SPETTROMETRIA DI MASSA
Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli
L27 - CHIMICA - AA 2015-2016
DV tra due elettrodi sotto vuoto (1 torr)
si osserva
luminescenza all’anodo
si ipotizza
particelle cariche accelerate dal DV che urtano la superficie del vetro
quindi
se sono particelle cariche interagiscono con campi elettrici e magnetici
esperimento
determinazione sperimentale del rapporto carica/massa dell’elettrone
cosa si scarica al catodo?
esperimento analogo ma rapporto carica/massa molto maggiore
è stato costruito il primo spettrometro di massa
•Normalmente, quando si misura una massa, si usa una bilancia che funziona
con la gravità terrestre.
•Come si misura la massa di una molecola, che è così piccola da non avere
una interazione gravitazionale misurabile?
•il flusso di particelle cariche viene deviato da un campo elettrico o magnetico. Il
fisico J.J. Thomson ha utilizzato questo fenomeno per sviluppare uno strumento
capace di separare particelle cariche in base al numero di massa.
IL PRIMO SPETTROMETRO DI MASSA
rivelatore
analizzatore
sorgente ionica
catodo
+
N
lastra
fotografica
-
anodo
S
elettrodi
magnete
Gli oggetti che passano al di là del catodo forato interagiscono con i campi
elettrico e magnetico aventi linee di flusso tra loro parallele. L’interazione
devia il moto delle particelle su traiettorie paraboliche, il cui fuoco dipende dal
rapporto carica/massa dell’oggetto.
Spettrometria di massa
Ioni come particelle
reali e non stati fisici
legati alla soluzione
Neon: scoperta degli isotopi
Difetto di massa: teoria della relatività
II guerra mondiale: analisi di carburanti strategici
Sostanze organiche di origine naturale
14
6
12
5
10
- log S
(g)
4
8
3
6
4
2
2
1
0
0
1900
1950
2000
t (anni)
applicazioni fisiche
applicazioni dinamiche
applicazioni biomediche
chimica clinica
log MR
(Da)
SPETTROMETRIA DI MASSA NELLO SPAZIO
Sorgente
ionica
Lente
elettrostatica
HPLC - GC
interfaccia
Sistema di
pompaggio
Analizzatore
Rivelatore
Data system
Uno spettrometro di massa comprende
•un dispositivo per introdurre il campione (p.es. una unità GC o HPLC),
•un’interfaccia per connettere tale dispositivo,
•una sorgente per ionizzare il campione,
•una lente elettrostatica che introduca efficientemente gli ioni generati,
•un analizzatore di massa che separi gli ioni in base al loro rapporto m/z
•ed un detector che riconosca gli ioni separati
CROMATOGRAFIA LIQUIDA
separa i componenti di un campione sulla base della loro affinità o tempo di
ritenzione per la fase stazionaria
rivela i singoli componenti sulla base delle loro proprietà, usando UV,
fluorescenza o la conduttività elettrica.
fornisce una risposta qualitativa sulla base del tempo di ritenzione, poi una
quantitativa sulla base dell'intensità e dell'area del picco.
offre una grande risoluzione, ma caratterizzare accuratamente le sostanze
dal punto di vista qualitativo e quantitativo può essere difficile se più
componenti vengono eluiti allo stesso tempo, come accade nelle analisi
multianalita.
SPETTROMETRIA DI MASSA
offre una tecnica altamente sensibile che ionizza i componenti del campione
usando metodi diversi
separa gli ioni risultanti sotto vuoto, sulla base del loro rapporto
massa/carica, e misura l'intensità di ciascuno ione
lo spettro di massa è molto utile all'analisi qualitativa perché può indicare la
concentrazione degli ioni che hanno una data massa
ma l’applicazione è possibile solo quando si va a misurare un singolo
componente, perché se vengono iniettati simultaneamente più componenti
diventa molto difficile analizzare lo spettro.
SISTEMI LC-MS
combinano l'eccezionale risoluzione nella separazione propria della
cromatografia liquida con le eccezionali capacità qualitative della MS.
gli spettri ottenuti da queste scansioni offrono, per i componenti eluiti, spettri
di massa ed informazioni strutturali complementari alle informazioni
qualitative basate sul tempo di ritenzione ottenuto usando altri rivelatori LC
SPETTROMETRIA DI MASSA NELLO SPAZIO
Sorgente
ionica
Lente
elettrostatica
HPLC - GC
interfaccia
Sistema di
pompaggio
Analizzatore
Data system
Rivelatore
TECNICHE DI IONIZZAZIONE
EI - ELECTRONIC IMPACT IONIZATION (GC)
Interazione in fase gas dei vapori del campione con un fascio di
elettroni.
•Il potenziale a cui
viene effettuato l’EI è stato standardizzato a 70 eV
perché a questo valore si ottengono spettri con frammentazioni
riproducibili, consentendo così di costruire banche dati e di ricercare al
loro interno i composti studiati.
è la tecnica piu’ utilizzata ma presenta due limiti importanti
•richiede la vaporizzazione
del campione
•elevata energia trasferita
alla molecola
non è adatta a
sostanze poco volatili
favorite le reazioni di decomposizione;
in alcuni casi non si evidenzia
la presenza dello ione molecolare
EI - SORGENTE AD IMPATTO ELETTRONICO
campione
in fase gas
camera di ionizzazione
filamento
incandescente
ioni
elettrodo di accelerazione
sistema di focalizzazione
•Tutti gli ioni sono sottoposti allo stesso potenziale
z carica dello ione
zV = ½ mv2
V potenziale della camera di
ionizzazione
•Se V è costante, a parità di carica z, tutti gli ioni che escono dalla camera di
ionizzazione hanno la stessa energia cinetica
•L’energia generata all’interno della
molecola dalle interazioni elettrone-molecola
porta alla formazione dello ione molecolare
•che successivamente si
decompone formando specie
cationiche, anioniche, radicaliche e
neutre
M + e- M+. + 2e-
CHj+. + Dj M+. Aj+ + Bj.
•a loro volta queste specie possono ulteriormente frammentarsi e dare luogo
ad altri ioni, caratteristici della struttura molecolare.
CI - CHEMICAL IONIZATION (GC)
Ionizzazione chimica tramite reazioni ione-molecola in fase gassosa
•La sorgente utilizzata è analoga a quella della EI, con la differenza che nella
camera di ionizzazione si inseriscono elevate quantità di gas reagente (0.1
torr).
•Generalmente vengono sfruttate reazioni acido-base del tipo:
AH+ + M
MH+ + A
AH+ = CH5+, NH4+, H3O+...
B- + MH
M- + BH
B- = NH2-, OH-...
•oppure reazioni di scambio di carica:
•o cattura elettronica di risonanza:
C.+ + M
D
e- + M
M.+ + C
D+ + e.-
M
•Nonostante siano state superate alcune limitazioni dell’EI, questo tipo di
sorgente richiede sempre campioni gassosi e non è adatto a sostanze non
volatili (alto PM o molto polari)
TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC)
•Queste interfacce operano a pressione atmosferica e la ionizzazione avviene
per elettronebulizzazione: gli ioni si formano da soluzioni finemente nebulizzate
tramite un capillare tenuto ad alto potenziale elettrico
ESI - ELECTROSPRAY IONIZATION
•La soluzione di analita viene nebulizzata in un flusso di gas (azoto) e in
presenza di un campo elettrico (2-10kV).
•Le goccioline cariche vengono riscaldate tramite un flusso di gas caldo, per
evaporare il solvente. Non si riscaldano, perché il calore viene assorbito
dall’evaporazione; il processo è adiabatico. Le goccioline diminuiscono di
volume ma mantengono la carica elettrostatica.
•Quando la forza di Coulomb eguaglia la tensione superficiale, le goccioline
esplodono, liberando gli ioni di analita (“Coulombic explosion”)
APCI - ATMOSPHERIC PRESSURE CHEMICAL IONIZATION
•La soluzione di analita viene nebulizzata a pressione ambiente e ad alta T
(250-400°C) in presenza di un emettitore di elettroni a corona (2-10kV).
•Il solvente allo stato di vapore si ionizza e a sua volta trasferisce carica agli
analiti, che quindi passano all’interno dello spettrometro.
•E’ una sorgente adatta ad un vasto range di molecole polari e non polari.
•Viene impiegata in serie a cromatografie a fase diretta, perché gli analiti sono
di solito non polari
TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC)
APPI - ATMOSPHERIC PRESSURE PHOTOCHEMICAL IONIZATION
•Anche in questo caso un vaporizzatore porta l’eluato della colonna in fase
gas.
•Una
lampada a scarica genera fotoni in un range ristretto di energie di
ionizzazione, scelto per ionizzare quanti più analiti sia possibile ma
mantenendo al minimo la ionizzazione del solvente.
•E’
una sorgente adatta ad un range di molecole analogo all’APCI, ma
particolarmente utile in caso di composti fortemente non polari e basse
velocità di flusso, nelle quali l’APCI a volte è meno sensibile.
TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC)
SPETTROMETRIA DI MASSA NELLO SPAZIO
Sorgente
ionica
Lente
elettrostatica
HPLC - GC
interfaccia
Sistema di
pompaggio
Analizzatore
Data system
Rivelatore
ANALIZZATORI DI MASSA
ANALIZZATORI A SETTORE MAGNETICO A SINGOLO O DOPPIO FUOCO
•E’ l’analizzatore storico, in uso da più tempo.
•Gli ioni generati in una unità di ionizzazione
vengono accelerati in un
settore magnetico, da una differenza di potenziale da 2 a 8 kV.
•Seguendo
la regola della mano sinistra di Fleming, gli ioni vengono
accelerati secondo una direzione perpendicolare sia alla loro velocità che al
campo magnetico, dando come risulato una traiettoria curva.
ANALIZZATORI DI MASSA
ANALIZZATORI A SETTORE MAGNETICO A SINGOLO O DOPPIO FUOCO
•Lo ione è sottoposto alla forza di Lorentz (centripeta)
f1 = B z e v
B campo magnetico
z carica
e carica elementare
v velocità
•Allo stesso tempo è sottoposto anche alla forza centrifuga
f2 =
mv2/r
m massa
r raggio
•Nella traiettoria circolare le forze centrifuga e centripeta sono in equilibrio,
quindi si avrà:
mv2/r = B z e v
•ma l’energia cinetica dipende anche dal potenziale del campo elettrico V
½ mv2 = z e V
V potenziale del campo elettrico
ANALIZZATORI DI MASSA
•Ricavando da entrambe le equazioni il termine relativo alla velocità si ha
v = B z e r/m
e
v2 = 2 V z e/m
•e uguagliando i termini si ottiene
m/z = B2 e r2/ 2V
•Questo significa che mantenendo costante il potenziale di accelerazione degli
ioni V e variando il flusso magnetico B (o viceversa mantenendo costante B e
variando V) un detector collocato sul raggio del cammino r può rivelare
qualsiasi massa particolare m.
•Negli attuali spettrometri a settore magnetico viene usato solo un detector di
ioni e vengono mantenuti costanti sia il potenziale di accelerazione, sia il raggio
della traiettoria, mentre si varia il campo magnetico.
•Ciò
significa che ioni con masse diverse passano tutti attraverso il campo
magnetico, uno dopo l’altro, e raggiungono il detector.
•Si ottiene uno spettro di massa da ciascuna scansione del campo magnetico.
ANALIZZATORI DI MASSA
QUADRUPOLO
ANALIZZATORI
DI MASSA
TRAPPOLA IONICA
(ION TRAP)
TEMPO DI VOLO
(TIME OF FLY - TOF)
HPLC
QUADRUPOLO
•Un analizzatore di massa a quadrupolo consiste di quattro barre parallelle
disposte a quadrato, con potenziali opposti su barre adiacenti.
•Gli ioni dell’analita vengono diretti al centro del quadrato.
•Differenze di potenziale applicate alle barre generano campi elettromagnetici
variabili, che determinano oscillazioni dello ione nello spazio. Solo ioni con un
determinato rapporto m/z possono passare attraverso il filtro ad un dato tempo.
QUADRUPOLO
•Sono i detector più economici e più semplici.
Possono operare in due modalità:
•scanning (scan mode): l’analizzatore monitora un range di valori m/z. E’ la
modalità usata per l’analisi qualitativa o per la quantitativa nel caso in cui non si
conoscano in anticipo le quantità dei singoli analiti
•selected ion monitoring (SIM mode): l’analizzatore monitora solo pochi valori
m/z. Questa modalità è molto più sensibile della modalità scan, ma da
informazioni su molti meno ioni. E’ impiegata per l‘analisi quantitativa e per il
monitoraggio di composti target.
TRAPPOLA IONICA (ION TRAP)
•Questo sistema consiste di un elettrodo a
forma di ciambella chiuso tra due altri
elettrodi forati, uno adiacente alla sorgente
e l’altro al detector. Si fanno entrare nella
trappola gli ioni compresi in un range di
rapporto m/z predefinito, scartando gli altri.
•Successivamente
il principio è analogo al funzionamento del quadrupolo:
vengono prodotte oscillazioni dello ione attraverso campi elettrici e magnetici
oscillanti. La scansione dei vari valori di campo elettrico e magnetico porta
all’uscita selettiva verso il detector solo degli ioni che via via hanno un
determinato rapporto m/z, consentendo di rivelarli uno ad uno.
•In
questo dispositivo è possibile anche introdurre direttamente il campione
nella trappola, realizzando così lo studio solo in spettroscopia di massa
TEMPO DI VOLO (TIME OF FLIGHT - TOF)
•Un campo magnetico uniforme viene applicato a tutti gli ioni allo stesso tempo,
provocandone l’accelerazione all’interno di un tubo.
•Ioni
più leggeri percorrono il tubo più velocemente ed arrivano prima al
detector. Il rapporto m/z viene quindi determinato dal tempo di arrivo.
•Questi analizzatori hanno un range di masse vasto e sono molto accurati.
RICAPITOLANDO
GC
HPLC
TECNICHE
DI IONIZZAZIONE
ANALIZZATORI DI
MASSA
EI
CI
SETTORE
MAGNETICO
ESI
APCI
APPI
MALDI
QUADRUPOLO
ION TRAP
TOF
STRUMENTAZIONI PRESENTI NELLA SST
TECNICHE
DI IONIZZAZIONE
ANALIZZATORI DI
MASSA
GC
EI
SETTORE
MAGNETICO
HPLC
ESI
APCI
APPI
QUADRUPOLO
ION TRAP
http://www.shimadzu.com/an/support/index.html
http://www.shimadzu.com/an/hplc/support/lib/lctalk/46/46intro.html
