Spettrometria di Massa: tecnica analitica per la delucidazione molecolare

Spettrometria di Massa

SPETTROMETRIA DI MASSA

Cos'è la Spettrometria di Massa

• CHE COS'è LA SPETTROMETRIA DI MASSA La Spettrometria di massa è una tecnica distruttiva di delucidazionirutturale basata sulla ionizzazione di una molecola e sulla sua successiva frammentazione in ioni di diverso rapporto massa-carica (m\z). La spettrometria di massa è una tecnica analitica potente usata per identificare prodotti incogniti, per chiarire le proprietà strutturali e chimiche delle molecole e per determinare quantitativamente composti noti. Tutto questo può essere effettuato con quantità di campione estremamente limitate (in alcuni casi meno di un picogrammo, ossia di 10^ -12 grammi) ed a concentrazioni molto basse in miscele complesse (fino a una parte per mille miliardi).

Schema a Blocchi dello Spettrometro di Massa

SCHEMA A BLOCCHI DELLO SPETTROMETRO DI MASSA Campione (solido, liquido, gassoso, IIPLC,GC,CE, o introduzione diretta) Analizzatore di massa Sistema di vuolo Sistema di introduzione Sorgente di ioni (hard o soft) Analizzatore di massa Rivelatore Presentazione del segnale + Elaboratore di segnale S m/z

Origini della Spettrometria di Massa

ORIGINI Lo spettrometro di massa è uno strumento usato per identificare sostanze sconosciute in base alla loro massa atomica e molecolare. La sua invenzione risale all'inizio del Novecento ed è dovuta al lavoro del fisico britannico Joseph J. Thomson e dei suoi collaboratori. Studiando la deviazione di un fascio di ioni neon per mezzo di un campo magnetico Thomson scoprì che questo gas aveva degli isotopi ovvero varianti che differiscono per il numero di neutroni. Francis William Aston suo assistente proseguì questi studi e nel 1919 mise a punto il primo spettrometro di massa. Gli strumenti moderni funzionano basandosi sugli stessi principi di quel primo apparecchio. Joseph J. Thomson Francis William Aston

Funzionamento dello Spettrometro

FUNZIONAMENTO Il campione viene ionizzato e accelerato tramite un campo elettrico. Gli ioni vengono quindi separati applicando un campo magnetico e raggiungono un rivelatore. I dati sono elaborati da un computer che fornisce uno spettro di massa cioè un grafico che riporta gli ioni presenti raggruppandoli in base alla loro massa e carica elettrica.

1. ionizzazione e accelerazione
2. separazione
3. rivelatore
4. elaborazione: spettro di massa

Ionizzazione del Campione

IONIZZAZIONE DEL CAMPIONE Per prima cosa si crea il vuoto per ridurre interferenze e reazioni indesiderate. Nella camera di ionizzazione si genera un fascio di elettroni grazie a un filamento di tungsteno ad alta temperatura e ad una piastra carica positivamente che attira gli elettroni. Il campione inserito viene investito dal fascio di elettroni ed una parte di esso si ionizza. Gli ioni che si formano non sono identici ma differiscono per il valore della massa proprio perché il campione iniziale è una miscela di isotopi. filamento di tungsteno ++ + + + +

1. ionizzazione e accelerazione campione campione ionizzato

Accelerazione degli Ioni

ACCELERAZIONE DEGLI IONI Il campione ionizzato è spinto ad avanzare nel tubo a causa dell'effetto di repulsione di una piastra con carica positiva. Successivamente passa attraverso un sistema di piastre forate dove viene accelerato a causa dell'effetto di repulsione elettrica. Infatti le piastre acceleratrici sono anch'esse positive con un potenziale positivo crescente dalla piastra più a sinistra a quella più a destra.

1. ionizzazione e accelerazione piastre acceleratrici + + + + + Piasta con carica positiva potenziale crescente

Separazione degli Ioni

SEPARAZIONE DEGLI IONI Il campione accelerato entra nella parte dello spettrometro in cui viene separato per effetto di un campo magnetico. Si formano così più fasci con diverse traiettorie in quanto si separano i vari tipi di ioni che compongono il campione ionizzato aventi diverso rapporto massa-carica. Viene applicato un campo magnetico perpendicolare allo spostamento degli ioni. Sugli ioni agisce la forza di Lorentz che devia la loro traiettoria perché è una forza sempre perpendicolare sia al campo magnetico sia la direzione del loro spostamento. Inoltre per il secondo principio della dinamica l'accelerazione è inversamente proporzionale alla massa; perciò gli ioni con una massa più piccola vengono deviati di più rispetto agli ioni con una massa più grande.

2. separazione magnete velocità forza di Lorentz U a = F/m

Invio Fasci di Ioni al Rivelatore

INVIO FASCI DI IONI AL RIVELATORE Per modificare le traiettorie possiamo agire sulla velocità degli ioni oppure sull'intensità del campo magnetico come più spesso si fa nella spettrometria di massa. Infatti variando l'intensità del campo magnetico si indirizzano i fasci di ioni uno alla volta verso il rivelatore. Un singolo fascio sarà quindi composto da ioni che hanno tutti lo stesso rapporto massa- carica. Il rivelatore misura gli impatti degli ioni e li converte in un segnale elettrico amplificato che viene poi elaborato da un computer. Min Max rivelatore Mas

Elaborazione Dati e Spettro di Massa

ELABORAZIONE DATI Il computer Integra tutti i dati cioè gli impatti degli ioni e i valori di potenziale elettrico di accelerazione e di campo magnetico che servono a stimare la massa degli ioni. Si ottiene quindi il grafico dello spettro di massa che riporta in ascissa il rapporto massa-carica degli ioni e ordinata la loro abbondanza relativa. Per un dato rapporto massa-carica si forma quindi un picco tanto più alto quanti più ioni di quel tipo colpiscono il rivelatore. Quando si aumenta l'intensità del campo magnetico si misurano i fasci con un maggior rapporto massa- carica. In questo modo si completa lo spettro di massa.

1000 43 57 800 abundance 600 71 400 29 85 200 99 M.+ 113 0 - 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 m/z Spettro di massa dell' n-decano

Considerazioni sugli Elementi

• CONSIDERIAMO GLI ELEMENTI · Massa nominale: La massa nominale di un elemento si ricava dal peso atomico del suo isotopo più abbondante in natura. Nel calcolo della massa nominale questo valore viene approssimato al più vicino numero intero. · Massa esatta: è la massa "relativistica" dell'isotopo; non coincide quindi con la somma delle masse esatte dei protoni e neutroni contenuti, ma è determinata anche dall'energia di legame (nucleare). L'unità di misura è ottenuta ponendo uguale a 12 la massa dell'isotopo 12C. · Peso atomico: (quello usato in stechiometria) è la media ponderale delle masse esatte degli isotopi presenti in natura di quel particolare elemento.

Dettagli Isotopi e Masse

Isotopo Peso atomico Massa esatta Abbondanza % 1H 1,00783 99,99 1,008 2H 2,01410 0,016 12C 12,0000 (std) 98,89 12,011 13C 13,00336 1,11 14N 14,0031 99,64 15N 15,0001 0,36 16O 15,9949 99,76 17O 15,999 16,9991 0,04 18O 17,9992 0,20 19F 18,998 18,9984 100,0 31P 30,974 30,9738 100,0 14,007

Isotopo Peso atomico Massa esatta Abbondanza % 28Si 27,9769 92,17 29Si 28,0855 28,9765 4,71 30 Si 29,9738 3,12 32S 31,9721 99,64 33S 32,066 32,9715 0,76 34S 33,9679 4,20 35Cl 34,9689 75,77 35,453 37Cl 36,9659 24,23 79Br 78,9183 50,52 79.909 81Br 80,9163 49,48 126I 126,9045 126,9045 100,00

Considerazioni sulle Molecole

COMSIDERIAMO LE MOLECOLE · Massa nominale: somma dei pesi atomici degli isotopi presenti approssimati all'intero più vicino. Se si considerano gli isotopi più abbondanti di ogni elemento si ottiene la massa monoisotopica nominale; · Massa esatta: somma delle masse esatte degli isotopi che costituiscono la molecola. Se si considerano gli isotopi più abbondanti di ogni elemento si ottiene la massa monoisotopica esatta; · Massa o peso molecolare (massa media): Somma dei pesi atomici (quelli sulla tavola)

Esempio di Calcolo Massa Molecolare

Un esempio: ¥153 224 C H224N42 OSOS Massa media Massa monoisotopica esatta Massa monoisotopica nominale 153 x 12,0107 = 1837,6371 224 x 1,00794 = 225,77856 153 x 12= 1836 153 x 12= 1836 224 x 1,007825 = 224 x 1= 224 225,7528 42 × 14 = 588 50 x 16 = 800 42 x 14,00307= 588,12894 1 × 32 = 32 Tot = 3480 50 x 15,9949 = 799,745 1 x 31,97207 =31,97207 Tot = 3481,59881 42 x 14,00674 = 588,28308 50 x 15,9994 = 799,97 1 x 32,066 = 32,066 Tot = 3483,7347

Processo di Spettrometria di Massa

Durante un esperimento di spettrometria di massa, le molecole vengono frammentate e ionizzate. Si ottiene un grafico che ha in ordinata l'intensità del segnale ed in ascissa il rapporto massa/carica. L'esperimento di spettrometria di massa consiste quindi nella ionizzazione di molecole, nella separazione dei diversi ioni e nella loro rivelazione

+EPI (28T 25] Charge [+1) CE [36), Exp 2, 13.340 min Maar. 6.646 ops. 100%- 287.2 Picco base 00% 80% - 153.1 Rel. Int. (%) 0% 50% 121.1 30% 2132 20% 157 2 137 2 147.1 165 2 171.2 258.2 208.2 241 2 RO 100 110 120 130 940 150 180 170 180 100 200 210 220 230 240 250 280 270 280 290 300 கர் Il picco base è il picco che ha l'intensità maggiore. E' un frammento particolarmente stabile raramente coincide con il picco molecolare 10%4 100 2 115 4 133.14.

Picco dello Ione Molecolare

PICCO DELLO IONE MOLECOLARE Lo ione molecolare si genera dalla molecola originale M per eliminazione di un elettrone: è un radicale catione contenete un elettrone a spin spaiato. M - M+. + é La sua massa è praticamente uguale a quella della molecola originaria, dato che la perdita di massa dovuta all'espulsione dell'elettrone è trascurabile. In pratica, assegnando con certezza il picco dello ione molecolare di una sostanza pura si determina immediatamente la massa molecolare M. Tuttavia il picco può essere poco intenso o addirittura assente nel caso di molecole facilmente frammentabili (l'intensità del picco dipende dalla stabilità della specie che lo genera); la sua intensità è maggiore per molecole lineari e minore per molecole ramificate.

Frammentazioni Molecolari

FRAMMENTAZIONI · Scissioni primarie: che avvengono sullo ione molecolare; · Scissioni secondarie: che avvengono sui frammenti; · Scissioni semplici: con rottura di un legame semplice fra due atomi; · Scissioni multiple o riarrangiamenti: reazioni di frammentazione con rottura di due legami covalenti.

165 [M-CH3]* 180 - 165 = 15 100- 137 O CH3 CH_O C10 H12º3 PM = 180 50- [M]* 180 137 50 100 150 200 m/z

M+·, m/z 93 NH2 -27 (-HCN PM =93 + 4 50.0- 66 + HH NH2 92 HCN 39 28 74 15 1. 33 M/E 20 40 60 80 100 120 SCISSIONE SEMPLICE RIARRANGIAMENTI 93 100.0 16! EI ·CH3 OCH3 m/z 93 m/z 66 47 52

Stabilità degli Ioni Molecolari e dei Frammenti

STABILITA' DEGLI IONI MOLECOLARI E DEI FRAMMENTI Per le diverse classi di composti organici si osservano i seguenti ordini di intensità: · Picco molecolare molto intenso: aromatici > olefine coniugate > alcani a catena lineare corta; · Picco poco intenso: chetoni > ammine > esteri > eteri > acidi, aldeidi, ammidi, alogenuri; · Picco assente: molecole ramificate, alcoli terziari, nitrili, nitrocomposti. Sono favorite le frammentazioni che portano a frammenti stabili.