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Scuola Interuniversitaria Siciliana di Specializzazione per lInsegnamento Secondario Dr. F. La Pusata – Ing. G. La Bella SPETTROSCOPIA DI MASSA V CICLO.

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1 Scuola Interuniversitaria Siciliana di Specializzazione per lInsegnamento Secondario Dr. F. La Pusata – Ing. G. La Bella SPETTROSCOPIA DI MASSA V CICLO V CICLO CLASSE DI CONCORSO A013 ANNO ACCADEMICO 2004/05

2 CENNI STORICI La spettrometria di massa è uno dei più antichi metodi strutturali usati nellanalisi chimica. I contributi più importanti della spettrometria di massa furono dati da: J. J. Thomson nel 1913; J. J. Thomson nel 1913; Aston subito dopo la I guerra mondiale; Aston subito dopo la I guerra mondiale; A. J. Dempster; A. J. Dempster; Atlantic Refining Corporation nel 1942; Atlantic Refining Corporation nel 1942; McLafferty, Bieman, Beynon negli anni 60. McLafferty, Bieman, Beynon negli anni 60.

3 IL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODO Se una molecola AB è investita in fase vapore da un fascio di elettroni ad alta energia (circa 70 eV), si ha per interazione la sua ionizzazione a ione molecolare positivo: AB + e - AB e - Lurto di un elettrone con una molecola gassosa può produrre anche uno ione negativo : AB + e - AB -. Lo ione AB +. può spontaneamente o per urto decomporsi in una serie di frammenti di massa inferiore: A. + B + A. + B + AB +. AB +. A + + B. A + + B. Linsieme degli ioni creati dal bombardamento elettronico è poi separato mediante un settore magnetico oppure mediante un settore elettrostatico e magnetico.

4 IL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODO La separazione magnetica sfrutta il fatto che il raggio di curvatura r di uno ione che arriva con velocità v in un campo magnetico H dipende dal rapporto massa su carica tramite la relazione: m/e = H 2 r 2 / 2V Il settore elettrostatico, invece, sfrutta la seguente relazione: r = 2V / B Il settore elettrostatico non separa tra di loro gli ioni generati nella camera di ionizzazione in funzione del rapporto m/e; si limita ad uniformare le energie cinetiche degli ioni. Sfruttando quindi questi metodi di selezione e facendo uso di opportuni rilevatori di ioni gassosi si può ottenere, partendo da una molecola, tutto uno spettro di frammentazione che è specifico della molecola stessa.

5 STRUMENTAZIONE In uno spettrometro di massa il campione deve essere ionizzato; gli ioni risultanti devono essere separati in funzione del rapporto m/e. Tutti gli analizzatori di massa disponibili richiedono per il loro funzionamento un vuoto molto spinto. La strumentazione necessaria per soddisfare questi requisiti presenta i seguenti componenti:

6 SISTEMA DI ENTRATA Il campione può essere introdotto sotto diverse forme fisiche: gas; gas; Liquido; Liquido; solido. solido.

7 SISTEMA DI ENTRATA Un altro metodo per introdurre un campione è quello di utilizzare il gas cromatrografo. I componenti separati mediante un GC possono essere introdotti nella sorgente di uno spettrometro di massa attraverso: un sistema diretto; un sistema diretto; un sistema a separatore molecolare. un sistema a separatore molecolare.

8 SISTEMA DI ENTRATA Tra i sistemi a separatore molecolare quello più sfruttato fa uso di una separazione mediate diffusione in vetro poroso. Un dispositivo tipico è mostrato in fig.:

9 SORGENTI La sorgente di ioni è il cuore dello spettrometro di massa, la regione nella quale il campione si ionizza e si frammenta. Le sorgenti si possono suddividere in: impatto elettronico; impatto elettronico; ionizzazione chimica; ionizzazione chimica; ionizzazione di campo; ionizzazione di campo; ionizzazione di superficie. ionizzazione di superficie.

10 SORGENTE AD IMPATTO ELETTRONICO Il metodo più comune di ionizzazione è quello per urto elettronico (EI). La rappresentazione schematica di una tipica sorgente ad urto elettronico è la seguente:

11 Il compito dellanalizzatore è separare ioni di massa diversa Esistono vari tipi di analizzatori: analizzatori magnetici; analizzatori con filtri a quadrupolo; analizzatori a trappola ionica; analizzatori a tempo di volo; ecc. Analizzatori:

12 Una caratteristica fondamentale degli analizzatori è allora la capacità di separare ioni con m/e diversi, a volte anche per quantità piccolissime. Misuriamo questa capacità come risoluzione. La risoluzione tra due picchi adiacenti è il rapporto tra la massa alla quale appaiono i picchi e la loro differenza: R=m/Δm Ex: uno spettrometro con R= 2000 può risolvere due picchi di massa 100,00 e 100,05 Uno spettrometro con R=10000 può risolvere due picchi di massa 100,00 e 100,01. Per molte applicazione è sufficiente una risoluzione <1000

13 I dati di potere risolutivo sono per convenzione misurati su coppie di segnali separati tra di loro da una valle (h) alta il 10% dell'altezza media (H).. h<10%H R=M1/(M2-M1)

14 Gli analizzatori magnetici sono relativamente costosi ma permettono di ottenere alte risoluzioni. Analizzatori magnetici semplici (a fuoco singolo) permettono risoluzioni fino a 5000 Analizzatori magnetici più complessi (a doppio fuoco) permettono risoluzioni molto maggiori, fino a Risoluzioni così alte sono a spese della sensibilità, ma possono essere utili per particolari applicazioni, ad esempio per la determinazione della composizione elementare degli ioni: un picco a m/e = 150, 0681 sarà riconoscibile come C 9 H 10 O 2, uno a m/e = 150,0528 come C 5 H 10 O 5, ecc.

15 Lidea base di un analizzatore magnetico è deviare gli ioni emessi dalla sorgente in modo che solo quelli con un certo rapporto m/e riescano a colpire il rivelatore. Modulando leffetto di deviazione si possono portare a fuoco masse diverse.

16 Gli ioni sono sottoposti a una forza centripeta Hev, equilibrata da una forza centrifuga mv 2 /r. Esplicitando rispetto a v ricaviamo v=Her/m. Inserendo questo valore nellespressione dellenergia cinetica mv 2 /2=eV, risulta che, affinché uno ione possa segua una curvatura r e colpisca il rivelatore, debba valere: m/e = H 2 r 2 /2V

17 Il problema è che il raggio ionico ha comunque una certa tendenza a divergere e le energie cinetiche delle particelle con un dato rapporto m/z hanno una minima dispersione. Anche se lanalizzatore a un solo fuoco riesce a rifocalizzare, in parte, queste particelle, per ottenere altissime risoluzioni è necessario un analizzatore elettrostatico

18 Gli analizzatori elettrostatici servono a selezionare ioni con la stessa energia cinetica. Nel campo elettrostatico B le equazioni che governano il moto degli ioni sono quella dellenergia cinetica mv 2 /2 = eV, e quella dellequilibrio delle forze mv 2 /r = eB Combinando e semplificando si ottiene che il raggio di curvatura r è dato da r=2V/B Per ioni con energia cinetica diversa da eV, varrà però che r = (C+2V)/B

19 Il raggio di curvatura di un fascio di ioni che passa per questo settore, a parità di tensione, è determinato dallenergia cinetica degli ioni: maggiore lenergia cinetica, maggiore il raggio. Ioni con energie particolarmente alte o basse colpiranno le pareti dellanalizzatore Per cui, un fascio proveniente da una sola sorgente può essere fatto convergere su più punti, ognuno con una precisa energia cinetica. I vari fasci potranno poi essere rifocalizzati nel settore magnetico.

20 Nier-Jonson Mattauch-Herzog

21 Rivelatori: Il compito del rivelatore è rivelare larrivo dei pacchetti di ioni, misurandone la quantità Esistono vari tipi di rivelatori: Coppa di Faraday. Rivelatori a dinodo continuo Rivelatori a dinodo separato Ecc.

22 Coppa di Faraday Gli ioni colpiscono direttamente un elettrodo collettore inclinato posto allinterno di una sorta di gabbia. Lelettrodo è collegato a terra e leccesso di carica genera una debole corrente, che viene amplificata e misurata. Sono molto semplici ma richiedono un amplificatore ad alta impedenza che limita la velocità dello strumento e hanno una bassa sensibilità.

23 cui In questi sistemi lamplificazione avviene (parzialmente) a monte dellelettrodo. Nel moltiplicatore a dinodi separati vi sono catodo e dinodi separati con superfici di Cu/Be da cui sono emessi a catena elettroni a seguito dellurto di uno ione ad alta energia. Le varie superfici (una ventina) hanno potenziali via via crescenti. Il guadagno di corrente è di circa 10 7 Moltiplicatore di elettroni: dinodi separati Dinodo di conversione

24 In questo sistema gli elettroni colpiscono le pareti interne di un dinodo a forma di corno di vetro drogato con abbondanti quantità di Pb. Gli urti generano unemissione a catena di elettroni con guadagni di corrente anche di ordine 10 8 Moltiplicatore di elettroni: dinodo continuo

25 Lo spettro di massa

26 Tipi di spettri di massa Laspetto dello spettro di massa di una molecola dipende dal metodo utilizzato per la formazione di ioni. urto elettronico a 70 eV ionizzazione chimica (isobutano)

27 Come interpretare lo spettro di massa di una sostanza sconosciuta? Una possibile procedura razionale potrebbe essere questa: 1. Identificare lo ione molecolare (se cè). 2. Identificare gli ioni caratteristici. 3. Identificare i possibili processi di frammentazione caratteristici. 4. Ricostruire la struttura della molecola sulla base della conoscenza di meccanismi di frammentazione standard.

28 Esempio: frammentazione di alcoli Gli alcoli raramente presentano il picco molecolare. lo ione a massa più elevata e' quasi sempre M-18 (perdita di H 2 O) oppure M-15 in caso di alcoli secondari con un gruppo metilico in (perdita del metile). La chiave di interpretazione di questi spettri spesso consiste nel riconoscimento degli ioni contenenti ossigeno a massa 31 (CH 2 OH +, negli alcoli primari) o 45, 59, 73, ecc, generati da questa frammentazione:

29 Applicazione allanalisi degli alimenti La spettrometria di massa è uno strumento molto potente per lanalisi degli alimenti, in particolar modo quando integrato a un sistema di separazione di miscele (GC-MS o HPLC-MS). Infatti i cromatografi possono selezionare efficacemente i vari elementi, mentre la massa può servire a rilevarli con la sua altissima sensibilità, oltre che a identificarli comodamente, specie quando collegata a una banca dati elettronica.

30 Applicazione agli analisi degli alimenti Unapplicazione relativamente nuova della massa è però quella che sfrutta la determinazione dei rapporti isotopici. Infatti, in un vegetale, i rapporti tra i diversi isotopi in esso presenti (ad esempio il rapporto 1 H/ 2 H o quello 12 C/ 13 C) non sono fissi, ma dipendono da: metabolismo dellorganismo (fissazione dellanidride carbonica) località di coltivazione Ricordiamo infatti che la presenza di isotopi di un elemento ha uninfluenza sulla cinetica (e sulla termodinamica) delle reazioni che li coivolgono.

31 Applicazione agli analisi degli alimenti Origine δ 13 C δ 13 C Esempi CO 2 atmosferica Da –8 a +1 Piante C3 Da –32 a –24 Frumento, riso, olio, soia, vite, ecc. Piante C4 Da –16 a –10 Mais, miglio, canna da zucchero Piante CAM Da –30 a –12 Ananas, vaniglia, agave Misurato rispetto al riferimento R 13 C/ 12 C = 0,

32 Applicazione agli analisi degli alimenti Per questa tecnica si può sfruttare anche uno SNIF- NMR, che dà maggiori indicazioni strutturali sulle molecole, ma ha una sensibilità inferiore al 13 C ed è quindi importante soprattutto per le determinazioni del rapporto 1 H/ 2 H.

33 CHE INFORMAZIONI DANNO I RAPPORTI ISOTOPICI ? tipo di isotopoè influenzato da…. e può perciò determinare… 13 C/ 12 C, D/H Metabolismo (C3, C4, CAM) Aggiunta illecita di zucchero di canna e/o barbabietola (ad esempio a vino e succhi di frutta) Tenore di mais nella dieta animale 18 O/ 16 O, D/HOrigine dellacquaAnnacquamento (ad es. nel vino) 13 C/ 12 C, D/H Sintesi chimica Aggiunta di sostanze di sintesi 18 O/ 16 O, D/H, 15 N 14 N, 13 C/ 12 C Origine geografica Caratterizzazione di prodotti ad origine protetta e controllata

34 Applicazione allanalisi degli alimenti Le tecniche basate sulla spettroscopia di massa vengono chiamate IRMS (Isotope Ratio mass Specrometry) ed utilizzano spettrometri ad alta risoluzione. Lanalisi può essere effettuata : direttamente su frazioni cromatografiche (GC-IRMS) dopo una pirolisi (py-IRMS). In questi processi il materiale viene sottoposto prima a una combustione catalitica, poi a una riduzione (per passare da H 2 O a H 2 )

35 Applicazione allanalisi degli alimenti Lo spettrometro di massa per la misurazione dei rapporti isotopici è generalmente munito di un collettore triplo per misurare simultaneamente le intensità per m/e= 44, 45 e 46. Lo spettrometro di massa per rapporto isotopico deve essere munito di un sistema di introduzione doppio, per misurare in alternanza il campione in esame e un campione di riferimento oppure deve disporre di un sistema integrato che effettui la combustione quantitativa dei campioni e separi il biossido di carbonio dagli altri prodotti della combustione prima della misurazione nello spettrometro di massa.

36 Applicazione allanalisi degli alimenti

37 Metodi ufficiali: Determinazione del rapporto 13 C/ 12 C relativo all'alcol di fermentazione in mosti, MC, MCR e da vini tramite spettrometro di massa per la determinazione dei rapporti di isotopi stabili (-IRMS) riportata nel DM 16 febbraio 1993: "Integrazione dei metodi ufficiali di analisi per i mosti i vini, gli agri di vino (aceti) e per i sottoprodotti della vinificazione" che permette di identificare addizioni fraudolente di miscele di saccarosio di bietola e canna. Applicazione allanalisi degli alimenti

38 Risultati della misura dei rapporti isotopici del carbonio nellalcol etilico. 13 C V-PBD vino, bietola -27 canna, mais -12 Applicazione allanalisi degli alimenti

39 RAPPORTI ISOTOPICI OTTENUTI PER L'ANNATA 1994 DI CARBONIO NELL'ALCOL ETILICO C Abruzzo Basilicata Calabria Campania Emilia- Romagna Friuli-V.G Lazio Liguria Lombardia Marche Molise Piemonte Puglia Sardegna Sicilia Trentino A.A Toscana Umbria Veneto Applicazione allanalisi degli alimenti


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