D V tra due elettrodi sotto vuoto (1 torr)

1. luminescenza all’anodo particelle cariche accelerate dal DV che urtano la superficie del vetro se sono particelle cariche interagiscono con campi elettrici e magnetici determinazione sperimentale del rapporto carica/massa dell’elettrone cosa si scarica al catodo? esperimento analogo ma rapporto carica/massa molto maggiore è stato costruito il primo spettrometro di massa DV tra due elettrodi sotto vuoto (1 torr) si osserva si ipotizza quindi esperimento

2. Normalmente, quando si misura una massa, si usa una bilancia che funziona con la gravità terrestre. • Come si misura la massa di una molecola, che è così piccola da non avere una interazione gravitazionale misurabile? • il flusso di particelle cariche viene deviato da un campo elettrico o magnetico. Il fisico J.J. Thomson ha utilizzato questo fenomeno per sviluppare uno strumento capace di separare particelle cariche in base al numero di massa.

3. IL PRIMO SPETTROMETRO DI MASSA rivelatore analizzatore sorgente ionica catodo N + lastra fotografica - anodo S elettrodi magnete Gli oggetti che passano al di là del catodo forato interagiscono con i campi elettrico e magnetico aventi linee di flusso tra loro parallele. L’interazione devia il moto delle particelle su traiettorie paraboliche il cui fuoco dipende dal rapporto carica/massa dell’oggetto.

4. Ioni come particelle reali e non stati fisici legati alla soluzione Neon: scoperta degli isotopi Difetto di massa: teoria della relatività II guerra mondiale: analisi di carburanti strategici Sostanze organiche di origine naturale Spettrometria di massa

5. 14 6 12 5 10 4 log MR (Da) 8 - log S (g) 3 6 2 4 1 2 0 0 1900 1950 2000 t (anni) applicazioni fisiche applicazioni dinamiche applicazioni biomediche chimica clinica

6. SPETTROMETRIA DI MASSA NELLO SPAZIO Sistema di pompaggio Sorgente ionica Lente elettrostatica Analizzatore Rivelatore interfaccia Data system HPLC - GC • Uno spettrometro di massa comprende • un dispositivo per introdurre il campione (p.es. una unità GC o HPLC), • un’interfaccia per connettere tale dispositivo, • una sorgente per ionizzare il campione, • una lente elettrostatica che introduca efficientemente gli ioni generati, • un analizzatore di massa che separi gli ioni in base al loro rapporto m/z • ed un detector che riconosca gli ioni separati

7. separa i componenti di un campione sulla base della loro affinità o tempo di ritenzione per la fase stazionaria rivela i singoli componenti sulla base delle loro proprietà, usando UV, fluorescenza o la conduttività elettrica. da una risposta qualitativa sulla base del tempo di ritenzione, poi una quantitativa sulla base dell'intensità e dell'area del picco. offre una grande risoluzione, ma caratterizzare accuratamente le sostanze dal punto di vista qualitativo e quantitativo può essere difficile se più componenti vengono eluiti allo stesso tempo, come accade nelle analisi multianalita. CROMATOGRAFIA LIQUIDA

8. offre una tecnica altamente sensibile che ionizza i componenti del campione usando metodi diversi separa gli ioni risultanti sotto vuoto, sulla base del loro rapporto massa/carica, e misura l'intensità di ciascuno ione lo spettro di massa è molto utile all'analisi qualitativa perché può indicare la concentrazione degli ioni che hanno una data massa ma l’applicazione è possibile solo quando si va a misurare un singolo componente, perché se vengono iniettati simultaneamente più componenti diventa molto difficile analizzare lo spettro. SPETTROMETRIA DI MASSA

9. combinano l'eccezionale risoluzione nella separazione propria della cromatografia liquida con le eccezionali capacità qualitative della MS. gli spettri ottenuti da queste scansioni offrono, per i componenti eluiti, spettri di massa ed informazioni strutturali complementari alle informazioni qualitative basate sul tempo di ritenzione ottenuto usando altri rivelatori LC SISTEMI LC-MS

10. TECNICHE DI IONIZZAZIONE non è adatta a sostanze poco volatili favorite le reazioni di decomposizione; in alcuni casi non si evidenzia la presenza dello ione molecolare EI - ELECTRONIC IMPACT IONIZATION (GC) Interazione in fase gas dei vapori del campione con un fascio di elettroni. • Il potenziale a cui viene effettuato l’EI è stato standardizzato a 70 eV perché a questo valore si ottengono spettri con frammentazioni riproducibili, consentendo così di costruire banche dati e di ricercare al loro interno i composti studiati. è la tecnica piu’ utilizzata ma presenta due limiti importanti • richiede la vaporizzazione del campione • elevata energia trasferita alla molecola

11. SORGENTE AD IMPATTO ELETTRONICO campione in fase gas camera di ionizzazione filamento incandescente ioni elettrodo di accelerazione sistema di focalizzazione

12. Tutti gli ioni sono sottoposti allo stesso potenziale z carica dello ione V  potenziale della camera di ionizzazione zV = ½ mv2 • Se V è costante, a parità di carica z, tutti gli ioni che escono dalla camera di ionizzazione hanno la stessa energia cinetica • L’energia generata all’interno della molecola dalle interazioni elettrone-molecola porta alla formazione dello ione molecolare M + e- M+. + 2e- • che successivamente si decompone formando specie cationiche, anioniche, radicaliche e neutre CHj+. + DjM+. Aj+ + Bj. • a loro volta queste specie possono ulteriormente frammentarsi e dare luogo ad altri ioni, caratteristici della struttura molecolare.

13. CI - CHEMICAL IONIZATION (GC) • oppure reazioni di scambio di carica: • o cattura elettronica di risonanza: Ionizzazione chimica tramite reazioni ione-molecola in fase gassosa • La sorgente utilizzata è analoga a quella della EI, con la differenza che nella camera di ionizzazione si inseriscono elevate quantità di gas reagente (0.1 torr). • Generalmente vengono sfruttate reazioni acido-base del tipo: • Nonostante siano state superate alcune limitazioni dell’EI, questo tipo di sorgente richiede sempre campioni gassosi e non è adatto a sostanze non volatili (alto PM o molto polari)

14. TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC) • Queste interfacce operano a pressione atmosferica e la ionizzazione avviene per elettronebulizzazione: gli ioni si formano da soluzioni finemente nebulizzate tramite un capillare tenuto ad alto potenziale elettrico

15. ESI - ELECTROSPRAY IONIZATION • La soluzione di analita viene nebulizzata in un flusso di gas (azoto) e in presenza di un campo elettrico (2-10kV). • Le goccioline cariche vengono riscaldate tramite un flusso di gas caldo, per evaporare il solvente. Non si riscaldano, perché il calore viene assorbito dall’evaporazione. Le goccioline diminuiscono di volume ma mantengono la carica elettrostatica. • Quando la forza di Coulomb eguaglia la tensione superficiale, le goccioline esplodono, liberando gli ioni di analita (“Coulombic explosion”)

16. APCI - ATMOSPHERIC PRESSURE CHEMICAL IONIZATION • La soluzione di analita viene nebulizzata a pressione ambiente e ad alta T (250-400°C) in presenza di un emettitore di elettroni a corona (2-10kV). • Il solvente allo stato di vapore si ionizza e a sua volta trasferisce carica agli analiti, che quindi passano all’interno dello spettrometro. • E’ una sorgente adatta ad un vasto range di molecole polari e non polari. • Viene impiegata in serie a cromatografie a fase diretta, perché gli analiti sono di solito non polari

17. TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC) APCI - ATMOSPHERIC PRESSURE PHOTOCHEMICAL IONIZATION • Anche in questo caso un vaporizzatore porta l’eluato della colonna in fase gas. • Una lampada a scarica genera fotoni in un range ristretto di energie di ionizzazione, scelto per ionizzare quanti più analiti sia possibile ma mantenendo al minimo la ionizzazione del solvente. • E’ una sorgente adatta ad un range di molecole analogo all’APCI, ma particolarmente utile in caso di composti fortemente non polari e basse velocità di flusso, nelle quali l’APCI a volte è meno sensibile.

18. TECNICHE A SPRAY - ESI, APCI, APPI (HPLC)

19. ANALIZZATORI DI MASSA ANALIZZATORI A SETTORE MAGNETICO A SINGOLO O DOPPIO FUOCO • E’ l’analizzatore storico, in uso da più tempo. • Gli ioni generati in una unità di ionizzazione vengono accelerati in un settore magnetico, da una differenza di potenziale da 2 a 8 kV. • Scondo la regola della mano sinistra di Fleming, gli ioni vengono accelerati secondo una direzione perpendicolare sia alla loro velocità che al campo magnetico, dando come risulato una traiettoria curva.

20. ANALIZZATORI DI MASSA B  campo magnetico z  carica f1 = B z e v e  carica elementare v  velocità m  massa f2 = mv2/r r  raggio ½ mv2 = z e V V  potenziale del campo elettrico ANALIZZATORI A SETTORE MAGNETICO A SINGOLO O DOPPIO FUOCO • Lo ione è sottoposto alla forza di Lorentz (centripeta) • Allo stesso tempo è sottoposto anche alla forza centrifuga • Nella traiettoria circolare le forze centrifuga e centripeta sono in equilibrio, quindi si avrà: mv2/r = B z e v • ma l’energia cinetica dipende anche dal potenziale del campo elettrico V

21. ANALIZZATORI DI MASSA v = B z e r/m v2 = 2 V z e/m e • Ricavando da entrambe le equazioni il termine relativo alla velocità si ha • e uguagliando i termini si ottiene m/z = B2 e r2/ 2V • Questo significa che mantenendo costante il potenziale di accelerazione degli ioni V e variando il flusso magnetico B (o viceversa mantenendo costante B e variando V) un detector collocato sul raggio del cammino r può rivelare qualsiasi massa particolare m. • Negli attuali spettrometri a settore magnetico viene usato solo un detector di ioni e vengono mantenuti costanti sia il potenziale di accelerazione, sia il raggio della traiettoria, mentre si varia il campo magnetico. • Ciò significa che ioni con masse diverse passano tutti attraverso il campo magnetico, uno dopo l’altro, e raggiungono il detector. • Si ottiene uno spettro di massa da ciascuna scansione del campo magnetico.

22. ANALIZZATORI DI MASSA QUADRUPOLO ANALIZZATORI DI MASSA TRAPPOLA IONICA (ION TRAP) HPLC TEMPO DI VOLO (TIME OF FLY - TOF)

23. QUADRUPOLO • Un analizzatore di massa a quadrupolo consiste di quattro barre parallelle disposte a quadrato, con potenziali opposti su barre adiacenti. • Gli ioni dell’analita vengono diretti al centro del quadrato. • Differenze di potenziale applicate alle barre generano campi elettromagnetici variabili, che determinano oscillazioni dell ione nello spazio. Solo ioni con un determinato rapporto m/z possono passare attraverso il filtro ad un dato tempo.

24. QUADRUPOLO • Sono i detector più economici e più semplici. • Possono operare in due modalità: • scanning (scan mode): l’analizzatore monitora un range di valori m/z. E’ la modalità usata per l’analisi qualitativa o per la quantitativa nel caso in cui non si conoscano in anticipo le quantità dei singoli analiti • selected ion monitoring (SIM mode): l’analizzatore monitora solo pochi valori m/z. Questa modalità è molto più sensibile della modalità scan, ma da informazioni su molti meno ioni. E’ impiegata per l‘analisi quantitativa e per il monitoraggio di composti target.

25. TRAPPOLA IONICA (ION TRAP) • Questo sistema consiste di un elettrodo a forma di ciambella chiuso tra due altri elettrodi forati, uno adiacente alla sorgente e l’altro al detector. Si fanno entrare nella trappola gli ioni compresi in un range di rapporto m/z predefinito, scartando gli altri. • Successivamente il principio è analogo al funzionamento del quadrupolo: vengono prodotte oscillazioni dello ione attraverso campi elettrici e magnetici oscillanti. La scansione dei vari valori di campo elettrico e magnetico porta all’uscita selettiva verso il detector solo degli ioni che via via hanno un determinato rapporto m/z, consentendo di rivelarli uno ad uno. • In questo dispositivo è possibile anche introdurre direttamente il campione nella trappola, realizzando così lo studio solo in spettroscopia di massa

26. TEMPO DI VOLO (TIME OF FLIGHT - TOF) • Un campo magnetico uniforme viene applicato a tutti gli ioni allo stesso tempo, provocandone l’accelerazione all’interno di un tubo. • Ioni più leggeri percorrono il tubo più velocemente ed arrivano prima al detector. Il rapporto m/z viene quindi determinato dal tempo di arrivo. • Questi analizzatori hanno un range di masse vasto e sono molto accurati.

27. RICAPITOLANDO

28. STRUMENTAZIONI PRESENTI IN UNICAM

29. http://www.shimadzu.com/an/hplc/support/lib/lctalk/46/46intro.htmlhttp://www.shimadzu.com/an/hplc/support/lib/lctalk/46/46intro.html