scuola interuniversitaria siciliana di specializzazione per linsegnamento secondario dr. f. la...

Scuola Interuniversitaria Siciliana di Scuola Interuniversitaria Siciliana di Specializzazione per l’Insegnamento Specializzazione per l’Insegnamento

SecondarioSecondario

Dr. F. La Pusata – Ing. G. La BellaDr. F. La Pusata – Ing. G. La Bella

SPETTROSCOPIA DI MASSASPETTROSCOPIA DI MASSA

V CICLO V CICLO CLASSE DI CONCORSO A013 ANNO ACCADEMICO CLASSE DI CONCORSO A013 ANNO ACCADEMICO 2004/052004/05

CENNI STORICICENNI STORICI

La spettrometria di massa è uno dei più antichi La spettrometria di massa è uno dei più antichi metodi strutturali usati nell’analisi chimica. I metodi strutturali usati nell’analisi chimica. I contributi più importanti della spettrometria di massa contributi più importanti della spettrometria di massa furono dati da:furono dati da:

J. J. ThomsonJ. J. Thomson nel 1913; nel 1913;

AstonAston subito dopo la I guerra mondiale; subito dopo la I guerra mondiale;

A. J. DempsterA. J. Dempster;;

Atlantic Refining CorporationAtlantic Refining Corporation nel 1942; nel 1942;

McLafferty, Bieman, BeynonMcLafferty, Bieman, Beynon negli anni 60. negli anni 60.

IL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODOIL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODO

Se una molecola AB è investita in fase vapore da un fascio di 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 elettroni ad alta energia (circa 70 eV), si ha per interazione la sua ionizzazione a ione molecolare positivo:sua ionizzazione a ione molecolare positivo:

AB AB + e+ e-- →→ ABAB++.. + 2 e+ 2 e--

L’urto di un elettrone con una molecola gassosa può produrre L’urto di un elettrone con una molecola gassosa può produrre anche uno ione negativo : anche uno ione negativo :

AB AB + e+ e-- →→ ABAB--..

Lo ione Lo ione ABAB++.. può spontaneamente o per urto decomporsi in una può spontaneamente o per urto decomporsi in una serie di frammenti di massa inferiore: serie di frammenti di massa inferiore:

AA. . + B+ B++

ABAB++. .

AA+ + + B+ B..

L’insieme degli ioni creati dal bombardamento elettronico è poi L’insieme degli ioni creati dal bombardamento elettronico è poi separato mediante un separato mediante un settore magneticosettore magnetico oppure mediante un oppure mediante un settore elettrostatico e magnetico. settore elettrostatico e magnetico.

IL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODOIL PRINCIPIO CHIMICO DEL METODO

La separazione magneticaLa separazione magnetica sfrutta il fatto che il raggio di sfrutta il fatto che il raggio di curvatura rcurvatura r di uno ione che arriva con di uno ione che arriva con velocità v velocità v in un in un campo campo magnetico Hmagnetico H dipende dal rapporto massa su carica tramite la dipende dal rapporto massa su carica tramite la relazione:relazione:

m/e = Hm/e = H2 2 rr2 2 / 2V/ 2V

Il settore elettrostaticoIl settore elettrostatico, invece, sfrutta la seguente relazione:, invece, sfrutta la seguente relazione:

r = 2V / Br = 2V / B

Il settore elettrostatico non separa tra di loro gli ioni generati Il settore elettrostatico non separa tra di loro gli ioni generati nella camera di ionizzazione in funzione del rapporto m/e; si nella camera di ionizzazione in funzione del rapporto m/e; si limita ad uniformare le energie cinetiche degli ioni. limita ad uniformare le energie cinetiche degli ioni. Sfruttando quindi questi metodi di selezione e facendo uso di Sfruttando quindi questi metodi di selezione e facendo uso di opportuni rilevatori di ioni gassosi si può ottenere, partendo da opportuni rilevatori di ioni gassosi si può ottenere, partendo da una molecola, tutto uno spettro di frammentazione che è una molecola, tutto uno spettro di frammentazione che è specifico della molecola stessa.specifico della molecola stessa.

STRUMENTAZIONESTRUMENTAZIONE

In uno spettrometro di massa il campione deve essere ionizzato; In uno spettrometro di massa il campione deve essere ionizzato; gli ioni risultanti devono essere separati in funzione del rapporto gli ioni risultanti devono essere separati in funzione del rapporto m/e. Tutti gli analizzatori di massa disponibili richiedono per il m/e. Tutti gli analizzatori di massa disponibili richiedono per il loro funzionamento un vuoto molto spinto.loro funzionamento un vuoto molto spinto.

La strumentazione necessaria per soddisfare questi requisiti La strumentazione necessaria per soddisfare questi requisiti presenta i seguenti componenti:presenta i seguenti componenti:

SISTEMA DI ENTRATASISTEMA DI ENTRATA

Il campione può essere introdotto sotto diverse forme fisiche:Il campione può essere introdotto sotto diverse forme fisiche:

gas;gas;

Liquido;Liquido;

solido.solido.


Un altro metodo per introdurre un campione è quello di utilizzare Un altro metodo per introdurre un campione è quello di utilizzare il gas cromatrografo. I componenti separati mediante un GC il gas cromatrografo. I componenti separati mediante un GC possono essere introdotti nella sorgente di uno spettrometro di possono essere introdotti nella sorgente di uno spettrometro di massa attraverso:massa attraverso:

un sistemaun sistema diretto; diretto;

un sistema aun sistema a separatore molecolare. separatore molecolare.


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

SORGENTISORGENTI

La sorgente di ioni è il cuore dello spettrometro di La sorgente di ioni è il cuore dello spettrometro di massa, la regione nella quale il campione si ionizza e massa, la regione nella quale il campione si ionizza e si frammenta. Le sorgenti si possono suddividere in: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.

SORGENTE AD IMPATTO ELETTRONICOSORGENTE AD IMPATTO ELETTRONICO

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

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.

Analizzatori:Analizzatori:

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 = eBCombinando e semplificando si ottiene che il raggio di curvatura r è dato da r=2V/BPer 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.

Nier-Jonson

Mattauch-Herzog

Rivelatori: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.

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 cuicui 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

Moltiplicatore di elettroni: dinodi separati

Dinodo di conversione

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

Moltiplicatore di elettroni: dinodo

continuo

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:

1. Identificare lo ione molecolare (se c’è).

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.

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 (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.


OrigineOrigine δ δ 1313C ‰C ‰ EsempiEsempi

COCO22 atmosferica atmosferica Da –8 a +1 Da –8 a +1

Piante C3Piante C3 Da –32 a –24Da –32 a –24 Frumento, riso, olio, Frumento, riso, olio, soia, vite, ecc.soia, vite, ecc.

Piante C4Piante C4 Da –16 a –10Da –16 a –10 Mais, miglio, canna Mais, miglio, canna da zuccheroda zucchero

Piante CAMPiante CAM Da –30 a –12Da –30 a –12 Ananas, vaniglia, Ananas, vaniglia, agaveagave

Misurato rispetto al riferimento R 13C/ 12C = 0,0112372

1000‰

oriferiment

oriferimentcampione

R

RR


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…

13C/12C, 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

18O/16O, D/H Origine dell’acqua Annacquamento (ad es. nel vino)

13C/12C , D/H Sintesi chimicaAggiunta di sostanze di sintesi

18O/16O, D/H, 15N14N, 13C/12C

Origine geografica Caratterizzazione di prodotti ad origine protetta econtrollata


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)


“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.”

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.


Risultati della misura dei rapporti isotopici del carbonio nell’alcol etilico.

13C ‰ V-PBD

vino, bietola -27

canna, mais -12


RAPPORTI ISOTOPICI OTTENUTI PER L'ANNATA 1994 DI CARBONIO NELL'ALCOL ETILICO C ‰

Abruzzo 24.93 Basilicata 25.39 Calabria 26.61 Campania 26.37Emilia- Romagna 26.89Friuli-V.G. 25.81 Lazio 25.77 Liguria 26.04Lombardia 26.50Marche 26.42Molise 26.12Piemonte 26.52Puglia 24.87Sardegna 25.51Sicilia 25.32Trentino A.A. 26.96Toscana 25.91Umbria 26.79Veneto 26.06


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