UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
S.I.C.S.I. VII CICLO - CLASSE A013
LABORATORIO DI CHIMICA ANALITICA
SPETTROMETRIA DI MASSA E
APPLICAZIONI
DOCENTE:
Prof Andini
CLASSE DI RIFERIMENTO: 5° anno ITI ad indirizzo chimico
PREREQUISITI:
• Gascromatografia
• Nozioni di chimica organica
OBIETTIVI:
• comprendere i principi di funzionamento della spettrometria di
massa
• conoscere una delle tante applicazioni della spettrometria di
massa: il monitoraggio della diossina in atmosfera, spunto per
lavori multidisciplinari
SPETTROMETRIA DI MASSA
La spettrometria di massa è una
tecnica analitica che permette di
misurare la massa di una molecola
Lo spettrometro di massa è uno
strumento che produce ioni e li separa
in base al loro rapporto massa/carica
(m/z)
SCHEMA DI UNO SPETTROMETRO DI MASSA
rivelazione
degli ioni cosi’
separati
generazione di ioni
in fase gassosa
separazione
degli ioni in
funzione del
rapporto m/z
spettro di
massa
spettro di massa : diagramma dell’abbondanza relativa degli
ioni prodotti in funzione del rapporto m/z
IONIZZAZIONE
La scelta del metodo di ionizzazione è importante.
Metodi diversi producono diversi tipi di ioni e,
soprattutto, hanno efficacia diversa in funzione del tipo
di molecole studiata.
•
•
•
•
e-:
Espulsione di
Protonazione:
Cationizzazione:
Deprotonazione:
M
M + H+
M + Cat+
MH
+.
M + eMH+
MCat+
M - + H+
IONIZZAZIONE
Ionizzazione “hard”
Eccesso di energia nello ione
molecolare (rispetto alla
energia di ionizzazione)
Estesa frammentazione
Ionizzazione “soft”
Basso contenuto energia nello
ione molecolare
Frammentazione limitata
ione molecolare
radicale
frammentazione
SPETTRO DI MASSA
In uno spettro di massa, l’asse delle X riporta valori rapporto m/z e l’asse delle Y valori
di abbondanza relativa degli ioni analizzati.
Picco Base
Ione Molecolare
Diagramma a linee verticali
IONIZZAZIONE
frammentazione
Ionizzazione
“hard”
ioni frammento
SPETTRO DI MASSA
Dallo spettro di massa si può risalire alla struttura di un composto incognito, attribuendo
ai singoli ioni composizione elementare e ricostruendo i meccanismi di frammentazione
seguendo schemi tipici per le varie classi di composti.
Picco Base
O
CH3
m/z 43
- 15
CH2
m/z 57
Ione Molecolare
- 29
C
CH3
INTERPRETAZIONE DI UNO SPETTRO
DI MASSA
PICCHI ISOTOPICI
La spettrometria di massa misura la massa di molecole singole, per cui la
massa misurata dipende dagli effettivi isotopi presenti nella molecola
1.1%(numero di C)+ 0.36%(numero di N)
M+1
M+2
Cl
(33% di M)
Br (100% di M)
S
(4% di M)
Tabelle e Collezioni di spettri
• NIST02: 147198 spettri
• Wiley 7: 338322 spettri
• Wiley7/NIST02 combinate: 425000 spettri
MODALITA’ DI
IONIZZAZIONE
Hard Ionization:
• Ionizzazione elettronica (EI)
Soft Ionization:
• Ionizzazione chimica (CI)
• Bombardamento con atomi veloci (FAB)
• Desorbimento laser assistito da matrice (MALDI)
• Ionizzazione elettrospray (ESI)
IONIZZAZIONE PER IMPATTO
ELETTRONICO (EI)
E’ la modalità più classica,
tuttora molto utilizzata.
E’ una ionizzazione ‘hard’.
Il campione deve essere in
stato di vapore.
Adatto per composti piccoli
(< 800 Da), volatili,
termicamente stabili.
Interfaccia con GC, anche
HPLC.
Sotto alto vuoto: 10-5-10-6 Tor
M (g) + e -
-> M
+
(g)
+ 2 e
–
Il campione, in fase gassosa,
viene bombardato, ad angolo
retto, da un fascio
elettronico, emesso da un
filamento caldo
Il repeller spinge
rapidamente lo ione
dalla sorgente verso
la zona di
accelerazione
Gli ioni positivi vengono spinti attraverso la prima
fenditura da un debole campo elettrostatico.
Quindi un forte campo elettrostatico accelera gli
ioni fino alla loro velocità finale
ANALIZZATORI
Strumenti a settore
Analizzatori di massa a quadrupolo
Time-of-Flight (TOF)
ANALIZZATORE A SETTORE
MAGNETICO
L’analizzatore si trova all’interno di un campo
magnetico, perpendicolare alla direzione del
fascio di particelle cariche.
Il campo magnetico fa curvare il fascio. Per un
dato valore di campo magnetico B e di
potenziale di accelerazione V a ciascun valore
del rapporto massa/carica m/z corrisponde un
raggio di curvatura r.
QUADRUPOLO
Quattro barre parallele
0 U V cos t
U corrente continua d.c.
V cosωt voltaggio alternato r.f.,
dipendente dal tempo
Per un dato valore dei potenziali solo gli ioni con un singolo valore del rapporto
m/z raggiungono il rivelatore. La scansione di uno spettro si ottiene facendo
variare simultaneamente d.c. e a.c., mantenendo costante il loro rapporto.
TRAPPOLA IONICA
Il
processo
trappola
di
ionica
MS/MS
può
essere
descritto in 4 steps:
Ionizzazione
Isolamento dello ione padre
Frammentazione per collisione
indotta (CID)
Analisi di massa degli ioni
figlio prodotti
in
TRAPPOLA IONICA
APPLICAZIONE
SPETTROMETRIA DI MASSA
ANALISI DI MICROINQUINANTI
ORGANICI
DIOSSINE
L’emergenza diossina è iniziata in Campania nella primavera del 2002 a seguito del
riscontro di livelli di diossina superiori ai limiti previsti dalla normativa comunitaria
vigente (Reg.CE 2375/01) in due campioni di latte di massa ovicaprino.
Secondo la letteratura internazionale, la principale fonte di esposizione (circa il 90%),
per la specie umana, è rappresentata dalla presenza delle diossine negli alimenti ed in
particolare i maggiori carrier alimentari sono le matrici grasse d'origine animale e,
quindi, tutti gli alimenti che li contengono.
Ecco come dalle fonti ambientali la diossina passa alle matrici alimentari
DIOSSINE
Seveso 1976.
Icmesa nube tossica di diossina.
Primi sintomi: infiammazioni agli occhi;
quindi aborti spontanei e cloracne.
Specifiche normative sui Rischi di
Incedenti Rilevanti connessi con
determinate attività industriali
(normativa SEVESO)
TCDD
DIOSSINE
210 composti chimici aromatici policlorurati
PCDD
PCDF
17 congeneri tossici che presentano gli atomi di cloro in
posizione
2,3,7,8
Diossine - Tossicità
La struttura delle diossine si
adatta alle cavità di uno specifico
recettore biologico (recettore Ah),
e in questa forma è in grado di
attraversare le membrane cellulari
e di avviare così l’azione tossica. La
tossicità è variabile in funzione del
numero e delle posizioni degli atomi
di cloro sostituenti. La presenza di
sostituenti in posizione 2,3,7,8,
rende la molecole particolarmente
tossica
Diossine – Tossicità (I-TEF)
Congeneri
2,3,7,8-TCDD
1,2,3,7,8-PeCDD
I-TEF
1
0.5
Congeneri
I-TEF
2,3,7,8-TCDF
0.1
2,3,4,7,8-PeCDF
0.5
1,2,3,7,8-PeCDF
0.05
1,2,3,4,7,8-HxCDD
0.1
1,2,3,4,7,8-HxCDF
0.1
1,2,3,6,7,8-HxCDD
0.1
1,2,3,7,8,9-HxCDF
0.1
1,2,3,7,8,9-HxCDD
0.1
1,2,3,6,7,8-HxCDF
0.1
2,3,4,6,7,8-HxCDF
0.1
1,2,3,4,6,7,8-HpCDD
OCDD
0.01
1,2,3,4,6,7,8-HpCDF
0.01
1,2,3,4,7,8,9-HpCDF
0.01
0.001 OCDF
0.001
Tossicità Equivalente: TEQ TEQi Ci I TEFi
i
i
Diossine - Fonti
2 principali meccanismi nella formazione di PCDD/F
1. imperfetto processo di combustione negli impianti di incenerimento
municipali, ospedalieri ed industriali a formare prodotti di
combustione incompleta
2. prodotti secondari indesiderati durante la produzione di particolari
prodotti chimici organici clorurati:
I. clorofenoli e loro derivati
II. cloro difenil eteri e policloro difenili (PCB)
la produzione di diossina risulta inevitabile nei processi di
combustione di materia organica, poiché nelle combustioni è
praticamente sempre presente il cloro
METODOLOGIA ANALITICA
• Campionamento
• Estrazione/Purificazione
• Analisi Strumentale
Analisi strumentale
Diossine
Spettrometro di massa
EI a trappola ionica
accoppiato a GC
MS/MS
Ioni precursori: [M]+, [M+2]+ e [M+4]+
MS/MS
(Precursor ion)
(Product Ion)
Ioni figlio: [M-CO35Cl]+, [M+2-CO35Cl]+, [M+2-CO37Cl]+, [M+4-CO37Cl]+
Diossine
Furani
Diossine
Furani marcati
Diossine marcate
