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

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

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+. + 2 e- L’urto 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+ AB+. A+ + B. L’insieme degli ioni creati dal bombardamento elettronico è poi separato mediante un settore magnetico oppure mediante un settore elettrostatico e magnetico.

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 = H2 r2 / 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.

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:

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

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 a separatore molecolare.

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.:

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; ionizzazione chimica; ionizzazione di campo; ionizzazione di superficie.

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:

Analizzatori: Il compito dell’analizzatore 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.

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

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)

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 150.000 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 C9H10O2 , uno a m/e = 150,0528 come C5H10O5, ecc.

L’idea 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 l’effetto di deviazione si possono portare a fuoco masse diverse.

Gli ioni sono sottoposti a una forza centripeta Hev, equilibrata da una forza centrifuga mv2/r. Esplicitando rispetto a v ricaviamo v=Her/m. Inserendo questo valore nell’espressione dell’energia cinetica mv2/2=eV, risulta che, affinché uno ione possa segua una curvatura r e colpisca il rivelatore, debba valere: m/e = H2r2 /2V

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 l’analizzatore a un solo fuoco riesce a “rifocalizzare”, in parte, queste particelle, per ottenere altissime risoluzioni è necessario un analizzatore elettrostatico

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 dell’energia cinetica mv2/2 = eV, e quella dell’equilibrio delle forze mv2/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

Il raggio di curvatura di un fascio di ioni che passa per questo settore, a parità di tensione, è determinato dall’energia cinetica degli ioni: maggiore l’energia cinetica, maggiore il raggio. Ioni con energie particolarmente alte o basse colpiranno le pareti dell’analizzatore 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.

Mattauch-Herzog Nier-Jonson

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

Coppa di Faraday Gli ioni colpiscono direttamente un elettrodo collettore inclinato posto all’interno di una sorta di “gabbia”. L’elettrodo è collegato a terra e l’eccesso 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.

Moltiplicatore di elettroni: dinodi separati In questi sistemi l’amplificazione avviene (parzialmente) a monte dell’elettrodo. 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 dell’urto di uno ione ad alta energia. Le varie superfici (una ventina) hanno potenziali via via crescenti. Il guadagno di corrente è di circa 107 Dinodo di conversione

Moltiplicatore di elettroni: dinodo continuo 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 un’emissione “a catena” di elettroni con guadagni di corrente anche di ordine 108

Lo spettro di massa

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

Come interpretare lo spettro di massa di una sostanza “sconosciuta”? Una possibile procedura razionale potrebbe essere questa: Identificare lo ione molecolare (se c’è). Identificare gli ioni caratteristici. Identificare i possibili processi di frammentazione caratteristici. Ricostruire la struttura della molecola sulla base della conoscenza di meccanismi di frammentazione standard.

Esempio: frammentazione di alcoli Gli alcoli raramente presentano il picco molecolare. lo ione a massa più elevata e' quasi sempre M-18 (perdita di H2O) oppure M-15 in caso di alcoli secondari con un gruppo metilico in a (perdita del metile). La chiave di interpretazione di questi spettri spesso consiste nel riconoscimento degli ioni contenenti ossigeno a massa 31 (CH2OH+, negli alcoli primari) o 45, 59, 73, ecc, generati da questa frammentazione:

Applicazione all’analisi degli alimenti La spettrometria di massa è uno strumento molto potente per l’analisi 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.

Applicazione agli analisi degli alimenti Un’applicazione 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 1H/ 2H o quello 12C/ 13C) non sono fissi, ma dipendono da: metabolismo dell’organismo (fissazione dell’anidride carbonica) località di coltivazione Ricordiamo infatti che la presenza di isotopi di un elemento ha un’influenza sulla cinetica (e sulla termodinamica) delle reazioni che li coivolgono.

Applicazione agli analisi degli alimenti Origine δ 13C ‰ Esempi CO2 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 13C/ 12C = 0,0112372

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 13C ed è quindi importante soprattutto per le determinazioni del rapporto 1H/ 2H.

CHE INFORMAZIONI DANNO I RAPPORTI ISOTOPICI ? tipo di isotopo è influenzato da…. e può perciò determinare… 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 13C/12C, D/H 18O/16O, D/H Origine dell’acqua Annacquamento (ad es. nel vino) Aggiunta di sostanze di sintesi 13C/12C , D/H Sintesi chimica 18O/16O, D/H, 15N14N, 13C/12C Caratterizzazione di prodotti ad origine protetta e controllata Origine geografica

Applicazione all’analisi degli alimenti Le tecniche basate sulla spettroscopia di massa vengono chiamate IRMS (Isotope Ratio mass Specrometry) ed utilizzano spettrometri ad alta risoluzione. L’analisi 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 H2O a H2)

Applicazione all’analisi 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.”

Applicazione all’analisi degli alimenti

Applicazione all’analisi degli alimenti Metodi ufficiali: Determinazione del rapporto 13C/ 12C 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 all’analisi degli alimenti Risultati della misura dei rapporti isotopici del carbonio nell’alcol etilico. d 13C ‰ V-PBD vino, bietola -27 canna, mais -12

Applicazione all’analisi degli alimenti RAPPORTI ISOTOPICI OTTENUTI PER L'ANNATA 1994 DI CARBONIO NELL'ALCOL ETILICO d C ‰ Abruzzo 24.93 Basilicata 25.39 Calabria 26.61 Campania 26.37 Emilia- Romagna 26.89 Friuli-V.G. 25.81 Lazio 25.77 Liguria 26.04 Lombardia 26.50 Marche 26.42 Molise 26.12 Piemonte 26.52 Puglia 24.87 Sardegna 25.51 Sicilia 25.32 Trentino A.A. 26.96 Toscana 25.91 Umbria 26.79 Veneto 26.06