni generati nella camera di ionizzazione possono essere
dotati di energia cinetica iniziale diversa da 0. L'energia cinetica
totale di uno ione dopo accelerazione nel campo V sarà quindi la
somma di due componenti: energia cinetica iniziale ed energia
cinetica guadagnata durante l'accelerazione.
Ec =
Il settore elettrostatico si limita ad uniformare le energie
translazionali degli ioni che hanno uguale m/z, compensando
differenze di velocità iniziale;
Se così non fosse, nel settore successivo, quello magnetico, ioni
con ugual rapporto m/z ma differente energia traslazionale
seguirebbero traiettorie diverse, diminuendo la risoluzione dello
strumento.
ANALIZZATORE FILTRO DI MASSA QUADRUPOLO
L’analizzatore quadrupolare è schematicamente costituito da quattro
barre cilindriche metalliche parallele.
ANALIZZATORE FILTRO DI MASSA QUADRUPOLO
In questo dispositivo la separazione degli ioni dipende dal moto degli
ioni risultante dall’applicazione di una combinazione di campi elettrici:
continui (DC)
alternati a radiofrequenza (RF).
La scansione si basa sulla variazione dell’intensità di questi campi e il
conseguente cambiamento del valore di m/z che giunge al rivelatore.
ANALIZZATORE FILTRO DI MASSA QUADRUPOLO
Alle barre opposte del quadrupolo è applicata una differenza di
potenziale, generata da una corrente continua ed alternata. In
particolare a una coppia di barre (opposte) viene applicato un
potenziale (U+Vcos(ωt)), mentre alle restanti due viene applicato
un potenziale -(U+Vcos(ωt)), dove U è un voltaggio continuo (dc) e
V un voltaggio alternato (ac).
Analizzatore quadrupolare
Gli ioni, accelerati dalle piastre acceleratrici, entrano nel tunnel delimitato
dalle barre e vengono respinti dai poli positivi ed attratti dai negativi.
Il potenziale elettromagnetico oscillante delle barre, fa in modo che
quando le due sbarre verticali hanno potenziale positivo quelle orizzontali
l’hanno negativo, e viceversa.
+
-
-
+
-
+
+
-
A causa di tale oscillazione del quadrupolo, quando gli ioni entrano in questo
campo gli ioni,assumono una traiettoria a zig zag oscillando nelle direzioni x
e y. L’ampiezza di tali oscillazioni dipende dalla frequenza del potenziale
applicato e dalle masse degli ioni.
Analizzatore quadrupolare
Le oscillazioni che gli ioni subiscono nel loro transito potranno essere:
stabili (moto diventa sinusoidale), permettendo così allo ione di uscire
dal quadrupolo ed entrare nel sistema di rivelazione
instabili e porteranno alla collisione dello ione con le barre del
quadrupolo (gli ioni si scaricano su una delle barre).
Analizzatore quadrupolare
A determinati valori della tensione applicata, solo ioni aventi un certo
rapporto m/z usciranno dal quadrupolo stesso. Variando nel tempo la
tensione applicata, tutti gli ioni saranno messi in condizione di uscire (a
tempi diversi) dal quadrupolo.
ANALIZZATORE A TRAPPOLA IONICA ( IT, ION TRAP)
Opera su un principio simile a quello del quadrupolo, tuttavia
non funziona da filtro. Anziché permettere agli ioni di
attraversare il campo quadrupolare, la IT trattiene tutti gli ioni al
suo interno.
Analizzatore a trappola ionica
La trappola ionica è costituita da TRE ELETTRODI in acciaio inossidabile
le cui superfici interne sono di forma iperbolica. Gli elettrodi sono disposti in
una geometria a “sandwich” :
L ’elettrodo ad anello nel centro (ring electrode)
i due elettrodi laterali (end-cup), uno di entrata e uno di uscita degli ioni,
Ion source
sopra e sotto di esso
End-cap electrode
Vrescos(ωrest + Фres)
Ring electrode
Resonance
+
AC voltage
+
+
Vrescos(ωrest + Фres)
RF v o l t ag e
Vcos(Ωt + Ф)
+
+
+
Analizzatore a trappola ionica
I tre elettrodi formano insieme una CAVITÀ in cui gli ioni vengono
immagazzinati e dove avviene l’analisi di massa
Analizzatore a trappola ionica
• I due elettrodi “coperchi” sono generalmente a potenziale di terra (oppure
viene applicata una tensione DC o AC
• All’elettrodo ad anello è applicato un potenziale alternato V con frequenza
angolare Ω (RF)
Ion so urce
End-cap electrode
R i n g e le c tro d e
+
+
+
RF voltage
Vcos( Ωt + Ф)
Intrappolamento degli ioni nella IT
Applicando all'elettrodo anulare un voltaggio rf di appropriata grandezza e
frequenza sono intrappolati ioni che coprono un vasto intervallo di massa
Gli elettrodi della trappola ionica creano un infatti un CAMPO ELETTRICO
IPERBOLICO tridimensionale, capace di tenere intrappolati gli ioni aventi
un dato intervallo di rapporti m/z determinato dai potenziali applicati
(voltaggio RF).
Infatti il campo quadrupolare generato esercita sugli ioni nella trappola una
COMPRESSIONE. Dunque gli ioni non sono liberi di muoversi.
Intrappolamento degli ioni nella IT
All’interno della IT è presente l’ELIO ad una pressione di circa 10-3 Torr che
collide con gli ioni determinando una diminuzione della loro energia cinetica
che si riflette in una riduzione dell’ampiezza delle loro oscillazioni.
(raffreddamento, “cooling”).
In questo modo l’elio contribuisce anch’esso a focalizzare tutti gli ioni verso
il centro della trappola ionica, aumentando la sensibilità e la risoluzione.
Espulsione degli ioni dalla IT
Gli ioni intrappolati nella IT vengono espulsi progressivamente rendendo
INSTABILE il moto degli ioni stessi (la traiettoria)
Mass-selective
axial instability mode (instabilità massa-selettiva)
Quando si vuole registrare uno spettro di massa viene aumentata
l'ampiezza del voltaggio rf applicato all'elettrodo anulare. Si ha come
conseguenza che gli ioni di m/z sempre più elevato diventano instabili
dal momento che il loro moto all'interno della trappola aumenta in
ampiezza e può portarli al di là dei confini fisici del sistema. A questo
punto essi sono espulsi dal sistema in sequenza di massa attraverso i
fori praticati nell’elettrodo terminale.
Espulsione degli ioni dalla IT
Ion source
Aumentando la tensione RF il valore
soglia m/z viene incrementato e gli
ioni vengono espulsi in sequenza.
End-cap electrode
Vrescos(ωrest + Фres)
Ring electrode
Resonance
+
AC voltage
+
+
Vrescos(ωrest + Фres)
RF voltage
Vcos(Ωt + Ф)
+
+
+
Espulsione degli ioni dalla IT
Resonant Ejection mode
Gli ioni sono espulsi facendo una scansione della RF applicata all’elettrodo
centrale e applicando ai due end-cap una RF supplementare oscillante
(AC)
Ion source
End-cap electrode
Vrescos(ωrest + Фres)
Ring electrode
Resonance
+
AC voltage
+
+
Vrescos(ωrest + Фres)
RF voltage
Vcos(Ωt + Ф)
+
+
+
Espulsione degli ioni dalla IT
Poco prima dell’espulsione, il moto assiale dell’ione entra in
risonanza con il potenziale oscillante (AC) applicato, eccitando
l’ione per risonanza; la traiettoria assiale dell’ione eccitato diviene
sempre più ampia consentendo all’ione stesso di sfuggire all’effetto
della nuvola di ioni nella trappola. In questo modo gli ioni della
stessa specie possono essere ben raggruppati prima di uscire
sequenzialmente dalla trappola, garantendo una migliore
risoluzione spettrale e sensibilità.
Analizzatore TOF (time-of- flights)
Separa gli ioni in virtù del TEMPO da essi impiegato nel
percorrere una certa distanza nota.
Si basa sul fatto che ioni con diverso valore m/z e uguale
energia cinetica impiegano tempi differenti a percorre una
certa distanza:
Gli ioni più pesanti raggiungono il rivelatore dopo quelli
piccoli!
In order to increase the resolution, the ion trajectory is bent by an electronic
mirror, the reflectron. When going through the reflectron, the dispersion of ions
of the same m/z value is minimized, leading to a great improvement of
resolution
Analizzatore TOF (time-of- flights)
Tubo
Tubo di
di volo
volo
Analizzatore TOF (velocità degli ioni)
Gli ioni prodotti dalla sorgente vengono accelerati da un potenziale di
accelerazione che conferisce a tutti la stessa energia cinetica.
Gli ioni vengono focalizzati verso un tubo di volo (fly tube o drift tube)
Dato che l’energia cinetica è
Ec =
v = (2zV/m)1/2
Minore sarà la massa dello ione, maggiore sarà la sua
velocità
Analizzatore TOF (tempo impiegato dagli ioni)
Se lo strumento possiede un tubo di volo di lunghezza L:
v = L/t
t=L /v
v = (2zV/m)1/2
t = L / (2V/m/z)1/2
Gli ioni più LEGGERI
percorrono il tubo di volo e raggiungono il
rivelatore prima di quelli PESANTI .
Analizzatore TOF (tecniche di ionizzazione)
L’analizzatore TOF deve lavorare ad impulsi perché tutti gli ioni devono
essere espulsi dalla sorgente NELLO STESSO TEMPO.
Se così non fosse, gli ioni verrebbero prodotti continuativamente, e al
rivelatore arriverebbe un flusso continuo di ioni che non sarebbero più
separabili in funzione del tempo di arrivo.
L’analizzatore TOF deve per ciò utilizzare tecniche di ionizzazione pulsata
(MALDI).
MALDI - TOF
Analizzatore TOF (time-of- flights)
RIVELATORI
Sono dispositivi che all’arrivo di un fascio di ioni, danno un
segnale elettrico proporzionale alla quantità degli ioni, segnale
che viene amplificato e registrato.
Elettromoltiplicatore di elettroni secondari “Channeltron”
E’ costituito da:
un dinodo di conversione
un moltiplicatore di elettroni a dinodo continuo (“Channeltron”)
Elettromoltiplicatore di elettroni secondari “Channeltron”
Il dinodo di conversione è una superficie metallica
concava localizzata ad angolo retto rispetto al fascio di ioni
che giungono dall’analizzatore, ed è posta ad un potenziale
negativo.
Quando uno ione positivo colpisce un dinodo di conversione
si osserva l’emissione di particelle secondarie (ioni negativi ed
elettroni) che vengono focalizzati dalla superficie curva del
dinodo e accelerati verso il moltiplicatore di elettroni
Elettromoltiplicatore di elettroni secondari “channeltron”
Gli ioni positivi (o negativi) trasformati in elettroni dal dinodo
di conversione vengono amplificati attraverso un effetto a
cascata in un moltiplicatore di elettroni a forma di corno
ricurvo per produrre un segnale elettrico. Questo dispositivo,
chiamato anche channeltron, è largamente impiegato in
strumenti a quadrupolo e a ion trap.
Elettromoltiplicatore di elettroni secondari “Channeltron”
Grazie alla forma ad imbuto gli elettroni emessi non percorrono
molto spazio prima di colpire nuovamente la superficie interna
del moltiplicatore, causando così l’emissione di nuovi elettroni.
Alla fine si forma una cascata di elettroni che si traduce in una
corrente misurabile.
Calcolatore
Ruolo del calcolatore:
Controllo dello spettrometro di massa
Acquisizione e memorizzazione degli spettri di massa
Programmi per analisi quantitative
Banche dati per spettri