Spettrometria di massa

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La spettrometria di massa è una tecnica analitica applicata sia all'identificazione di sostanze sconosciute, sia all'analisi in tracce di sostanze. Viene comunemente usata in combinazione con tecniche separative, quali la gascromatografia e la cromatografia in fase liquida (HPLC), o - più recentemente - con tecniche ionizzanti quali il plasma a induzione.

Il principio su cui si basa la spettrometria di massa è la possibilità di separare una miscela di ioni in funzione del loro rapporto massa/carica generalmente tramite campi magnetici statici o oscillanti. Tale miscela è ottenuta ionizzando le molecole del campione, principalmente facendo loro attraversare un fascio di elettroni ad energia nota. Le molecole così ionizzate sono instabili e si frammentano in ioni più leggeri secondo schemi tipici in funzione della loro struttura chimica.

Il diagramma che riporta l'abbondanza di ogni ione in funzione del rapporto massa/carica è il cosiddetto spettro di massa, tipico di ogni composto in quanto direttamente correlato alla sua struttura chimica ed alle condizioni di ionizzazione cui è stato sottoposto.

Indice

1 Strumentazione
2 Cenni minimi all'interpretazione di uno spettro
3 Voci correlate
4 Collegamenti esterni

[modifica] Strumentazione

[modifica] Introduzione del campione

Gli spettrometri di massa operano in condizioni di alto vuoto a seconda della sezione dello strumento considerata: 10 ^-4 mmHg nella sezione di ionizzazione (fanno eccezione i sistemi di ionizzazione a pressione atmosferica (i.d. APCI) e a plasma ICP); 10 ^-8 nel sistema di analizzazione (separazione degli ioni) e nel sistema di rivelazione. Tutto ciò è necessario per poter ottenere uno spettro con buona risoluzione in quanto l'analizzatore dello spettrometro di massa separa in base alla quantità di moto. La presenza di eventuali molecole di gas atmosferico, infatti, potrebbero interferire con gli ioni, variandone l'energia cinetica e peggiorando il rapporto segnale/rumore.

L'analita viene introdotto nello strumento in ragione di pochi microgrammi.
In queste condizioni la maggior parte degli analiti è in fase gassosa; i solidi che non sublimano verranno invece vaporizzati inserendoli accanto al filamento di ionizzazione. Se lo strumento è collegato in uscita ad una colonna cromatografica, come è ormai prassi in molti casi, il campione entra nello strumento al termine dell'eluizione o direttamente in fase gassosa o tramite un dispositivo di vaporizzazione immediatamente a valle della colonna.

[modifica] Ionizzazione

L'analita può venire ionizzato secondo varie tecniche: l'espulsione di elettroni, la protonazione, la deprotonazione, la cationizzazione. Con l'espulsione di elettroni si genera uno ione-radicale, specie molto instabile che può subire facilmente frammentazione, mentre con la protonazione e deprotonazione si genera uno ione pseudomolecolare. La massa del composto è semplice da rilevare a partire dal rapporto m/z perché nella maggior parte dei casi la carica dello ione è unitaria positiva (+1).

Sono comunemente adottate quattro principali metodiche di ionizzazione: impatto elettronico, ionizzazione chimica, ad atomi veloci e MALDI (matrix-assisted laser desorption/ionization). L'impatto elettronico sfrutta il bombardamento con elettroni accelerati da un campo elettrico e provoca una frammentazione piuttosto spinta. La ionizzazione chimica si basa su reazioni chimiche che sfruttano specie ioniche ottenute preventivamente bombardando con elettroni molecole dal basso peso molecolare quali il metano o l'isobutano; è una tecnica di ionizzazione più "morbida". Le metodica che sfrutta atomi veloci utilizza atomi pesanti, quali quelli ad esempio di argon, opportunamente accelerati da un forte campo elettrico; è utile quando si lavora con composti a bassa tensione di vapore quali i polimeri. La tecnica MALDI consiste nell'assorbire il campione su di una matrice che una volta portata in soluzione viene successivamente bombardata con un fascio laser (spesso un laser ad azoto). Grazie al fenomeno del desorbimento, il campione viene rilasciato in forma "clusterizzata", ovvero complessato con la matrice. Molto spesso la tecnica MALDI viene abbinata a spettrometri dotati di analizzatore a tempo di volo (Time of flight, TOF) e permette di ionizzare composti che in altre condizioni andrebbero facilmente distrutti.

[modifica] Separazione degli ioni

Qualunque sia il metodo impiegato per ionizzare il campione, il flusso di ioni prodotto entra nell'analizzatore, cioè in un dispositivo capace di separare gli ioni in funzione del loro rapporto massa/carica (m/z), in maniera analoga a come un monocromatore separa le diverse lunghezze d'onda in spettrofotometria.

Esistono diversi tipi di analizzatore, classificati in funzione del loro principio di funzionamento

Analizzatore magnetico
Analizzatore a quadrupolo
Analizzatore a trappola ionica
Analizzatore TOF

[modifica] Campo magnetico statico

La differenza di potenziale alle estremità della camera di ionizzazione (potenziale di accelerazione) $V$ impartisce agli ioni in uscita dalla camera un'energia cinetica

$\frac{1}{2}mv^2 = eV$

L'analizzatore è immerso in un campo magnetico di intensità $H$ , sugli ioni in corsa agisce quindi una forza

$F = Hev\,\!$

che cambia la loro traiettoria in una curva di raggio $r$ tale per cui

$Hev = \frac{mv^2}{r}$

combinando le tre equazioni si ottiene la relazione tra il raggio di curvatura e la massa dello ione:

$\frac{m}{e} = \frac{H^2r^2}{2V}$

Normalmente $H$ e $r$ dipendono dal tipo e dalle dimensioni del magnete usato e sono quindi mantenuti statici, ciò significa che ad ogni valore del potenziale di accelerazione $V$ solo gli ioni di una data massa $m$ (trascuriamo le ionizzazioni multiple) andranno a collidere col rivelatore. Nella pratica, $V$ viene fatto variare in un intervallo di valori tale da coprire il corrispondente intervallo di $m$ (corrente ionica totale o total ion current, TIC). Per misure ad alta sensibilità atte a rilevare la presenza di uno ione ben preciso è anche possibile fissare il valore di $V$ sul valore corrispondente alla massa desiderata (monitoraggio del singolo ione o selected ion monitoring, SIM).

[modifica] Campo elettrico oscillante (o "quadrupolo")

Per approfondire, vedi la voce Analizzatore di massa a quadrupolo.

È un analizzatore ideato da Wolfgang Paul, per il quale vinse il premio Nobel ex-aequo per la fisica nel 1989.
Il flusso di ioni attraversa uno spazio a sezione quadrata al centro di quattro barre orizzontali parallele alle cui coppie diagonalmente opposte vengono applicate correnti continue di segno opposto. Questo campo elettrico fisso, unito ad un altro oscillante con frequenze dell'ordine delle onde radio, fa muovere gli ioni secondo traiettorie sinusoidali consentendo solo a quelli di una data massa di attraversare l'intero quadrupolo e giungere al rivelatore.
La modulazione del segnale radio consente di scandire l'intero arco delle masse corrispondenti.

Gli strumenti con questo tipo di separatore risultano essere più compatti nelle dimensioni e generalmente meno costosi di quelli basati sul campo magnetico statico.

[modifica] Trappola ionica

Basata su un principio fisico analogo a quello sfruttato dal quadrupolo, la trappola ionica trattiene al suo interno gli ioni liberandoli selettivamente al variare dell'intensità del campo elettrico oscillante. Esistono tre principali tipologie di trappole ioniche che si differenziano per la loro configurazione: QIT (Quadrupole Ion Trap, tridimensionale), LTQ (Linear Trap Quadrupole, lineare) e la trappola ionica cilindrica.

[modifica] Tempo di volo (o time-of-flight, TOF)

L'energia cinetica degli ioni creati nella camera di ionizzazione dipende dal potenziale di accelerazione; questo significa che gli ioni, lasciati liberi di muoversi su una traiettoria rettilinea in assenza di altri campi elettrici o magnetici, si muovono con velocità diverse in funzione della loro massa

$v = \sqrt{\frac{2eV}{m}}$

per un analizzatore di data lunghezza si ha quindi che il tempo di volo, cioè il tempo impiegato da uno ione per percorrere l'intero spazio dell'analizzatore e giungere al rivelatore, $t$ è

$t = k \sqrt{\frac{m}{e}}$

in cui $k$ è una costante tipica dello strumento.
Il valore di $t$ è generalmente dell'ordine di pochi (5 - 20) microsecondi.
È chiaro che se gli ioni entrano nell'analizzatore a tempo di volo in continuazione, come nel caso degli analizzatori precedenti, è impossibile ottenere una loro separazione. La miscela di ioni deve essere quindi suddivisa in una serie di brevissimi impulsi agendo sul potenziale di accelerazione.

[modifica] Rivelatori

Si tratta generalmente di dinodi, cioè moltiplicatori elettronici capaci di amplificare la debolissima corrente prodotta dagli ioni che hanno superato l'analizzatore.
I segnali ottenuti in questo modo vengono poi trasmessi ad un calcolatore in grado, con l'opportuno software, di rappresentare l'abbondanza di ogni ione in funzione della sua massa, cioè lo spettro di massa finale.
L'uso dei calcolatori permette inoltre di combinare rapidamente la gestione dei parametri dello strumento con la ricerca bibliografia in librerie di spettri in formato elettronico, in modo da automatizzare l'identificazione dei composti in base al loro spettro ed alle condizioni operative in cui è stata condotta l'analisi.

[modifica] Cenni minimi all'interpretazione di uno spettro

Spettro di massa del toluene; il picco base è il 91, il picco genitore è il 92

[modifica] Picco genitore

In applicazioni di routine, gli spettri vengono normalmente rappresentati come istogrammi che riportano l'abbondanza di ogni ione in funzione della sua massa, ipotizzando ragionevolmente che tutti gli ioni prodotti dall'analisi abbiano carica singola.
Le abbondanze vengono riportate come rapporto rispetto al picco base, che è il picco più abbondante osservato nello spettro. Tale normalizzazione permette di avere spettri che sono funzione solamente dell'analita e delle condizioni di analisi.
Il picco base non sempre coincide con il picco genitore, che è invece il picco che corrisponde alla molecola ionizzata (ione molecolare) e che consente di stabilire quindi il peso molecolare dell'analita. In genere, più uno ione molecolare è stabilizzato (per effetto induttivo o per risonanza), maggiore è la sua probabilità di giungere intatto al rivelatore, maggiore quindi sarà la sua abbondanza. Dall'abbondanza del picco genitore è possibile già ipotizzare a quale classe di composti appartenga l'analita. Nel caso della ionizzazione da impatto a medie energie si ha:

dallo 0 al 10% circa: alcani lineari, alogenuri alchilici, esteri, alcoli, acidi carbossilici
dal 10% al 50% circa: alcheni, polieni coniugati, aldeidi, chetoni, eteri
dal 50% circa al 100%: composti aromatici, cicloalcani, mercaptani

Qualora si desideri aumentare l'abbondanza del picco genitore, occorre o ridurre l'energia impiegata nella ionizzazione da impatto o ricorrere a tecniche di ionizzazione più soft quali la ionizzazione chimica o di campo.

[modifica] Effetti isotopici

Il numero di picchi osservati in uno spettro di massa è sempre maggiore di quello dei frammenti prodotti dall'analisi, questo perché ogni picco è accompagnato da picchi satellite, prodotti da ioni contenenti isotopi minoritari dei vari elementi. Dato che i rapporti medi tra le diverse quantità di isotopi di uno stesso elemento in natura sono noti e sostanzialmente costanti, dall'abbondanza dei picchi satellite è possibile ricavare informazioni che consentono di ipotizzare la formula bruta dell'analita.
Un esempio particolarmente eclatante di questo effetto riguarda il cloro ed il bromo, la cui presenza nello spettro è immediatamente evidente:

Il cloro è presente in natura con due isotopi ³⁵Cl, 75% circa, e ³⁷Cl, 25% circa. Questo fa sì che gli ioni contenenti un atomo di cloro producano due picchi, uno a peso molecolare M ed uno a peso molecolare M+2 in rapporto 3:1.
Il bromo è presente in natura con due isotopi ⁷⁹Br, 51% circa, e ⁸¹Br, 49% circa. Questo fa sì che gli ioni contenenti un atomo di bromo producano due picchi, uno a peso molecolare M ed uno a peso molecolare M+2 in rapporto circa 1:1.

Un effetto meno marcato è prodotto anche dal carbonio, dato che ¹³C ha un'abbondanza in natura dell'1% circa.
Esistono in letteratura tabelle (le tabelle di Beynon) che mettono in correlazione le distribuzioni dei picchi satellite con la formula bruta di un composto, inoltre tali funzioni sono ormai integrate nei software di analisi ed interpretazione degli spettri di massa.

[modifica] Frammentazioni

Il picco genitore è quello prodotto dalla molecola dell'analita ionizzata; avendo perso un elettrone, la molecola è diventata un radicale-ione che, instabile, si decompone in frammenti che sono radicali e ioni. I primi, essendo neutri, non giungono al rivelatore, ma la loro massa può essere dedotta per differenza tra il peso molecolare del picco genitore e quello dei frammenti ionici. Gli ioni sono anch'essi stabilizzati per effetto induttivo e per risonanza, pertanto la presenza nello spettro di ioni di pesi molecolari tipici è rivelatrice della presenza di alcuni gruppi nella molecola.